У статті описується вивчень відмінностей бактеріального спільноти при використанні мембранних біореакторів в порівнянні з іншими видами очищення стічних вод.

Анотація наукової статті з екологічних біотехнологій, автор наукової роботи - Мягкова Наталя Валентинівна


Область наук:
  • екологічні біотехнології
  • Рік видавництва: 2018
    Журнал
    Досягнення науки і освіти
    Наукова стаття на тему 'Аналіз і порівняння бактеріального спільноти в мембранних біореакторах і інших системах очищення'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз і порівняння бактеріального спільноти в мембранних біореакторах і інших системах очищення»

    ?АНАЛІЗ І ПОРІВНЯННЯ БАКТЕРІАЛЬНОГО СПІЛЬНОТИ У МЕМБРАННИХ БІОРЕАКТОРАХ ТА ІНШИХ СИСТЕМАХ ОЧИСТКИ Мягкова Н.В.

    Мягкова Наталя Валентинівна - асистент, кафедра екології та управління водними ресурсами, Ташкентський інститут інженерів іригації і механізації сільського господарства, м Ташкент, Республіка Узбекистан

    Анотація: у статті описується вивчень відмінностей бактеріального спільноти при використанні мембранних біореакторів в порівнянні з іншими видами очищення стічних вод.

    Ключові слова: стічні води, біологічне очищення, аеротенк, мембрана, біореактор, бактерії.

    У Республіці Узбекистан регулярно ведуться дослідження, присвячені біологічному очищенні стічних вод. Однак основним напрямком цих досліджень є, головним чином, вдосконалення процесу очищення в аеротенках та біологічних ставках. Разом з тим, у багатьох країнах світу зараз набирає популярність метод очищення стоків в мембранних біореакторах, поєднують біологічну обробку активним мулом з механічною фільтрацією через напівпроникні мембрани. Мембранні модулі використовуються для поділу мулової суміші і можуть замінити метод осадження активного мулу у вторинних відстійниках, який використовується в традиційній схемі біологічного очищення за допомогою аеротенків.

    Мембранні біореактори (МБР) здатні забезпечувати розділяти сильно концентровані розчини активного мулу і завислих речовин, мають здатність більш тривалий час утримувати тверді частинки, мають поліпшені показники обробки та характеризуються гнучким експлуатаційними показниками [1, 2]. МБР здатні давати таку ж якість очищення стічних вод, як комбінація вторинного освітлення і мікрофільтрації [3]. Очищені в МБР побутові стічні води можуть скидатися у водойми або використовуватися в системах зрошення (наприклад, поливу міських зелених насаджень). Інші переваги систем очищення з використанням МБР:

    - компактний розмір, що дозволяє легко їх використовувати для модернізації очисних станцій;

    - відсутність виносу активного мулу в очищені води, що дає можливість зменшувати обсяг біореактора без зниження його продуктивності.

    Біореактори виготовляються двох типів:

    з внутрішнім розташуванням мембрани, коли занурені в воду, що очищається мембрани є складовою частиною біореактора;

    із зовнішніми мембранами, коли вони встановлюються окремо від технологічних ємностей і вимагають перекачування води насосами.

    На рис. 1, а представлена ​​традиційна схема біологічної очистки побутових стоків, а на рис. 1, б - схема очищення за допомогою МБР. Оскільки модулі мембранної очистки складаються з порожнистих ультрафільтраційних волокон з розмірами пор 0,03-0,1 мкм, вони затримують не тільки тверді частинки, але і патогенні мікроорганізми і віруси. Концентрація зважених речовин в очищеній воді знижується до 1 мг / л і менше.

    Мал. 1. Схема біологічного очищення стічних вод: а - традиційної; б - з використанням МБР

    Поширення систем біомембранні очищення обумовлено зростанням попиту на будівництво екологічно безпечних будівель, що не завдають шкоди навколишньому середовищу (проект Green Building Council, США.) Успішність застосування даної технології підтверджується тим, що на ринку з'являються нові типорозміри МБР і збільшується їх потужність.

    Проте, MBR стикаються з унікальними проблемами, які обмежують їх широке застосування, особливо через витрати на технічне обслуговування та експлуатаційні витрати в результаті біологічного обростання мембрани [4]. Способи контролю біологічного обростання можуть включати фізичні, хімічні або біологічні засоби, що застосовуються для боротьби з певними бактеріальними видами, які, як відомо, викликають забруднення. Щоб зробити це, необхідно ідентифікувати бактерії, а потім характеристики її проживання, що вивчаються екстенсивно, для визначення стратегій контролю. Також важливо визначити, чи впливає на спільноти бактерій масштабування систем МБР при створенні стендових і дослідних зразків, тобто визначити можливість застосування стратегій управління, розроблених в малих масштабах, для повномасштабних систем. Також важливо з'ясувати, чи відрізняються організми в МБР від тих, які застосовуються в інших типах біологічних процедур обробки, таких як звичайні активні мули і системи фільтрів. Велика частина відомостей, відомих або передбачуваних щодо біологічних процесів в МБР, в основному відбувається з досліджень систем із застосуванням звичайної активного мулу, незалежно від того, що між двома процесами обробки існують значні відмінності в експлуатаційних і екологічних умовах.

    Деякі дослідники вивчали вплив характеристик суміші активного мулу і твердих суспензій на забруднення мембран [4-6], а також взаємозв'язок між структурами мікробного співтовариства і біологічним обростанням мембран [7-8]. Зміна складу мікробного співтовариства відбувається при зміні умов роботи, і зрушення може привести до втрати функцій екосистем (нітрифікація, денітрифікація і видалення біологічного фосфору).

    Аналіз результатів, отриманих в цих дослідженнях дає можливість зробити висновок, що спільноти бактерій в досвідчених МБР, що живляться сирими стічними водами, відрізняються від процесів з традиційним використанням активного мулу. Крім того, на структуру бактеріальних спільнот дуже впливає склад стічних вод.

    Для умов Узбекистану такі дослідження не проводилися, хоча для оцінки можливості застосування МБР необхідні дані про бактеріальних спільнотах.

    В якості методу дослідження обрано денатурує електрофорез в гелі зі змінною концентрацією акриламіду (ДЕГІКА), визнаний найбільш швидким методом аналізу бактеріального спільноти.

    Проби об'ємом 1 л змішаного розчину (осад стічних вод аераційного резервуара) збиралися раз на місяць протягом 6-місячного періоду з очисних споруд стічних вод м Ташкента (Саларская станція аерації), м Бухари та м Карші. Зразки збирали в пластикові пляшки і зберігали на льоду відразу після збору, потім відправляли в лабораторію і зберігали в холодильнику до аналізу. Всі зразки були проаналізовані в лабораторії Інституту біоорганічної хімії АН РУз. Аналізовані очисні споруди отримують різні за якістю (солоність, поєднання обсягів комунально-побутових і промислових стоків) стічні води. Крім того, досліджувалися води зі стендової установки МБР, що живиться тими ж стічними водами, що і Саларская станція аерації.

    З відібраних проб в лабораторії виділяли повну геномної ДНК з наступною ампліфікацією на фрагменти за допомогою полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР). Після ампліфікації зразки ДНК завантажували в поліакриламідні гелі, які витримувалися при при 60 ° С протягом 210 хвилин. Потім гель потім фарбували бромідом етидія (1,0 мг / л) протягом 10 хв, промивали і візуалізували за допомогою ультрафіолетового транс-освітлювача. Виявлені за допомогою ДЕГІКА смуги потім вручну вирізали з гелю для секвенування ДНК і оцінки з використанням онлайн-бази даних банку генів для ідентифікації окремих видів бактерій.

    Для аналізу різноманітності спільнот передбачалося, що кожна смуга відповідає унікальному виду з щільністю смуги, відповідної чисельності видів. Вважалося, що кожна група виходить з одного джерела бактерій під час дослідження різноманітності бактеріальних спільнот. Більш того, кожен шаблон профілю ДЕГІКА може відображати один або кілька різних типових для конкретного зразка видів. Відмінності в спостережуваних зразках конкретних домінантних видів в кожному робочому стані вважалися викликаними різницею експлуатаційних і екологічних умов, які впливали на фізіологічні умови зростання мікробних спільнот.

    В результаті аналізів виявлено, що у всіх пробах присутній 5 постійних видів бактерій. Однак для різних очисних споруд домінуючими є різні види бактерій з цих п'яти. Результати були значно різні між стендової МБР і реальними очисними спорудами при використанні одного і того виду стічних вод.

    Всі зразки мали високу схожість один з одним, що вказує на те, що стрес-фактори біологічної системи були відносно сталими. Кожен біореактор показав різноманітне співтовариство бактерій і різні домінуючі види бактерій.

    Подібність між групами мікроорганізмів при наявності МБР і очищення без МБР знаходиться на дуже низькому рівні (менше 5%) через істотну різницю в режимах роботи, що призводять до різних фізіологічних станів культур, навіть якщо проводиться очищення стічних вод з такими ж або схожими характеристиками. Оскільки мікробні популяції, мабуть, розрізняються для стендових, пілотних (досвідчених) і повномасштабних МБР і процесів очищення за допомогою активного мулу, слід проявляти обережність при екстраполяції даних, отриманих при стендових і пілотних дослідженнях, для прогнозування ефектів, очікуваних в повномасштабних МБР. Необхідне проведення додаткових досліджень для вивчення впливу умов експлуатації на

    різноманітність і велика кількість мікробних спільнот в МБР, оскільки в більшості

    відомих досліджень основна увага приділялася ефективності МБР і

    забруднення мембран без урахування залучених бактеріальних спільнот.

    Список літератури

    1. Технології очищення стічних вод з використанням мембранних біореакторів. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://www.abok.org.ua/for_spec/articles.php?nid=5427/ (дата звернення: 15.10.2018).

    2. Експлуатація мембранного біореактора для очищення стічних вод. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://promzn.org.ua/kanalizatsiya/membrannyj-bioreaktor.html/ (дата звернення 15.10.2018).

    3. Judd S. The MBR book. Principles and applications of membrane bioreactors in water and wastewater treatment. Oxford: Elsevier, 2006.

    4. Le-Clech P., Chen V. Fouling in membrane bioreactors used in wastewater treatment. J. Membr. Sci. Fane TAG, 2006. 284: 17-53.

    5. Li J., Yang F., Li Y., Wong F.S., Chua H.C. Impact of biological constituents and properties of activated sludge on membrane fouling in a novel submerged membrane bioreactor. Desalination 225, 2008: Додати 356-365.

    6. Wu J., Huang X. Effect of mixed liquor properties on fouling propensity in membrane bioreactors. J. Membr Sci 342 2009: 88-96.

    7. Wu B., Yi S., Microbial behaviors involved in cake fouling in membrane bioreactors under different solids retention times. Fane A.G., 2011. Bioresour Technol 102: 25112516.

    8. Jang D., Hwang Y., Shin H., Lee W. Effects of salinity on the characteristics of biomass and membrane fouling in membrane bioreactors. Bioresour Technol 141, 2013: 50-56.


    Ключові слова: СТІЧНІ ВОДИ / БІОЛОГІЧНА ОЧИЩЕННЯ / аеротенків / МЕМБРАНА / біореактори / БАКТЕРІЇ

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити