CC BY
141
УДК 579.26
МЕХАНИЗМЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО УДАЛЕНИЯ АЗОТА В СИСТЕМАХ ОЧИСТКИ ГОРОДСКИХ СТОЧНЫХ ВОД
© 2014 г. Д.Н. Исмаилова
Исмаилова Диана Назимовна - аспирант, кафедра биохимии и микробиологии, факультет биологических наук, Южный федеральный университет, ул. Б. Садовая, 105/42, г. Ростов-на-Дону, 344006, e-mail: [email protected].
Ismailova Diana Nazimovna - Post-Graduate Student, Department of Microbiology and Biochemistry, Faculty of Biological Science, Southern Federal University, B. Sadovaya St., 105/42, Rostov-on-Don, 344006, Russia, e-mail: [email protected]
Представлен краткий обзор возможных путей образования различных соединений азота и их удаления в ходе биологической очистки городских сточных вод. Раскрыты основные особенности процессов нитрификации и денитрификации. Указаны факторы, влияющие на протекание данных процессов в сооружениях биологической очистки хозяйственно-бытовых сточных вод.
Ключевые слова: сточные воды, активный ил, аэротенк, микробоценоз, нитрификация, денитрификация.
The paper provides a brief review ofpossible pathways of nitrogen formation and nitrogen recycling during biological processes of waste water treatment. The main features of nitrification and denitrification processes was revealed. Factors affecting to these processes in domestic wastes treatment was pointed out.
Keywords: waste water, activated sludge, aerotank, microbiological community, nitrification, denitrification.
В современном мире постоянно возрастает количество сточных вод, образующихся в результате хозяйственно-бытовой деятельности людей, что требует повышения эффективности и удешевления методов их очистки. Биологические методы очистки сточных вод применяются уже более сотни лет. Их преимуществом перед многими химическими и физико-химическими методами является полная минерализация органического материала, который поступает на очистку. В деструкции огромного количества органики, поступающей из бытовых стоков, принимает участие широкий спектр прокариотических и эукариоти-
ческих организмов, однако до 90 % всех органических веществ минерализуются за счет бактерий.
Очистные сооружения городской канализации как объекты городской инфраструктуры являются завершающим звеном в системе приема, удаления и очистки сточных вод, образующихся в процессе жизнедеятельности населения, работы промышленных предприятий. В настоящее время биологический метод очистки активным илом в условиях аэротенка является наиболее универсальным, широкоприменяемым при обработке сточных вод. Аэробное окисление, составляющее основу биологической очистки, является
следствием протекания большого комплекса взаимосвязанных процессов различной сложности: от элементарных актов обмена электронов до сложных взаимодействий компонентов биоценоза активного ила с установлением динамического равновесия [1].
Развитие и совершенствование современных методов биологической очистки сточных вод, особенно от азотных загрязнений, является насущной задачей, так как попадание их в водоемы, в грунтовые и подземные воды катастрофически ухудшает качество пресной воды, необходимой для снабжения населения, а также в больших количествах губительно влияет на экологические сообщества различных уровней. Условия спуска в водоемы бытовых сточных вод обычно регулируются только с точки зрения охраны здоровья населения [2].
Удаление азота из сточных вод происходит в ходе нескольких взаимосвязанных процессов: аммонификации, нитрификации, денитрификации.
Доступный для микроорганизмов активного ила азот присутствует в сточных водах в виде аммонийных солей органических кислот и минеральных солей аммония, которые образуются в ходе первой стадии азотного цикла - аммонификации. Неорганические соединения азота также присутствуют в хозяйственно-бытовых сточных водах и представлены восстановленными формами азота МЫН4+ и МЫН3, находящимися в воде в растворенном состоянии и динамическом равновесии согласно уравнению МЫН3 + Н2О О МЫН4+ + ОН-, причем присутствие МЫН3 возможно при рН > 9. В городских сточных водах (при характерных значениях рН не более 7,5^8) доступный азот в основном присутствует в виде ионов аммония МЫН4+. Также потребляемый азот может быть представлен окисленными формами МО2- и МО3-, однако до очистки в хозяйственно-бытовых сточных водах, как правило, отсутствует.
Аммонификации подвергаются белки, аминосаха-ра, нуклеиновые кислоты, алкалоиды, мочевина и другие вещества, поступающие в хозяйственно -бытовые стоки, причем данный процесс начинается уже в ходе транспортировки по трубам.
Аммоний, находящийся в сточных водах, должен утилизироваться в ходе биологической очистки либо напрямую различными группировками микроорганизмов или подвергаться превращениям в окисленные формы. Аммонийные соли органических кислот предпочтительнее для микроорганизмов, чем минеральные аммонийные, поскольку последние являются физиологически кислыми, но, тем не менее, минеральные соли аммония используются некоторыми группировками бактерий. Различают аминоавтотроф-ные и аминогетеротрофные микроорганизмы.
Аминоавтотрофы способны самостоятельно синтезировать белковые вещества за счет минеральных источников азота (аммиак, аммонийные соли, азот атмосферы). Наиболее доступными источниками азота для таких микроорганизмов являются аммонийные соли. Менее доступны нитраты, поскольку азот нитратов, чтобы включиться в органические соединения,
должен быть предварительно восстановлен до аммония в энергетически зависимой реакции. В эту группу входят нитрифицирующие микроорганизмы, азотфик-саторы и некоторые другие.
Ассоциации аминоавтотрофных микроорганизмов представляют особый интерес, поскольку они способны утилизировать достаточно большие количества неорганических солей аммония в соответствующих условиях, и их изучение может позволить лучше понимать механизмы основных процессов очистки сточных вод.
Аминогетеротрофы строят белки уже из готовых аминокислот. Для этого они используют сложные белковые субстраты, пептоны или отдельные аминокислоты. Бактерии, использующие азот белковых веществ, предварительно гидролизуют их до простых продуктов с помощью протеолитических эк-зоферментов. В эту группу входит широкий спектр аммонифицирующих микроорганизмов, а именно представители семейств БасШасеае, ЕйегоЬайепасеае, Pseudomonadaceae, Мюгасоссасеае и других. Данная группа микроорганизмов является наиболее изученной.
Если в среде недостает хотя бы одной аминокислоты, то микроорганизмы переходят на амино-автотрофный способ существования и создают её путём переаминирования, отрывая от них аминную группировку либо синтезируя ее из органических кислот и аммиака. Таким образом, узловым пунктом, куда ведут все пути азотного питания у микроорганизмов, является аммиак. Если источником азота служат белки, пептоны или аминокислоты, то источники углерода не нужны, так как эти субстраты используются одновременно и как источники углерода, но при использовании минеральных источников азота присутствие углеродного источника необходимо.
Особое внимание следует уделять факторам, влияющим на соотношение автотрофных микроорганизмов к гетеротрофным: возрасту и времени формирования активного ила, рН, температуре, количеству растворенного кислорода, окислительно-восстановительному потенциалу, концентрации потребляемых субстратов, времени, в которое укладывается один цикл очистки, и, конечно же, химическому составу сточной воды [3, 4].
Образующийся в ходе аммонификации доступный аммоний поступает в качестве источника азота для микроорганизмов следующей стадии цикла азота -нитрифицирующих бактерий. Первую фазу - окисление солей аммония до нитритов - осуществляют ам-монийокисляющие бактерии родов Nitrosomonas, №11шососсш, Nitrosolobus и другие. Вторая фаза -превращение нитрита в нитрат - осуществляется бактериями рода МйшЬайег и другими. Обе группы нитрифицирующих микроорганизмов представляют собой группу автотрофных бактерий, облигатно ведущих процесс конверсии аммония в нитрит и нитрат. Однако существует ряд проблем в системах очистки, затрудняющий процесс превращения аммония на данной стадии.
Поскольку нитрифицирующие микроорганизмы являются строгими аэробами, то недостаток растворенного в сточных водах кислорода, а также затруднение протекания процессов аэрации в резервуарах очистки будут негативно влиять на развитие данной группировки, вследствие чего снижается активность бактерий, ведущих данный процесс. Также существует достаточно много факторов, избирательно репрессирующих процесс нитрификации, а именно избыточное содержание сульфатов, фосфатов, недостаток микроэлементов или некоторых витаминов, избыточное содержание аммония в среде. Эти факторы так или иначе затрудняют образование окисленных форм азота в резервуарах очистки. К тому же поскольку нитрификаторы являются автотрофными организмами, они не могут конкурировать с гетеротрофами по скорости роста и накоплению продуктивной биомассы, что влияет на интенсивность протекания процесса нитрификации в аэротенках [5].
Поскольку процесс нитрификации является главным в системе очистки городских стоков от соединений аммония, от интенсивности этого процесса зависит качество очистки в целом, поэтому главной задачей в любых технологиях очистки является разработка способов интенсификации процесса нитрификации. Таким образом, нитрификация представляет собой «ахиллесову пяту» любого сооружения очистки. Во многих работающих сооружениях часто происходит сбой в процессе нитрификации, и не всегда причины этого оказываются известны [6].
