Способ технологического контроля работы аэрационных сооружений

 

СПОСОБ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ РАБОТЫ АЭРАЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ , , включающий отбор проб, отстаивание , отмывку, смешивание проб с субстратами и продувКу смеси с последующим измерением окислительновосстановительного потенциала, отличающийся тем, что, с целью определения состояний эндогенного , анаэробного и контролируемого дыхания окислительно-восстановительной цепи активного ила и микроорганизмов и одновременно их аэрофильности , продувку осуществляют инертным газом в течение одного часа, одновременно через равные интервалы эремени измеряют снижение окислительно-восстановительного потенциала и рассчитывают с корость его снижения . СЛ С

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

ONll

РЕСПУБЛИН (19) Я0 (ill 3

am С02Р300

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3575661/23-26 (22) 30.03.83 (46) 23. 11.84. Бюл. 9 43 (72) Н.Ю. Тугушева и Л,А, Сергунина (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт биологического приборостроения (53) 628.356(088,8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

У 273509, кл. G 01 N 31/08, 1970, 2. Авторское свидетельство СССР

У 859326, кл. С 02 F 3/00, 1981 (прототип). (54)(57) СПОСОБ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

КОНТРОЛЯ РАБОТЫ АЭРАЦИОННЫХ СООРУЖЕНИЙ, включающий отбор проб, отстаивание, отмывку, смешивание проб с субстратами и продувку смеси с последующим измерением окислительновосстановительного потенциала, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью определения состояний эндогенного, анаэробного и контролируемого дыхания окислительно-восстановительной цепи активного ила и микроорганизмов и одновременно их аэрофильности, продувку осуществляют инертным газом в течение одного часа, одновременно через равные интервалы ,времени измеряют снижение окислительно-восстановительного потенциала и рассчитывают скорость его снижения, 1125209

15

Наиболее близким и<> технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому явггяг тся способ

Изобретение относится к микробио= логической промышленности, а именно к контролю очистки сточных вод, и может быть использовано при оценке работы аэрационных сооружений (аэротенков и аэрируемых фильтров) и ферментеров.

Существующие способы оценки качества очищенной воды и активного ила не дают своевременной и точной информации о работе аэрационных сооружений и ферментеров. Поэтому необходимы новые способы для характеристики работы этих сооружений, позволяющие быстро и точно определить и дифференцировать физиологические состояния дыхательной цепи микроорганизмов и, соответственно, позволяющие автоматизировать процесс оценки работы сооружений и регулировать 20 их технологический режим.

Известен способ технологического кон роля процессов биологической очистки городских сточных вод, за-" ключающийся в том, что определяют 25

1дегидрогеназную активность (ДЛ) пробы активного ила с очищенной сточной водой и трех проб того же ила, к каждой из которых добавляют фосфатный буфер, воду и неочищенную сточную30 воду. Сравнение между собой результатов определения ДА в различных условиях дает представление о качестве очистки в аэрационных сооружениях (1 .

Недостатком данного способа яв— пяется то, что величина ДА характеризует только степень восстановленности двух ферментов дыхательной цепи: терициннуклеотидов и флавопро40 теидов (НАД Н и ФЛД Н) .Как известно, дыхательная цепь состоит не менее чем из 7 ферментов. Активность пяти оставшихся фсрментов не определяется. Кроме того, окисленная часть

45 этих двух ферментов не вступает в реакцию с используемыми для определения ДА окисл»телями. Если микрооргаггиэмы ггоггадаюг в анаэробные условия и IH (:pеду, где отсутствуют фосфаты, получаются высокие значения ДЛ при отсутствии биологического окисления, Поэтом; величина IA микроорганизмов ила не коррелируется с эффективностью очистки.

55 определения способности сточных вод к биохимической очистке, заключающийся в отборе пробы, отстаивании, отмывке, продувке пробы иловой смеси воздухом, смешивании пробы иловой смеси и сточной воды, аэрации смеси воздухом в присутствии солей азота и фосфора в течении 3-4 ч, при этом каждый час измеряют рН и Ch и расчитывают до ним значение показателя

r H, (2 ) .

