Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Микробная трансформация соединений азота в процессе биофильтрации сточных вод

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Микробная трансформация соединений азота в процессе биофильтрации сточных вод"

На правах рукописи

СЕМЕНОВА ЕЛЕНА НИКОЛАЕВНА

МИКРОБНАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА В ПРОЦЕССЕ БИОФИЛЬТРАЦИИ СТОЧНЫХ ВОД

03 00 23 - Биотехнология 03 00 16 - Экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 ОПТ 2008

Казань- 2008

003449952

Работа выполнена на кафедре промышленной биотехнологии Казанского государственного технологического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Сироткин Александр Семенович

Официальные доктор технических наук, профессор

оппоненты: Шарифуллин Вилен Насибович

доктор биологических наук, профессор Турковская Ольга Викторовна

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский институт

нефтепромысловой химии«, г Казань

Защита диссертации состоится 22 октября 2008 г в 16 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212 080 02 в Казанском государственном технологическом университете по адресу 420015, г Казань, ул К Маркса, 58, зал заседаний Ученого Совета (А-ЗЗО)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технологического университета

Электронный вариант автореферата размещен на сайте Казанского государственного технологического университета (www kstu ru)

Автореферат разослан « 1,% 09 2008 года /1

Ученый секретарь диссертационного совета

Сироткин А С

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы удаления из сточных вод соединений азота обусловлена псе более возрастающей степенью эвтрофикации поверхностных водоемов, которая в значительной мере определяет напряженную экологическую ситуацию с источниками водоснабжения, как в России, так и за рубежом

Экологическая безопасность водных источников оценивается степенью достижения нормативных показателей, в том числе по содержанию соединений азота Высокий уровень загрязнения российских водоемов биогенными элементами, прежде всего, аммонийным азотом не позволяет рассчитывать на процессы самоочищения, "аэто1,у лпи утверждении проектов вновь строящихся очистных сооружений и на действующих станциях очистки к сбрасываемым сточным водам предъявляются требования, как правило, на уровне ПДК водоемов рыбохозяйственного назначения

Приоритетным направлением в технологии очистки сточных вод является комплексный подход к решению проблемы очистки сточных вод от биогенных элементов, выявлению основных закономерностей и разработке новых эффективных технологий, таких как биофильтрация на основе многообразия модульных компактных малогабаритных реакторов

Работа выполнена в рамках государственного контрактах» 02 442 11 7384 с Федеральным агентством по науке и инновациям на выполнение НИР по теме «Комплексная биотрансформация соединений азота в системах биофильтрации сточных вод» (2006 год) в рамках федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы»

Цель работы состояла в исследовании эффективности процесса нитрификации и анализе путей биотрансформации соединений азота микробными ассоциациями на поверхности различных материалов-носителей биомассы в аэрируемом биофильтре для очистки сточных вод с достижением нормативов предельно допустимого сброса и снижением нагрузки по аммонийному и общему азоту на водоемы

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие

задачи

❖ дать сравнительную оценку процесса очистки хозбытового стока и его модельного раствора иммобилизованными и суспендированными микроорганизмами и охарактеризовать процессы биотрансформации соединений азота,

❖ исследовать непрерывный процесс биологической очистки хозяйственно-бытового стока и его модельного раствора от органических загрязнителей и аммонийного азота с анализом биоценоза биопленки,

❖ на основании полученных экспериментальных данных рассчитать предотвращенный экологический ущерб по результатам достижения норм для

сброса соединений азота и БПК в водоем рыбохозяйственного назначения

Научная новизна. Экспериментально определены количественные соотношения между соединениями азота в результате его биотрансформации в процессе непрерывной очистки хозяйственно-бьповых сточных вод в аэробных биофильтрах с затопленным слоем загрузки Показано, что глубокое удаление аммонийного азота из сточных вод осуществляется вследствие биотрансформации соединений азота в процессах конструктивного обмена (от 64 до 90 %) , а также нитрификации (от 10 до 36 %)

Для процесса фильтрации сточных вод в аэрируемом биореакторе получены новые экспериментальные данные, свидетельствующие об одновременном протекании процессов нитрификации и денитрификации, вследствие чего было обеспечено комплексное удаление аммонийного, нитритного и нитратного азота из сточных вод

Впервые для загрузки биофильтров был использован оригинальный материал - угольное органическое волокно, развитая поверхность которого обусловила значительное накопление биомассы и ее высокую активность, а также обеспечила условия для развития всех основных бактериальных групп в микробном сообществе

Для идентификации нитрифицирующих микроорганизмов в пробах биопленки из биофильтров был использован метод флуоресцентной т-и/и гибридизации, на основании данных которого был сделан вывод о развитии нитрифицирующих бактерий внутри микробных агрегатов (биопленки)

Практическая значимость Полученные результаты использованы в разработке компактного высокоэффективного биологического фильтра как основной ступени для локальной биологической очистки хозяйственно-бытовых стоков с глубоким удалением соединений азота

Разработаны технические условия на установку биотогической очистки «Блик-БФ», изготовлен опытный образец установки в составе технологической схемы, проведены промышленные испытания

Повышение качества очистки сточных вод по азоту аммония, нитритов и нитратов позволяет сократить поступление соединений азота в водоемы, обеспечивая снижение антропогенной нагрузки и экономический ущерб окружающей среде, и, как следствие, снизить платежи за сброс загрязняющих веществ Рассчитанный предотвращенный экономический ущерб от сброса очищенного хозяйственно-бытового стока объемом 700 м3/сут по показателям БПК и соединений азота составил 85,7 тыс руб в год При этом снижение платежей за сброс сточных вод, очищенных от указанных примесей, составит 71,7 %

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были дочожекы на 1-ой Всероссийской научной конференции «Ресурсосберегающие, водо- и почвоохранные биотехнологии, основанные на использовании живых экосистем» ( г Казань, май 2006 г), 1У-м Московском

международном конгрессе «Биотехнология состояние и перспективы развития» (г Москва 2007 г), VII-й республиканской научной конференции «Актуальные проблемы Республики Татарстан» (г Казань, 2007 г), Ш-й молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения», посвященной 40-летию КГЭУ (г Казань, 2008 г), на ежегодных научно-практических конференциях Казанского государственного технологического университета 20062008 гг

Результаты работы отмечены золотой медалью Биотехнологической выставки-ярмарки «РосБиоТех-2007» за разработку и внедрение высокоэффективной биофильтрации сточных вод с комплексным удалением соединений азота

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них - 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России и тезисы 10 докладов в материалах международных и российских конференций

Личный вклад автора в работу состоит в непосредственном участии на всех этапах работы и обсуждения полученных результатов, подборе методик, написании статей и тезисов, участии в конференциях Соавторами публикаций является научный руководитель д т н профессор, заведующий кафедрой промышленной биотехнологии КГТУ А С Сироткин, а также сотрудники и студенты указанной кафедры

Структура и объем диссертации Работа изложена на 111 страницах машинописного текста, содержит 27 таблиц и 40 рисунков Диссертация состоит из следующих разделов введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложения Список литературы включает 142 наименования работ отечественных и зарубежных авторов

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТ Ы

Исследование биологической трансформации соединений азота в процессе очистки сточных вод накопительными культурами аммоний- и ннтрнтокислиющих микроорганизмов

Нитрификация, т е биологическое окисление аммонийного азота до азота нитритов и нитратов, является в природе единственным путем образования окисленных форм азота, и, как следствие, ключевым процессом биологической очистки сточных вод от аммонийного азота

Для изучения нитрифицирующих микроорганизмов и образуемых ими сообществ применяли метод накопительных культур Накопительные культуры аммоний- и нитритшисляющих бактерий были поставлены по общепринятым методам (Теппер, 2004) с использованием мииератьных сред Виноградского доя соответствующих микроорганизмов (Теппер, 2004, Нетрусов, 2005) и активного ила городских очис-шых сооружений в качестве источника активной биомассы

Полученные накопительные культуры окрашивали по Граму, флуоресцентным красителем ОАР1 (4'6'диамидино-2-фенилиндол-дигидрохлорид), который связывается с ДНК клеток и окрашивает только клетки, а также исследовали методом фазово-контрастной микроскопии

Накопительные культуры аммонийокисляюших микроорганизмов (АОМ) и тпритокислякяцих микроорганизмов (НОМ) представляли собой грамотрицательные клетки палочковидной и сферической формы, образующие небольшие скопления, окруженные слизистым слоем Образование так называемых зооглей или цист является характерной особенностью накопительных, но не чистых культур нитрифицирующих бактерий (Ве1£еу,1997)

Полученные накопительные культуры исследовали на нитрифицирующую активность культивированием на хозяйственно-бытовой сточной воде в качестве субстрата Физико-химические и органолептические характеристики хозбытового стока представлены в табл 1 Для выявления возможного влияния содержащихся в сточной воде органических веществ на биологическую активность нитрификаторов в качестве контрольной среды использовалась среда Виноградского для аммонийокисляюших бактерий, разбавленная по содержанию аммонийного азота до концентрации его в хозяйственно-бытовых стоках (35-40 мг/дм3)

Таблица 1

Характеристика хозбытового стока

Показатель Значение

Органолептические показатели Мутная бесцветная жидкость с ярко выраженным неприятным запахом

ХПК, мг/дм' 100-160

ВПК, мг/ дм' 50-80

РН 6,7-7,5

Содержание, мг/дм' аммонийного азота 35-48

нитритного азота 0,3-2,7

нитратного азота 0,1-2,2

Нитрифицирующая активность микроорганизмов оценивалась по скорости снижения концентрации субстрата (азота аммония и нитритов) в периодических условиях Для этого в подготовленные стерильные среды вносили инокулят накопительных культур в объеме 10% от объема питательной среды Так как в очистных сооружениях нитрификаторы представлены обеими группами одновременно, в работе оценивалась нитрифицирующая активность смешанной накопительной культурой АОМ и НОМ Количественный химический анализ сред на содержание соединений азота определяли фотометрическим методом с помощью стандартных методик ПНД Ф 14 1 1-95, ПНД Ф 14 1 2 3-95 рН сред измеряли потенциометрическим методом комбинированным электродом ЭСК 10301/7 в комплекте с анализатором жидкости «Эксперт-001»

Периодическое культивирование накопительных культур АОМ и НОМ на хозбытовом стоке и минеральных средах Виноградского проводили в течение 20 суток. Органические вещества, содержащиеся в сточной воде, не оказывали существенного ингибирующего или стимулирующего влияния на удаление аммонийного азота (рис. 1). Однако, по истечении 20 суток эффективность снижения содержания аммонийного азота в среде при культивировании АОМ на сточной воде и среде Виноградского составляла 51 и 66 % соответственно.

160 140 I"

? 120 S? 100

ШШк.

Ш Среда Виноградского □ Сточная вода

1 2

3 4 5 16 17 18 19 20 Время, сутки

Рисунок 1 - Удаление аммонийного азота в процессе нитрификации накопительной культурой АОМ

Низкая скорость и эффективность снижения содержания аммонийного азота могут быть связаны с накоплением в среде продукта окисления - нитритного азота (табл. 2), избыток которого оказывает ингибирующее действие на аммонийокисляющих бактерий (AC. Anthonisen, 1976; J. Chung et al.2006; A.E. Кузнецов, 2005). Средняя скорость окисления аммонийного азота культурой АОМ в минеральной среде Виноградского в первые 5

суток составляла 1,8 мг МН4+~М/сутки, и снизилась к 16-м суткам до 0,4 мг ЫН4+-М/сутки.

Таблица 2

Содержание нитритного азота в средах при нитрификации накопительной культурой АОМ, мг/дм3

Среды Продолжительность культивирования, сутки

16 19 20

Сточная вода 47,1 57,0 48,7

Среда Виноградского 53,2 41,8 28,9

Таблица 3

Содержание нитритного азота в средах при нитрификации смешанной культурой АОМ н НОМ, мг/дм3

Среды Продолжительность культивирования, сутки

16 19 П 20

Сточная вода 44,1 47,1 47,1

Среда Виноградского не обв. 1,5 1,5

Об ингибируюшем действии нитрит-ионов на АОМ свидетельствует и тот факт, что скорость и эффективность снижения содержания аммонийного азота в средах при культивировании смешанной культуры аммоний- и нитритокисляющих бактерий АОМ и

НОМ была существенно выше (рис. 2). На 20-е сутки эффективность удаления аммонийного азота в минеральной среде Виноградского составляла 97% против 76% в сточной воде.

Органические вещества сточной вода, ингибируюг активность нитритокисляющих бактерий, что следует из значительного, в сравнении со средой Виноградского, накопления нитритного азота в сточной воде (табл. 3). Как следствие, накопление нитритов отрицательно воздействовало на бактерии, окисляющие аммоний, в составе смешанной культуры и привело к снижению скорости окисления аммонийного азота с 2,4 до 0,6 MrNHi+-N/cyrKH.

Значение рН исследуемых сред изменялось в диапазоне роста культур и имело общую тенденцию к снижению, что связано с накоплением продуктов нитрификации.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что наибольшая скорость и эффективность нитрификации достигалась в результате совместной деятельности аммоний-и нитритокисляющих бактерий. При этом наиболее чувствительными к внешним условиям среды оказались бактерии, окисляющие нитрит-ионы.

Накопление достаточного количества бактерий в реакционной среде, в частности, путем интродукции накопительной культуры для обеспечения высокой скорости процесса осложняется тем, что нитрифицирующие бактерии являются медленнорастущими микрсюрг-анизмами, и получение накопительной культуры занимает длительное время. Однако, известно (Н Asano el а!.. 1992; С Vogelsang el al., 1997), что иммобилизация медленнорастущих микроорганизмов позволяет поддерживать в реакторе высокую концентрацию и активность биомассы. Поэтому в дальнейшем исследовались иммобилизованные культуры аммоний- и нитритокисляющих микроорганизмов.

Исследование биологической активности иммобилизованных культур аммоний- и нитритокисляющих микроорганизмов

Иммобилизация АОМ и НОМ осуществлялась в процессе периодического культивирования суспензии соответствующей накопительной культуры в присутствии образцов материалов-носителей в стерильных средах Виноградского для аммоний- и нитритокисляющих бактерий.

Я z

160 140 120 100

0

Я Среда Виноградского □Стачная вода

0 12 3

4 5 15 16 17 18 19 20 Время, сутки

Рисунок 2 - Удаление аммонийного азота в процессе нитрификации смешанной накопительной культурой АОМ и НОМ

Известно, что нитрифицирующие бактерии могут выделять полисахаридный гель, способствующий закреплению клеток на поверхности материала (DJ Сох et al 1980, PW Johnson, 1976) Большое значение для иммобилизации имеют свойства материала-носителя наличия поверхностного заряда, что связано с адсорбцией субстрата (SE Underhill, 1987) шероховатости поверхности. Нитрифицирующие бактерии также избирательно иммобилизуются в зависимости от состава материала, например, полиэтилен является более предпочтительным дня иммобилизации, чем поливинилхлорид (J Schulz, 1993) Материал также не должен содержать токсичных соединений, красителей, те быть биологически инертным

В качестве материалов-носителей использовались

- керамзит (диаметр зерна 4-6 мм),

- угольное органическое волокно (УOB), представляющее собой полимерное волокно с большой поверхностью, имеющее угольное напыление,

- полиэтиленовые гранулы диаметром 4-6 мм,

Керамзит является биологически нейтральным веществом, обладает системой внутренних пор, в значительной степени закрытых снаружи Однако, хорошо растворимые соли могут концентрироваться на поверхности керамзита, а также частично проникать в пористое пространство гранул и снова выделяться в раствор

Угольное органическое волокно (УОВ) представляет собой композиционный материал из мельчайших частиц активированного угля, диспергированных в матрице органических волокон УОВ является экспериментальным материалом, предоставленным фирмой <(BASF AG» и Институтом инженерной биологии и биотехнологии сточных вод г Карлсруэ (Германия) Уголь является адсорбентом для токсичных примесей сгочньсх вод, а большая поверхность волокон предназначена для иммобилизации и успешного культивирования медленнорастущих бактерий, таких как нитрифицирующие и фосфорокисляющие микроорганизмы

Полиэтиленовые гранулы, не обладая пористой структурой поверхности, являются инертным материалом по отношению к компонентам сточных вод

Визуально нитрифицирующая биопленка представляла собой светло-коричневое тонкое плохо смываемое обрастание Иммобилизованные культуры АОМ и НОМ исследовали на нитрифицирующую активность в периодических условиях культивированием на минеральных средах Виноградского

Иммобилизованная биомасса аммонийокисляющих микроорганизмов АОМ, в особенности на поверхности УОВ и керамзига, обнаружила высокую нитрифицирующую активность (рис 3) Глубокая нитрификация с полным удалением ионов аммония из среды наблюдалась к 4-м суткам Иммобилизованные на поверхности этих же материалов культура НОМ также показывала более высокую окислительную активность (рис За)

Для АОМ, иммобилизованных на поверхности полиэтиленовых гранул скорость потребления аммонийного азота в первые сутки составила 6,48 мг NH4+-N/cyn«, с последующим ее понижением к 3-м суткам до 3,28 мг NH4+-N/c>tkh Снижение скорости потребления субстрата также вызвано накоплением продукта окисления - нитритов (рис 36)

Полиэтиленовые гранулы

Керамзит

Угольное волокно

— Полиэтиленовые гранулы -X— Керамзит

— Угольное волокно

3 - Кинетика аммонийного (а) и иитритного (б) азота в процессе нитрификации среды Виноградского иммобилизованными культурами АОМ

Ингибирование активности АОМ носит обратимый характер, по мере снижения в последующие сутки содержания азота нитритов увеличивается скорость окисления аммонийного азота и достигает своего максимального значения 10,9 мгМН4+-К/сутки на 4-е сутки.

Для окисляющих аммоний, бактерий, иммобилизованных на УОВ и керамзите зависимости концентрации аммонийного азота от времени имеют характер плавно убывающих кривых (рис. За.). Значения скоростей потребления субстрата снижаются по мере исчерпания его в питательной среде. Максимальная скорость потребления субстрата достигается на 2-е сутки культивирования и составляет для АОМ, иммобилизованных на УОВ и керамзите соответственно 12,3 и 15,9 игШ^-Ы/сутки.

Эффективность удаления аммонийного азота для АОМ, иммобилизованных на керамзите и УОВ, составляла 94 и 95% уже их высокой окислительной

на 3-е сутки культивирования, что говорит активности.

Поскольку культура АОМ является накопительной, снижение концентрации азота нитритов в среде (рис. 36) объясняется присутствием в ней нитритокисляющих микроорганизмов (НОМ). Данное предположение подтверждается присутствием в среде конечного продукта нитрификации - азота нитратов, что было обнаружено по результатам качественного анализа.

В процессе нитрификации иммобилизованными культурами АОМ модельного раствора сточной воды (НиЬег, 1998), содержащего органические вещества и аммонийный азот в количестве 30 мг/дм3, было отмечено резкое снижение скорости потребления субстрата, в среднем в 10 раз. Так, для биопленки на поверхности полиэтиленовых гранул и керамзита средняя скорость окисления аммонийного азота составляла 1,1-1,3 мг N4/-И/сутки, а для угольного

органического волокна - 2,3 мг ЫН4 -К/сутки, что свидетельствует о снижении активности микроорганизмов примерно в 10 раз.

В средах с НОМ,

300 ■

I 250 1

—«— Полиэтиленовые гранулы —«— Керамзит —X— Угольное волокно

—я— Полиэтиленовые гранулы —*— Керамзит —х— Угольное волокно

иммобилизованных на керамзите и УОВ, глубокое удаление нитритното азота наблюдалось на 4-е сутки периодического культивирования (рис. 4а). Максимальная скорость потребления субстрата для НОМ, иммобилизованных на керамзите и УОВ приходилась на 3-е сутки культивирования и составляла 6,3 и 6,5 мг Ю2-№сутки соответственно, дальнейшее снижение скорости окисления связано с постепенным исчерпанием субстрата.

Для изучения влияния присутствия аммонийного азота на иммобилизованную культуру НОМ в минеральную среду Виноградского для микроорганизмов, окисляющих нитрит, внесли аммонийный азот в концентрации, равной его содержанию в хозбытовой сточной воде (30 мг/дм3).

Было экспериментально показано, что окисление нитритов иммобилизованными культурами НОМ в присутствии аммонийного азота протекал интенсивнее. Полное исчерпание субстрата наблюдается уже на 3-й сугки (рис. 46). Средняя скорость окисления нитритното азота НОМ, иммобилизованных на керамзите и УОВ была выше, чем в среде без внесения аммонийного азага: 8,06 и 9,5 мгЫ02'-К/сутки соответственно.

Дегидрогеназная активность АОМ и НОМ, иммобилизованных на УОВ была в 2-3 раза выше, чем активность АОМ на поверхности полиэтиленовых гранул, и в 3-5 раз выше, чем активность АОМ на керамзите.

Результаты экспериментальных исследований в периодических условиях культивирования послужили основой для проведения процессов непрерывной биофильтрации сточных вод с использованием указанных материалов-носителей биомассы.

емя, сутки

Рисунок 4 - Кинетика окисления нитритного азота иммобилизованными культурами НОМ в отсутствии (а) и присутствии (б) аммонийного азота

Непрерывная бнофильтрация сточных вод и модельного раствора

В 90-е гг в России и за рубежом для очистки сточных вод стали применяться новые конструкции крупнозернистых аэрируемых фильтров (с нисходящими или восходящими потоками воды, неподвижным или кипящим слоями загрузки и другими конструктивными особенностями) Такие фильтры получили название затопленных биофильтров В отличие от обычных биофильтров их загрузка постоянно находится под уровнем очищаемых сточных вод Основными технологическими особенностями затопленных биофильтров являются сочетание фильтрования воды с аэрацией воздухом или техническим кислородом, а также необходимость проведения периодических промывок биофильтра ( С Н Фомин,2002)

Лабораторная установка состояла из трех биофильтров Б1, Б2 и БЗ, каждый из которых содержал три последовательно соединенных полых цилиндра из органического стекла 1 , заполненных фильтрующими материалами керамзитом, полиэтиленовыми гранулами, угольным органическим волокном (рис 5)

Фильтрующий материал каждого биофильтра был организован тремя слоями, которые пространственно были разделены зонами, свободными от загрузки 2, что позволило усреднить концентрации

веществ и ионов после контакта сточной воды с каждым слоем загрузки, облегчить продувку биофильтра воздухом в процессе аэрации и упростить демонтаж в случае отбора проб сточной воды и биопленки, а также ремонта

Подача воды и воздуха для аэрации осуществлялась прямотоком в нижнюю часть реакторов Очищенная сточная вода отводилась в канализацию Дня накопления биомассы адаптированной к чозбытовому стоку и образования биопленки на поверхности фильтрующих материалов в первые три недели в

Б1, Б2, БЗ - биофильтры,

1 - секции, заполненная фильтрующим материалом,

2 - полые секции,

С - емкость-сборник поступающих на очистку

сточных вод, Н - насос для подачи сточной воды в биофильтры, К - компрессор для аэрации

Рисунок 5 - Схема лабораторной установки для биофильтрацил

реактор подавался хозяйственно-бытовой сток, отбираемый из коллектора очистных сооружений г Казани

С целью исследования биологической трансформации соединений азота в процессе очистки сточных вод и составления балансовых соотношений форм азота в сточную воду заменили ее модельным раствором, имеющим схожий состав по основным компонентам (табл 4) и не содержащим органических соединений азота (НиЬег,1998)

Технические и технологические параметры установки были следующими гидравтическое время пребывания - от 4 до 8 часов, доля загрузки в рабочем объеме биофильтров - около 50 %, порозность слоя загрузки (определяемая как доля свободного объема, заполняемого водой, и ибьемС загруз'Л') сост?рляпа 37 9 % для керамзита, 33,9 % для полиэтиленовых гранул, 43,4 % для УОВ В процессе эксплуатации биофильтров загрузка не подвергалась промывке,

Таблица 4

Характеристики сточных вод и модельного раствора

Показатели Сточная вода Модельный раствор

рн 6,7-7,5 6,1-7,3

ХПК, мг/дм1 100-160 250

БПК, мг/дм! 50-80 125

Ш/, мг/дм1 48-83,2 40

N03 , мг/дм1 0-2,2 0,3

N03 , мг/дм5 0,3-2,7 1,3

Контролируемыми показателями процесса очистки сточных вод являлись ХПК, содержание аммонийного, нитритного и нитратного азота

Количественный химический анализ вод на содержание соединений азота определяли фотометрическим методом с помощью стандартных методик ПНД Ф 141 1-95ПНД Ф 14 1 2 3-95, ПНД Ф 14 1 2 4-95 Химическое потребление кислорода (ХПК) определяли методом бихроматной окисляемости, биохимическое потребление кислорода (БПК) определяли методом разбавлений (Лурье, 1974)

Содержание растворенного кислорода р02 в воде фиксировали с помощью амперометрического датчика растворенного кислорода с термоэлектрическим преобразователем ДКТП-02 в комплекте с анализатором жидкости «Эксперт-001»

Микроскопические исследования осуществлялись посредством флуоресцентной микроскопии, фазово-контрастной микроскопии и световой микроскопии при соответствующей подготовке образцов

Длительность непрерывной биофильтрации сточных вод составляла более 50 суток В начальный период (первые 10-12 суток) не отмечалось протекание биологических процессов превращения органических примесей (табл 5) В дальнейшем эффективная эксплуатация биофильтров характеризовалась активным потреблением органического субстрата и развитием биопленки на поверхности материалов загрузки

Биохимический показатель очищаемой сточной воды (БП=БПК/ХПК) изменялся от 0,46-0,48 для поступающей воды до 0,18-0,25 для очищенной воды Содержание растворенного кислорода в поступающей сточной воде 0,3-0,6 мг/дм3, в очищенной - 5,8-6,4 мг/дм3

Таблица 5

Эффективность очистки по ХПК (БПК5)

Сутки Биофильтр с керамзитом Биофильтр с полиэтиленовыми гранулами Биофильтр с УОВ

3 0 - 0

17 87,5 45,8 37,5

19 77,8 (86,9) 59,2 (76,1) 81,4(89,1)

38' 85 90 85

40 40,9 87,3 86,4

44" 95,4 84,6 92,3

46 97,8 (98,5) 86,7 (91,1) 77,8 (85,2)

52 95 65 86,7

58 81,9 73,8 65,6

Примечание ' - концентрация МН^-И в поступающей воде 60 мг/дм1 " - ХПК поступающей воды 520 мг/дм'

Аналогично с удалением органических веществ, глубокое удаление аммонийного азота в биофильтрах было отмечено, начиная с 17-х суток от начала эксперимента (рис 6)

В режимах нормальной эксплуатации содержание аммонийного азота в воде, очищенной в биофильтрах с различными фильтрующими материалами принципиально не отличалось Однако, при увеличении содержания аммония в поступающей воде на 38 сутки примерно в 2 раза (60 мг/дм3) наблюдается существенное снижение эффективности удаления аммонийного азота в биофильтрах Б1 и Б2

-Поступающая вода -Биофильтр 2(ПГ)

—■—Биофильтр 1(К) —X—Биофильтр З(УОВ)

37 | 38 МО | 44 | 46 | 50 52 58 I

модельная сточная вода |

Время биофильтрации сутки

Рисунок 6 - Динамика аммонийного азота в процессе непрерывной биофильтрации

14

Высокое значение ХПК на 44 сутки (520 мг/дм3 против 250 мг/дм3 о режиме нормальных нагрузок) не оказало отрицательного воздействия на эффективность удаления аммонийного азота

Отмечено, что суммарное содержание азота нитритов и нитратов в очищенной воде не превышало 10 мг/дм3, при этом содержание азота нитритов в среднем составляло не более 0,05-0,08 мг/дм3

Были рассчитаны значения коэффициента нитрификации Км, отражающего равновесную долю процесса нитрификации (с учетом обратимости процессов биотрансформации соединений азота) в общем потреблении аммонийного азота микробным сообществом,

^ N1-1,на нитрификации (N0,-М+Ы01 -Ы)

" N1-1,-N1 общий удаленный МН;-Ыобщий удаленный

Количественно Км равен отношению суммарного количества продуктов окисления (нитритного и нитратного азота) к общему количеству потребленного аммонийного азота Результаты расчета балансовых соотношений форм азота для биофильтра, заполненного керамзитом представлены в таблице 6 Аналогично, были рассчитаны балансовые соотношения для биофильтров, заполненных УОВ и полиэтиленовыми гранулами

Как видно из значений Км, на нитрификацию потребляется небольшая часть аммонийного азота из поступающей сточной воды, которая не превышает 36 % (Кц = 0,36) и составляет не менее 10 % Остальная часть аммонийного азота потребляется микроорганизмами на другие нужды, прежде всего, на конструктивный обмен

Таблица 6

Балансовые соотношения форм азота с учетом нитрификации в биофильтре, заполненном керамзитом

1 сутки Содержание аммонийного азота (ЫНА-Ы) Количество удаленного МН^-И Кы

в поступающей воде в очищенной воде общее окислено на другие процессы

мг/дм' % от общего

8 41,87 39,41 2,46 1,68 0,79 31,92 0,68

19 49,26 1,72 47,54 7,55 39,99 84,11 0,16

22 41,87 1,48 40,40 7,85 32,54 80,56 0,19

29 39,41 2,46 36,95 9,05 27,89 75,49 025

31 31,53 1,23 30,30 9,67 20,63 68,10 0,32

33 28,57 0,25 28,33 7,20 21,13 74,58 0,25

38' 59,12 1330 45,82 10,70 35,12 76,65 0,23

44" 41,87 0,59 41Д8 1,36 39,92 96,69 0,03

46 36,46 0,12 36,33 5,36 30,97 85,24 0,15

50 26,60 0,12 26,48 9,57 16,91 63,86 0,36

52 35,47 0,54 34,93 4,43 30,50 87,31 0,13

Примечание ' - концентрация МН4'-Ы в поступающей воде 60 мг/дм',

" - ХПК поступающей воды 520 мг/дм5 15

Также отмечено влияние высоких нагрузок по ХПК и NH(+-N на балансовое соотношение форм азота. Так, например, при увеличение нагрузки по ХПК наблюдается возрастание доли NH/-N, пошедшего на другие процессы в биофильтре Б1 с керамзитом до 96 %, в биофильтре Б2 с полиэтиленовыми гранулами до 93 %.

При увеличении нагрузки по NH4+-N в биофильтре Б1 изменений не наблюдается, однако в биофильтре Б2 заметно возрастает Kn, при этом следует учесть, что значительная часть NH4+-N осталась не потребленной

В биофильтре БЗ, заполненном угольным органическим волокном, значения KN оставались практически неизмененными на протяжении всего периода биофильтрации, что свидетельствует об устойчивом равновесии в микробном сообществе

Исходя из того, что количество окисленного в ходе нитрификации аммонийного азота во всех биофильтрах при высоких нагрузках по NH/-N остается примерно постоянным, можно предположить устойчивое накопление нитрифицирующих бактерий, окисляющих максимально возможное в данном случае количество NH/-N Из литературы известно,, что в составе гетеротрофных биопленок из систем биофильтрациониой очистки хозяйственно-бытовых стоков доля нитрифицирующих бактерий составляет 30% (Р С Pollard, 2004)

Однако, процесс нитрификации в биофильтре Б2, заполненном полиэтиленовыми гранулами, отличался меньшей стабильностью (табл 7), особенно в условиях высоких нагрузок Это свидетельствует о низкой устойчивости процесса нитрификации в нем по сравнению с другими биофильтрами

Таблица 7

Эффективность удаления аммонийного азота (Э) и коэффициент нитрификации KN

Сутки Биофильтр с керамзитом Биофильтр с полиэтиленовыми гранулами Биофильтр с УОВ

Э,% K.N Э,% KN Э.% Kn

10 41,3 0,14 14,7 0,10 10,7 0,25

15 31,8 0,21 60 0,18 34,1 0,25

17 91,2 0,16 89,4 0,17 52,9 0,27

11 96,5 0.19 97,1 0,24 95,3 0,33

24 96,5 0,23 90 0,20 96,9 0,25

31 96,1 0,32 65,6 0,25 96,9 0,29

33 99,1 0,25 98,3 0,32 99,9 0,25

38' 77,5 0,23 25 0,71 97,5 0,17

40 95,2 0,30 94,4 0,28 96,8 0,34

44" 98,6 0,03 98,8 0,07 98,2 0,19

46 99,7 0,15 99,3 0,28 98,6 0,26

50 99,5 0,36 99,6 0,23 98,7 0,27

52 98,5 0,13 98,2 0,25 98,5 0,19

Практически полное удаление аммонийного азота в биофильтре БЗ, заполненном угольным органическим волокном, свидетельствует о том, что данный фильтрующий материал обеспечивает высокую устойчивость работы биофильтра в условиях высоких нагрузок

Тот факт, что при увеличении ХПК поступающей воды в биофильтрах Б1 и Б2 резко снижается количество пошедшего на нитрификацию, может быть объяснен

конкуренцией с гетеротрофными микроорганизмами за аммоний как легкодоступный источник азота, при этом в конкуренции неизбежно побеждают гетеротрофы, обладающие более высокой скоростью роста

Образцы биопленок из биофильтров исследовались на нитрифицирующую, денитрифицирующую актььость к поз-о-^ио^ть развития анаммокс-бактерий в периодических условиях

Денитрифицирующая способность биопленки определялась культивированием на среде Березовой в аноксических условиях Установлено, что биопленка, образовавшаяся в аэрируемом биофильтре, способна к денитрификации в аноксических условиях, о чем свидетельствовала практически полное удаление нитратного азота из среды в течение 7 суток для биопленки на поверхности всех фильтрующих материалов

Часть фильтрующего материала с биопленкой поместили в модельный раствор сточной воды, не содержащий органических веществ для исследования способности к нитрифиции в отсутствии органических источников у(лерода Нитрификация с накоплением нитратов составляла около 5 суток

Для выявления возможности развития анаммокс-бактерий в аэрируемом биофильтре образцы биопленок поместили в минеральную среду, содержащую ионы аммония, нитрит и нитрат-ионы, в аноксических условиях По истечении длительного периода анаммокс-процесс не был выявлен

Удельное количество биомассы, образованной в процессе биофильтрации на поверхности фильтрующих материалов, представлено в табл 8 Благодаря развитой поверхности керамзита и УОВ, накопление биомассы значительно интенсивнее, чем на полиэтиленовых гранулах Биопленка слабо закреплена на гладкой поверхности полиэтиленовых гранул, поэтому она легко вымывается потоком воды

Таблица 8

Диализ накопления биомассы в в биофильтрах

Количество сухой биомассы,

Фильтрующий материал мг/г фильтрующего мг/см1 фильтрующего

материала материала

Керамзит 20,75 11,68

Полиэтиленовые гранулы 7,54 6,34

УОВ 20,43 6,65

В составе биопленки были обнаружены разнообразные представители водной фауны, участвующие в составлении трофических связей микробиоценозов жгутиковые, реснитчатые инфузории, коловратки, черви, а также представитель

17

водных клещей Черви и клещи играют большую роль в работе биофильтров, рыхлят биопленку, регулируют состав простейших организмов Кроме того, присутствие водных клещей как индикаторных организмов, свидетельствует о высокой чистоте воды

Для идентификации микроорганизмов в составе биопленки использовался метод флуоресцентной in-situ гибридизации с применением генных зондов (табл 9) на бактерии бета-группы филогенетического дерева к которому принадлежат многие аммонийокисляющие бактерии, а также специфические зонды на аммонийокисляющие автотрофные бета-протеобактерии Nitroso monas spp и нитритокисляющие бактерии Nilrobacter spp и Nitrospira spp

Таблица 9

Характеристика генных зондов

Зонд Последовательность нуклеотидов 3'-5' Флуоресцирующее вещество (маркер) Определяемые микроорганизмы

Bet42a GCCTTCCCACTTCGTTT Fluoreszein (зеленый) Бета-п ротеобактерии

NS01225 CGCCATTGTATTACGTGTGA Texas-red (красный) Аммонийокисляющие автотрофные бета-протеобактерии

Nmo254 GTAGGCCGTTACCCGACC Texas-red Nitrosomonas spp

N1T3 CCTGTCCTCCATGCTCCG СуЗ (оранжевый) Nilrobacter spp

Ntspa712 CGCCTTCGCCACCGGCCTTCC Texas-red Nttrospira spp

Для микроскопирования объектов - образцов биопленки с отдельными гибридизированными культурами использовался светопольный микроскоп Axioskop Carl Zeiss, Jena (Germany) Обработка полученных изображений осуществлялась с применением прикладного программного комплекса AxioVision версии 3 1 (Carl Zeiss Vision GmbH, Bildanalyse Systeme)

Результаты анализа проб биопленки методом флуоресцентной in-situ гибридизации свидетельствовали о том, что большинство микроорганизмов в биоценозе относятся к группе бетапротеобактерий Нитрифицирующие бактерии, относящиеся к той же группе, практически не были обнаружены в виде отдельных клеток, предпочитая развиваться внутри флокул, обнаруживая себя, таким образом, в объеме биопленки

По результатам диссертационной работы составлены технические условия на установку биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод «Блик-БФ», а также спроектирован и апробирован опытный промышленный образец установки

Расчет годового предотвращенного ущерба за счет улучшения показателей биологически очищенных сточных вод по показателям БПК, аммонийного, нитритного и нитратного азота показали, что снижение ущерба составляет для биофильтра с керамзитом 71,7%, для биофильтра с УОВ - 71,8%

выводы

1 Исследован процесс периодического культивирования накопительных культур нитрифицирующих микроорганизмов в условиях микробных суспензий, а также в иммобилизованном состоянии на поверхности различных материалов Экспериментально выявлено, что иммобилизация медленнорастущих нитрифицирующих бактерии обеспечивает более высокую скорость биологического окисления аммонийного азота в среднем в 5-7 раз по сравнению с суспендированными клетками Показано, что среда («ученных материалов для иммобилизации наиболее перспективным является угольное органическое волокно

2 Исследован непрерывный процесс очистки хозяйственно-бытовых сточных вод в аэробных биофильтрах с затопленным слоем загрузки и экспериментально определены кол« 1сствг,п,^,е соотношения между соединениями азота в результате его комплексной биотрансформации Установлено, что глубокое удаление аммонийного азота из сточных вод осуществляется вследствие биотрансформации соединений азота в процессах конструктивного обмена (от 64 до 96 %), а также нитрификации (от 4 до 36 %)

3 Впервые для процесса фильтрации в аэрируемом биореакторе экспериментально доказана возможность одновременной нитрификации и денитрификации, что обеспечило комплексное удаление аммонийного, шпротного и нитратного азота из сточных вод

4 Разработана и апробирована технологическая схема биофильтрации сточных вод на основе аэрируемого биофильтра. Составлены и утверждены технические условия дня установки биологической очистки «Блик»

5 На основании полученных экспериментальных данных рассчитан предотвращенный экономический ущерб по результатам достижения норм для сброса соединений азота и БПК в водоем рыболозяйственного назначения Годовой предотвращенный ущерб за счет улучшения качества биологически очищенных сточных вод по указанным выше показателям составляет для биофильтра с фильтрующим материалом керамзит - 85523 руб/год (или снижение на 71,7 %) УОВ - 85683 руб/год (или снижение на 71,8 %)

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Семенова, Е Н Микробная трансформация соединений азота в процессах очистки сточных вод с биопленкой / Е Н Семенова, ЕЕ Матюшкин, АС Сироткин//Сб научн тр региональной конференции «Жить в XXI веке» - Казань, 2006 -С 144-146

2 Семенова, Е Н Высокоэффективная биофильтрация для комплексной биотрансформации соединений азота/Е Н Семенова, И В Никитина, ТВ Кирилина//Сб трудов Всероссийской студенческой научно-технической школы-конференции «Инженерные науки-защите окружающей среды»-Тула, 2006 -С 113-116

3 Семенова, Е Н Высокоэффективная биофильтрация для комплексной биотрансформации соединений азота/ ЕН Семенова, АС Сироткин, К Г Ипполитов, С А Кочнева // Материалы 1-ой Всероссийской научной конференции «Ресурсосберегающие, водо- и почвоохранные биотехнологии, основанные на использовании живых экосистем» -

Казань, 2006 - С 222-226

4 Семенова, ЕН Оценка микробной активности нитрифицирующих бактерий биопленки и активного ила/ЕН Семенова, И В Никитина, ТВ Кирилина, А С Сироггкин // Сборник тезисов докладов Общероссийской конференции молодых ученых с международным участием «Пищевыетехнологии»-Казань, 2006 - С 136-137

5 Семенова, Е Н Нитрифицирующая активность микробных сообществ ила и биопленки /АС Сироткин, Е Н. Семенова, И В Никитина, Т В Кирилина // Материалы Четвертого Московского международного конгресса. Часть 2 - Москва, 2007 - С 126

6 Семенова, Е Н Исследование нитрифицирующих бактерий в составе накопительных культур / ЕН, Семенова, Б И Мустафшт, АС Сироткин // V0I Всероссийская конференция молодых ученых с международным участием «Пищевые технологии» Сборник тезисов докладов -Казань, 2007 -С 221

7 Семенова, ЕН Новые высокоэффективные биотехнологические процессы для комплексного удаления соединений азота из сточных вод / Е Н Семенова, А С Сироткин // Тезисы докладов VII республиканской научной конференции «Аюуальные проблемы Республики Та гарстан» - Казань, 2007 - С 182-184

8 Семенова, ЕН Биологическая трансформация соединений азота в процессе биофильтрации сточных вод / Семенова Е Н, Шагинурова Г И // Сборник материалов Республиканского конкурса научных работ студентов и аспирантов на соискание премии им НИ Лобачевского ВЗтомах ТомЗ -Казань,2008 -С416-418

9 Семенова, Е Н Биотрансформация соединений азота в природных и искусственных системах водоочистки / Е Н Семенова // Материалы докладов Ш молодежной Международной научной конференции «Тинчуринские чтения» посвященной 40-летию КГЭУ В4т,ТЗ -Казань,2008 -С 146-148

10 Семенова, ЕН Процессы биотрансформации азота в технологиях очистки сточных вод / Семенова Е Н, Сироткин АС// Вестник Казанского технологического университета -2008 -Ks 1 -С42-52

11 Сироткин , А С Биологическая трансформация соединений азота в процессе биофильтрации сточных вод / А С Сироткин, ЕН Семенова, Г И Шагинурова // Биотехнология -2008 -КаЗ - С 77-85

12 Семенова, Е Н Биотрансформация соединений азота в процессе биофильтрации сточных вод с биопленкой / Е Н Семенова // Сб научн тр региональной конференции «ЖитьвXXIвеке» - Казань,2008 -С 182-183

Соискатель

Е Н Семенова

Заказ

Тираж 80 экз

Офсетная лаборатория КГТУ 420015 г Казань, ул К Маркса, 68

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Семенова, Елена Николаевна

Введение

Глава 1 Аналитический обзор литературы

1.1 Биологические основы очистки воды

1.2 Очистка сточных вод от соединений азота

1.2.1 Традиционные процессы биотрансформации азота в процессах очистки сточных вод

1.2.2 Новые биотехнологические процессы удаления аммонийного азота 27 из сточных вод

1.3 Биологическая очистка сточных вод с применением ^ иммобилизованных микроорганизмов

1.3.1 Методы иммобилизации микроорганизмов

1.3.2 Системы биофильтрации для очистки сточных вод

1.4 Постановка цели и задач исследования

Глава 2 Исследование нитрифицирующих свойств накопительных культур аммонийокисляющих микроорганизмов (АОМ) ^8 и нитритокисляющих микроорганизмов (НОМ)

2.1 Получение накопительных культур АОМ и НОМ

2.2 Исследование нитрифицирующих свойств суспендированных 50 накопительных культур АОМ и НОМ

2.2.1 Постановка эксперимента

2.2.2 Обсуждение результатов периодического культивирования 52 суспензионных культур нитрифицирующих микроорганизмов

2.3 Исследование нитрифицирующих свойств иммобилизованных 57 накопительных культур АОМ и НОМ

2.3.1 Постановка эксперимента

2.3.2 Обсуждение результатов периодического культивирования ^q иммобилизованных культур нитрифицирующих микроорганизмов

Глава 3 Биофильтрация сточной воды и её модельного раствора

3.1 Объекты и методы исследования У

3.1.1 Описание экспериментальной установки

3.1.2 Методика проведения флуоресцентной in-situ гибридизации (FISH)

3.2 Обсуждение результатов непрерывной биофильтрации сточной воды ^ и её модельного раствора

3.3 Расчет предотвращенного экономического ущерба окружающей среде

Глава 4 Результаты опытно-промышленных испытаний 95 Заключение 98 Список использованных источников 100 Список сокращений

Введение Диссертация по биологии, на тему "Микробная трансформация соединений азота в процессе биофильтрации сточных вод"

В результате жизнедеятельности человека, функционирования сельскохозяйственных и промышленных предприятий в значительных количествах образуются жидкие отходы (сточные воды), которые направляются в естественные водоемы (реки, озера, моря, мировой океан). С другой стороны, водоемы являются источниками питьевой воды, а также используются для бытовых, промышленных нужд и для отдыха. Это означает, что природные воды не могут быть загрязнены сверх определенного критического уровня органическими, неорганическими или токсичными веществами, в том числе биогенными элементами [1].

Попадая в водоемы, биогенные элементы в определенных концентрациях и в сочетании друг с другом способствуют развитию условий, угнетающих отдельные виды гидробионтов, а в некоторых случаях вызывают их гибель. Поступление большого количества азота и фосфора в водные объекты приводит к их эвтрофированию. В результате эвтрофирования (накопления питательных веществ) в водоемах происходит нарушение процессов саморегуляции в биоценозах, в них начинают доминировать виды наиболее приспособленные к изменившимся условиям (хлорококковые водоросли и цианобактерии), вызывая цветение воды. Биомасса бактерио- и фитопланктона во время цветения

3 3 возрастает до 200-500 г/м , а в сгущенных «пятнах цветения» — 10-40 кг/м [2], тогда как в олиготрофных водоемах она в норме составляет 0,1-0,4 г/м .

В период цветения в водоеме повышается рН, падает содержание растворенного кислорода, обнаруживаются различные яды, продуцируемые цианобактериями, возникают заморные явления у рыб, затрудняется процесс очистки воды из водохранилищ (цианобактерии засоряют фильтры) и ухудшают качество питьевой воды.

Факторы, дополнительно стимулирующие развитие цветения: повышение общей минерализации (выше 400 мг/дм ), температуры (20-25 °С), содержания железа, кремния, общего содержания растворенных органических примесей, уменьшение растворенного кислорода, стагнация водоема.

Кроме того, что азот и фосфор, накапливаясь в водоеме, вызывают его цветение, разнообразные соединения азота и фосфора оказывают вредное воздействие на гидробионтов и здоровье человека.

Аммонийный азот токсичен для рыб и требует на свое окисление в водоеме большого количества растворенного кислорода. При взаимодействии аммонийного азота с активным хлором в процессе хлорирования очищенных сточных вод образуются хлорамины - токсичные и мутагенные соединения.

Нитраты, попадая в желудочно-кишечный тракт с питьевой водой и продуктами питания, редуцируют в нитриты, быстро всасываются в кровь, концентрируясь в эритроцитах, обладают выраженной способностью окислять гемоглобин эритроцитов с образованием метгемоглобина, не способного снабжать ткани кислородом, в результате чего развивается гипоксия у человека и рыб. При высоком содержании нитратов в питьевой воде гипоксией страдают грудные дети, более чувствительные к метгемоглобинемии за счет более высокой рН в желудочно-кишечном тракте, в результате чего редукция нитратов в нитриты происходит более интенсивно. Кроме того, нитраты в питьевой воде претерпевают химические превращения, при которых могут образовываться нитросамины - вещества, обладающие высоким канцерогенным воздействием. По этой причине стандарты на питьевую воду в о развитых странах предусматривают содержание нитратов не более 10 мг/дм .

Все перечисленное обусловливает повышенные требования к обеспечению удаления биогенных элементов из сточных вод и жесткие нормативы, установленные на содержание биогенных веществ в сточных водах, сбрасываемых в водные объекты, как в России, так и в других странах (табл. 1.1) [2,3].

Существенным источником поступления биогенных элементов являются неочищенные бытовые и промышленные сточные воды. Ежегодно без очистки в водные объекты России сбрасывается около 20 % от общего объема образующихся сточных вод.

Таблица 1.1 — Содержание соединений азота в природных и сточных водах

Показатели качества вод ПДК для водоемов РФ, мг/дм3 Нормативы других стран на сброс сточных вод, мг/дм3 Данные по городским очистным сооружениям РФ, мг/дм3 По данным других стран (содержание в очищенной воде), мг/дм3 хоз.-быт. и питьевого водопользо вания рыбохозяй-ственного водопользо вания поступающая вода очищенная вода

Азот аммонийных солей 2,0 0,5 (0,39)* 10,0 (Германия); 10,0-25,0 после 2005 г. 5,0-20,0 (Чехия); 0,02 (Голландия) 18,0-25,0 (в норме) 1,0-52,0 (обычно до 10,0) 0,9-25,0

Нитрит-анион no2" з,з 0,08 (0,02) 0,06 (Канада); n02" + n03"= 10,0 (Голландия) Отсутствие (если нет пром. сбросов) или n02"+n03" не более 1,0 0,01-1,4 0,01-0,9

Нитрат-анион N03" 45,0(10,0) 40,0(9,1) Не допускается водорослевое цветение (Канада); 15,0 (Хельсин-ская комиссия) То же 0,54-14,2 0,5-68,0

Примечание: * - В таблице в скобках указано содержание вещества в пересчете на азот. Все количественные данные азотсодержащих соединений здесь и далее по тексту приведены в пересчете на азот (NH,+-N = 0,78 • NH4+; N02"-N = 0,30 • N02"; N03"-N - 0,23 • N03").

Сброс биогенных элементов с хозяйственно-бытовыми водами составляет в расчете на одного жителя в сутки: азота аммонийного - 7800-8000 мг, фосфатов - 1500-1800 мг, калия - до 3000 мг. В бытовых водах находятся также моющие средства, в составе которых содержание полифосфатов может доходить до 30-50% [2].

Поддержание качества воды поверхностных водоисточников, связанное с глубокой очисткой сточных вод от соединений азота и фосфора, определяется, с одной стороны, развитием новых технологических решений, с другой стороны, исследованием биотрансформации комплекса соединений азота. Иммобилизация микроорганизмов с целью направленной селекции специалистов-деструкторов соединений азота и фосфора позволяет значительно интенсифицировать удаление этих компонентов из сточных вод и снизить их содержание до уровня ПДК в воде водоемов рыбохозяйственного назначения [4]. Благодаря последовательной смене биоценозов по длине (высоте) биореактора и по периоду аэрации (т.н. пространственной сукцессии) сточная вода подвергается глубокой биологической очистке от растворенных и коллоидных веществ [5]. В биофильтрах, длительно работающих в системах очистки сточных вод постоянного состава, наблюдается концентрационное распределение субстрата и реализуется концепция пространственной сукцессии [6, 7]. Высокая селективность биологического процесса окисления каждого компонента сточных вод и большая концентрация адаптированных микроорганизмов обеспечивают высокую скорость биоокисления и, соответственно, высокую производительность процесса очистки. Учитывая разнообразие фильтрующих материалов и возможность создания аэробных, анаэробных и аноксических условий культивирования микроорганизмов, процесс биофильтрации имеет несомненные перспективы в развитии новых технологий очистки сточных вод [8]. В частности, в развитии концепции биофильтрации для комплексной очистки сточных вод были разработаны реакторы для совместной нитрификации и денитрификации посредством специализированных гель-иммобилизованных культур [9, 10,11].

Таким образом, несомненный научный и практический интерес представляет исследование процессов очистки сточных вод от органических соединений с одновременным глубоким удалением соединений азота на базе отдельных высокопроизводительных биореакторов.

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору, зав. кафедрой ПБТ КГТУ Сироткину А.С. за руководство и понимание; к.т.н., доценту кафедры ПБТ Шагинуровой Г.И. за консультации и поддержку; к.т.н., доценту кафедры химической кибернетики КГТУ Ипполитову К.Г. за своевременную помощь в техническом обеспечении работы.

Заключение Диссертация по теме "Биотехнология", Семенова, Елена Николаевна

Результаты работы отмечены золотой медалью Биотехнологической выставки-ярмарки «РосБиоТех-2007» за разработку и внедрение высокоэффективной биофильтрации сточных вод с комплексным удалением соединений азота.

Заключение

По результатам диссертационной работы можно сделать следуцющие основные выводы:

1. Исследован процесс периодического культивирования накопительных культур нитрифицирующих микроорганизмов в условиях микробных суспензий, а также в иммобилизованном состоянии на поверхности различных материалов. Экспериментально выявлено, что иммобилизация медленнорастущих нитрифицирующих бактерий обеспечивает более высокую скорость биологического окисления аммонийного азота в среднем в 5-7 раз по сравнению с суспендированными клетками. Показано, что среди изученных материалов для иммобилизации наиболее перспективным является угольное органическое волокно.

2. Исследован непрерывный процесс очистки хозяйственно-бытовых сточных вод в аэробных биофильтрах с затопленным слоем загрузки и экспериментально определены количественные соотношения между соединениями азота в результате его комплексной биотрансформации. Установлено, что глубокое .удаление аммонийного азота из сточных вод осуществляется вследствие биотрансформации соединений азота в процессах конструктивного обмена (от 64 до 96 %), а также нитрификации (от 4 до 36 %).

3. Впервые для процесса фильтрации в аэрируемом биореакторе экспериментально доказана возможность одновременной нитрификации и денитрификации, что обеспечило комплексное удаление аммонийного, нитритного и нитратного азота из сточных вод. Содержание в очищенной воде: аммонийного азота - не более 0,2-0,8 мг/дм3, азота нитритов - не более 0,15-0,5 мг/ дм , азота нитратов — не более 1,3-7 мг/дм .

4. Разработана и апробирована технологическая схема биофильтрации сточных вод на основе аэрируемого биофильтра. Составлены и утверждены технические условия для установки биологической очистки «Блик-БФ».

5. На основании полученных экспериментальных данных рассчитан предотвращенный экономический ущерб по результатам достижения норм для сброса соединений азота и БПК в водоем рыбохозяйственного назначения. Годовой предотвращенный ущерб за счет улучшения качества биологически очищенных сточных вод по указанным выше показателям составляет для биофильтра с фильтрующим материалом: керамзит - 85523 руб/год (или снижение на 71,7 %) УОВ - 85683 руб/год (или снижение на 71,8 %)

Библиография Диссертация по биологии, кандидата технических наук, Семенова, Елена Николаевна, Казань

1. Лещинская, И.Б. Микробная биотехнология / И. Б. Лещинская и др.. Казань: Унипресс: ДАС, 2000. - 368 с.

2. Жмур, Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками / Н.С. Журов. М.: Акварос, 2003. - 512 с.

3. Перечень рыбохозяйственных нормативов: предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно безопасных уровней воздействия (ОБУВ) вредных веществ для воды водных объектов, имеющих рыбохозяйственное значение. М.: Изд-во ВНИРО, 1999. - 304 с.

4. Гвоздяк, П.И. Микробиология и биотехнология очистки воды: Quo vadis? / П. И. Гвоздяк // Химия и технология воды. 1989. - Т. 11. - № 9. - С. 854-858.

5. Nerger, С. Nitrifikation kommunaler Abwasser durch Biofiltration / С. Nerger, V. Rehbein, P.A. Wilderer // WLB Wasser, Luft und Boden. 1996. - № 9. - S. 29-32.

6. Cecen, F. Nitrification of fertilizer wastewater in a biofilm reactor, / F. Cecen, E. Orak. // J. Chem. Tech. Biotech. 1996. - № 65. - P. 229-238.

7. Rogalla F. Neue technologische Entwicklungen auf dem Gebiet der Abwassertechnik in Frankreich // Abwassertechnik in Europa. Berichte aus Wassergtite und Abfallwirtschaft Techn. Univer. Miinchen. 1993. - Nr. 114. - S. 95-112.

8. Santos, V.A. Simultaneous nitrification and denitrification using immobilized microorganisms / V.A. Santos, J. Tramper, R.H. Wiffels // Biomater. Artif. Cells Immobilization Biotechnol. 1993. -№ 21. - P. 317-322.

9. Uemoto, H. Nitrogen removal by tubular gel containing Nitrosomonas europaea and Paracoccus denitrificans / H. Uemoto, H. Saiki // Appl. Environ. Microbiol. 1996. -№62.-P. 4224-4228.

10. Aoi Y. Single-stage autotrophic nitrogen-removal process using a composite matrix immobilizing nitrifying and sulfur-denitrifying bacteria / Y. Aoi, Y. Shiramasa, E. Kakimoto et. al. //Appl. Microbiol. Biotechnol.-№68,2005.- P. 124-130

11. Карюхина, Т.А. Химия воды и микробиология: учебник для техникумов / Т.А. Карюхина, И.Н. Чурбанова 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1995. -208 с.

12. Яковлев С. В. Биохимические процессы в очистке сточных вод / С. В. Яковлев, Т. А. Карюкин. — М.: Стройиздат, 1980. 135 с.

13. Илялетдинов, А. Н. Микробиология и биотехнология промышленных сточных вод / А. Н. Илялетдинов, P.M. Алиева Алма-Ата: Гылым, 1990. - 224 с.

14. Очистка промышленных сточных вод / А. М. Когановский и др.. Киев: Техника, 1974. - 256 с.

15. Сооружения и технологические процессы механической и биологической очистки промышленных сточных вод / В. Н. Швецов и др.. М.: Наука, 1981. -104 с.

16. Карелин, М. Н. Очистка производственных сточных вод в аэротенках / М. Н. Карелин, А. Н. Жуков, Л. А. Журов. М.: Наука, 1973. - 300 с.

17. Кульский, Л. А. Биохимическая очистка промышленных сточных вод (методы и установки) / Л. А. Кульский, Е. В. Сотникова Киев, 1965. - 42 с.:ил.

18. Евилевич, М. А. Оптимизация биохимической очистки сточных вод / М. А. Евилевич, Л. Н. Брагинский. Л.: Стройиздат, Ленинградское отделение, 1979. -160 е., ил.

19. Удод, В. М. Современные методы биологической очистки сточных вод: конспект лекций / Мин-во жил.-коммун. хоз-ва УССР, ин-т повышения квал. руководящих работников и специалистов Киев: ИПК УССР, 1989. - 51 е.: ил.

20. Экологическая биотехнология: пер. с англ./Под ред. К. Ф. Форстера, Д. А. Дж. Вейза. Л.: Химия, 1990. - Пер. изд.: Великобритания, 1987. - 384 е.: ил.

21. Ковалева Н.Г. Биохимическая очистка ст. вод предприятий химической промышленности / Н.Г. Ковалева, Ковалев В.Г. М.: Химия, 1987. - 60 с.

22. Проскуряков В. А. Очистка сточных вод в химической промышленности / В. А. Проскуряков, Л. И. Шмидт. Л.: Химия, 1977. - 500 с.

23. Сироткин, А.С. Агрегация микроорганизмов: флоккулы, биопленки, микробные гранулы / А.С. Сироткин, Г.И. Шагинурова, К.Г. Ипполитов Казань: Из-во «Фэн» АН РТ, 2007. - 160 с.'

24. Голубовская, Э. К Биологические основы очистки воды: учебное пособие для строит, спец. вузов / Э. К. Голубовская. М.: Высш. школа, 1978 с. - 271 с ., ил.

25. Доливо-Добровольский JI. Б. Химия и микробиология воды / Л. Б. Доливо-Добровольский, Л. А. Кульский, В. Ф. Накорчевская. — Киев: Вища школа, 1971. -306 с.

26. Атлас. Фауна аэротенков / Под. ред. Л.А.Кутиковой. Л.: Наука, 1984. - 264 с.

27. Победимский Д. Г. Экологическая биотехнология / Д. Г. Победимский, Ф. Ю. Ахмадуллина, С. А. Александровский. Казань: Казан. Хим.- технол. ин.-т, 1992. -76 с.

28. Луценко, Т.Н. Физико-химическая очистка городских сточных вод. / Т.Н. Луценко, А.И. Цветкова, И.Ш. Свердлов -М.: Стройиздат, 1984. 88 с.

29. Кравцова, Н.В. Очистка сточных вод от соединений азота / Н.В. Кравцова. М.: ВНИИВОДГЕО, 1977. -Вып. 3. -56 с.

30. Стерина P.M. Удаление аммонийного азота из сточных вод методом хлорирования адсорбция / P.M. Стерина, P.M. Смирнова, Н.М. Карасева, Г.И. Самсонова: Сборник науч. тр. - М.: ЦНИИ ЭП инженерного оборудования, 1987.-119 с.

31. Mercer, В. Ammonia removal from secondary effluents by selective ion exchange. / B. Mercer, L. Ames, C. Touhill, W.Van Slyke et al. // J. Water Pollut. Cont. Fed. 1970. -№42.-P. 95-107.

