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: