Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка биотехнологического процесса окисления аммония микроорганизмами в бескислородных условиях для очистки сточных вод

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
сточные воды, очистка, азот, новая технология, аноксидное окисление аммония, анаммокс

Цель проекта:
1.Разработка основ высокоэффективной технологии микробиологической очистки сточных вод на основе процесса аноксидного окисления аммония активным илом анаммокс. 2. Проектирование, сборка и запуск однореакторной лабораторной и пилотной установок Анаммокс, проведение исследовательских испытаний этих установок, микробиологический, физиолого-биохимический и молекулярно-биологический контроль изменения активности микроорганизмов экспериментального образца активного ила Анаммокс в ходе биотехнологического процесса аноксидного окисления аммония, наработка в пилотной установке экспериментального образца активного ила Анаммокс для инокуляции промышленного биореактора и технико-экономическое обоснование применения технологии Анаммокс на Люберецких очистных сооружениях.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Ожидаемый научно-технический результат – инновационная эффективная экономичная технология удаления азота из сточных вод с высоким содержанием аммония, предназначенная, прежде всего, для очистки коммунальных стоков очистных сооружений, где применяется метановое сбраживание осадка сточных вод. Полученные результаты будут использоваться непосредственно на очистных сооружениях АО "Мосводоканал", сначала на Люберецких, а затем на Курьяновских очистных сооружениях, а также иных объектах АО "Мосводоканал ". Возможно также применение технологии на других очистных сооружениях РФ, как коммунальных, так и промышленных.
2. Сложность разработки анаммокс-технологий обусловлена тем, что процесс осуществляется не отдельными штаммами, которые могут быть выделены в виде чистых культур, а консорциумами (сообществами) микроорганизмов. Состав такого консорциума соответствует характеристикам конкретных сточных вод (содержание аммония, кислорода, органики, температура и т.п.), в связи с чем технологический процесс должен быть адаптирован для конкретного предприятия. В этой связи в ходе выполнения проекта будет проведен отбор и последующая оптимизации микробного консорциума, который должен быть стабилен по составу (в условиях временных вариаций состава сточных вод) и эффективно осуществлять биокаталитический процесс аноксидного окисления аммония. Необходимые этапы селекции и наработки активного ила анаммокс будет проводиться в специально спроектированной, собранной и запущенной в ходе выполнения проекта однореакторной лабораторной установке Анаммокс. Оценка эффективности процесса удаления аммония будет сопровождаться физико-химическим, микробиологическим и молекулярно-биологическим контролем, позволяющим отслеживать как скорость процесса, так и функциональные и таксономические изменения в структуре микробного консорциума анаммокс. Основываясь на результатах исследовательских испытаний лабораторной установки Анаммокс, будет разработана, собрана и запущена однореакторная пилотная установка Анаммокс, исследовательские испытания которой станут основой для создание технической документации промышленного Анаммокс-реактора.



Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Реализация проекта состоит из трех этапов: (1) отбор активного ила анаммокс (консорциум микроорганизмов), адаптированного к возвратным потокам Люберецких очистных сооружений и способного к проведению процессов нитрификации и анаммокс, определение входящего в его состав микробного консорциума по последовательностям генов 16S рРНК; (2) проектирование, сборка и запуск однореакторной лабораторной установки Анаммокс, подбор условий и параметров культивирования активного ила анаммокс в однореакторной лабораторной установке (оптимальные температуры, рН, возраст ила, время обработки фильтрата, концентрации кислорода и аммония), исследование изменения структуры микробного сообщества по мере выхода установки на рабочий режим с содержанием аммонийного азота в фильтрате после очистки не выше 30 мг/л, а также наработка экспериментальных образцов активного ила анаммокс для инокуляции пилотной установки; (3) разработка технической документации, проектирование, сборка и запуск однореакторной пилотной установки Анаммокс, проведение исследовательских испытаний этой установки, микробиологический и физиолого-биохимический контроль изменения активности микроорганизмов экспериментального образца активного ила анаммокс, молекулярный анализ стабильности состава консорциума экспериментального образца активного ила анаммокс в ходе биотехнологического процесса, наработка в пилотной установке экспериментального образца активного ила анаммокс для инокуляции промышленного биореактора и технико-экономическое обоснование применения технологии Анаммокс на Люберецких очистных сооружениях г. Москвы, а также подготовка задания на проектирование промышленного биореактора Анаммокс.
2. В ходе реализации проекта задействовано самое современных микробиологических и молекулярно-биологических методов и приборной базы мирового уровня, имеющейся в распоряжении ФИЦ Биотехнологии РАН, а также ИТЦ АО «Мосводоканал». В России процесс Анаммокс для очистки сточных вод и возвратных потоков от сооружений обработки осадка на крупных очистных сооружениях никогда не использовался, поэтому разрабатываемая технология будет первой и при этом - импортозамещающей.
3. Аммоний – один из основных поллютантов сточных вод. Его попадание в водоемы вызывает их цветение и ухудшение экологической ситуации вокруг, поэтому важно его эффективно удалять из сточных вод. Процесс нитри-денитрификации, традиционно используемый на очистных сооружениях для удаления соединений азота из сточных вод, не эффективен для очистки фильтратов сброженного осадка (вносящих до 50% аммония), требует внесения дополнительного органического вещества, что значительно удорожает процесс очистки. В условиях мегаполисов справиться с предельной нагрузкой на очистные сооружения по аммонию позволяет альтернативный биологический процесс – автотрофное (без органического вещества) аноксидное (без кислорода) окисление аммония нитритом – процесс Анаммокс (NH4++NO2- --> N2+2H2O), осуществляемый новой группой микроорганизмов с необычным метаболизмом. Этот процесс является высокоэффективным (удаляется до 90% азота) и экономичным, поскольку на единицу удаленного азота тратится на 60% меньше кислорода, образуется меньше избыточной биомассы, а для роста микроорганизмов не требуется органическое вещество. В результате себестоимость удаления азота снижается в 2-3 раза. Несмотря на очевидную технологическую и экономическую привлекательность новой технологии, ее широкое внедрение началось лишь в последние годы. На сегодняшний день процесс Анаммокс в промышленных масштабах применяется на более чем 100 сооружениях по очистке муниципальных и промышленных сточных вод, главным образом, в Европе, а также в США, Китае и Японии. В России процесс Анаммокс для очистки сточных вод и возвратных потоков от сооружений обработки осадка на крупных очистных сооружениях никогда не использовался, поэтому разрабатываемая технология будет первой и при этом - импортозамещающей. Разрабатываемая технология по совокупности признаков не воспроизводит ни одну из основных технологий типа Анаммокс в мире. Она основывается на активности консорциума Анаммокс и иных бактерий, выделенных из местообитаний в РФ, которые закреплены на стационарном носителе биоценоза. Это повышает надежность технологии. Алгоритм управления процессом проще, чем в зарубежных аналогах (только по концентрации кислорода). Использование отечественных материалов и оборудования удешевляют технологию – капитальные затраты ниже в 2-4 раза, срок окупаемости – 4-5 лет.
4. Собственный технологический процесс, основанный на оригинальных консорциумах бактерий Анаммокс из источников в России, будет патентно чистым и позволит избежать расходов, связанных с использованием технологии фирмы Paques, которой принадлежит мировой патент на использование технологии аноксидного окисления аммония с названием ANAMMOX.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Результаты работы будут использованы для эффективной очистки бытовых и промышленных сточных вод от аммония на коммунальных очистных сооружения крупнейших городов, где используется метановое сбраживание осадков сточных вод, а также очистных сооружениях промышленных предприятий, производящих азотные удобрения. Кроме того, полученные результаты будут представлять научную ценность для понимания функционирования цикла азота на Земле с участием бактерий анаммокс.
2. Непосредственным результатом работы будет внедрение технологии Анаммокс на Люберецких очистных сооружениях АО "Мосводоканал", а в случае успешного запуска промышленного биореактора Анаммокс также на других объектах АО "Мосводоканал". Разработанная технология легко может быть внедрена и эффективно использована на большинстве крупных коммунальных очистных сооружениях (где используется метановое сбраживание осадка сточных вод и гравитационное уплотнение избыточного ила) и очистных сооружениях промстоков с высоким содержанием аммония (свинокомплексы, птицефабрики, заводы по производству минеральных удобрений, металлургические заводы и др.).
3.Результаты работы уже привели к ускоренному развитию двух областей науки: 1) в прикладной инженерной экологии - это развитие технологии аноксидного окисления аммония – впервые в России; 2) в фундаментальной микробиологии – начало исследований в России новой группы бактерий, анаммокс-планктомицетов (описано два новых вида, собраны их полные геномы). Также прогнозируется получение новых биологически активных и технически ценных веществ из уникальной биомассы анаммокс-бактерий (ладдерановые липиды и т.п.).
4. Результаты по разработке биотехнологии очистки сточных вод от аммония с использованием анаммокс-бактерий, адаптированных к условиям очистных сооружений АО Мосводоканал получены исключительно силами российских ученых. Привлечение зарубежных коллег не планируется, поскольку авторский коллектив проекта имеет все необходимое оборудование для выполнения работ мирового уровня. Новая технология ввиду её простоты и дешевизны будет конкурентноспособной с другими подобными технологиями в мире. На этой основе возможно международное сотрудничество при внедрении нашей технологии или усовершенствовании имеющихся технологий в других странах.

