of 346___________________________________________________________________
|Boxoft Image To PDF Demo. Purchase from www.Boxoft.com to remove the watermark
Экспериментальные методы
в очистке сточных вод
of 346
Experimental Methods in
Wastewater Treatment
Mark C.M. van Loosdrecht
Per H. Nielsen
Carlos M. Lopez-Vazquez
Damir Brdjanovic
PUBLISHING
of 346
Экспериментальные методы
в очистке сточных вод
Перевод с английского языка
Главные редакторы англоязычного текста
Марк ван Лосдрехт
Пер Хелькьер Нильсен
Карлос Лопес-Васкес
Дамир Брджанович
Редакторы русскоязычного текста
Н.Р. Ахмедова, С П. Батуев, ТВ. Вдовина,
Е.С. "огина, И.А. Гульшин, А.Г. Журавлева,
НА Залетова,А.А Кулаков, НА. Макиша,
И.Б Муковкина, А.Г. Першина, А Н. Эпов, О.В. Янцен
ТГАСУ
MULUilldLK
of 346
УДК 628.34/35
БЕК 38.761 204
Э413
Авторский коллектив и научные редакторы русскоязычной версии приведены час 7.
Перевод с английского Н В Катаевой
Экспфимаггальные методы в очистке сточных, вод монография / гл ред англ текста М ван Лосдрехт,
П X, Нильсен, К Лопес-Васкес, Д Брджанович , пер с англ НВ Катаевой -Томск Изд-во Том гос ар хит-строит
ун-та, 2020 - 346 с. - Текст: непосредственный
Данный перевод книги «Экспериментальные методы в очистке сточных вод» опубликован при согласовании с издательством
IWA Publishing зарегистрированным по адресу альянс Хаус, Рэкет он Стрит, 12, Лондон SW1H 0QS, Великобритания,
WW. iwap ub listing с от.
This translation of «Experimental Methods m Wastewater Treatment» is published by arrangement with IWA Publishing of Alliance
H ouse, 12 C ax ton S tr eet, L ondon S W1H 0 QS, UK, ww. iwapub lishing com.
Сегодня только пятая часть всех сточных вод в мире пр ох одит надлежащую очистку За последние 20 пет база знаний и пони-
мание методов счистки сточных вод значительно расширились Глобальное распространение и применение существующих знаний
необходимы для достижения Цепей устойчивого развития ООН в области в одних ресурсов и санитарии для всех Книга представ-
ляет собой руководство, которое объединяет иннов апионные экспериментальные химик о-биологические методы очистки сточных
вод и включает подробное описание ключевых биологических процессов. В основу ьниги легла нов ая парадигма, направленная на
втопичное использование материалов и получение энергии в процессе очистки сточных вод. Книга предназначена для молодых
и практикующих специалистов, полезна г процессе исследовательский или производственной деятельно ли на паб ораторных, пи-
лотных или полномасштабных установках очистки сточных вод
Книга составлена туи участии 38 ведущих ученых из стран Европы США и Канады и переведена на 9 языков Издание ьниги
на русском языке реализовано Издательством Томского государственного архитектурно-строительного университета совместно
с партнерами в 2020 г
Правообладателем является издательстве Всемирной водной ассоциации «IWA Publishing» Все Прага защищены © IWA Pub-
lishing 2016. Согласно Закону Великобритании об автора; ом праве, промышленных образцах и патентах (1993 г.), данная публика-
ция может использоваться в научных цепях для выполнения индивидуальных исследований, критического разбора или обзора, при
этом никакая ее часть не подлежит воспроизведению, хранению или передаче в любой форме и любым способам без письменного
согласия правообладателя. Фотографическое воспроизьедение вьпаслняется в соответствье! с условиями лицензий, выданных
Агентством по лицензированию объектов авторского права Великобритании или соответствующей организации, регулирующей
право на воспроизведение за пределами Великобритании Запросы на воспроизведение, не оговоренные в данных условиях,
направляются в издательство IWA Publishing по адресу, указанному выше.
Дизайн обложки Петер Стро / Peter Stt ос
Графический дизайн Ханс Змейс / Hans Emeis
Первое издание 2016
©IWA Pub listing. 2016
Издание на английском языке
ISBN. 9781780404745 (печатнаяверсия)
IS BN 9781780404752 (электр онн ая в ерсия;
Издание на русском языке.
ISBN. 978-5-93057-929-1 (печатнаяверсия)
ISBN 978-5-93057-930-7 (электронная в ер сия)
© IWA Publishing, 2016
©То мский государственный
архитектурн о - стр оите льный
университет Издание на
русском языке,
оформление, перевод, 2020
of 346
Предисловие
Очистка сточных вод является основной технологией
для защиты и повторного использования водных ре
сур сов, что наглядно демонстрируется ее широким
распространением и последовательным внедрением
во многих странах мира За последние десятилептя
научные исследования значительно продвинулись
в понимании сложных и междисциплинарных ас-
пектов биологических, биохимических, химических
и механических процессов Можно сделать вывод,
что глобальное применение существующих знаний
и опыта в технологии очистки сточных вод станет
краеугольным камнем в будущем управлении вод-
ными ресурсами, согласно Целям в области устой
чивого развития принятым ООН в сентябре 2015 г.
Всего около 1/5 сточных вод во всем мире
в настоящее время проходят надлежащую процедуру
очистки Для достижения цели устойчивого управле-
ния водными ресурсами к 2030 г потребуются до-
полнительные очистные сооружения рассчитанные
приблизительно на 600 000 человек в день Я убеж-
ден, что настоящая книга внесет значительный вклад
в достижение этой амбициозной цели.
В ближайшем будущем болыиинсгво населения
планеты будет проживать в городах, а также в стра-
нах с низким и средним уровнем дохода где боль-
шая часть сточных вод не проходит соответствую-
щую очистку Возможно, наиболее ограничиваю-
щим фактором в достижении целей устойчивого
управления водными ресурсами является нехватка
квалифицированных, хорошо подготовленных спе-
циалистов, способных понимать результаты науч-
ных исследований и применять их на практике
В связи с этим первостепенное значение имеет рас-
пространение доступных на сеюдняшний день
научных достижений и успешного опыта примене-
ния технологий очистки сточных водно всему миру
Это послужило одним из стимулов создания насто-
ящей книги, являющейся инновационным вкладом,
помогающим преодолеть проблему развития потен
циала Данняя книга определенно внесет свою лепту
в преодоление разрыва между наукой и технология-
ми и их практическим применением
Большая группа авторов этой книги и рецензен-
тов составляет междисциплинарную команду все-
мирно признанных экспертов Таким образом, книга
сыграет важную роль в установлении общего про
фессиональнсго дискурса способствуя развитию
глобальных коммуникаций между специалистами
в области сточных вод Кроме того, авторы связали
описание научней основы процессов очистки сточ-
ных вод с онлайн-в идеокур сом для обучения сту-
дентов, исследователей, инженеров, лаборантов
и операторов очистных сооружений, демонстрируя
общепринятые процедуры проведения эксперимен-
тов и их применение для лабораторных, пилотных
и полномасштабных очистных установок С точки
зрения Международной водной ассоциации (IWA),
эта книга также обладает потенциалом для развития
нового поколения исследователей, она дает им воз-
можность общаться в глобальном масштабе и за
пределами их конкретной области знаний. Оба эти
аспекта необходимы для разработки адаптирован-
ных решений в конкретных локальных условия::
и :беспечения доступности их реализации в гло-
бальном масштабе В течение некоторого времени
существовала тенденция отдельного развития науч-
ных исследований и практики Одной из причин
этсго является глобальное внедрение метода акаде-
мической оценки, который в первую очередь фоку-
сируется на влиянии публикаций на прогресс
в научных исследованиях Результаты прикладных
исследований, оказывающих влияние на практику
управления качеством воды, не достаточно широко
поощряются, поскольку их влияние не всегда отра-
жается в цитировании в научных журнала:: Насто-
ящая монография пытается преодолеть эту пробле-
му, поскольку она направлена на расширение диало-
га и сотрудничества между учеными и практиками
Ученым предлагается решать практические задачи
с помощью научных методов, а практикам- пони
мать научную основу всех процессов, имеющих
отношение к оптимизации очистных сооружений
В го время как обычные процессы очистки сточ-
ных вод в основном обусловлены качеством стоков
и минимизацией затрат, в монографии полностью
отражен сдвиг парадигмы в сторону восстановления
материалов и энергии из сточных вод В этом отно-
шении книга также очень актуальна для развитых
стран, поскольку новая парадигма окажет суще-
ственное влияние на будущее развитие управления
сточными водами во всем мире
Как президент Международной водной ассоциа-
ции хочу поздравить авторов этой книги с их боль-
шим достижением а также поблагодарить Фонд
Билла и Мелинды Гейтс и Правительство Нидер-
ландов за финансовую п оддержку
Проф.. др. Гельмут Кройсс
Президент Международной водной ассоциации
(International Water Association - IWA)
of 346
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
От лица редакторов русскоязычного текста
В настоящей монографии представлены основные
методы, используемые при экспериментальной
оценке активного ила сооружений биологической
очистки сточных вод. Методы классифицированы
по типу процесса биологической очистки и методи-
ке проведения экспериментов Кроме того, в книге
представлены методики обработки эксперименталь-
ных данных и дана трактовка полученных результа-
тов экспериментов
Важным преимуществом книги для читателя, за-
нимающегося научными исследованиями, станет
максимальная стандартизация основных методов
оценки активности ила, респир о метрических мето-
дов и методов оценки седиментационных свойств,
а также применяемой аппаратуры и протоколов экс-
периментов Это позволит сравнивать полученные
данные с результатами других исследований и мак-
симально снизить риск возникновения ошибок, ко-
торые могут возникать вследствие недостаточной
проработки методик подготовки исходных материа-
лов, проведения экспериментов и представления
результатов.
К сожалению, после известного кризиса в рос-
сийской отраслевой науке, касающейся обработки
сточных вод исследовательская база, включая обо-
рудование и методические наработки, в РФ крайне
ограничена. При подготовке многих исследований,
в том числе диссертационных работ, применяемые
методики определения показателей активного ила
основываются на нескольких аналогичных и не все-
гда наиболее показательных работах и «подгоняют-
ся): под имеющееся оборудование. Эго приводит
к значительным отличиям величин техно логических
показателей ила, определяемых различными авто-
рами при одном и том же названии В результате
применения разных, не всегда полных методик экс-
перимента могут встречаться значительные отличия
как. сути измеряемого параметра, так и точности его
определения Использование материалов, рассмот-
ренных в настоящей монографии, позволит в значи-
тельной степени избежать таких различий.
Кроме того, представлены наиболее современные
методы микроскопирования и генетической иденти-
фикации микр о организме в, используемые при изуче-
нии состава биоценоза активного ила Несмотря на
то, что эти методы для изучения активного ила в РФ
сейчас практически не используются, в ряде зару-
бежных статей показано, что они дают весьма цен-
ную информацию для понимания закономерностей
функционирования биоценоза активного ила Зна-
комство с указанными методами обеспечит солидную
базу для их последующего внедрения в исследова-
тельскую практику в России
В практическом плане унифицированные мето-
дики определения основных видов активности ила
важны для сравнительной оценки работы широко
внедряемых ь настоящий момент в РФ технологий
биологического удаления азота и фосфора, а также
для настройки математических моделей, применяе-
мых при проектировании и оценке эксплуатации
данных технологий.
Хотя работа по сравнению основных показате-
лей активности ила на современных: станциях в РФ
практически не проводилась, внедрение их опреде-
ления с последующим сравнением может создать
уникальную базу для оценки проектирования и экс-
плуатации действующих очистных сооружений
с биологическим удалением азотаи фосфора
Унификация подходов к определению- данных пс
фракционированию стоков по биоокисляемости, тре-
бующихся для математического моделирования про-
цессов очистки сточных вод, необходима для обеспе-
чения достоверности получаемых при моделировании
результатов, особенно при проектировании крупных
сооружений с удалением азота и фосфора Неполное
применение методик или отсутствие соответствую-
щих экспериментов может приводить к существен-
ным ошибкам при расчете сооружений с использова-
нием современных математических моделей. Резуль-
таты таких расчетов должны отбраковываться при
экспертизе проектов, однако это невозможно в отсут-
ствие унифицированных методик фракционирования
Оценка параметров биоокисляемости и токсич-
ности, особенно при проектировании и анализе ра-
боты сооружений очистки промышленных стоянье;
вод часто является необходимой основой для ква-
лифицированного проектирования и анализа причин
неудовлетворительной работы очистных сооруже-
ний Следует отметить, что в РФ полностью отсут-
ствуют общепризнанные методики оценки токсич-
ности с использованием активного ила, а определе-
ние биоокисляемости, как уже отмечалось выше,
проводится различными, не всегда соотносящимися
между собой методами Применение, а главное по-
нимание основ методик, представленное в настоя-
щей монографии, безусловно, полезно для суще-
ственного улучшения определения токсичности
и биоокисляемости
Эпов Андрей Николаевич
Главный технический специалист
TWW Treatment Waste Water ООО «Домкопстрой»
MULUilldUC ^.пт.
of 346
7
Авторы
Carlos М. Lopez-Vazquez	UNESCO-IHE Institute foi Water Education, The Netherlands	1,2
Damir Brdjanovic	UNESCO-IHE Institute for Water Education, The Netherlands	1,2
Eldon R Rene	UNESCO-IHE Institute foi Water Education, The Netherlands	2
Elena Ficata	Milan Uhi ver sit у of Technology, Italy	2
Elena Torfs	Universite Laval, Canada	6
Eveline 1P Volcke	Ghent University. Belgium	4
George A. Ekama	University of Cape Town, South Africa	3
Glen Г Daigger	University of Michigan, USA	6
Gurkan Sin	Technical University of Denmark Denmark	5
Henri Spacers	Delft University of Technology, The Netherlands	3
Holger Dai ms	University of Vienna, Austria	8
Use Y. Smets	Cathoik University of Leuven, Belgium	6
Imre Takacs	Dynamita, Rance	6
Ingmai Nopens	Ghent University, Belgium	6
Jeppe L Nielsen	Aalbcrq University, Denmark	7
Jiri Warner	University of Chemistry end Technology Prague Czeck Republic	7
Juan A Baeza	Universitat Autdncma de Barcelona, Spain	5
Kartik Chandr an	Columbia Uhi versify, USA	4
KnstV. Gemaey	Technical University oi Denmark Denmark	5
Laurens Welles	UNESCO-IHE Institute for Water Education, The Nethei lands	2
Mads Albertsen	Aalborg University, Denmark	8
Man K.H. Winkler	University of Washington, USA	6
Mark С M van Loos dree ht	Delft University of Technology, The Netherlands	1,2,4
Mathieu Sperando	Institijt N^ional des Sciences Appliquees de Todouse, France	3
Morten S Dueholm	Aalbcro University, Denmark	8
Nar'cy G Love	University of Michigan USA	2
Per H. Nielsen	Aalborg University, Denmark	1.7,8
Peter A Vannoll eqhem	Universite Laval, Canada	3.4,6
Piet N.L Lens	UNESCO-IHE Institute for Water Education, The Netnerlands	2
Rasmus H. Kirkegaard	Aalborg University, Denmark	8
Robert J. Seviour	La Trobe University, Australia	7
SebastiaanCF Meijer	Yuniko BV, The Netherlands	5
Sophie Balemans	Ghent University, Belgium	6
Spren M. Karst	Aalborg University, Denmark	8
Sylvie Gllot	IRSTEA, France	4
Tessa PH. van den Brand	KWRWaterrycle Research Institute, The Netherlands	2
Tommaso Lotti	Milan Uhi versit yet Technology, Italy	2
Yves Comeau	Ecole Folytecnmque de Montreal, Canada	2
Автор главы
Редактор главы
MULUilldUC _ПЫГ
of 346
ЭКСПЕРИМЕНТАЛьНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Авторы
Kaproi М. Попей-Васкес	Институт Делфта по образованно в области водных ресурсов при партнерстве с ЮНЕСКО, Нидерланды	1,2
Дамир Брджлнович	Институт Делфта по образование в области водных ресурсов при партнерстве с ЮНЕСКО, Нидерланды	1,2
Эль дон Р Рене	Институт Делфта по образованно в об ласта водных ресурсов при партнерстве с ЮНЕСКО, Нидерланды	2
Элена Фикара	Технический университет Милана, Италия	2
Элена Торфе	Ункверс итог Лаваля, Канада	6
Эвелина И П. Волге	Гентский университет, Бельгия	4
Джордж А. Экам а	Ункверситет Кейптауна, ЮАР	3
Глен Т. Дайгео	Уж®ерситет штата Мичкган. США	6
Гюркан СИн	Датский технический университет Дания	5
Генри СПаньерс	Делфтский технический университет. Нидерланды	3
Хольгер Дей мс	Ункверситет Зены. Австрия	8
ИльзаИ Сметц	Католический университет Левена, Бельгия	6
Иное Такач	Общество с ограниченной ответственностью «Dynamita», Франция	6
Ингмар Нопень	Гентский университет, Бельгия	6
ЙеппеГ Нильсен	Ункверс итет Ольборга Дания	7
Йири Ваннер	Химию-технологический университет в Пзаге. Чешская Республика	7
Хуан А Баеса	Автономный университет Барселоны, Испания	5
Картик Чан дран	Колумбийский университет. США	4
Крист В. Герней	Датский технический университет Дания	5
Лауренс Веллее	Институт Делсрта по образованно в об лас™ водных ресурсов при партнерстве с ЮНЕСКО, Нидерланды	2
Мзде Альбертсен	Унжерситет Ольиорга Дания	8
Маои К.Х. Вжклео	Вашинтонсмй университет, США	6
Марк К. М вжЛосдрехт	Делфтский технический университет, Нидерланды	1,2,4
Матье Сперандье	Национальный институт прикладных наук Тулузы, Франция	3
Мортен С Дуельхольм	Ункверситет Ольборга Дания	8
Ненси Дж Л ЗЕ:	Ункверс итет штата Мичиган, США	2
ПерХ Нильсен	Университет Ольборга Дания	1,7,8
Питер А Ванроллегем	Унсверг итет Лаваля, Канада	3,4,6
Пит Н.Л Пенс	Институт ДелФта по образованно вон ласти водных ресурсов при партнерстве с ЮНЕСКО, Нидерланды	2
Расмус X. Кьеркегор	Университет Ольборга Дания	8
Роберт Дж. Севиор	Унсверситет Ла Троба, Австралия	7
Себастиан К.Ф Мейер	Общество с ограниченной ответственностью <Yuniko BV>, Нидерланды	5
Софи Балмэнс	Ген то кий университет, Бельгия	6
Серен Карст	Ункверс итет Ольборга Дания	8
Сильви Жило	Институт науки и технологий охраны окружающей с ре ды и сельского хозяйства (IRS TEA), Франция	4
Тесса ПХ ван ден Бранд	Научно-исследовательский институт водных циклов KWR, Нидерланды	2
То масс о Лотти	Технический университет Милана, Италия	2
Ив Комо	Политехническая школа Монреаля, Канада	2
Автор главы
Редактор главы
Научные редакторы русскоязычного текста
Ахмедова Н.Р	Калининградегмй государственный технический университет, г Калининград	1,2
Батуев С.П.	1 о м ский государственный архитекту рно-с трои тел ьный у нкверс итет, г 1 о мс к	5
Вдовина Т В	Казанский национальный исследовательский технологический университет, г. Казань	7
Гогина Е С	Нацчонапьньй исследоватепьсгмй Московский государственный строительный универе итет. г. Мое ква	2,3
Гугьшин И. А.	Национальньй исследовательский Московский государственный строи ел ьный университет, г. Москва	3
Журавлева А. Г.	Владимирский государственный униьерситет, г. Владимир	1,2
Залетова Н.А.	Национальньй исследовательский Московский государственный строительный университет, г. Москва	2
Кулаков А А	Общество с ограниченной ответственностью «Альта Групп», г. Москва	6
Ма> мша Н А	Национальньй исследовательский Московский государственный строительный униЕ ерситет, г Москва	3
Мутовкина И Ь.	ООО«Тимьквцдоканал»,г. Томск	4
Першина А Г	Сибирский государствежый медицинский университет, г Томск	8
Эпов А Н	TWW Treatment Waste Water ООО «Домкопстрой». г, Москва	2.3
Чнцен 0 В.	Национальньй исследовательский Московский государственный строительный жкверситет, г Москва	2
MULUilldUC ^.пт.
of 346
Благодарности
Томский государственный архитектурно-строительный университет выражает глубокую благодарность за участие
в подготовке русскоязьнного издания научной монографии «Экспериментальные методы в очистке сточньк вод»
своих партнеров в лице организаций и отдельных уч еных и отраслевых экспертов
НИУМГСУ
Национальный исследовательский Московский гос-
ударственный строительный университет (г. Москва)
СибГМУ
Сибирский государственный медицинский универ-
ситет (г Томск)
Ахмедова Наталья Равиловна
к.б.н., доцент кафедры водных ресурсов и водо-
пользования Калининградский государственный
технический университет
Батуев Станислав Павлович
к.ф-мн., дзцент кафедры прикладной математики,
Томский государственный архитектурно-строитель-
ный университет
Вдовина Татьяна Владимировна
к т н , доцент кафедры промышленной биотехноло-
гии, Казанский национальный исследовательский
технологический университет
Гогина Елена Сергеевна
к.т.н., доцент кафедры водоснабжения и водоотве-
дения Национальный исследовательский Москов-
ский государственный строительный унив ер ситет
Гульшпн Игорь Алексеевич
ктн., старший преподаватель кафедры водоснаб-
жения и водоотведения Национальный исследова-
тельский Московский государственный строитель-
ный университет
Журавлева Антонина Геннадьевна
ассистент кафедры тепло гав о снабжения вентиля-
ции и гидравлики. Владимирский государственный
университет
Залетова Нина Анатольевна
д.т.н, профессор кафедры в с до снабжения и водоот-
ведения Национальный исследовательский Москов-
ский государственный строительный университет
Кулаков Артем Алексеевич
ктн, главный технолог ООО «Альта Групп», до-
цент кафедры экологической и промышленной без-
опасности, РТУ МИРЗА
Макиша Николай Алексеевич
к.тн , доцент кафедры водоснабжения и водоотве-
дения Национальный исследовательский Москов-
ский государственный строительный университет
Муковкина Ирина Борисовна
Инженер-проектировщик, ООО«Томскводоканал»
Першина Александра Геннадьевна
К.6.Н., руководитель Центра биологических и селе
дований и биоинженерии, Сибирский государ-
ственный медицинский университет
Эпов Андрей Николаевич
Главный технический специалист TWW Treatn.ent
Waste Water ООО «Домкопстрой»
Янцен Ольга Викторовна
старший преподаватель кафедры водоснабжения
и в од о о те ед ени я Нацио н зльный и селе дов атель 
ский Московский государственный строительный
университет
Отдельная благодарность - идейно w вдохновителю
проекта издания научной монографии на русском язы-
ке профессору Дамиру Ерджансвичу, одному из глав-
ных редакторов оригинальной версии
of 346
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
10
О редакторах книги
Марк К.М. г ан Лое дрехт - известный уч- ныи признанный за значи
тельный вклад в исследования по снижению потребления энергии
и воздействия на очистные сооружения, благодаря его запатенто-
ванным и отмеченным наградами технологиям Sharons', Anammox®
и Neieda® Fro основная работа сосредоточе на на использовании
микробных культур в области приекгириьаниятехнапигий и процес-
сов природообултройства, с особым акцентом на удала ние пита-
тельных веществ, биоппенгу и биологическое обрастание В насто-
ящее время яглщатгя профессором и ргумэвоцитеп-м группы экопо-
гичеспой биотехнологии в Техническом чниве рейте те Делфта
Профессор ван Лосдрехт - член Королевской академии искусств
и наук Нидерландов (KNAW), Нидерландской аьадемии технологий
и инноваций (АсП) и Международной водной ассоциации (IWA),
является лауреатом множества престижных наград Его научные
интересы ылючают системы гранулированного ила, микробные
полимеры для хранения, очистку сточных вод. обработку газа, обра-
ботки почвы мигробную конверсию неорганических соединений,
производство химикатов из отходов и моделироьани<- Он опубли-
ковал более 500 работ, руководил ।>5 аспирантами и является почет
ным профессором в Университете Квинсленда (Австралия)
В настоящее время - главный редактор иссла даваний в области
водных ресурсов и сове тник издательства IWA Puohshnig
Карли г М Лопес-Васкес - доцент технологий очистки сточных
вод в Институте Делфта по образованию в области водных ресур-
сов при партнерстве с ЮНЕСКО. В 2009 г получил докторскую
степень по экологической биотехнологии (с отличием) в Техноло-
гическом университете Делфта и Институте Делфта по образова-
нию в области водных ресурсов при партнерстве с ЮНЕСКО.
В течение своей профессиональной карьеры принимал участие
в различных консультационных проектах для государственного
и частного сектород касающихся систем очистки бытоьых и про-
мышленных сточных вод. Проработав около двух лет в отделе
исследований и разработок по водным ресурсам Nalco Europe
в области промышленных систем водоподготовки и очистки сточ-
ных вод, в 2009 г. вновь присоединился к научной груши кафедры
санитарных технологий в Институте Делфта С тех пор он прини-
мает участие в иссдадователтеских и образовательных проектах.
Бразилии потенциала, выступает научным руководителем дес яг-
коь магистрантов и нескольких аспирантов Применяя математи-
ческое моделирование в качестье важнейшего интрумента, он
уделяет особое внимание разработке и передаче инновационных
и экономически эффективных технологий очистки ? точны: вод
развивающимся страдам, странам с переходной экономикой,
а также промышленным предприятиям
Пер X. Нильсен - профессор кафедры химии и биологии в Оль-
боргском университете. Дания, где он возглавляет многопрофиль-
ный центр микробных сообществ Явля-тся приглашенным иссле-
дователем в Сингапурском центре инженерных наук в области
окружающей среды Технологического университета Нан? ян.
Сингапур Исследовательская группа профессора Нильсена рабо-
тает в области биотехнологии окружающей среды более 25 лет,
специализируясь да микробной энологии биологической очистки
сточных вод, производстве биоэнергии, биоремедиации, биоплен-
ках, заражении имплантов, разработке микробиологических под-
ходов, основанных на новых технологиях секвенирования С 2005
по 2013 гг возглавлял группу Международной водной ассоциации
(IWA) по микробной экологии и водному хозяйству, в настоящее
время явлжтея председателем биокпастера ассоциации IWA
Является членом Датской академии технических наук (ATV)
и Международной водной ассоциации (IWA), лауреат нескольких
престижных наград. Опубликовал более 230 рецензируемых пуб-
ликаций и руководил 25 аспирантами. Ключевой научный инте
рес - микробная экология в проектировании водных технологий,
особенно связанная с очисткой сточных вод где ок разработал
некультивированные микроорганизмы, в частности, с использова-
нием технологий секвенирования следующего поколения Являет-
ся инициатором и ответственным за открытый ресурс MID AS,
содержащий руководство для исследований в области микробио-
логии сточных вод и активного ила
Дамир Брд.ьанньич - профессор ь области проектирования санитар-
ных систем ь Институте Делфта, а также профессор Технического
университета Д-лфта и чген научной группы по эколэгичг-пой био-
технологии В сферу его компетенции входят санитарные технологии
для бедных регионов и эггтренная санитария, чправлание жидкими
бытовыми отходами (ЖБЭ) из децентрализованных санитарных си-
стем. городские дренаж ны- системы и очистка сточных вод Явля-тся
пионером в практическом применении моделей в счисттв сточных вод
в развивающихся страдах При финансовой поддержке Фонда Билла
и 1 кпимды Гейтс (BM3F) изобрел устройство Shit Killer® для управ-
ления фекальными отходами в чрезвычайных ситуациях, отмеченную
наградами технологию Smart Toilet® и соответствующее программное
обеспечение eSOS View®. Инициировал разработку и внедрение
инновационных образовательных подходов и продуктов < включая
электронное обучение) в Институте Делфта В 2015 г при тюддаржке
ВГЛСгР основал Всемириую ассоциацию шжптронного обучения
в области ЖБО (Global Faecal Sludge Management e-learning Alliance).
Сегодня его научная группа состоит из десяти сотрудников, трех
по’тдэьторантов и 22 аспирантов Белее 100 студентов магистратуры
прешли обучение под его руководством Имеет множество публика-
ций, является одним из инициаторов создания научного журнала
Все мир кой в одной ассоциации Journal of Water, Sanitation arid Hygiene
for Development, а также инициатором, автором и редактором пяти
научных монографий в области санитарии и очистки сточных вод
С 2015 г. член IWA
MULUilldUC ZCH
of 346
11
О книге и онлайн-куосе
За последние двадцать лет знания и понимание
очистки сточных вод значительно продвинулись,
произошел переход от эмпирического подхода к фун-
даментальному, включающему в себя химию, микро-
би о ло гаю, физическую и биологическую инженерию,
часто использующую экспериментальные лаборатор-
ные работы и методы Мне гае из этих эксперимен-
тальных методов и технологий активно развивались
и сейчас являются надежными инструментами в ис-
следованиях и практике очистки сточных вод Для
специалистов отрасли, особенно представителей но-
вого поколения молодых ученых и инженеров, коли-
чество, сложность и разнообразие этих новых разра-
боток могут быть достаточно высокими, особенно
в р азвивающихся странах, где доступ к лабораторным
курсам продвинутого уровня по очистке сточных вод
весьма ограничен Кроме того, информация об инно-
вационных экспериментальных методах «разброса-
на» по научной литературе, и только часть ее доступ-
на в учебниках или руководствах Целью настоящей
монографии является устранение указанных выше
недостатков Она объединяет инновационные экспе-
риментальные методы, разработанные исследова-
тельскими группами и специалистами-практиками по
всему миру и широко применяемые в исследованиях
и практике очистки сточных вод.
Книга «Экспериментальные методы в очистке
сточных вод» составляет часть онлайн программы по
санитарным технологиям Института Делфта, она до-
полнена видеозаписями, на которых авторы поясняют
описанные выше методы и подходы, а также руковод-
ствами по лучшим экспериментальным практикам
Монография предназначена для студентов и аспиран-
тов исследователей, сотрудников лабораторий, опера-
торов очистных сооружений, консультантов и других
специалистов отрасли
Идея о создании онлайн-курса появилась в 20LJ9 г,
когда Институт Делфта получил финансирование от
Министерства иностранных дел Нидерландов для
разработки инновационных методов и продуктов
обучения Кроме того, в 2011 г были получены до-
полнительные средства от Фонда Билла и Мелинды
Гейтс (BMGF), которые позволили полностью реа-
лизовать первоначальную идею Концептуальная
основа для книги, вьлючая онлайн курс, была согла-
сована в Монреале в ходе Всемирного водного кон
гресса и выставки Международной водной ассоциа-
ции (IWA) в сентябре 2010 г и более детально рас-
смотрена во время мероприятия «Активированный
ил - 100 лет и дальше» в Эссене. Тогда концепция
была представлена научному сообществу с целью
привлечения рецензентов в дополнение к уважае-
мым группам авторов-экспертов для получения кри-
тических отзывов о содержании книги и улучшения
качества конечного продукта. Кроме того, авторам
книги было предложено подготовить слайды для
презентаций, учебные упражнения и представить
сценарии для видеозаписей лекций и выполнения
экспериментальных процедур на базе Института
Делфта и партнерских лабораторий Эти материалы
были собраны в виде с нл айн-курс а, доступного для
зарегистрировавшихся учащихся. Издательство IWA
Publishing дало согласие на публикацию книги
и обучающего онлайн-курса Также было решено,
что книга и материалы будут находиться в открытом
доступе и предоставляться бесплатно Онлайн-кур с
проводится один раз в год (для получения дополни
тельной информации о том как получить доступ
к материалам или стать участником кур с а, посетите
сайт Института Делфта). Книга также используется
для преподавания в рамках серии лекций пс специ
альнссти «Санитария»; магистерской программы
Института Делфта в области городского водоснаб-
жения и санитарии Концепция книги построена
таким образом что ее можно изучать как отдельно,
таки б рамках онлайн-курса
Необходимо отметить людей, чья бесценная
поддержка стала решающей в публикации данной
книги доктор Рошан Шреста, доктор Дулай Коне,
доктор Фрэнк Рейсберман и доктор Брайан Арбо-
гаст (BMGF), а также доктор Вим Дювен и Иетце
Хеун (Институт Делфта по образованию в области
водных ресурсов) Над редактированием книги ра-
ботали Питер Стро о, Ханс Эмей с, Клэр Тейлор,
Мишель Джонс и Мэгги Смит. Благодарность за
предоставление содержания книги выражается всем
авторам рецензентам и инициативной группе ре-
дакторов. Кроме того, я благодарю авторов, которые
разрешили использовать в книге и курсе данные
своих исследований, изображения и фотографии
Наконец, я надеюсь, что эта книга и учебные ма-
териалы будут полезны в исследовательской или
практической работе на лабораторных, пилотных или
полномасштабных установках очистки сточных вод
Проф., др. Дамир Брджонович
Профессор в области санитарной инженерии
-------------------------------------------1 AULUrridUC z.uur v| w ЧУ
of 346
11
Содержание
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
1.	ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ	17
Mark CM van Loosdrecht, Per Н. Nelsen, Carlos М. Lopez-Vazquez,
Damir Ebdjanоме (авторы)
2.	ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ
МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ	23
Carlos М. Lopez-Vazquez, Laurens Welles, Tomma so Lotti, Bena Ficara,
Eldon R. Rene, Tessa P.H. van den Brand, Damir Bdjanovic,
Mark CM. van Loosdrecht (авторы)
Yves Cbmeau, Piet N.L Lens, htancy G. Love (редакторы)
2.	1. ВВЕДЕНИЕ	23
22.	V ЛЙШ ЕННО E БИОЛОГ ИЧ ECKOE ЬДДЛЕ HIE ФОСФО PA 23
2.2.1 Описание процесса.................................25
2.2.2. Зале ри иен та тън ая ^стано вка.................27
2.2.2.1.	Реакторы....................................27
2.2.2.2.	Отбор проб активного ига....................32
2.2.2.3.	Подготовка образцов актьенопо ила...........33
2.2.24.	Субстрат....................................34
2.22.5. Ата татические исследования.........................35
2.2.26. Исследуемые параметры........................39
2.2.3. Те сты активно ста на о тде лън ых этапа х У Б УФ:
подготов	ка..........................................  40
2.2.3.1.	Оборудование..............................  40
2.2.3.2	Материалы..................................  40
2.2.3.3.	Подготовка среды..........................  41
2.2.3.4.	Подготовка материалов (отбор проб)..........42
22.3.5.	Подготовка активного иге..................  44
2.2.4 Те сты н а актьен ость выпопне ние	...............46
2 .2.4.1. Ага эробные тесты актьености УБ УФ.........47
2.24.2 Агоксьдеые тесты УБУФ........................ 49
2.24.3. Аэробные тесты УБУФ........................  51
2.2.5.	Анализ данных..................................  53
2.2.5.1 Оценка стехио метрических пар а метр ов.......53
2.2.5 2. Оценка кинетических параметров..............56
2.2.6.	Обсуждение иьнтерпретация данных..................58
2.2.6.1 Агаэробные тесты на активность...............58
22.6.2 Аэробные тестына актьвность.................  60
2.2.6.3. Агоюсцдные тесты на активность..............61
2.2.7.	Гримеры..........................................61
2.2.7.1 Описание...................................  61
2.2.7.2. Ата таз данных............................  62
2.2.8.	Дрпо гните тън ые данные.........................65
2.2.8.1	Появление ГАБ в системахУБУФ.................65
2.2.8.2.	Влияние источнша углерода....................66
2.2.8.3.	Влиянье те иге натуры ..................... 66
2.2.8	4. Влиянье кислотности.........................66
2.2	8.5 Деньпрификацтяспо мощью культу УБУФ........67
2.2.8.6.	ИзбытокАехватка внутр ьклеточных со едененьй.67
2.2.8	7. Избыточная продрлжигетъность аэрацти ......67
2.2.8.8.	Недр ста ток основных ио нов.................68
2.2.8.9.	ТокшгностьАнлйбьрованье процесса............68
22. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ СУЛЬФАТОВ	68
2.3.1. Описанье процесса..............................  68
2.3.2 Виды состояния сугъфидэв..........................71
2 3.3 Втаяние окр ужающе й ср еды и ус по вьй эксп луатацги
на СРБ...................................................72
2.3.3.1.	Источник углерода............................72
2.3.3.2.	Отношенье ХПКк SO?..........................73
2.3.3.3.	Теитература.................................73
2.3.34. pH...........................................73
2.3.3.5. Кислород.................................   74
2.3.4 Этот ери мента тън ая установка ....................74
23.41	. Оценка обье иг ых и удельных скоро слей..	75
23.42	. Реактор.....................................75
23.43	Перемешьеанье.................................75
23.44	Контроль pH...................................76
23.45	Контроль температуры..........................76
2	3.4£ Отверстия для дозьровки и отбора проб......76
2	3 .4.7. Отбор проб............................  76
23.48	. С^эеда....................................  76
2.3.5 Методика анатаза....................................77
235.1. ХПКфгаия иХПКэйц. ....................................................78
2 3 5 2. Сульфат......................................78
2 3 53. Сульфид.......................................78
2.3.6 Тестына активность СРБ подготовка...................79
2 3 £ .1. Оборудование..............................  79
2362 Материалы.............................  _........79
2363. С)эеда........................................  79
236.4. Отбор проб.....................................80
2365 Подготовка иловой с меси.........................81
2366. Отбор и обработка образцов .....................82
2.3.7 Тесты на активе ость: выполненье....................82
2.3.8 Ататазданных........................................83
238.1 Материальный баге нс и расчеты..................83
2382. Обсужде ние и ьнтерп ретацтя да иных............84
2.3.9. Гфымер.............................................84
2.3.10. Гфа клич ескье рекомендации.......................86
24. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЬДАГЕНИЕ АЗОТА ............................ 86
2.41 Описанье процесса....................................86
24.1.1 Нприфыкация....................................87
2412 Дэнитрифькация...................................88
2.4.13 Ат аэробное окисленье аммония (анаммокс).......89
2.4.2. Возможные методы ко нгро л я процесса..............90
2.42.1. Химический контроль.........................  90
2.42.2. Титриметрический контроль.....................91
2.4 2 3 Мзно метр ический контро лъ...................92
2.4.3. Экспериментальная установка........................92
2.431. Реакторы.......................................92
2432 Оборудованье для титр иметрическихиспытаньи	93
2.43 3. Оборудование для манометрических испытанье....94
2.43.4. Отбор проб активного ила......................94
2 .435 Подготовка образца активного ила...............95
2.436. Субстрат.......................................96
2.43.7. Хии-тческие анализы...........................97
2.43 8. Исследуе мне пара ме тры......................97
2.4 3 9. Титы набора тор ных тестов...................99
2.4 4 Определенней итрифьццч ующей актьен ости: по дроте вка
к тесту..................................................100
2.4.4.1. Оборудование................................100
2.4.42 Материалы...................................  100
2.4.43. Подготовка среды........-....................100
2.4.5. Опредалениенитрифицтрующейактьеноста:
выполнение теста.........................................101
2.4.6 Тесты на данитрифькацпо. подготовка ...............105
2.4 61. Оборудование.................................105
2462 Материалы.......................................106
2.463 Работе растворы................................106
2.46.4. Подготовка шетериалов........................106
2.4.7.Тесты на даньпрьфкацио: выполнение..................106
2.4.8. Тесты на активность бактерий ана ммокс: подготовка.111
2.48.1. Оборудование.................................112
2.482 Материалы......................................112
2.483 Рабочие растворы...............................112
of 346
СОДЕРЖАНИЕ
1]
2.4.8.4. Подготовка материалов......................113
2.4.9 Тесты на активность ба кте pn?i а на мио кс выполнение. 113
2.4.10 Гримеры..........................................115
2 410.1 Тесты на активно сть н итрификэции	115
24102 Тесты на активность дениярификацпм .......... 117
2 4.103. Тесты на активность бактерий ан а ммокс......... 119
2.4.11. Дополнительные факторы..........................121
2.4.11	.1. Гфисутствие других организмов............121
2.4.112.	Нехватка необходимых миро- и
макронутриентов.....................................121
2.4.113.	Токсичное иингйбчрующее воздействие.......122
2.4.11.4	. Влияние источника углерода на денитрификацию ..122
2J. аэробное Удаление органических веществ	122
2.51	Описание процесса................................122
2.5.2.	Эсспери ментальная установка.....................124
2.52.1 Реакторы.....................................124
2.52.2 Отбор образцов активного ига ................124
2.52.3. Подготовка образцов активного ила...........125
2.5.2 4 Среды.......................................125
2.5.2.5. Ана аттические тесты.....................  126
2.S.2.6. Исследуемые параметры......................126
2.5.3.	Тесты на аэробное удаление подготовка .......... 127
25.3.1	Оборудование.................................127
2.5.32.	Материалы...................................127
2.5.3.3	. Рабочие растворы .........................127
25.3	.4 Подготовка материалов.....................128
2.5.3.5	. Подготовка активного ила..................129
2.5	4. Тесты на аэробное удаление :выполтение ........129
2.5.5.	Анализ данных..................................  130
2.5.6.	Гфимер.........................................  130
2.5.6.	1. Описание................................  130
2.5.62.	Анализ данных...............................131
2.5.7.	Дополтитвъные факторы и рекомендации.............132
2.5.7.1.	Одновременное накопление и рост
микроорганизмов.....................................132
2.5.7.2	Нехватка питателен ых ве ществ............. 133
2.5.7.3.	Токсичность или ингибирован и?.............133
3. РЕ СПИРОМЕТРИЯ	145
Henry Spanjers, Peter A Van nolle ghem (авторы)
George А. Втапта, M. Sperandio (редакторы)
3.1. ВВЕДЕНИЕ ............................................. 1«
3.1.1 Основы дыхатетъного процесса......................146
32. О БЩ АЯ UETO ДО ПО Г ИЯ Р ЕСПИРО11ЕТРИИ	148
3.21 Основы мето др лэ тип респирометрии ...............148
3.2.2 Обобщенные принципы..............................148
3221 Гфинцяы на основе измерены в яцдоой фазе.......148
32.2.2. Принципы на основе измерений в газовой фазе.150
32. ОБОРУДОВАНИЕ.........................................  1J2
3.3.1. Оборудование для анаэробной рееппрометрпы.......152
3.3.1.1. Состав биогаза............................152
3.3.1.2. Измере ние вы де ляюще го ся газа..........153
3 3.2 Оборудование для аэробной и бескислородной
респиро метрпм.........................................154
3.32.1. Реактор....................................154
3.3.2.2 Измерительное оборудование.................155
3.3.2.3. Гфактпгческое выполтение..................155
14. ХАР АКТЕ Р И СТИК А СТОЧНЫ X ВО Д..................... 161
3.4.1. Биометановый потенциал (БМГ)....................161
34.1.1. Цель...................................    161
3.4.12. Общее......................................161
3.4.1.3. Питолтение теста..........................161
3.4.1 4. Обработка данных..........................162
3 4.1.5. Рекомендации ............................ 162
342 Биохиимтеогое потребление кислорода............... 163
3.42.1 Цель........................................163
3.42.2. Общее......................................163
3.42.3. Выполтение теста...........................163
3.4.3 Кр атко вре ме нно е био химическо е по тр е б ле ние кис по рода
(БПКщ)................................................167
3.43.1. Выполнение теста...........................168
3.432. Вычисления..................................170
3.4.4.	Токсичность и ингибирование .................  170
3.4.4.1. Це ль.....................................170
3.4.4 2. Вы п олнен ие те ста...........................170
3.4.43. Вычисления......................................171
3.44.4 Биоразлагаемыетокситзнты....................172
3.4.5.	Фракционирование сточных вод...................173
3.45.1. Легко биоразлэгае кый субстрат (SB)........175
3.4 5 2. Me дпе нно био разла га е иы й субстрат (ХСВ)..176
3.4 5 3. Гетеро тро фная био масса (Хоно)..........177
3.45.4 Автотрофная (нитрифиц^угощая) биомасса (Хмо) 177
3.45 5. Аммонии (8ннЦ..............................177
3.45 6.Фракцииорганического азота (ХСв/ч и 8в;т)...178
35. КЛАССИФИКАЦИЯ БИО11АССЫ ..............................178
3.5.1. Летучие взвешенные вещества....................178
3.52.Удельная метаногенная зктубность	(УМА)...........178
35 2.1. Цель.........._............................178
3522. Общее........................................178
3 5 2 3. Вьш олнен и? те ста............................179
3 5 2.4 Обработка данных...........................179
3.5.3. Удегьная активность аэробной и	аноксидтой биомассы ...180
3 5 3.1. Максима л,на я удельна я скорость нитрификэцм
(СПА)..............................................181
3532. Максимальная удельная скорость аэробного
гетеротрофного дегхания (СПК)......................182
3 5 3 3. Максимальная уде льна я скорость де нитрификации
(СПН)..............................................182
4. ТЕСТИРОВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ	187
Kartk Chandran, Eveline LP. Valcke, Mark CM. van Loosdrecht (авторы)
Peter AVanrollegem, Syiue Guillot (редакторы)
11. ВВЕДЕН1Е .......................................      187
42.ТЕОРИЯ И11ЕТОДЫ.............................................188
4.2.1.	Гроизводительность очистных сооружений.........188
4.2.2.	Озонные килейния выбросов......................188
4.2.3.	Цель отбора проб...............................189
4301ЕНКА ОЧИСТНЫХ COOPilWEfflll И С БОР ДАЖЫХ ........... 189
4.3.1	Подготовка к отбору проб........................189
4.3.2.	Иден тификация образцов и пр отокол результата в.... 190
4.3.3.	Фактор ы, огра ничивающие дестовер ностъ р езупьтатов.... 191
4.3.4. [фактические рекомендации для аналитических
измерений...........................................  191
4.3.5.	Общая методика отбора проб..........................192
4.3.6.	Отбор пр об в ра мкзх измер ений отходящих га зо в.	193
4.3.7.	Гфотокол испытаний и из мар ений....................195
44.ИЗИЕРЕНИЕ ВЫБРОСОВ.................................... 196
45.113UEP ЕНИЕ Н:О В ОТКРЫТЫХ РЕЗЕРВУАР АХ .............. 197
4.5.1 Методеткз для измерения поверхностного потока МО.....199
45.1.1. Оборудование и материалы...................199
45.12. Процедураэксперимента.......................199
4 5.13 Ме то деi отбор а про б выбросе в а зотно го
парникового газа ..................................200
45.1.4 Прямое измерение содержания N О в жидсой фазе .202
4.6.	ИЗМЕРЕНИЕ ПОТОКА ОТХОДЯЦИХ ГАЗОВ В ОТКРЫТЫХ
РЕЗЕРВУАРАХ...............................................202
4.6.1.	Мето детка для аэрированной или аэробной зоны.......202
4.6.2.	Мето детка для не аэрируемых зон....................203
4.7.	ОПРЕДЕГЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ Н2О И СН. В ВОДНЫХ
РАСТВОРАХ................................................ 203
4.7.1.	Мето дежа для измерения растворенного NjO
с использов ание и по пя рографических эле ктр одрв...203
4.7.1.1 Оборудование ..............................203
4.7.12 Гфоцедура эксперимента......................204
4.7.2.	Мето детка для измерения растворенных га зов с помощью
га зов ой хро мэтографии............................  205
4 7.3 к4етодита для измерения растворенных газов методом
высалчвания..............................................205
47.3.1.	Оборудование..........._...................  205
47.3.2.	Процедура отбора проб.......................205
47.3.3.	Процедура измерения..........................206
47.3.4	Вычисления....................................206
4.7.4. Me тодита для измерения растворенных газов методом
очисткигаза..............................................206
4 7 .4.1. Рабочий принцип..............................206
47.4.2. Оборудование.................................207
47 .4.3. Тесты на ка гмбровку........................208
47.4.4. Точность измерений.........................  208
47.4.5. Вычисление скорости образования ЧО
в газоочиститетъно м устройстве......................209
42. АН АЛ13 И О БРАБОТКА ДАННЫX	21В
4.8.1. Определение потоков.............................  209
4.8.2. Опре де ле ние сов окупных фра кьрй выбро со в...... 209
483. Вычисление юэффицтентов выбросов....................210
5. РАБОТА С ДАННЫ МИ И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ 213
Giirkan Sin, Krist V. Gemaey (авторы)
Sebasttaan C.F. Meijer, Juan A Baeza (редакторы)
5.1. ВВЕДЕНИЕ..................................................213
52.ТЕ0РИЯ И МЕТОДЫ ......................................... 214
5.2.1.	Обр або тка и валцдацчя дан ных.....................214
5.2.1.1	СИстемчыйанагмз денных биологических
процессов..............................................214
5.2.1.2.	Аналтз степени восстановления.................214
5.2.1.3.	Гфоверка соответствия экспериментагъных
данных	  216
5.2.2.	Оцр нка па ра метро в...............................216
5.2.2.1 Ручной метод проб и ошибок...................217
5.2.2.2. Формэгъные статистические методе!...........217
5.2.3.	Анализ неопределенности...........................220
5.2.3.1 Лич ейн ое ра сп рострам ение погрешно стей....220
5.2.3.2. Метод Мон те-fap ло........................ 220
5.2 4. Анализ локальной чувствитегьности
и идентифщцзуе мости...................................  221
5.2.4.1. Анагмзгмнейной лоханной чувствительности....221
5.2.4.2. Аналязцдентофицруемэсти с по мощью индекса
колите арности.......................................222
5 2. МЕТО ДО ЛОГ ИЯ И ПРОЦЕСС............................... 223
5.3.1.	Гфоверка согласованности данных с использование и
элементного баланса и ан а тмза стелен и восстановления .223
5.3.2.	Гф оце сс оцен ки пар а метр ов по не гмнейно му мето ду
наименьших квадратов...................................  223
5.3.3	Гф оцэ сс оцен ни пар а метр ов по бутстреп -мето ду.224
5.3.4.	Гфоцассанализа локальной чувстеитетьности
и идентифицируемости.....................................224
5.3.5.	Анализ неопределенности с помощью методе
Монте-Карло и пшенного закона распространения
погрешчостей.............................................225
5.4.	ДОПОЛИТЕ ИНЫЕ ПРИМЕРЫ	225
5.5.	ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ KOMIEKTАРИИ ............................ 240
6. ТЕСТЫ НА СЕДИМЕНТАЦИЮ	243
Elena Torts, Ingmar Nopens, Mari K.H. Winkler, Peter A Van mile ghem,
Sophie Balemans, Use Y. Smets (авторы)
Glenn T. Daigger, Imre Takacs (редакторы)
61	ВВЕДЕНИЕ	............................................ М3
6.	2И31ЕРЕН1Е0САЖДАЕМ0СП1ИЛА ВО ВТОРИЧНЫХ
ОТСТОЙНИКАХ	.............................................244
6.2.1.	Параметры осзждеемости ила........................245
6.2.1.1.	Цель и применение.........................  245
6.2.1.2.	Оборудование................................245
6.2.1.3.	Иловыйmдеке (ИИ)............................245
6.2.1.4.	Разбавленный иго вый из деке................245
6	2.15 Удепьн ыйиловый шдеке впере мешиваемои
растворе..........................................246
6.2.2.	1фшая осаядения и скорость зонного осаждения..246
6 2 2.1. Цель и применение........................246
6222. Оборудование................................247
6223. Методека проведения эксперимента............247
6 2 2.4. Интерпр ета цая кривой оса яде ния.........2 48
6225. Измере ние скоро сти зо нно го оса ядения.....2 49
6.2.3 Взаимосвязьvso-X...............................249
6 2 3.1. Цель и применение........................249
6 2 3 2. Оборудование  .........................  249
6233. Методика проведения эксперимента............249
6.23.4. Спреде ление пара метров зонного о саядения.2 51
6235. Кэгмбровка с использованием эипгрических
зависимостей на основе параметров осаждеемостиила.251
6.2.4 Рекомендации для выполчения тестов на седчментацио .252
62 41 Форма и размеры емкости.....................252
6 2.4 2 Со де р яан ие и тр анспо ртиро вкэ про б...252
6 2.43. Диапазон концентраций.....................252
62.44 Частота измерений...........................252
6.2.5. ГЬследеие дрстиясния в тестах на седиментацио...252
63. ИЗМЕРЕНИЕ СТЕПЕНИ ФЛОКЬЛЯДИН АКТИВНОГО ИЛА 253
6.3.1. ТестнаДЗВЮВВ..................................253
6 3.1.1 Це ль и при мен ение......................253
63.12 Оборудование................................253
63.13 ТестнаДВВ...................................253
631.4 ТестнаФВВ...................................254
63 .15. Интерпретация	тестов на ДВ&ФВВ ...........255
6.3.2. Рекомендацки..................................256
6	3 2.1. Условия флокуляцчи.....................256
6322 . Влияние температуры........................256
6323	. [фобы на дрса де чч ой жидкости...........2 56
6.3.3 ГЬследеие достижения в измерен гм состояния
флокуляци .........................................  257
6.4. ИЗМЕР ЕНИЕ О САЖДАЕПО СТИ Г Р АН V Л ИР О В АННОГ О ИЛА 25 7
6.4.1	Цепь и применение ...............................257
6.4.2.	Оборудование......_...........................258
6.4.3.	Измерение плотности ........................  258
6.4.4.	Определение размера гранул био массы..........259
64.4.1. Гфосешание................................259
6.4.42. Анализатор изображений....................259
6.45. ЕЬмисление скорости осаядения (ранул.............260
6.46 Рекомендации .................................  261
6.4 6.1 [фо верка дестовер но сти резутътато в.......2 61
6.46 2. [фименение для хлопьевидного ила..........261
&5. ИЗМЕРЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОР ОСТИ ОСАЖДЕНИЯ
В ПЕРВИЧНОМ ОТСТОЙНИКЕ ................................. 261
6.5.1.	Введение......................................261
6.5.2.	Основной принцип..............................262
6.5.3.	Отбор и хранение проб.........................263
6.5.4.	Оборудование..................................263
6	5.5 Методика теста............... ..............263
6.5.6	Вычисления и представление результатов.........264
6	5 6.1 Гфо верка массового	баланса...........264
6.5.62	. Расчетраспреде ления скоростей осаждений..264
6563.	Рекомендации.............................265
7. МИКРОСКОПИЯ	269
Jeppe L. Nelsen, Robert J. Seuourn Per H. Nelsen (авторы)
Jn Wanner (редактор)
7.1.8ВЕЦЕ41Е...........................................  269
72.СВЕТОВОЙ МИКРОСКОП	269
7.2.1. Стандартное применение светового микроскопа...271
7.2.2 Объектов малого увеличения.....................271
7.2.3. Обь ектоеы бо гьшого увеличен ия ...............2 71
7.2.4. Иммерсионный объектов.........................271
7.2.5. Важные замечания..............................272
7.2.6 Светлопольное и те ию по льное освещение.......272
of 346
СОДЕРЖАНИЕ
11
7.2.7 Флуоресцентная микроскопия.......................273
7 2 8 Кон фо кальна я ла зер ная скан kp уо ща я wnpo сколия. 27 4
7.3.110РФОЛОГИЧЕ СКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ	274
7.3.1 Микроскопическое определение нитчатых
иткроорганизмов......................................  275
7.3.2. Иден тирикациа одно клеточных и многоклеточных
организмов...........................................  276
7-4.UHKPOСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБ
АКТИВНОГО ИЛА ............................................ 277
7.41 Подготовка образца активного иге................. 277
7.4.2 Окраштвание по Граму.............................278
7 4.2.1. Реагенты и растворы для окрашшания по Граму.279
7.42.2 Гфоцедура...................................279
7.4.3.	Окрацивание по Нейссеру........................ 279
7.4.3.1.	Реагенты и растворы для окрашивания
по Нейссеру......................................  279
7.4.3.2.	Процедура...............................  280
7.4.4.	Окрапмвание с помощью DAPI......................280
7.44.1. Реагенты и растворы для окрашивания с помощью
DAPI.............................................  280
7 44.2 Гфоцедура...................................280
7.4.5.	Окрапмвание СТС.................................281
7.45.1. Ре аген ты и раствор ы для	окрашивания	СТС.281
7.45.2. Гфоцедура..................................281
7 J. ФЛУОРЕСЦЕНТНАЯ w site ГИБРИДИЗАЦИЯ (FISH)	281
7.5.1. Реагенты ирастворы для флуоресцентной in situ
гибридезации...........................................283
7.5.2 Г^оцрдура..............................................283
7J6.TEXHIКИ KOUБИНИРО ВАННОГО ОКРАШИВАНИЯ 285
7.6.1 Окрапмвание методе м FISH с применением красителя
DAPI...................................................286
7.6.1.1 Реагенты и растворы для окрашивания	DAPI..... 286
7.6.1.2. Гфоцедура.................................286
7.6.2. Окрапмвание FISH-ПГА............................286
7.62.1.	Ре агенты и растворы для окрашивания	ПГА...286
7.6.2.2	. Гфоцедура................................286
8. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ	289
So ren М. Karst, Mads Abe risen, Rasmus H. Kirke gaa rd,
Morten S Oueholm, Per H. Nelsen (авторы)
Holger Da ims (редактор)
8.................................................1. ВВЕДЕНИЕ............................................289
82.	ВЫ ДЕ IE НИЕ ДНК...........................................290
8.2.1.	Общая тформадея.......................................290
8.2.2.	Отбор проб....................................  290
8.2.3.	Выделение ДНК...................................290
8.2.3.	1. Лизис клеток.............................291
8.2.3.	2. Ингибирова ние н уюте аз и удал? ние белю в	291
8.23.3.	счистка....................................291
8.2.3	4 Элоирование и гранение ....................291
8 2.4 Количественное определен ие концентращм
и целостность..........................................291
8.2.5. Оптиичзированное выделение ДНК из активного ила
сточных вод..........................................  292
8.2.5.1. Материалы.................................292
8.2.5.2. Выделение ДНК.............................292
8.3. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ПЦР В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ................... 293
8.3.1 Общая итформадея.................................293
8.3 2 Материал.!.......................................295
8.3.3. Методы..........................................296
8.3.4. Обработка данных................................298
835. Получение данных иик интерпретация ...............298
8.3.6. Выявление и устранение ошибок...................299
8.3.7. 1фимер..........................................300
8 3.7.1. [фобы......................................300
8 3.7 2. Постановка количественной ПЦР..............300
83.73. Ре зул тэты..................................300
&&AU1JB1KOHHOE СЕКВЕН1ГОВАН1Е .............................301
8.4.1.	Общая инфор мацтя.............................  301
8.4.2.	Ген 16 8 р Р НК как филоге нетиче схим маркер........3 02
8.4.3.	Амплтфикация ПЦР................................303
8.43	.1 Реакция ПЦР...............................303
8.432.	Отклонения в ПЦР ........................  305
8.433.	Выбор праймера	  305
8.4.4.	Секвенирование ДНК..............................306
8.4.4.1. Платформа для секвенирования ..............306
8.4.4 2. Глубин а се квен про вания.................306
8.45. Биоинфор матичеспая обработка детых...................3 06
8.4 5.1. Др ступные инстр умен ты........................3 06
8.452. Первичные данные.............................307
8.4 5 3. Пока за тели каче ства и фильтр ация............3 07
8.45.4. Объединение парных прочтений................308
8.4 5 5. Клас те р и зация ОТЕ....................  308
8.456. ЕЫявление и удаление химер...................308
8 .45.7 Таксономическая классификация...............309
8.458 Таблтца ОТЕ ..................................309
8.4.6.	Анашз данных....................................309
8 46.1. Определение цели анализа денных.............309
8.4 6 2. Ва Л1 дация дан ных и про верка пригодности.....3 09
8.4 6 3. Сообщества илт о тдельные в и де Г?.............310
8.4 6.4. ЕЫя вле ние о сн овн ых и ле ре то де ых виде в.310
8.465. Исспедрва явлений анализ с помощью
мно го мер ной с га чистики.........................311
8.46 6. Кзрреляцюнный ана лтз....................   311
8 .46 .7 Влияние обработок на отдельные виде!............312
8.4.7.	Общие наблюдения .............................. 312
8.4.7.	1. Относительный метод анализа..............312
8.4.72.	Отклонения в числе копий.................  312
8.4.73.	Смещение праймера..........................312
84.7.4. Стандартизация..............................312
8.4.75.Влияние метода...............................312
8.4.8 Мето дека получение бйблютеки для а мп лигой но го
секвенирования региона V1-3 гена 16SрРНКна платформе
Humin а................................................313
8.48.1. Оборудование ...............................313
8.4J8 2. Материалы .................................313
8.483 Гфоцедура.....................................313
8.4.9.	Ичтерпретация и выявление ошибок................316
8.4.9.1. Контрол качества ДНК пробы и разведение.........316
8.49 2. ПЦР библютеки...............................317
8.49 3. Счистка библютеки...........................317
8 .49 4 Го нтроль качества библиотеки...............318
8.49 5. Сбьедиге ние бйблютек.....................  319
8.4.9 6. Контрол качества обьеденеиия и разведение .319
8.49.7. Хранение ....._..................................319
8.4.10.	Методика: секве нир ован ие а мп лико но в регизн а VI -3
гена 168рРНК на платформе	Illumina................319
8.4.10	.1. Обо руде вание..........................319
8.4.102.	Реагенты.......................................319
8.4.103.	Гфоцадера.................................319
8.4.10.4	Интерпретация и	выявление ошбок............321
8.4.11	Дтзайн адаптеров llumina для секвенирования
бйблто тек а итликоно в гена 16 8...........................322
«.ПРОЧИЕ НЕГОДЫ .......................................... 324
СИМВОЛЫ И СОКРАЩЕНИЯ...............................................330
га  д_ииг'
о* 346
of 346
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Авторы
Mark С.М. van Loosdrecht
Per H Nielsen
Carlos M. Lopez-Vazquez
Damir Brdjabnovic
Редакторы русскоязычного текста.
Ахмедова Наталья Равиловна
Журавлева Антонина Геннадьевна
Очистка сточных вод является важным звеном услуг,
которые сектор санитарии предоставляет обществу
Долгие время санитария в основном состояла из
транспортировки пресной чистой воды в города и ис-
пользования этой воды для вывоза отходов из гор ода
и сброса их в природную среду Однако сростом чис-
ленности населения в городах в результате промыш-
ленной революции XIX в поддерживать такой цикл
стало невозможным Возникновение эпидемических
заболеваний способствовало развитию очистных со-
оружений и их внедрению с началаXX в. Это развитие
в значительной степени было результатом эмпириче-
ской деятельности с применением теоретических под-
ходов и экспериментальных наблюдении (рис. 1 1).
Рисунок 1,1. Химическая лаборатория Noyes Laboratory в кампусе
Университета штата Иллшойс в Урбане сыграла, потталуй, самую важ-
ную роль в развитии исследований в области сточных вод в начале
XX в (фото Универсиггтштата Иллинойс, 19021
Открытие и разработка технологии активного ила
(см подробно в труде Jenkins and Wanner, 2014) име-
ли решающее значение, поскольку эта технолога я
привела к быстрому развитию и применению различ-
ных аналитических и экспериментальных методов
Работа на экспериментальной станции в Лоренсе,
штат Массачусетс, США, которая в то время (1912)
была уникальным предприятием, обеспечивающим
экспериментальную проверку различных процедур
очистки сточных вод вдохновила Гилберта Фаулера
попросить Эдварда Ардерн а и Уильяма Локетта по-
вторить эксперименты с аэрацией сточных вод, кото-
рые он видел в США и в Великобритании. В 1913
и 1914 и Локетт и Ар дерн провели лабораторные
эксперименты на станции счистки сточных вед Ман-
че стер-Дэвихалм (рис 1.2) Стеклянные флаконы
использовались в качестве лабораторных аэротенков,
«питаемых» сточными водами из разных районов
Манчестера В отличие от экспериментов, которые
Фаулер видел в Массачусетсе, в аэрационных испы-
тания:: в Манчестере осадок, оставшийся после де-
кантации, был оставлен во флаконе, и к нем? была
добавлена новая порция стсчных вод для следующего
испытания. Вскоре Локетт и Ардерн обнаружили, что
количество осадка увеличивается с увеличением ко-
личества экспериментов В то же время период аэра-
ции, необходимый для «полного окисления» сточньс:
вод («полное окисление» - термин, используемый для
описания удаления разлагающихся органических
веществ и полной ни грификацни), был уменьшен
Используя метод многократной аэрации с остав-
шимся в бутылке осадком, Локетт и Ардерн смогли
сократить необходимое время аэрации для «полного
окисления» с нескольких недель до менее чем 24 ч,
что сделало процесс технически осуществимым
Осадок, образовавшийся во время аэрации сточных
вод был назван активным илом из-за его внешнего
вида и активности. Локетт и Ардерн опубликовали
результаты своих исследователей в известной серии
из трех работ (Ardem and Lockett, 1914а, 1914b,
1915) Это ознаменовала «рождение» активного ила,
который сегодня является к лк-чев ой и наиболее ши-
роко применяемой технологией для очи с пси сточных
вод в мире.
© Марк ван Л и । дрехг, Пер X. Н ильсен,	лос М. Л ип ес-Ва скес. Дам ир Бр дка нивич, 2020
©Томским государствен ьй ардгтектурно строительный университет (перевод, и форм лени е), 2020
MULUilldUC
of 346
1:
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 1.2. Лаборатория сточных водв Дэвихалне, где в начале XXв
был разработан процесс атного ила (фото Объединенные комму-
нальные предприятия)
Проектирование сточных вод - отрасль, осно-
ванная исключительно на экспериментах, поэтому
в рамках этой деятельности всегда приходилось
разрабатывать и стандартизировать методы. Эта,
казалось бы, простая деятельность сильно затрудне-
на двумя факторами (^проектирование очистных
систем-это тапичная междисциплинарная область,
в которой инжен еры-химики, ин жен еры-строит ели,
микробиологи и химики взаимодействуют для раз-
работки и пони мания процессов, задачаздесь состо-
ит в том. чтобы интегрировать методы и подходы из
этих дисциплин и, (й) кроме того, сточные воды
и процессы их очистки трудно определимы по своей
природе Например, практически невозможно изме-
рить каждое отдельное соединение в самих сточных
водах Выявление всех микроорганизмов, задей-
ствованных в процессах, в течение долгого времени
было невозможно и до сих пор остается сложной
задачей Определение всех потенциально происхо-
дящих химических превращений из-за множества
присутствующих химикатов опять-таки является
практачески невыполнимой задачей.
Из-за неопределенной природы эксперименталь-
ной системы исследования имеют тенденцию к мед-
ленному прогрессу, и они сильно зависят от стандар-
тизированных. методов, которые могут быть неточ-
ными, но при их использовании установленным
способом очень полезны для сравнения эксперимен-
тальньи: результатов Примерами являются широко
используемые тесты на химическую или биологиче-
скую потребность в кислороде Известный документ
«Стандартные методы исследования воды и сточных
вод» (АРНА et al., 2012, рис. 1 3) служил руковод-
ствам по выполнению анализа экспериментальных
и производственных систем для нескольких поколе-
ний инженеров в области санитарии Эти методы
основаны на химической характеристике и измерении
содержания конкретных микроорганизмов Требова-
ния к эффективности очистных сооружений возрос-
ли, переходя от охраны здоровья населения к в здным
ресурсами охране окружающей среды, и в настоящее
время к комплексному восстановлению ресурсов
и энергии Потребность в точной характеристике
микробных процессов в процессах очистки сточных
вод за последние дес яти лети я в о эр о ела
Standard
Methods
For the Examination.of
Water and Wastewater™*
Рисунок 1.3. Стандартные методы исследования воды и сточных вод
Первое издание появилось в 1905 г (фота АРНА.е/а/., 2012)
Разработка стандартизированных методов экспе-
риментальной работы, которые можно легко повто-
рить в разных лабораториях, является трудной задачей
(рис. 1.4). Во многих случаях важна точная обработка
данных. Однако непросто зафиксировать их в прото-
коле на пр актике По это му, что бы избежать подо бных
проблем, было решено подготовить книгу, описыва-
ющую все экспериментальные методы, и видео с ме-
тодами, приведенными в этой книге, которые факти-
чески демонстрируются в лаборатории
Данная книга и связанные с ней видеоматериалы
предназначены для поддержки исследований и раз-
работок и представляют собой руководство по ха-
рактеристике биологических процессов при очистке
сточных вод В первом издании книги «Экспери-
ментальные методы в очистке сточных вод» редак-
торы решили сосредоточиться на процессе с участи-
ем активного ила, поскольку во всем мире эта тех-
нология применяется наиболее широко Тем не
менее большинство методов, представленных в кни
ге, также могут пр и мен ять ся к технологиям, в осно-
ве которых лежат биопленки или анаэробные про-
цессы пищеварения
Результатом подробного рассмотрения экспери
ментальных методов, связанных с процессом актив-
ного ила, стало появление следующих семи глав,
описывающих ключевые методы проведения экспе-
риментов Содержание и ключевой фокус глав при-
ведены в табл 1 1
MUlUi IldUC ZUUT^
of 346
ОБЩИЕ СВВДЕНИЯ
1)
Тдбпицд 1.1. Упрощенный обзор экспериментальных методов, представлен ных в книге по каждому процессу
Процесс			 Глава							
	Общге । ведения	Определение активности микроорганизмов в активном иле	Респириметрия	Тестирование оглдящихгазов	Обработка данных и оценка параметров	оценка осаждаем ости	Микроскопия	Молекулярные методы
Удаление органики		Кинетика	Биохимическое потребление кисло- рода (БПК) Краткого чное био- химическое потреб- ление кислорода Характеристика и категоризация СТОЧНЫХ'вод Характеристика биомассы Токсичность и ингибирование					
Нитри ста- ция	Обзор и обоснова- ние эгспери- менгальных методов	Активность бакгерийАОО иИОО Кинетика Стехиометрия	Характеристика и категоризация сточных вод Характеристика биомассы Активность бактерии АООиНОО Токсичность и ингибирование Кинетика Стехиометрия	Методы отбора гроб азота и парниковых газов Методы изме- рения ог-одя- пру газов	Обработка и валидация данных Оценка пара- метров	Распределение скоростей ос ажде- ния в первичных огсгойннсах Осажде ние ила	Световая микроскопия Конфокальная микроскопия Мор фог отеческие	Извлечение ДНК Количественная
Денитрифг- гация		Ценитри срикация по МЪ и NO j Дениттис|лкация по ЛБХПК И1КБ41К Стехиометрия Кинетика	Ценитриоикация по NO! и по NOj Токсичность и жги- бирование Стехиометрия Кинетика	деления юн- центраци 6Ю и СН*в водных растворах Методы изме- рения газа В (ЛКрЫТЫХ	Анализ неопре- делености Анализ локаль- ной чувстви- тельности и иденти фици- руемости	во вторичных огсгойннсах Свойства фгокуляции Осаждэ омоете гранулированного ила	ИССЛСДОВ ЭнИЯ Методы окра пива ния Флуоресцентная in як/гибридизация (ПЕН) Комбинир сванные методы окрашивания	ПЦР в реальном времени Ампликонное секвенирование
янаммокс		Активность бактерии анам- мок: Кинетика Стехио- метрия		резервуарах				
УБуФ		ФАБ, ГАБ, и ДФяБ Кинети»а Стехиометрия	Ааробная кинетика и стехиометрия Токсичностей ингибирование					
Анаэробная очистка		Активность 'ТБ Кинетика Стехиометрия	Удельная метаноген- ная активность Биомегановый потенциал Токсичность и гиги- бирование Кинетика Сто'-исметрия					
Осаждение								
АМХ	Бактерии анаммокс	МО!	Нитрит
АОО	Ам монийокисля юцие бактерии	40s	Нитрат
СНд	Метан	400	нитритокисл ягацие 6 астерии
ДНК	Дезоксирибонуклеиновая кислота	ФАБ	По л и фо с фатакк ум ул ирующи е б ал ерии
ДФяБ	Цени™ фщирующге полиф?с с|ятаккдаирушре бактерии	ПЦР	Полимеразная цепная реакция
/БУФ	Улучшенное биологическое удаление фэсфора	ПБкПК	Лепт- биоразлагаемый ХП К, также извести ьм как легко б п> раз лага в мая органика
FISH	Флуоресцентная in $йигибридизация	МБХЛК	л^едленно биоразлагаемый ХП К, также известный как медленно биоразлагаемая
ГАБ	Гликпнеаккумулирутацие бактерии		органика
ПГ	Парниковые газы	СРБ	Сульфатррдуцируогцге бактерии или
NjO	Оксид азота	ОРО	Сульфатрвдуцирующге организмы
о* 346
10
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок 1.4, Мгссия Института Делфта по 1бразованию в области водных ресурсов при партнерство с ЮНЕСКО состоите том, чтобы содействовать
обучению и подготовке специалистов, расширять базу знаний посредством научных исследование и наращивать потенциал отраслевых организацтм,
центов знаний и д)утих учреждений, действующих в области водных ресурсов, окружающей среды и инфраструктуры развивающихся стран и стран
с переходной экономикой. На фотографиях изображен пример последнего проекта Института на Кубе, где лаборатория Института исследований про-
мышленности (IIIA) в Гаване была оснащена новейшими технологиями и проведено обучение местного персонала работе с оборудование м. подттпвке
и пр о ве д? н ию экспе ри ме н та льн ых р або т (фо то В dja по нс. 2 U15 I
Активный ил состоит из множества микроорга-
низмов, которые преобразуют ряд важных соедине-
ний (органические вещества, кислород, азот и фос-
фатные соединения) Первые три главы посвящены
характеристике конверсионных возможностей мик-
робных сообществ входе основных микробных
процессов Было определено различие между мето-
дами, полностью основанными на жидкой фазе,
и методами, где конверсия характеризуется измере-
нием дыхания организмов, обычно измерениями
газовой фазы
Поскольку все больше внимания уделяется
опенке воздействия очистных сооружений на окру-
жающую среду, была добавлена отдельная глава,
посвященная измерению выбросов парниковых га-
зов на очистных сооружениях Далее следует глава,
описывающая методы обработки данных Часто
измерения, проводимые на производственных или
опытных установках, и тлеют относительно большую
неопределенность При применении подходящих
метод?в обработки представленные измерения мо-
гут использоваться для получения связанных (труд-
но измеряемых) данных процесса или для миними-
зации их неопределенности
Процессы активного ила в основном зависят от
осаждения хлопьевидного ила для отделения био-
массы от очищенных сточных вод. Часто это явля-
ется слабым местом процесса очистки и ключевым
фактором при его разработке. Поэтому отдельная
глава книги посвящена характеристике свойств оса-
ждения ила.
Как было оказано выше, микроорганизмы являют-
ся «рабочими лошадками» в процессе воздействия
активного ила Поэтому микроскопия неизбежно яв-
ляется основным методом непосредственного наблю-
дения не только за отдельными организмами, но и за
морфологией флокул, связанных с характеристиками
осаждения Несмстрянато, что в течение длительного
Бремени микроскопия была основным методом при
наблюдении за бактериями, присутствующими в ак-
тивном иле, она не может показать всю сложность
MULUilldUC ZOO
of 346
ОБЩИЕ СВВДЕНИЯ
21
сообщества микроорганизмов Прогресс, достигнутый
за последнее десятилетие, в методах, основанных на
молекулярной ДНК, произвел революцию в области
наблюдения за микроорганизмами. Эти общие новые
методы описаны ь последней главе книги
В главах настоящей книги авторы попытались
описать, в частности, ге методы, которые являются
экспериментально сложными и представляют собой
нестандартные аналитические процедуры. Поэтому
стандартные аналитические методы, применяемые,
например, для органики, аммония фосфата и т д
подробно не описаны С другой стороны, было ре-
шено включить информацию о некоторых недавно
разработанных или улучшенных аналитических ме-
тодах, которые используются все чаще; но их полное
описание нужно собирать из различных источников
(например, определение гликогена и полигидрокси-
алканоатсв) Методы; которые могут представлять
академический интерес, но в нас тоящее время имеют
ограниченное практическое применение, не были
подробно описаны в данной монографии
С точки зрения символов и обозначений была
сделана попытка их максимальной стандартизации
Такая стандартизация была проведена внутри каждой
главы, выполнить полную стандартизацию по всем
главам оказалось невозможным из-за их разнообраз-
ного содержания и неоднородности элементов, а так-
же из-за отсутствия глобального соглашения об ис-
пользовании символов и 'чбозначений. хотя наиболее
распространенные реке мен далии и указания были
соблюдены (например, Corominas et al, 2010).
Книга составлена таким образом, чтобы удовле-
творить запросы пользователей с высокими требо-
ваниями, например, работающих со сложным ана-
литич е ски м и э ксп ер и мент аль н ым о б ор уд ов ан и е м
Она также подходит для использования в работе
в более простых лабораториях, а также менее опыт-
ными экспериментаторами, в частности, приведены
видеоматериалы, посвященные вьшолнению экспе-
риментов в условиях, которые обычно преобладают
в большинстве менее разви п>гх стр ан
< Измерит ь -значит знать?
Лорд Кельвин
Список литературы
American Public Health Association (APHA), American Water
Works Association (AWWA) and Water Environment
Federation (WEF) (2012). Standard Methods foi the
Examination of Water and Wastewatet, 22nd Edition. New
York ISEN 9780875530130
Ar dem E, Lockett, WT. (1914a) Experiments on the Oxidation of
Sewage without the Aid of Filters. J. Sic Chem Ind., 33.523.
Ardetn, E, Lockett, WT (1914b) Experiments on the Oxidation
of Sewage without the Aid of Filters, Fart II. J Sic Chem.
Ind, 33 1122.
Ardern, E., Lockett, W.T (1915) Expenments on the Oxidationof
Sewage without the Aid ofFilteis; Part III. J Soc Chem Ind.,
34 937
Corominas, L.L., Rieger, L, Takacs, I., Ek am a, A.G , Hauduc, H.,
V anrolleghem, PA, Oehmen, A., Getnaey, KV, van
Loosdrecht M.C M, Comeau Y (2010). New ft am ework for
standardized notation in wastewater treatment modelling
Water Set Techno!, 61(4) 841-57
Jenkins, D. and Wanner, J. Eds (2014) 130 years of activated
sludge and counting IWA Publishing London, ISBN
9781780404936 464
Раздел об истории развития активного ила представлен в да»
ней главе на основе Jenkins arid Wanner (2014)
MULUilldUC
of 346
22
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД

of 346
г паи с доит*
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ
В АКТИВНОМ ИЛЕ
Авторы:
Carlos М. Lopez-Vazquez
Laurens Welles
Tommaso Lotti
Elena Ficara
Eldon R Rene
Tessa PH, can den Brand
Damir Brdjanovic
Mark C.M. van Loosdrecht
Редакторы
Yves Comeau
Piet N L Lens
Nancy G. Love
Редакторы русскоязычного текста
Ахмедова Наталья Равиловна
Гогина Елена Сергеевна
Журавлева Антонина Геннадьевна
Залетова Нина Анатольевна
Эпов Андрей Николаевич
Янцен Ольга Викторовна
2.1.	ВВЕДЕНИЕ
В бис логических системах очистки сточных вод] на
степень и скорость удаления соединений и загрязня-
ющих веществ микробными популяциями влияют
различные условия и факторы Конфигурация очист-
ных сооружений, условия их эксплуатации, бесспор-
но, играют важную роль, но различные факторы,
такие как характеристики сточных вод экологиче-
ские и климатические условия, также оказывают
сильное влияние на распространение и деятельность
конкретных микробных популяций. В любой систе-
ме биологической очистки сточных вод в конечном
итоге возникает необходимость оценки, определения
и понимания эффективности удаления определенных
загрязняющих веществ на очистных сооружения?:
и реакции ила на конкретные ингибирующие или
токсичные соединения.
Кроме того, с точки зрения моделирования также
представляет интерес оценка и определение стехио-
метрических параметров и кинетических скоростей
процессов конверсии, выполняемых определенными
микробными популяциями (например, обычными
гетеротрофными бактериями (ОГБ), денитрифициру-
ющими гетеротрофными бактериями (ДГБ), аммо-
ний окисляю щи ми бактериями (АОБ), нитритокисля-
ющими бактериями (НОВ), фосф ат-аккумулирующи-
ми бактериями (ФАБ\ сульф атредуиир ующи ми
бактериями (СРБ); также называемыми сульфатреАу-
дирующими организмами (СРО) (Corominas el al.,
2010); или ными аммоний окисляю щи ми бактериями-
анаммокс) Поэтому периодические тесты на актив-
ность бактерий (рис 2.2 1) могут быть полезны для
следующих целей: (i) изучить способность к биологи-
ческому расщеплению конкретного потока сточных
вод (бытовых или промышленных), (ii) 'пределитт
ст ехи о метрические и кинетические параметры про-
цесса конверсии конкретного соединения, (ш) изучить
потенциальные взаимодействия (например, симбиоз
© Карлос М. Лопес-Васкес, Лауренс Веллее, Томассо Лотти, Элена Фикара, Эльдин Р. Рене, Тесса П.Х. ван де и Бранд, Дал ир Брджанович, Марк К. М ван Лосдрехг, 2020
©Томский государствен ьм аржтекцрно-отроительгыи университет (перев i д,  i фирм ление), 2020
of 346
24
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
и конкуренция) между микробными популяциями
и (iv) оценить потенциальное ингибирующее или ток-
сическое воздействие различных видов сточных вод,
соединений или веществ
Лабораторные эксперименты по определению ха-
рактер а и типа тес го в на активность могугразличаться
в зависимости от представляющих интерес соедине-
ний, а также от метаболизма и физиологии микробных
популяций, участвующих в процессах удаления или
превращения Например, они могут варьироваться от
относительно простых аэробных лабораторных тестов,
где определяется удаление органического вещества
спомсщью ОГБ, до более сложных чередующихся
ан аэр о бнь к- ано кс идных- аэр о бных	п ер ио дич ес ких
лабораторных экспериментов для оценки активности
ФАБ при наличии различных сочетаний акцепторов
электронов (таких как: нитрат, нитрит и кислород) из
систем активного ила, обеспечивающих улучшенное
биолотическо е удаление ф осф ор а (УБУФ).
В этой главе представлен обзор наиболее рас-
пространенных методов определения активности
и процедур для оценки процессов конверсии, свя
занных: (i) с улучшенным биологическим удалени-
ем фосфора с помощью ФАБ в чередующихся
анаэробно-аэробных условиях, (и) денитрификаци-
ей с использованием ниграта или нитрита с помо-
щью ФАБ, (in) снижением уровня сульфатов при
помощи СРВ, (iv) удалением органических веществ
в азробнвтх условиях с помощью ОГБ, (v) денит-
рификацией с помощью ДГЕ с использованием
нитрата или нитрита в качестве конечного акцеп-
тора электронов, (vi) окислением аммиака и нитри
та с помощью АОБ и НОБ в аэробных условиях
и (vii) удалением азота с помощью анаммокс-
бактерий Эти процедуры экспериментов станут
ценным руководством, которое дает основу для
стандартизации тестов на активность с целью при-
менения в существующих, новых и инновационных
процессах счистки Было решено начать с пред-
ставления систем УБУФ, в которых используются
ФАБ, поскольку эти процессы являются сложными
и включают в себя все три вида биохимической
среды активного ила анаэробную, аноксидную
и аэробную
Рисунок 2.1.1. Экспериментальные установки для тестирования активности активного ила в Институте Делфта по образованно в области водиылресур-
сов при партнерстве с ЮНЕСКО в Hi д-рпандах (фото IHE Delft)
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВН ОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ	2 i
2.2.	УЛУЧШЕННОЕ БИОЛОГИЧЕСКОЕ
УДАЛЕНИЕ ФОСФОРА
2.2.1.	Описание процесса
Улучшенное биологическое удаление фосфора
(УБУФ) может осуществляться в системах очистки
сточнье: вод с применением систем активного ила
путем введения анаэробной стадии в начале процес-
са очистки сточных вод Высокая эффективность
удаления фосфора (Р), более низкие эксплуатацион-
ные расходы, меньший прирост ила и потенциаль-
ная возможность извлечения фосфора стали причи-
нами его популярности и активного применения
(Mino et al., 1 998; Henze et al., 2008; Oehrnen et al,
2007) УБУФ выполняется фосфат(полифосфат)-
аккумулирующими бактериями (ФАБ; (Comeau et
al., 1987; Mino et al, 1998), которые за счет внутри-
клеточного накопления полифосфата (поли-Р) могут
удалять большие количества фосфора (0,35-0,38 г
Р/г летучих взвешенных веществ* (ЛВЕ) ФАБ), по
сравнению с удалением фосфора при помощи ОГБ
(0,03 г Р/г ЛВВ для ОГБ) (Wentzel et al., 2008)
Научные, микробиологические и технические ха-
рактеристики процесса УБУФ были в центре внима-
ния исследований, проводимы:: в течение последних
нескольких десятилетий различными научными
группами (Wentzel et al., 1986, 1987; Comeau et al,
1986, 1987; Smolders et al., 1994a, b. Mine et al,
1987, 1998, Oehrnen et al, 2005a, 2005c, 201306, 2007;
Nielsen et al, 2010). В частности, усилия ученых
были направлены на изучение метаболических ме-
ханизмов УБУФ, на выявление микробной идентич-
ности вовлеченных организмов и на оптимизацию
конфигураций необходимых процессов; все это спо-
собствовало улучшению и повышению эффективно-
сти и надежности процесса УБУФ
ФАБ представляют собой гетеротрофные орга-
низмы Однако, в отличие от ОГБ, ФАБ обладают
уникальной способностью использовать поли фос-
фат, хранящийся внутри клетки, для производства
необходимой энергии (трифосфаг аденозина, АТФ)
в анаэробных условиях для поглощения легко био-
разлагаемого органического вещества, такого как
летучие жирные кислоты (ЛЖК), ацетат (Ас) и про-
пионат (Рг), и накопления внутриклеточных био-
плимеров - поли-|3-гидроксиатканоатоЕ (ПГА). Со-
храненные ПГА позже используются в ан оксидных
или аэробных условиях для усиления поглощения
фосфора синтеза гликогена, роста и поддержания
биомассы. Эта особенность дает ФАБ конкурентное
преимущество по сравнению с другими распростра-
ненными микробными популяциями Таким обра-
зом, возможно обогащение ФАБ для дальнейшей
УБУФ путем рециркуляции активного ила с помо-
щью чередования анаэробной и ан оксидной или
аэробной стадий при направлении потоков, богатых
Л Ж К, на анаэробную стадию Схематичное изобра-
жение метаболизма ФАБ представлено нарис. 2.2.1.
Анаэробная	Аэробная (Аноксидная)	Осаждение
Избыточный ангинный ил
Рисунок 221.1 ^рнципиальная схема процесса очистки сточных бсде систр мах активного ила, выполняющих УБУФ, иллюстрирующая деятельность
ФАБ (Lopez-Vazquez, 2009,на основе Meijer, 2004)
1 Летучие взвешенные вещества |'ЛВВ) - в российской практике также именуются Kai. беззольное вещество ипа(БЗВТ в соответствии
с аналитической процедурой его определения В данной книге оба термина используются как синонимы (прим pefl.J.
of 346
21
На анаэробной стадии ФАБ аккумулируют внут-
ри клетки легко биоразлагаемые органические веще-
ства, присутствующие в неочищенных сточных во-
дах или осадках (в основном, ЛЖК), в качестве ПГА,
используя два другах внутриклеточных полимера,
которые участвуют в вышеуказанном метаболизме:
поли-Р и гликоген (полимер глюкозы). Поли-Р гид-
ролизуется и используется ФАБ для обеспечения
необходимой энергией (в виде аденозинтрифосфата
(АТФ)) для транспортировки и хранения ЛЖК в виде
ПГА CWentzel et al, 1986), в то время как гликоген
используется для обеспечения преобразования ЛЖК
в ПГА (эквивалентов восстановителя), а также для
обеспечения дополнительней необходимой энергией
(в виде АТФ) (Comeau et al., 1986, 1987; Smolders et
al., 1994a; Mino et al., 1998). Таким образом, анаэ-
робное поглощение ЛЖК фосфатаккумулирующими
бактериями приводит к накоплению ПГА и одновре-
менно му гидролизу поли-Р и гликогена Наиболее
распространенными полимерами ПГА, хранящимися
в ФАБ, являются поли-р-гидр оксибутир ат (ПГБ),
полигидроксивалерат (ПГВ) и поли-Р-гадрокси-2-
метилваперат (ПГ2МВ). Их наличие и количество
зависит от состава ЛЖК (Ас или Рг). Когда Ас явля-
ется наиболее распространенной ЛЖК в среде, ФАБ
в основном накапливают ПГБ (до 90 % хранимых
ПГА) (Smolders et al., 1994а), но, когда Рг является
доминирующей ЛЖК, ПГА существуют в основном
в виде ПГВ и ПГ2МВ (Oehmen et al, 2007)
Кроме поглощения ЛЖК анаэробный гидролиз
полифосф-ага и гликогена обеспечивает ФАБ энерги-
ей, необходимой для поддержания их анаэробного
состояния без поглощения углерода Следовательно,
гидролиз полифосфатов приводит к выделению ор-
тофосфата (РО4) в жидкую фазу, что выражается
в увеличении концентрации ортофосфата в жидкой
фазе в ходе анаэробной стадии (см рис 2.2 1)
В дополнение к поглощению ЛЖК, присутствующих
в поступающем активномиле, ФАБ могут потреблять
ЛЖК, генерируемые ферментирующими организма-
ми на анаэробной стадии из ферментируемых орга-
нических веществ, присутствующих в стоках, посту-
пающих на очистку
При переходе ФАБ на аэробную- стадию, они ис-
пользуют ПГА, хранящиеся в анаэробной фазе,
в качестве источника углерода и энергии с использо-
ванием кислорода в качестве акцептора электронов;
с помощью энергии этой реакции происходит по-
требление и накопление большего количества РО4,
чем ранее высвободившегося на анаэробной стадии
(см рис. 2.2 1) Это приводит к аэробномч поглоще-
нию и удалению фосфора из жидкой фазы На аэроб-
ной стадии ПГА используются: (i) для пополнения
внутриклеточного гликогена, (и) поддержания роста
биомассы и (iii) обеспечения энергии для аэробного
поддержания ФАБ (Smolders et al., 1994b).
Эффективное удаление фосфора из сточных вод
достигается за счет вывода избыточного активного
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
ила в конце аэробной фазы, когда ил имеет высокое
содержание полифосфатов (см рис. 2 2 1) Кроме
того, существуют денитрифииирующие фосфатак-
кумулирующие бактерии (ДФАБ), которые также
могут поглощать РО4 в бескислородных условиях,
используя нитрат или нитрит в качестве акцепто-
ров электронов (Vlekke et al, 1988, Kuba et al,
1993, Hu et al., 2002, Ken-Jespersen et al, 1993,
Guisasola et al, 2009) Также ФАБ, будучи гетеро-
трофными организмами, способны поглощать ис-
точники углерода в аэробных условиях, выделяя
ортофосфат, когда источник углерода доступен,
и впоследствии удаляя РО4 (Guisasola et al, 2004;
Ahn et al., 2007) Тем не менее в конечном итоге
ФаБ может проигрывать ОГБ благодаря их мета-
болической адаптации к постоянным аэробным
условиям (Puuan et al, 2036) Для более глубокого
понимания метаболизма и факторов, в ли як-щи х на
процесс УБУФ, читателю следует обратиться
к материалам, опубликованным в других трудах
(Comeau et al., 1986, Mino et al., 1998, Oehmen et
al, 2007)
Эффективное удаление фосфора из сточных вид
достигается за счет вывода избыточного активного
ила в конце аэробной фазы когда ил имеет высокое
содержание полифосфатов (см рис 2.2.1). Крэме
того, существуют денитрифицирующие фосфатак-
ку мулирующие бактерии (ДФ'АБ), которые также
могут поглощать РО4 в бескислородных условиях,
используя нитрат или нитрит е качестве акцепторов
электронов (Vlekke et al., 1988, Kuba al, 1993, Hu
et al., 2002, Kerr-Jespersen et al., 1993, Guisasola et
al., 2009) Также ФаБ, будучи гетеротрофными ор-
ганизмами, способны поглощать источники углеро-
да в аэробных условиях, выделяя ортофосфат, когда
источник углерода доступен, и впоследствии удаляя
РО4 (Guisasola et al., 2004; Ahn et al, 2007) Тем
не менее в конечном итоге ФАБ может проигрывать
ОГБ благодаря их метаболической адаптации к по
стоянным аэробным условиям (Pijuan et al., 2006).
Для более глубокого понимания метаболизма и фак-
торов, влияющих на процесс УБУФ, читателю сле-
дует о бр атить ся к матер и ал ам, о пу бли ко в анны м
в других трудах (Comeau et al, 1 986, Mino et al.,
1998, Oehmen et al., 2007)
Распространение глико ген аккумулирующих бак-
терий (ГАБ) наблюдается в системах УБVФ при
определенных условиях (например, когда ацетат или
пропионат присутствуют в качестве единственного
источника улерода при температуре выше 20 °C,
при pH ниже 7,0 и/или при кони ен грации раство-
ренного кислорсда (РК) свыше 2 мг?л) (Oehmen et
al, 2007, Lopez-Vazquez et al, 2009a, b, Carvalheira
el al, 2014) ФАБ и ГАБ очевидно имеют сходный
метаболизм но последние базируются исключи-
тельно на собственных внутриклеточных запасах
гликогена в качестве источника энергии и эквива-
лентов восстановителя, которые способствуют анаэ-
робному накоплению ЛЖК как ПГА без какого-либо
го 
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
27
участия полифосфатов (рис. 2 2 2) Их присутствие
часто связано с неоптимальными показателями
УБУФ, поскольку они не способствуют удалению
фосфора, но конкурируют с ФАБ за субстрат в анаэ-
робных условиях, что приводит к ухудшению си-
стем УБУФ (Saunders et al., 2003; Thomas et al,
2003). Поэте.му наличие ГАБ в системах УБУФ счи-
тается нежелательным
Рисунок 2.2.2. Гфинцтл льна я схема микробной а к тивн ос тиггию ген аккумулирующих ба ктерий (ГАБ) (на основе Lopez-Vazquez, 2009)
Распространение глико ген аккумулирующих бак-
терий (ГАБ) наблюдается в системах УБУФ при
определенных условиях (например, когда ацетат или
пропионат присутствуют в качестве единственного
источника углерода при температуре выше 20 °C, при
pH ниже 7,0 и/или при концентрации растворенного
кислорода (РК) свыше 2 мг/л) (Oehmen et al., 2007;
Lopez-Vazquez et al., 2009a, b, Carvalheira et al., 2014).
ФаБи ГАБ очевидно имеют сходный метаболизм, но
последние базируются исключительно на собствен
ных внутриклеточных запасах гликогена в качестве
источника энергии и эквивалентов восстановителя,
которые способствуют анаэробному накоплению
ЛЖК как ПГА без какого-либо участия полифосфа-
гов (рис. 2 2.2). Их присутствие часто связано с неоп-
гимяльными показателями УБУФ, поскольку’ они
не способствуют удалению фосфора, но конкурируют
с ФАБ за субстрат в анаэробных условиях, что при-
водит к ухудшению систем УБУФ (Saunders et al.,
2U03, Thomas et al, 2003). Поэтому наличие ГАБ
в системах УБУФ считается нежелательным
2.2.2.	Экспериментальная установка
2.2.2.1 Реакторы
Для оценки эффективности процесса улучшенного
биологического удаления фосфора испытания на ак-
тивность могут проводиться в анаэробных, аэробных
и аноксидных условиях в зависимости от параметр о в,
представляющих интерес, и характера исследований
В любом случае, биореакторы, используемые для
выполнения испытаний, должны: (i) исключать про-
никновение кислорода при анаэробных и аноксидных
условиях, (ii) обеспечивать достаточную подачу воз-
духа для обеспечения необходимой концентрации
РК — в концентрациях, превышающих 2 мг/л в аэроб-
ных условиях, (iii) обеспечивать условия для полного
перемешивания (iv) обеспечивать контроль темпера-
туры, (v) обеспечивать контроль pH и (vi) имей
устройства для отбора проб и добавления стоков,
растворов, газов и других жидких сред или субстрата,
используемых в испытании (рис. 2.2.3 и 2.2.4).
Рисунок 2.23. Оритаальная экспериментальная установка УБУФс харак-
терным желтоватым цветом высокообогащенной биомассы сФАБ, ис-
пользованная в Техн веском ушеерситете Делфта в начале 1990-хгг. для
разработки метаболической модели TUDeft bio-P (Smolders el a/., 1994a,
1994b, Mumleitner et at., 1997) и новаторского исследования влияния тем-
пературы на УБУФ (Ehljanowc eta!., 1998а) (фото Brdjanowc, 1994)
of 346
Н
Рисунок 2.2.4. Экспериментальная установка, исползуемая для прове-
дения испытаний с активным илом на очистных сооружениях в г Харле-
ме, Нидерланды. Это было первое исследование (Вгфаnow е/<?/, 2000),
в котором была проведена конкретная проверка метаболической моде-
ли TUDelft bio Р с использованием различных периодических испытаний
со с ме шан н ой био мае сой де йствующе по КО С (фо то Зифа no w, 199 7)
Анаэробные условия
Экспериментальная установка, используемая для
испытания на активность УБУФ, должна обеспечи-
вать и поддерживать строгое анаэробные условия
Это означает, что акцепторы электронов (а именно
кислород, нитрат или нитрит) не должны быть ди
ступны для биомассы во время анаэробной фазы.
И з мер ите ль о ки ели тельно-восстано вите льн от о
потенциала можно использовать для контроля анаэ
робных условий, значения окислительно-восстано-
вительного потенциала должны быть ниже 300 мВ
Лабораторная установка должна быть воздухоне-
проницаемой и иметь выход для отходящего газа,
соединенный с крышкой биореактора
Обычно существует три нежелательных источни
ка кислорода (i) растворенный кислород во входя-
щем потоке, (ii) остаточный кислород присутствую-
щий в самом активном иле, и (iii) кислород, прони-
кающий из свободного пространства над жидкостью.
Чтобы исключить первые два из перечисленных вы
ше источников, следует обеспечить барботаж газооб-
разным азотом, подаваемым со дна биореактора
в течение 5-10 мин до начала испытания и во время
подачи испытуемой жидкости Время барботажа бу-
дет зависеть от мае со обменных свойств на границе
раздела фаз газ - жидкость, которые в свою очередь
зависят от ряда факторов, включая размеры биореак-
тора, наличие и расположение перегородок, размеры
лопастей мешалки и скорость перемешивания кон-
фигурацию газораспределителя, скорость потока газа
и состав среды. Чтобы избежать проникновения кис-
лорода, свободное пространство над жидкостью мо-
жет быть обработано либо газообразным азото м уже
распыленным в активный ил в нижней части биоре-
актора, либо продувкой азотом свободного простран-
ства в течение 5—10 мин, в зависимости от объема
свободного пространства и скорости потока газа
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
В лабораторных ферментерах с рабочим объемом до
Зл обычный расход газообразного азота составляет
около 30 л/ч, тогда как для реактор св периодического
действия с рабочим объемом околи 0,5-1,0 л реко-
мендуется более низкая скорость потока около б л/ч
Барботаж газообразным азотом в нижней части био-
реактора является обычной практикой, и его можно
применять до, в начале и во время проведения испы-
таний активности; продувка свободного пространства
часто используется во Бремя выполнения испытания
чтобы избежать пронииговения кислорода из атмо-
сферы при перемешивании активного ила Объедине-
ние этих двух подходов является одновременно не-
стандартным и ненужным
Во избежание диффузии кислорода в биореак-
тор может применяться однонаправленный обрат-
ный клапан или водяной затвор (содержащий по-
глотитель кислорода, такой как NaSO2), связанный
с трубой для отходящих газов Если биореактор
постоянно барботируется газом П2, что приводит
к положительному давлению внутри биореактора
и непрерывному потоку отводимого газа, наличие
обратного кпапанаили водяного затвора не являет-
ся необходимым для обеспечения анаэробных
условий Если газообразный азот недоступен или
не может подаваться непрерывно из-за отсутствия
соответствующего оборудования активный ил
следует осторожно, но полностью перемешивать на
более медленных скоростях (намного ниже, чем
300 об/мин) при условии полного отсутствия до-
ступа воздуха, пока концентрация растворенного
кислорода (РК) не упадет ниже предела обнаруже-
ния (практически до нуля), и величина окисли-
тельно-восстановительного потенциала не опу-
стится ниже 300 мЕ
Кроме того, чтобы минимизировать риск про-
никновения кислорода, следует сократить обьем
свободного пространства. Для этого используется
заполнение ферментера до максимального рабочего
объема и/или следует уменьшить площадь поверх-
ности границы раздела фаз газ - жидкость путем
введения инертного плавающего пенополиуретана
или губки Для создания воздухонепроницаемых
условий среди прочих материалов обычно исполь-
зуются силиконовые резиновые заглушки и уплот-
нители, пластиковая и алюминиевая фольга По ми
мо преграды для проникновения кислорода для под-
держания строгих анаэробных условий необходимо
предотвратить присутствие и доступность других
акцепторов электронов (таких как нитрат или нит-
рит) для поддержания строгих анаэробных условий
в течение всего испытания Обеспечение таких мер
сложнее, чем удаление кислорода. Перед выполне-
нием испытания часто требуется соответствующая
подготовка образца активного ила Она может
включать контролируемое добавление ингибиторов
нитрификации в неаэрируемых и аэрируемых усло-
виях или промывку ила, согласно дальнейшему опи-
санию в разд 2.2 3 5
о* 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
2)
Аноксидныс условия
Создание строгих анаэробных условий подразуме-
вает отсутствие акцепторов электронов, а создание
бескислородных условий указывает на то, что, хотя
наличие РК не допускается, другие акцепторы элек-
тронов, такие как нитрит или нитрат, должны быть
доступны. Это также означает, что при создании
бескислородных условий поступление кислорода
уменьшается или исключается, как в случае с анаэ-
робными фазами
Экспериментальная установка должна обеспечи-
вать (контролируемую) доступность (присутствие)
представляющих интерес акцепторов электронов
Необходимые акцепторы электронов могут генериро-
ваться либо в самой системе на предшествующей
стадии нитрификации, либо добавляться извне в виде
нитратных или нитритных растворов при определен-
ных концентрациях в начале или во время испытания
в биореакторе Концентрации РК ниже предела обна-
ружения при значениях окислительно-восстанови-
тельного потенциала в диапазоне от -200 до 0 мВ
показывают, что требуемые ан оксидные условия бы-
ли достигнуты Добавление нитрат и нитрит содер-
жащих растворов наиболее распространено, посколь-
ку это позволяет упростить экспериментальную уста-
новку и обеспечить лучший контроль требуемого
времени дозирования и концентрации. Тем не менее
для включения стадии нитрификации между анаэ-
робной и аноксидной фазами может быть выполнена
комбинация нескольких реакторов и эксперимен-
тальных ступеней/фаз, что позволяет обеспечить не-
обходимые акцепторы электронов для управления
бескислпрс дным метаболизмом культур УБУФ (Kuhа
etal., 1993). При добавлении растворов систему сле-
дует оборудовать соответствующим устройством для
дозирования необходимых реактивов и предусмот-
реть способ сброса возникающего дополнительного
давления, создаваемого вледствие впрыскивания объ-
ема жидкости.
Аэробные условия
Большинстве ферментеров, доступных на рынке,
оснащено газовыми распылителями, обычно распо-
ложенными у дна биореактора, чуть ниже переме-
шивающих лопастей мешалки При подаче сжатого
воздуха (например, от вентрального или локального
(переносного) воздушного компрессора) эти устрой-
ства могут обеспечить удовлетворительную подачу
кислорода, обеспечивающую концентрации РК
намного превышающие минимальные требования
к нормальным условиям поведения микробных про-
цессов Как правило, концентрации РК не менее
2 мг/л считаются достаточными д.чя большинства
случаев Для реакторов периодического действия
с рабочим объемом около 3 л скорость потока сжа-
того воздуха около 60 л/ч (1 л/мин) обычно обеспе-
чивает необходимую- аэрацию Однако состав и кон-
центрация биомассы, характеристики сточных вод,
наличие органических веществ и содержание ПГА
внутри клетки (в случае УБУФ) могут повысить
требуемое количество кислорода В этих условиях
для поддержания концентрации РК выше 2 мг/л
следует увеличить скорость воздушного потока
входе всего испытания В качестве альтернативы
можно использовать подачу чистого кислородавме
сто сжатого воздух а для повышения доступности РК
при определенных условиях (например, при исполь-
зовании на производстве).
В более сложных случая:: необходимо проводить
испытания активности в аэробных условиях при
постоянной установленной концентрации РК. В та-
ких случаях можно использовать двойней контроль
РК1. это позволит определить заданное значение
концентрации РК и поддерживать его стабильным
на протяжении всего аэробного теста Самые совре-
менные биореакторы оснащены функцией двойного
контроля, который осуществляется по крайней мере
двумя соленоидными клапанами с функцией вьлю-
чения/выключения, которые подают воздух или газ
Nj, в зависимости от фактически измеренной кон-
центрации РКв жидкой фазе.
Более простые биорекаторы, исполвзуемые для
проведения и спытаний активности в аэробных усло-
виях, могут бвпъ оснащены переносным в оз душным
компрессором, который обеспечивает приемлемую,
скорость воздушного потока На дне биореакторов
могуа размещаться аквариумные аэраторы в допол-
нение к соответствующей системе перемешивания
для распределения пузырьков и обеспечения хоро-
шей передачи кислорода Как отмечалось выше,
подача воздуха должна быть достаточной для созда-
ния и поддержания в жидкой фазе концен трации РК
не менее 2 мг/л в течение первых 10 мин
Двумя наиболее распространенными и доступ
ними датчиками РК являются мембранные (элек-
тролитические) и оптические. Перед использовани-
ем (и предпочтительно после использования) они
должны быть откалиброваны в соответствии с ин-
струкциями производителя или поставщика. Кроме
того, необходимо проверить все соединения Б слу-
чае применения датчика РК мембранного типа мем-
брана должна быть чистой, не иметь повреждений,
и датчик должен быть надлежащим образом залит
сьежим электролитом Кроме того, пузырьки возду-
ха не должны накапливаться или задерживаться на
поверхности мембраны Поверхность оптических
зондов также необходимо очищать, а крышку го-
ловки заменять ежегодно
Пере не шва ше и барботаж
Перемешивание содержимого би:реактора должно
быть достаточно интенсивным чтобы обеспечить
гомогенную по составу смесь жидкой фавы ила, био
массы ила и сточных бод а также других веществ
(например, растворов ортофосфата, нитрата или нит-
1 Б биореакторах могут применяться и другие системы авто-
матиче ск аг о подд ержания к онцеигр ации РК । прим, р ед.).
of 346
;o
рита) Как правило, в большинстве 3-литровых био
реакторов скорость перемешивания доводится до
500 об/мин, в то время как в более крупных биоре-
акторах (от 10 л и более) используются более низкие
скорости переметив зния - около 100 об/мин Чрез-
мерное перемешивание может привести к разруше-
нию хлопьев ила, изменению массопер ено са внутри
хлопьев и ухудшению процесса отстаивания. С дру-
гой стороны, недостаточное перемешивание может
привести к появлению мертвых зон и крупных хло-
пьев, расслоению осадка, ограниченной диффузии
субстратов и кислорода и, в крайних случаях, к осе-
данию Более низкие скорости перемешивания мо-
гут использоваться, если жидкость в объеме хорошо
перемешана и не наблюдается ни расслоения,
ни осаждения веществ. Усовершенствованные био-
реакторы, имеющие перемешивающие устройства
с вертикальной осью и лопастями могут иметь авто-
матическое управление для регулирования скоро с пт
перемешивания во времени Кроме того, улучшить
условия перемешивания возможно при помощи ис-
пользования и установки вертикальных отбойников
или перегородок, соединенных с внутренней сторо-
ной крышки биореактора, или за счет выбора более
эффективной конструкции рабочего колеса мешалки
В менее сложных системах перемешивание может
быть обеспечено путем размещения биореакторов на
смешивающей пластине с использованием магнит-
ных мешалок Как упоминалось выше, для уменьше-
ния потенциального поступления кислорода в анаэ-
робных и аноксидных периодических испытаниях
скорость перемешивания может быть снижена при
условии, что это не нарушает подходящие условия
перемешивания
Контроль^ мпературы
Температура оказывает сильное влияние на метабо-
лизм ФАБ и их конкурентов (например, ГАБ)
(Brdj ano vic ет ст/, 1997; Lopez-Vazquez?/ al, 2009a, b).
Следовательно, для выполнения тестов на актив-
ность рекомендуется обеспечить приемлемые и ста-
бильные контролируемые показатели температуры
Усовершенствованные биореакторы о были осна-
щены двойной стеклянной стенкой (реакторы с тер-
мсрубашкой), через которую рециркулирует вода
с температурой, аналогичной заданной температуре
в биореакторе. Температура веды регулируется при
помощи пульта управления биореактора Регули-
рование происходит либо за счет внутренних
нагревателей, теплообменников и ктнденсаторов,
либо с помощью внешних нагревательных рубашек
или водяных бань и рециркуляционных устройств
В зависимости от желаемой рабочей температуры
вместо веды рекомендуется использовать другие
жидкости, например, антифриз для температур
ниже 5 °C или масла для температур выше 30 °C
Усовершенствованные системы могут автоматиче-
ски измерять температуру воды внутри биореакто-
ра и регулировать ее для поддержания стабильной
температуры Однако важно помнить, что темпера-
тура охлаждающей или нагревающей жидкости
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
часто отличается (на пару градусов по Цельсию) от
фактической температуры, измеренной в активном
иле. Эти отличия возникают из-за различной эф-
фективности теплообмена между рециркулирую-
щей жидкостью и воздухом во время ее транспор-
тировки от контроллера к биореактору, в частно-
сти, когда рабочая температура значительно
отличается от температуры окружающей среды
(комнатной) В таких условиях рекомендуется ре-
гулировать температуру жидкости в блоке кон
троллера до момента достижения заданной темпе-
ратуры в реакторе и ее стабилизации
Помимо индивидуального контроля температу-
ры, который может входить в оснащение биореакто-
ра, вся экспериментальная установка может распо-
лагаться внутри помещения (или термостата) с кон-
тролируемой заданной температурой Темне менее,
если температура не является проблемой, и испыта-
ния могут проводиться при кемнагной температуре
или температуре определенной среды, необходимо
убедиться в отсутствии значительных колебаний
(не более ±1-2 °C) с момента подготовки до конца
теста. В любом случае значение температуры всегда
необходимо фиксировать и заносить в отчет
Кроме того, важно упомянуть, что исследуемые
активный ил, сточные воды или синтетическая среда
должны иметь одинаковую температуру до начала
проведения испытаний активности, чтобы избежать
пиковых температур и колебаний, которые могут
поставить под угрозу результаты испытаний. Следуя
этому правилу, активный ил, сточные воды и раство-
ры должны выдерживаться при рабочей температуре
до начала эксперимента, а их фактическая темпер агу -
ра должна контролироваться до достижения целевых
значений Регулирование температуры активного ила
должно выполняться в отсутствие донора электронов
(т е. без внешнего источника углерода). Обычно вре-
мя достижения биомассой желаемой температуры
довольно короткое - максимум 1-2 ч При необходи-
мости период акклиматизации образцов может быть
более длительным и занимать около 3-4 ч до дости-
жения заданной температуры, однако при этом осо-
бое внимание необходимо уделить тому, чтобы избе-
жать нарушений метаболической активности ФАБ
(например, ведущих к потреблению внутриклеточных
соединений) Если разница температур между актив-
ным и лом и субстратной средой или сточными вода-
ми велика (например, для оиенки потенциального
температурного шока - выше 5 °C), и при этом тем-
пературные эффекты представляют научный интерес,
испытания должны проводиться исключительно при
до стижении задание й те мпературы.
Обычно большинство испытаний приводится
при температуре около 26 °C, но она может быть
ниже 5 °C (для оценки активности биомассы в зим-
них/холидных климатических условиях) (Bidjanovic
et al., 1997) или достигать 30-35 °C для тропических
или производственных условий (Cao et al., 2009;
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКГИ ВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ	11
Ong et al, 2014) и даже 55 °C для термофильных
условий (Lopez-Vazquez et al, 2014) Испытания
редко проводятся при температуре ниже 5 °C, по-
скольку на практике температура бытовых сточных
вид редко опускается ниже этой отметки и обычно
составляет около 7-12 °C
Контроль pH
Кислотность среды является важным рабочим пара-
метром в процессах улучшенного биологического
удаления фосфора (и многих других/ Это связано,
в частности, с тем, что метаболизм ФАБ при анаэ-
робном поглощении углерода (ЛЖК) приведет
к более высоким уровням высвобождения фосфора
при более высоком уровне кислотности и более низ-
кому высвобождению фосфора при понижении
уровня кислогности (Smolders et al, 1994а). Кроме
того, перемешивание и интенсивный барботаж газо-
образным азотом или сжатым воздухом могут
отдуть растворенный СО2 из раствора и повысить
уровень pH до значений выше 7,0 (например, в диа-
пазоне 7,8-8.5), что может повлиять на некоторые
биологические и физ ические пр оцессы
С другой стороны, биологическое удаление ком
понентов, таких как фосфат, с помощью ФАБ спо-
собно уменьшать буферную емкость жидкости
и изменить pH во время эксперимента Щелочность
сточных вод или других добавленных растворов
мсжет увеличить буферную емкость жидкости
и уменьшить колебания Барбошровэние СО2 гложет
компенсировать его удаление при перемешивании
или барботировании сжатым воздухом или газомН2
Таким образом, аналогично температуре, показатель
pH должен быть стабильным до проведения испы-
тания. во время и до конца испытания в биореакторе
УБУФ’ При определенных обстоятельствах различ
ные значения pH могут применяться на разных эта-
пах эксперимента (например, pH 7,5 в анаэробных
условиях, за которыми следует pH 7,0 на аэробной
ступени) Допустимый диапазон колебаний значе
ния pH принимается равным ±0,1. В связи с этим
рекомендуется использовать двойной регулятор pH
(для добавления кислоты и основания, например,
НС1 и NauH, соответственно).
Как правило, в усовершенствованных биореак-
тор ных системах имеется возможность регулирова-
ния кислотности. также можно использовать и более
простые, но надежные внешние рН-контроллеры
В менее продвинутых системах уровень pH можно
контролировать путем добавления растворов кисло-
ты и основания вручную Обычная молярность рас-
творов кислот и оснований для контроля pH состав-
ляет 0,2-0,4 моль
В случаях применения ручного контроля концен-
трации ионов водорода могут быть ниже (например,
0,1 моль) В зависимости от активности ила можно
использовать различную молярность При слишком
высокой молярности растворов могут произойти
внезапные изменения pH, его значения могут падать
или резко увеличиваться пересекая нижний или
верхний предел настроек кислотности и даже колеб-
лясь ниже и выше заданного значения pH Более
низкая молярность может привести к медленному
отклику при регулировании pH до желаемого значе-
ния которые в крайних случаях могут бьпь не до-
стигнуты и приведут к значительному разбавлению
активного ила в биореакторе.
Из-за высокой начальной скорости микробных
конверсий потенциальное использование кислоты
или основания в начале испытаний или при переходе
от одной фазы к другой (например, с анаэробной на
аэробную) будет выше, но, как правило, стабилизи-
руется к концу испытания. В любим случае значи-
тельное отклонение от заданного значения pH
(например, более ±0,10) необходимо скорректировать
предпочтительно в течение 5-10 с Фактическое зна-
чение pH, измеренное в жидкой фазе во время экспе-
римента, всегда необходимо фиксировать
Некоторые контроллеры pH имеют специальные
настройки, которые следует регулировать для под-
держания стабильного pH, они включают о бьем
(и частоту) добавления кислоты и основания и вре-
мя реакции между такими добавлениями. Проме-
жутки между добавлениями кислоты или основания
следует отрегулировать до времени, необходимого
системе для обеспеченияп9лнйго перемешивания
Аналогично температуре, при необходимости
исследования пиковых значений pH, тесты периоди-
ческой активности УБУФ следует начинать, как
только значение pH активного ила достигает задан-
ного значения pH в исследовании Любое требуемое
регулирование pH должно выполняться по возмож
ности менее чем за 5 мин до начала испытания что-
бы избежать каких-либо преждевременных или по-
бочных воздействий на метаболизм Ф аБ (например,
приводящих к определенному выделению фосфора
или использованию полимеров, хранящихся внутри
клетки/ Следует избегать использования серной
кислоты и щелочных, фосфатных буферов и раство-
ров три с (гид рок си мети л) амин о-метан а Это может
приводить к таким помехам, как возникновение
преобладания сульфагредуцирующих бактерий
(СРБ) над ФАБ (Saad et al, 2013, Rubio-R.incon et al,
2016), что увеличивает осаждение фосфора с карбо-
натными соединениями (химически осажденный
фосфор) (Barat et al., 2008) или ведет к повышению
уровней содержания солей сверх тех, которые могут
выдержать Ф'АБ (Welles etal, 2014). Разумеется для
успешного проведения экспериментов необходимо
выполнять правильный контроль кислотности сре-
ды, т. к. даже очень кратковременное воздействие
экгтремальн'гп значения pH (низкого или высокого)
окажет необр атимо е воздействие на биомассу
Все pH-сенсоры и датчики должны быть обяза-
тельно откалиброваны (после чего желательно про-
of 346
12
извести их поверку) в соответствии с инструкциями
изготовителя, также необходимо проверить все со-
единения Особое внимание следует уделить подбо-
ру и использованию датчиков pH, которые могут
выдерживать определенные характеристики иссле-
дуемых сточных вод и осадка УБУФ Например,
высокий уровень солености, содержания хлоридов
или высокая концентрация HjS метут вызывать по-
мехи, если датчики pH не приспособлены для опре-
деления столь высоких концентраций Читателю
всегда следует уточнять в руководствах пользовате-
ля буклетах и/или у поставщиков, подходят ли ис-
пользуемые pH-сенсоры и датчики для конкретных
тестируемых характеристик сточных вод
Устройства для дозирования и отбора гроб
Ре акторы/фермент еры, используемые для проведе-
ния периодических испытаний активности, должны
также иметь удобно расположенные отверстия для
отбора проб и дозирования необходимых компонен-
тов, чтобы обеспечить отбор репрезентативных об-
разцов из жидкой фазы, а также способствовать
быстрому диспергированию или смешению любого
вещества или раствора, добавляемого к массе жидко-
сти Устройства для отбора проб могут состоять из
гибких (резиновых или пластиковых) трубок с bhvt-
ренним диаметром, позволяющим подсоединять раз-
личные шприцы объемом 5, 10 или 20 мл, а также
меньшего или большего объема (например, 1 или
даже 50 мл) Уровень расположения пробоотборника
внутри биорекатора должен обеспечить возможность
надлежащего отбора проб до, во время и в конце ис-
пытания Обычно устройства для отбора проб распо-
лагаются в середине нижней трети или четверти ра-
бочего обьема биореактора, при этом в месте отбора
проб необходимо сохранить хорошие условия пере-
мешивания Наиболее важным требованием является
получение репрезентативной пробы из биореактора
с хорошо перемешанным содержимым
Что касается отверстий для дозирования, они
должны быть расположены таким образом, чтобы
обеспечить возможность быстрого перемешивания
растворов или веществ, дибавляемых в биореактор.
Эго могут быть впускные отверстия на крышке био
реактора для инъекционного ввода или перекрывае-
мые отверстия (например, с перегородкой). Тщатель-
но спланированное расположение и включение от-
верстий для отбора проб в конструкцию биореактора
в оснсвнг м требуется при работе с воздухонепрони
цаемыми реакторами, чтобы избежать проникновения
кислорода Кроме того, рекомендуется использовать
лабораторные зажимы (или аналогичные устройства),
чтобы закрыть трубки на отверстиях для отбора проб
или временно неиспользуемых отверстия:: для дози-
рования и избежать утечек и брызг, вызванных воз-
можным увеличением внутреннего давления в биоре-
акторе Чтобы не допустить любого потенциального
пониженного или избыточного давления в герметич-
но закрытых биореакторах, в перегородку, располо-
женную на крышке биореактора, можно поместить
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
иглу, а сверху на иглу надеть сумку из тедлара (тор-
говая марка производимой в США поливинилфто-
ридной пленки) и.ли аналогичный гибкий контейнер,
заполненный инертны м газ ом (например, азотом).
2.2.22. Отбор проб активного ила
В отличие от некоторых процессов очистки сточных
вод время и место отбора проб активного ила для
эксперимента при УБУФ в значительной степени
зависит от типа проводимого теста на активность.
В основе таких тестов лежит чередование анаэроб-
ных (бескислородных) и аэробных условий, необхо-
димых исходя из физиологии ФАБ Таким образом
отбор свежей пробы желательно делать в конце
предыдущей реакционной стадии При проведении
испытания ила в анаэробных условиях образец ак-
швного ила следует отбирать в конце аэробной фа-
зы на производственных сооружениях или опытной
установке очистки сточных вод, или в лабораторном
биореакторе. тогда как для испытания ила в аэроб-
ных условия:: образец может быть отобран в конце
анаэробной или бескислородной ступени в зависи-
мости от конфигурации системы. При проведении
бескислородных испытаний ил может быть отобран
в конце анаэробной стадии. Напротив, образцы,
отобранные в аэробной фазе, могут использоваться
для проведения последовательных анаэробно-аэроб-
ных, ан аэробно-ан оксидных или анаэробно-ано-
ксидн о-аэробных испытаний
Конечно, место отбора будет зависеть от конфигу-
рации (формы) системы На производственных и пи
лотных очистных установках физические границы
между фазами должны быть определены до отбора
проб. В крайних случаях, когда фазы не имеют четко-
го физического разграничения, границы зон можно
определить по концентрации РК, замерам окисли-
те льн во с ст ано вительн: го потенциала и/или по кон-
центрациям нитратов и нитритов В лабораторных
системах, обычно работающих на основе разделения
фаз во времени, отбор образцов может быть относи-
тельн? простым поскольку время реакции определя-
ется продолжительностью стадий Для получения
однородных и репрезентативных проб образцы ила
следует отбирать в местах, где созданы условия хо-
рошего перемешивания В идеале, тесты на периоди-
ческую активность должны проводиться как можно
скорее после отбора (менее чем через 1-2 ч для испы-
таний с илом отобранным по окончании пребывания
в аэротенке или через несколько минут (2-3 мин) для
ила, отобранного в конце анаэробной или бескисло-
родной фазы) В лабораторных системах выполнение
тестов на активность в одной и той же лаборатории
и синхронизация с циклом работы лабораторного
биореактора считается нормальным явлением Кроме
того, в случае действующих и пилотных очистных
установок тесты на оценку активности мсгут выпол-
няться прямо на производстве вскоре после отбора
проб активною ила, если лаборатория очистных со-
оружений подготовлена и оснащена необходимым
А1ЖПТ1ЛК 2ХП
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКГИ ВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ	J1
экс пер. и ментальным и аналитическим оборудованием
(см рис 2 2.4).
Если определение активности по месту отбора
пробы в тот же день невозможно, образец активного
ила может быть отобран в конце аэробной стадии
Затем тару с отобранной пробой можно хранить
и транспортировать в холодильнике или во льду (при
температуре ниже или около 4 °C) в условиях без
аэрации, а тесты на активность следует приводить
не позднее чем через 24 ч после отбора. Отбор проб
вконпе аэробной стадии и хранение в условиях без
введения кислорода при более низкой температуре
способствует сохранению исходного состояния био-
массы в результате замедления метаболизма бакте-
рий. Поэтому образцы активного ила не рекоменду-
ется аэрировать, т. к. это может привести к высво-
бождению фосфора и окислению внутриклеточных
соединений (таких, как ПГА, гликоген и даже поли-
фссфат). Также предполагается что перед проведе-
нием определения активности биомассы, характерной
для образца активного ила, его необходимо повторно
«активировать» и адаптировать дс заданного значе-
ния pH и нужной температуры В любом случае вы-
полнение тестов на активность по месту отбора проб
является предпочтительным. Общий объем отбирае-
мого активного ила зависит от количества испыта-
ний, объема биореактора и общего объема образцов,
необходимых для оценки активности биомассы Чаще
всего на действующих очистных сооружениях отби-
рается около 10-20 л активного ила. Образцы, ото-
бранные из лабораторных реакторов, редко содержат
более 1 лила Это объясняется тем, что лабораторные
системы обычно меньше (от 0,5 до 2,2 л, в некоторых
случаях до 8-10 л), и максимальный объем для отбо-
ра проб в таких случаях часто определяется ежеднев-
ным отводом избыточного ила из системы (что
напрямую связано со временем пребывания ила
в реакторе (возрастом ила) и, следовательно, опреде-
ляется скоростью роста организмов).
2.2.2.3. Подготовка образцов активного ила
При выполнении тестов на месте (проведение экспе-
римента) ил переносится из исходного биореактора
(в случае лабораторного эксперимента) или из соот-
ветствующей части установки (в случае опытно-
промышленных или производственных установок)
в фдэментер или биореактор, где будут проводиться
испытания Обычно перенос ила должен происходить
до окончания фазы, которая предшествует исследуе-
мой. Испытания активности можно начинать как
только достигнуты желаемые показ ат ели кислотно-
сти окислительно-восстановительные условия и тем
пература Во время корректировки до начала испыта-
ний следует сохранять условия, аналогичные тем,
которые были при отборе проб ила Это означает, что
образцы ила, отобранные в конце анаэробной ступе-
ни, должны храниться в анаэробных условиях
и не должны подвергаться аэрации или воздействию
какого-либо акцептора электронов
Аналогично, пробы, отобранные на аэробной
ступени, должны аэрироваться а в случае отбора на
бескислородной стадии аэрация не рекомендуется.
При необходимости к образцам активного иля ото-
бранным на стадии с бескислородным режимом (до
конечной концентрации ~ 5 мг МО3-М/л), можно
добавить несколько миллиграммов нитрата для под-
держания аноксидных условий в течение необходи-
мого периода
При выполнении испытаний УБУФ, когда тесты
на нитрификацию не представляют интерес я сразу
после переноса ила в ферментер к образцу ила можно
добавить ингибитор нитрификации (например, аллил
N-тио мочевину в концентрации до 20 мг/л) Это поз-
волит сдерживать нитрификацию и (1) избежать более
высокого потребления кислорода в аэробных перио-
дических испытаниях УБУФ, (и) ограничить накоп-
ление нитрата (или нитрита), если образцы аэрируют
до проведения анаэробных испытаний. В случае
опенки реальных и фактических условий соответ-
ствующие тесты на периодическую активность необ-
ходимо проводить сразу после отбора ила с мини-
мальными корректировками и необходимыми ста-
бильными условиями (например, для уровня pH
и температуры). Комплексная процедура отбора проб
должна включать в себя все этапы до, во время и по-
сле испытаний для документирования полученных
результатов Кроме того, выполнять тесты на актив-
ность всегда рекомендуется при благоприятных для
ФАБ условиях Это поможет (1) оценить потенциал
системы в области УБУФ, (и) выполнить сравнитель-
ную оценку работы с ганции УБУФ, (in) обнаружить
помехи и (iv) способствовать разработке стратегии
улучшения процесса
Как описано в некоторых научных трудах, поме-
хами для определения активности ФаБ могут быть
в том числе присутствие нитрата или нитрита в об-
разцах аэробного иля отобранных для приведения
анаэробных периодических испытаний, наличие
легко биоразлагаемого ХПК в анаэробных образцах
для проведения аэробных или ансксидных испыта-
ний или обнаружение нитритов в бескислородных
образцах, предназначенных для проведения аэроб-
ных периодических испытаний
Таким образом если испытания предназначены
для проведения в условиях, благоприятных для ФАБ,
таких помех следует избегать После этого про бы ила
могут пройти короткий (1ч, максиьум 2 ч) этап
предварительной обработки или подготовки в каче-
стве стратегии по устранению неполадок. Например,
для удаления нитратд присутствующего в аэробном
образце, предназначенном для анаэробного периоди-
ческого испытания (~5-10 мг ЬЮ3-Ы/л), после отбора
ила его можно перенести в герметичный биореактор
периодического действия и осторожно перемешать,
не создавая аэробных условий Концентрацию нитра-
тов (и нигритов) нужно контролировать до тех пор,
пока она не упадет ниже пределов обнаружения Ме-
of 346
14
годы быстрого обнаружения, например, при помощи
бумажных полосок для обнаружения нитратов и/или
нитритов (например, Sigrna-Aldiich), могут быть
здесь весьма полезными Как только результат теста
на наличие нитрата отрицательный, можно присту-
пать к соответствующему анаэробному периодиче-
скому тесту При обнаружении легко биоразлагаемо-
го ХПК в образце; взятом из анаэробного резервуара,
прежде чем провести бескислородное или аэробное
испытание, после переноса ила в герметичный возду-
хонепроницаемый биореактор анаэробные условия
можно продлить до тех пор, пока легко биоразлагае-
мый ХПК не перестанет определяться' Ан оксидные
образцы для проведения аэробных испытаний, где
присутствует нитрат, не нуждаются в предваритель-
ной обработке, поскольку нитрат безвреден для ФАБ
в аэробных условиях Однако, если обнаружен нит-
рит, его необходимо удалить, поскольку было дока-
зано, что он является довольно ингибирующим и да-
же токсичным для ФАБ при определенных аэробных
условиях (Pijuan et al, 2010, Zhou et al, 2012, Yoshida
et al., 2006, Saito et al, 2004, Zeng et al., 2014) Для
исключения присутствия нитрита может быть приме-
нен подход, аналогичный описанному выше, по уда-
лению нитрата
Когда периодические испытания невозможно вы-
полнить по месту отборапроб и образцы ил а хранятся
в холодных условиях (около 4 °C), их необходимо
повторно «активировать;}, т к холодная температура
значительно замедляет метаболизм бактерий. В связи
с особой физиологией ФАБ для реактивации ила его
необходимо аэрировать в течение 1-2 ч при значениях
pH и, в частности, при температуре проведения тестов
на активность Эта процедура поможет удалить оста-
точные биоразлагаемые органические вещества Если
проводятся только тесты активности УБУФ, перед
аэрацией следует добавить ингибитор нитрификации
(например, аллил-Ы-тио мочевину в концентрации,
непревышающей 20 мг/л в биореакторе) При обна-
ружении потенциальных помех (например, нитрат,
нитрит или легко биоразлагаемый ХПК) дс процесса
аэрации длительностью 1-2 ч реактивация ила может
начинаться с этапа предварительной подготовки об-
разцов ила при необходимой температуре и опреде-
лены о м ур овн е ки сл о тн о с ти Вп о с ледствии, даже е сл и
основной целью является оценка бескислородной или
аэробной активности ФаБ, тесты активности УБУФ
следует начинать со стадии анаэробной инкубации
с испсльзованием синтетических или реальных сточ-
ных вод в качестве питательных вещес тв (подкорма;
Эта практика обеспечит ФАБ внутриклеточными за-
пасами ПГА для осуществления своего аэробного или
ан оксидного метаболизма
Тем не менее цель плана экспериментального
исследования должна состоять в том, чтобы макси-
1 Это относится к ЛЖК, легко окисляемое ХПК, не потребля-
емое ФаБ, но образующееся б ходе аназробног:- гидролиза,
не исчезает при продлении анаэробной фазы (прим ред.).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
мально глин и ми зир о рать потребности в транспорти-
ровке, охлаждении, хранении и реактивации ила
(также других возможных этапов) Для проведения
тестов по возможности рекомендуется использовать
«свежий» ил и субстраты.
2.2.24.	Субстрат
При испытании в биореакторе реальных сточных
вод (неочищенных или осажденных) они могут по-
даваться в биореактор/ферментер относительно про-
стым способом Для нормальных (обычных) усло-
вий этап подачи происходит в начале анаэробной
стадии, чтобы способе твот ать поглощению ЛЖК
фосфатаккумулирующими бактериями и накопле-
нию внутриклеточного ПГА При необходимости
можно произвести грубую фильтрацию (фильтр
с размером пор 10 мкм) для удаления крупных ча-
стиц, присутствующих в неочищенных сточных
водах Если тесты на активность необходимо прово-
дить при различных концентрациях биомассы, для
разбавления можно использовать очищенные стоки
с КОС (при услогии, что общая концентрация взве-
шенных веществ в стоках на выходе будет относи-
тельно низкой - 20-30 мг/л). При изучении различ-
ных источников и концентраций углерода или фос-
фора было определено, что реальные сточные веды
также метут использоваться для приготовления по-
да7 синтетической среды с концентрацией легко био-
разлагаемого ХПК от 50 до 100 мг/л
Периодические тесты на активность чаете выпол-
няются с использованием синтетических сточных вод
(1) для более детального контроля условий экспери
мента, Си) для создания желаемых окислительно
восстановительных условий, (ш) для изучения и оцен-
ки воздействий различного состава сточных вид или
(iv) для оценки ингибирующего или токсического
воздействия на ход очистки определенных растворов
или соединений. Однако такая практика может ока-
заться дорогостоящей из-за большого количества по
тенциально необходимых химикатов,
В зависимости от характера, цели и последова-
тельности выполнения тестов на активность (в анаэ-
робных, анокгидных или аэробных зонах очистки),
концентрации углерода и фосфора, присутствующие
в синтетических сточных водах, могут варьироваться
поскольку основной задачей исследования является
удаление именно этих веществ, которые обычно вы-
ступают объектом удаления и изучения. Кроме того,
концентрации могут быть скорректированы пропор-
ционально длине или продолжительности теста
Обычно используются концентрации легко биоразла-
гаемого ХПК до 50 и 100 мг/л, когда образцы актив-
ного ила получены с производственных установок,
идо 400 мг/л в случае лабораторно обогащенных со-
ставов (хотя иногда применяются и более высокие
концентрации). Что касается концентраций фосфора,
то в синтетических растворах при оценке анаэробного
выделения фосфора они могут быть низки тли или ну-
«ЩсТПиТг 2ХП
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКГИБНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ	J i
левыми или наоборот достигать 100-120 мг РО4-Р/л
при определении максимальной способности погло-
щения фосфора е аэробных у слов иях. Однако незави-
симо от характер а теста на активность, синтетические
сточные воды долины содержать необходимые мак-
ро- и микроэлементы (особенно калий и магний,
а также кальций, железо, цинк, кобальт и др.) в доста-
точных количествах и доступном для потребления
ФАБ формах во избежание каких-либо метаболиче-
ских ограничений, которые могут поставить под
угрозу результаты тестов на периодическую актив-
ность (Btdjanovic et al., 1996). Предлагаемый состав
синтетических сточных вод при начальной концен-
трации ортофосфата 20 мг фосфора на литр может
содержать (Smolders et al, 1994а): 107 мг NH4C1,
90 мт MgSO4 7H3O, 14 мг CaCl2 2H2O, 36 мг KC1, 1 mi
дрожжевого экстракта и 0,3 мп раствора микроэле-
ментов (с составом на литр 10 г ЭДТА, 1,5 г FeCl3
6Н2О, 0,15 г Н3ВО3, 0,03 г CuSO4 5Н2О, 0,12 г МпС12
4Н2О, 0,06 г Na2Mo04 2Н2О, 0,12 rZnSO47H2O, 0,18 г
KI и 0,15 г СоС1 6Н2О).
В целом важно подчеркнуть, что максимальные
концентрации К и Mg должны быть пропорцио-
нальны концентрации фосфора в соответствии
с молярным соотношением 1 1:3 Mg.K:P Это обу-
словлено тем что Mg и К необходимы для образо-
вания полифосфатов, поскольку служат в них про-
тивоионами При желании синтетические сточные
воды можно концентрировать, стерилизовать в ав-
токлаве (в течение 1 ч при 110 °C) и использое ать
в качестве исходного раствора, если в течение опре-
деленного периода будет проведено несколько ис-
пытаний Однако при появлении какого-либо осадка
или при потере прозрачности данный раствор ис-
пользовать нельзя.
Для экспериментов с лабораторно обогащенны-
ми культурами наиболее пр авильно при выполнении
тестов использовать те же (синтетические) сточные
воды, что и для культивирования с соответствую-
щими исследованию концентрациями углерода или
фосфора. В случаях с натурными образцами, стоки
из биореактора мижно собрать, пропустить через
грубый фильтр для удаления всех частиц и исполь-
зовать для приготовления необходимой среды с же-
лаемыми концентрациями углерода и фосфора для
выполнения тестов на активность При (обычных)
бескислородных испытаниях для создания необхо-
димых аноксидных окислительно -восстановитель-
ных условий можно приготовить растворы ни гратов
и нитритов Для этого можно приготовить различ-
ные исходные растворы с использованием нитрат-
ных и нитритных солей. Однако для практического
применения рекомендуется использовать пошаго-
вый подход к дозированию и тщательно контроли-
ровать добавление солей, чтобы их концентрации
в тестовом реакторе не превышали 10 мг/л для нит-
рита и 20 мг/л для нитрата. Это, согласно ранее вы-
полненным исследованиям позволит избежать воз-
никновения потенциального ингибирующего эффек-
та вследствие накопления нитратов или нитритов
(Saito et al., 2004, Yoshida et al, 2006, Pijuan et al,
2010, Zhou et al, 2007, 2012). Более того, уровни pH
ниже 7,0 в сочетании с более высокими концентраци-
ями нитрита могут оказаться сравнительно более
сильными ингибиторами для ФАЕ, поскольку часть
азота нитритов находится в виде свободной азотистой
кислоты (САК) - «про го нир и ванн о го» вида нитрита
При уровне pH 7,0 Zhou et al (2007) и Pijuan et al
(2010) наблюдали 50%-е ингибировани* анокриднэго
и аэробного метаболизма ФАБ при концентрация:
САК 0,01 и 0,0005 мг НЫО2-Ы/л, соответственно (эк-
вивалентно 45 и 2 мг NO2-N/.4 при pH 7,0) Поэтому,
чтобы обеспечить их доступность во время изучения
бескислородных режимов, необходимо контролиро-
вать концентрации нитритов или нитратов во время
проведения испытаний и, в зависимости от их кон-
центраций, необходимо пери о диче ски добавлять рас-
творы нитритов или нитратов
При проведении оценки потенциального ингиби-
рующего или токсичного действия данных соедине-
ний в различных концентрация: концентрированные
исходные растворы можно приготовить и добавлять
их во время испытания в представляющих интерес
концентрациях. Оценка обр атимости ингибирующего
или токсического воздействия должна приводиться
после «промывки» биомассы для удаления ингиби-
рующего (-их) или токсичного(-ых) соединения(-й)
Стадия промывки часто выполняется путем последо-
вательного суспендирования образца ила в среде,
не содержащей углерод (либо полностью синтетиче-
ской, либо с использованием очищенных сточных
вод после фильтрации) при желательных окислитель-
но-восстановительных условиях. Аналогично, когда
необходимо выполнить тесты эндогенного состояния,
можно использовать среду без углерода и фосфора
в окислительно-восстановительных условиях и рабо-
чих условиях исследования
2.2.25.	Аналитические исследования
Большинство необходимых аналитических иссле-
дований (для определения концентраций общего Р,
РО4, МН4, NO2, NO3, взвешенных веществ и без-
зольной части взвешенных веществ в иловой смеси
и др.) выполняе тся в соответс твии со стандартны-
ми и широко применяемыми аналитическими ме-
тодиками. подробно описанными в « Стан дар гных
методах» (АРНА et al., 2012). Определение ЛЖК
(ацетата, пропионата и других летучих жирных
кислот) может проводиться с помощью газовой
хроматографии (ГК), высокоэффективной жид-
костной хроматографии (ВЭЖХ) или с применени-
ем стандартных аналитических методик определе-
ния. Однако, в отличие от большинства исследуе-
мых параметров, определение ПГА и гликогена
требует более сложной подготовки проб, сложного
оборудования и процедур, кроме того, описание
процедуры их определения можно найти только
в специализированной научной литературе Поэто-
of 346
И
му следующий параграф этой главы посвящен бо-
лее подробному описанию аналитической методи-
ки определения ПГАи гликогена.
ПГА
Как уже упоминалось выше, наиболее распростра-
ненными полимерами ПГа, которые содержатся
в ФАБ, являются пили-|3-гидр оксибутир ат (ПГБ),
поли -р-гидрокспьалерат (ПГВ) и поли-[3-гидр окси-2-
метилвалерат (ПГ2МВ) Ии присутствие и количе-
ство зависит от состава ЛЖК (Ас или Рг) и типа ме-
таболизма (метаболизм ФАБ или ГАБ). Для обога-
щенных лабораторных культур, выполняющих
УБУФ (где ФАБ являются доминирующими орга-
низмами, составляющими более 90 % общей био-
массы), и в случаях, когда Ас является наиболее
распространенной ЛЖК ФАБ накапливают ЛЖК
в основном в виде полигидроксибутирата (ПГБ) (до
90 % ПГА) (Smolders et al, 1994а). Однако, если
доминирующей ЛЖК является Рг, ПГВ и ПГ2МВ
могут составлять до 45 и 53 % от общего количества
содержащихся ПГА соответственно (Oehmen et al,
2005с). В случае присутствия в системе УБУФ гли-
ко генаккумулирующих бактерий в иле также накап-
ливается большее количество ПГВ Например, лабо-
раторно обогащенные культуры ГАБ (составляющие
более 90 % от общей биомассы), культивируемые
с использованием Ас в качестве ЛЖК, приводят
к накоплению ПГБ и ПГВ примерно на 73 и 26 %,
соответственно (Zeng el al, 2003а, Lopez-Vazquez et
al, 200 7, 2009a), тогда как обогащенная культура
ФаБ, культивируемая в сходных условиях, содер-
жит в основном ПГБ и менее 10 % ПГВ (Smolders et
al.. 1994а). В то же время, лабораторные системы
ГАБ, снабженные Рг, практически не накапливают
ПГБ, но содержат до 43 % ПГВ и 54 % ПГ2МВ
(Oehmen etal., 2006) Важно подчеркнуть, что метод
аналитического определения ПГА дает достаточно
точные данные о его содержании во взвешенных
веществах в иловой смеси Это подразумевает важ-
ность точного определения таких взвешенных ве-
ществ для получения правильных концентраций
ПГА и для точного определения удельной конвер-
сии веществ в би о химическом процессе
При исследовании УБУФ на лабораторных уста-
новках (по сравнению с УБУФ в полномасштабных
сооружениях) процедура определения ПГА УБУФ
обычно проще, поскольку такие системы имеют
меньшие размеры и, что более важно, культуры
УБУФ обогащены ФАБ (> 90 %) (OehmenеМ/., 2004,
2006, Lopez-Vazquez et al, 2007), следовательно,
внутриклеточное содержание ПГА может достигать
10% от общего количества взвешенных веществ
в иловой смеси в зависимости от имеющегося типа
ЛЖК (Lopez-Vazquez et al, 2009a) С другой стороны,
содержание ПГА, накопленных в иловой смеси
в полномасштабных сооружениях, в лучшем случае,
достигает от 1 до 2% от общей концентрации взве-
шенных веществ, поскольку ФАБ (и ГАБ) едва до-
стигают 15 % от общего количества бактерий (Lopez-
ЭКС ПЕРИ МЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Vazquez et al., 2С02а). Это означает, что аналитиче-
ское определение ПГА на основе проб активного ила
сооружений очистки не всегда является пригодным,
надежными, следовательно, репрезентативным мето-
дом для неп о средств ено отборных или составных
проб ила В крайних случая:: содержание ПГА может
упасть ниже предела обнаружения С экономической
точки зрения учитывая необходимые ресурсы (обо-
рудование, затраты на химические расходные мате-
риалы и высококвалифицированный персонал лабо-
ратории). определение ПГА вероятно, не будет (эко-
номически) эффективным при выполнении анализов
на образцах, взятых на производственной установке
В качестве альтернативы для оценки потенциального
накопления ПГА в полномасштабных системах мож-
но использовать реальные образцы ила для выполне-
ния испытаний на активность при более благоприят-
ны:: и контролируемых условия:: для УБУФ, которые
могут увеличить накопление ПГА и упростить его
аналитическое определение (Lanham et al, 2014) Тем
не менее описанный подход требует выполнения
процедуры аналитически:: исследований ПГА с вы-
сокой степенью точности
Что касается аналитических исследований раз-
личных полимеров ПГА то это стало предметом
научных изысканий с конца 1990-х гг (Baetens et al.,
2002). Самый надежный на сегодняшний день метод
включает в себя две процедуры с небольшими раз-
личиями (Oehmen et al, 2005b): (i) одна для опреде-
ления полимеров ПГБ и ПГВ и (ii) вторая для опре-
деления ПГВ и ПГ2МВ
Для обоих методов испытаний образцы активного
ила необходимо отбирать непосредственно из уста-
новки в пробирки для центрифугирования объемом
15 мл Объем образца должен быть достаточным для
получения около 20 мг общего содержания раство-
ренных веществ Для сохранения пробы перед отбо-
ром в пластиковую пробирку для центрифугирования
(в вытяжном шкафу) нужно добавить 4-5 капель
пар а формальдегид а (концентрация 37 %), и после
отбора образец следует выдержать при 0-4 °C в те-
чение около 2 ч Чтобы удалить оставшийся пара-
формальдегид и растворившиеся в жидкой фазе
взвешенные вещества, образцы необходимо дважды
промыть водопроводной водой. Для этого нужно
выполнить следующие действия: (i) центрифугиро-
вание (в течение 10 мин при 4500 об/мин), (и) осто-
рожное извлечение над осадочной жидкости путем
декантирования (если образуется твердый осадок)
или с помощью пипетки, избегая удаления любых
частиц пли твердого вещества, (til) добавление водо-
проводной воды (10 мл) и (iv) повторное тщательное
перемешивание с помощью вихревой мешалки По-
сле второй ступени промывки образец необходимо
повторно центрифугировать и удалить надосадоч-
ную жидкость. После этого образец следует хранить
при -20 °C, а затем подвергнуть лиофильной сушке
в лиофилизаторе при -80 °C и 0,1 мбар в течение
48 ч (или дольше) до полного высыхания После
АСТлППЛК ZJJ1
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКГИ ВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ	11
низкотемпературной сушки можно проводить про-
цессы расщепления этерификации и экстр акции
Согласно Oehmen et al (2005b), для определения
ПГБ и ПГЕ 20 мг лиофилизированного образца пере-
носятся в пробирку для расщепления с 2 мл подкис-
ленного раствора метанолу содержащего 3%-ную
концентрацию серной кислоты (H2SO4) и около
100 мг бензоага натрия на литр После этого образцы
подвергаются реакции расщепления и этерифициру-
ются в течение 2 ч при 100 °C Затем образцы охла-
ждаются до комнатной температуры, добавляется
дистиллированная вода и раствор хорошо перемети
вается. Для разделения фаз необходимо отстаивать
образец в течение 1 ч После отстаивания хлоро-
формную фазу можно перенести во флакон, высу-
шить с помощью 0,5-1,0 г гранулированного сульфа-
та натрия и отделить от твердой фазы Параллельно
можно приготовить стандартные растворы в опреде-
ленных концентрациях с использованием готовых
сополимеров R-3-гидр окси масляной кислоты (ЗГМ)
и R-3-гидроксивалерпановой кислоты (ЗГВ) (7 3)
После экстракции и этерификации в хроматограф
вводится 3 мкл жидкой фазы. Рекомендуемые харак
теристики и условия работы хроматографа следую-
щие: (г) наличие капиллярной колонки DB-5 (длина
колонки 30 м х внутренний диаметр колонки 0,25 мм
х толщина неподвижной фазы 0,25 мкм), (и) приме-
нение разделенного соотношения впрыска 1 15, (in)
использование гелия (Не) в качестве газа-носителя
при скорости потока 1,5 мл/мин, (iv) наличие пла-
менно ионизационного детектора (ПИД;, работающе-
го при ЗОН °C, с температурой инжектора 250 °C,
и (у) изменение температуры колонки, начиная
с 80 °C в течение 1 мин, с дальнейшим увеличением
на 10 °С/мин до 120 °C, повышением температуры на
4 5°С/мин до 270 °C и поддержанием температуры
270 °C в течение 3 млн При выполнении этой проце-
дуры и условий пики ПГБ и ПГВ будут отображаться
через 2 и 3 мин после инъекции
Креме вышеописанной процедуры можно ис-
пользовать иной метод определения ПГБ и ПГВ,
предложенный Smolders et al. (1994а) он предпола-
гает добавление 20 мг лиофилизированной биомас
сы к 1,5 мл дихлорэтана и 1,5 мл концентрирован-
ной НС1, а также 1-пропанола в соотношении 1:4
(по объему). В качестве внутреннего эталона (об-
разца) добавляют 1 мг бензойной кислоты в раство-
ре 1-пропанола. Образцы сбраживаются и этерифи-
цируются в течение 2 ч при 100 °C, и как минимум
каждые 30 мин образцы подвергаются интенсивно-
му перемешиванию с помощью вихревой мешалки
После охлаждения добавляют 3 мл дистиллирован-
ной воды. Содержимое энергично перемешивают
при помощи вихревой мешалки и затем центрифуги-
руют в течение нескольких минут для получения
удовлетворительного и четкого разделения фаз Око-
ло 1 мп нижней (органической) фазы отбирают
и фильтруют через небольшую коленку с сухим без-
водным сульфатом натрия в пробирке для выполне-
ния ГХ. В качестве рекомендации для каждой серии
из 15 образцов должны быть установлены 3 эталона
При использовании этого метода 1 мкл нижнего слоя
жидкой фазы раствора помещают в газовый хромато-
граф, соответствующий следующим требованиям (i)
наличие колонки HP Innowax (длина 30 ммх внут-
ренний диаметр 0,32 мм х толщина неподвижной
фазы 0,25 мкм), (и) разделенное соотношение впрыс-
ка 1 10, (ш) использование Не в качестве газа но-
сителя (при скорости потока 6,3 мл/мин), (iv) приме-
нение пламенно-ионизационного детектора (ПИД),
работающего при 250 °C, с температурой впрыска
200 °C, (у) начальная температура пени 80 °C, под
держиваемая в течение 1 мин, с последующим увели-
чением до 130 °C при шаге 25 °С/мин, затем до
210 °C при шаге 15 °С/мин, и, наконец, с выдержива-
нием при 210 °C в течение 12 мин Этет длительный
финальный этап рекомендуется для элюирования
пропилэфиров, не представляющих интереса (напри-
мер, из компонентов клеточной стенки). Наконец, что
не менее важно, содержание ПГА. в биомассе указы
вается в процентах от концентраций взвешенных
веществ активного ила, которые используются для
расчета концентраций ПГА.
Если образцы активного ила содержат высокие
концентрации солей, вместо водопроводной воды при
промывке следует использовать солевой моющий рас-
твор с такой же осмотической силой, каки у исходного
образца. Это позволит избежать цитолитического раз-
рушения клеток и сохранить внутриклеточные соеди-
нения (.такие, как ПГА и гликоген), избегая их раство-
рения и потенциальной потери в надосадочной жидко
пи Однако при использовании солевого моющего
раствора высокая общая концентрация растворенных
веществ в оставшейся жидкости (после центрифугиро-
вания) может образовывать осадок (после центрифу-
гирования) и приводить к появлению погрешности
в концентрациях взвешенных веществ в иловой смеси
висходной пробе, на основании которого будет опре-
деляться содержание ПГА Чтобы компенсировать
такие отклонения, потребуется вводить поправочный
коэффициент, позволяющий учесть потенциальное
влияние общей концентрации растворенных веществ
на полученную концентрацию взвешенных веществ,
используемую при определении концентраций ПГА
Несмотря на то, что обе описанные выше анали-
тические процедуры могут обеспечить достаточно
точные данные при определении ПГБ и ПГВ, ни одна
из них не может без соответствующих модификаций
предоставить удовлетворительные результаты по
определению ПГ?МЕ (что особенно важно в случае
присутствия пропионата в качестве источника угле-
рода в культурах УБУФ). Таким образом, для улуч-
шения экстракции ПГ^МВ авторы Oehmen et al
(2005b") рекомендуют применять ту же процедуру,
описанную- для определения ПГБ и ПГВ, но с исполь-
зованием подкисленного метанольного раствора, со-
держащего 10% H2SO4 (вместо 3 % H2SO4), и с про-
длением фазы расщепления при 1 ПО °C до 20 ч
of 346
и
Поскольку готового продукта, который будет ис-
пользоваться в качестве прямого стандарта для опре-
деления ПГзМВ, не существует, авторы Oehmen et al
(2005b) рекомендуют использовать б-гидроксикапри-
новую кислоту, которая предположительно имеет
аналогичный относительный отклик на реакции
ПГ2МВ (основываясь на том факте, что эти две мо-
лекулы являются изомер ами друг друга). Эта проце-
дура оказалась полезной для одновременного опре-
деления ПГЕ и ПГ2МВ, но не для ПГЕ Поэтому
в случае необходимости определения трех полиме-
ров (ПГЕ, ПГВ и ПГ2МВ) следует выполнить две
разные процедуры Дополнительные сведения
о методах аналитического определения ПГА можно
найти в оригинальных источниках (Eaetens et al.,
2002, Oehmen et al., 2005b) С целью микроскопиче-
ской визуализации можно использовать краситель
Nile blue А для качественной визуализации ПГА
и окраску по Нейссеру для полифосфатов (Mino et
al., 1998, MesquitaeZL?/., 2013).
Более подробную, информацию о микроскопиче-
ском наблюдении этих и других внутриклеточных
полимеров и об использовании различных красите-
лей можно найти в гл 7
Гликоген
В культурах УБУФ гликоген используется в каче-
стве источника энергии и эквивалентов восстанов-
ления для хранения ПГА. Гликоген (С6Н10О5) пред-
ставляет собой ыногоразветвленныи полисахарид
глюкозы (СбНиО^), сходный не только с целлюло-
зой, но с иной гликозидной связью и геометрией
между молекулами (Dircks et al, 2001, Wentzel et al,
2008). Его относительное присутствие и внутрикле-
точный запас в культурах УБУФ зависит от состава
ЛЖК (Ас или Рг), отношения Р/С в поступающем
потоке и доминирующих организмов (ФАБ или
ГАБ) (Schulei и Jenkins, 2003, Oehmen et al., 2007).
В обогащенных лабораторных культурах ФАБ,
культивируемых с использованием Ас в качестве
источника углерода (где ФАБ составляют белее
90 % от общей биомассы), при соотношении Р/С на
входе ниже 0,04 моль, фракции гликогена могут до-
стигать 20 % от общей концентрации беззольного
вещества ила, тогда как при отношении Р/С на входе
выше 0,04 моль содержание фракций гликогена
обычно ниже 15% (Smolders et al., 1995, Schuler
и Jenkins, 2003, Welles et al, 2016). Аналогичным
образом лабораторно обогащенные культуры ФаБ,
культивируемые с Рг в качестве источника углерода,
имеют тенденцию хранить меньше внутриклеточно-
го гликогена, который часто не превышает 15%
беззольного вещества ила, поскольку анаэробный
метаболизм таких ФАБ требует меньшего гидролиза
гликогена для анаэробного высвобождения фосфора
и внутриклеточного хранения ПГА (Oehmen et al,
2005с). И наоборот, культуры ГАБ, обогащенные
в лаборатории с использованием Ас или Рг в каче-
стве источника углерода, могут содержать фракции
гликогена до 30 % беззольного вещества ила, неза-
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
висимо от источника углерода (Filipe et al., 2001b;
Zeng et al, 2003a, Oehmen et al, 2005a, c; Dai et al,
2007; Lopez-Vazquez et al., 2009a). Подобно случаям
с ПГА оценку внутриклеточного содержания глико-
гена проще произвести в лабораторных системах
(где культуры УБУФ могут составлять более 90 % от
общей популяции микробов), т к. в реальных систе-
мах ФАБ и ГАЕ едва ли составляют более 15 % от
общей популяции бактерий (Lopez-Vazquez et al,
2008a). Следовательно, фракции гликогена, присут-
ствующие в реальных системах УБУФ. едва ли могут
достигать более 5 % от беззольною вещества ила, что
делает его определение более сложным по сравнению
с лабораторными системами Такой способ определе-
ния может использоваться но его применение требует
высокоточных аналитических процедур (Lanham etal.,
2014) Гликоген (СбНюOj) представляет собой разветв-
ленный полисахарид, перед определением его концен-
тр ации гликоген необходимо гидролизовать и извлечь
Так, были предложены различные методы аналитиче-
ского определения гликогена, начиная с тестов фер-
ментативного гидролиза (Parrou и Francois, 1997)
и заканчивая биохимическим анализом (Brdjanovic et
al., 1997), а также путем его косвенного определения
методом высокоэффективной жидкостной хромато-
графии (ЕЭЖХ; в виде глюкозы после кислотного
гидролиза и экстракции (Smolders et al., 1994а, Lanham
et al., 2012). К сожалению, прямой метод на сегодняш-
ний день не доступен Исходя из практической ситуа-
ции после нескольких многолетних стадий усовершен-
ствования метод ВЭЖХ, следующий за кислотным
гидролизом и экстракцией, является одной из наиболее
часто применяемых процедур
Она состоит в разбавлении активного ила 6 М НС1
до конечной концентрации НОТ 0,6 М НС1 и расщеп-
лении при 100 °C в течение 5 ч После этого образец
остужают до комнатной температуры в условиях по-
коя а надо садочная жидкость пропускается через
фильтр с размером пор 0,2 или 0,45 мкм Отфильтро-
ванную жидкость помещают во флакон, после чего
можне производить определение концентрации гли-
когена с помощью ВЭЖХ в виде глюкозы (Smolders
et al, 1994а) Последнее связано с тем что гликоген
(С6Н1иО5) имеет таксе же содержание углеродя что
и глюкоза (СбНпОб) (в расчете на моль углерода)
Однако определение гликогена на основе содержа-
ния глюкозы, извлеченной из биомассы, является
не совсем точным, т к часть извлеченного материа-
ла не будет гликоген ом-глюкозой, содержащимся
в биомассе (клетках), а будет- также содержать дру-
гой экстрагированный материал и гликоген другого
г ли ксгенсо держащего сообщества микроорганиз-
мов, не относящихся к УБУФ (например, ГАБ), де-
монстрирующего идентичное поведение В 2012 г
Lanham et al усовершенствовали технику извлечения
гликогена Возможно использование лиофилизиро-
ванных образцов, полученных таким же способом
что и образцы для определения ПГА. активный ил
отбирается по месту проведения испытаний, помеща-
ется в цeнтpифvжнyю пробирку объемом 15 мл, со-
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
И
держащую 4-5 капель формальдегида (концентрации
37%), выдерживается при и—4 °C около 2 ч, промы-
вается водопроводной водой и высушивается при
помощи лиофильной сушки. Акторы рекомендуют
использовать соотношение 1 мг лиофилизированного
ила на 1 мл рагтвора П,9 М НС1 для улучшения кис-
лотного гидролиза и извлечения гликогена с целью
его дальнейшего определения в виде глюкозы Затем,
в зависимости от формирования ила, образцы следует
подвергать расщеплению в течение 2 ч для флокул
(хлопка ила), 5 ч в случае гранулированного ила
и 3 ч, если условия формирования ила не известны
или изменялись в процессе культивирования После
расщепления 5 мг лиофилизированного образца сле-
дует добавить в 5 мп раствора 0,9 М НС1, выдержать
влечение 5 ч (максимум) при 100 °C, пропустить
надосэдочную жидкость через фильтры с размером
пор 0,2 мкми затем измерить гликоген в виде глюко-
зы с помощью ВЭЖХ. При применении такой проце-
дуры необходимо тщательно и точно отмерить 5 мг
лиофилизированного образца, результат будет пред-
ставлен в процентах от массы взвешенных веществ
в иловой смеси Описанная методика ВЗЖХ оказа-
лась достаточно точной и надежной при исследовании
лабораторно обогащенных культур, в которых преоб-
ладают популяции УБУФ Однако, как упоминалось
выше, их определение в образцах ила из реальных
систем может иметь недостаточно точные результаты.
В качестве рабочей гипотезы для грубой микр оскопж-
ческой качественной оценки гликогена и других угле-
водных гранил, присутствующих в клетках, может
применяться окрашивание Шифф-йодной кислотой
(ШИК) (Mesquita<7 al., 2013).
2.2.26.	Исследуемые параметры
Для определения и оценки метаболической активно-
сти ФАБ выполняются измерения различных стехио-
метрических соотношений и кинетических скоростей
для анаэробных, аноксидных и аэробных стадий на
основе данных периодических тестов активности
Табл. 2 2 1 содержит описание прогнозных парамет-
ров, представляющих интерес.
Таблица 2.2.1. Стехиометрические и кинетические параметры для образцов актгекиго ила, выполняющих УБУФ
Параметр	Обозначение	Единица измерения в молях	Единица измерения в мг или г
АНАЭРОБНЫЕ ПАРАМЕТРЫ Сгехмометр|^еские Отношение ан аэробного выдегения овтофос фга к поглощению ЛЖК	Yjulpow	Р-молыС-моль	НГР/МГ ЛЖК
Отношение анаэробной утилизации гликопена к поглощенно ЛЖК		С-мольСмоль	мг Ctor ЛЖК
Отношение анаэробного образования П ГА к поглощению ЛЖК	Yflitnejm	С-молыС-моль	мгСЛнгЛЖК
Отношение анаэробного образования П ГБ к поглощению ЛЖК	Ynicn t	С-молыС-мпль	мгСАвг ЛЖК
Отношение ан аэробного образования П ГЕ: к поглощению ЛЖК	Yxicrrsfin	С-молыС-молн	мгСАигЛЖК
итношение ан аэробного образования П Г>МВ к поглощению ЛЖК	Yniicn ’ьвип	С-МОЛЫС-МОЛь	мгСЛлг ЛЖК
Отношение анаэробного образования П ГВ к образованию ПГБ Кинетические	Yrrenrixn	С-МОЛьА>МоЛЬ	гСАигС
Максимальная дельная скорость анаэробного поглощения ЛЖК	qpjuyin	С-молыС-мпль ч	мгЛЖК/мг актив биомассы ч
Максимальная дельная скорость анаэробного выделения РО*	qppj>04/in	Р-молыС-моль ч	мг Р.+лг актив биомассыч
Максимальная дельная скорость анаэробного образования ПГА	.{ПЖХ_ГТнЯп	С-моль/С-моль ч	мгПГА/мгакгив биомассы ч
Скорость эндргсннего анаэробного выделения Ро*	ГГРР-РОХДП	Р-моль£ моль ч	мг F’/мг актив, биомассыч
Коэффициент дегенного анаэробного потребления АТФ	ГГЫТФ^П	МОЛЬ АТОС-МОЛЬ ч	мг АТ ФА* г эсгив б иомассы ч
Скорость вторичного анаэробного высвобождения РСц	ГГРР J>04,5bCjln	Р-молыС-моль ч	мг Р/мг актив биомассыч
АНОКСИДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ Сгехиометр веские Отношение аноксидной деградация ПГА к пог лощению NOx	YNCix_ITHjlK	С-молыМ-моль	мг С Air NOx
Отношение эпоксидного образования гликогена к поглощению NOx	Yno^g^i	С-мольЛЧ-моль	urCAurNOx
Отношение зноксидного образования поли-Р к поглощению. NOx	VnOX-РРЯх	Р-мольАИюль	мг Pbr NOx
итношение роста биомассы в аноксидных условияхк пег лощению NOx		С-мильМмлль	мг Ctor NOx
Отношение зноксидного образования i ликэгена кпог лощению П ГА	YriH.Gpjix	С-молЫС-миль	мгСЛиС
Отношение зноксидного образования поли-Р к поглощению- П ГА	YrrH_pp jw	Р молыС моль	мг PA-ir С
Отношение роста биомассы в аноксидных хсловияхк поглощению ПГА Кинетические	VrrH-fiojix	С-молыС-моль	игСЛлгС
Максимальная дельная скорость деградации зною.иднию ПГА	фПРДХ	С-моль/С-мольч	mi ПГа/мгактив биомассы ч
Максимальная дельная скорость образования зноксидного гликогена	q гт a.gi/fix	С-М0ЛЬА>М0ЛН1	мг 61/Ляг актив биомассы ч
Максимальная дельная скорость образования зноксидного поли-Р	qpoA рр/л	Р-молыС-моль ч	мг PP.br актив биомассы ч
Максимальная дельная скорость роста биомассы в аноксидныхусловиях		С-молыСмоль-ч	мг актив биомассыЬгактив биомассы ч
Коэффициенгандогенного потребления я ГФ в аноксидных условиях	ГПйТФ/1х	МСЛЬАТФС-МОЛЬЧ	мгАТсЫнгасгив биомассы ч
Скорость аниксидно' > эн дот енного дыхания	ГТЫОх	N-мильАЗ-мильч	мг NOxAar актив. биомассы ч
of 346
40
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Окончание табл.2.21
Параметр	Обозначение	Единица измерения в молях	Единица измерения в мг или г
АЭРОБНЫЕ ПАРАМЕТРЫ Сгехиометртеекие (^ношение азр обнои дец ,адации П ГА к па лощению О!	Упга	С-мольЛюль О!	мг СЛиг 01
Отношение азр обноги образования гликогена к поглощению Оз	Yciy	С-мольЛюль О!	мгОЬгОз
Отношение азр обного образования пол и-Р к по г л ощрнию О з	Ypp	Р-мольЛю ль Оз	мг Р.+-1Г О!
Отношение роста биом ассы ФАЕ в аэро бньгк уел овиях к погл ощению О э		С-МОЛЬ/МОЛЬ О!	МГ СЛ1Г О!
Отношение образования аэробного гликогена ктпреблениюПГА	УпГй.бКрХ	С-моль/С-моль О!	мг СЛиг Оз
Отношение аэробного образования пол и-F и ПГА	Упгй.рррх	Р-мольС-киь Ог	мг Р.+лг Оз
Отношение роста биомассы в аэробных условиях к потреблению П ГА	Упгй.бхрх	СмольА>моль Oj	мг СЛтг Оз
Кинетические Максимальная дельная скорость аэробного разложения ПГА	CfirpjOx	С-моль/С-мольч	чгПГаАтг актив биомассы ч
Максимальная делытая скорость образования аэробного гликогена	(p«.GW)x	С-моль/С-мольч	мг Glytor актив биомассыч
Максимальная дельная скорость аэробнето образования поли-Р	ifOVPpx	Р-молыС-моль ч	мгРР.мг актив биомассы ч
Максимальная дельная скорость рента биомассы в аэробныху:повиях	(ро.Ол	С-молыС-мольч	мгактив биомассыЛиг этив биомассы ч
Коэффициент эндогенного потребления аТФ в аэробных у ловиях	ОиТФр’	моль АТОС-моль ч	мг аГФЛлг актив биомассы ч
Аэроб ное эндогент ое доi хан ие кульг,ры	то!	мель ОзО моль ч	мгОз/мг актив биомассы ч
2.2.3. Тесты актиености
на отдельных этапах УБУФ: подготовка
В данном разделе описаны не только различные эта-
пы, но также характеристики устройства и материа-
лы, необходимые для выполнения периодических
тестов на определение активности.
2.2.31.	Оборудование
1	. Герметичный биореактор с возможностью пе-
ремешивания или ферментер, оборудованный
системой перемешивания и соответствующими
отверстиями для отбора проб (каке описано
в разд 2.2 2.1).
2	. Подача газообразного азота (рекомендуется).
3	Псдача кислорода (сжатый воздух или источни-
ки чистое о кислорода)
4	. pH-электрод (если он не входит в установку био-
реактора)
5	Двойной pH-контроллер с возможностью добав-
ления НС1 и ПаОН (в качестве альтернативы
можно использовать обычный pH-контроллер
с добавлением НС1 и НаОН вручную)
6	Термометр (рекомендуемый диапазон рабочих
температур от 0 до 40 °C).
7	. Система контроля температуры (если она не вхо-
дит в установку периодического биореактора)
8	Кислородомер с датчиком (если он не входит
в установку биореактора)
9	. Контроллер с функцией двойного контроля рас-
творенного кислорода с возможностью подачи азо-
та и газообразного кислорода (если он не входит
в установку периодического биореактора, и если
испытания необходимо проводить при о пр еде лен-
ной концентрации растворенного кислорода).
10	Убедитесь, что все электроды и измерители (pH,
температуры и РК) откалиброваны менее чем за
24 ч до проведения испытаний в соответствии
с инструкциями и рекомендациями производите-
лей и/или поставщиков
11	Центрифуга с рабочим объемом не менее 250 мл
для промывки ила (при необходимости).
12	Секундомер
2.2.32.	Материалы
1	. Дез гр адуироьанных цилиндра объемом 1 или 2 л
(в зависимости от используемых объемов ила) для
помещения активного ила и его промывки
2	Как минимум 2 пластиковых шприца (предпо-
чтительный объем 20 тли, минимальный о бьем
10 мл) для отбора и анализа растворимых соеди-
нений (после фильтрации)
3	Как минимум 3 пластиковых шприца (предпо-
чтительный объем 20 мп) для отбора твердых
веществ, частиц или внутриклеточных соедине-
ний (без фильтрации).
4	Фильтры с размером пор 0,45 мкм; предпочти-
тельно не из ацетата целлюлозы, т. к они могут
выделять следы целлюлозы или ацетата в ото-
бранные пробы воды. Рекомендуется иметь как
минимум двойной запас фильтров по отноше-
нию к количеству образцов проб, которые необ-
ходимо отфильтровать для анализа растворимых
соединений
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
41
5	Прозрачные пластиковые стаканчики объемом
10 или 20 мл для отбора образцов и дальнейшего
анализа растворимым соединений (например,
растворимых ХПК, ацетата, пропионата, орто-
фисфата, нитрата, нитрита).
6	Прозрачные пластиковые стаканчики объемом
10 или 20 мл для отбора образцов и последую-
щего определения взвешенных веществ и без-
зольного вещества ила Рекомендуется отобрать
образцы в трех экземплярах из-за погрешности
результатов аналитических методик
7	Пластиковые пробирки объемом 15 мл для цен-
трифугирования для определения ПГА и/или
гликогена.
8	. Пластиковый контейнер или контейнер, запол-
ненный сухим льдом, необходимою объема для
временною хранения (до 1-2 ч после заверше-
ния теста на активность) пластиковых стаканчи-
ков и пластиковых пробирок для центрифугиро-
вания после отбора образцов
9	Пластиковые перчатки и защитные очки.
10	Пастеровские пли пластиковые пипетки для до-
бавления НС1 и/или NaOH (при ручном регули-
ровании pH).
11	Металлические лабораторные зажимы или клип-
сы для трубок, используемых для отбора проб,
когда пробы не отбираются из биореактора/фер-
ментера
2.2.3.3 Подготовка среды
•	Реальные сточ>ые воды
Если в тестах на активность используются ре-
альные сточные воды, пробу необходимо отби-
рать из неочищенных стоков соответствующей
стадии, и тест на активность рекомендуется вы-
полнять в максимально короткие сроки после
отбора материала
В зависимости от теста исследователь должен
определить тип образца - неочищенные или от-
стоянные сточные воды (если на счисти ой уста-
новке в технологию включено первичное оса-
ждение). Если тест невозможно выполнить
в ближайшие 1-2 ч после отбора образца из-за
местоположения очистного сооружения, транс-
портировки или прочих логистических условий,
образцы необходимо держать в холоде (напри-
мер, поместив ведро или канистру в холодиль-
ник при 4 °C) до проведения тестов Однако пе-
ред выполнением теста температуру сточных ь од
необходимо довести ди комнатной или той тем-
пературы, при которой будет выполняться тест
на активность (предпочтительно менее чем за
1 ч). Для этой цели можно использовать водяную
баню или комнату с контролируемой температу-
рой, как описано в разд 2 2.2.1
•	Синтетическая среда или субстрат
Если тесты возможно или желательно проводить
с синтетическими сточными водами, то в зависи-
мости от типа тестов (анаэробных, аноксидных
или аэробных) синтетические среды могут содер-
жать смесь источников углерода и ортофосф ага.
атакже необходимые (макро и микро) питатель-
ные вещества Как правило, все они могут быть
смешаны в одной среде (при ан аэробно -(ан оксид 
но)-аэробных тестах), разделены на два раствора
(1) источник С и (и) источник Р (плюс питатель
ный раствор), или подготовлены отдельно, в слу-
чае, если их добавляют в различные фазы или
в различное время. Стандартными являются сле-
дующие составы и концентр ации
а Исходный раствор углерода (углеродосодер-
жащеао eeujecmea)'. в зависимости от характе-
ра и цели теста и соответствующею' предмета
исследования обычно он состоит из источни-
ка легко биоразлагаемого ХПК, желательно
летучих жирных кислот, таких как ацетат или
прспиинат Иногда попользуются более слож-
ные субстраты, содержащие смесь легко био -
разлагаемого и медленно биоразлагаемого
ХПК, однако они не используются в тестах,
рассматриваемых в этой главе. При выполне-
нии тестов на анаэробную активность кон-
центрацию ХПК в растворе необходимо
установить на уровне, который обеспечит
печное потребление ХПК на анаэробной ста-
дии Для тестов активности, выполняемых
с активным илом из производственной уста-
новки, обычн ая рекомендуемая концентрация
ХПК не превышает 100 мг/л. Е лабораторных
образцах активного ила концентрации ХПК
могут быть такими же высокими, как в лабо-
раторной системе (иногда в 2-3 раза выше),
при условии, что легко биоразлагаемая со-
ставляющая ХПК в поступающей воде пол-
ностью удаляется на анаэробной ступени
очистки и не оказывает токсичного или ин-
гибирующего воздействия на ФАБ
b Исходный раствор ортофосфата кониен
трации ортофосфата можно регулировать
в зависимости от цели эксперимента Для
экспериментов с одной анаэробной ступенью
концентрация ортофосфата может составлять
всего 2-3 мг РО4-Р/л и даже может быть ис-
ключена. в то время как для опенки макси-
мальной способности ила поглощать фосфор
в бескислородных или аэробных условиях
(когда анаэробная фаза предшествует анок-
сиднсму или аэробному условиям) добавлен-
ные концентрации РО4-Р могут доститать
в реальных образцах 75 мг/л и в лабораторно
обогащенных культурах превышать 120 мг/л
(Wentzel е! al., 1987).
с. Питательный раствор (синтетическая
сточная вода)-, он должен содержать все не-
обходимые макроэлементы (аммоний, маг-
ний, сульфат, кальций, калий) и микроэле-
менты (железо, бор, медь, марганец, молиб-
дат, цинк йод, кобальт), чтобы обеспечить их
необходимое количество для роста клеток
of 346
42
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
и предотвратить получение неверных резуль-
татов и сбоя эксперимента Таким образом,
несмотря на то, что концентрации требуемых
элементов могут показаться очень низкими,
необходимо убедиться, что все компоненты
добавлены в раствор в необходимых количе-
ствах Рекомендуется следующий состав (ко-
личество на литр питательного раствора) (на
основе Smolders et al., 1994а)' 107 мг NH4C1,
90 мг MgSO4 7Н2О, 14 мг СаС12 2Н2О, 36 мг
КС1, 1 мг дрожжевого экстракта и 0,3 мл рас-
твора микроэлементов (содержащего на 1 л
Юг ЭДТА, 1,5г FeCl, 6П2О, 0,15г Н3ВО3,
0,03 г CuSO4-5H2O, 0,12 г МпС124Н2О, 0,06 г
Na2Mo04 2Н2О, 0,12 г ZaSO4 7Н2О, 0,18 г KI
и 0,15 г CoCi оН20). Подобные питательные
растворы можно использовать при условии,
что они содержат все вышеперечисленные
н е о бх о ди мые пит ательныевеще ств а.
•	Раствор нитрате или нитрита
Когда испытания включают в себя бескислород
ную стадию, для создания бескислородных усло-
вий при необходимости могут использоваться
растворы нитратов или нитритов (разд 2 2.2 4)
Для этой цели возможно применение солей азот-
ной и азотистой кислот (например, KNO3 или
NaNO^ соответственно). Однако их добавление
необходимо тщательно контролировать, чтобы
не допустить ингибирующего пли даже токсиче-
ского воздействия на биомассу при их присут-
ствии Поэтому рекомендуется поддерживать их
концентрации ниже 20 мг ЬЮ3-Ы/л и 10 мг NO2-
N/л (при pH 7,0)
•	Среда для громывм ила
Если образец ила необходимо промыть для уда-
ления нежелательного соединения (которое
может быть даже ингибирующим или токсич-
ным), необходимо приготовить питательный
раствор, имеющий следующий состав на литр
(Smolders et al., 1994а): 107 мг ЫН4С1, 90 мг
MgSO4 7Н3О, 14 мг СаС12-2Н2О, 36 мг КС1, 1 мг
дрожжевого экстракта и 0,3 мл раствора микро-
элементов (содержащего на 1 л 10 г ЭДТА, 1,5 г
FeClj 6Н2О, 0,15 г Н3ВО3, 0,03 г CuSO4 5Н2О,
0,12 г МпС12 4Н2О, 0,06 г Na2Mo04-2H20, 0,12 г
ZnSO47H2O, 0,18 г KI и 0,15 г СоС1оН20).
Промывку мозкно повторить два или три раза.
После этого могут быть выполнены следующие
этапы подготовки тестов на активность. В осо-
бых случаях, когда используется ил из промыш-
ленной установки, для промывки могут приме-
няться очищенные сточные воды (при условии,
что их состав является подходящим).
•	Раствор фор на льде гида
Для подготовки и сохранения образцов с целью
аналитического определения ПГА и гликогена
необходим раствор формальдегида (концентра-
ция 37 %)
•	Раствор аллил-И-тионочевины (ATM)
Чтобы ингибировать нитрификацию, можно
приготовить раствор ATM с начальной концен-
трацией около 20 мг/л (после добавления в ил).
Раствор ATM следует добавлять до того, как ил
подвергнется воздействию любых аэробных
условий (включая подготовку образца ила или
адаптацию).
•	Кислотное и щелочные растворы
Кислотные и щелочные растворы должны со-
держать 1 00-250 мл 0,2 М НС1 и 100-250 мп
0,2 М NauH для автоматического или ручного
регулирования pH и 10-50 мл раствора 1 М НС1
и 10-50 мл 1 М NaOH для начальной корректи-
ровки pH, если необходимый уровень рабочего
pH сильно отличается от значения рКа буфери-
зирующего агента
•	Рабочий и основной растворы необходимые для
определения исследуемых аналитических пара-
метров, должны изготавливаться в соответствии
со «Стандартными методами?- (АРНА et al,
2012) и соответствующими процедурами.
•	Рекомендуется взять образец пробы до выполне-
ния эксперимента для проверки начальной (же-
лаемой) концентрации исследуемых параметров
(например, ХПК, орто фосфата и т д )
2.23.4.	Подготовка материалов (отбор проб)
•	Количество проб (и их объем) определяется
в соответствии с видом анализа, объемами, не-
обходимыми для аналитического определения
и количеством параллельных тестов исследуе-
мых показателей
а Например, потребуется образец пробы объе-
мом 3 мл, если это минимальный объем про-
бы, необходимый для определения концен-
трации ацетата для одного образца в двух по-
вторностях.
b При определении двух или более параметров
на одном и том же образце пробы следует
суммировать необходимые объемы вещества
например, если для ацетата требуется 3 мл,
для аммиака 5 мл и длч определения орто-
фосфата б мл, то необходимо отобрать не ме-
нее 14 мл образца.
В хорошо смешанной системе жидкие пробы от-
бираются только один раз (хотя анализ может вы-
полняться по нескольким параметрам), т к. сам
отбор проб обычно не влияет на качество анали-
зируемого материала (если образцы не подверга-
лись фильтрации!
•	Количество образцов (и их объем) подбирается
в соответствии с типом анализа, объемами или
массами, необходимыми для аналитического
определения конкретных параметров, и количе-
ством повторов анализа (например, 3 пробы по
10 мл каждая для определения взвешенных ве-
ществ/летучих взвешенных веществ в растворе
rtUiumdiK zcn
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
41
по три раза, 20 мг общего количества взвешен-
ных веществ на каждый анализ ПГА и 5 мг на
каждый анализ гликогена) В случае с образца-
ми, ориентиров энными на концентрации гв ер-
дых веществ, значения таких концентраций
в различных образцах имеют расхождения обу-
словленные характером процедур отбора проб
Поэтому отбор проб и анализ предпочтительно
проводить в трех экземплярах
•	Частота отбора образцов
а Если необходимо ?пределить максималь-
ные удельные (начальные) кинетические
скорости (например, максимальную удель-
ную скорость поглощения ацетата или ор-
тофосфата), то необходимо взять большее
количество образцов в начале соответству-
ющей стадии или фазы (анаэробной, эпок-
сидной или аэробной) В частности, образ-
цы могут отбираться каждые 5 мин в тече-
ние первых 30^40 мин проведения теста на
активность. 5 минутный период - эго ми-
нимальный практический интервал, необ-
ходимый для взятия и обработки одного
(нескольких) образца.
b Если необходимо оценить только стехио-
метрические соотношения а не кинетику
(например, отношение анаэробного высво-
бождения P/Ас или поглощение анаэробного
образования ПГБ/Ac), то для определения
общей конверсии образцы следует отбирать
только в начале и в конце каждой ступени
или этапа
•	Чтобы повысить надежность данных и узнать
исходные характеристики иля следует отобрать
серию образцов ила перед добавлением какого-
либо носителя В час тости, для ПГА и гликоге-
ня которые требуют частоты отбора проб с уче-
том высоких скоростей превращения биомассы,
аналогично анализам растворенных и летучих
растворенных веществ, образцы часто отбирают-
ся в трех экземпляра::.
•	Тщательно определите максимальный и мини-
мальный рабочие объемы биореактора:
а. Оценка минимального объема иловий смеси
в конце испытания (после отбора всех образ-
цов) позволит избежать проблем с отбором
образцов (например, когда уровень конечно-
го объема ниже уровня отверстия пробоот-
борника) и с контролем рабочих условий
(например, если наконечник рН-электрода
не будет погружен в жидкость, произойдет
неконтролируемое добавление кислоты и ос-
нования что приведет к pH шоку, при этом
без каких-либо отклонений в показаниях из-
мерителя pH) Это также гложет предотвра-
тить неадекватную’ или недостаточную аэра-
цию и перемешивание (чрезвычайно низкие
объемы могут привести к значительному по-
ступлению кислорода мертвым объемам
и потерям биомассы при разбрызгивании на
стенки биореактора).
Ь Рекомендуется оценить минимальный на-
чальный объемв начале теста на основе ми-
нимального конечного объема и объема не-
обходимого для отбора проб (принимая во
внимание начальный объем активного ила
и добавление среды и других растворов)
и убедиться что этот объем не превышает
максимальный рабочий объем биореактор я
что позволит избежать разбрызгивания
и разливов Для определения максимального
рабочего объема необходимо учитывать по-
тенциальное увеличении объема из-за бар-
ботирования газом (например, азотом или
с ж атым в о здух о м)
После тсго, как количество и частота отбора
образцов определены, необходимо промаркиро-
вать все пластиковые стаканчики Желательно
также определить номенклатуру и/или аббревиа-
туру, которая позволит вам легко идентифици-
ровать и распознать тест, время отбор а и интер е-
сующий(-ие) параметр(-ы), которые будут опре-
делены в данном образце. Маркировка как
пластиковых стаканчиков, так и крышки помо-
жет легко идентифицировать образец.
Простой рабочий лист, созданный в электронной
таблице, может быть весьма полезен при выпол-
нении и отслеживании отбора проб и проведении
теста Кроме того, его можно использовать для
ведения базы данных различных выполненных
испытаний Пример такого рабочего листа пред-
ставлен в табл. 2 2 10
Все необходимые материалы следует разложить
в относительной близости к биореактору, чтобы
избежать любой задержки в обработке и подго-
товке образцов, иначе будет трудно соблюсти
начальную 5-минутную частоту отбора пр об
Если необходимо отобрать образцы для опреде-
ления ПГА и гликогена, осторожно добавьте 4-5
капель 37%-го раствора формальдегида пласти-
ковой пипеткой Пастера Добавлять раствор
формальдегида следует в вытяжном шкафу или,
по крайней мере, в хорошо проветриваемом ме-
сте После добавления немедленно закройте
пробирки и держите их закрытыми до добавле-
ния образцов Всегда надевайте перчатки и об-
ращайтесь с использованными материалами, за-
грязненными формальдегидом, как с химиче-
скими отходами, в соответствии с правилами
местной лаборатории
Откалибруйте все измерители (pH, РК и термо-
метр) не более чем за 24 ч до пр сведения испыта-
ний и храните электр о д/датчики в соответствую-
щих растворах до проведения испытаний, следуя
конкретным рекомендациям соответствующего
производителя и.пи поставщика, п убедитесь, что
показания являются надежными
Следует помнить, что каждый взятый образец
требует постоянного внимания, надлежащего
обращения и хранения до момента отбора сле-
дующей пробы (табл 2 2.2).
of 346
44
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Таблица 2.2.2. Предложения по содержании и хранению образцов для аналитического определения иссле дуемого параметра
Парам «яры, связанные с УБУФ	Материал контейнера для образцов	Метод сохранения	Максимальное рекомендуемое время между отбором проб, ранением и анализом
БПК общее	Плас тик и ли стекло	Охладить до 1 -5 ° С; ил и зам орозитъ до -20 °C и ’-ран игь в темном месте	24 ч для образцов при 1-6 °C; де 1 мес. для замороженных
Растворенное БПК	Пластик и ли стекло	Сразу после отбора пропустить через фильтр с размером пор 0,45 мкм и охладить до 1-6 °C; или заморозить до -20 °C и ранить в теми ом м есте	24 ч для образцов пр и 1 -6 °C, до 1 мес для замороженных
ХПК общее	Пластик и ли стекло	Охлад ить де 1 -6 ° С, ил и до бавить концентрированную HjSO* для понижения pH до 1-2, заморозить до -20 °C и тратить стемномместе	24ч для образцов при 1-6 °C. до 6 мес. для замороженных об разцов,)рэнящи>ся в теми ом месте
Растворенное КПК	Пластик и ли стекло	Сразу после отб. ора прот^стить мере фильтр с размером пор 0,45 мкм и охладить др 1-6 °C	24 ч для образцов при 1-6 °C, де 6 мес для заморожен пых об оаз цов, траняи^хзя в теми ом месте
ЛЖК	Пластик и ли стекло	Сразу после отб ора пропаклить че рез филь тр с раз мерой пор 0,45 мкм и охладить до 1-6 °C; или добавить концен- трированную Н jSCu для понижения pH до 1-2, заморозить до -20 °C и ранить в теми ом месте	24 ч для образцов при 1-6 °C; др 6 мес для заморожен ных об раз цзв, 4-анящрхя в теми ом месте
Общее со держание F	П лапик£чекло, промытые кислотой (0,1 МНС)	Добавить концентрированную HjSCu для понижения pH до 1-2 и заморозить до-2(i °C	6 мес.
РС'4.	ПластикЛтекли, промытые кислотой (0,1 МНС)	Сразу после отб ора пропустить че рез фильтр с раз пером пор 0,45 мкм и охладить до 1-6 °C	24 ч
ГН*	Пластик и ли стекло	Сразу после отб ора пропустить че рее фи ль тр с раз мерой пор 0,45 мкм и охладить до 1-6 °C; или добавить концен- трированную Н;ЗСч для понижения pH до 1-2, заморозить до -20 °C и ранить в теми ом месте	24 ч для образцов при 1-6 °C; де 21 сут для замороженных образцов, хранящихся в теми ом месте
NO,	Плас тик и ли стекло	Сразу после отбора пропустить черес фильтр с размером пор 0,45 мкм и охладить до 1-6 °C	24 ч
	Плас тик и ли стекло	Сразу после отбора пропилить через фильтр с размером пор 0,46 мкм и охладить до 1-6 °C, или добавите конден- трированную HjSO* для понижения pH до 1-2, заморозить, до -20 °C и ранить в теми ом м есте	24ч для образцов при 1-6 °C, 7 сут для замороженных образцов, ранящихся в теми ом месте
ПГА	Пластик	После соответствующей процедуры отбора проб (см разд. 2.2.25) ранить при-20 °C или -80 °C лиисрили зирсеанные образце- можно хранить при -20 °C или -80 °C	До 6 мес
Гликоген	Пластик и ли стекло	После процедуры отбора проб (см. разд. 2.2.2.5) хранить при -20 °C, после переработки хранить при -20 °C	До б мес
Взвешенные вещества (деза ила)	Л лас тик и ли стекло	Охладить де 1-6 ° С	2 сут
Летние взвешенные вещества (беззольное вещество ила)	Плас тик и ли стекло	Охлад ите де 1-6 ° С	24ч
223.5.	Подготовка активного ила
Выполнение тестов на активность по описанным вы-
ше методикам производится сразу после отбора проб
из лабораторных или производственных установок
или, в крайнем случае, в течение 24 ч. Выполнение
испытаний более чем через 24 ч после отбора проб
активного ила не рекомендуется из-за потенциальных
изменений, которые могут произойти с культурой
УБУФ во время хранения. Принимая во внимание
предыдущие комментарии, для подготовки образцов
активного ила к выполнению тестов на активность
рекомендуется провести три процедуры
• Если тесты на активность могут быть выполнены
менее чем через 1 ч после отбора проб ила, и ес-
ли образец не нуждается в промывке:
а Отрегулируйте температуру биореактора пе-
риодического действия где будут проводить-
ся испытания до заданной температуры ис-
следования.
Ь Отберите ил
1 В конце аэробного реактора или этапа для
выполнения исследований в анаэробных
условиях
й. В конце анаэробного этапа или реактора
для проведения исследований в бескисло-
родных или аэробных условиях
с. Перенесите образец ила в биореактор или
ферментер, где будут проводиться испытания
на активн ость
d Добавьте раствор ATM (если это необходимс
для испытания) в конечной концентрации
не выше 20 мг/л (см. разд. 2 2.3 3).
е. Начните о crop о жн о пер емешивать (5 0-100 о б/мин)
и следите за температурой образца иля по-
местив внешний термометр внутрь биореак-
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
4i
тора (если установка не имеет встроенного
тер мо метр а)
f Продолжайте перемешивать, пока ил не до-
стигн ет з ад анн и й те мп ер ату р ы и с сл едо в ани я.
g Поддерживайте окислительно-восстановитель-
ные условия которые были во время отбора
пока тесты на активность не будут готовы
к запуску
i. Избегайте аэрации образцов, отобранных
в ан аэр о бных усл ов иях И гп о льз уйте гер -
мегичный биореактор и газообразный
азот для барботирования чтобы исклю-
чить поступление кислорода.
п Избегайте аэрации образцов, собранны::
в бескислородных условиях
in. Желательно добавлять раствор нитрата до
концентрации около 10 мг NOj-N/л для
сохранения бескислородных условий при
перемешивании
iv. Аэрируйте образцы иля отобранные
в аэробном резервуаре или в аэробных
условиях, поддерживая концентрацию рас-
творенного кислорода выше 2 мг/л.
11. Ил для проведения анаэробных периодиче-
ских испытаний если в аэробных образцах,
отобранных для проведения таких испытаний
(см разд. 2.2.2.3), обнаружен нитрат, аэра-
цию необходимо прекратить и образец ила
следует осторожно перемешивать до тех пор,
пока результат теста на наличие нитрата не
станет отрицательным Как только нитрат
прекратил определяться необходимо немед-
ленно использовать ил для проведения тестов
на анаэробную активность Для быстрой
оценки присутствия нитратов или нитритов
можно использовать специальные полоски
(Sigma-.Aldrich)
1 Ил можно использовать в течение 1 ч после
отбор а для проведения испытаний в условиях
бескислородной и аэробной активности
• Если тесты на активность возможно провести
менее чем за 1 ч после отбора проб иля то обра-
зец необходимо промыть
а. Установите температуру в биореакторе пери-
одического действия где будут проводиться
испытания на уровне заданной температуры
исследования. Отберите ил в конце аэробного
резервуара или этапа
b Промойте ил в минеральном растворе
(см разд 2 2 3 3) следующим образом:
г Отделите биомассу с помощью отстаи-
вания или мягкого центрифугирования
(2000-3000 об/мин в течение 5 мин)
и осторожно удалите объем надосадоч
ной жидкости, избегая потери биомассы.
п Замените обьем надосадочний жидкости
тем же объемом питательного раствора
и аккуратно перемешайте в течение
5 мин
in. Повторите предыдущую процедуру про
мывки как минимум еще ''дин раз
iv После последнего цикла промывки отде-
лите биомассу путем отстаивания или
мягкого центрифугирования (2000-3000
об/мин в течение 5 мин) и ресуспенди-
руйте ил в объеме, равном объему ранее
добавленного минерального раствора
v Промытый образец должен иметь ту же
концентрацию взвешенных веществ, что
и в лабораторной или производственной
системе, из которой он был взят Опреде-
лите и отрегулируйте обьем минерально-
го рас творя добавленного для ресуспен-
дирования промытого иля чтобы достичь,
той же концентрации ЕВ, что и в исход-
нсмисточнике.
с. Перенесите отмытый образец ила в биореак-
тор или ферментер, где будут проводи шея
и с пыт ани я н а активн о сть
d Добавьте раствор ATM (если это необходимо
для испытаний) до концентрации 20 мг/л
(см разд 2.2 3 3).
е. Начните перемешивать (50-100 об/мин) и сле-
дите за температурой образца ила поместив
внешний термометр внутрь биореактора (если
установка не оснащена встроенным термо-
метром)
£ Пр од о л жайте п ер емешив атъ д о мо мен та п ри -
обретения илом заданной температуры ис-
следования и пребывания при этой темпера-
туре в течение как минимум 30 мин
g. Начните аэрировать образец иля поддержи-
вая концентрацию растворенного кислорода
не ниже 2 мг/л, одновременно обеспечивая
осторожнее перемешивание, пока не начнет-
ся тест на определение активности.
h. Из-за воздействия на ил условий с наличием
и отсутствием аэрации рекомендуется исполь
зоватъ этот ил только для проведения тестов.,
которые начинаются с анаэробной фазы (анаэ-
робно-(аноксидно)-аэробной) Выполнение те-
стов на активность, которые начинаются с бес-
кислородной или аэробной фазы, не рекомен-
дуется, т. к. этапы промывки могут уменьшить
содержание внутриклеточного ПГА и поли-Р
из-за условий во время про мывки
• В случае удаленности или других обстоятельств,
когда тесты невозможно выполнить менее чем за
1 или 2 ч после отбора проб, но можно выпол-
нить в течение 24 ч:
а Установите температуру биореактора на уров-
не заданной температуры исследования
Ь. Держите образец ила в холоде до тех пор, по -
ка не будет начато выполнение испытания
(например, поместив ведро или канистру
в холодильник при 4 °C), избег ая аэрации об-
разца и ла
с Перед выполнением теста выньте образец
ила из холодильника или охлаждающей ка-
меры
d Аккуратно перемешайте содержимое, чтобы
получить гомогенный репрезентативный о бра-
rtuiuridiK zuur^
of 346
41
зец с такой же концентрацией взвешенных ча-
стиц, каки в исходной лабораторной системе
е Если образец необходимо промыть, исполь-
зуйте минеральный раствор, как описано выше
(см разд 2.2.3.3) следующим образом (в про-
тивном случае, пропустите этап промывки)
1 Отделите биомассу путем отстаивания
или мягкого центрифугирования
(2000-3000 об/мин в течение 5 мин)
и осторожно удалите объем надо сад оч-
ной жидкости, избегая потери биомассы
и Замените объем надо садочной жидкости
тем же объемом питательного раствора
и аккуратно перемешайте в течение
5 мин.
nt. Повторите процедуру промывки как ми-
нимум еще один раз
iv После последнего цикла промывки отдели-
те биомассу путем отстаивания или мягкого
центрифугирования (2000-30011 об/мин в те-
чение 5 мин) и повторно гомогенизируйте
ил в том же объеме, что и ранее добавлен-
ный пи тате льный р аствор
V. Поскольку промытый образец должен
иметь ту же концентрацию взвешенных
веществ, что и ил в лабораторной или
производственной установке, из которой
он был взят, определите и добавьте объем
минерального раствора для получения той
же концентрации взвешенных веществ,
что и в исходном источнике
f. Перенесите промытый ил в биореактор или
ферментер, где будет проводиться тест
g Добавьте раствор ATM до конечной концен-
трации 20 мг/л (см. разд 2.2.3.3)
h Начните аэрировать образец ила, поддерживая
концентрацию растворенного кислорода выше
2 мг/л, при этом осторожно перемешивая
1 Следите за температурой образца ила, поме-
стив внешний термометр внутрь биореактора
(если установка не оснащена встроенным
тер мо метр ом)
j Продолжайте азраиию и перемешивание
не менее 1 ч (макс 2 ч), но убедитесь, что ил
имеет температуру, равную заданной темпе-
ратуре исследования, в течение не менее
30 мин
к Если после процедуры настройки темпера-
туры обнаружен нитрат (см. разд 2 2.2 3),
аэрацию необходимо прекратить Аккуратно
перемешивайте до тех пор, пока нитрат не
перестанет определяться в растворе После
этого ил можно сразу использовать для за-
пускай проведения теста анаэробной фазы.
1. Если образец прошел промывку, рекомендует-
ся использовать этот ил только для проведе-
ния тестов на активность, которые начинаются
с анаэробной фазы (например, анаэробно
(аноксидно)-аэробной), поскольку промывка
может уменьшить содержание внутриклеточ-
ного ПГА и поли-Р Таким образов анаэроб-
ЭКСПЕРИМЕНТАЛьНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
ная стадия всегда необходима для пополнения
содержания ПГАв биомассе'
2.2.4. Тесты на активность: выполнение
Как только экспериментальная установка, матери а
лы, растворы и активный ил будут готовы, можно
приступать к проведению соответствующего теста
на активность План экспериментального исследо
вания необходимо подготовить заранее для облегче-
ния его выполнения в ходе теста, а также для реги-
страции и архивирования данных. В табл 2.2.10
представлен шаблон для составления плана реали-
зации эксперимента, который можно использовать
с необходимыми модификациями для выполнения
каждого из тестов, описанных в следующих разде-
лах Из-за специфического метаболизма культур
УБУФ тесты на их активность могут варьироваться
от анаэробного до аноксидногс и аэробного, вклю-
чая различные их комбинации, в зависимости от
цели и задач теста Таким образом, в данной главе
описаны следующие тесты на активность УБУФ
Номер ко да теста	Окислите льно -восстановительные условия
УБУФАНА.1	Анаэробные
Выполняется при отсутствии внеинего источника углерода для оценки эндо- темной анаэробной поддерживающей активности культур /БУФ	
У БУ ФАНА 2	Анаэробные
Выполняется после добавления определенной концентрации углерода для определения максимальной анаэробной активности культур УБУФ	
У БУФ ДНА.3	Анаэробные
Осяествляется после добавления источника углерода в избытке для оценки максимальной фтивногти культур УБУФв условияхнеограниченного содержа- ния углерода	
УБУФАНиКСТ	Анокиидные
Выполняете я с образцами активного ила, отобранными в конт^ анаэробной ступени	
У БУФ АНОНС 2	Комбинированные анаэробно -ан окт и дные
днаиробно-аноксидное испьпание проводится с илом, о собранным в конце аэробной ступени	
УБУФЯЭР1	Аэробные
Выполняется с илом, отобранным в конце анаэробной или бет кислородной ступени для оценки аэробной активности УБУФ	
УБУФАЗР2	Комбинированные анаэробно -ан оксидные
Анаэробно-аэробное испьпание проводится с илом, отобранным в конце аэробной ступени	
V БУФ АУР 3	Комбинированные анаэробно -ан окти дно- а оробные (последовательно)
Анаэробно-анокгидно-ээробноетестирование проводится с илом, отобран тым в конце аэробной ступени, для оценки последовательных анаэробны^ анок- сидныки аэробных активностей УБУФ	
УБУФАЗР4	Комбинированные анаэробно ан сксидно- т оробные (параллельно) испьтания
После общей анаэробной ступени параллельно выполняются одно аноксидное и   дно а эр об ное тестирование с одним и тем же илом аноьсидн ой и аэробно и активности УБУФ для ссп оставления	
1 При хранении ила лучше испапьзовзть ип после аэробной сту-
пени и начинать исследование с анаэробных условий (прим, ред.)
of 346
ОПРВДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
47
2.2.4.1. Анаэробные тесты активности УБУФ
Продолжительность анаэробного теста может состав-
лять от 1 до 8 и более часов. Биомасса чувствительна
к pH и температуре, поэтому испытания следует про-
водить при заданны:: значения:: этих параметров, из-
бегая колебаний В ходе испытания необходимо обес-	Ь
печитъ отсутствие акцепторов электронов (молеку-
лярный кислород, нитрат или нитрит) (например,
тестирование при действительно анаэробных услови
ях). Чтобы избежать или свести к минимуму поступ-
ление кислорода, рекомендуется использовать герме-
тичные реакторы/ферментеры и при возможности
непрерывно барботировать газом П2 на протяжении
всего испытания Для удаления нитрата из образца во
время его подготовки необходимо добавить ATM (до
аэрации образца), затем ил можно осторожно переме-
шать в течение нескольких мин^т, чтобы удалить весь с-
остаточный нитрат В зависимости от цели теста на
анаэробную активность, доступность и присутствие
доноров электронов могут варьироваться В настоя-
щее время широко р ас пр о стр ан ены следующие тесты:
1 Тест УБУ Ф. АН А. 1. Выполняется при отсут-
ствии внешнего источника углерода для оценки
эндогенной анаэробной поддерживающей актив
ности культур УБУФ
2 Т ес т У Б У Ф. АН А.2. Вып о лняетс я п о еле до бавл е -
ния определенной концентрации углерода (кото-
рый должен быть полностью потреблен в ходе
анаэробного испытания), он позволяет определить
е
максимальную скорость поглощения углерода
и выделения фосфора, константы полунасыщения
для поглощения углерода и связанной с ним анаэ-
робной стехиометрии, такой как отношение вы-
свобождающегося фосфор а к углероду
3. Т ег т У БУ Ф. АН А .3. Вып о л няется после до бавл е -
£Т
ния источника углерода в большей концентрации,
чем культур а УБУФ может потреблять в ходе ис-
пытания; тест позволяет оценить максимальную
концентрацию высвобождаемого фосфора и мак-
симальную концентрацию углерода, которую мо-
гут потреблять культуры УБУФ в условия:: нели-
митированного поступления углерода
Поскольку присутствие и тип источника углеро-
да играют важную роль в процессах УБУФ. отбор
и подготовка ила имеют большое значение Такие
тесты рекомендуется выполнять с активным илом
отобранным в конце аэробной ступени, что позво-
лит минимизировать присутствие первоначального
источника углерода и/или после выполнения про-
цедурыпромывки Таким образом в зависимости от
наличия и доступности внешнего источника углеро-
да предлагаются следующие методики выполнения j
анаэробных тестов
Те ст УБ УФ. АН АЛ. Анаэробные тесты УБУФ выполненные
в отсутствие донора электронов
а После того как ил будет отобран, подготовлен
и перенесен в биореактор (см разд. 2 2.3.5), об-
разец необходимо проаэрировать в течение ми-
нимум 30 мин, убедившись, что pH и температу-
ра соответствуют заданно ж значению. В ином
случае необходимо установить соответствующие
заданные значения (используя автоматические
регуляторы pH и температуры) или отрегулиро-
вать параметры вручную и дождаться уставов
ления стабильных условий
Как только такие условия работы достигнуты, за
20 мин до начала испытания берутся первые образ-
цы жидкой фазы и биомассы, чтобы определить
начальные концентрации исследуемых параметров
источника углерода общих концентраций фосфо-
ра РО«, взвешенных веществ и летучих взвешен-
ных веществ в иловой смеси Для оценки анаэроб-
ных стехиометрических превращений также можно
отобрать образцы для определения ПГА и гликоге-
на. Рекомендуется взять образцы среды для про-
верки начальных концентраций
Для отбора проб подключите шприц, откройте
лабораторный зажим или клипсу, закрывающую
отверстие для отбора проб, затем потяните
и ТС'л книге шприц несколько раз, пока не будет
получен однородный образец (обычно требуется
иколо 5 раз). Тогда шприц заполнен, закройте
зажим и уберите шприц
Образцы для определения растворимых компо-
нентов необходимо немедленно пропустить че-
рез фильтр (с размером пор 0,45 мкм). Другие
образцы (например, ПГА, г.ли ко ген) нужно под
готовить в соответствии с протоколами, описан-
ными выше в данн ой главе
Во время выполнения теста образцы следует
выдерживать при 4 °C в холодильнике или, что
предпочтительно, в охлаждающем контейнере
со .льдом
За 10 мин до начала теста прекратите аэрацию
и закройте биореактор
По возможности начните барботировать газом
N2 и продолжайте до окончания контактного
эксперимента. Обеспечьте достаточный отвод
для газа Nj и избегайте создания избыточного
давления которое может привести к расплески-
ванию и потере биомассы. При отсутствии воз-
можности поддерживать постоянное барботиро-
вание газом N2 в течение всего теста минималь-
ное время барботирования составляет 10 мин
(в качестве альтернативы можно использовать
другой подходящий газ для вытеснения присут-
ствующего кислорода и предотвращения его
проникновения), после чего следует держать
биореактор в герметичных условиях.
Начните выполнение анаэробного теста в «нуле-
вой мсмент времени». Следите за временем вы-
по лнения с помещью секундомера.
Продолжительность и отбор проб
1 Если в результате теста необходимо о пр еде
лить только скорость анаэробного эндогенно-
го высвобождения фосфора, то допустимая
продолжительность теста составляет 1 ч или
максимум 2 ч с непрерывным отбором образ-
цов каждые 15 мин для определения FO4, вы-
свобождаемого биомассой (ФАБ) при отсут-
ствии внешнего углерода
of 346
4:
ii. При оценке степени анаэробного превраще-
ния эндогенного гликогена и стехиометриче-
ских превращений, выполнение тестов реко-
мендуется продлить ди би 8 ч Образцы для
определения РО4 следует отбирать каждые
30 мин вместе с образцами для определения
ПГА и гликогена.
nt Завершите анаэробный тест с отбором образ-
цов для определения показателей ХПК, об-
щего содержания фосфора, РО4, взвешенных
веществ (дозы ила) и беззольной части взве-
шенных веществ, а также ПГА и тликогена
(при необходимости)
1 Убедитесь, что во время выполнения теста
не происходит значительных колебаний темпе-
ратуры и pH (более 1 °C или ±0,1 для температу-
ры и pH, соответственно), и что показатели РК
остаются ниже пределов обнаружения Проверь-
те, чтобы все используемые электроды были от-
калибр jваны незадолго до выполнения теста.
к Организуйте отбор проб и убедитесь, что все они
отобраны в полном объеме и прагильно марки-
рованы, во избежание путаницы и других триви-
альных ошибок.
1 До выполнения анализа с побранные образцы сле-
дует хранить в соответствии с рекомендациями
m Очистите устройство (ферментер) и примите
соответствующие меры для сохранения и защи-
ты установленных датчиков, оборудования и ма-
териалов
п Сохраните часть ила, использованного в тесте,
для возможного дальнейшего применения (для
идентификации микроорганизмов см гл 7 и 8).
Тест УБУФ.АНА?. Анаэробные тесты УБУФ. выполненные
с добавление но греде ленного количества донора электронов
а Повторите шаги «а»—«g» из теста УБУФ AHA 1
b Для анаэробных тестов, пр сводимых в присутствии
внешнего источника углерода (дс нор а электронов),
выполнение теста начинается в «нулевое время»
с добавлением реалтных или синтетичес ких сточ-
ных вод (в виде раствора источника углерод а)
с. Для выполнения тестов в зависимости от проис-
хождения образцов ила предлагаются следую-
щие концентрации летучих взвешенных веществ
и легко биоразлагаемого ХПК
i.	Образцы ила из производственной установки
добавьте источник легко биоразлагаемого
ХПК, чтобы достичь начального отношения
его к беззольному веществу (ЛВВ) в биоре-
акторе от 0,025 до 0,050 мг ХПК/мг ЛВВ.
Например, смешайте источник легко биораз-
лагаемого ХПК со свежим актьным илом
таким образом, чтобы начальная концентра-
ция его в биореакторе составляла от 50 до
100 мг ХПК/л, а начальная концентрация
ЛВВ составляла около 2000 мг ЛВВ/л Низ
кое соотношение легко биоразлагаемого
ХПК к ЛВВ является предпочтительным для
обеспечения потребления такого ХПК в ходе
анаэробного теста
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
ii Образцы активного ила из лабораторных
установок: источник легко биоразлагаемого
ХПК может добавляться для достижения
начального его отношения к ЛВВ в биореак-
торе равного от 0,05 до 0,10 мг ХПК/мг ЛВВ
Например, начальные концентрации легко
биоразлагаемого ХПК и ЛВВ после переме-
шивания могут составлять от 100 до 300 мг
ХПК/л и от 2000 до 3000 мг ЛВВ/л, соответ-
ственно Могут пр и менять, с я также более вы-
сокие концентрации ХПК, если ХПК полно-
стью потребляется в ходе анаэробной ступе-
ни Однако следует избегать концентраций
ХПК выше, чем 800 мг ХПК/л, поскольку это
может оказывать ингибирующее воздействие
на биомассу (личные наблюдения автора).
d После добавления сточных вод (источника угле-
рода) следите за временем выполнения и отбора
проб с помощью секундомера
е. Продолжительность и отбор проб.
f Продолжительность теста может составлять от
2 до 4 ч
1	Для определения анаэробных кинетических
параметров образцы для измерения раствори-
мых ХПК и РО4 следует отбирать каждые
5 мин в течение первых 30^40 мин выполне-
ния теста По истечении этого периода частоту
отбора образцов можно уменьшить дс 10 или
15 мин в течение следующего часа, а затем -
каждые 15 или 30 мин до завершения теста
и При исследовании анаэробного кинетическо-
го преобразования ПГА и гликогена образцы
следует отбирать одновременно с образцами
для определения ХП К и РО4
in Для оценки стехиометрических преобразо-
ваний образцы для определения ПГА
и гликогена необходимо отбирать в начале
ив кснце теста.
1V.	До окончания теста добавьте дополнительную
концентрацию ХПК Подождите 10-15 мин
и отберите последнюю пробу для определения
ХПК и РО4 Отсутствие поглощения дополни-
тельного ХПК и выделения Р поможет под-
твердить, что тест действительно выложился
при неогр аниченных условия:: по ХПК
V.	Завершите анаэробный тест с отбором образ-
цов для определения источника углерода
и/или ХПК (по желанию, в зависимости от ис-
следуемых параметров), общих концентраций
фосфора РОф взвешенных и летучих взве-
шенных веществ в иловой смеси, а также для
ПГА и гликогена (если исследуется)
g Повторите ш аги «)»—«п» из теста УБУФ АН А 1
Тест УБУФ АН Д.1. Анаэробные тесты УБУФ, выполненные
гос ле добавления донора элекпэоков в избыттв
а П ов тор ите ш аги «а» -« g>; из т е ста УБУ ФАНА 1
b Для анаэробных тестов, проводимых в при су-
сгвии внешнего источника углерода (донора
электронов), выло ж ение теста начинается в «ну-
левое время» с добавлением реальных или син-
of 346
ОПРВДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
4!
тетических сточных вод (в виде раствора ис-
точника углерода)
с. Для выполнения тестов в зависимости от проис-
хождения образцов ила предлагаются следую-
щие концентрации ила по беззольному веществу
и легко биоразлагаемого ХПК:
i. Образцы ила из натуральных систем активно-
го ила: выполните анаэробные тесты с исход-
ным соотношением легко биоразлагаемого
ХПК и беззольного веществаилав биореакто-
ре выше 0,15 мг ХПК/мг ЛВВ после смешива-
ния источника углерода с илом Например, для
образцов илз с концентрацией ЛВВ около
2000 добавьте 300 мг ХПК/л интересующего
источника легко биорзелатаемого ХПК. До-
пускается добавление более высоких концен-
траций, ни следует избегать превышения
800 мг ХПК/л, поскольку в таких случаях бы-
ло обнаружено ингибирующее воздействие на
культуры УБУФ (личное наблюдение автора).
Если весь легко биоразлагаемый ХПК по-
глощен, его можно добавлять, пока при по-
глощении не появится остаток Мониторинг
профиля концентрации РО4 во время выпол-
нения теста можно использовать в качестве
косвенного метода для опенки достижения
максимальной способности ила по удале-
нию/поглощению легко биоразлагаемого
ХПК Такой метод может применяться, если
после дополнительной дозы источника легко
биоразлагаемого ХПК не наблюдается значи-
тельного увеличения концентраций РО4 (на-
пример, менее чем 2-3 мг РО4-Р/л в течение
30-60 мин, что соответствует анаэробному
эндогенному выделению фосфора).
11 О бр авцы и л а из лаб ор ато рных установок: ан а-
логично образцам ила с производственных
установок применяется начальное соотноше-
ние легко биоразлагаемого ХПК и беззольного
вещества ила в биореакторе, превышающее
0,2 мг ХПК/мгЛВВ (после перемешивания
источника ХПК и ила). Лабораторные культу-
ры, особенно из систем УБУФ, обладают зна-
чительной способностью удаления легко био-
разлагаемого ХПК, что может потребовать до-
бавления ХПК более двух раз, до прекращения
его потребления Например, для образцов ила
с концентр ацией ЛВВ от 2000 до 3000 мг/л
добавьте не менее 400 мг ХПК/л интересую-
щего источника легко биоразлагаемого ХПК,
но не превышая 800 мг ХПК/л (из-за потенци-
ального ингибирующего воздействия на куль-
туры УБУФ) При полном потреблении легко
би:разлагаемого ХПК можно увеличить его
объем до обн4)ужения остаточного ХПК Мо-
ниторинг профиля концентраций РО4 во время
выполнения теста может использоваться
в качестве косвенного метода для оценки до-
стижения максимальной способности ила по
удалению легко биоразлагаемого ХПК Такой
метод может применяться если после допол-
нительной дозы источника легко биоразлагае-
мого ХПК не наблюдается значительного уве-
личения концентраций РО4 (например, менее
чем 2-3 мг РО4-Р/лв течение 30-60 мин).
d Начните отслеживать время выполнения испы
тания с помощью секундомера сразу после до-
бавления сточных вед (источника углерода).
е. Продолжительность и отбор проб:
i. Испытания могут длиться более 2^4 ч для
образцов из реальньЕ: систем и даже дольше
при исследовании лабораторных систем в за-
висимости от содержания полифосфатов
и гликоген а в биомассе
и Для нахождения анаэробных кинетических
параметров для определения источника угле-
рода и/или ХПК (в зависимости от исследуе-
мых параметров) и РО4 пробы необходимо
отбирать каждые 5 мин в течение первых
30 мин выполнения теста. По истечении это-
го периода частота отбора проб может сни-
зиться до 1 раза каждые 10 или 15 мин в те-
чение первого последующего часа, а затем-
до 1 раза каждые 15 или 30 мин до заверше-
ния теста.
iii При исследовании анаэробных кинетических
превращений ПГА и гликогена образцы мо-
гут быть собраны одновременна с образцами
для определения источника углерода и/или
ХПК и РО4.
iv Для стехиометрических превращений образ-
цы для определения ПГА и гликогена необ-
ходимо отбирать в начале и в конце теста.
v Перед окончанием испытаний добавьте до-
полнительную концентрацию ХПК Подожди-
те 10-15 мин и возьмите последний образец
для определения ХПК и Ри4 Если дополни-
тельного поглощения ХПК и выделения фос-
фора не наблюдается это служит подтвержде-
нием того, что тест проводился в условиях без
огр аничения ХПК.
Vi Завершите анаэробный тест с отбором образ-
цов для определения источника углерода
и/или ХПК концентраций общего фосфора Р,
РО4, взвешенных и летучих взвешенных ве-
ществ, а также ПГА и гликогена (если при-
менимо).
f Повторите ша1и «j»—«п» из геста УБУФ.АНА 1
2242, Ан оксидные тесты УБУФ
Ан оксидные тесты УБУФ проводятся для оценки
одновременного удаления ортофосфата и нитрата
(или нитрита) с помощью ФАБ Они могут быть
выполнены с образцами активного ила из произ-
водственных или лабораторных установок с ис-
пользованием реальных или синтетических сточ-
ных вод/растворов Важнс, чтобы биомасса УБУФ
имела достаточное количество накопленного внут-
риклеточного ПГА, доступного для использования
в качестве источника углерода и энергии для по-
of 346
SO
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
глощения фосфора, образования гликогена, роста
и поддержания биомассы при воздействии бескис-
лородных условий (см рис 2.2 1) В любом случае
не следует добавлять внешний источник углерода. е.
Образцы ила могут быть отобраны в конце анаэроб-
ной ступени или фазы, если легко биоразлагаемый
ХПК полностью поглощен (и, следовательно, отсут-
ствует в активном иле). Чтобы обеспечить наличие
ПГА, настоятельно рекомендуется избегать про-
мыеки активного ила или биомассы между отбором
(хранением) ила, отобранного в конце анаэробной
ступени, и началом испытания При исключитель-
ных обстоятельствах (например, предполагаемое
присутствие токсичных соединений) образцы ак-
тивного ила следует промывать только при создании
строго анаэробных условий, что на практике являет-
ся сложной процедурой Вместо этого образец ила
мсжно отобрать в конце аэробной ступени с про-
мывкой в аэробных условиях В этом случае анок-
сидный тест УБУФ должен начаться с предше-
ствующего анаэробного теста с определенным до-
бавлением донора электронов (аналогичнс тесту
УБУФ АН А. 2, описанному в разд. 2.2.4.1). Таким
образом, предлагаются следующие тесты на анок-
сидную активность:
1	I егт УБУ Ф.АНОКС.1. Простой ан оксидный тест
УБУФ, выполненный с образцами активного ила
отобранными в конце анаэробной ступени
2	Тест УБУ Ф. АН О КС .2. Комбинированный анаэ-
робно - ан о кси дный те ст УБУ Ф Ан ок си днь тй те ст
УБУФ проводится после предшествующей анаэ-
робной фазы с илом, отобранным в конце аэроб-
ной ступени
Описание каждого теста представлено ниже.
ТестУБУФ АНОКС.1 Простои ано№ИД1ЫЙ тестУБУФ
а В конце анаэробной ступени отберите образец
ативного ила из производственной или лаборатор-
ной установки Подготовьте и перенесите его
в биореактор периодического действия как описа-
но в разд 2.2 3 5 Выдержите образец в анаэроб-
ных условия: не менее 30 мин. убедившись, что
pH, РК и температура соответствуют заданным
значениям; в противном случае отрегулируйте
и дождитесь установления стабильных условий
b Повторите шаги «Ь»—«е» из теста УБУФ AHA 1
с Если возможно, барботируйте газом N2 непре-
рывно до конца теста. Обеспечьте достаточный
отвод для газа N2 и избегайте создания избвп оч-
ного давления При невозможности барботиро-
вания газом N2 в течение всего тестя необходи-
мо поддерживать процесс барботажа в течение
10 мин (в качестве альтернативы можно исполь
зовать другой подходящий газ для удаления при-
сутствующего кислорода и предотвращения его
проникновения), а затем обеспечить герметич-
ность биореактора.
d Начните выполнение бескислородного теста
УБУФ в «нулевое время) с добавлением нитрата
или нитрита (в зависимости от интересующего
конечного акцептора злектр'онов). Во избежание
прсниьновения кислорода должны применяться
те же условия эксплуатации, что и для анаэроб-
ных испытаний (см Тест УБУФ.АНА 1)
Продолжительность и отбор проб для аноксид-
ного тестаУБУФ
1 Ан оксидный тест УБУФ может длиться от 2
до 4 ч
и. В зависимости от конечного акцептора элек-
тронов
Днсксцдный тест УБУФ, выполненный с нитратом (NOг)
в качестве тонемного акцептора зл еигронов:
Для образцов активного илд подвергающих-
ся воздействию с исполвзованием нитратов,
вначале бескислородной стадии можно до-
бавить до 20 мг МО3-М/л. Добавлять более
20 мг NOj-N/л в образцы активного иля ко-
торые не подвергаются регулярному воздей-
ствию высоких концентраций нитратов,
не рекомендуется. При поглощении всего
ни1рата можно (рекомендуется) добавить
еще 20 мг NOj-N/л для продления аноксид-
нсй стадии до наступления дальнейшего по-
глощения фосфсра
Ансксщный тест УБУФ, выполненный с нитритом (N02’)
в качестве конечного акцептора электронов
Обычно образцы акптвного ила не подверга-
ются воздействию высоких концентраций
нитритов В исключительных случаях ил мо-
жет быть приспособлен к присутствию этого
акцептора электронов Таким образом, в об-
разцы активного иля подвергающиеся воздей-
ствию нигрита (приспособленные к его при-
сутствию), в начале бескислородной стадии
можно добавить до 20 мг ЫО2-М/л. С другой
стороны, в образцы активного ила, которые
не подвергаются регулярному воздействию
высоких концентр алий нитритов, не рекомен
дуется добавлять более 10 мг НО2-М/л. В по-
следнем случае при поглощении всего обьема
нитрата рекомендуется добавить еще 10 мг
NOa-N/л для обеспечения доступности акцеп-
тора электронов, а также продлить аноксид-
ную стадию до прекращения аноксидного по-
глощения фосфора.
iii. Поскольку аналитическое определение со-
держания нитратов или нитритов происходит
медленнее, чем требуется для мониторинга
их присутствия во время испытания можно
использовать полоски для обнаружения нит-
ратов и/или нитритов (Sigma-Aldrich) для
быстрой оценки их присутствия и концен-
трации (с определенной точностью), а также
для опенки наличия аноксидных условий
иьыяьления необходимости добавления до-
полнительного нитрата или нитрита.
iv Для оценки аноксидных кинетических пара-
метров образцы для определения источника
углерода (или растворимого ХПК, в зависи
мости от представляющего интерес аналити-
ческого параметра) и РО4 необходимо отби
рать каждые 5 мин в течение первых 30 мин
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
Л
выполнения теста По истечении этого пери-
ода частота отбора проб может снизиться до
1 раза каждые 10 или 15 мин в течение пер-
вого часа, а затем - до 1 раза каждые 15 или
30 мин до завершения теста.
v Если интерес представляет аноксидное кине-
тическое превращение ПГА и гликогена, об-
разцы можно отбирать одновременно с об-
разцами для определения РО4
vi Для оценки аноксидных стехиометрических
превращений образцы для аналитического
определения концентрации общего Р, Рй4,
NO3 (NO2 и ВВ и ЛВВ), а также ПГА и гли-
когена (если применимо) следует отбирать
в начален в конце ан оксидной фазы.
f. Завершите ан оксидный тест с отбором послед-
них образцов, необходимых для оценки анок-
сидных стехиометрических превращений
g Повторите шаги «р>-кп» из тестаУБУФ AHA 1.
ТестУЕУФ.АНОКС.1 Простой акоюидши тестУБУФ
а Повторите шаги «a»-«g» из теста УБУФ АН А 1
и шаги	из теста УБУФ АНА 2 Затем
продолжите выполнение аноксидной стадии
b Сразу после завершения анаэробной стадии
можно начинать выполнение зноксидного теста
УБУФ с добавлением нитрата или нитрита (тест
УБУФ'АНОКС.1, шаг «d»). Во избежание про-
никновения кислорода необходимо обеспечить
те же условия что и для анаэробных испытаний
(например, тестУБУФ AHA. 1)
с Продолжительность и стбор образцов для анок-
сидного теста УБУФ: повторите шаг «е» из теста
УБУФ' АНОКС 1
d П ов то р ит е ш аги «j»—« п» из те ст а УБУ Ф. АН А 1.
2.2.4.3. Аэробные тесты УБУФ
Аэробные тесты УБУФ могут выполняться для оцен-
ки поглощения ортофосфата фосфагаккумулирую-
щими бактериями в системах активного ила. В таких
тестах могут участвовать образцы активного ила из
производственных или лабораторных установок
с использованием реальных или синтетических сточ-
ных вод. Важно, чтобы биомасса УБУФ, подобно
аноксидным тестам на биологическое удаление фос-
фора (БУФ), имела достаточно накопленного внутри-
клеточного ПГА, доступного при воздействии аэроб
ных условий, в качестве источника углерода и энер-
гии для поглощения фосфора, образования гликогена
роста и поддержания биомассы (см рис. 2.2 1).
Для обеспечения доступности накопленного
внутриклеточного ПГА необходимо проводить
аэробные тесты (i) с образцами активного ила ото-
бранными в конце анаэробной или аноксидной сту-
пени (в зависимости от конструкции установки
очистки сточных вод), или (и) после проведения
анаэробного теста и перед приведением аэробного
теста В любом случае внешний источник углерода
не должен добавляться во время аэробной фазы.
Таким образом, образцы можно отобрать в конце
анаэробной ступени, если в растворе не присутству-
ет легко биоразлагаемый ХПК В качестве альтерна-
тивы аэробный гест можно выполнять в последова-
тельном режиме после ан аэробно-зноксидного теста
(УБУФ.АНОКС 1), приводящего к анаэробно-анок-
иидно-аэрибному тесту, или параллельно с аноксид-
ным тестом после выполнения анаэробного теста
(УБУФ АНА 2) rWachtaieister et al, 1997) Настоя-
тельно рекомендуется избегать промывки активного
ила или биомассы между отбором и хранением ила,
отобранного с анаэробной или аноксидной ступени,
и началом аэробного теста из-за уменьшения до-
ступного для окисления ПГА. Если биомасса нуж-
дается в промывке (например, из-за подозрения
в присутствии токсичных соединений), то анаэроб-
ный тест всегда следует выполнять перед аэробным
при определенном присутствии донора электронов
(УБУФ АНА.2). Таким образом, предлагаются сле-
дующие аэробные гесты УБУФ (с наличием анаэ-
робных или аноксидных стадий и без них)
1 Тест УБУФ.АЭР.1. Простой аэробный тест
УБУФ, выполненный с использованием ила,
отобранного в конце анаэробной или аноксидной
ступени, для оценки аэробной активности УБУФ
с использованием внутри клеточных полимеров,
хранящихся в исходном источнике ила.
2 Тест УБУФ.АЭР.2. Комбинированные анаэроб-
но-аэробные тесты УБУФ, проводимые для
обеспечения определенной концентрации внут-
риклеточного ПГА для удовлетворения потреб-
ностей в аэробном метаболизме с использовани-
ем ила, отобранного в конце аэробной ступени.
3. Тест УБУФ.АЭР.З. Комбинированные ан аэроб-
но-ан ок сиди о-аэробные тесты УБУФ в серии,
проводимые с использованием ила, отобранного
в конце аэробной ступени, для оценки последо-
вательных анаэробных, аноксидных и аэробных
активностей УБУФ после обеспечения опреде-
ленной концентр ации ПГА внутри клеток.
4 Тест УБУФ.АЭР.4. Кс мбинированные ан аэроб-
но-ан ок сидн о-аэробные тесты УБУФ, выполня-
емые параллельно с использованием ила, ото-
бранного в конце аэробной ступени, чтобы оце-
нить аноксидную и аэробную активность УБУФ
параллельно после анаэробной фазы. Поскольку
анаэробный тест является обычным явлением,
вначале аноксидных и аэробных тестов содер-
жание полимеров, накапливающихся внутри
клеток ила, одинаково, поэтому как аноксидную,
так и аэробную активность УБУФ можно срав-
нивать друг с другом, а в некоторых случаях да-
же проводить параллельно (обычно применяется
более опытными исследователями).
Тест УБУФ АЭР.1. Простой а эре б ши тестУЕ УФ
а Отберите ил на анаэробной или аноксидной сту-
пени, следуя рекомендациям по отбору проб
и приготовлению актив, но го ила, описанным
в разд 2.2.3 5 Важно отметить, что простые
of 346
il
аэробные тес гы могут выполняться только сразу
после отбора проб, поэтому предпочтительно
избегать процедуры отмывки
Ь. После переноса активного ила поддерживайте те
же окислительно-восстановительные условия,
что преобладают в точке отбора проб (например,
анаэробные или аноксидные), как описано
в разд 2.2.3.5. В течение не менее 3U мин убеди-
тесь, что pH и температура соответствуют задан
ным значениям (в противном случае отрегулируй-
те параметры и дождитесь установления стабиль-
ных условий) Не начинайте аэрацию образца
и, если возможно, б^эботируйте газом Ы2 (или
другим доступным газом), чтобы избежать по-
ступления кислор ода
с. Повторите шаги «Ь>—«е» из теста УБУФ.AHA 1.
d Тест начинается в «нулевое время?; при подаче
воздуха (или чистого кислорода), при этом необ-
ходимо убедиться, что концентрация РК с уче-
том концентрации его насыщения в местных
условиях достигает не менее 2,0 мг РК/л в тече-
ние первых 10 мин выполнения аэробного теста
и далее составляет около 4-5 мг РК/л
е. После начала ш дачи воздуха следите за време-
нем выполнения теста и отбора проб с помощью
секундомера
f Продолжительность и отбор на аэробной ступени
i. Аэро бный тестУБУФ может длить ся от 2 до 4 ч.
и Концентрация РК в объеме жидкости может
контролироваться на протяжении всего теста
с использованием электр ода РК.
in Для опенки аэробных кинетических пфаметр о в
образцы для определения РО< следует отбирать
каждые 5 мин в течение первых ЗСМО мин вы-
полнения теста По истечении этого периода
частота отбора проб может снижаться до од-
ного раза каждые 10 или 15 мин в течение
первого часа, а затем - до одного раза каждые
15 или 30 мин до завершения теста
iv Если интерес представляют аэробные кине-
тические превращения ПГА и гликогена, об-
разцы можно отбирать сднз времени о с про-
батди для определения РО4.
v Для оценки аэробных стехиометрических
превращений образцы для аналитического
определения концентраций на общий Р, РО4
и В В и ЛЕВ в иловой смеси, а также ПГА
и гликогена необходимо отбирать в начале
и в конце аэробной ступени При этом общее
потребление кислорода следует определять
с помощью респирометрии (описано в гл. 3).
g. Завершить аэробный тест УБУФ необходимо
с отбором последних образцов для оценки
аэробных стехиометрических превращений.
к. Повторите шаги «j»-«n» из тестаУБУФ AHA 1
Те ст УБУФ. АЭР 2. Кс мбн нирс ванные анаэробно-аэробные
тесты УБУФ
а Выполните анаэробный тест следующим образ эм
1 П о вт орите шаги « а» -« g» из теста УБУФ аНА 1
и Выполните шаги «Ь»-«е» изтестаУБУФ.АНА.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
b Сразу после выполнения анаэробного теста
можно запускать аэробный тест УБУФ, начиная
с барботажа сжатым воздухом или чистым кис-
лородом, убедившись, что концентрация РК
в местных условиях достигает по меньшей мере
2,0 мг РК/л в пределах первых 10 мин выполне-
ния аэробного теста и около 4-5 мг РК/л впо-
следствии
с. Повторите шаг «f» из теста УБУФ АЭР 1
d Повторите шаги «j»—«п» из теста УБУФ AHA 1
Тест УБУФ. АЭР.!. Комбимрова иные анаэроб нопз нои и дно-
аэробные тесты УБУФ
а Вып о л ните ан аэр о бный тест сл едую щи м о бр аз о м
i. Повторите шаги «ал-ag» из теста УБУФ AHA 1
ii После выполните шаги «Ь»—«е» из теста
УБУФ АНА.2.
b Сразу продолжите выполнение ан оксида ого
теста, повторив шаги «d» и «е» из теста
УБУФ .АН ОКС 1
с. После завершения аноксидного теста продолжи-
те выполнение аэробного этапа, повторив шаги
«d»-«g» из теста УБУФ АЭР 1
d. Повторите шаги «]»—«п>; из теста УБУФ АН А 1.
Тест УБУФ. АЭР А Комби трона иные анаэроб но-a ноя ид но -
аэробные тесты УБ УФ (параллельное вы по л не ше)
а Для выполнения данного теста требуются два
(предпочтительно идентичных) реактора один
для проведения тестов на анаэробно-аноксидной
стадии, другой для проведения одного аэробного
теста. Происходит передача в конце анаэробного
теста определенного объема (обычно 50 %) из
биореактора где будет пр'водиться анаэробно-
аноксидныи тест, во второй биореактор для про-
ведения аэробного теста Для этого рекоменду-
ется выполнить шаги, описанные ниже
b Выполните анаэробный тест следующим образом:
i. Повторите шаги с «а» по eg» пз теста
УБУФ AHA 1
и. После этого выполните шаги с «Ь» по «е» из
теста УБУФ АН А 2
с. После завершения анаэробной ступени переме-
стите 50 % активного пл а присутствующего
в анаэробном биореакторе, в пустой (аэробный)
би ореактор
d Продолжите выполнение аноксидного теста
в том же биореакторе, где проводился анаэроб-
ный тест, повторив шаги «d» и «е» из теста
УБУФ АН ОКС 1
е. Параллельно выполните аэробный тест во вто-
ром биореакторе (куда был перенесен ил), по-
вторив шаги «d»—«g» из теста УБУФ АЭР 1 Об-
ратите внимание, что параллельное выполнение
двух (аноксидных и аэробных) испытаний тре-
бует определенных навыков Два альтернатив-
ных подхода предполагают либо выполнение те-
стев двумя людьми, либо проведение тестов по-
следовательно. один за другим
f Повторите шаги из теста УБУФ AHA 1
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
S1
2.2.5. Анализ данных
225.1, Оценка стехиометрических параметров
Перед выполнением оценки степи о метрически:: и ки-
нетически:: параметр об необходимс составить баланс
ХПК для подтверждения качества и надежности ре-
зультатов (Barker и Dold, 1995). Баланс ХПК является
важным инструментом для оценки достоверности
полученных данных. Теоретически в действительно
анаэробной системе преобразование ХПК происходит
таким образом, что общий ХПК в начале анаэробной
стадии равен общему ХПКв конце анаэробной стадии
(Wentzel et al., 2008). Так, предполагая что раствори-
мый ХПК, внутриклеточный ПГА и гликоген являют-
ся единственными углеродными компонентами,
участвующими в химически:-: превращениях, баланс
ХПК может быть обеспечен следующим образом:
ХПКв.пир +Xn-K-GLY,rorp=	КПГА.образ •	(2.1.1
где ХП^^^ -концентр ация биоразлагаемое о суб-
страта, такого как ХПК, потребляемого в течение
теста на анаэробную активность, мг ХПК/л;
ХПКеьУдстр - концентрация внутриклеточного гли-
когена, потребляемого в течение теста на анаэроб-
ную активность, мг ХПК/л, ХПКпгА^браз - концен-
трация внутриклеточного ПГА образующегося или
аккумулируемого в ходе теста на анаэробную ак-
тивность, мг ХПК/л
Процент погрешности при обеспечении баланса
ХПК (ДХПК (%)) можно рассчитать
% баланса ХПК =
, _ ХПКВдаг[1 + ХПК ауротр “ ^ПКпГАрбраз
'3 Ib-Bjwii +  *П1' GLYnarp +^ПКПГАр6раз
100. (2 2.2)
В идеале ДХПК (%) должен быть ниже 1-5 %,
при этом значения до 15 % часто фиксируются
и считаются приемлемыми в зависимости от каче-
ства данных и степени погрешности при определе-
нии отдельных параметров (в частности, гликогена).
