Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0018

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0018
Тематическое направление
Науки о жизни
Исполнитель проекта
Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук"
Название доклада
Разработка биотехнологического процесса окисления аммония микроорганизмами в бескислородных условиях для очистки сточных вод
Докладчик
Пименов Николай Викторович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью проекта является разработка основ высокоэффективной технологии микробиологической очистки сточных вод на основе процесса аноксидного окисления аммония активным илом анаммокс для Люберецких очистных сооружений г. Москвы, а также очистных сооружений РФ.
Задачи проекта:
• Аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, проведение патентных исследований и обоснование выбора процесса анаммокс для эффективного удаления азота из фильтратов сброженного осадка.
• Разработка технической документации, проектирование, сборка и запуск однореакторной лабораторной и пилотной установок Анаммокс, проведение их исследовательских испытаний с использованием широкого спектра физико-химических, микробиологических, физиолого-биохимических и молекулярно-биологических методов.
• Определение состава микробного консорциума ила анаммокс микроскопическими и молекулярными методами на разных этапах эксплуатации лабораторной и пилотной установок.
• Наработка в пилотной установке экспериментального образца активного ила Анаммокс для инокуляции промышленного биореактора
• Технико-экономическое обоснование применения технологии Анаммокс на Люберецких очистных сооружениях.
• Подготовка ТЗ на проведение опытно-технологических работ (ОТР) по теме «Разработка технологии аноксидного окисления Анаммокс на Люберецких очистных сооружениях» и рекомендаций по эксплуатации промышленного реактора Анаммокс на Люберецких очистных сооружениях.
Актуальность и новизна исследования
Одним из основных загрязнителей сточных вод, подлежащих обязательному удалению, является азот (основная форма – аммоний). В настоящее время общепринятым методом удаления азота из сточных вод является технология биологической нитрификации-денитрификации. В последнее десятилетие в практике микробиологической очистки сточных вод стали применять биологический метод удаления азота - окисление аммония нитритом (Анаммокс-процесс). Этот процесс, открытый 20 лет назад, осуществляют автотрофные анаммокс-бактерии, принадлежащие к одному порядку Brocadiales, относящемуся к планктомицетам. Анаммокс процесс является высокоэффективным (удаляется 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. Сложность разработки анаммокс технологий обусловлена тем, что процесс осуществляется не отдельными штаммами, а консорциумами микроорганизмов. Состав такого консорциума зависит от химического состава конкретных сточных вод, поэтому технологический процесс должен быть адаптирован для конкретного потребителя. Несмотря на очевидную привлекательность новой технологии, ее широкое внедрение началось лишь в последние годы. Первая установка была запущена на сооружениях Dokhaven в Нидерландах. На сегодняшний день процесс Анаммокс в промышленных масштабах применяется на сооружениях по очистке муниципальных и промышленных сточных вод во многих странах мира - CША, Китае, Нидерландах, и др. В России процесс Анаммокс для очистки сточных вод на крупных очистных сооружениях никогда не использовался, и отечественных разработанных технологий такого типа не известно.
Описание исследования

Схема проведенных экспериментальных исследований включала:

1.            Поиск на очистных сооружениях АО Мосводоканал активного ила, где возможно протекание процесса анаммокс или в котором присутствуют бактерии Анаммокс в количествах, достаточных для использования в качестве инокулята.

2.            На базе стандартного биореактора (ферментера на 1 л), представляющего собой упрощенную модель разрабатываемой лабораторной установки анаммокс, было проведено наращивание биомассы консорциума микроорганизмов, включающего анаммокс бактерии, способного осуществлять процесс аноксидного окисления аммония.

3.            Динамику развития анаммокс-бактерий в консорциуме микроорганизмов активного ила анаммокс определяли по изменению скорости окисления аммония, микроскопическими методами (световая и электронная микроскопия), а также с использованием пиросеквенирования нуклеотидных последовательностей фрагментов генов 16S рибосомой РНК.

4.            Разработка технической документация на однореакторную лабораторную установку, проектирование, сборка и запуск однореакторной лабораторной установки Анаммокс, состоящей из основного реактора объёмом 100 л и отстойника объемом 15 л, перекачивающего и перемешивающего оборудования, системы аэрации и подогрева реактора, а также системы контроля кислорода, температуры и рН. Однореакторная лабораторная установка анаммокс представляла собой технологический прототип однореакторной пилотной установки анаммокс и обеспечивала наработку образцов экспериментального ила для запуска пилотной установки.

5.            По результатам исследовательских испытаний однореакторной лабораторной установки анаммокс в условиях разной нагрузки по аммонию, расчета эффективности удаления азота экспериментальным образцом активного ила анаммокс на основании определения концентрации суммарного минерального азота (аммония, нитратов, нитритов) в сточной и очищенной воде с помощью физико-химических методов, была разработана техническая документация, спроектирована и запущена на Люберецких очистных сооружениях г. Москвы однореакторная пилотная установка. Пилотная установка состоит из емкостного оборудования (основного реактора объемом 20 м3, первичного и вторичного отстойников объемом по 4 м3, реактора-дожигателя), процеживающей дуговой решетки для удаления крупнодисперсных примесей с баком-приемником, реактора-измельчителя, перекачивающего и перемешивающего оборудования, системы аэрации (воздуходувка, трубопроводы, аэраторы), системы терморегуляции реактора (теплообменник, системы нагревания и охлаждения), системы автоматизации и управления установкой, контроля параметров (кислорода, температуры, рН и других показателей), а также архивирования данных (контрольно-измерительных приборов (КИП) и автоматизированной системы управления (АСУ)).

7             Проведены длительные (более 7-ми месяцев) исследовательские испытания пилотной установки анаммокс в режиме непрерывной подачи сточных вод, постоянного (ежедневного) контроля содержания минерального азота, кислорода, рН, температуры. Отработаны схемы действия при различных сбоях работы установки (снижение/повышение уровня содержания кислорода, температуры, рН), сопровождающегося ухудшением очистки сточных вод, установлены сроки восстановления нормального режима процесса анаммокс.

8             Оптимизация алгоритма управления установкой, накопление биомассы активного ила Анаммокс для запуска промышленного биореактора, а также проведение необходимых исследований для проектирования промышленного реактора на Люберецких очистных сооружениях г. Москвы. 

Результаты исследования

Проведены исследовательские испытания экспериментального образца активного ила (АИ) анаммокс, наработанного в однореакторной лабораторной установке. Показано, что АИ состоит из консорциума микроорганизмов анаммокс (до 50% от общей численности планктомицетов) и окисляет аммоний нитритом в бескислородных условиях. Впервые в мире описан, физиологически и морфологически охарактеризован новый кандидатный вид анаммокс-бактерий Candidatus “Jettenia moscovienalis”, сконструированы уникальные зонды, позволяющие детектировать этот организм в нативных местообитаниях. В АИ в физиологически активном состоянии присутствуют как минимум два вида анаммокс-бактерий: Ca. “Brocadia” sp. и Ca. “Jettenia moscovienalis”, их процентное соотношение  изменяется в ответ на изменения внешних условий.

Вклад нитрификаторов I группы (Nitrosomonas, Nitrosospira) составляет 30-35% от общей численности эубактерий, что коррелирует с численностью анаммокс-бактерий и обеспечивает высокую эффективность удаления аммония (до 80%) в лабораторной установке. Температурный оптимум роста микробного сообщества активного ила анаммокс - 25-37оС, оптимальный рН роста - рН 6.5 – 8.5. 

Метагеномный анализ консорциума микроорганизмов образца АИ анаммокс выявил сложное сбалансированное микробное сообщество, состоящее из бактерий филумов Planctomycetes, протеобактерий классов Gammaprotebacteria, Deltaprotebactaria и Betaprotebactaria, групп Chloroflexi, Bacteroidetes и Rhodocyclaceae. Доминирующей группой микроорганизмов были анаммокс-бактерии Ca. “Brocadia”, среди которых ранее не описанные бактерии, родственные Ca. “Brocadia caroliniensis”.

В ходе испытаний однореакторной лабораторной установки анаммокс, найдены новые технические решения таких сопутствующих проблем, как избыточное содержание в сточной воде флоккулянта (вспенивание) и газообразование, определены основные технологические параметры работы реактора – температура, уровень кислорода, величина рецикла АИ, изменена технологическая схема реактора (введены аэробный реактор-дожигатель и проточный реактор-измельчитель, не имеющих аналогов в мире).

Собрана и запущена пилотная однореакторная установка анаммокс, которая позволила провести опытно-промышленные эксперименты по отработке технологии анаммокс, а также наработать АИ анаммокс для запуска промышленной установки. Разработана программа и методики исследовательских испытаний однореакторной пилотной установки анаммокс, в которых предусмотрены режим запуска, выхода на рабочий технологический режим, определение оптимального режима работы, диапазон применимости технологии (предельные значения различных показателей), алгоритм управления установкой и т.д. Особенностью АИ пилотной установки является устойчивость к пониженным значениям рН (от 5.7 до 8.5) и к повышенной концентрации нитрита (300 мг N-NO2/л). Показатели работы установки: объемная нагрузка на реактор – до 1000 мг N/л сут; объемная мощность реактора до 800 мг N/л сут; % удаления азота – до 80%. Исследовательские испытания пилотной установки анаммокс позволили наработать массив данных, достаточный для разработки ТЗ на проектирование промышленного биореактора Анаммокс на Люберецких очистных сооружениях. 

По производительности наша технология соответствует другим технологиям этого типа в мире, по технологическим элементам – не воспроизводит ни одну из них, основана на уникальных, эндемичных для Москвы бактериях Анаммокс.

 

Практическая значимость исследования
Непосредственным результатом работы будет внедрение технологии Анаммокс на Люберецких очистных сооружениях АО "Мосводоканал". Разработанная технология легко может быть внедрена и эффективно использована на большинстве крупных коммунальных очистных сооружений (ОС), где используется метановое сбраживание осадка сточных вод и очистных сооружениях промстоков с высоким содержанием аммония (свинокомплексы, птицефабрики, заводы по производству минеральных удобрений, металлургические заводы и др.).
Разработанная технология имеет новые характеристики, отличающие ее от существующих в мире аналогов, например:
1. Технологический процесс основан на активности консорциумов анаммокс и иных бактерий, эндемичных для Москвы, которые адаптированы к составу сточных вод и обладают рядом уникальных свойств (приспособлены к повышенной температуре и наличию кислорода, устойчивы к пониженным значениям рН, и к повышенной концентрации нитрита).
2. Целевые биохимические процессы осуществляются двумя типами активных илов – свободноплавающим флоккулированным илом и илом, фиксированным на стационарной листовой загрузке. Процессы нитрификации на 90-95% протекают в свободноплавающем иле, процесс анаэробного окисления аммония на 99% проходит в биопленке, фиксированной на загрузке. Использование стационарного носителя биоценоза повышает надежность технологии, алгоритм управления процессом проще, чем в зарубежных аналогах.
3. Использование в конструкции установки новых элементов - аэробного реактора-дожигателя и проточного реактора-измельчителя – предотвращает всплытие и вынос из установки активного ила и снижение эффективности целевых процессов при высоких нагрузках по азоту. - (1 кг N/(м3 сут)).
4. Использование отечественных материалов и оборудования удешевляют технологию, капитальные затраты ниже в 2-4 раза.
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. Прогноз на период до 2020 года показывает, что рынок применения Анаммокс-технологий в области коммунального хозяйства вырастет в 10 раз, что значительно увеличит выгоду от внедрения этой технологии.