Текущие результаты проекта:
В результате выполнения работ в 2014-2015 гг. были решены основные задачи:
1) Обоснован выбор процесса Анаммокс для эффективного удаления азота из фильтратов сброженного осадка очистных сооружений, обогащенных аммонийным азотом.
2) Проведены проектирование, сборка и запуск однореакторной лабораторной установки Анаммокс последовательно-периодического действия полного перемешивания (SBR-реактор). Разработана программа, проведены исследовательские испытания и получен массив экспериментальных данных по технологическим параметрам работы лабораторной установки Анаммокс. Найдены оптимальные параметры работы установки (рН – 6.5-8.5 ±1), температура – 25-37±5оС, степень аэрации - 0.3-1.4 мг растворенного кислорода/л, способ удержания биомассы Анаммокс – на загрузке, доза нитрифицирующего ила - 1- 3 г/л), оценен диапазон применимости технологии; определены ключевые физико-химические параметры, позволяющие не только следить за работой установки, но и корректировать ее работу в зависимости от содержания остаточного азота. Наряду с контролем физико-химических параметров, в процессе выхода лабораторной установки на рабочий режим (удаление более 70% азота) проводились микробиологические и молекулярно-биологические исследования изменения в количественном и качественном составе микробного сообщества, ответственного за эффективное удаление азота. В образце активного ила выявлены доминирующие на разных стадиях селекции анаммокс-бактерии: Candidatus “Brocadia” spp. – до 30% от общей численности планктомицетов и Candidatus “Jettenia moscovienalis” – не менее 50%. На основе этих исследований разработаны алгоритмы управления процессом анаммокс; пригодные для технологического контроля на установках разного объема.
3) В результате исследовательских испытаний однореакторной лабораторной установки Анаммокс по программам и методикам, разработанным на втором этапе выполнения ПНИ (2015 г.) была подготовлена инструкция по эксплуатации однореакторной лабораторной установки Анаммокс и наработан экспериментальный образец активного ила для дальнейшей инокуляции пилотной установки. Результаты, полученные на втором этапе выполнения работ, позволили оценить эффективность работы однореакторной лабораторной установки Анаммокс по удалению азота из сточных вод, увеличить нагрузку по азоту до 0.8 кг N/м3·сут и разработать техническую документацию на однореакторную пилотную установку Анаммокс.
В ходе работ 2015 г были выявлены важные технологические проблемы, которые раньше не были известны (всплытие ила во вторичном отстойнике из-за газообразования, оседание и налипание ила в реакторе на загрузку ввиду наличия флоккулянта). Были найдены технические решения обозначенных проблем. Они будут применены в пилотной установке, оптимизированы и рекомендованы для применения в промышленном реакторе Анаммокс.
4) В настоящее время проводится завершающий этап сборки пилотной установки и подготовка к ее запуску.

Список публикаций по результатам выполнения ПНИ:
1. Yu.A. Nikolaev, M.N. Kozlov, M.V. Kevbrina, A.G. Dorofeev, V.G. Aseeva, N.V. Pimenov, A.V. Zharkov. Study of the low temperature anoxic ammonia oxidation feasibility // Water Practice and Technology. 2015. V. 10. No 1. P. 172-177. doi: 10.2166/wpt.2015.019.
2. Ю.А. Николаев, М.Н. Козлов, М.В. Кевбрина, А.Г. Дорофеев, Н.В. Пименов, А.Ю. Каллистова, В.А. Грачев, Е.А. Казакова, А.В. Жарков, Б.Б. Кузнецов, Е.О. Патутина, Б.К. Бумажкин. Candidatus “Jettenia moscovienalis” sp. nov. - новый вид бактерий, осуществляющих анаэробное окисление аммония // Микробиология. 2015. Т. 84. № 2. С. 236-243.
3. А.Ю. Каллистова, А.Г. Дорофеев, Ю.А. Николаев, М.Н. Козлов, М.В. Кевбрина, Н.В. Пименов. Роль анаммокс-бактерий в очистке сточных вод от соединений азота // Микробиология. 2016. №2 (принята к печати)
Заявка на патент РФ:
Козлов М.Н., Гаврилин А.М., Кевбрина М.В., Николаев Ю.А., Дорофеев А.Г., Пименов Н.В., Агарев А.М., Каллистова А.Ю. Способ очистки сточных вод от аммония и органического вещества // Заявка на патент РФ регистрационный № 2015142067 (входящий № 064921), дата поступления заявки в ФИПС 05.10.2015, патентообладатель - ФИЦ Биотехнологии РАН.