В конечном счете образовавшиеся нитраты в ходе нитрификации поступают в метаболические пути денитрифицирующих бактерий, деятельность которых является завершающей в ходе биологического удаления азота из сточных вод.
Биологическое удаление нитратов осуществляется широким набором организмов по ассимиляционному либо диссимиляционному пути. Организмы, способные к ассимиляционной нитратредукции, осуществляют ее в отсутствие более восстановленных неорганических форм азота. Ассимиляционная нитратре-дукция происходит как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Полного удаления неорганического азота при этом процессе не происходит, поскольку неорганический азот превращается в органический.
Вести подобный процесс способны достаточно широко представленные в сточных водах представители семейств Enteшbacteriaceae, PasteureUaceae, BacШaceae, Pseudomonadaceae, а также широкий спектр обитателей активного ила.
Диссимиляционное удаление нитратов представляет собой их восстановление с одновременным высвобождением энергии. Диссимиляционный путь реализуется в основном двумя группами прокариотиче-ских организмов. Одна из групп восстанавливает нитрат в нитрит либо в аммоний, а другая восстанавливает нитрат через нитрит в газообразные формы азота с молекулярным азотом в качестве конечного продукта. Первый из упомянутых процессов - диссимиляцион-ное восстановление нитрата в аммоний - проводится
бактериями, использующими нитрат в качестве конечного акцептора электронов, когда по биоэнергетическим причинам восстановление органического вещества невозможно [7].
Денитрификаторы включают широкий набор про-кариотических организмов. Большинство из них являются факультативными анаэробами и используют нитрат как конечный акцептор электронов при отсутствии кислорода. Молекулярный азот служит конечным продуктом данного процесса, но промежуточное накопление нитрита, окиси азота и закиси азота может происходить при некоторых условиях. Гетеротрофные денитрификаторы, использующие органические углеродсодержащие вещества как источник углерода для биосинтеза и электронов, являются наиболее распространенными в природе. В некоторых восстановленных средах, бедных растворенным углеродом, превалируют автотрофные денитрификаторы, использующие восстановленные неорганические вещества, такие как марганец, железо, сера и водород в качестве источника электронов и неорганический углерод как источник углерода для биосинтеза [8].
В связи с этим существует ряд серьезных проблем, связанных с протеканием данного процесса в системах очистки: соотношение выхода газообразного азота к другим промежуточным продуктам процесса де-нитрификации (NO, N2O, аммоний) и накопление аммония в резервуарах очистки в ходе диссимиляцион-ного образования аммония из нитратов.
Поэтому в сооружениях биологической очистки наиболее актуальным было бы определить процесс денитрификации как восстановление соединений азота (в том числе и газообразного) в газообразный продукт (NO, N2O, N2), имеющее энергетическое значение для осуществляющего организма. Таким образом, денитрификация здесь - это и диссимиляционное восстановление нитратов в газообразные продукты, а также диссимиляционное образование аммония из нитритов и нитратов.
До недавнего времени о диссимиляционном образовании аммония сложились представления как о процессе малораспространенном, экологически малозначимом, не ведущем к образованию побочных или промежуточных продуктов, однако образование аммония в количествах, значительно превышающих биосинтетические потребности микроорганизмов, влечет за собой ряд негативных последствий в развитии всего микробоценоза активного ила, поскольку избыток аммония приводит к значительным сдвигам в физико-химических параметрах среды аэротенка эксплуатируемого сооружения.
Для многих представителей семейств Enterobacteriaceae, Bacillaceae, Pseudomonadaceae, родов Vibrio, Clostridium и многих других была показана способность к диссимиляционному образованию аммония в присутствии низкомолекулярных органических веществ. К тому же ранее было установлено, что сброженный осадок очистных сооружений восстанавливает в аммоний 60^70 % добавленного нитрата [9]. В то же время было определено влияние окислитель-
но-восстановительного потенциала среды на соотношение скоростей денитрификации и диссимиляцион-ного образования аммония в системах с перемешиванием, где продуванием азотом и воздухом задавался определенный окислительно-восстановительный потенциал. Суммарная скорость восстановления нитрата и доля нитрата, восстановленного в аммоний и органический азот, снижалась с увеличением потенциала. Данные, полученные в результате этих исследований, показали, что соотношение восстановления нитрата в аммоний и газообразные продукты во многом зависит от количества нитрата, достигающего строго анаэробных зон.
