Дефосфотация в ходе биологической очистки

1 Аналитический обзор

1.1 Механизм удаления фосфора из сточных вод

В сточных водах фосфор может присутствовать в разных состояниях: в растворенном, коллоидном и взвешенном. В канализацию с бытовыми сточными водами поступают минеральные и органические соединения фосфора, причем 50-70% из них составляют ортофосфаты, до 15% – нерастворимый фосфор на взвешенных частицах. В нерастворимом состоянии фосфор в основном находится на взвешенных частицах в виде труднорастворимых фосфатов (например, разнообразные соединения кальция и фосфора) и белковых органических веществ. Нерастворимый фосфор абсолютно инертен для биологического процесса очистки и, поступая в водоем в виде устойчивых соединений не обогащает его фосфором, а оседает в донных осадках [2].

В биологических процессах, как на сооружениях биологической очистки, так и в водоемах, принимающих сточные воды, участвуют растворимые биологически усваиваемые формы фосфатов. Минеральный фосфор в растворенном состоянии – это ортофосфорная кислота и ее анионы. Фосфор в бытовых сточных водах – это в основном метаболиты человека; полифосфаты органические – это нуклеиновые кислоты; нуклеопротеиды – продукты жизнедеятельности гидробионтов и человека.

Успехи в разработке прогрессивных биотехнологий по совместному удалению из сточных вод соединений фосфора, органических веществ и других биогенных элементов связывают с обнаружением в начале 70-х годов способности определенных групп бактерий накапливать в своих клетках полифосфаты. Эти микроорганизмы в состоянии накапливать фосфора больше, чем требуется на прирост биомассы и энергетические потребности. От других микроорганизмов активного ила они отличаются тем, что содержание соединений фосфора в них может составлять до 1-3% сухой массы клеток.

Технология глубокого биологического изъятия соединений фосфора из сточных вод основана на цикличности накопления полифосфатов в клетках бактерий и использования их энергии. На практике для осуществления процесса аккумуляции полифосфатов важно выполнение следующих требований:

– чередование анаэробных и аэробных условий;

– наличие легкоусвояемого субстрата;

– отсутствие нитрата в анаэробной фазе.

Для объяснения механизмов биологической дефосфотации предлагают схему, изображенную на рисунке 1.1 [3].

ПНО – полимерные насыщенные оксикислоты, Гл – гликоген, Пф – полифосфаты, НАс – ацетат

Рисунок 1.1 – Метаболизм фосфатаккумулирующих организмов в аэробных и анаэробных условиях

Анаэробные условия в системе биологического удаления соединений фосфора важны для осуществления селекции бактерий. В результате создания благоприятных условий биомасса в значительной степени будет состоять из фосфатаккумулирующих бактерий.

Фосфатаккумулирующие организмы в анаэробных и аноскидных условиях потребляют ацетат и пропионат и накапливают их внутриклеточно в виде полимерных насыщенных оксикислот (параллельно в клетках идет потребление гликогена). Это связано с одним из способов метаболической регуляции, проявляющейся в резервировании в них большого количества запасных веществ разного состава. Известно, что в клетках микроорганизмов часто, особенно в стационарную фазу развития, то есть после прекращения или ослабления роста и развития, накапливаются гранулы биополимеров, играющих важнейшую роль в биоэнергетике клетки [4].

Накопленные в полифосфатных гранулах (так называемых зернах волютина) ортофосфаты, полифосфаты, связанный органический фосфор микроорганизмы используют как энергетический резерв, расходуемый на потребление субстрата. Эти процессы сопровождаются отдачей накопленного клеткой фосфора в воду. Следует отметить, что потребляя из воды полифосфаты и ортофосфаты, фосфатаккумулирующие бактерии выделяются в воду только ортофосфаты. Результат успешно протекающей анаэробной стадии: накопление запаса органики в клетках и стимуляция у бактерий «жадного» потребления фосфатов в последующей аэробной стадии.

При попадании бактерий в аэробные условия, накопленный субстрат в виде полимерных насыщенных оксикислот – ПНО, (чаще всего полигидроксибутиратов) начинает потребляться как источник углерода на питание и прирост биомассы бактерий, что сопровождается выделением углекислого газа и воды и повышенным потреблением из окружающей среды фосфатов, которые откладываются в клетках в полифосфатных гранулах [3]. ПНО одновременно служат энергетическим субстратом: часть окисляется молекулярным кислородом до СО2 и Н2О, а выделяющаяся энергия идет на синтез АТФ и полифосфатов. Энергия аденозин-5'-трифосфата сразу используется на синтез биомассы (АТФ гидролизуется до аденозин-5'-дифосфата (АДФ)), а фосфаты запасаются в клетках в виде гранул, что и обеспечивает их высокое потребление из сточной воды [5].

Таким образом, потребление фосфатов сверх нормального уровня вызывается у факультативных аэробов их предварительным стрессированием в анаэробных условиях. Повторение цикла смены анаэробно-аэробных условий приводит к устойчивому повышенному содержанию фосфора в иле (содержание фосфора в иле возрастает до 0,025-0,035 г/г). Если из системы выводить ил в момент наибольшего поглощения фосфатов (конец аэробной зоны), то можно удалить его из системы [3].

Процесс выделения клетками ортофосфатов в водную среду в анаэробных условиях можно описать в простом виде:

C2H4O2 + (HPO3) + H2O => (C2H4O2)2 + 0,2 PO43-

                                    полифосфат       резервное орг. в-во

В аноксидных условиях (основываясь на том же самом процессе аккумуляции фосфора) уравнение может быть представлено в следующем виде:

C2H4O2 + 0,16 NH4 + 0,2 PO43-+0,96 NO3-=> 0,16 C5H7NO2 + 1,2 CO2 + 0,2 (HPO3) + 0,48 N2+ 1,44 OH- + 0,96 H2O.

Процесс аккумуляции фосфатов (HPO3) в аэробных условиях можно выразить уравнением:

C2H4O2 + 0,16 NH4 + 1,2 O2 + 0,2 PO43- => 0,16 C5H7NO2 + 1,2 CO2 + 0,2 (HPO3) + 0,44 OH-+ 1,44 H2O.

Уравнения показывают количественный баланс процессов. Из последнего уравнения видно, что стехиометрический коэффициент составляет 0,2 моля PO43- на 1 моль C2H4O2, а прирост биомассы составляет 0,3 кг на 1 кг C2H4O2 [6].

По разным источникам содержание фосфата в клетках активного ила может составлять от 0,02 до 0,05 г/г. Имеются данные, когда содержание фосфора в активном иле удается повысить до 0,08-0,1 г/г [6,7].

В литературе описаны и другие представления о механизме удаления фосфатов из сточных вод. Существуют утверждение, что разрыв полифосфатных связей с целью использования энергии никогда не приводит к выбросу фосфатов в окружающую среду. Выделение фосфора во внешнюю среду свидетельствует только о гибели некоторой части аэробных бактерий в анаэробных условиях очистных сооружений, и выбросу содержимого клеток во внешнюю среду. То же самое может наблюдаться и при нехватке органического питания для микроорганизмов. Попадая в зону аэрации, живые клетки начинают размножаться и потреблять фосфор [4].

1.2 Микроорганизмы, осуществляющие процессы дефосфотациии в сточной воде

Микроорганизмы, которые способны аккумулировать фосфатов больше, чем это необходимо для прироста биомассы (так называемое «жадное поглощение»), называют фосфатаккумулирующими (ФАО) [2].

Способность синтезировать внутриклеточные полифосфаты широко распространена среди бактерий, поэтому многие бактерии, культивируемые из установок ЕВРR и показывающие удаление фосфатов рассматриваются в качестве потенциальных ФАО. Первые выделенные из биомассы бактерии с высокой эффективностью удаления фосфатов были идентифицированы как представители родов Acinetobacter в γ-протеобактериях. Некоторые исследований показали, что хоть большинство и принадлежало к Acinetobacter junii, Acinetobacter lwoffii и Acinetobacter johnonii, но до сих пор многие так и не распознаны. Некоторые нитчатые вспухания и вспенивающиеся бактерии, такие как Microthrix parvicella и Nocardia limicola также замечены в ЕВРР и дают положительную окраску для полифосфатов в чистой культуре [8].