32. Lahav, O. Ammonium removal using ion exchange and biological regeneration. / O. Lahav, M. Green // Water Res. 1998. - № 32. - P. 2019-2028.

33. Jung, J.-Y. Ammonium exchange and bioregeneration of bio-flocculated zeolite in a sequencing batch reactor / J.-Y. Jung, D. Pak, H.-S. Shin, Y.-C. Chung // Biotechnology Letters. 1999. -№ 21. - PP. 289-292.

34. Environmental Biotechnology: Concepts and Applications / Ed. by H.-J. Joerdening and J. Winter. Weinheim: Wiley-VCH VErlag GmbH & Co. KGaA, 2005. - 463 S.

35. Гусев, M.B. Микробиология: учебник для студ. биол. специальностей вузов / М.В. Гусев, Л.А. Минеева. 4-е изд. стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2003 - 464 с.

36. Шлегель, Г. Общая микробиология: пер. с нем. / Г. Шлегель. М.: Мир, 1987. -567 е., ил.

37. Кузнецов, А.Е. Научные основы экобиотехнологии. Учебное пособие для студентов. / А.Е. Кузнецов, Н.Б. Градова. -М.: Мир, 2006. 504 с.

38. Определитель бактерий Берджи. В 2-х т. Т. 2: Пер. с англ./Под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Снита, Дж. Стейли, С. Уилльямса. — М.: Мир, 1997. 368 с, ил.

39. Bergey's manual of systematic bacteriology. V.2, P. A / DJ. Brenner,N.R. Krieg, J.T. Staley.- Springer, 2005. - 304 s.

40. Bedard, C. Physiology, Biochemistry and Specyfic Inhibitors of CH^NH^and CO Oxidation by Methanotrophs and Nitrifiers / C. Bedard, R. Knowles // Microbiological Reviews. 1989. - Vol. 53. - №1. - P. 68-84.

41. Guang-Hao Chen Impact of Increased Chloride Concentration on Nitrifying-Activated Sludge Cultures / Guang-Hao Chen, Man-Tak Wong // Journal of Environmental Engineering №2,2004, P. 116-125

42. US Environmental Protection Agency (EPA) / Wastewater Treatment Facilities for Sewered Small Communities EPA — 625/ 1-77-009,1977

43. Guisasola, A. Inorganic carbon limitations on nitrification: Experimental assessment and modeling / A. Guisasola, S. Petzet, J.A. Baeza et. al. // Water research. 2007. -V.412.-P. 77-286.

44. Wett, B. The role of inorganic carbon limitation in biological removal of extremely ammonia concentrated wastewater. / B. Wett, W. Rauch //Water Res. 2002. № 37. -PP. 1100-1110.

45. Chung J. Optimization of free ammonia concentration for nitrite accumulation in shortcut biological nitrogen removal process / J. Chung, H. Shim et al. // Bioprocess Biosyst Eng. 2006. - V 28. - P. 275-282

46. Anthonisen, AC. Inhibition of nitrification by ammonia and nitric acid. / AC Anthonisen, RC Loehr, TBS Prakasam, EC. Srinat //J Water Poll Control Fed. 1976. -№48.-PP. 835-852.

47. Tarre, S. High-Rate Nitrification at Low pH in Suspended- and Attached-Biomass Reactors / S. Tarre, M. Green // Applied and Environmental Microbiology. — 2004. — Vol. 70. -№11.-P. 6481-6487.

48. Gujer, W The contact stabilization process-oxygen and nitrogen mass balances. , / W Gujer, D Jenkins, // Sanitary Engineering Research Laboratory Report. 1974. - 74-2.

49. Максимовский, Н.С. Очистка сточных вод. / Н.С. Максимовский. — М.: Минкомхоз РСФСР, 1961.

50. Joo, H.-S Nitrification and denitrification in high-strength ammonium by Alcaligenes faecalis / H.-S. Joo, M. Hirai, M. Shoda // Biotechnology Letters. 2005. - №27. -PP. 773-778

51. Wastewater Engineering Treatment, Disposal and Reuse New York: McGraw - Hill, 1991.-1334 p.

52. Akunna, JC. Nitrate and nitrite reductions with anaerobic sludge using various carbon sources: glucose, glycerol, acetic acid, lactic acid and methanol. / JC. Akunna, C. Bizeau, R. Moletta // Water Res. -1993. № 27. - PP.1303- 1312.

53. Tam, NFY Effect of exogenous carbon sources on removal of inorganic nutrients by the nitrification denitrification process. / NFY Tam, YS Wong, G Leung. // Water Res. -1992.-№26.-1229.

54. Mulder, A. Anaerobic ammonium oxidation discovered in a denitrifying fluidized bed reactor. / A. Mulder, AA van de Graaf, LA Robertson, JG Kuenen. // FEMS Microbiol Ecol. 1995. —№ 16.-PP. 177-184.

55. Bock, E. Nitrogen loss caused by denitrifying Nitrosomonas cells using ammonia or hydrogen as electron donors and nitrite as electron acceptor. / E. Bock, I. Schmidt, R. Stuven, D. Zart. // Arch Microbiol. 1995. - № 163. - PP. 16-20.

56. Schmidt I, Anaerobic ammonia oxidation with nitrogen dioxide by Nitrosomonas eutropha. /1 Schmidt, E Bock. // Arch Microbiol. 1997. - № 167. - 106-111.

57. Goreau, TJ Production of N02" and N20 by nitrifying bacteria at reduced concentration of oxygen. / TJ Goreau, WA Kaplan et. al. // Appl Environ Microbiol. 1980. - № 40. -PP. 426- 532.

58. Kuai, L Ammonium removal by the oxygen-limited autotrophic nitrification-denitrification system. / L Kuai, W Verstraete. // Appl Environ Microbiol. 1998. - № 64. - PP.4500-4506.

59. Kuenen, JG Combined nitrification — denitrification processes. / JG Kuenen, LA. Robertson//FEMS Microbiol Rev.-1994.-№ 15.PP. 109-118.

60. Мишуков, Б. Г. Перспективные схемы биологической очистки сточных вод от азота и фосфора / Б.Г. Мишуков // Вода и экология: проблемы и решения. -1999.-№ 1. —С. 15-18.

61. Мишуков, Б. Г. Биологическое удаление азота и фосфора из городских сточных вод / Б.Г. Мишуков // Вода и экология: проблемы и решения. 2004. - № 3. - С. 31-33.

62. Khin, T. Novel microbial nitrogen removal processes / T. Khin, P. Ajit // Biotechnology Advances. 2004. - V.22. - P. 519-532

63. Villaverde, S. Recent developments on biological nutrient removal processes for wastewater treatment / S. Villaverde // Reviews in Environmental Science and BioTechnology. 2004. - V 3. P. 171-183

64. Dalsgaard, T. Anaerobic ammonium oxidation (anammox) in the marine environment / T. Dalsgaard, B. Thamdrup, D.E. Canfield // Research in Microbiology January. -2005.-V. 156.-P. 457-464.

65. Strous, M Missing lithotroph identified as new planctomycete. / M. Strous, JA Fuerst et al. // Nature. 1999. - № 400. PP. 446-449

66. Schmid, M. Molecular evidence for genus level diversity of bacteria capable of catalyzing anaerobic ammonia oxidation. / M Schmid, U Twachtmann, M Klein et al. // Syst Appl Microbiol. 2000. - №23. - PP. 93-106.

67. Egli, К Enrichment and characterization of an anammox bacterium from a rotating biological contactor treating ammonium rich leachate. / К Egli, U Fanger, PJJ Alvarezz, H Siegrist et al. // Arch Microbiol. 2001. - № 175. - 198-207.

68. Jetten, M.S.M. Microbiology and application of the anaerobic ammonium oxidation ('anammox') process / M.S.M. Jetten, M. Wagner, J. Fuerst et. al. // Environmental biotechnology. -2001. -V. 12. P. 283-288

69. Jetten, M.S.M. The anaerobic oxidation of ammonium / M.S.M. Jetten, M. Strous, K.T. van de Pas-Schoonen et. al. // FEMS Microbiology Reviews. 1999. - V.22. - P. 421-437

70. Reginatto, V. Anaerobic ammonium oxidation In a bioreactor treating Slaughterhouse wastewater / V. Reginatto, R.M. Teixeira, F. Pereira et. al. // Brazilian Journal of Chemical Engineering. 2005.- Vol. 22. - N. 4. - P. 593 - 600.

71. Dapena-Mora, A. Stability of the ANAMMOX process in a gas-lift reactor and a SBR / A. Dapena-Mora, J.L. Campos, A. Mosquera-Corral et. al. // Journal of Biotechnology. -2004. V. 110. - P. 159-170.

72. Mulder, A. Process for the biological denitrification of ammonium containing wastewater / International Patent Application, WO 2006/022539.

73. Brouwer M, van Loosdrecht MCM, Heijnen JJ. One reactor system for ammonium removal via nitrite. STOWA Report. 96-01. Utrecht (The Netherlands): STOWA, 1996 (ISBN 90 74476 55 4).

74. Hellinga, С The SHARON process: an innovative method for nitrogen removal from ammonium rich wastewater. / С Hellinga, AAJC Schellen, JW Mulder, van MCM Loosdrecht, JJ Heijnen. // Water Sci Technol. 1998. № 37. - PP. 135-142.

75. Hunik, JH, Engineering aspects of nitrification with immobilized cells. PhD Thesis, Wageningen Agricultural University, The Netherlands; 1993.

76. Van Kempen, R Overview: full scale experience of the SHARON process for treatment of rejection water of digested sludge dewatering. / R van Kempen, JW Mulder, CA Uijterllnde, MCM van Loosdrecht. // Water Sci Technol/ 2001. - N 44. -P. 145-152.

77. Dijkman H, Strous M. Process for ammonia removal from wastewater. Patent 1999; PCT/NL99/00446.

78. Van Loosdrecht MCM, Microbiological conversions in nitrogen removal. / MCM van Loosdrecht. MSM Jetten. // Water Sci Technol. 1998. № 38. - PP. 1- 7.

79. Mulder, J. W. Full Scale Operation of the SHARON Process for the Treatment of Rejection Water of Digested Sludge Dewatering / J.W. Mulder, M.C.M. van Loosdrecht, C. Helllinga et. al. // Water Science and Technology. 1999. - V. 43. - № 11.-P.127-134.

80. Hippen, A Aerobic deammonification: a new experience in the treatment of wastewaters. / A Hippen, KH Rosenwinkel, G Baumgarten, CF Seyfried. // Water Sci Technol. 1997. - № 35. - PP. 111 -20.

81. Helmer, С Nitrogen loss in a nitrifying biofilm system. / С Helmer, S Kunst et al.// Water Sci Technol. 1999. -№ 39. - PP. 13-21.

82. Siegrist, H Nitrogen loss in a nitrifying rotating contactor treating ammonium rich leachate without organic carbon. / H Siegrist, S Reithaar, P Lais. // Water Sci Technol. -1998.-№37.-PP. 589-591.

83. Helmer, С Simultaneous nitrification denitrification in an aerobic biofilm system. / С Helmer, S Kunst. // Water Sci Technol. 1998. - № 37. - PP. 183- 187.

84. Helmer, С Single state nitrogen removal by nitrification and anaerobic ammonium oxidation in biofilm systems.,/ С Helmer, С Tromm et al. // Water Sci Technol. — 2001.-№43.-PP. 311-320.

85. Hao, X. Model-based evaluation of temperature and inflow variations on a partial nitrification-ANAMMOX biofilm process / X. Hao, J.J. Heijnen, M.C.M. van Loosdrecht // Water Research. 2002. - V.36. - P. 4839^1849.

86. Семенова, E.H. Процессы биотрансформации азота в технологиях очистки сточных вод / Семенова Е.Н, Сироткин А.С. // Вестник КТУ 2008. - № 1. - С 42-52.

87. Danzig J. Erhohung der Leistungfahigkeit kommunaler Klaranlagen durch Anwendung aerober Tragerbiologien / J. Danzig // Abwassertechnik. 1994. - H.4. -SS. 58-64.

88. Rehbein V. Nitrifikationsleistung beltifteter Biofilter zur kommunalen Abwasserreinigung / P.A.Wilderer, V. Rehbein // Berichte aus Wassergiite- und Abfallwirtschaft Technische Universitat Miinchen Berichtheft № 147,1998 129 s.

89. Яковлев С. В. Биологические фильтры / С. В. Яковлев, Ю. В. Воронов. М.: Стройиздат, 1982. - 120 с.

90. Яковлев С. В. Водоотведение и очистка сточных вод / С. В. Яковлев. М.: Стройиздат, 2002. - 530 с.

91. Фомин, С.Н. Очистка бытовых сточных вод ступенчатым биофильтрованием / С.Н. Фомин, М.И. Коробко. Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2002. - 210 е.: ил.

92. Schulz, J. Der EinfluB des Tragematerials auf die Leistungfahigkeit von Biofilmszstemen yur Abwasserreinigung / J. Schulz // Korrespondenz Abwasser. -1993.-V.l.-SS. 68-73.

93. Baijenbuch M. Stand und Verbreitung der Biofiltrationstechnik in Deutschland / M. Baijenbuch, Boll R.R. // Berichte aus Wassergiite- und Abfallwirtschaft Technische Universitat Miinchen Berichtheft № 158 2000. - 78 s

94. Behrendt, J Biofilter fur Nitrifikation (Tragermaterial, Reaktorbett und Reaktorhohe) / J.Behrendt, I. Sekoulov // Hamburger Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft. 2006. - Bd. 57

95. Noguiera, R. Influence of dissolved oxygen on the nitrification kinetics in a circulating bed biofilm reactor. / R. Noguiera, V. Lazarova, J. Manem // Bioprocess Biosyst Eng. 1998. - V.19. - PP.441-449

96. De Beer, D. Microelectrode measurements of the activity distribution in nitrifying bacterial aggregates. / D. De Beer, JC. van den Heuvel, SP. Ottengraf // Appl Environ Microbiol. 1993. -V. 59. - PP. 573-579

97. Schramm, A. Identification and activities in situ of Nitrosospira and Nitrospira sP. as dominant populations in a nitrifying fluidized bed reactor. / A. Schramm, D. de Beer, M. Wagner // Appl Environ Microbiol. 1998. - V. 64. - PP. 3480-3485

98. Hibiya, K. Simple prediction of oxygen penetration depth in biofilms for wastewater treatment. / K. Hibiya, J. Nagai, S. Tsuneda, A. Hirata // Biochem Eng J. -2003.-V.19.-PP. 61-68.

99. Okabe, S. In situ analysis of nitrifying biofilms as determined by in situ hybridisation and the use of microelectrodes. / S. Okabe, H. Satoh, Y. Watanabe // Appl Environ Microbiol. 1999. - V.65. - PP. 3182-3191.

100. Нетрусов А.И. Практикум по микробиологии: учеб. пособие для студ. Высш. Учеб. заведений / А.И. Нетрусов, М.А. Егорова, JT.M. Захарчук. М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 608 с.

101. Теппер Е.З. Практикум по микробиологии / Е.З. Теппер, В.К. Шильникова, Г.И. Переверзева 4-е изд. перераб. и доп.-М.:Колос, 1993- 175 е.: ил.

102. ПНД Ф 14.1.1-95 Методика выполнения измерений массовой концентрации ионов аммония в очищенных сточных водах фотометрическим методом с реактивом Несслера

103. ПНД Ф 14.1:2.3 -95«Методика выполнения измерений массовой концентрации нитрит-ионов в природных и сточных водах фотометрическим методом с реактивом Грисса»

104. Vogelsang, С, Functional stability of temperature-compensated nitrification in domestic wastewater treatment obtained with PVA-SBQ/alginate gel entrapment. / C. Vogelsang, A. Husby, K. Osgaard // Water Res. 1997. -№31. PP. 1659-1664.

105. Asano, H A study of nitrification utilizing whole microorganisms immobilized by the PVA-freezing method. / H Asano, H Myoga, M Asano, M Toyao // Water Sci Technol- 1992. -№ 26. 1037-1046.

106. Cox, DJ Distribution of bacteria in a continuous-flow nitrification column. / DJ Cox, Bazin M J, Gull K// Soil Biol Biochem. 1980. -№ 12. -241-246.

107. Johnson, PW In situ morphology of nitrifying-like bacteria in aquaculture systems. / PW Johnson, JMcN Sieburth // Appl Environ Microbiol. -1976. № 31. - PP. 423432.

108. Underhill, SE Surface attachment of nitrifying bacteria and their inhibition, by potassium ethyl xanthate. / SE Underhill, JI Prosser // Microb Ecol. 1987. №14. -129-139.

109. ПНД Ф 14.1:2.4-95 — «Методика выполнения измерений массовой концентрации нитрат-ионов в природных и сточных водах фотометрическим методом с салициловой кислотой»

110. Keen G. A. The Surface Growth and Activity of Nitrobacter / G. Anne Keen, J. I. Prosser // Microb Ecol. -1988. -№ 15. PP. 21-39

111. Powell, S. J. Inhibition of biofilm populations of Nitrosomonas europaea / S. J. Powell, J. I. Prosser // Microbial Ecology. 1992. - V. 24. №1. - PP. 43-50.

112. Nielsen, P Adsorption of ammonium to activated sludge. / P Nielsen // Water Res-1996. № 30. - PP. 762-764.

113. Сабирова, T.M. О цикличности биологической деструкции аммонийного азота / Т.М. Сабирова, И.В. Неволина // Материалы 3-го Московского международного конгресса. — М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2005 часть 2, С. 48.

114. Лурье Ю. Ю. Химический анализ производственных сточных вод / Ю. Ю. Лурье, А. И. Рыбникова. 4 — е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1974. - 336 с.

115. Schramm, A. Nucleid acid-based techniques for analyzing the diversity, structure and dynamics of microbial communities in wastewater treatment. / A. Schramm, R. Amann // In: Biotechnology. Environmental Processes I. — 1999. V. 11a— PP. 85108.

116. Gallert, C. Bacterial Metabolism in Wasterwater Treatment Systems / C. Gallert, J. Winter // Biotechnology. Environmental Processes. Volume 11a— Weinheim.: WILEY-VCH Verlag GmbH, 1999.-P. 17-53.

117. Baumann, В. Dynamics of denitrification activity of Paracoccus denitrificans in continuous culture during aerobic-anaerobic changes / B. Baumann et al. // J. Bact. -1996.-V.178. P. 4367-4374.

118. Knowles, R. Denitrifikation. / R Knowles// Microbiol. Rev. 1982. - V.46. - P.43-70.

119. Christensen, M.H. Biological denitrification sewage: a literature review / M.H.Christensen, P. Harremoes // Prog. Water Technol. 1977. - V.8. P.- 509-555.

120. Tallec, G Nitrogen removal in a wastewater treatment plant through biofilters: nitrous oxide emissions during nitrification and denitrification / G, Tallec, J. Gamier, M.1 Gousailles // Bioprocess Biosyst Eng. 2006.- V. 29: - P.323-333

121. Bock, E. Oxidation of inorganic nitrogen compounds as an energy source / E. Bock, M. Wagner // Prokaiyotes. -2006. № 2. - PP.457-495

122. Gieseke, A. Community structure and activity dynamics of nitrifying bacteria in a phosphate-removing biofilm / A. Gieseke, U. Purkhold, M. Wagner et al. // Applied And Environmental Microbiology. 2001. - V.67. - № 3. - PP. 1351-1362

123. Kreuzinger N. Biofilmreaktoren in der Abwasserreinigung — ein Ueberblick ueber Systeme und Grunglagen der Kinetik / N. Kreuzinger. Biofilme. OeWAV Seminar BmfLuF - Jaenner, Oesterreich, 1999. - S. 403.

124. Pollard P. C. A quantitative measure of nitrifying bacterial growth / P. C. Pollard // Water research. № 40,2004. - P. 1569-1576

125. Schramm, A. Structure and function of a nitrifying biofilm as determined by in situ hybridization and the use of microelectrodes / A. Schramm, L.H. Larsen, N.P. Revsbech et al. // Appl. Environ. Microbiol. 1996/ - V. 62 - P. 4641-4647.

126. Экономический ущерб и платежи за загрязнение окружающей природной среды: учебное пособие / под ред. Ю.И. Азимова, Е.А. Силкина. Казань: Изд-воКФЭИ, 1998.-128 с.

127. Экологические платежи за сброс, выброс загрязняющих веществ в окружающую среду: постановление Правительства РФ // Сборник законодательства РФ. 2006. - № 344. - С. 3 - 6.