Таким образом, можно заключить, что количество окисленных форм азота, появляющихся в ходе процессов нитрификации и денитрификации, свидетельствует о степени завершенности процессов биологической очистки сточных вод. При этом факторы среды, в частности, доступность и тип органических уг-леродсодержащих веществ, и окислительно-восстановительный потенциал водной среды определяют в значительной степени жизнедеятельность диссимиля-ционных нитратредукторов, ведущих терминальную стадию очистки.
Высокое отношение СЖ и высокие концентрации сульфидов в аэротенках способствуют преобладанию организмов, ведущих диссимиляционное преобразование нитратов в аммоний над денитрификаторами. Среди последних - тип и количество органических углеродсодержащих веществ влияют на накопление промежуточных продуктов, таких как аммоний, нитрит и неорганические азотистые газы. Кислород является важным регулятором денитрификации. Хотя существуют сообщения об аэробной денитрификации, большинство денитрификаторов - факультативные анаэробы. Они восстанавливают нитрат в отсутствие кислорода. Неполное восстановление нитрата в промежуточные продукты происходит при низких концентрациях кислорода в связи с дифференциальной репрессией кислородом ферментов, участвующих в пути восстановления нитратов [10]. На сегодняшний момент существует еще один достаточно распространенный в последнее время процесс выведения азота сточных вод в атмосферу - анаэробное окисление аммония (АМАММОХ). Это хемолитоавтотрофный процесс, в котором происходит фиксация неорганического углерода с энергией, используемой от производства свободного азота. Процесс противоположен деградации органического вещества в денитрифика-ции гетеротрофов.
Процесс широко изучается в последние десятилетия и всё успешнее внедряется в различные технологические схемы очистных сооружений. Однако суще-
Поступила в редакцию_
ствует ряд факторов, затрудняющих протекание данного процесса в сооружениях очистки городских сточных вод. ANAMMOX-организмы являются обли-гатными анаэробами: лучше всего процесс анаэробного окисления аммония протекает при низком содержании органического вещества в сточной воде. К тому же, согласно данным литературы, для осуществления анаммокс-реакции необходимо достаточное количество нитрита в системе, поэтому его необходимо применять в сочетании с процессом конверсии части аммония в нитрит [11].
Несмотря на затруднения его протекания, анаэробное окисление аммония является многообещающей альтернативой известным процессам удаления азота.
Литература
1. Mayo A. W., Bigambo T. Nitrogen transformation in horizon-
tal subsurface flow constructed wetlands I: Model development // Physics and Chemistry of the Earth. 2005. № 30. P. 658-667.
2. Zhang L., Zheng P., Chong-Jian T., Ren-Cun J. Anaerobic
ammonium oxidation for treatment of ammonium-rich wastewaters // J. of Zhejiang University Scince. 2008. № 9(5). P. 416-426.
3. Stenstrom M.K., Song S.S. Effects of oxygen transport limita-
tion on nitrification in the activated sludge process // Water Pollution Control Federation. 1991. № 63(3). P. 208-219.
4. Xin Chun Liu, Min Yang, Yu Zhang, Xiang-Ping Yang, Yi-
Ping Gan. Microbial community of different biological processes for treating the same sewage // World J. of microbiol. biotechnology. 2007. № 23. P. 135-143.
5. Abeliovich A. Nitrifying bacteria in wastewater treatment
reservoirs // Applied and Environmental Microbiology. 1987. № 53(4). P. 754-760.
6. Wagner M., Loy A. Bacterial community composition and
function in sewage treatment systems // Environmental Biotechnology. 2002. № 13. Р. 218-227.
7. Tiedje J.M. Ecology of denitrification and dissimilatory
nitrate reduction to ammonia // Biology of Anaerobic Microorganisms. N.Y., 1990. P. 179-244.
8. Korom S.F. Natural denitrification in the saturated zone:
rewiew // Water Resourses Research. 1992. № 28. P. 16571668.
9. Kaspar H.F., Tiedje J.M., Firestone R.B. Denitrification and
dissimilatory nitrate reduction to ammonium by digested sludge // Can. J. Microbiol. 1981. № 27. P. 878-885.
10. Van Rijn T., Tal Y., Schreier H.J. Denitrification in recircu-
lating systems: Theory and applications // Aquacultural Enginering. 2006. № 34. P. 364-376.
11. Strous M., Heijnen J.J, Kuenen J.G, Jetten M.S.M. The se-
quencing batch reactor as a powerful tool for the study of slowly growing anaerobic ammonium-oxidizing microorganisms // Appl. Microbiol. Biotechnol. 1998. № 50. P. 589-596.
21 апреля 2014 г.