Фосфатаккумулирующими бактериями в активном иле являются также представители родов Pseudomonas, Aerobacter, Beggiatoa, Aeromonas, Zoogloea ramigera, реже встречающиеся: Klebsiella, Enterobacter, Moraxella, Mycobacterium и многие другие. В аэробных условиях аэротенков полифосфаты и ортофосфаты усваиваются организмами активного ила, а растворенные формы органического фосфора минерализуются в ортофосфаты при помощи бактерий Moraxella, Artrobacter, Bacteria subtilis и т.п. Кроме того, установлено, что нитрифицирующие бактерии также способны накапливать полифосфаты в составе метахроматиновых гранул [3].

Основной проблемой при изучении транспорта фосфата в клетки бактерий, обитающих в активных илах, является трудность получения чистых культур. В последнее десятилетие идентификации ФАО продолжается с помощью молекулярных методов. Доказано, что бактерии, ответственные за процесс глубокой дефосфотации, являются гетерогенной филогенетической группой. Поэтому, очень важно продолжить исследование ФAO и определить их функции в биологическом процессе.

В ходе исследования [9] сравнивали ФАО из образцов активного ила двух станций очистки с различными технологиями: одна станция работала по бескислородно/кислородной схеме без нитрификации, другая по схеме Phoredox с нитри-денитрификацией. В обоих случаях было выявлено доминирование ФАО сообщества. Были обнаружены небольшие количества Microlunatus, β-Proteobacteria spp. и обилие бактерий Rhodocyclus. Исследователи предположили что подкласс β-Proteobacteria тесно связан с Rhodocyclus.

Исследователи из Дауэса составили список из более 30 штаммов полифосфатнакапливающих бактерий. Среди них накапливают наибольшее количество фосфатов: Acinetobacter calcoaceticus, Areobacter aerogenes, Azotobacter agilis, Acinetobacter johnsonii и Microlunatus phosphoorus.

В относительном изобилии (от 4 до 22 % всех бактерий) при исследованиях в разных странах мира в активном иле обнаружены фосфатаккумулирующие бактерии Accumulibacter phosphatis. Также замечено, что Acinetobacter, как биомаркер, является доминирующим организмом только на водоочистных сооружениях с низкими органическими нагрузками. При проведении натурных исследований в Южной Африке на очистных сооружениях с высокой нагрузкой по БПК, доминирующими организмами были Rhodocyclus и подкласс β-Proteobacteria (73 % ФАО) [10].

Частью микробных ассоциаций в процессе глубокого удаления фосфора являются и гликогенаккумулирующие организмы (ГАО), например, Candidatus сompetibacter phosphatis. ГАО ассимилируют глюкозу в анаэробных условиях и синтезируют гликоген в аэробных условиях, разделяя ту же экологическую нишу, что и ФАО, но их роль нуждается в дальнейшем исследовании. При определенных условиях (например, наличие глюкозы в качестве субстрата), ФАО конкурируют с ГАО. И хотя ГАО проводят такие  преобразования углерода, как и ФАО, они не аккумулируют и не высвобождают полифосфаты [10].

В отсутствие любых внешних источников углерода в анаэробной зоне ЕВРR на самом деле может проходить в присутствии нитратов. Это происходит с помощью организмов, использующих запасенные внутриклеточные ПНО как источник энергии и углерода, и поглощающих фосфаты как ФАО, но с использованием нитратов, а не кислорода, в качестве конечного акцептора электронов. Поэтому в настоящее время признано две группы ФАО: фосфатаккумулирующие и денитрифицирующие фосфатаккумулирующие организмы (ДФАО). Достоинством денитрифицирующих популяций бактерий является возможность одновременного удаления азота и фосфора, производя меньше отходов, и отсутствие необходимости в аэрации. Сегодня известно о двух культурах: Agrobacterium tumefaciens и Aquaspirillum dispara, использующих как кислород, так и нитрат для усвоения фосфатов, но не обнаружена способность запасания ими полифосфатов [8].

Поиск новых микроорганизмов, способных удалять фосфат из среды продолжается, так как представляет интерес для изучения механизма этого процесса и разработки биотехнологических процессов очистки стоков от техногенного фосфорного загрязнения.

1.3 Факторы, влияющие на процесс биологической дефосфотации

1.3.1 В состав сооружений очистки сточных вод с глубоким удалением фосфора как правило входят: приемная камера, решетки, песколовки, многокоридорный аэротенк, вторичные отстойники, насосная станция возвратного активного ила, насосная станция подкачки очищенных вод.

Для оптимального протекания процессов нитри-денитрификации и биологической дефосфотации аэротенк разделяют на технологические зоны, в каждой из которых поддерживаются условия, необходимые для реализации стадий удаления биогенных элементов. Первый коридор сооружения – анаэробный селектор-вытеснитель (анаэробная зона для развития фосфатаккумулирующих бактерий). Второй коридор – аноксидная зона, где протекает процесс денитрификации. Поскольку оба процесса происходят в бескислородной среде, активный ил должен поддерживаться во взвешенном состоянии с помощью мешалок. При этом, в двух центральных коридорах при помощи погружных мешалок устраивают круговое движение иловой смеси из неаэрируемой зоны в аэрируемую (так называемая «карусель»). В третьем и четвертом (последнем) коридорах аэротенка в условиях интенсивной аэрации происходят нитрификация и окисление органических загрязнений. После аэротенка иловая смесь разделяется во вторичных отстойниках традиционной конструкции [11].

Для успешной и эффективной реализации процессов нитрификации, денитрификации и биологической дефосфотации в системе биологической очистки сточных вод необходимо обеспечивать оптимальные условия проведения каждого из перечисленных процессов:

– анаэробная зона  – полное отсутствие растворенного и химически связанного кислорода;

– аноксидная зона – содержание кислорода не более 0,6-0,8 мг/дм3;

– аэробная зона – содержание кислорода не менее 2,0 мг/дм3;

– минимальная температура для полной нитрификации – 12 ̊С [12].

Как лабораторные так и полномасштабные системы ЕВРR печально известны своей ненадёжностью. На практике основными факторами, влияющими на протекание процессов биологической дефосфотации являются: кислородный режим аэротенков, окислительно-восстановительный потенциал, возраст ила, нагрузка по загрязнениям, содержание нитрата в анаэробной фазе, обеспеченность легкоокисляемым органическим субстратом, температура воды.

1.3.2 Окислительно-восстановительный потенциал. Современные представления о технологии глубокой нитрификации, денитрификации и ассимиляции фосфора, показывают возможность одновременно протекания указанных процессов. Условием такого процесса очистки является оптимальный окислительно-восстановительный потенциал, выражающий количественную характеристику степени аэробности. Он становится минимальным при насыщении среды водородом и максимальным при насыщении среды кислородом.

М. Кларк предложил величину окислительно-восстановительного потенциала обозначать: rH2 – отрицательный логарифм парциального давления газообразного водорода. Диапазон rH2 от 0 до 42,0 характеризует все степени насыщения водного раствора водородом и кислородом. Микроорганизмы, осуществляющие глубокую очистку сточных вод, по типу дыхания подразделяются на облигатные аэробы, микроаэрофилы, факультативные анаэробы, облигатные анаэробы. Аэробы растут в пределах rH2 от 14 до 30, факультативные анаэробы – 0-20, анаэробы – 0-12.

Величина  оптимального  потенциала rH2 является характерной для каждого стока и условий очистки. Поддержание оптимального значения rH2 осуществляет аэрация. Количество растворенного кислорода обычно находится в  пределах 0,1-0,5 мг/дм3. Такие условия благоприятны для развития в основном факультативных аэробов и анаэробов. Интенсивность аэрации на аэробной стадии для обеспечения удовлетворительной нитрификации и депонирования в клетках ила фосфатов должна составлять 3,5-5,6 м3/(м2·ч) [11].

1.3.3 Обеспеченность легкоокисляемым органическим субтратом. Источником питания для фосфорных бактерий являются летучие жирные кислоты - ЛЖК, которые образуются в процессе анаэробного кислотного сбраживания органических веществ сточной воды. Образование ЛЖК в анаэробных условиях идет значительно медленнее, чем их потребление фосфатаккумулирующими бактериями. Общая скорость двухстадийного процесса:

ОВ брожение ЛЖК брожение ПНО

определяется скоростью 1-ой реакции [13]. Поэтому требуется выделение значительного объема анаэробной зоны в системе биологической очистки, чтобы обеспечить развитие достаточного количества фосфатаккумулирующих бактерий.

Объем анаэробной зоны можно существенно сократить двумя способами:

– выполнить сбраживание ОВ до ЛЖК еще до подачи сточных вод в аэротенк;

– интенсифицировать процесс кислотного сбраживания в аэротенке.

По первому способу сбраживание надо проводить в специально реконструированных первичных отстойниках с выдерживанием в них первичного осадка в течение не менее 3-5 суток с достижением степени сбраживания осадка не менее 3-5 %. Осадок необходимо периодически циркулировать (4-7 раз в сутки) путем перекачки на вход отстойника с разбавлением очищенной сточной водой (с выхода вторичных отстойников). Так как уплотнение осадка угнетает процесс его брожения, то концентрация сырого осадка должна поддерживаться  на  уровне 10-20 г/дм3.

Второй способ – интенсификация процесса кислотного сбраживания в аэротенке. По данной технологии в бескислородных зонах (анаэробной и аноксидной) аэротенка размещается плоскостная загрузка. При размещении загрузки в анаэробной зоне на ней развивается биопленка специфического микробного ценоза. Биопленка, вырастающая на загрузке, содержит преимущественно анаэробные гетеротрофные бактерии, адаптированные к поступающим в анаэробную зону органическим веществам и обеспечивающие их быстрое сбраживание. При этом доля бактерий в активном иле, способных производить кислотное сбраживание органических веществ, уменьшается. Соответственно, растет доля бактерий, участвующих в очистке от азота. В результате, интенсификация анаэробного сбраживания в анаэробной зоне вызывает увеличение скорости нитрификации в аэробной зоне аэротенка в расчете на 1 г активного ила. В силу более высокой устойчивости прикрепленных микроорганизмов к неблагоприятным воздействиям, связанным с изменениями характеристик поступающих стоков, увеличивается стабильность процесса кислотного сбраживания и уменьшается риск срыва процесса биологической дефосфотации.

Выполненная экспериментальная работа [14] по интенсификации биологической дефосфотации за счет введения сырого осадка и избыточного активного ила в специально организованный ацидофикатор для компенсации недостатка органических веществ при низких значениях БПК исходной сточной жидкости показала, что удаление фосфора до норм ПДК достигается при следующих технологических параметрах системы: соотношение частей избыточного активного ила и сырого осадка, загружаемых в ацидофикатор, - 1:1, продолжительность нахождения осадка в ацидофикаторе – 3-5 сут. При этом обеспечивается необходимое количество ЛЖК, подаваемых в аэротенк для осуществления процесса дефосфатизации. Эффект удаления фосфора по данной технологии составляет 90-95%.

1.3.4 Возраст активного ила. Для обеспечения стабильности анаэробного процесса важно поддерживать возраст анаэробного ила не менее 8-9 суток. В то же время необходимо ограничить возраст нитрифицирующего ила, поскольку установлено, что чем больше аэробный возраст ила, тем хуже обеспечивается удаление соединений фосфора.

Возраст аэробного ила желательно поддерживать около 12, но не более 14 суток, а при значениях возраста аэробного ила выше 14 суток (если конструкция сооружений или другие обстоятельства не позволяют его уменьшить) должна быть значительно увеличена аноксидная зона денитрификации. Необходимые объемы различных зон рассчитываются с использованием  кинетических уравнений процесса нитрификации-денитрификации и биологической дефосфотации. Ориентировочно можно принять период пребывания сточных вод: в аэробной - 60-70 %, в аноксидной - 15-25 %, в анаэробной - 10-15 % общего времени, затрачиваемого на полный цикл очистки с глубоким удалением соединений фосфора [15].

1.3.5  Нагрузка по органическим веществам. Сооружения очистки сточных вод от азота и фосфора более чувствительны к колебаниям входной нагрузки, чем классические аэротенки, работающие по технологии окисления органических соединений, так как для всех указанных выше процессов необходимо поддерживать если не оптимальные, то как минимум рабочие технологические параметры, что не всегда удается обеспечить в реальных условиях эксплуатации.

Колеблющиеся значения соотношения БПК5:N:P, периодически обусловливает недостаток органических веществ, необходимых для процесса биологической дефосфотации. Также скачкообразное уменьшение исходной концентрации ХПК приводит к вымыванию ФАО из иловой смеси, и нарушению процесса очистки на время до 20 суток [15].

1.3.6 Нитрат. Серьезное негативное влияние в анаэробной фазе оказывает нитрат. Поступление в очистную схему большего количества нитрата приводит в течение недели к полному прекращению ЕВРR, из-за обогащения обычными денитрифицирующими бактериями, которые не накапливают полифосфаты, и угнетают ФАО. Присутствие двух бактериальных популяций, способствующих накапливать полифосфаты – одной, использующей кислород в качестве конечного акцептора электронов, и другой, которая может использовать и нитрат для этой цели – может объяснить, почему в некоторых илах нитрат снижает высвобождение фосфора в анаэробных условиях [3].

1.3.7 Вторичные загрязнения Значительное влияние на качество очистки сточных вод от фосфора оказывают вторичные загрязнения. Совместное уплотнение осадка первичных отстойников и избыточного ила имитирует процессы вытеснения фосфора в анаэробной зоне, в результате этого вынос фосфатов со сливной водой приводит к повышению концентрации фосфора в очищенной воде. Еще худшие результаты наблюдаются при длительном пребывании в отстойниках смеси осадка и ила.

Для предотвращения появления вторичных загрязнений рекомендуется внедрять систему раздельного уплотнения и обезвоживания осадков. Во избежание выноса фосфора продолжительность уплотнения избыточного сокращают до 5-7 ч. Обезвоживание осадков возможно осуществлять последовательно, т. е. сначала избыточный ил, а затем осадок первичных отстойников, так как длительное хранение осадка не влияет на вынос фосфора. Раздельное уплотнение ила и осадка при раздельном их обезвоживании позволяют снизить уровень загрязненности сливных вод и фугата по фосфатам до уровня 10-20 мг/дм3, что благоприятно отражается на конечных результатах очистки [14].

Кроме этого, неудачи, возникшие на действующих сооружениях при реализации технологии дефосфотации в биологическом процессе очистки, объясняют тем, что в большинстве случаев ограничивались устройством аноксидной зоны и не обеспечивали полноценную анаэробную зону с подачей в нее восстановителей (осветленные сточные воды или продукты ацидофикации сырого осадка) [16]. Поэтому бактерии в анаэробной зоне, относящиеся к ФАО, не получают достаточно субстрата для роста, и это не позволяет им сформировать значительную часть биомассы ила.

Но подобные факторы можно рассматривать только как ориентировочные, поскольку каждая биологическая система очистки имеет свои особенности, а очищаемые сточные воды - специфический состав и своеобразные условия биохимического окисления содержащихся в них загрязняющих веществ. Каждой реконструкции должны предшествовать точные расчеты, но как бы точно они не были произведены, желательно, чтобы необходимые объемы сооружений, выделяемые под различные зоны, были уточнены экспериментально или в процессе пробной эксплуатации.