Способ очистки коммунальных сточных вод от жировых отходов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОЧИСТКИ КОММУНАЛЬНЫХ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ЖИРОВЫХ ОТХОДОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт микробиологии Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Самсонова Алисса Самуиловна Алещенкова Зинаида Михайловна Семочкина Наталья Федоровна Петрова Галина Михайловна Толстолуцкая Лидия Ивановна Холодинская Наталья Валентиновна Крук Николай Иванович Авсеев Александр Евгеньевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт микробиологии Национальной академии наук Беларуси(57) Способ очистки коммунальных сточных вод от жировых отходов, включающий использование иммобилизованных микроорганизмов, отличающийся тем, что используют консорциум штаммов микроорганизмовБИМ В-298 Д, В-299 Д и В-301 Д иБИМ В-300 Д, взятых в равных количествах, иммобилизованных на тонковолокнистых капроновых нитях до микробной нагрузки 1,72-3,26 г на 1 г капроновых нитей, при этом процесс очистки проводят в биореакторе при скорости протока сточных вод 1,7 л в час с аэрацией 30 м 3 воздуха на 1 м 3 воды в час. Изобретение относится к области биотехнологии, в частности к микробиологической очистке сточных вод, содержащих жировые отходы, и может быть использовано для очистки коммунальных сточных вод перед поступлением их в аэротенки биологических очистных сооружений. Известен способ очистки стоков, загрязненных пищевыми маслами и жирами, в котором очистку стоков предлагается осуществлять с использованием порошкообразного биопрепарата, созданного на основе культур бактерий-2,-3,-4,-5, в присутствии источников азота, фосфора, калия и микроэлементов при температуре 10-50 С 1. Недостатком данного способа является использование сухого бактериального препарата, который необходимо постоянно вносить в обрабатываемые стоки для поддержания необходимого титра клеток микроорганизмов-деструкторов. Это связано с внедрением 10605 1 2008.06.30 промышленного производства порошкообразного микробного препарата для постоянного обеспечения необходимого уровня внесения. Наиболее близким из аналогов изобретения является способ обработки сточных вод,содержащих масла, с помощью микроорганизмов, иммобилизованных на пластмассовых дисках 2. Недостатком прототипа является использование в обработке сточных вод, содержащих масла, микроорганизмов, спонтанно развивающихся на пластмассовых дисках. В способе не предусмотрено использование специализированных микроорганизмов, адаптированных к изменяющимся концентрациям жировых отходов, свойственным для коммунальных сточных вод. Задачей предлагаемого изобретения является эффективная очистка сточных вод от жировых отходов с помощью консорциума штаммов микроорганизмов-деструкторов, иммобилизованных на волокнистом носителе. Поставленная задача достигается за счет иммобилизации на носителе микроорганизмов-деструкторов, в качестве которых используют консорциум штаммовБИМ В-298 Д, В-299 Д, В-301 Д иБИМ В-300 Д, полученных методом адаптивной селекции к изменяющимся концентрациям жировых отходов, свойственным коммунальным сточным водам. Иммобилизация дает возможность интенсифицировать процесс очистки при высоких субстратных нагрузках и длительно удерживать в очистном сооружении микроорганизмыдеструкторы при отсутствии поступления соответствующих загрязнителей. Известно, что прикрепленные микроорганизмы более устойчивы к действию загрязняющих веществ,размножаются быстрее, чем во взвешенном состоянии, характеризуются повышенной метаболической активностью 3. В качестве носителя для иммобилизации микроорганизмов используют тонковолокнистые капроновые нити, обеспечивающие иммобилизацию большого количества клеток микроорганизмов-деструкторов, их беспрепятственный рост в пространстве, хороший контакт с утилизируемым субстратом и растворенными в воде биогенными элементами и кислородом. Насыщение сточных вод кислородом проводят путем барботажа 30 м 3 воздуха на 1 м 3 воды в 1 час непосредственно в очистном сооружении. Очистка сточных вод от жировых отходов включает стадию подготовки стока (отстаивание и интенсивное аэрирование поступающей на очистку воды) и собственно микробную очистку, осуществляющуюся в двух аэробных биореакторах. Емкость для подготовки воды (603570 см) с рабочим объемом 100 л изготовлена из нержавеющей стали. Нижняя часть емкости подготовки стока имеет форму конуса и снабжена краном для удаления накопившейся массы. В процессе подготовки сточных вод в емкости для отстаивания воды перед подачей ее в биореактор осуществляется контроль рН и ХПК стока. Емкость для аэрирования размером 603570 см изготовлена из нержавеющей стали. В нижней части реактора установлен барботер, обеспечивающий аэрацию из расчета 30 м 3/м 3 в час. Аэробная микробная очистка сточных вод эффективна при ХПК стока в пределах, не превышающих 5000 мг О 2/л. Аэробные биореакторы представляют собой емкости из нержавеющей стали прямоугольной формы размером 603570 см (рабочий объем 100 л). Биореактор разделен на 3 секции для увеличения периода удержания воды. Каждая секция биореактора снабжена приспособлениями для закрепления тонковолокнистых капроновых нитей. Носитель предназначен для иммобилизации микроорганизмовдеструкторов. Количество носителя в каждом аэробном биореакторе составляет 6 кг на 100 л рабочего объема. Биореакторы снабжены системой барботирования, размещенной в нижней части сооружения и обеспечивающей аэрацию из расчета 30 м 3/м 3 в час. В нижней части аэробных 2 10605 1 2008.06.30 биореакторов устанавливаются краны для удаления отработанной биомассы, которая собирается в отстойнике. Отстойник представляет собой емкость из стали прямоугольной формы размером 603570 см (рабочий объем 100 л). Обвязка в описанной технологической системе очистки предусматривает последовательное соединение всех емкостей и биореакторов в систему сообщающихся сосудов. Подача воды в емкость подготовки сточных вод осуществляется с помощью насоса. Для проведения испытания способа очистки коммунальных сточных вод от жировых отходов получали биомассу микроорганизмов-деструкторов жировых веществ. Для этого методом накопительной культуры из почвы, загрязненной ингредиентами выбросов предприятия органического синтеза в естественных условиях, получены штаммы 23 Ф ЛЭМ В-1018,70 Ф,37 Ф ЛЭМ В-1189, а из активного ила очистных сооружений выделен штамм 2 В ЛЭМ В-1546. Методом адаптивной селекции микроорганизмы адаптированы к высоким (до 20 г/л) концентрациям жировых веществ. Штаммы депонированы в Белорусской коллекции непатогенных микроорганизмов (Научной коллекции типовых и промышленно ценных непатогенных микроорганизмов Института микробиологии Национальной академии наук Беларуси), где им присвоены коллекционные номера В-298 Д, В-299 Д, В-301 Д и В-300 Д соответственно. ШтаммБИМ В-298 Д имеет следующие свойства. Морфолого-культуральные свойства. Грамположительные клетки, неподвижные, первичный мицелий не выражен, клетки прямые или слегка искривленные, иногда слабоветвящиеся располагаются часто образно, быстро фрагментируются до кокков. Рост на плотных средах мясо-сусловый агар, 29 С, 3 суток штрих кремово-розовый, матовый, сухой колонии кремово-розовые, диаметром 1-5 мм, круглые с ровным краем, выпуклые, сухие, неблестящие, легко снимаются с агара сусло-агар, 29 С, 5 суток штрих кремовый, матовый, сухой колонии кремовые, диаметром 1-5 мм, круглые, выпуклые, с ровным краем, матовые,легко снимаются с агара минеральная агаризованная среда, г/л- 0,5 472 - 0,8 Н 2 РО 4 - 0,7 (4)24 - 1,5 агар-агар - 20,0 растительное масло - 1,0 рН 7,3-7,5 29 С, 14 суток штрих кремовый, матовый, сухой колонии кремовые, диаметром 1 мм, круглые, выпуклые, с ризоидным краем, матовые,сухие. Рост на жидких средах мясо-пептонный бульон, 29 С, 7 суток характер роста - пленка, кремовый осадок жидкая минеральная среда, г/л- 0,5 472 - 0,8 Н 2 РО 4 - 0,7 (4)24 - 1,5 растительное масло 1,0 рН 7,3-7,5 29 С, 14 суток характер роста - кремовый осадок, изменение среды не наблюдается. Физиолого-биохимические свойства. Аэроб, некислотоустойчив, оксидазоотрицателен, имеет каталазу, уреазу, нет ДНКазы и нитратредуктазы, анаэробный тест Хью-Лейфсона с глюкозой отрицательный, желатин не разжижает, крахмал не гидролизует, не разлагает казеин, разлагает тирозин. Образует кислоту из глюкозы, фруктозы, галактозы, лактозы, ксилозы, мальтозы, но не из арабинозы, сахарозы, рамнозы, дульцита, маннита, сорбита и глицерина на среде, г/л пеп 3 10605 1 2008.06.30 тон - 3,0- 2,5 2 мл 1,6 -го спиртового раствора бромтимолового синего. Усваивает натриевые соли органических кислот лимонной, пропионовой, бензойной, молочной,уксусной, -кетоглутаровой, цис-аконитовой, но не щавелевой на среде, г/л (4)24 0,5 472 - 0,2- 0,1 агар-агар - 15,0 органическая кислота - 2,0 20 мл 0,04 -го водного раствора фенолового красного, рН 6,8. Растет на нитритном агаре, на безазотистой среде Эжби, в присутствии 5. В клеточной стенке обнаружены галактоза, арабиноза, мезодиаминопимелиновая кислота (мезо-ДАПК), липид - ( тип). Штамм при росте на общепринятых средах и минеральной среде с растительным маслом не требует стимуляторов роста. Штамм использует растительное масло в качестве единственного источника углерода и не требует стимуляторов деструкции сохраняет жизнеспособность и деструктивные свойства в течение 6 месяцев на МПА, МСА и агаризованной минеральной среде с растительным маслом (0,1 ). Штамм не токсичен, не патогенен. ШтаммБИМ В-299 Д имеет следующие свойства. Морфолого-культуральные свойства. Грамположительные клетки, неподвижные, через 18 ч роста на МПА прямые или слегка искривленные, иногда слабоветвящиеся располагаются часто -образно, через 24 ч укорачиваются до кокковидных. Рост на плотных средах мясо-сусловый агар, 29 С, 3 суток штрих кремово-розовый, матовый, сухой колонии кремово-розовые, диаметром 1-5 мм, круглые с ровным краем, выпуклые, сухие, неблестящие, легко снимаются с агара сусло-агар, 29 С, 5 суток штрих кремовый, матовый, сухой колонии кремовые, диаметром 1-5 мм, круглые, выпуклые, с ровным краем, матовые,легко снимаются с агара минеральная агаризованная среда, г/л- 0,5 472 - 0,8 Н 2 РО 4 - 0,7 (4)24 - 1,5 агар-агар - 20,0 растительное масло - 1,0 рН 7,3-7,5 29 С, 14 суток штрих кремовый, матовый, сухой колонии кремовые, диаметром 1 мм, круглые, выпуклые, с ризоидным краем, матовые,сухие. Рост на жидких средах мясо-пептонный бульон, 29 С, 7 суток характер роста - пленка, кремовый осадок жидкая минеральная среда, г/л- 0,5 472 - 0,8 Н 2 РО 4 - 0,7 (4)24 - 1,5 растительное масло 1,0 рН 7,3-7,5 29 С, 14 суток характер роста - кремовый осадок, изменение среды не наблюдается. Физиолого-биохимические свойства. Аэроб, некислотоустойчив, оксидазоотрицателен, имеет каталазу, уреазу, ДНК-азу,анаэробный тест Хью-Лейфсона с глюкозой отрицательный, желатин не разжижает, крахмал не гидролизует, но разлагает казеин, ксантин и тирозин. Образует кислоту из глюкозы, сахарозы, галактозы, ксилозы, мальтозы, маннита и глицерина, но не из арабинозы,лактозы, рамнозы, дульцита и сорбита на среде, г/л пептон - 3,0- 2,5 2 мл 1,6 -го спиртового раствора бромтимолового синего. Усваивает натриевые соли органических кислот лимонной, пропионовой, бензойной, молочной, уксусной, -кетоглутаровой, но не щавелевой на среде, г/л (4)24 - 0,5 472 - 0,2- 0,1 агар-агар - 15,0 органическая кислота - 2,0 20 мл 0,04 -го водного раствора фенолового красного, рН 6,8. Восстанавливает нитраты в нитриты, растет на нитритном агаре, на безазотистой сре 4 10605 1 2008.06.30 де Эжби, в присутствии 5, не образует индол. В клеточной стенке обнаружены галактоза, арабиноза, мезодиаминопимелиновая кислота (мезо-ДАПК), липид - ( тип). Штамм при росте на общепринятых средах и минеральной среде с растительным маслом не требует стимуляторов роста. Штамм использует растительное масло в качестве единственного источника углерода и не требует стимуляторов деструкции сохраняет жизнеспособность и деструктивные свойства в течение 6 месяцев на МПА, МСА и агаризованной минеральной среде с растительным маслом (0,1 ). Штамм устойчив к тетрациклину (10 ед.), слабо чувствителен к бензилпенициллину (10 ед.), не токсичен, не патогенен. ШтаммБИМ В-301 Д имеет следующие свойства. Морфолого-культуральные свойства. Грамположительные клетки образуют на ранней стадии развития рудиментарный мицелий, который в дальнейшем распадается на фрагменты, превращающиеся в результате ряда последовательных делений в палочки, а затем в кокки. Рост на плотных средах мясо-сусловый агар, 29 С, 3 суток штрих кремово-розовый, матовый, пастообразный колонии кремово-розовые, диаметром 2,5 мм, круглые с ровным краем, выпуклые,гладкие, пастообразные сусло-агар, 29 С, 5 суток штрих кремовый, матовый, пастообразный колонии кремовые, диаметром 1,5 мм, круглые, выпуклые, с ровным краем, гладкие,матовые, пастообразные минеральная агаризованная среда, г/л- 0,5 472 - 0,8 Н 2 РО 4 - 0,7 (4)24 - 1,5 агар-агар - 20,0 растительное масло - 1,0 рН 7,3-7,5 29 С, 14 суток штрих кремовый, матовый, пастообразный колонии кремовые, диаметром 1 мм, круглые, выпуклые, с ризоидным краем, матовые,пастообразные. Рост на жидких средах мясо-пептонный бульон, 29 С, 7 суток характер роста - пленка, кремовый осадок жидкая минеральная среда, г/л- 0,5 472 - 0,8 Н 2 РО 4 - 0,7 (4)24 - 1,5 растительное масло 1,0 рН 7,3-7,5 29 С, 14 суток характер роста - кремовый осадок, изменение среды не наблюдается. Физиолого-биохимические свойства. Аэроб, некислотоустойчив, оксидазоотрицателен, имеет каталазу, уреазу, не имеет ДНК-азу и нитратредуктазу, анаэробный тест Хью-Лейфсона с глюкозой отрицательный,желатин не разжижает, крахмал не гидролизует, казеин не разлагает. Образует кислоту из глюкозы, фруктозы, галактозы, ксилозы, мальтозы, глицерина, но не использует арабинозу, сахарозу, лактозу, рамнозу, дульцит, маннит и сорбит на среде, г/л пептон - 3,02,5 2 мл 1,6 -го спиртового раствора бромтимолового синего. Усваивает натриевые соли органических кислот лимонной, пропионовой, бензойной, молочной, уксусной, кетоглутаровой, цис-аконитовой, но не щавелевой на среде, г/л (4)24 - 0,5 472 - 0,2- 0,1 агар-агар - 15,0 органическая кислота - 2,0 20 мл 0,04 -го водного раствора фенолового красного, рН 6,8. Растет на нитритном агаре, на безазотистой среде Эжби, в присутствии 5. В клеточной стенке обнаружены галактоза,арабиноза, мезодиаминопимелиновая кислота (мезо-ДАПК), липид - ( тип). Штамм при росте на общепринятых средах и минеральной среде с растительным маслом не требует стимуляторов роста. Штамм использует растительное масло в качестве единст 5 10605 1 2008.06.30 венного источника углерода и не требует стимуляторов деструкции сохраняет жизнеспособность и деструктивные свойства в течение 6 месяцев на МПА, МСА и агаризованной минеральной среде с растительным маслом (0,1 ). ШтаммБИМ В-301 Д не токсичен и не патогенен. ШтаммБИМ В-300 Д имеет следующие свойства. Морфолого-культуральные свойства. Грамположительные клетки образуют на ранней стадии развития первичный мицелий,который к 24-30 ч роста фрагментируется и колонии 2-3 суточного возраста состоят из кокковидных овальных клеток. Рост на плотных средах мясо-сусловый агар, 29 С, 3 суток штрих оранжево-красный, сухой, неблестящий колонии оранжево-красные, диаметром 1-5 мм, круглые с ровным краем, выпуклые,неблестящие, сухие, легко снимаются с агара сусло-агар, 29 С, 5 суток штрих оранжевый, маслянистый, пастообразный колонии оранжевые, диаметром 2 мм, круглые, выпуклые, с ровным краем, гладкие,маслянистые, пастообразные минеральная агаризованная среда, г/л- 0,5 472 - 0,8 Н 2 РО 4 - 0,7 (4)24 - 1,5 агар-агар - 20,0 растительное масло - 1,0 рН 7,3-7,5 29 С, 14 суток штрих бледно-оранжевый, маслянистый, пастообразный колонии бледно-оранжевые, диаметром 1 мм, круглые, выпуклые, маслянистые, пастообразные. Рост на жидких средах мясо-пептонный бульон, 29 С, 7 суток характер роста - пленка, оранжевый осадок жидкая минеральная среда, г/л- 0,5 472 - 0,8 Н 2 РО 4 - 0,7 (4)24 - 1,5 растительное масло 1,0 рН 7,3-7,5 29 С, 14 суток характер роста - оранжевый осадок. Физиолого-биохимические свойства. Аэроб, некислотоустойчив, оксидазоотрицателен, каталазоположителен, анаэробный тест Хью-Лейфсона с глюкозой отрицательный, желатин не разжижает, казеин не разлагает, крахмал не гидролизует. Образует кислоту из глюкозы, фруктозы, сорбита, инозита,глицерина на среде, г/л пептон - 3,0- 2,5 2 мл 1,6 -го спиртового раствора бромтимолового синего. Хорошо ассимилирует цитрат, пропионат, -кетоглутарат, лактат,ацетат натрия, но не оксалат натрия на среде, г/л (4)24 - 0,5 472 - 0,2- 0,1 агар-агар - 15,0 органическая кислота - 2,0 20 мл 0,04 -го водного раствора фенолового красного, рН 6,8. Восстанавливает нитраты в нитриты, не имеет уреазы, растет в присутствии 7. В клеточной стенке содержатся галактоза, арабиноза, мезодиамино-пимелиновая кислота (мезо-ДАПК), липид - ( тип). Штамм при росте на общепринятых средах и минеральной среде с растительным маслом не требует стимуляторов роста. Штамм использует растительное масло в качестве единственного источника углерода и не требует стимуляторов деструкции сохраняет жизнеспособность и деструктивные свойства в течение 6 месяцев на МПА, МСА и агаризованной минеральной среде с растительным маслом (0,1 ). ШтаммБИМ В-300 Д не токсичен и не патогенен. Пример для выращивания биомассы перечисленных и охарактеризованных выше штаммов использовали мясо-сусловый агар (МСА) и жидкую минеральную среду следующего состава (г/л)- 0,5 4 72 - 0,8 Н 2 РО 4 - 0,7 (4)24 - 1,5, в ка 6 10605 1 2008.06.30 честве источника углерода - растительное масло в концентрации 0,1 , рН - 7,3-7,5 среду стерилизовали при 3/4 атм в течение 0,5 ч. Среду МСА засевали культурами микроорганизмов-деструкторов. Культуры в пробирках выдерживали в термостате при температуре 29 С в течение 5 суток, а затем каждую из них пересевали на чашки Петри. Чашки с культурами помещали в термостат при температуре 29 С на 5 суток. Выращенную в чашках культуру переносили в колбы Эрленмейера объемом 500 мл со 100 мл жидкой минеральной среды и культивировали на качалке, обеспечивающей 180 об/мин, при температуре 29 С в течение 5 суток. Полученная культуральная жидкость служила посевным материалом для дальнейшего культивирования в колбах Эрленмейера объемом 1000 мл с 400 мл среды. После 5 суток выращивания культуры использовали в качестве посевного материала в ферментерах объемом 25 и 50 л, которые заполняли 20 и 40 л стерильной среды и 2 и 4 л посевного материала соответственно. Ферментацию вели при температуре 25 С в течение 7-ми суток. Таким образом, было получено 200 л биомассыБИМ В-298 Д,В-299 Д, В-301 Д иБИМ В-300 Д с микробной нагрузкой 11010 клеток в мл. Биореакторы 100 л каждый равномерно заполнялись насадкой для иммобилизации микроорганизмов-деструкторов. Для закрепления насадки использовали рамки, распределенные по всему объему биореакторов. В процессе запуска биореакторов носитель для микроорганизмов-деструкторов был предварительно обработан культуральной жидкостью, содержащей культуры микроорганизмов-деструкторов рода , в лабораторных условиях. Это обеспечило закрепление 0,31-0,43 г биомассы на 1 г носителя. Затем биомассу микроорганизмовдеструкторовБИМ В-298 Д, В-299 Д и В-301 Д иБИМ В-300 Д в количестве 200 л с микробной нагрузкой 11010 клеток в мл интродуцировали в биореакторы для очистки воды от жировых отходов в условиях интенсивной аэрации. Через 7 суток вес биопленки составил 1,72-3,26 г/г носителя. В процессе испытания способа установлено, что вода, содержащая жировые отходы в количестве 0,4-5,0 г/л, очищалась с помощью микроорганизмов-деструкторовБИМ В-298 Д, В-299 Д и В-301 Д иБИМ В-300 Д, иммобилизованных в биореакторах, за 24 ч на 100 . Жировые отходы, содержащиеся в воде в концентрации 18,0 г/л, разрушались иммобилизованными микроорганизмами за 48 ч с эффективностью 98,9, а за 96 ч - 100 соответственно (табл. 1). Таблица 1 Эффективность разложения жировых отходов с помощью иммобилизованных микроорганизмов-деструкторов в периодических условиях Концентрация жиров, г/л Эффективность разлоВремя очистки, ч жения жиров,начальная конечная 15,0 0,4 48 97,3 15,0 0 96 100 18,0 0,2 48 98,9 18,0 0 96 100 Контроль процесса деструкции жировых отходов в непрерывных условиях показал,что при прохождении сточных вод через пилотную установку, состоящую из емкости подготовки воды, емкости аэрирования и 2-х биореакторов, со скоростью протока 1,7 л/час эффективность разрушения жировых отходов микроорганизмами-деструкторами составляет 100(табл. 2). 10605 1 2008.06.30 Таблица 2 Эффективность разложения жировых отходов с помощью иммобилизованных микроорганизмов в условиях модельного протока при скорости разбавления 0,01 ч-1 и скорости протока 1,7 л/ч Концентрация жиров, г/л Эффективность разложения Время контроля, дата жиров,начальная конечная 27.09.03 17,0 0 100 29.09.03 15,7 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8