Йедостатком известного способа является то, что он не может быть использован для случаев подавления активности некоторых ферментов или при подавлении токсичными веществами роста отдельных таксономических групп микроорганизмов активного ила, различных по своей аэрофильности.

Цель изобретения — определение состояний эндогенного, анаэробного и контролируемого дыхания окислительно-восстановительной цепи активного ила и микроорганизмов и одновременно их аэрофильности.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, включающему отбор проб, отстаивание, отмывку, смешивание проб с субстратами и продувку смеси с пбследующим измерением окислительно-восстановительного потенциала, продувку осуществляют инертным газом в течение одного часа, одновременно через равные интервалы времени измеряют снижение окислительно-восстановительного потен циала и рассчитывают скорость его снижения.

Способ заключается в том, что определяют кинетику снижения окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) взвеси активного ила или культуры микроорганизмов при переходе из аэробного состояния в анаэробное (продувание азотом или другим инертным газом). Важным условием проведения способа является изменение уровня активности ферментов дыхательной цепи путем замены состава у среды культивирования фосфатным буфером (фб) рН 7,3, иэотоническим раствором (И Р) и свежим субстратом.

Кинетику снижения ОВП определяют рН-метром. В качестве основного электрода используют гладкий платиновый, а электродом сравнения служиг

3 1125209 гладкий хлорсеребряный или каломельный, Время, в течение которого измеряют кинетику снижения ОВП, равно 1 ч.

Интервал между измерениями 15 мин °

Указанное время выбрано потому, что в течение 1 ч происходит изменение ОВП активного ила и большинства аэробных микроорганизмов на 507 от основного изменения, При значениях 1 времени измерения больше 1 ч увеличивается скорость снижения ОВП у микроаэрофильных микроорганизмов, при значениях времени измерения меньше 1 ч увеличивается величина скорости снижения ОВП и аэрофильных микроUî

О, 043 гори

Ь Уо

60 у Уо+ о Уо о 15 30 45 организмов.

Затем определяют начальную (нулевую) скорость изменения ОВП (Vð), Нулевая скорость изменения ОВП рас-, считывается по известной формуле

"Ньютона-Грегори или любой другой формуле, используемой для расчетов нулевой скорости нелинейной ферментативной реакции. 25

Сравнение результатов измерений

ОВП в различных средах (среда культивирования, свежий субстрат, фосфатный буфер, изотонический раствор) характеризует состояние дыхательных ферментов микроорганизмов в активном иле или в ферментере, Пример 1. Берут 4 пробы активного ила, отобранного в конце аэротенка. Три пробы осаждают в

35 центрифуге в течение 1-2 мин со скоростью 3500 об/мин. Затем во всех пробах сливают воду и оставляют осажденный ил. Далее в одну пробу ила добавляют 10 мл неочищенной сточной воды, во вторую пробу 10 мл изотонического раствора, в третью 10 мл фосфатного буфера. Все пробы встряхивают до полного взвешивания ила и измеряют на рН-метре (V ) началь1 ные значения ОВП с платиновым и хлорсеребряньдч электродами. Затем продувают все пробы азотом в течение 1 ч и через каждые 15 мин, в течение этого часа, измеряют ОВП.

Далее рассчитывают величину нуле50 вой скорости Vо снижения ОВП (ЬЕ) по известной формуле Ньютона-Греные от экспериментально полученных значений g Е;

Ч вЂ” нулевая скорость снижения

hE мВ/мин;

0;15;30;45;60 — значения времени, при которых измеряют ОВП, мин;

d Š— разность ОВП между первоначальной величиной через выбранный промежуток времени, MB.

Экспериментальные значения нулевой скорости снижения К Е в сравнении с дегидрогеназной активностью и технологическими показателями очистки для активных илов аэротенков различных конструкций и технологических режимов приведены в табл. 1, где U — нулевая скорость снижения о ис о о Е для активного ила, взвешенного в очищенной сточной воде;

7о „ — то же, для активного ила, взвешенного в неочищенной сточной воде;

V „ — то же, для активного ила, о пр взвешенного в изотоническом растворе;

V Б — то же, для активного ила, взвешенного в фосфатном буфере с рН 7,3-7,6.

Сравнивая нулевые скорости снижения Д Е, полученные путем изменения среды культивирования, с показателями очистки в аэротенках (ХПК, БПК5 очищенной воды) и технологическими параметрами очистки (нагрузкой по БПК5 на

1 г беззольного вещества ила в сушке) установлено, что существует пропорциональная зависимость между нагрузкой на ил N и величиной Ч описываемая уравнением где N — нагрузка, мг/сут/г.б.в.;

U — нулевая скорость изменения ЬЕ;

0,043 — эмпирический коэффициент пропорциональности, установленный из большой выборки (табл. 1, графы 3 и 6), Существует, кроме того, закономерность в изменениях соотношений между о исход о ксе 1 c, пр вом очистки воды„ оцениваемым по величине ХПК и БПК (табл. 1, графы 4 — 9), ° pe о у о, б уо, Ь у» ь уо первая, 4 вторая, третья и четвертая производНа основании полученной закономерности построена схема, по кото1125209 рой можно путем сравнения величин

Чохе ад Чаисв > а 1р о в между собои установить состояние дыхательной цепи и степень аэрофильности микроорганизмов активного ила. 5

Из табл, 1 также видно, что дегидрогеназные активности микроорганизмов„ полученные в идентичных условиях, не аналогичны соотношениям нулевых скоростей снижения Е !

О

Схема 1 для оценки активного ила.

Ингибирование дыхательных ферментов факультативных аэробов избьггком субстрата, Подавление активности дыхательных ферментов, 15

Технологические показатели очистки неудовлетворительные: ХПК )

200 мгО, /л; БПК > ) 30 мгО, /л

Vp„-õîä ) Ч pg ) Ч па ) Ч с з(пример табл. 1). 20

2. При неполной биологической очистке преимущественно факультативными анаэробами и аэробами. Подавление развития строгих аэробов.

ХПК 200 мгО, /л; БПК ) 15 мг02 /л 2

Ч ), се ),/ 1,1с, о ) Ч T U rtr (пример 2 табл. 1) .

3. При биологической очистке совместно строгими и факультативными аэробами. 30

ХПК > 100, /л, БПК ) 15 мгО /л, 3 и 4, табл. 1) .

Полная биологическая очистка строгими аэробами и автотрофами. 35, ПК 100 мг0, /л; БПК 10 мгО„ /л;

Ч „, > V „,„) V „Ч,„(пример 5, табл. ) .

5, Полная биологическая очистка строгими аэробами автотрофами и фото-щ синтезирующими микроорганизмами.

ХПК - 0 мгО,л, БПК < 10 мгО /л, Ч ясно Ч и ) . ксз (пример 6, табл, i ), Результаты определения состояния дыхательной цепи и степень аэрофильности микроорганизмов ила позволяют путем изменения технологических условий (количества растворенного кислорода и концентрации ила) добить- «0 ся высокой эффективности очистки для обследуемого комплекса аэрационных сооружений.

Пример 2. Все операции при определении изменения ОВП и расчете производят, как в примере 1. Исследуемьы объектом является культура микроорганизма, например, Е, сoli находящаяся в стационарной фазе роста, количество клеток 10а в 1 мл.

Значения нулевой скорости изменения Ь Е для микроорганизмов различных аэрофильных групп приведены в табл.2.

При оценке микроорганизмов по величине Ч субстоата наблюдается плавный переход от факультативных анаэробов к строгим аэробам, Если микроорганизмь|, находящиеся в состоянии контролируемого дыхания, расположить в порядке уменьшения величины U субстрата, устанавливается соответствие мея<ду аэрофильностью и величиной Ча субстрата (табл. ?, графа 5). Чем выше аэробность микроорганизма, тем меньше величина Ча субстрата. Это значит, что аэробные микроорганизмы не могут развиваться при высоких концентрациях субстрата, а факультативные анаэробы и аэробы, наоборот, предпочитают высокие концентрации субстрата.

Схема П.

Факультативные анаэробы V ) V )Vrr > V с 6 исход п ф s тЛикроаэрофилы ар с 6 фб Чисмад

Аэробы V ) V )Ч )Ч ис ад ср а

Строгие аэробы, автотрофные бактерии и водоросли искод ар с в

Если дыхательная цепь находится в состоянии аэндогенного контролируемого или аэндогенного дыхания, при избытке фосфатов не наблюдается закономерность между изменением величины Чд и аэрофильностью, Только сравнение величины V в этих состоиниях между собой позволяет выявить различие у исследованных групп микроорганизмов. Так, при создании условий эндогенного дыхания с избытком фосфатов дыхательный аппарат факультативных аэробов и анаэробов подавляется. Однако по мере увеличения аэробности микроорганизма величина

V> +< становится наибольшей по сравнению со значениями Чд в остальных состояниях (табл„2, графа 6) .

То же касается и водорослей .

Дыхание при отсутствии фосфатов (контролируемое дыхание) уменьшается у водорослей. У остальньи групп исследованных микроорганизмов изменяется соотношение между величи.!

125209

20 му совпадение порядка расположения 1 для активных илов в схеме i с его значением н схеме П указывает на развитие в нем микрофлоры какой †ли одной группы. Отсутствие аналогов в порядке расположения Чо н схеме П при сравнении со схемой 1 указывает на развитие смешанных групп микроорганизмов.

Сопоставляя значения V для разных уровней активности ферментов дыхательной цепи у микроорганизмов активных илов из производственных аэротентон со значениями Ъо в тех же условиях, полученными для культур микроорганизмов, можно установить какие виды микроорганизмов предпочтительно растут в активном иле, Это позволит путем изменения технологических условий (концентрации ила и расходы воздуха) вырастить такую микрофлору активного ила, которая способна повысить эффективность очистки без изменения конструкции и объема аэрационных сооружений.

Кроме того, сопоставляя величины

Чомикроорганизмов при разных уровнях активности между собой, можно определить, н каком состоянии по степени восстановленности ферментов дыхательной цепи находится исследуемая

30

40

50 ной V я H 70 н состояниях 3Hpoгенного дыхания, неконтролируемого дыхания и дыхания при избытке фосфатов, На основании опытных данных, полученных для культур микроорганизмов различной степени аэрофильности, составлена схема П, характеризующая каждый вид по вел чине соотношений

V0 при изменении уровня активности ферментов дыхательной цепи.

При сравнении схем 1 и П наблюдается совпадения порядка располо, жения Ч при различных уров,ях активности ферментов дыхательной пепи у активного ила и культур микроорганизмов в случаях развития факультативных аэробов и фотосинтезируюших, антотрофных бактерий. В остальных спучаях, когда растут в активном иле смешанные культуры микроорганиз мов, порядок расположения Vð в схеме

1 не имеет аналогов н схеме П. Поэтокультура. Зная степень восстановленности ферментов (ОВП), можно также путем регулирования времени аэрации в аэротенках и времени регенерации в регенераторах добиться требуемого эффекта очистки, Накопление опыта использования предлагаемого способа оценки аэрофильности микроорганизмов позволит в будущем значительно быстрее, чем при использовании общепринятых методов, обнаружить изменение ферментатинной актинности микроорганизмов, приводящее к ухудшению процесса в аэротенках или ферментерах, Изучение дыхательной цепи большого количества видов микроорганизмов с использованием предлагаемого способа вместо н;13уального метода оценки приведет к созданию способа классификации микроорганизмов.

Использование предлагаемого способа позволит оценить и дифференцировать все состояния дыхательной цепи у микроорганизмов различных аэрофильных групп, а это позволит быстро и точно оценить работу аэротенков. Для определения нагрузки по БПК на 1 г беззольного вещества нла в сутки требуется 5 сут в базовом образце. По предлагаемому способу затрачивается 1-1,5 ч и увеличивается точность примерно на 15-207 за счет измерения одного показателя, включающего все указанные выше, Для осуществления предлагаемого способа требуется один человек, вместо 2-3 по известному. Причем способ не нуждается н расходе реактивов, за исключением небольшого количества 1-2 н. раствора щелочи для промывания платиновых электродов и азота для создания анаэробных условий.

Предлагаемый способ даст возможность автоматизировать процесс определения нагрузки на активный ил и одновременно определить аэрофильность системы активного ила, что позволит автоматически регулировать технологический г роцесс в аэротенках, Регулирование процесса можно производить путем изменения концентрации ила и концентрации растворенного кислорода, I 125209

СЧ л

С> л

СЧ л

СЧ

CV 00 л

С"\ о

>> > л

О >

5 х, х х!

Zt

Х 1

Р t с6

m gl ф о х!

И1 а э!

«Й

A >Х1 а«, ol

Х1 о

А!

Q> .а!

z 5I

m I о

I

Ф1 хэо! а х !1 !

» L а>! ,а 9!

Q> tg u I ах@

I о о о х 1рх v

4 И

СЧ л

Ч:>

СЧ

<Ч л

I о а э

f» ъ х а э охо

>а ц Е

С> л

1 и! э х х

» л

I э 1

f» W .а х а6 м5э эоо хаX сО л л

t х! о

o1 m & !» э и! Хиэи

О! 0ЭЭООХ

u l v х д х u LI

E и о а о

Х о

О\ л

>> >

С«> о л О

M л

СЧ л (г, ! М <ч ! х о

Ш

1

i ! л

1 4 ч

I ! ро

tf о х

Й х

0 с>

С>

С> л

СО о л о

«»

Ю о

I I х Ф э э х

m&4 1Ô о m а о - а> о 1m 4 u g u э о э хк х>о х цх >а

С>

С>

СЧ о о

I о х z

Э Х QI (б 8 я а х х

uom

Х 4

Р А3 а о а! о а о о

Э! l

I

>О 1

I -4

1 ! !

I

1

1

1

А э и и а о э

Я хх

& Ф х х

QI Х

lg хое

<б э х и «1 а> о

v о

t(g e

4 Я Я

Э QI .а а >=(1 0 (.Э

1 и

1 х Б и .а х х и и э о ! а х о х р а а.а а о «Е

С«> О> С»Ъ л л о и СЧ л л

o o М

С4 л л

o o o

СЧ СЧ л л

>4> rl

» л СО л л о а Со >Г> л л Ф

GO СЧ

> o o

СЧ о 1 х

0 1

Ц о и

Q> э

X QIХ и х х

I э х х х и и х х х э э м о о о

4 х!

1 и и В:(э о! а д а>

Id g о х а

>а х э х оэ х а1-х х Ф!

125209

Таблица 2

РР и/и

Наименование

Аэрофильность

Скорость изменения л Е и состояние дыхательной цепи

0 Есор неконт1. Е. col i

11,4

5,0

22,7

12,5

Факультативный анаэроб

2. В. cereus

17,2

6,3

8,2

8,4

3, Pseudomonas stutreri

10,7

10,9

9,7

8,0 4. Candida lamb ica

5,6

11,4

11,8

Аэроб

Micrococcus f1avus

5,3

10,8

5,2

9,4 б. В. thuringiensis

4,3

13,7

4,6

6,4

7. Azotobacter chrooСтрогий аэроб

2,4

9,3

7,5

coccum

9,5

0,2

3,2

То же

3,4

15,3

8,3

0,3

10. Chlorella

Составитель Г. Лебедева

Редактор В. Петраш Техред M.Гергель Корректор Г. Решетник.

Заказ 8425/16 Тираж 866 Подпис ное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

В. subtilis

Serratia marcencens

Иикр оэ р офилы г

То же

o rlcxop, исходное эндогенное дыхание ролируемое дыхание

-19,7

-21,2

V 0,р эндогенное дыхание

IIPH H9» бытке фосфатов î пр контролируемое дыхание