Читателю предлагается обратиться к гл 5 для полу-
чения дополнительной информации об опенке каче-
ства данных.
Подобно анаэробным преобразованиям, баланс
ХПК может служить важным инструментом для
оценки достоверности данных, полученных в те-
стах на ан оксидную и аэробную активность (Ekama
and Wentzel, 2008а b) При этом общее количество
потребляемых конечных акцепторов электронов
должно равняться общему количеству окисленных
доноров электронов Для аэробных превращений,
которые происходят во время аэробного теста
УБУФ, баланс ХПК можно записать следующим
образом
АХП J:roip = ^ни “ Х1Кконеч = А°2,потр (2.2.3)
Предполагая что ПГА, гликоген (GLY) и био
масса (Вю) являются единственными компонентами
ХПК. которые изменяются во время бескислородной
или аэробной фазы, чистое потребление ХПК можно
р ас счит агь с л еду ющи м с бр аз о м:
ХШ-ПГА,ГОТ1. “ ^П^ОЕУлбраз “ ХПБ. Bio>o6pa! =
-АО^.	(2.2.4)
где ХПКпгл^стр - общая концентрация потребления
ПГА во время теста на аэробноую активность, мг
ХПК/л, ХПКСтЬУлбра2 - общая концентрация гликоге-
на, образующегося в ходе теста на аэробную актив-
ность, мг1 ХПК/л, ХПКвю^з ~ общая концентрация
биомассы образующейся во время теста на аэроб-
ную активность, мг ХПК/л, ДО2;потр - общая концен-
трация кислорода, потребляемая в ходе теста на
аэробную активность, рассчитанная на основе ре-
спирсметрии и скорости поглощения кислорода
(см гл 3), м: ХПК/л
Процент погрешности при обеспечении баланса
ХПК (ДХПК (%)) можно рассчитать
%баланса ХПК =
I _ ХГДГ пгАрр1р - ХПК GLYiwip ~ ХПК^^ ~ А02пмр
^'пГАлгар + GLYnmy + Вюрбрез + Л02до1Г
хЮО	(2 2.5)
В идеале аналогично определению баланса ХПК
для анаэробной стадии тестов на активность УБУФ,
ДХПК (%) должен быть ниже 1-5 %, однако значения
до 10 % также могут считаться приемлемыми В гл. 5
представ лень г различные инструменты и подходы для
оценки качества полученньг: данных и выполнения
опенки балансов ХПК с меньшей степенью неопре-
деленности их надежности.
Балансы ХПК также могут определяться и приме-
няться в тестах на бескислородное окисление УБУФ,
где, например, в качестве конечного акцептора элек-
тронов выступает нитрат или нитрит При примене-
нии баланса ХПК в тестах на активность УБ^^Ф,
в которых в качестве конечного акцептора электро-
нов выступает не кислород, подход будет аналигич-
нгщ, однако (t) эквивалентные ХПК концентрации
конечного акцептора электронов должны быть опре-
делены и выражены в единицах ХПК на основе его
способности принимать электроны, и (и) соответ-
ствую [цие максимальные стехиометрические выходы
(Y) метаболических превращений на конечном ак-
цепторе электронов (например, нитрат или нитрит)
должны быть известны
Для испытаний, проводимых с нитратом в каче-
стве конечного акцептора электронов, можно ис-
пользовать максимальные стехиометрические выхо-
ды, определенные в работе Kubaka/ (1996) Также
важно отметить, что общее потребление конечного
акцептора электр онов во время выполнения т еста на
of 346
i4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
аноксидное УБУФ следует оценивать на основе экс-
периментальных методов, описанных в гл 3.
При подтверждении качества и достоверности
данных можно приступать к расчету стехиометри-
ческих и кинетических параметров Часто при оцен-
ке анаэробной стехиометрии процессов УБУФ
определяются следующие стехиометрические пара-
метры: чистый выделенный фосфор, превращения
гликогена и количество ПГА, произведенного на
единицу органического углерода или потребленного
ХПК - соотношение (коэффициент удельного изме-
нения. YjiMK_PO4,Atv ^Оу/ЛЖКЛи. ТКР._ПГАЛт ЛгКК_ПП:,Ап
и ^лжк, пгт ан- состветственн п (см табл 2 2 1)
Что касается анаэробных стехиометрических па-
раметров, наиболее распространенным источником
углерода, используемым для выполнения тестов на
активность УБУФ, является ацетат (Ас) На рис. 2.2 5
показано графическое представление определения
стехиометрических и кинетических параметров для
потребленного Ас и ортофосфата, выделенного
входе теста на анаэробную активность. Следует от-
метить, что из-за поглощения Ас необходимо оцени-
вать после исключения вторичного выделения Р04
(гРР_Р04ДесЛ^ Вторичное высвобождение РО4 проис-
ходит непрерывно в течение анаэробного теста из-за
потребности клеток к самоподдержанию в анаэроб-
ных условиях (эндогенное потребление энергии) (хо-
тя обычно это можно наблюдать только после исто-
щения источника углерода), выделенный РО4, высво-
бождаемый в результате поддержания анаэробных
условий, необходимо исключить из общего объема
высвобождаемого РО4.
Рисунок 2.2& Гример определения максимальных анаэробных объеиных кинетических скоростей для потребления ацетата (Aj и высвобожденного
ортофосфата (РОж) в ходе теста на анаэробную акдьностъ при поглощении всего объема углероде Для оценки чистого выделенного фосфора (Р)
необходимо исключить вторичное выделение Р (грр.го^л,) (в соответствье с требования ми к анаэробным эндогенным условиям, которые возникают
в течение всей анаэробного теста) (Чистый выделенный Р = [(Общее количество выделенного Р04)] - [(rppj^t^)(продолжительность теста)]). Чи-
стый выделенный фосфор следует использовать для определения анаэробного стехиометрического отношения Р(М-А (Yajwjm)
Таким образом, опенку чистого выделенного
фосфора (Р) можно выполнить как
-.И' ТЫЙ .ьддепенныи ^ОбщИЙ (РО4 Р	1
(rPPjo»^ec>An
1( продолжительность теста) , (2.2 о)
где Чистый Реьщпйнкык - чистым выделенным фосфо-
ром считается только РО4, выделенный за счет по
глощения Ас, мг РО4-Р/л; ipP_P04jSe(;>Ari-соответствует
скорости высвобождения РО4 с учетом требований
к само поддержанию биомассы в анаэробных усло-
виях, мг РО4-Р/л ч
Чистый фосфор должен использоваться для опре-
деления стехиометрического отношения РО4/Ас
(Ya_po4,ah) Так; если в ходе теста на активность угле-
род полностью потребляется то отношение анаэроб-
ный чистый Р-выделенный/Ас-потребленный (кото-
рое можно назвать отношением Р/С) данной культу-
ры можно рассчитать как:
-	_ ТИСТЫИ Т1Ыдеценный
Ас_РО4,Ап —	„
' Ас.потг
_ ^Р>4,кач —Р04,1гакбч
*- ЙС.ИаЧ “Ас,нонен
где 5го4лотр - концентрация ацетата потребляемая
входе теста на активность, мг/л; SP04fU4 - концен-
трация ортофосфата в основной массе в начале теста
на активность, мг РО4-Р/л; 3РО4.РлЕНеХ - концентрация
ортофосфата в жидкой фазе в реакторе в момент
расхода ацетата или в конце теста на анаэробную
активность при неполном поглощении ацетата, мг
РО4-Р/л, - концентрация ацетата в основной
массе в начале теста на активность, мг/л, Бдсржл-
концентрация ацетата в основной массе жидкости
ь конце теста на активность, мг/л
При неполном поглощении углерода (в случаях. ко-
гда углерод добавляется ь избытке или продолжитель-
ность испытания является о тносительно короткой, что-
г паи с доищ-
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ

бы обеспечить полное потребление источника углеро-
да), разницу между начальной и конечной концентра-
циями соединений можно разделить на разницу между
начальной и конечной концентрациями углерода (чи-
стое потребление углерода). Аналогичный подход мо-
жет применяться для определения других анаэробных
степи о метрических соотношений (соотношение анаэ-
робного гидролиза гликогена и ПГА, образующихся на
единицу потребляемого источник а углерод а). Часто для
описания стехиометрии анаэробных превращений ис-
пользуются различные единицы измерения В научных
публикациях применяются С-моль или Р моль вместо
мг Ас или mi РО4-Р В Приложении I содержится ряд
коэффициентов для преобразования единиц конкрет-
ных исследуемых соединений, например, для преобра-
зования единиц орто фосфата из г РО4-Рв Р-ммоль.
В отличие от анаэробных стехи о метрических па-
раметров, аноксидные и аэробные стехиометрические
параметры невозможно определить аналогичным про-
стым способом Благодаря различным внутриклеточ-
ным метаболическим превращениям, происходящим
в культурах УБУФ одновременно в аноксидных или
аэробных условиях (поглощение полифосфатов, рост,
поддержание и восполнение гликогена) (табл 2 2 1),
чистое потребление доноров электронов (ПГА) и ко-
нечных акцепторов электронов (кислород нитрат или
нитрит) является совокупным результатом этих четы-
рех пересекающихся метаболических активностей
(S mo Id ers si al, 19 94b ).
Тем не менее Smolders et al (1994b) и Kuba et al
(1993, 1996) при помощи модели метаболизма доказа-
ли, что эти четыре аэробньс: или аноксидных метабо-
лических процесса зависят от соотношения между
АТФ, производимой на единицу НАДФ. потребляемой
во время аэробного или аноксидного дыхания итак
называемым «5- соотношением» или «5-значением»
(Smolders et al, 1994b; Kubae/al, 1996). Это означает,
что для культур УБУФ можно определить аэробное
или аноксидное значение 5, чтобы затем оценить зна-
чения соответствующих аэробных или аноксидных
стехиометрических параметров Несмотря на то, что
в литературе сообщалось о различных значениях 3 для
различных микро бньпг популяций (в диапазоне от 1,3
до 2,2) (Lopez-Vazquez et al, 2009a), для культур.
УБУФ влияние 5-значения незначительно в отношении
аэробных и аноксидных стехиометрических отноше-
ний в этом диапазоне значений 5 Последнее также
указывает на относительную стабильность аэробных
и аноксидных стехиометрических параметров и воз-
можное отсутствие необходимости их определения
при условии, что производственная или лабораторная
система функционирует в стабильных условиях экс-
плуатации и окружающей среды Однако при необхо-
димости определение значения 5 можно провести дву-
мя тестами с присутствием и без присутствия орто-
фосфата в жидкой фазе в реакторе и с измерением
скор оста поглощения кислорода (СПК) с помощью
респирометрии (гл. 3). Посредством вычисления раз-
личий в скорости поглощения фосфораи СПК между
испытаниями проводимыми с присутствием и без
присутствия ортофосфата в жидкой фазе в реакторе,
можно оценить значение 5, как описано в Smolders et
al (1994b). Как альтернативу можно применить мате-
матическое моделирование для оценки значения о на
основе аноксидных и/или аэробных профилей ПГА,
гликогена, ортофосфата, скорости роста и эндогенного
по требления (Lopez- Vazquez et al, 2009a)
При необходимости определения 5 для культур
УБУФ' будет полезно обратиться к цитируемым
источникам
В качестве справочного материала и руководства
в табл 2.2.3 показаны различные параметры, пред-
ставляющие интерес для лабораторных культур
УБУФ, обогащенных при различных условиях экс-
плуатации (например, источник углерода), и в кото-
рых преобладают либо ФАБ, либо ГАБ
Таб пищ 2.23. Ха рз кте рн ы е сте от ме тр иче ские п ар а метр ы, пр е дета в ля ю щие инте ре с для о бога щен н ых лабораторных культур /Ь УФ, к ул ьтмв. ipye мы х
в стандартных условиях (20 ”С,рН7, время пребывания ила 7-8 суг)
Сгехисметр веские пара метры	Общее обозначение	Единица измерения	характерное значение	Источник
Лабораторная культура ФАБ, обогащенная ацетатом				
Отношение анаэробного сыдел ения орто фоспята к после шанию ацетата	Уйс_Р04,йп	РнольСмоль	0,50	Smolders et а»
ш Отношение анаэробного ислользов а ни я глико ген а к поглощению ацетат а	Ys^n	С-мольС-моль	0,50	(199431
ш Отношение анаэробного образования П ГА к поглощению ацетата		С-молыС-моль	1,22	
о	Отношение анаэробного образования П ГБ к п сг лощению ацетата	УйсЛ^п	СмольС-моль	1,10	
5 Отношение анаэробного образования П ГВ к поглощению ацетата	YucJT^jn	С-мольП-моль	0,12	
Ттношение анаэробного образования П ГзМВ к поглощению ацетата	Y йс_пт>ерп	С-моль<С-моль	н Д	
Отношение образования поли фосфатов к поглощению ПГА	Yrro JPjOx	Р-моль/С-моль	3,68	Smolders ei а?.
Отношение аэробного образования гликогена к поглощению ПГА	na.djOx	С-моль^миль	0.90	(1994b)
Отношение аэробного роста биомассы ФАБ к поглощению ПГА	Ymj>iiQix	С-мольС-моль	0,74	
г	Скорость эн дог ен ч то потре бления угле рода САБ г аэробных условиях	ГП«|^(л	С-моль/З-мольч	410-1	
£ 'Ттношение аэробного образевания полифосфата к потреблению кислорода	Ypp	Р-мольСмоль	3,27	
*	Отношение аэр ибн оги образования гликогена к потрео лению кис лор ода омБ	Yg^mi	С-МОЛЬЛЮЛЬ Оз	3,92	
Отношение аэробного роста биомассы ФАЬ к потреблению кислорода	Y«a	С-МОЛЬ*10ЛЬгО!	2,44	
Скорость аэробного эндогенного дыхания ФАЕ		моль-0?/С-моль ч	4,5-10-®	
of 346
il
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Окончание табл 2.23
Стежометрические параметры	Общее обозначение	Единица измерения	Характерное значение	Источник
Лабораторная культура ФАБ. обогащенная пропионатом				
Отношение анаэробного выделения иртофх фета к поглощению пропионата	Ург.ро^п	Р-МоЛьС-МОЛь	0,42	uehmenerat
i Отношение анаэробного испо льз ова ния гл икогена к по гл о щэнию пропионата	Ург.с^п	С-мо ль/> моль	0,32	12005с)
5 Отношение анаэробного образования ПГА к погл ощэнию пр спи спета	Уйг.пгийп	С-мо ль/С-моль	1,23	
о	Отношение анаэробного образования П ГБ к пиглиирнию п рил иинат а	Ургльдп	С-молыСмоль	U,04	
5 Отношение анаэробного образования П П3 к погл чщэнию пр спи спета	Ург.ггвяп	С-мо ль/> моль	0,55	
Отношение анаэробного образовали П Г?ГОЕ и поп |щэниюпропионата	УРГ.РГТ’ИВРП	С-мо ль/С-моль	0,65	
Отношение аэробного образования поли фосфатов и поглощению ИГА	УпГЙ-РРДс	Р-мольС-моль	3,34	Oehmen et d
Отношение аэробного образования гликогена к поглощению ПГА	Упгй.б1да	Смо ль/С-миль	1,06	(2007)
ш (лношение аэробного роста би омассы ФАБ к поглощению П ГА	Упгй_рйорх	С-мо ль/С моль	0,80	
Скоросгъ энд стенного потребления углерода ФкБ в аэробных усл овиях	nwjoi	С-мо ль/С-моль ч	410'	
g Отношение аэробного образе вания поли фоо фнта к п пгреблению кислорода	У пф	Р-мольС-моль	3,34	
S (лношение аэробного образ ования гликогена к потреблению кисл оро да ФАБ	УекФяг	С-мольМоль-О;	6,16	
Отношение аэробного роста биомассы ФА.Б к потреблению кислорода	1ГШ	С-МО ЛЫМ0ЛЬ-О|	2,03	
Скорость аэробного эндогенного дыхания ФАБ	ГПШ.02	моль-СЩС-мсльч	4,5-10*	
Лабораторная культура ДФАБ, обогащенная ацетатом (денитрифицирующие ФАБ)				
Отношение анаэробного выделения ортофх фета к поглощению ацетата	Уягрсцяп	Р-чольС-моль	0,50	Smolders era/.
Отношение анаэробного испо льз ова ниягликогена к погл ощэнию ацетата	YGPjHAC/Tn	С-мо ль/С-моль	0,50	(19у4а),
§ Отношение анаэробного образования ПГА кпоглощэнию щетата	У*С_ГТЙ.*<	C-M0 ЛЫС моль	1,22	К Libra et al
о Отношение анаэробного обр азования П ГБ к погл ощжию ацетата	'Уйс.гтгрп	С-МО ЛЫС-моль	1,10	(1496)
5 Отношение анаэробного образования ППЗ к поглощению щетата	Уйс-Гтвйп	С-мо ль/С-моль	0,12	
Отношение анаэробного образована П Гз ГОЕ к поглощению щетата	Тнс.гт!се/п	С-мо ль/С-моль	н Д	
Отношение аноксидного образования поли фосфитов к поглощению ПГА	Упгп_рр,н1	Р-молыС-моль	0.46	Kuba et al
Отношение аноксидного образования гликогена кпег лощению ПГА	УпГЙ.С1?,ЙХ	С-мо ль/С-моль	1,27	(1996)
ш Отношение аноксидного роста биомассы ФАЕ к поглощению ПГА	УпГй.Шр!	Смо ль/С-моль	1,63	
i	С король эндсг енного потребления углерода ФчБ в ан окси днык условиях	ПШдх	С-ми ль/С-моль ч	3,64 -1и<	
£ (лношение анонс идного образования поли ф> ефнга к расходу NO;	Ун« .рррх	Р-моль/ч-моль	0,414	
(лношение аноксидного образования гликогена к расходу NO;	Унсв-С-дох	С-МО ЛЫМ-МОЛЬ	0 35	
Отношение аноксидного роста биомассы ФАБ к потреблению NOs	Ум«.фнк^х	С-молЫМмоль	0,57	
Скорость аноксидного эндогенного дыхания ФАБ по NO;	тш hoj	N-молЫС-мольч	3,2710-*	
Лабораторная культура гдб. обогащенная ацетатом				
ш	(лношение анаэробного испо льз ова ния гл икогена к пи гл о щэнию ацетата	У Gljfflyin	С-МО ЛЫ*> Миль	1,12	Zengetd
Отношение анаэробного образования П ГА к погл ощэнию щегла	Уйс_ГТн/1П	С-мо ль/5 моль	1 86	(2003a)
о (лношение анаэробного образования П ПЬ к поглощению ацетата	У ЙС.ГТ1 йп	С-моль/>моль	1,36	
=£ (лношение анаэробного образования П ГВ к погл ищэнию щегла	У ЙС-ГТЕНП	Р-мольС-моль	0,46	
(лношение анаэробного образования П Г; М3 к погл ощэнию щетата	¥йс.гт:«>г	С-МО ЛЫО Моль	0,04	
(лношение аэробного образе вания гликогена к поглощению П ПА	Упгй.яу/и	С-чо ль/С-моль	0,95	Zfengetd
ш Отношение аэробного роста би омассы Г АБ к погло щэнию П ГА	YnrftjBKpi	С-мо ль/С-моль	0,75	|2003a)
i Скорость зндогенного потребления углерода ГАБ в аэробных условиях	miHE.jOx	С-мо ль/С моль ч	3.0610-=	
7 (лношение аэробного образования гликогена к потреблению кислорода	Уот,	С-МО ЛЫМиЛЬ-О;	4,89	
Отношение аэробной деградации П ГА к потреблен ию киса орода в ГАБ	Упгагль	С-молгЛюль-О;	2,18	
Скорость аэробное о эндогенного дьгания ПАБ	тш.02	МОЛЬ-ОкС-МОЛЬЧ	3,5110*	
2.2.52. Оценка кинетических параметров
Что касается анаэробной кинетики, наиболее важ-
ными параметрами являются максимальная удель-
ная скорость поглощения источника углерода или
ЛЖК (цлжк>п), максимальная удельная скорость
выделения фосфора (qpj._po4.An). скорость образова-
ния ПГА (qjutj; пга^ч? и коэффициент поддержания
эндогенного АТФ (mAT4jtoJ (см габл. 2.2 1). Их
можно рассчитать путем построения графика зави-
симости экспериментальных данных (ось у) от вре-
мени (ось х)и обработки экспериментальных данных,
полученных в тестах на анаэробную активность
с использованием линейной регрессии Поскольку
изучаются максимальные скорости для анализа пер-
вой группы экспериментальных данных, полученных
вначале теста на активность, используется .линейный
регрессионный анализ Эго основная причина, по
которой периодичность отбора проб в течение пер-
вых 30—40 мин после выполнения тестов на актив-
ность составляет 5 мин Для линейной регрессии
предпочтительно использовать более чем 4-5 точек
экспериментальных данных с:о статистическим коэф
фициентом детерминации (Р?) не ниже 0,90-0.95 По
уравнению линейной регрессии (‘у = Ах + В’) мак-
симальные объемные кинетические скорости иссле-
дуемых параметров могут определяться коэффици-
ентом «Ал выражения .линейной регрессии, который
соответствует «наклону» графика эксперименталь-
ных точек данньст В результате будут определены
максимальные объемные скорости (обычно приво-
дятся в единицах мг/л ч или г/м5 сут) Рис. 2 2.5 ил-
г паи с досгг'-
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
51
люстрирует оценку максимальных анаэробных ки-
нетических скоростей для культуры УБУФ Более
подробное описание альтернативных статистиче-
ских методов дня определения скоростей представ-
лено в гл 5 Для образцов активного ила из реаль-
ных систем очистки скорости можно выразить как
максимальные удельные кинетические скорости
путем деления объемных скоростей (или значений
наклонов) на концентрацию беззольного вещества
активного ила (ЛВВ). Однако из-за особого измене-
ния концентраций внутриклеточных соединений,
присутствующих в культурах УБУФ, часто макси-
мальные удельные кинетические скорости выража-
ются в виде доли активной биомассы (исключая
присутствие ь ну три клеточных соединений), количе-
ственно определяемой в соответствии со следую-
щим приблизительным выр ажением
Фракция активной биомассы =
= ЛВВ - ПГА - гликоген	(2 2.8)
С микробиологической точки зрения предыду-
щее уравнение не является точным выражением из-
за наличия потенциально присутствующей не био-
разлагаемой органики и, следовательно, не отража-
ющей внутреннюю метаболическую активность
каждой отдельной клетки Тем не менее такая оцен
к а является общепринятой для экспериментальных
целей в практике счистки сточных вод Подобно
углеродным и фосфатным соединениям (особенно
для культивируемых в лабораторных условиях
культур), фракция активной биомассы также может
быть выражена в единицах: С-моль вместо мг ЛВВ.
Для этой цели применяется элементный состав био-
массы (см. Приложение I с соответствующими еди-
ницами для разных соединений) Обычно при опре-
делении максимальных удельных кинетических
скоростей для исследуемого соединения они мог у г
быть выражены в мг/г ЛЕВ ч или мг/г ЛВВ сут
Аналогично, коэффициент эндогенного использова-
ния АТФ в анаэробных условиях (тдт-ФлО может
определяться на основе кривой изменения концен-
трации ортофосфата, зафиксированного во вр^мя
проведения теста на анаэробную активность УБУФ,
выполняемого в отсутствие источника углерода
(разд 2.2.4.1). Эта максимальная обьемная скорость
близка пли соответствует скорости эндогенного
выделения фосфора (mn$ РО4.зес^кп)> наблюдаемой
в анаэробных тестах после поглощения источника
углерода (рис. 2.2.6)
Тогда гпдтф^ равен mnfl рп4,&с,дп (Wentzel et al.,
1989а; Smolders et al., 1994a) Таким же образом
подход линейной регрессии можно использовать
для определения максимальных удельных кинетиче-
ских скоростей в аэробных и аноксидных тестах на
активность (см табл. 2 2.2 и 2.2 3). Кинетические
параметры, такие как поглощение ортофосфата,
рост биомассы, распад ПГА образование гликогена
и эндогенные потребности в аэробных условиях
представляют научный интерес и зависят от конеч-
ного доступного акцептора электронов Нарис 22 6
приведен пример, иллюстрирующий определение
максимальных кинетических скоростей в аэробном
(или ан оксидном) тесте на активность.
Рисунок 22.6. Пример определения максимальных аэробных (или
аноксидных) объемных ктетических скоростей для поглощения орто-
фосфата (РО4) и аммония (ЫН») в аэробном (или аноксцдном] тесте на
активность
Важно отметить, что максимальную удельную
скорость роста биомассы (чпга_вюДх) невозможно
вычислить прямым путем при использовании уве-
личения концентрации биомассы в течение цикла
Для определения максимальной удельной скорости
роста можно применить деление максимальной
удельной скорости поглощения аммония (ЫЩ)
(Чнн* вю,ох) на концентрацию азота вс фракции ак-
тивной биомассы (0,20 Н моль на С-моль биомассы)
(Smolders et al, 1995; Zeng et al, 2003a, Lopez
Vazquez et al., 2007, Welles et al., 2014). Однако по-
следний подход может применяться при условии
отсутствия нитрификации, химического осаждения
или адсорбции ПН+, и когда относительно неболь
шие различия позволяют удовлетворительно опре-
делять NH4 Часто различия в концентрациях ПН<
могут быть незначительными или попадать в стан
дартный диапазон погрешности аналитического
метода Это может усложнить процесс определения
Эксперименты, представленные в данной главе,
направлены на взаимосвязанные превращения внут-
риклеточных и растворимых соединений, присут-
ствующих в водной фазе Глава не включает профи-
ли поглощения а также анализ конечных акцепто-
ров электронов (таких как потребление кислорода,
скорости поглощения кислорода или скорости по-
глощения нитратов). Эти параметры представлены
в гл 3, посвященной респирометрии
Определение коэффициента аэробного поддержа-
ния культур УБУФ имеет большое значение. Для
определения этого параметра необходимо проводить
длительные аэрационные испытания (обычно не ме-
нее 24 ч) при отсутствии внешнего источника углеро-
да. Через 24 ч эндогенная потреби ость АТФ (тдт$;ок)
может определяться на основе по требления гшелорода
of 346
i:
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
или скорости его поглощения (СПК) (е виде моль Oj,
расходуемого на моль активной биомассы в час) Эн-
догенная потр ебность в; кислороде и АТФ в аэробных
условиях связаны пи уравнению с помощью функции
5 (со средним типичным значением около 1,75-1,30
для обогащенньг: культур УБУФ)'
П10О = ------------
2,255 + 0,5
(2.2 9)
2.2.6. Обсуждение и интерпретация данных
Результаты испытаний на активность УБУФ пред-
ставят важную информацию не только об активно-
сти биомассы в различных условиях эксплуатации
и окружающей среды, но и об общем состоянии
биомассы и некоторых доминирующих популяциях
бактерий, присутствующих в образце ила (подроб-
нее см в гл 7-8). Выявление доминирующих ви-
дов бактерий позволит более глубоко понять про-
цесс УБУФ
2.2.6.I Анаэробные тесты на активность
Поскольку ФАБ являются единственными организ-
мами, известными своей способностью высвобождать
фосфат во время анаэробного поглощения ЛЖК,
анаэробные отношения выделения фосфора/пстлоще-
ния углерода или выделения фосфора/ХПК, Yc
такие как Тлжк_ро4л» уас_ро4>п или уй_ро4л» можно
считать одним из наиболее подходящих параметров
для оценки активности ФАБ и ГАЕ в культурах
УБУФ Высокое значение отношения выделения
фосфора к поглощению углерода считается показате-
лем присутствия ФАЦ в то время как низкое значе-
ние указывает на значительное присутствие ГАБ
Такое предположение послужило предметом научно-
го спора (Schuler and Jenkins, 2003; Oehmen et al.,
2007; Lopez-Vazquez et al, 2008b, Welles et al, 2015b)
Противоречие возникает из-за широкого диапазона
значений, указанных в литературе, в пределах от
0,025 до 0,75 Р-моль/С-моль и выше (Schuler and
Jenkins, 2003). Несколько исследований высокообо-
гащенных культур ФАБ выявили наличие ряда иных
факторов (кроме присутствия ГАБ), влияющих на
отношение выделенного фосфора к поглощенному
углероду Например, было показано, что источник
углерода, кислотность и содержание полифо с фатов
в ФАБ, атакже специальные обогащенные для иссле-
дований штаммы ФАБ оказывают влияние на отно-
шение выделенного фосфора к поглощенному угле-
роду (Smolders et al, 1994а, Filipe et al.. 200 1a, Zhou et
al, 2008, Acevedo et al., 2012). Следовательно, ис-
пользовать только данное отношение в качестве пря-
мого и единственного индикатора для оценки актив-
ности УБУФ в активном иле не рекомендуется. Тем
не менее его вполне можно применять для приблизи-
тельной оценки доминирующих метаболизмоь, пре-
о бладающих б активно м иле.
i/тнишение Р/С(Рмиль?С-моль)
<0,25	 >
о;з-оя __________________>
>0.50	 ►
Дпмшир\+осц1и метаболизм
Дрмюирдоцуи метаболизм ГАБ
Промеокутснный метаболизм ФАБ- ГАЕ
Дим^ирмсищй метаболизм ФнБ
При подтверждении результатов молекулярными
испытаниями (гл. 7 и 8) такой метод может предло-
жить адекватный и более полный обзор активности
биомассы. Таким образом, основываясь на обзоре
результатов последних исследований, различные от-
ношения фосфора и углерода, полученные в стан-
дартных условиях (20 °C, pH 7,0), и использование
ацетата могут указывать на следующее (Schuler
и Jenkins, 2003)' на рис. 2 2.7 показаны различные
анаэробные отношения выделенного фосфора и по
глощенного углерода, которые упоминались в лите-
ратуре, в виде функции количества фосфора, накоп-
ленного в иле. на основе концентрации общего коли-
чества растворенных веществ, выраженной в виде
отношения фосфора к взвешенным веществам (ВВ)
в дозе ила Содержание фосфора в иле в пересчете на
мг Р/г ЛВВ имеет сильную корреляцию с анаэробным
отношением выделенного фосфора к поглощенному
углероду
P>BB (Ml/М1)
FMcyнок 2.2.7, Отношение анаэробного выделенного фосфора к погпи
щенному угле роду через функции отношения Р/5 В биомассы (на основе
Schuler and Jenkins, 2003; Welles e? a/., 2015b)
Как видно из рис 2 2 7, анаэробное отношение
Р/С выше 0.50 обычно наблюдается, когда содержа-
ние Р/ВВ в обогащенном иле ФАЕ выше, чем 0,10 г
Р/г ВВ Таким о бравом, система с активным илэм,
вероятно, будет иметь удовлетворительную актив-
ность УБУФ. когда значения о тношения анаэробно-
го выделенного фосфорак поглощенному углероду,
атакже отношения Р к общему ВВ ила близки или
выше 0,50 Р моль/С-моль и ОДЛ мг Р/мг ВВ, соог-
ветственн о. Более низкие значения могут свидетель-
ствовать о том что активность системы УБУФ
ограничена определенными эксплуатационными или
экологическими факторами (i) относительно бога-
тое присутствие ГАБ вместо ФАЕ, (ii) проникнове-
ние акцепторов электронов в анаэробную фазу (кис-
лород NOj, ПОД, (in) добавление соединений Al
солей Fe для химического удаления Р или., в некого-
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
рых случаях, (iv) присутствие ингибирующих или
токсичных соединений При таких обстоятельствах
необходимо внимательно пересмотреть систему
активного ила для принятая соответствующих кор-
ректирующих мер
При определенных обстоятельствах тесты актив-
ности УБУФ могут проводиться в нестандартных
условиях (значение pH отличается от 7,0) с использо-
ванием реальных сточных вод или других источников
углерода вместо ацетата В целя: сравнения и сопо-
ставительного анализа отношение Р/С можно скор-
ректировать, используя выражения, разработанные
Smolders et al. (1994а) или Filipe et al (2G01a), соот-
ветственно, для культур, выр ащенных на ацетате:
^_Ю4,Ап’ОЛЭ pH-0,85; (2 2 10)
^АС„РО4,Ап=0Дб РН-0,55	(2.2 11)
Использование реальньш сточных вод или ис-
точников углерода, отличных от ацетата (пропио-
нат, бутират или глюкоза), приведет к более низко-
му значению отношения анаэробного Р/С, чем за-
фиксировано для культур УБУФ, где преобладает
метаболизм ФАБ (и сами ФАБ) Причиной более низ-
ких отношений Р/С могут быть, помимо низкого со-
держания Р/БВ, как отмечалось выше, меньшее коли-
чество энергии, необходимой для хранения ПГА или
более активное участие метаболизма ГАБ (возможно,
вызванного присутствием ГаБ) Если отношение ис-
пользования гликогена к поглощенному углероду
не увеличивается и остается в пределах общепринято-
го соотношения для систем с доминированием ФАБ,
равного 0,35-0,50 С-моль/С-моль (Smolders et al,
1994b, Schuler and Jenkins, 2003), система может счи-
таться надежной и стабильной, особенно если внут-
риклеточное отношение Р/ВВ незначительно ниже
0,10, характерного для обогащенных культур. Одна-
ко, если при таких обстоятельствах отношение ис-
пользованного гликогена к поглощенному углероду,
Уоьу/а:л>- становится выше 0,35-0,50 С-моль/С-мсль,
то метаболизм ГАБ (или присутствие самих ГАБ)
может начать доминировать в системе и в конечном
итоге привести к ухудшению процесса, пока гно про-
должает расти (в конечном счете, достигая Ygly/асАп
1,12 С-моль/С-моль) при этом содержание Р/ВВ ста-
новитсяниже 0,10 мг Р/мг ЕВ
Значения отношения синтеза ПГА к поглощенно-
му С выше 1,33 С-моль/С-моль будут наблюдаться
вследствие более высокого синтеза ПГВ и ПГ2МВ
Значения отношения П"ТСп,1ГГГ.1ЦРННЫ1 выше 0,10 и до
0,25-0,ЗС могут наблюдаться вместе с образованием
ПГ2МВ Эти значения вероятно, указывают на по-
тенциальное ухудшение активности и эффективности
УБУФ Что касается анаэробных кинетических ско-
ростей, в частности начальной максимальной скоро-
сти анаэробного поглощения источников углерода,
были гыяьлены различные значения для куль гур,
в которых доминируют лабораторные Фа. Б и ГАБ
(в оснэвн’м для реакторов периодического действия
с заданной последовательностью (SBR)) и реальных
систем, таких как модифицированный UCT (процесс
Кейптаунского университета), Phoredox (удаление
фосфора при чередовании окислительных и восста-
новительных условий) и Pho Strip (удаление выделен-
ного в анаэробных условиях фосфора из ила в от-
дельном реакторе) (Wentzel et al., 2008) (табл. 2.2.4).
Таблица 12А. Максимальные начальные удельные скорости поглощения анаэробного источника углерода, указанные в литературе для лабораторных
и натуральных систем УБУФ
Лабораторные системы УБУФ		
Доминантный микроорганизм!'егаболизм	q в С-моль.Смоль ч	И темник
ФАБ-SB R’	0,27	Smolders ета/ (1994а)
	0,20	Filipe в al. (2001b)
	0,20	Kuba etal. (1996)
	0,20	Bidjanouic etal. (1997)
	0,20	Lopez-Vazquez etal. (2007)
ГАБ-SBR’	0,24	Filipe «al. (2001a)
	0.16-0,18	Zenq ««. (2003aД
	и,20	Lopez-Vazquez#^. (2007)
	0,19	Lopez-Vazquez etal (2009a)
Производственные системы УБУФ		
Доминантный м икроо рганиз м!т егаболизм	qmwjin в мг Acfr ЛВВ-Ч	ИСГОТНИК
ФАЕ - миди фмцированныи UCT	22	Lonez- Vazquez etal. (2008a)
	19	Lopez-Vazquez etal (20o8a)
	47	Kuba etal. (1997a,b)
	7-31	Kuba e* al. (1997b)
ФАБ-Phoredox	14	Lopez-Vazquez etal. (2008a)
	21	Lopez-Vazquez era?. (2008a)
	11	Lopez-Vazquez etal. (2008a)
	14	Lopez-Vazquez etal (2008a)
ФАЕ - PhoStrip с параллелыыми потоками	9	Lopez-Vazquez etal. (2008a)
	23	Lopez-Vazquez efa/. (2008a)
1 SB R - реактор перио дичесвдго действия
of 346
10
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Аналогично отношению выделенного фосфора
к поглощенному углероду, кинетические скорости
предположительно зависят от содержания по ли фо с фа-
тов в иле (Schuler and Jenkins 2003, Welles et al., 2016)
в диапазоне от 0,02 до 0,20 С-моль/С-моль ч Однако
в большинстве исследований, выполненных со сред-
ним содержанием полифосфатов и отношением Р/Ас
околи 0,5 Р-моль/С-моль, наблюдаемые скорости по-
глощения совпадают в пределах 0,20 С-моль/С-моль ч
Также значения скоростей, наблюдаемые в теста;:,
выполненных с образцами активное а илаиз реальных
систем УБУФ, лежат в диапазоне от 17 до 22 мт
Ас/гЛВВ ч (Lopez-Vazquez et al., 2008a). Температу-
ра играет ключевую роль в различных микробных
процессах УБУФ (Brdjanovic et al., 1997, 1998с,
табл. 2.2.5).
Таблица 2.Z5. Тр мпературные козффнцтенты Аррениуса (9),приеденные в литературе доя описания максимальных удельных кинетическихскоростей
р а зличн ых ме та бо л нч е ских п ро це ссо в УБ УФ. пр о next до щи>. в ла оо ра тор н ых и на тура л ь н ых сие те ма х Уб УФ (Mei je г, 20 0 4)
Параметр	0'	Источник
Цлжхм	1,094 (е»")	Brdjanovic йа/. (1998с) Meijer (2004)
tre	1,071 (е»«)	Smoldeis йа/. (1995), Mirnlermer йэ/. (1997)
qrrnjox	1,129 [ew,	Brdjanovic йа/ (1998), Meijer (2004)
	1,125 (е1 ’<)	Meijer (2004)
Ipoukjo	1,031 (е'Щ)	Murrieitner йа! (1997). Brdjanovic йа/ (1998c)
q«<E он	1,081 (е1111)	Bnljano ч1с йа/ (1997)
	1,071 (е»«)	Mirrteitner й a/. (1997)
trfcl^ux	1,071 (е'1")	Murtiatnsi йа/. (1997)
‘числе е скобках обозначает значение темпе рзгурного коз ффициенгта Аррениуса (8) в термин ах числа Эйлера
2.26.2. Аэробные тесты на активность
Для сравнения наблюдаемые максимальные кине-
тические скорости должны быть приведены к об-
щему виду с использованием коэффициентов Ар-
рениуса. На основании исследований Brdjanovic et
al (1997, 1998) и других авторов (Smolders et al,
1995; Mumleitner et al., 1997), используя модель,
разработанную в Делфтско м техническс м универ-
ситете, и при выполнении исследований по моде-
лированию Meijer (2004) определил температур-
ные коэффициенты Аррениуса, дающие наилуч-
шее описание максимальных скоростей для раз-
личных культур УБУФ в лабораторных и произ-
водственных системах
Несмотря на то, что аэробные кинетические ско-
рости для лабораторных систем УБУФ. которые
встречаются в научной литературе, согласуются
(табл 2.2 6), значения, наблюдаемые в реальных си-
стемах УБУФ, могут значительно варьироваться (от
модифицированных систем UCT до BIODEKIPHO -
процесс биологической денитрификации, нитрифи-
кации и удаления фосфора) (табл. 2 2.7).
Таблиц» 2.2.6. Максимальная аэробная кинетическая скорость для обогащенных культур УБУФ
Культура и система	dpouwjox P молыСмоль 4	qrTu.G%,Ox С-молеАС моль ч	q«it,otc С-моль/С-моль-ч	мольДТФС-моль-ч	Источник
SBR	0,055	0,080	0/114-0,016	1,910«	Smolders его/ (1994b)
SBR	0,048	-	0,13	1,2 Ю-г	Brdjanrwice/a/ (1997)
SER	C,083	-	-	1,710*	Wells etof (2014)
Таблица 2.2.7. Максимальные начальные удельные аэробные коэффициенты поглощения Р доя натур альныхсисте м УБУФ
Доминантный микроорганизм,Метаболизм	qpov^oi мгРЛ* ЛВВ ч	Источник
ФАБ- модифицированныйUCT	192	Lopez-Vazquez йаУ (2008а)
	9.0	Lopez-Vazquez йа/ (2008а)
	13	Kuba йа/. (1997а, Ь)
	44	Kuba йа/. (1997hj
ФАЕ - Phoredox	8.0	Lopez-Vazquez йа/ (2008а)
	9.1	Lonez- Vazquez йа/ (2008а)
	6,2	Lopez-Vazquez и а/ (2008а)
	6,3	Lopez-Vazquez йа/ (2008а)
ФАЕ - PnoSttip с параллельными потоками	9,8	Lopez-Vazquez йа/. (2008а)
	2,2	Brdianovic йэ/ (2000)
ФАЕ - пилотная версия BIODBIIPHO	4	Weinhold за/ (1999)
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
И
Такие значительные различия логичны, т. к. лабо-
раторные системы сильно обогащены ФАБ (на основе
аналогичных исследований показано, что ФАБ могут
составлять более 80-90 % от общей популяции) с не-
большими колебаниями в процентах обогащения
(Lopez-Vazquez et al, 20й9а Welles et al, 2014, 2015a),
тогда как в реальных системах ФАБ могут составлять
от 3 до 20 % от общей доли активной биомассы
(Lopez-Vazquez et al., 2003a) Кроме того, в реальных
системах, выполняющих биологическое удаление азо-
та и фосфора, культуры УБУФ подвергаются воздей-
ствию чередующихся анаэробно ан оксидн о -аэробных
(А2О) стодий, которые могут снижать доступность
внутриклеточного ПГА после последовательного воз-
действия аноксидных и аэробных условий (поскольку
для аноксидной и аэробной метаболической активно-
сти требуются ПГА в качестве источника углерода
и энергии). На основании данных, представленных
в табл 2.2 7, можно видеть, что значения превышаю-
щие 10 мг Р/г ЛВВ ч скорее являе тся исключитель-
ными. Такие кинетические скорости можно считать
довольно высокими, поскольку в реальных системах
час го имеется время гидравлической продолжительно-
сти пребывания (HR1), которое составляет несколько
часов (6-8 ч и более), что будет способствовать по-
глощению ортофосфатов из объема обрабатываемой
жидкости. Скорость аэробного поглощения (с^о^ртдх)
ниже 10 мг Р/г ЛВВ ч не считается неудовлетвори-
тельной в связи с продолжительностью аэробной ста-
дии (хотя излишне длительных периодов аэрации сле-
дует избегать)1 (Erdj ano vice/ al., 1998 с).
Другим важным аспектом, который следует учи
тыватъ, является наличие возможности химического
удаления фосфорав установке, поскольку появление
такой возможности будет способствовать химиче-
скому удалению фосфорав ущерб УБУФ
2.263. Ан оксидные тесты на активность
Одновременное удаление орто фосфор а и нит-
рата (или нитрита) является желательным ввиду
потенциальной экономии энергии и эксплуатаци-
онных расходов, в то же время такая процедура
позволяет сохранить или поддерживать активность
по удалению фосфора, сравнимую с активностью,
наблюдаемой в анаэробно-аэробных условиях
(Kuba et al., 1996). Данный вопрос в определенной
степени представлял предмет спора из-за неста-
бильности активностей ила пи удалению фосфора
в аноксидных условиях, наблюдаемых в реальных
системах (Hu et al, 2002), и теоретического сниже-
ния удаления Р. связанного с уменьшением приро-
ста биомассы ФаБ В табл. 2.2.8 представлен обзор
различных активностей в аноксидных условиях
в процессах удаления фосфора, наблюдаемых
в реальных системах (анаэрс бно-ан; ксидные (А*)
и анаэробно-аноксидно-аэрзбные (А О) установ-
ки), которые сравниваются с активностью по уда-
лению фосфора при аэробных условиях (в соответ-
ствии с методиками, представленными в данной
главе, согласно Mutnleittiet et al, 1997).
Таблица 2.2.8 Максимальные начальные аноксидные кинетические скорости для лабораторно-о бога щен ных денитрифицирующих культур УБУФ
Культура и система	qpuVPM Р-мп ль/С- моль ч	С-моль/С-мольч	С-мо ль/С-м пль ч	тех С-моль/С-моль ч	Источник
SBR1, (№.Б, система А!	0,1	0,8	0,05	3)6 Ю<	Kuba ела! (1996)
ЗБ R, ФАБ. система А!	0,02-0)63а	0,0025	-	-	Carvalho eta/. (2007)
SBR, ФАБ. система А!	0,53а	0.9а	-	-	Zeng eta) (2003b)
SBR, ФАБ, система н!О	0,33а	-	-	-	Saito et al (2004)
1SBR-Реактор периодического действия
Как видно из табл 2 2 9, скорость аноксидного
поглощения фосфора едва достигает значений выше
5 мг РО4-Р/гЛВЕ ч, ав некоторых случаях она очень
низкая или отсутствует В любом случае отличие
активности процесссв удаления фгсфорав аноксид-
ных условиях отражает воздействие комбинации сле-
дующих факторов (i) уровня обогащения денитри-
фицирующими ФАЕ, способными использовать кис-
лород и нитрат (и/или другими культурами УБУФ
и побочными популяциями, участвующими в про-
цессе денитрификации) (Kerr-Jespersen и Henze,
1993, Meinhold et al., 1999, Saad et al, 2016), и/или
(ii) уровня способности ФАБ к денитрификации
(Kuba et al., 1996, 1997; Wachtmeister et al., 1997)
В любом случае активный ил будет способствовать
росту дени трифицирующих популяций ФаБ и акта
вации их девитрификационной активно ста Таким
образом можно ожидать более высокой аноксидной
активности поглощения фосфора в установках, ра-
ботающих с определенной ступенью предваритель-
ной денитрификации
2.2.7. Примеры
2.27.1. Описание
Чтобы наглядно описать выполнение теста на актив-
ность УБУФ1, в этом разделе представлены данные
анаэробно-аэробного теста (УБУФ.АЭР2), выпол-
ненного при 1С°С с использованием лабораторно
1В этом случае возможно вторичное выделение фосфор а при самоокислении ила (прим ре д).
of 346
12
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
обогащенной культуры УБУФ Тест УБУФАЗР2
был проведен для определения анаэробной стехио-
метрии и анаэробной и аэробной кине тки процессов
УБУФ. Для выполнения теста на активность исполь-
зовался биореактор объемом 2,5 л. Все оборудование,
аппаратур’а и материалы были подготовлены в соот-
ветствии с описанием в разд 2.2.3. Датчики pH и РК
были откалиброваны менее чем за 24 ч до начала
пр сведения теста
Продолжительность теста составила 4,5 ч, он
состоял из анаэробной стадии в 2,25 ч (создавае-
мой непрерывным барботированием газообразным
азотом на протяжении всего испытания), за кото-
рой следовала аэробная стадия 2,25 ч (создаваемая
подачей сжатого воздуха в избытке, достигающей
концентрации РК более 4 мг/л). Перед проведени-
ем теста концентрированный ил УБУФ объемом
1,25 л, отобранный в конце аэробной ступени ла-
бораторного биореактора, был перенесен в биоре
актор и прошел адаптацию в течение 30 мин при
температуре 10 °C и медленном перемешивании
(100 об/мин), испытание проводились при pH 7,0,
согласно рекомендациям, описанным в разд 2.2 3 5
Подготовка активного ила к тесту проводилась ме-
нее чем через 1 ч после его отбора. Затем за 20 мин
до начала теста были отобраны образцы для опреде-
ления исходных параметров для исследования
(в соответствии с протоколом выполнения теста
УБУФ АЭР 2).
Таблица 2.2.9. Максимальная начальная удельная скорость а но ксидн ого поглощения фосфора и ее взаимосвязь с мамоимагьной скоростью аэробной)
поглощения фосфора, зафиксированная для натуральныхсютеи УБУФ
Доминантный микроорганизм^ егаболизм	qpMfpjox мгРЛ’ЛВВ ч	qpo-LPPju мгБЯ" ЛВВ-ч	qpu<pp>ix/qpc<ppjcn. %	Источник
ОМЬ - меди фициров энный UCT	19,2	5,9	31	Lopez-Vazquez eJal. (2008а)
	9, и	2,1	23	Lopez-Vazquez etal. (2008a)
	13	6	46	Kuba «al. (1997a,b)
	4-6	1,2-1,6	20 -40	Kuba & al. (1997b)
ФДЕ - Phoredox	8,0	1,9	23	Lopez-Vazquez etal. (2008a)
	9,1	44	48	Lopez ^azquez etal. (2008a)
	6,2	0,6	9	Lopez-Vazquez eJal. (2008a)
	6,3	о,о	0	Lopez-Vazquez eJal (2008a)
ЯМБ -PhoStrip с параллелыыми потоками	9.8	э,э	34	Lopez Vazquez etal. (2008a)
	2,2	1,7	80	ВЩ]апо>лс etal. (2000)
ЯМБ - пилотная версия BIODEMIPHO	4	2	54	Weinhold S al. (1999)
С началом теста в ил было добавлено 1,25 л син-
тетической среды, содержащей 350 мг ХПК/л в виде
Ас, в соответствии с разд 2.2.3 3 в среду также бы-
ли добавлены другие макро- и микроэлементы
и 20 мг/л ATM.
Поскольку испытание проводилось при 10 °C,
температура синтетической среды была д; ведена до
тою же значения на водяной бане Поскольку ос-
новная цель теста состояла в определении анаэроб-
ной стехиометрии и анаэробной и аэробной кинети-
ки процессов УБУФ, отбор образцов происходил
чаще (каждые 5 мин) в первые 30 мин каждой анаэ-
робной и аэробной фазы.
Сразу после отбора все образцы были подго-
товлены и помещены на хранение до аналитиче-
ского определения интересующих параметров
(например, РО4, взвешенные и летучие взвешенные
вещества в иловой смеси, а также ПГА), как описа-
но в разд 2.2 3.4 «Подготовка материала» Все ото-
бранные образцы были проанализированы согласно
указаниям в разд 2 2 2 5. В частности, накоплен-
ный внутриклеточный ПГА определялся в соответ-
ствии с протоколом определения ПГБ ПГВ и гли-
когена методами кислотного гидролиза и экстрак-
ции (Smolders et al, 1994а) Другие соединения
ПГА, такие как ПГ2МВ, не измерялись, т к источ-
ником углерода выступал ацетат, в связи с чем
ожидалось, что большую часть ПГА будут состав-
лять ПГБ и ПГВ. В табл 2 2.10 приведен план экс-
периментальной реализации выполнения теста.
2.2.72. Анализ данных
По результатам эксперимента, представленным
в табл 2.2.10, на рис 2.2.8 показаны результаты
теста включенные в план реализации, а также дана
оценка максимальных объемных кинетических ско-
ростей, представленных в виде линейной регрессии
В табл. 2.2.11 содержатся изменения исследуе-
мых параметров в анаэробных и аэробных условиях,
а табл 2.2.12 представляет оценку различных анаэ-
робных и аэробных стехиометрических и кинетиче-
ских параметров.
В целом результаты теста на активность (рис. 2 2.8)
показывают типичный фенотип ила, в котором преоб-
ладает ФАБ Наблюдается полное поглощение Аг на
анаэробной стадии в сочетании с анаэробным выделе
нием фосфора и ПГА и поглощением гликогена, в то
время как полное поглощение РО4 наблюдалось
в аэробной фазе вместе с использованием ПГА. обра-
зованием гликогена и небольшим поглс щением МН4
of 346
rtUKTlIdTK zcn
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
н
Таблица 2.210. Гример плана приведения лксперим?нта для выполнения теста на активность (стандартное испытание № УБУФ АЭР ?)
с использованием обогащенного ила УБУФ при 10 ’Си синтетической среды при pH 7.0
Коибити[юган1Ь* а>аэробнмзроб>ые темы га аилтннтъУЬУФ			Свд 11Г<ИЛ. к .
Дата:	Четверг17.12.2015 9:00	П ро це ду р жпе ривен та:	Врем, [ч: •-•*)
Описан те:	Испытания при 10 'С, pH 7, искусе венном субсутатеи обогащенной пул туреФАБ	1 ''б еди тесь в на тж чии вв те ри атв д лт ан атж за и не обхо ди вю го об ор уде ван ия.	08:00
Тест Г*-	3 и? 6	2 Проверьте кати бровку и функционирование систеву счетчиков и датчиков.	08:10
Продолжит ели ость:	4,5 ч ,270 t»hj	3 Перенесите 1,25 л ила в реакгрпериидичеситп. деислия	08:20
Субст рт.	Си н те тическии а це га т (35 0 мг/л)+мине ра ты	4 П од де ржива и те аз роб ные уело вия с ос тро иным пе ремеши ва ние м и б арб  тир ова ни ем воздуха при заданных значениях? и pH.	08:40
Том и отбор проб.	Сре дняя высо та р ас твир а в SBR	5 з а 2 > ив н д ч запуска о 1б ер и те о бр азец для опр еделени я н ача лн ых уело вии ГУБУФ ASP.2f3.11l	(18:40
№ проб.	T6W ДЭР 2 [1-22)	н Пре ратите аз рацию и начните барботирование На	08:50
Общий объем проб	305 мп (10 мл ЛВВ, 12 млПГА, 4,5 мл глико - юна, 6 мл др унт и образцов)	7 Начало цикла, добавление 1,25 л синтетического стбсцата (0 мтн)	09:00
Объем н-апсра: График отбора проб	2,5 л	8 5-я вжн, продолжайте о бор проб всооъетсвии с процедурой. 9 13 5- ч вжн, пр екра тх те ба рб о тир ова ние, на чни те п сдачу ьп здуха (135 вж н) 10.	270-я вжн, завершите Фор проб и аэрацию (через 27и вин). 11	Си с те вв ти та руй те об разцщ, выпи ши те очи с тту и би рудова ния и прос тр ано тьа 12.	Убедитесь, что все оборудование ьыклоч»но и > бращы обрабатываются правит но	09:05 1115 13:30 13:45 14:00
ВреМЯ IBBHI	-2и	0	5	10	15	20	25	30	40	50	60	90	135
бревтя (4)	-0,33	0,00	0,08	0,17	0,25	0,33	0,42	0,50	0,6?"	0,83	1,00	1,50	2,25
№ образца	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
Пара мер	АНАЭРОБНАЯ ФАЗА												
Н Ac (С MBTOiibi'n	5,83’		4,85	4.57	3,98	3,48	2,87	2,21	1,35	0,43	0	0	0
РОж-Р (Р-виоль7л)	0’		0,24	0,45	1.01	1,35	1,69	2,14	2,85	3,01	3,04	3,07	3,11
NHq-N IN-ммль/л)	1,32’			1,34								1,26	1,39
ПГА (С-ввю в)	[12.27											20,04	20,08
Гликоген [С-мвюль)	15,09											12,68	12,71
ВВ и ЛВ6 (вт/л)	см габтжцу												см в блицу
(Среднее значение ионцентрацмм. присутствующей всин тети чесы- мегера те ижхддои Фате обраща ила до начата испытания
Графин । Фора проб [продолжение)
Ь реМЯ (МИНJ	140	145	150	155	160	165	180	195	215	270
ВреМЯ (Ч)	2,33	2,42	2,50	2,58	2,67	2,75	3,00	3,25	3,58	4,50
№ обраца	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22
Пзравтетр	АЭРОБНАЯ ФАЗА									
НАс (С -втю lb,1 л)										
РО»Р (Р-мвюл/л)	3,00	2,73	2/	2,20	1,90	1,64	! 84	0	0	0
N Н*Н (М-ммоль/л)				1,11			1,09	1,07	1,06	1,05
ПГА (С-выоль)							15,55			11,72
г ТЖ ИОГсН (С мвю я)							15,04			15,90
В В и ЛВВ 1мг7л)										см вблицу
И wpe ни е ВВ и ЛВВ (о бщая дота и б еззо л> ное ве щес тво)
т чтя отбора проб	Пробирка №	(ОН	002	иоз	ЩЕ-001	И1Е-ШТЗ	ВВ	ЛВЕ.	Отношение
Начало анаэроб не и фазы3	1	0,08835	0,16525	0,10792	0,07690	0,05733	7690	5733	0,75
	2	0,08835	0,16553	0,10997	0,07718	0,05556	7718	5556	0,72
	3	0,08834	0,16435	0,10903	0,07601	0,05532	7601	5532	0,73
Среднее							7670	5607	0,73
Конец ан аэро бн ойтна чало аэробной фазы	4	0,08858	0,12437	0,09606	0,03579	0,02831	3579	2831	0,79
	5	0,1'3848	0,12564	0,09646	0,03716	0,02918	3716	2918	0,79
	6	0,1'8914	0,12527	0,09648	0,03613	0,п2879	3613	2879	0,80
Среднее							3636	Г?876	0,79
Конец аэробной фа ты	7	0,08868	0,12859	0,09952	0,03991	0,02907	3991	2907	0,73
	8	0,08764	0,12716	0,09881	0,03952	0,02835	3952	2835	0,72
	9	0,08722	0,12622	0,09800	0,03900	0,02822	3900	2822	0,72
Среднее							3948	2855	0,72
’Обратен, ьзя ни перед добавлением субстра в.
С ос в в биовиосы
Зечка - Тб -ра проб	Начало анаэробной фаты	Конец а на эре бн и фаты	Конец аэробнии фаты	Привтечание	
ВВ [мг/л]	3835	1616	'394? '		
ЛЁВ (м-.’л)	25-14	2876	2855	АЦе та TlUHsOl	30,03 вг/С-В№ЛЬ
Отношение	^73	0,79	_0,72	Op т фосфа т|РОа-Р)	31,00 вг Р-мвюл
3 ла увт/л)	1031	760	1093	АВИЮНИИ iMHo-N)	14,00 вг.'М-виоль
ПГБ (вйл|	12417	392.0	'232.1	ПГБ (CHisOasJ	21,52 вг/С-виолв
ПГВ lMi/л]	20,9	37,3	18,6	nrBlcHtoOiul	20,02 втТС-выояь
ПГД(М1/л)	262,6	429.3	250.8	Гтжкоген (CHislOsj	27,00 вг/С-вжтоль
Гликоген iBTi'ii)	423,7	343,3	429,2	Би омасса (С Н anCosZ-oa)	26.00 вг/С-виыль
югпгд-адгвв	(2'<	37.0	31,0		
Ах ж вна я биомасса 1*г?л|	2117	2103	2175		
Ахжвная биомасса (С-мвюль7л)	"31.4	80 9	"Ц6-		
of 346
м
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3.0 3,5 4,0 4,5
Время (ч)
Время (ч)
Рисунок 2.28. Графическое пре дстав пение данных, полученных на примере плана выполнения теста на актин осте. (УБ УФ ДЭР.2. табл. 2.210) с ис-
пользованием лабораторно обогащенного ипа У Б УФ при 10 ’С и синтетической среды при pH 7 О
5 - профили экспериментальных данных, представляющих интерес, б - полученные данные по А; и РОл, показывающие основные гинли направлений
скоростей преобразований для дальнейшей оценки максимальных китетических скоростей
Таблица 2.211. йодные данные анаэробных и аэробных превращений.наблюдаемых на примере теста на активность
(стандартное испытание № УБУФАЭР.2), выпиленного с лабораторно обогащенным илом УБУФ при 10 ’С с использованием синтетической ср еды при pH 7,0
Параметр	Единица измерения	Начало [Время 0]	Анаэробная фаза			Аэробная фаза Окончание [Время: 270 мин]	Аэробное превращение
			Окончание [Время  135 мин]	Анаэробное превр тщание	Начало [Время 135 мин]		
ЯС	С-ммоль/л	5,20	0)00	-6,20	0,00	0,00	0,00
РО*Р	Р-ммиль/л	0.00	3,11	3.11	3,11	0.00	-пЭ.11
	Ы-ммоль/л	1,32	1у39	OJ07	1,39	1.05	-0,34
ПГБ	С-ммолы'л	11,23	18,21	6J99	18,21	10,79	-7,43
ПГВ	С-ммоль/л	1,05	1.86	082	1,86	0,93	-0,93
ФАЕ (ПГЕ-Н1ГБ)	Сммоль/л	12,27	20 JD8	780	20,08	11,72	-8,36
Гликоген	С-ммольЛт	15,69	12,71	-288	12,71	1580	3,18
Таблица 2.212 йодные данные анаэробных и аэробных стехиометрических иттетитоских параметров, полученных на примере теста на активность
(стандартное испытание № УБУФ АЭР 2), выношенного с лабораторно обо га ще нны м илом УБУФ при 10 ’С с использование м cm тетичес кой средь:
при pH7J0
Превращение	Обозначение	Единица измерения	Расчетное значение
Аназр об ная стелю метрия Отношение чн того выделенное о фи' фора к поглощению Асв	Yncjovn	РмолыС-моль	057
Отношение образования ПГА н поглощению Ас	УйсЛТйЛп	С-молыС-моль	180
отношение образования ПГВ кобразеваниюПГБ	Угтвлггхп	С-МОЛЫС-МОЛь	0,12
Отношение поглощения гликогена к поглощению Ас	YGync/Ml	СмолЫС-моль	0Д7
Анаэробные кинетические сюр"ктиь Максимальная объемная скорость поглощения Ас	Гйсйп	С-НМОЛЬ/ЛЧ	6,15
Максимальная дельная скорость поглощения Ас	Цйс^п	С-молыС-мольч	0875
Максимальная объемная скорость выделения РО*	Грр.роля	Р-мольлгч	4,42
Максимальная дельная скорость выделения PC*	qppjo*>n	Р-чмоль?л ч	0854
Скорость вторичного анаэробного выделения РО*	ГР"_Р«;5к,ип	Р-ммоль'л ч	0863
Коз ффи циент анаэроб него поддержания	ПТр Putyn	Р-моль/С-мольч	7J69E-04
Аэробные кинетически вскорости Максимальная объемная скорость поглощения РО*	IP04PP/IX	Р-ммоль/лч	3,12
Максимальная дельная скорость поглощения РО*	qpoippjoi	Рмоль/С-мольч	0838
Объемная аэробная скорость поглощения ЫН*С	Т№4 борх	N-мольЛтч	0,15
Максимальный удельный рост биомассы0	Ч Рл	СчиолыС-моль ч	0809
а Исключая вторичное высвобождение фосцюра путем умножения ги^^на продолжительность анаэробной фазы (0863 F ммольАт ч 2,25 ч = 0,142 Р ммоль)
" Оценивается путем деления максим альнык показателей скоростей об семных превращений на концентрацию активной биомассы в начале испьпания 81,4 Ом моль
с Расчетное значение аэробное поглощение 14k деленное на продолжительность аэробной .разы.
d Оценка объемная скорость аэробного поглощения MU деленная на содержание N в биомассе (0,20 Ммоль) и начальную концентрщию активной биомассы
(81 4С-ммол в/л).
of 346
ОПРВДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
И
Кроме того, итносительно низкое отношение
беззольной части биомассы (ЛВВ) к общей концен-
трации взвешенных веществ (ОВВ), наблюдаемое
вначале и конце теста (около и,72-0,73), является
типичным для систем УБУФ благодаря накоплению
полифосфатов (что отражается в более высоком
содержании золы) по сравнению с системами, кото-
рые обеспечивают удаление только органического
вещества (с соотношениями ЛРВ/ОВЕ обычно
не ни же 0,80) (Wentzel et al., 2008).
Как видно из табл. 2 2 12, анаэробная стехиомет-
рия, в частности отношение чистого выделенного Р
к поглощенному Ас (Ул р04/т> РО4/Ас или Р/С), рав-
ное 0,57 Р-моль/С-моль. в сочетании с отношением
поглощения гликогена к поглощению Ас 0,57 С-
моль/С-моль, указывает на то, что наблюдаемая ак-
тивность бис массы (физиология) соответствует пре-
обладании: метаболизма ФаБ (см табл. 2.2 3). Об
этом может свидетельствовать относительно низкое
отношение образования ПГВ к образованию ПГБ
(Упгвлтгб^Л равное 0,12, поскольку значения отно-
шения ПГВ/ПГБ, близкие или ниже 0,10, обычно
наблюдаются в системах, обогащенных ФАБ
(Smolders et al, 1994 а), из-за более низкого потреб-
ления гликогена для поглощения Ас по сравнению
с системами, в которых доминирует ГАБ (Zeng et al,
2003а). Кроме того, сравнение наблюдаемого отно-
шения PO4/AC со значениями, приведенными
в табл 2.2 3 (для обогащенных культур УБУФ) и на
рис 2.2.5, показывает, что ФАБ (или их активность)
.являются доминирующими в иле. Однако такая оцен-
ка является приблизительной, в связи с чем необхо-
дима проверка с использованием молекулярных ме-
тодов (гл 7 и 8). Отношение Р/ОВВ в иле также мож-
но использовать для оценки расчетного отношения
РО4/Ас (см рис 2 2 7) Тем не менее на основании
ранее полученных данных в образце ил а наблюдается
удовлетворительная активность УБУФ
Важным инструментом для оценки достоверности
и качества данных является баланс ХПК. В данном
примере баланс ХПК, выполненный для оценки анаэ-
робных превращений УБУФ, показывает, что потреб-
ляется около 5,83 С-ммоль Ас и 2,98 С-ммоль глико-
гена, в то время как образуется 7,80 С-ммоль ПГА
Используя коэффициент преобразования ХПК 32 мг
ХПК/С-ммоль для Ас и гликогена и 36 мг ХПК/мг С-
ммоль для ПГА погрешность баланса ХПК (ДХПК
(%)) около 0,2% можно вычислить с помощью фор-
мулы (2.2.2). Подобный баланс ХПК можно составить
для аэробных преобразований ХПК при условии вы-
полнения теста респирометрии в соответствии с гл. 3
Что касается анаэробных кинетических скоростей,
значения ((A’Ai и гпрр_ро4то 0,075 С-моль/С-моль ч
и 7,69 1П-1 Р-моль/С-мпль ч, соответственно, оказались
чиже типичных значений для систем обогащенных
ФАБ, примерно на 0,20 С-мсль/С-моль ч и2,110'3
Р-моль/С-моль ч, соответственно (табл 2.2 12) Одна-
ко следует понимать, что испытание на аьтивность
проводилось при температуре 10 °C, тогда как преды-
дущие значения, приведенные в литературе, в основ-
ном были пслучены при 20 °C. Таким образом в це-
лях сравнения с результатами испытаний, проводи-
мых при 20 °C (а также при других температурах), для
оценьси можно использовать температурные коэффи-
циенты Аррениуса (8) (Мецег, 2004) (1,094 для по-
глощения углерода и 1,071 для анаэробного поддер-
жания). Применение коэффициента позволит оценить
эквивалентные кинетические скорости при 20 °C на
основании испытаний, проведенных при 10 °C Сле-
довательно, эквивалентные кинетические скорости
при 20 °C. 0,18 С-моль/С-моль ч для максимальной
скорости поглощения ацетата (оценивается как
и 1,53 10’3Р-моль/С -моль ч
(трр_р04^0тАп= трр_ро4дол/^'
Аналогично для максимальной аэробной удельной
скорости поглощения (qp04 ррр^) 0,038 Р-моль/С-моль ч
наблюдаемой при 10 °C, эквивалентная максимальная
удельная скорость 0,050 Р-моль/С-моль ч оценивает-
ся при 20 °C (см табл 2 2.6) Рост биомассы не может
определяться непосредственно по увеличению пока-
зателя ЛВВ в растворе, поскольку потенциально низ-
кий рост биомассы, вероятно, попадет в стандартный
диапазон погрешности метода аналитического опреде
ления ЛВВ в растворе Рост биомассы оценивается на
основе показателя потребления МН* наблюдаемого
в тесте (при условии, что МЬЦ не удалялся с помощью
иного биологического или химического процесса)
Тагам образом максимальная удельная скорость роста
биомассы (qbopx) составляет 0,009 С-моль/Смс-ль ч
(С-моль новой биомассы, образованной на С-моль
существующей биомассы) После повторного расче-
та приблизительной скорости роста биомассы при
температуре от 10 до 20 °C (используя температур-
ный коэффициент Аррениуса для роста биомассы
1,081), предполагаемая скорость роста биомассы
составляет 0,020 С-мсль/С-моль ч, что находится
в диапазоне ранее указанных значений для ила
УБУФ (0,016 С моль/С-моль ч) (Smolders, 1995)
В целом, стехиометрические и кинетические пара
метры, полученные в тесте, сравнимы с аналогич-
ными значениями, встречающимися в литературе
для культур УБУФ (см табл 2.2.3), что четко ука-
зывает на то, что активность УБУФ. наблюдаемая
в тесте, является типичной для данной культуры
2.2.8. Дополнительные данные
2.2.8.1. Появление ГАБ в системах УБУФ
Появление ГАБ в системах УБУФ стало предметом
обширных исследований в последние годы из-за
вредного воздействия которое они могут оказать на
эффективность работы систем На сегодняшний день
в качестве ключевых факторов, благоприятствующих
присутствию ГАБ в (лабораторных) системах УБУФ,
предложены (i) наличие только одного источника
ХПК в неочищенных стоках (ацетата либо пропиона-
of 346
и
та), (ii) температура выше 20 °C и (ш) значения pH
ниже 7.0 (Filipe et al., 2001b; Oehmen et al, 2004;
Lopez-Vazquez et al., 200 9b) Наиболее характерными
аспектами, указывающими на наличие ГАБ, являются
величина отношения анаэробного выделения Р к по-
глощению С, намного ниже 0,50 Р-мопь/С-моль,
и неполное аэробное поглощение РО4 Несмотря на
частое появление ГАБ в лабораторных системах
УБУФ (возможно, вследствие работы лабораторных
систем на границах вышеупомянутых параметров:
с одни м источником углерода обычно ацетатом, при
pH 7,0 и 20 °C), обильные популяции ГАБ редко об-
наружив тли СЬ Б Пр о изв о д ств енных муницип альных
системах УБУФ (Thomas et al, 2003; Saunders et al,
2003, Lopez-Vazquez et al, 2008a, Lopez-Vazquez.
2009, Kong et al, 2006), если для этого не были: созда-
ны определенные условия (сброс промстоков) (Burow
et al., 2007) Хотя низкое отношение анаэробного вы-
деления Р к поглощению С может свидетельствовать
о более высокой активности или участии ГаБ, недав-
ние наблюдения представили доказательства, что
ФаБ при условии ограничения внутриклеточных по-
лифосфатов могут обеспечить метаболизм подобный
ГАБ в анаэробных условиях, с полным аэрооным уда-
лением фосфора (Schuler and Jenkins, 2003, Zhou et al,
2008, Acevedo et al., 2012; Welles et al, 2015b). Следо-
вательно, значения отношения анаэробного выделен-
ного Р к поглощению С, которые в тестах на актив-
ность УБУФ существенно ниже 0,50 Р-моль/С моль
(например, около 0,35 Р-мсль/С-моль), не означают,
что концентрация ГАБ выше концентрации ФАБ.
Так как фактические механизмы, влияющие на ис-
пользование метаболизма типа ГАБ в фосфатакку-
мулирующих бактериях, вероятно, и впредь будут
состаьлятъ предмет исследований, для выявления
доминирующей популяции УБУФ-микробов настоя-
тельно рекомендуется использовать микроскопиче-
ские и молекулярные методы (гл. 7-8).
2.2 8.2. Влияние источника углерода
Известно, что легко биоразлагаемый ХПК, подавае-
мый во время анаэробной стадии (содержащий
в основном летучие жирные кислоты, такие как аце-
тат и пропионат), усиливает рост биомассы УБУФ
(Comeau в t al , 1986, Mino et al, 1998, Oehmen et al,
2004) Другие источники такого ХПК, например,
глюкоза, являются неподходящими, т. к они, по-
видимому. усиливают рост ГАБ или так называемых
G-бактерий (грамположительных или грамогрица
тельных) (Cech and Hartman, 1 993) Кроме того,
предполагается, что более сложные субстраты необ-
ходимо гидролизовать и ферментировать до состоя-
ния ЛЖК, чтобы сделать их доступными для био
массы УБУФ (Wentzel et al, 2008). Б связи с этим
вероятно, что более сложные источники ХПК
не будут полностью потребляться на анаэробной
стадии и будут « просачиваться» в ан оксидную пли
аэробную- стадию-, влияя на аноксидные и аэробные
показатели УБУФ (например, при выполнении ком-
бинированных анаэробно-аниксидно-аэробных те-
ЭКСПЕРИМЕНТАЛьНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
стов, таких как УБУФ АНОКС.2 или УБУФ АЭР 2)
В идеале для удовлетворительной интерпретации
полученных экспериментальных данных источник
ХПК не должен присутствовать на бескислородной
или аэробной стадии теста на активность УБУФ (ис-
ключая случаи, когда сн также является предметом
исследования). Кроме того, недаьние исследования
позволяют предполагать, что, помимо известных
ФаБ (Candidatus Accurnulibacter phosphans), другие
организмы, такие как Actino bacteria или S-PAOs
(Kong et al, 20G5, Wu et al, 2014), также способны
выполнять избыточное поглощение Р, например,
Accurnulibacter, с использованием альтернативных
доноров электронов (например, аминокислот или
H2S). Для ежедневных или регулярных испытаний
в известных системах УБУФ с обеспечением удовле-
творительной оценки активности УБУФ хорошо под-
ходят синтетические среды, содержащие ЛЖК, опи-
санные в данной главе Однако использование более
сложных источников ХПК, которые, безусловно, мо-
гут присутствовать в неочищенных или отстоянных
городских сточных водах, мсжет привести либо
к неоптимальной активности УБУФ, .либо (что еще
требуется доказать) к различным метаболизмам
УБУФ Последнее было и остается предметом об-
ширных исследований иднакс нужно иметь в виду,
что такие условия могут привести к результатам, от-
личным от представленных в настоящей главе.
2.283. Влияние температуры
Несмотря на большое количество исследований по
оценке температурных зависимостей культур УБУФ,
предполагается, что температуры ниже 20 °C спо-
собствуют росту ФАБ, тогда как более высокие тем-
пературы способствуют развитию ГАБ (Brdjanovic
et al., 1997, 1998b, Lopez-Vazquez et al., 20119a). Не-
которые наблюдения показали, что стабильные си-
стемы УБУФ могут работать при температурах вы-
ше 25 °C (Cao et al, 2009). Хотя особые комбинации
состава сточных вид, условий эксплуатации и окру-
жающей среды будут играть важную роль, длитель-
ная эксплуатация и адаптация культур УБУФ- к этим
конкретным услсвиям также может привести к раз-
витию и обогащению культур ФАБ (или подобных
организмов, аналогичных по фенотипу ФАБ), спо-
собных обеспечить стабильный уровень УБУФ при
более высокой температуре Б связи с этим иденти-
фикация таких организмов имеет большое значение,
и методы, представленные в гл. 7 и 8, будут необхо-
димы для выяснения идентичности этих организмов
2.28.4. Влияние кислотности
Как уже упоминалось, уровень водородного показа-
теля оказывает непосредственное влияние на куль-
туры УБУФ (Smolders et al, 1994а, Filipe et al,
2001a) Во время тестов на активность УБУФ следу
ет осуществлять его мониторинг и тщательно кон-
тр о лир ов ать для получения надежных данных (избе-
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКГИ ВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ	17
гая колебаний pH выше ±0,1-0,2). Однако более
высокие уровни pH (особенно выше 8,0) в сочетании
с присутствием легко биор азлагаемого ХПК могут
привести (как ожидается) к более высокому анаэроб-
ному выделению фосфора и способствовать мимиче-
ски индуцированному осаждению фосфата кальция
и даже образованию струвита в зависимости от со-
става сточных вод (NFLMgPCU или KMgPCQ (Lin et
al, 2012; Manas ei al, 2011) Кроме того, нельзя игно-
рировать тот факт, что присутствие солей алюминия
в сточных водах, образующихся при сбросе осадка
очистки питьевой воды, может оказывать влияние
и приводить к осаждению фосфора, особенно если
этот осадок находится в канализационной сети доста-
точно долгое время. Эти процессы уменьшат биоло-
гическую доступность фосфора для ФАБ, что приве-
дет к потенциальному ухудшению процесса УБУФ,
поскольку ФАБ не смогут пополнить свои внутри-
клеточные запасы полифосфатов Такие условия мо-
гут привести к получению значений, отличных от
представленных в этой главе С другой стороны, не-
смотря на нежелательность описанного выше процес-
са и, следователь но, необходимость его исключения
в непрерывных обычных чередующихся анаэробно-
аноксидно-аэробных системах УБУФ, на его основе
метут быть предложены интересные альтернативные
варианты возврата (вторичного использования) Р,
которые, возможно, стоит изучить с учетом суще-
ственной роли фосфора в пищевой цепи и потенци-
ального истощения традиционных источников фос-
фора г мире.
2.2 8.5 Денитрификация с помощью культур УБУФ
Денитрифицирующие куль турье УБУФ были пред-
метом активных исследований с 1990-х гт, в то
время как на бескислородной ступени некоторых
систем УБУФ наблюдалось удовлетворительное
одновременное удаление NO? и поглощение РО4
(Vlekke et al, 1988; Kuba е/ al., 1993, 1996, 1997а,
1997b; Wachtmeister el al., 1997; Brdjanovic el al.,
2000, Zeng et al, 2003b) В других лабораторных
и натурных исследованиях наблюдались ограничен-
ные или нестабильные вялотекущие процессы де-
нитрификации и одновременное поглощение фосфа-
тов (Кerm- Jespersen and Henze, 1993, HueM/, 2003;
Carvalho et al, 2007; Lopez-Vazquez el al, 2008a).
В действительности открытию существования двух
разных штаммов Accumuhbacter (известных видов
ФАБ), по-видимому, способствовала оценка способ-
ностей к восстановлении нитратов биомассой УБУФ
(Flowers et al, 2008). Flowers et al. (2008) предполо-
жили, что так называемый штамм Accumuhbacter
первого типа и он обладает способностью к полному
восстановлению нитрата дс газообразного азота, то-
гда как способность к денитрификации штамма
Accumuhbacter второго типа начинается с нитрита
(в соответствии с первыми наблюдениями, сделан-
ными Kerm-Jespersen и Henze, 1993). Согласие пред-
ложениям Kuba et al (1996) and Lopez-Vazquez et al
(2008a), одновременное удаление NO3 и способность
к бескислородному поглощению фосфатов илом
УБУФ может быть следствием индукции требуемых
денитрифицирующих ферментов (нитрат- и нитри-
тредуктаза) и развития УБУФ и сопутствующих по-
пуляций, способных к денитрификации Поэтому при
выполнении тестов на бескислородное поглощение
УБУФ наблюдаемая активность может значительно
варьироваться от пракшчески нулевой до довольно
высокой (см табл. 2 2 8, 2 2 9), в зависимости от сте-
пени воздействия аноксидных условий и развития
денитрифицирующих популяций в лабораторных или
производственных системах
2.28.6 Из бы ток/нехватка
 нутриклеточ ных соединений
Несмотря на первоначальные предположения, чтс
истощение внутриклеточных запасов полифосфатов
ЯЕЛяется ограничивающим фактор ом для анаэробного
поглощения ЛЖК ФАБ (Brdjanovic et al, 1997), более
поздние исследования показали, что ФАБ могут ис-
пользовал» большее количество внутриклеточного
запасенного гликогена в качестве источника энергии
для анаэробного поглощения ЛЖК, чтобы компенси-
ровать ограниченную доступность полифссфатов,
и при этом полностью выполнять удовлетворитель-
ное аэробное поглощение фосфора (Schuler and
Jenkins, 2003, Zhou et al., 2008, Acevedo et al, 2012;
Welles et al, 2014, 2015b, 2016). Это отражается на
существенно более низких значения:: отношения
анаэробного выделенного фосфора к поглощенному
углероду - ниже 0,50 Р-моль/С-моль (см рис. 2 2 7)
и более высоких соотношениях анаэробного глико-
гена, потребленного в анаэробных условиях, и ути-
лизированного углерода (см табл 2.2 3). Основыва-
ясь на наблюдениях Schuler and Jenkins (2003)
и Welles et al (2015b), переход от метаболического
использования пилифосфатов к гликогену, по-
видимому, происходит, как только отношение об-
щего Робж'ОВВ биомассы опускается ниже 0,08 мг
Р/г ОЕ-В (Acevedo et al., 2014). Кроме того, Welles et
al. (2015b) отметили, что максимальные скорости
роста двух известных штаммов Accumuhbacter
(Flowers el al., 2008), по-видимому, по-равному за-
висят от наличия внутриклеточных полифосфатов,
причем влияние на Accumuhbacter первого типа
больше, чем на штамм Accumuhbacter второго типа.
Это может объяснить потенциальные отклонения от
показателей, представленных в настоящей главе, что
подтверждается определением внутриклеточного
содержания полифосфата и гликогена или оценкой
отношения Р/ОВВ биомассы.
22.8.7. Избыточная продолжительность аэрации
Длительное воздействие на биомассу УБУФ аэрации
(например, более 12-24 ч) может привести к последо-
вательному использованию ПГА, гликогена и внут-
риклеточного по ли фосфата в аэробных условиях
(Brdjanovic et al, 1998с, Lopez ei al., 2006) вслед-
of 346
н
ствие того, что биомасса должна обеспечивать необ-
ходимые эндогенные потребности в аэробных усло-
виях. Возможным следствием этогс станет аэробное
выделение фосфора, как только начнется гидролиз
внутриклеточного запаса полифосфата Таким обра-
зом, если образцы ила УБУФ подвергаются длитель-
ной аэрации перед выполнением тестов на актив-
ность (например, в течение ночи или во время транс-
портировки), это, вероятно, приведет к более низкой
активности УБУФ из-за потенциально (более) низко-
го содержания полифосфатов и гликогена в иле. По
этой причине следует избегать чрезмерной продол-
жительности аэрации Кроме того, решение данного
вопроса заслуживает чсобого внимания для обеспе-
чения удовлетворительной работы производствен-
ных систем УБУФ с активным илом, поскольку из-
быточная продолжительность аэрации в условиях
низкой нагрузки (например, в выходные или празд-
ничные дни) может привести к нежелательному
аэробному выбросу фосфора, влияющему на каче-
ство очищенных сточных вод
2.28.8 Недостаток основных ионов
Наличие макро- и микроэлементов в необходимой
концентрации и (био-) доступность обязательны для
систем активного ила УБУФ Например, калий, маг-
ний, железо и кальций, в числе прочего, играют важ-
ную роль в регуляции метаболизма микр о организмов
УБУФ’ и необходимы для поддержания накопления
внутриклеточных соединений (Brd| anovic е/ я/. 1997,
Burowe/dfZ, 2007, Barat et al, 2008). Отсутствие таких
элементов, как; например, калий, может привести
к ухудшению процесса УБУФ (Brdjanovic et al,
1997), тогда как их избыток может влиять на мета-
болизм ФАБ, индуцируя ГАБ метаболизм (J с baggy
et al., 2006, Barat г/ al., 2008), возможно, из-за хими-
ческого осаждения фосфора с использованием вы-
шеупомянутых элементов Это снижает их био до-
ступность и, следовательно, аэробное накопление
полифосфатов При возникновении подозрений, что
концентрации вышеупомянутых элементов отлича-
ются от стандартных показателей в городских си-
стемах очистки сточных вед, необходимо провести
проверку на наличие (отсутствие или избыток) та-
ких элементов
2.28.9 Токсичность1ингибирование процесса
Выявлено ограниченное число соединений, оказы-
вающих токсичное или ингибирующее воздействие
на процесс УБУФ Присутствие нитратов или нит-
ритов в анаэробной зоне считается вредным для
процесса УБУФ, поскольку они усиливают актив-
ность обычных денитрифицирующих организмов,
которые могут потреблять доступный легко биораз-
лагаемый ХПК, при этом нанося ущерб ФАБ
(Wentzel et al., 2008). Кроме того, было доказано,
чти присутствие нитрита в аэробной зоне в концен-
трациях до 6-8 мг/л ингибирует ФАБ (Saito et al.,
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
2004), что может усугубляться при более низкой
кислотности из-за увеличения содержания свобод-
ной азотистой кислоты (САК) (Zhou et al., 2008;
Pijuan et al, 2010). Последнее способствует появле-
нию ГАБ, которые доминируют над Ф'АБ благодаря
более высокой степени устойчивости ГАБ к присут-
ствию САК (Pijuan et al., 2011), и это приводит
к ухудшению процесса УБУФ. Соленость является
еще одним факторим. подавляющим активность
ФАБ при краткосрочном воздействии (несколько
часов) (Welles et al., 2014, 2015а).
Welles et al (2014) отметили, что кратковременное
воздействие хлоридов в концентрации до 1L' 000 мг
NaCl/л (1 % солености) может привести к более чем
50%-му ингибированию анаэробного метаболизма
ФаБ и практически полностью ингибировать аэроб-
ный метаболизм Подобные обстоятельства могут
возникнуть из-за внезапного проникновения солевого
раствора в канализацию или в установку очистки
сточных вод (особенно в прибрежных рай он аге),
а также вследствие сброса промышленных стоков
Тем не менее длительное воздействие на ил УБУФ
высоких концентраций соли (> 35 000 мт NaCl/л, со-
леность 3,5%) может улучшить акклиматизацию
биомассы УБУФ, которая в последствии может при-
обрести свойство с о неустойчив ости и способность
обеспечить удовлетворительный уровень УБУФ при
концентрациях соли, как в морской воде H^S также
имеет ингибирующее или токсичное воздействие на
ил УБУФ H2S может образовываться в сточных во-
дах (из-за проникновения солевого раствора или про-
мышленных сбросов) или на анаэробной стадии си-
стемы активного ила УБУФ Присутствие HjS может
быть ингибирующим (около 50% активности) по
отношению к анаэробному метаболизму ФАБ при
концентрациях до 20-25 мг HjS/л (Saad et al, 2013,
Rubio-Rincon et al, 2016). В целом ингибирующее
воздействие будет выражено в ограничении или не-
опгимэльной активности УБУФ' По возможности ил
следует промыть в минеральном растворе (как описа-
но в разд. 2 2 3.5), чтобы избежать потенциально ин-
гибирующих или токсичных соединении
2.3.	БИОЛОГИЧЕСКОЕ
ВОССТАНОВЛЕНИЕ СУЛЬФАТОВ
2.3.1.	Описание процесса
Сульф ат (S О/’) естественным : бр азо м присутствует
в поверхностных и подземных водах, его концен-
трации в сетях питьевого водоснабжения варьиру-
ются в зависимости от географического положения
В результате присутствие в бытовых сточных водах
других соединений серы (органических сульфидов),
включая меркаптаны, диметилсульфиды и ди метил-
ди сульфиды. также очень распространено Концен-
г паи с дисг--
of 346
ОПРВДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
трация сульфата в бытовых сточных видах обычно
составляет от 20 до 60 мг/л (Moussa et al, 2006)
Однако концентрация сульфатов в стоках может
достигать 500 мг/л из-за сброса промышленных
сточных ьод богатых сульфатами, смыва туалетов
морской водой или проникновения соленой в-^ды
в канализацию (Lens et al, 1998; Chen et al., 2010,
EkamaeM/., 2010).
Метаболизм сульф атр едуцир ую щи х бактерий
(СРВ), помимо его применения в очистке бытовых
сточных вод, можно выгодно использовать в специ-
фических промышленных процессах 'чистки сточ-
ных вод, богатых сульфатами (Lens et al, 1998;
Muyzer and Stams, 2008). Среди них производство
картофельного крахмала, на целлюлозно-бумажных
комбинатах, в пищевой и бродильной промышленно-
сти, а также на предприятиях по переработке море-
продуктов При счистке сточных вод сульф ат обычно
полностью восстанавливается до сульфида, посколь-
ку при таком превращении значение свободной энер-
гии Гиббса наивысшее (AG°', табл 2.3.1).
Таблица 2.11. Реакции трансфер МаЦкй сульфата сиспогъзованием СРБ
(Jfltgensen. 2006; Liamleam and Amachhalre, 2007)
Реакции	flG" (кДьАоль)
SO?+4HI+H’-»HS'+4H!O	-152,2
S0/-+H1+2H’-.HS0t-+H}0	+19,7
HS0s-+3Hi-»HS- + 3HiO	-171,7
	-46,3
SsOi!' + Hj-*8i0iJ‘+HS0i- + H*	-123,0
SsGi!'+ Hj —> HS’+HSOi-	-21,9
8С^’+2Н, + АТФ—-АФС + PPi	+460
PFl + HjO — 2Pi	-21,9
AOJ+Hj-^HSOr+AMC + H-1	-68,0
Процесс диссимиляции с восстановлением суль-
фатов является наиболее важным анаэробным про-
цессомвс множестве сред (Balk et al., 2008).
На начальной стадии биологическое восстанов-
ление сульфатов включает перенос экзогенного
сульфата через мембрану бактериальной клетки
в клетку. Процесс диссимиляции сульфата протека-
ет под действием аденозин три фосф ат (АТФ) суль-
фурилазы (рис 2 3 1). АТФ1 продуцирует высоко ак-
тивированные молекулы аденозинфосфосульф ага
(АФС) и пирофосфата (PPi) в присутствии сульфата,
что приводит к образованию неорганического фос-
фата Кроме того, АФС быстро конвертируется
в бисульфит (Н20з‘) цитоплазматическим фермен-
том АФС-редуктазой. Пирофосфат гидролизуется,
а сульфатная часть АФС восстанавливается до би-
сульфита вместе с аденозинмоно фосф атом (АМФ)
В свою '1чередь, бисульфит может быть восстанов-
лен через промежуточные продукты с образованием
иона сульфида Бисульфит восстанавливается до
бисульфида (HS ) с помощью бисульфитредуктазы.
Иной механизм подразумевает восстановление
бисульфита с помощью ферментов бисульфитредук-
тазы, трити: натредуктазы и пюсульфатредуктазы
с появлением тритионата (SjCV) и тиосульфата
(S2O/’) в качестве свободных промежуточных со-
единений Физиология и рост этих бактерий были
тщательно изучены и широко описаны (Cvpionka
1987, Gibson, 1990, Hansen, 1994, Rabus et al., 2006).
Организмы, ответственные за восстановление
соединений серы, принадлежат как к бактериям, так
и к прокариотам (археям) (Festgate, 1 965; Muyzer
and Srams, 2008), темне менее в литературе и сп о ль
зуется термин СРВ В данной главе термин СРВ
включает в себя как бактерии, так и прокариоты
Бактериальные сульф атр ед у кто ры подразделяются
на ветви дельтапротеобактерии с более чем 25 ви-
дами, грамположительные бактерии, которые вклю-
чают Desulfotomaculum и Thermodesulfobtum. и гра-
могрицательные сульфат редукторы, включающие в
себя Thermo desulfob actenum и Thermo desulfatator
(Mon et al., 2003; Moussard et al., 20 04, Balk et al,
2008) СРБ присутствуют в к анализ ап и о иных систе-
мах и очистных сооружениях Авторы также описа-
ли деятельность СРБ на пресных и морских терри-
ториях, на участках с гиперсолевым и нефтя-
ным/угл ев о дородным загрязнением (Cravo-Laureau
etal., 2004, Alrneidae/al., 2006, Kjeldsenezcz/, 2007)
СРБ - факультативные анаэробы, которые живут
в бескислородной или обедненной среде и использу-
ют сульфат в качестве конечного акцептора электро-
нов для производства сероводорода (H;S) в качестве
одного из конечных продуктов их метаболизма СРБ
может выживать в экстремальных условиях окружа-
ющей среды и эксплуатации в довольно широком
диапазоне кислотности (от 4,0 до 9,5), температуры
(25-75 °C) и давления до 500 атм (Madigan et al.,
2009, Tangei al., 2009). Сульфат чувствителен к окис-
ли гельно-восстановительным процессам; продуциро-
вание сульфида является показателем активности
СРБ, которая зависит от нескольких факторов, вклю-
чая концентрацию сульфата, концентрацию органи-
ческих питательных веществ, pH и темпер атуру и др.
На канализационных и муниципальных очистных
сооружениях присутствие СРБ считается нежела-
тельным из-за коррозии и нестабильности метаноген-
ной активности, вызывающей недостаточный процесс
сбраживания (Oude Elfremnk et al, 1994) СРБ при-
знаны основными бактериями, вызывающими микро-
биологическую коррозию в нефте-, газопроводах
и канализационных система:: (Al Abbas et al., 2013)
Микробиологическая коррозия усиливается из-за
синергетического взаимодействия различных микро-
бов, таких как железо и марганецредуцирующие бак-
терии, углекислотные редуцирующие бактерии, кото-
рые сосуществуют посредством совместного метабо-
лизма с СРБ (Little and Lee, 2007).
Согласно Kjeldsen et al. (2004), присутствие СРБ
б активном иле представляет интерес, поскольку
of 346
70
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
процесс восстановления сульфата может оказать
негативное влияние на работу очистных сооруже-
ний. Прочие негативные побочные эффекты актив-
ности СРБ состоят в том, что полученный сульфид
будет ингибировать другие ключевые микроорга-
низмы, участвующие в процессе очистки, такие как
метаногенные бактерии (МГБ), ФаБ, нитрификато-
ры и др Чрезмерно высокое содержание сульфидов
может быть токсичным для микроорганизмов, осу-
ществляющих метаногенез и восстановление суль-
фатов. Высокая концентрация сульфида может так-
Ассимиляция
же оказывать ухудшающее влияние на структуру
хлопьев активного ила, например, дефлокуляцию,
во сстан зелие ая Fe(IIl) до Fe(II) в виде FeS (Caccavo
et al., 1996; Nielsen and Keiding, 1998). Авторы свя-
зывают это явление с лучшими флокулирующими
свойствами Fe(III) по сравнению с Fe(II), главным
образом из-за его валентности и меньшей раство-
римости. Кроме того, производство сульфида мо-
жет привести к росту нитчатых бактерий и к вспу
ханию ила (Yam amoto et al., 1991; Zeitz et al, 1995;
KjeldseneM/, 2004).
Диссимиляция
Сульфат
АТ Ф сульфурила за
Аденозин 5’-
Фосфосульфат (АФС)
Сульфат
Аденилил сульфат
киназа
Аденозин 5'-
фосфосульфат (АФС)
3’- фосфоаденозин 5’-
фосфосульфат (ФдФС)
НадФН или Го
Диссимилирующая
сульфитредуктаза
НАДФН njiHFdWM</)
Ас симилирующая
сульфитредуктаза
Сульфид
Сульфид
О ацетилсерин
сульфгидрилаза
Цистеин
Рисунок 2.11. Ахимиляторные и дассимипяторные пути восстановления сульфатов прокариотов [Ctein ef а/., 2013)
Исследовательская группа Гонконгского универ-
ситета натки и технологии (HKUST). изучая про-
блемы обеспечения питьевой водой и их решение
с помощью использования морской воды для туа-
летного смыва, выявила преимущества сульфата
присутствующего в соленых сточных водах, и раз-
работала технологию, максимально использующую
преимущества сульфата и СРБ Процесс SANI©
(комплексный процесс восстановления сульфата,
автотрофной денитрификации и нитрификации) -
единственная технология, которая применяется СРБ
для очистки городских сточных вод Ее применение
привело к снижению производства ила, повышению
эффективности удаления кишечной паленки (пато-
генных микроорганизмов) и тяжелых металлов при
использовании меньшего пространства и энергии
(Wang et al., 2009, Abdeen et al, 2010) Процессы на
основе СРБ используются в качестве э тала предвари-
тельной обработки для улучшения процесса сбражи-
вания Daigger et al (2015) провели испытания экспе-
риментального мембранного биореактора (МБР) для
удаления элементарной серы из предварительно
анаэробно обработанных целлюлозно-бумажных от-
ходов, содержащих высокие концентрации раство-
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
71
ренного сульфида, Несмотря на то, что СРВ играют
немаловажную роль в работе КОС, они не часто изу-
чаются при очистке бытовых сточных вод Чтобы
понять положительные и отрицательные последствия
воздействия СРВ на КОС бытового назначения, необ-
ходимо провести испытания активности
Такие тесты могут быть полезны для оценки при-
сутствия и активности СРВ на КОС, а также с целью
получения данных для разработки мер, стимулирую-
щих или подавляющих активность СРВ, в зависимо-
сти от схемы процесса и условий эксплуатации
Сточки зрения производительности процесса ста-
бильность и поддержание процесса очистки сильно
зависят (среди прочих факторов) от концентрации
сульфида (и pH), присутствующего в жидкой фазе
2.3.2.	Виды состояния сульфидов
Сульфид может присутствовать в сточных ведах
в различных состояниях (H2S, HS’ и S2'). Известно,
что неионизировэнный H2S обладает самым сильным
ингибирующим эффектом благодаря способности
проникать через клеточную мембрану, pH является
основным фактором, который определяет долю S",
присутствующего в сточных ведах На рис. 2 3.2, а
изображена связь между pH и состоянием сульфида
Поскольку pH сточных вод обычно составляет около
7,6, сульфид будет в основном присутствовать в виде
HS’ Диаграмма Eh-pH на рис 2 3.2, б показывает
доминирующие состояния среды в водной и стабиль-
ной твердой фазе на графике, определяемом осями Eh
и pH. В анаэробных условиях растворенная и суспен-
дированная сера с нулевой валентностью может су-
ществовать в водных растворах в виде коллоидной
серы, в виде легированных, свободных полисульфи-
дов и гидро полисульфидов металла (Kamyshny ei al.,
2008) На состояние сульфида в стоках может влиять
значение коэффициента разделения (отношение кон-
центрации газовой и жидкой фаз, которое сильно
зависит отрН и температуры).
Распределение сульфида в газовой фазе (g)
и жидкой фазе может быть представлено следу-
ющим уравнением (Hulshoff Pol et al., 1992):
^H2S = a ‘-'H2S >	(23.1)
где a - безразмерный коэффициент распределения
для фазового равновесия жидкость - газ H2S
В жидкой фазе Sms, H2S существует в виде неисни
зированного H2S или в его ионизированных формат:
(в виде бисульфида, HS’, или сульфида, S1). Даже
небольшие изменения в значении pH будут суще-
ственно влиять на концентрации свободного H2S
В то же время константа закона Генри для H2S при
25 °C составляет ~3,4 мг/л атм, что указывает на
большую летучесть этого соединения. Зависимость
а и значения рКа (pKa=-log Ка) от температуры
показаны на рис 2 3 3
Рисунок 132. Асси миля торные и диссими ляторн ые пути восстановле-
ния сульфатов прокариотов (Grein eta/., 2013)
Температура (’С)
Рисунок 23.1 Зависимость козффициен га распределения атьфа (•)
и константы диссощацрмрКа (•) hbS от температуры (адапттвано из
Hulshoff Pole/з/., 1998)
rtULurrIdTTC ZJJUC^
of 346
72
2.3.3.	Влияние окружающей среды
и условии эксплуатации на СРБ
2.3.3.1.	Источник углерода
Чтобы получить энергию для роста и поддержания
СРБ могут окислять широкий спектр субстратов, дей-
ствующих в качестве доноров электронов, который
включает водород, спирты, жирные кислоты, арома-
тические и алифатические соединения (Liamleam and
Annacliharre^ 2007), в то время как в качестве внешне-
го акцептора электронов используется сульфат. На
некоторых (промышленных) установках, когда
в сточных водах содержится недостаточно доноров
электронсв/исгочника углерода и существует необ-
ходимость улучшить удаление органических веществ
с помощью СРБ, обычно добавляют внешний источ-
ник углерода Liu and Peck (1981) определили подхо-
дящих доноров электронов для СРБ при выращива-
нии в виде чистой культуры. Некоторые доноры
электронов изучались в качестве источников энергии
и углерод а для СРБ (табл 2.3 2).
Таблица 2.12. Со единения, используемые СРБ
в ка честве эн ер готических субстратов (из Hansen, 1993)
Соединении	Субстрат
Неорганический	Водород, снизь углерода и др
МзнокарпоноЕые	Лактат, ацетат, бутират, формиат, пропионат, изобугираг.
кислоты	2 и а метил бутират, высчме жирные кислоты до С18, пируеаг
Дикарбоновые	Сукцинат, фумараг, малат оксалат, малеинат, глутарат.
КИСЛОТЫ	пимелат
Спирты	Метааоа,этанол пропанол,бутанол,этиленгликоль, 12- и 1,3-пропандиол. глицерин
АМИНОКИьЛОТЫ	Глицин, серин. цистеин, треонин. валин, л еицин. изоле й- цин, аспартат,глутамат, фенилаланин
Прочее	Холин, ф1рф\рол,сксамзт фруктоза, бензоат, 2-, Э- и 4-ОН-бензоат. иклогексанчарбосилат гиппурат, никотиновая кислота, индол, антранилат, жнолин, фенол. п-крезол, юте хол, резор цин, гидр охинон п рптокатехузт, флороглюцин, пирогаллол. 4-ОН-фенилацетат, Э- фенил про ми наг, 2- аминобенз изг дигн дроксиацег он
Большинство доноров электронов являются про-
дуктами ферментации, мономерами или клеточными
компонентами из других источников Три основных
критерия выбора подходящего донора электронов
для процесса восстановления сульфата (1) эффек-
тивность удаления сульфата в сточных водах, до-
полненная низким ХПК, (и) доступность донора
электронов и (iii) стоимость за единицу сульфата,
превращенного в сульфид (van Houten et al, 1996).
Учитывая высокий интерес к развитию устойчивых
технологий СРБ, водород был определен как один
из наиболее важных субстратов для СРБ Виды
Desulfovibno обладают высоким сродством к водо-
роду, это считается причиной, по которой они спо-
собны превзойти гидр о ген о троф ные метаногены
в средах, богатых сульфатами (Widdel, 2006).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Недавно установленные источники энергии для
биологического восстановления сульфатов в про-
мышленности включают сложные источники органи-
ческого углерода Van Houten et а! (1996) использо-
вали синтептческий газ (смеси Н2, СО, и СО2)
вкачегтве источника энергии в газлифтных реакто-
рах лабораторного масштаба и выявили снижение
содержания сульфата с помощью СРБ. В качестве
источников углерода и доноров электронов также
использовались многочисленные типы (источники)
органических отходов. К ним относятся листовая
мульча, щепа, осадок стоянье вод, опилки, компост,
навоз, сыворотка, овощной компост и другие сель-
скохозяйственные отходы (Liami earn arid Annachhatre,
2007) Лактат и патока, хоть они и является эконо-
мически эффективными, не полностью окисляются
СРБ, создавая высокие концентрации неутилизиро-
вэнного ХПК в стоянье водах. Водород и этанол,
несмотря на более высокую стоимость, используются
для нагрузок на сульфат выше 200 кг SO/’/ч. Из со-
ображений безопасности этанол является более пред-
почтительным, чемводр од
Известно, что одним из первых источников уг-
лерода был осадок стоянье вед (Butlin et а!., 1 956),
аХПК обычно присутствуют в городских сточных
водах в относительно более высоких концентрациях,
это позволяет предположить, что внешние доноры
электронов для применения на муниципальных КОС
могут не потребоваться Во время ферментации
ХПК в канализационной системе или в анаэробных
зонах станций очистки сточных вод летучие жирные
кислоты (ЛЖК), такие как ацетат и пропионат, мо-
гут составлять большую часть фракции легко био-
разлагаемого ХПК (ЛБХПК). Другие микроорга-
низмы (метаногены или ацегогены) также могут
использовать ЛЖК в качестве источника углерода
в анаэробных условиях, конкурируя с СРБ за ЛЖК
Взаимодействие между СРБ, метаногенами и ацето-
генами зависит от гипа ЛЖК и других субстратов,
присутствующих в стоянье водах (рис 2.3 4)
Рисунок 23.4. Конкуренция те жду сульфатредуцфующрш бактерия bi
(СРБ), метаногенами ацетегонс ми за ЛЖК в городских сточных водах
Из уравнений и значений свободной энергии
Гиббса (AG®'). приведенных в табл 2.3.3, можно
заключить, что СРБ могут использовать широкий
спектр источников углерода (лактат, водород, аце-
тат, пропионат и бутират), а метаногены используют
водород и ацетат, ацетогены могут использовать
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
71
лактат, пропионат и бутират СРВ будет конкуриро-
вать с ацетогенами за лактат, пропионат и бутират,
а также с метаногенами заьодороди ацетат
Таблица 111 Типичные реакции для СРБ, метаногенов и ацетогеннв. &G’
(кДк/мпъ), знамен ия а датирован ы из Thauer dal (20071
Реакции	Дб°' (кДк.+лоль)
С/ль фетредудомо’тДО бактерии Лактат- +0,530?-> Ацетат ’-НСОг-’АбНЗ-	-S0,2
4Н> +S0?+H*-»HS- + 4h0	-36,4
Ацетат-+ ЗО*> ->2НСОг + НЗ-	-47,6
1 ДЭП ропионаг + SO? -> 133 Ацетат +1 .ЭЭНСОг+ + 075HS + 1.ЭЭН’	-60,3
2bvnpar+SO?-’ 4Ацегаг+ HS-+H*	-65,6
Мет ат стены	
4Hj+НСОГ+Н’—»СН*+ЭНЮ	-33,9
Ацетат + Н,0 —>СН*+НСОг Ацетогеты	-31,0
Лактат- + 2Н jO -»Ацетат+НСОг + Н* + 2Н?	
Пропион ат- + 3HjO—> Ацетат* НСОг +Н‘ + ЭН,	+71J6
Буи par ЭН ,О-> 2Ацет?г + Н ’+2Н,	+9j6
Таблца 2.14. Температурный диапазон дпя некоторых СРБ (Tang йal, 2009)
СРБ	Температура (°C) Диапазон	Оптимально
De телицу	28-32	-
DeitfcMbus	28-39	-
De ofc was	-	30
Desulftrarana	33-38	-
ОеяШяю	25-35	-
Thfrrnxte$tM)atxKi'> norveyais	44-74	60
DesuHaornaaAtmhiaae	50-70	-
De	;:o№sianaifr,	48-65	60
De $и№&тасЖт> themobenzwm	4542	55
De	thermvostemum	41-75	62
Desulfakтаай/т^тпаsapovorans	35-60	50
De'uRamumirt&n/m	64	♦
Влияние температуры на скорость восстановления
бактериального сульфата можно оценить с использо-
ванием модели Арр ениуса (Isaksen and Jargensen,
1996). Энергию активации для восстановления суль-
фата можно вычислить путем построения логарифма
скорости восстановления сульфата в зависимости от
температуры следующим образом
2.3.12. Отношение ХПК к SO?
Ь(%О4.АП)-Ь(А) +
(2 3 2)
Из уравнений и свободной энергии Гиббса следует
(табл 2 3 3), что окисление ХПК связано с восста-
новлением сульфата при отношении ХПК/SO.’’ рав-
ном 0,67 г ХПК/г SO4 (Khanal, 2008). Таким обра-
зом, полное окисление ХПК с помощью СРБ может
быть достигнуто только при отсутствии ограниче-
ния сульфатов (т е отношение ХПК/SCV' составля-
ет 0,67 или ниже) Для бытовых сточных вод сред-
ней концентрации (например, для растворимых кон-
центраций ХПК растворенного, составляющих
приблизительно 300 мг ХПК/л), минимальное коли-
чество сульфата в неочищенных стоках можно легко
обеспечить благодаря попаданию в канализацион-
ный коллектор солоноватой воды, воды для туалет-
ного смыва на основе морской воды или промывки
и/или сброса сульфатных (промышленных) сточных
вод. С другой стороны, более высокое отношение
ХПК/SO/ будет способствовать росту метаноген-
ных бактерий, которые будут потреблять часть до-
ступного ЛБХПК.
2.3.3.3. Температура
Скорость восстановления сульфатов с помощью
СРБ и время их удвоения в большой степени зависят
от температуры (Hulshoff Pol et al, 1998; Pikuta et
al., 2000). Согласно наблюдениям время удвоения
микроорганизмов, способных осуществлять интен-
сивный сульф и до генез, резко меняется с 10 до 118 ч
в диапазоне температур от 30 до 60 °C (Pikuta et al.,
2000) Табл. 2 3 4 показывает оптимальную темпера-
туру для р о ста С РЕ
где - энергия активации (Дж/мо ль); rS04jAl - скор ость
восстановления сульфата (нмиль/ы? сут), А- посто-
янная, R - газов ая постоянная (8,31 4 Дж/К мель), Т-
аб солютн ая темп ер ат ура (К)
2.13.4. pH
Другим параметром, который может оказывать вли-
яние на конкуренцию между СРБ и метаногенами,
является кислотность (pH). Она влияет наразличные
метаболические процессы СРБ, метаногенов и аце-
тогенов. Кроме того, pH влияет на степень ингиби-
рующего воздействия, которое оказывают ЛЖК
и сульфид на СРБ. Незначительнее увеличение pH
(например, с 7,6 до 7,8) помогает СРБ стать домини-
рующими Как ЛЖК, так и сульфид имеют тенден-
цию к улучшению ингибирующих или токсичных
свойств при низких значениях pH, т к. протониро-
ванные виды ЛЖК и общая концентрация негидро-
лизованных (нейтральных) форм (в том числе HjS)
при этих значениях pH повышаются и благодаря
своему нейтральному заряду они могут свободно
диффундировать через мембраны организмов и вли-
ять на их внутриклеточные компоненты и фермент-
ные механизмы В любом случае присутствие суль-
фидов оказывает более ингибирующее воздействие
на метаногены, чем на СРБ. Поэтому тесты на ак-
тивность, оценивающие содержание ЛЖК, отноше-
ние XFIK/SO? и влияние pH на активность СРБ,
представляют особый интерес Типичный пример,
иллюстрирующий влияние pH и температуры на
время удвоения СРБ, показан на рис. 2.3 5
LOrricdUC Z.UUI v
of 346
14
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
140
2 ioo
a;
i№
120
20
0 4--1 i 	 i...............—i———1
8,0 8,2 8,4 8,6 8,8 9,0	30 35 4045 50 55 60 65
8.
“ 40
pH	Температура ( Cj
Рисунок 2.15 Вгмяние pH (<?) и темпере т/рь. (б) на вреда удвоения
бактериальных штаммов, способных к высокоскоростному сульфилоге-
незу (из Rkuta в/а/., 2000)
Pikuta et al. (2000) продемонстрировали влияние
pH на время удвоения штамма (называемого S1tj,
способного демонстрировать высокий уровень суль-
фидогенеза. Как показано на рис 2 3.5, оптимальная
концентрация ионов водорода для роста находилась
между 8,0 и 9,15 условными единицами, а время
удвоения варьировалось от 20 до 58 ч в зависимости
от начальных значений pH Время удвоения другого
сульфатредуцирующего штамма HHQ 20, полученно-
го с помощью обогащения тидроксигидрохиноном
и осадком из Венеции, было самым низким (40 ч)
в диапазоне pH 6,9-7,2. тогда как при pH 5,0 и 8,0
значения времени удвоения были в три раза выше
(Reichenbecher and Schink, 1997)
2.3.3.5. Кислород
Известно, что СРБ являются анаэробными организ-
мами. Тем не менее сульф атр едуиир'тощая актив-
ность была отмечена в оксигенных областях мик
робных пленок и морских отложений, но на сего-
дняшний день еще не известна чистая культура,
способная осуществлять диссимилирующее восста-
новление сульфата в присутствии концентраций
кислорода более 1 мкМ (Cypionka, 2000, Kjeldsen et
al, 2004) Kjeldsen et al. (2C04) провели эксперимен-
ты с кратким и длительным воздействием кислоро-
да, в которых контролировали скорость восстанов-
ления сульфатов в условиях бескислородной инку-
бации (рис. 2 З.б)
Скорости восстановления сульфата, рассчитан-
ные по начальному линейному увеличению конпен
трации сульфида, снизились с 0,24 до 0,04 мкМ/ч,
когда время аэрации увеличилось с 3 до 121 ч Это
было связано с временной инактивацией увеличи-
вающейся части популяции СРБ Как показано на
рис. 2 З.б, кривые образования сульфида следуют
двухфазному профилю, т. е. начальному линейному
увеличению, являющемуся результатом активности
постоянного количества СРБ. за которым следует
экспоненциальное увеличение, представляющее
реактивацию СРБ
Рйь у нои 2.3.6. Профили о ср а 30 f ан иа сульфц® в периодических инку-
бациях образцов ила, подвергшимся воздействию постоянной аэрацрр
в теченне 0 ч (•), 33 ч (*), 73 ч (•) и 121 ч (•). Символ (•) представляет
образец который был стерилизован и подвергся 121 ч аэрации Ft
вставке представлены начальные лтнейтые фазы соответствующих
крквых того »е эксперимента (из Kjeldsen 2CIU4]
Авторы, которые контролировали концентрации
кислорода в объемной жидкой фазе, но не внутри
хлипка ила, подняли важный вопрос - защищены ли
СРБ от воздействия кислорода в бескислородных
ми кронитах внутри иловых хлопьев, создаваемых
высокой дыхательной активностью и диффузион-
ным сопротивлением внутри хлопьев во время аэра-
ционных экспериментов Результаты показывают,
что СРБ способны адаптироваться к ситуации,
и короткие периоды выдержки в кислородных усло-
виях не обязательно влияют на их активность
2.3.4.	Экспериментальная установка
Чтобы оценить скорость восстановления сульфата
или скорость производства сульфида в конкретном
реакторе с активным илом, следует провести одно
испытание на активность, если реактор работает при
стабильных условиях минимум в течение трех цик-
лов возврата ила (SRT) Однако если исследуется
изменение скорости во времени после изменения
условий процесса в биореакторе (переходный про-
цесс), скорость следует проверять чаще В зависи-
мости от (i) исследуемого вопроса, (и) условий экс-
плуатации, (in) субстрата, (iv) присутствия токсич-
ных соединений тесты активности СРБ должны
проводиться в грех экземплярах не меньше чем
один раз в две недели
AULuilldTK JiUT*
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
?5
2.3.4.1. Оценка объемных и удельных скоростей
В табл 2.3.5 представлен обзор исследуемых па-
раметров Объемные скорости удаления сульфата
или продукции сульфида вычисляются как макси-
мальный угол наклона в экспоненциальной фазе
роста в каждом эксперименте по уравнению
rSO4, Ап
%О4,юзнеч I
^5О4,нан у
/ Время
(2 3 3)
Таблиц? 2.15. Стехио метрические и кинетические пара метры,
представляющие интерес для СРБ, сод?ржащего активный ил
(ДБ активная биомасса)
зовать чистые культуры СРБ для предотвращения
загрязнения а также для оценки скорости кинетиче-
ской конверсии в строгих анаэробных усл :виях и без
угрозы для фазы газожидкостного равновесия кото-
рую можно легко изменить при отборе проб В этом
случае при использовании таких флаконов все тесты
следует начинать с одинаковых начальных концен-
тр'аций биомассы, которые позволят оценить скоро-
сти восстановления сульфатов и скорость образова-
ния сульфидов Чтобы выполнить эти тесты и сохра-
нить чистоту исходного СРБ (при необходимости),
следует использовать разные стеклянные флаконы,
поддерживая аналогичные условия эксперимента
и помещая каждый образец в отдельный флакон
Параметр	Обозначение	Единица измерения
Сгехио№тр веские Восстановление SO?	VS0WI»,un 3-моль/	мгзоглиглжк
«потреблению ЛЖК Кинетические Удельная скиросгь	С моль ЧСККЛИЯп Смоль/	мгЛЖКЛг АБч
потребления ЛЖК Удельная скорость	С-мольч qcpr.sGVn S-моль/	мг 30?/мг АБ ч
поглощения 30?	С-мольч	
Удельные скорости вычисляются как qso4An =
= Объемная актив но с тъ/н анальная концентрация
биомассы или
ЧсРБ^О4,дп =
^04, Аг.
^СРБ
(2.3 4)
где 3<:о4згн« - это конечная концентрация сульфата
(мг 30< /л) и S S04ju4 - начальная концентрация
сульфатов (мг SOf’/л) в гесте на активность, соот-
ветственно, а Хсрб- концентрация биомассы СРБ
Рисунок 2.3.7. Инкубационные флаконы, содеомащие ил СРБ, поме-
щенные в шейсер (фото van den Brand,2015)
2.3.4.2. Реактор
Для оценки наличия и активности СРБ испытания
должны проводиться в анаэробный условиях с ис-
пользованием воздухе непроницаемы:: реакторов
(см. разд 2.2.2.1 и 2.2.4 1) или флаконов с сыворот-
кам: (рис 2 3 7) Реактор(-ы) или флаконы с сыво-
роткой, используемые для проведения испытаний,
должны обеспечивать (i) исключение проникнове-
ния кислорода в анаэробных условиях, (ii) удовле-
творительные условия смешивания (iii) поддержа-
ние адекватной и желаемой температуры, (iv) кон-
троль pH и (у) наличие дополнительных портов для
отбора проб и добавления входных растворов, газов
и любых других жидких сред или субстратов, ис-
пользуемых в тесте
Кроме того, несколько флаконов с сывороткой
можно использовать параллельно в качестве альтер-
нативы для определения кинетических скоростей
в тестах на активность. Такая практика известна как
использование «жертвенных» флаконов. Она пред-
ставляет особый интерес, когда необходимо исполь-
Используя несколько флаконов для одного вида
условий в испытании, можно полностью исключить
возможность загрязнения во время отбора проб,
и объемы газовой и жидкой фазы останутся посто-
янным: Как отмечалось выше, следует проявлять
осторожность, чтобы обеспечить строго анаэробную
среду, необходимую для роста СРБ Помимо изме-
рения содержания сульфида в жидкой фазе следует
также контролировать профили сульфида водорода
газообразной фазы, чтобы рассчитать баланс серы
во флаконах
2.3.43. Перемешивание
При использовании герметичных реакторов условия
перемешивания неебхедимо обеспечить в соответ-
ствии с описанием в подразд. 2.2 2 1, посвященном
УБУФ В случаях использования флаконов с сыво-
роткой, условия перемешивания обеспечиваются
спомощью орбитального шейкера в который можно
одновременно помещай: и использовать несколько
флаконов Необходимо обеспечивать надлежащее
of 346
71
перемешивание, а также избегать расслоения, кото-
рое может возникнуть из-за различий в способности
исаждения активного ила Скорость шейкера должна
быть отрегулирована таким образом, чтобы не нару-
шать структуру хлопьев
2.3 4.4. Контроль pH
Кислотность влияет на различные метаболические
процессы СРБ и ацегогенов, и поэтому ее уровень
необходимо тщательно контролировать. Осуществ-
лять такой контроль в реакторах можно в соответ-
ствии с описанием в разд 2 2.2.1 по УБУФ В инку-
бационных флакона:: pH контролируется с помо-
щью присутствия в среде буферного агента Этот
процесс можно обеспечить путем добавления буфе-
ров, таких как СаСОз или фосфатный буфер, во
время начала инкубации. Для контроля pH с помо-
щью микробиологических работ некоторые авторы
рекомендуют добавлять бикарбонатные буферы
натрия или трис-буфер, сделанный из аминного
основания (НОСН^зСННз В биореакторах для под-
держания уровня pH могут автоматически добавлять-
ся растворы, полученные из КОН, NaOH, NH4OH,
Са(ОН)2, НС1 или HjSO4 (Mohanetai, 2005).
2.3.4 5. Контроль температуры
Скорость восстановления сульфата с помощью СРБ
и время их удвоения зависят от температуры
(Hulshoff Pol et al, 1998, Pikuta et al., 2000) Реко-
мендуется использовать реакторы с автоматическим
регулированием температуры, следуя указаниям
разд. 2.2.2.1 Для экспериментов с флаконами часто
используют водяную баню, инкубатор или неболь-
шую комнату с контролем температуры Это позво-
ляет одновременно контролировать температуру
нескольких флаконов
2.3.4 6 Отверстия для дозировки и отбора проб
При выполнении тестов в реакторах требования
к портам отбора проб и дозированию будут такими
же, как описано в разд. 2.2.2.1 по УБУФ При ис-
пользовании флаконов пробы газа или жидкости
отбираются шприцами с иглами для подкожных
инъекций через резиновые пробки. Если в колбе
достаточно давления в свободном пространстве,
проникновение кислорода в систему не произойдет
Кроме того, чтобы избежать образования микроот-
версгий в пробке или перегородках из-за много-
кратного прокалывания иглой во время отбора проб,
на перегородках можно зафиксировать трехходовой
пластиковый клапан прикрепленный к игле.
2.3.4 7 Отбор проб
В тех случая::, когда необходимо измерить актив-
ность СРБ в сточных водах, следует взять пробы
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
неочищенных стоков В этом случае большая часть
активности СРБ в таких стоках будет связана
с СРБ. присутствующих в биопленке, прикреплен-
ной к канализационному коллектору, поэтому ак-
тивность СРБ, измеренная в неочищенных стоках
в лаборатории, может не отражать фактическую
активность СРБ в сточных водах, находящихся
непосредственно в канализации При отборе проб
биопленок необходимо соблюдать особые проце-
дуры ('Flemming et al., 2000).
Па пилотных и действующих очистных соору-
жениях пробы ила можно отбирать в разных местах,
где необходимо учитывать активность СРБ первич-
ные отстойники, анаэробные селекторы, аноксидные
или аэробные резервуары, уплотнители или анаэ-
робные реакторы В случаях проведения экспери
ментов с лабораторно обогащенными культурами
СРБ можно также перевести проточный биореактор
или реактор с заданной последовательностью в ре-
жим периодической работы для измерения активно-
сти Такой способ часто считается более удачным по
ср звнению с использованием обычных порционных
колб благодаря хорошему техническому оснащению
установок и возможности осуществления более чет-
кого контроля и отбора проб Недостатком проведе-
ния эксперимента в «родительском): реакторе (кагате
обычно используются для всех представляющих
интерес микробных культур) является возможное
нарушение работы системы из-за (комбинации) не-
скольких факторов, таких как удаление иловой сме-
си вследствие дополнительного отбора проб, при-
менение различных рабочих условий, требуемых
для пер и: диче стах испытаний, изменение состава
и концентрации субстрата или изменение длитель-
ности фаз
2.3 45. Среда
Когда активный ил используется в качестве источ-
ника СРБ. субстратом могут служить нативные
сточные воды, в соответствии с процедурами, опи-
санными в разд 2224 и 2233 относительно
УБУФ Состав среды сильно зависит от цели теста
Для определения скоростей, проявляемых СРБ
в условиях, применяемых в исходном реакторе, сре-
дни сырьц подаваемое в исходный реактор, должны
иметь одинаковый состав с исходным раствором
Для сравнения скорости с другими условиями целе-
сообразно использовать одинаковую стандартную
среду для каждого типа условий Однако при иссле-
довании влияния на активность СРБ определенных
соединений, такие соединения следует добавить
либо удалить из среды Если необходимо выполнить
множество тестов аналогичного характера, реко-
мендуется подготовить достаточный объем среды,
чтобы сэкономить время на подготовку. Как описа-
но в разд. 2.3 4 4, подходящие pH-буферы могут
быть первоначально добавлены во флаконы инкуба-
ции для поддержания ур эвн я pH
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ	17
В зависимости от целей тестов на активность со-
став и концентрации ХПК, а также кониентрации
сульфатов, присутствующих в синтетических сточ-
ных водах, могут варьироваться, поскольку сии
обычно являются предметом исследования Криме
того, концентрации можно скорректировать про-
порционально длительности испытания и использу-
емой концентрации ила Обычно в тестах с нату-
ральными образцами активного ила используются
концентрации до 50 и 100 мг ЛБХПК/л, в тестах
с лабораторно обогащенными культурами - до
400 мг ЛБХПК/л Независимо от характера теста
активности синтетические сточные виды должны
содержать необходимые макро- и микроэлементы
(такие как калий, магний, кальций, железо, цинк,
кобальт и др.) в достаточных для СРБ количествах,
чтобы избежать любых метаболических ограниче-
ний, которые могут поставить под сомнение досто-
верность результатов испытания
Для роста СРБ и испытания их активности наибо-
лее часто используется среда Постгейта (Postgate,
1984). Она имеет следующий состав (в г/л): К2НРО4
(0,5), ЫН4С1 (1,0), Na2SO4 (1,2), FeSO4 7Н2О (0,5),
COD (3,0), MgSO4-7H2O (2,0), дрожжевой экстракт
(1,0), аскорбиновая кислота (0,1), тиогликолев ая кис-
лота (0,1) и Na2SO4 (1,0) В качестве источника угле-
рода можно использовать ацетат натрия (NaAcetate
ЗН2О) Однако в литературе также описано несколько
составов синтетических сточных вод для проведения
тестов активности СРБ в зависимости от используе-
мого источника углерода (Villa-Gomez е/ al, 2011)
Van den Brand et al (2014a) рекомендовали следую-
щий состав сред NaAcetate ЗН2О (486,2 мг/л),
NaPropionate (147.1 мт/л), К2НРО4 (37,8 мг/л), КН2РО4
(14,2 мг/л), NH4C1 (382 мг/л), MgCl2 6Н2О (93,4 мг/л),
СаС12 (58,4 мг/л), trace-микроэлементы (1 мг/л)
и адекватный источник сульфата (например, MgSO4)
с результирующей концентрацией сульфата 500 мг/л
Для ферментативных тестов активности СРБ Villa-
Gomez et al. (2011) использовали следующий состав
среды в биореакторах непрерывного и периодическо-
го действия КН2РО4 (500 мг/л), ЫН4С1 (200 мг/л),
СаС12 2Н2О (2 500 мг/л), FeSO47H2O (50 мг/л),
MgSO4 7Н2О (2 500 мг/л) и лактат в качестве донора
электронов. Однако при проведении этих испытаний
следует учитывать, что использование комплексного
субстрата (лактата и ЛЖК) и сульфата возможно до
тех пор, пока соотношение ХПК/ЗО4’ < 0,67 При
выполнении исследований легко можно заметить
почернение среды из-за восстановления сульфатов
и образования сульфидов Другими примерами со-
единении которые можно использовать для введения
сульфата в синтетические сточные воды являются
мерекая вода или сульфат натрия с учетом того, что
отношение ХПК/SO/ составляет < 0,67 Микроэле-
менты следует подготовить в соответствии с исследо-
ванием Lau et al. (2006). Если для теста требуется
конкретное значение ХПК/SO/, чтобы исследовать
влияние ограниченных пли избыточных уровней
сульфата, среду можно отрегулировать, добавив не-
большое количество сульфата или ХПК Если среду
необходимо подготовить заранее, следуйте рекомен-
дации по разделению среды, содержащей источник
ХПК и источник N, чтобы избежать роста биомассы
в подготовленной среде Окончательный цвет этой
среды прозрачный При необходимости синтетиче-
ские сточные воды можно концентрировать, стерили-
зовать в автоклаве (в течение 1 ч при ПО °C) и ис-
пользовать в качестве исходного раствора, если пла-
нируется провести несколько испытаний в течение
определенного периода Однако при появлении како-
го-либо осадка или потере прозрачности данный рас-
твор использовать нельзя
Для экспериментов, выполненных с лабораторно
обогащенными культурами, рекомендуется прово-
дить тесты с той же (синтетической) средой, которая
используется для культивирования. В то же время
аналогично использованию ила из производствен-
ных очистных установок для приготовления необ-
ходимой среды с желаемым! концентрациями угле-
ре да и сульфата можно использовать стоки из реак-
тора, предварительно собрав и пропустив их через
грубый фильтр
2.3.5, Методика анализа
Химические анализы, необходимые для теста на ак-
тивность СРБ, могут выполняться в соответствии со
стандартными и широко применяемыми аналитиче-
скими протоколами, как описано в разд 2.2 2.5 по
УБУФ. Однако для оценки активности СРБ по не-
скольким выбраннымпараметрам требуется модифи-
кация стандартных мето до в/пр о то ко лов Ниже при-
водится подробное описание методов определения
ХПК и сульфида Анализ на сульф ат входит в данный
протокол, т к. этот параметр представляет интерес
для тестов активности СРБ Однако при выполнении
каждого теста важно понимать, что при выполнении
анализов некоторые соединения оказывают негатив-
ное влияние Например, процесс определения ХПК
очень чувствителен к присутствию в образцах хлори-
да Влияние таких соединений на результаты анали
зов следует проверять путем проведения теста без
использования этого соединения Что касается рас-
твора сульфида, его можно измдзить путем создания
стандартной концентрации сульфида с известной его
концентрацией и раствора с введением предполагае-
мого дополнительного соединения В данном случае
два теста можно выполнять одновременно. Первый
тест предполагает использование стандартного рас-
твора, вс втором применяются стандартный раствор
и предполагаемое соединение с уровнями концентра-
ции, которые обычно ожидаются в культуральной
жидкости Если концентрация сульфида одинакова
в обоих определениях, то для примененных концен-
траций влияние дибавляемого в среду соединения
является незначительным, следовательно, такой тест
считается подходящимдля анализа данных
of 346

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
- ^чрпнп И ХПКокьщ
Метод измерения ХПК описан в научных трудах
(АРНА et al, 2012), однако необходимо внести не-
которые важные дополнения. Обычно процедура
определения общего ХПК образца или фракции рас-
творимого ХПК проста Чтобы измерить фракцию
растворимого ХПК, образец необходимо пропустить
через фильтр с размером пор 0,45 мкм Сульфид
также f но сит вклад в измерения ХПК, и часто такие
искажения нежелательны Поэтому следует прове-
сти два анализа, которые в дальнейшем будут назы-
ваться ХПКср^нвн и ХПКобщ ХП1Собщ (называемый
общей концентрацией ХПК в растворимом состоя-
нии) в конкретном случае включает сульфид, в то
время как при анализе ХИК^^ искажения, свя-
занные с сульфидным воздействием, могут быть
устранены из образца с помощью математической
коррекции, и концентрация ХПК связана только
с содержанием органических веществ, присутству-
ющих в образце. Следуя рекомендациям Boyles
(1997), подготовьте отдельный стандарт для концен-
трации сульфида и выполните тест на ХПК, исполь-
зуйте математическую коррекцию с помощью полу-
ченного результата для ХПКдиц
Другой метод для полис го удаления сульфида из
образца основан на методике осаждения, разработан-
ной авторами Poinapen е/ al (2009). К образцу необхо-
димо добавить несколько капель 1G М раствора
NaOH, т. к. увеличение pH вызовет осаждение Си-
стема H2S/HS’ имеет рК51 7,05 при 25 °C (Bjerrum et
al, 1985), а при pH 10,0 большая часть, сульфида, при-
сутствующего в образце, находится в форме видов HS'
с очень небольшой долей видов S' (pKs2 = 12,92 при
25 °C). Ни HS , ни S' виды не могут выйти из образца
по скольку7 оба соединения очень хорошо растворимы
Затем следует добавить сульфат цинка (ZnSO4) для
осаждения сульфида в виде сульфида цинка (ZnS),
который необходимо отделить от образца с помощью
фильтрации. Измеренные концентрации следует скор-
ректировать с учетом разбавления раствором ZnSO4.
2.15.2.	Сульфат
Сульфат можно измерить различными методами,
такими как гравиметрический анализ, ионная хрома-
тография метод раствора метплтимолового синего
и турбидиметрический метод. Данные методы широ-
ко описаны в научных трудах (АРНА et al, 2012).
Наиболее часто используемый метод - это набор
Hach Lange, процедура на основе тур би ди метр ии или
использование высокоэффективной жидкостной хро-
матографии (ВЭЖХ), оснащенной колонкой AS9-SC
и з лектр о химическим детектор о м ED 40 (Гчопех)
2.3.5.3	. Сульфид
В зависимости от уровня pH сульфид можетприсут-
ствовать в различных состояниях Поэтому важно
проводить тест на наличие сульфида как в жидкой,
таки в газовой фазе
Жйдше образцы
При отборе проб для измерения сульфида применя-
емые процедуры имеют решающее значение^ т к
сульфид может быть легко утерян вследствие де-
сорбции или химических реакций Б связи с этим
важно растворить летучую фракцию в жидкой фазе,
например, с использованием раствора NaOH Ана-
лиз сульфида может осуществляться с помощью
двух основных процедур Первая процедура - не-
прямой метод ХПК, вторая - прямой метод метиле-
нового синего. Обе эти процедуры будут описаны
ниже Один грамм сульфида соответствует ~2 г
ХПК. поэтому концентрацию сульфида можно вы-
разить через содержание в нем ХПК:
sHX = (хпкСЙ1Ц -ХПКоргжич)/2, (2 3.5)
где 2 - отношение сульфида к ХПК (вес/вес).
Следует измерить концентрацию ХПК в образце
по значению ХПКОбщИ ХПКортдан. Нужно прознали
зироьать концентрацию ХПК стандартным методом
с использованием специфических процедур, опи-
санных выше (разд 2.3.5.1). Концентрацию сульфи-
да затем можно рассчитать путем вычитания значе-
ния ХПК^ргоон из значения ХПК<,ьц с поправкой на
весовое соотношение ХПК/сульфид Выражение для
расчета содержания сульфида (S^ в г/л): форму-
ла (2.3 5) В специализированном прямом методе
для анализа сульфидов с использованием метилено-
вого голубого для обеспечения белее высокой сте-
пени фиксации сульфидов применяется ацетат цин-
ка Затем для образования метиленового синего ис-
п о льзуют ся р е ат енты, с о д ер жащи е ди метил -п ар аф е-
нил-дизмин и железо, в результате получается
синий раствор Интенсивность цвета можно анали-
зировать фотометрически, чтобы количественно
определить концентрацию сульфида в образце
Образцы из газовой фазы
Образцы из газовой фазы следует отбирать из флако-
нов инкубации с и сп о льз о е ан и ем герметичных стек-
лянных шприцев (например, Hamilton, США) Наибо-
лее часто используемый метод определения концен-
трации H2S в газовой фазе - газовая хроматография
(ГХ) Li et al (2013) использовали газовый хромато-
граф (Agilent о890 N, США), оснащенный пламенно-
фотометрическим детектором (ПФД) и капиллярной
колонкой DB-1701 (30 м х 0,32 мм х 0,25 мкм,
Hewlett Packard, США) для оценки концентраций
HjS. Темпер атура п ечи, впрыска и детеьстора была
установлена на 100, 50 и 200 °C, использовался
азот в качестве газа-носителя Концентрации H2S
также можно определить титрованием с использо-
ванием стандартного йодид-йодата калия в каче-
стве титранта и крахмала в качестве индикатора
(АРНА et al, 2012). Другим быстрым и простым
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
7!
методом контроля концентрации H2S на станциях
очистки сточных вод является использование газо-
анализаторов (Китагава, Япония) Концентрации
H2S также можно измерить с помощью анализатора
сероводорода Jerome 631-Х (.Arizona Instruments,
США) В тех случаях, когда сразу выполнить ана-
лиз затруднительно, для отбора проб газа из непре-
рывно работающих реакторов следует использо-
вать мешки (пакеты) для газа (газовые пакеты Тед
лар, Si gma-Aldrich)
Температура и давление - два важных фактора,
которые необходимо учитывать при калибровке ГХ
для измерений газовой фазы H2S Если сульфид
в виде S' в жидкой фазе учитывать в замкнутой
системе, то в результате г аз о образная концентрацию
H2S (CH2S) в системе можно будет рассчитать сле-
дующим образом:
CH2S =22,4 + 10* P ’Vl + —+ —,	(2.3 6)
MW V 273 Р
где р - плотность жидкости (г/мп). Vl - объем жид-
кости (мл); Т- температура (К), Р - давление (торр);
MW - молекулярная масса (г/моль) и V - объем за-
мкнутой системы (л).
2.3.6, Тесты на активность СРБ: подготовка
Ниже описаны не только различные этапы, но и ха-
рактеристики устройства и материалы необходимые
для выполнения тестов на активность СРБ
2.3.6.1.	Оборудование
Если эксперименты проводятся с использованием ре-
актора применимо описание, приведенное в разд. 2.2.3
по УБУФ При проведении тестов в инкубационных
флаконах требуется следующее оборудование:
1	Инкубационные флаконы, включая резиновые
крышьи и алюминиевые обжимы для поддержа-
ния анаэробной среды
2	Подач а азота
3	Электр'од pH
4	Двойной pH-контроллер для добавления НС1
и/или NaOH (в качестве альтернативы можно
использовать обычный pH контроллер с ручным
добавлением НС1 и NaOH).
5	Термометр (рекомендованный диапазон рабочей
температуры от 0 до 40 °C). Убедитесь, что все
электроды и измерители (pH, температуры) отка-
либрованы менее чем за 24 ч до проведения испы
таний в соответствии с инструкциями и рекомен-
дациями производителей и/или поставщиков.
6	Помещение, инкубатор или термостат для кон-
троля температуры при желаемой температуре
7	. Шейкер с заданными настройками до 300 об/мин
8	. Пинетка и наконечники для точного измерения
обьемавзятых образцов
9	Шприцы и иглы для взятия пробы из флаконов
с сывороткой в вакууме
10	Филыры с размером пор 0,45 мкм для фильтра-
ции образцов и консервации
И Дополнительные материалы, необходимые для
анализа Они подробно описаны в подразд 2 3.5
2.3.62. Материалы
1.	Два градуированных цилиндра объемом 1 или
2 л (в зависимости от используемого объема ила)
для содержания образца и, при необходимости,
его промывки
2.	Как минимум 2 пластиковых шприиа (предпо-
чтительный объем 20 мл, минимальный объем
10 мл) для отбора и определения растворимых
соединений (после фильтрации I.
3.	Минимум 3 пластиковых шприца (предпочти-
тельно объемом 20 мл) для отбора твердых ве-
ществ, частиц или внутриклеточных соединений
(без фильтр алии).
4.	Минимум 3 стеклянных шприца (предпочти-
тельно объемом 5 мл) для отбора образцов в га-
зовой фазе
5.	Фильтры с размером пор 0,45 мкм. Предпочти-
тельно не из ацетата целлюлозы, т. к он может
выделять некоторое количество целлюлозы или
ацетат а в отобранные пробы воды Рекомендует-
ся иметь как минимум двойной запас фильтров
по сравнению с количеством образцов, которые
необходимо отфильтровать для определения
растворимых соединений
6.	Прозрачные пластиковые стаканчики объемом 10
или 20 мл для отбора проб для определения рас-
творимых соединений (например, растворимых
ХПК, ацетата, пропионата, сульфата и сульфида).
7	Прозрачные пластиковые стаканчики объемом
10 или 20 мл для отбора проб для определения
ВР и ЛВВ в растворе. Рекомендуется произвести
отбор этих образцов в трех экземплярах из-за по-
грешности анализа.
3. Пластиковый контейнер или контейнер, запол-
ненный сухим .льдом, необходимого объема для
временного хранения (до 1-2 ч после заверше-
ния теста на активность) пластиковых стаканчи
ков и пластиковых пробирок для центрифугиро-
вания после отбора проб
9 Пластиковые перчатки и защитные очки
10. Пастеровские или пластиковые пипетки для до-
бавления НС1 и/или NaOH (при ручном контроле
уровня pH)
11. Металлические лабораторные з ахи мы или об-
жимы для перекрытия трубок, используемых для
отбор а пр о б, когда отбор проб происходит не из
р е акто р а/ф ер мен тер а.
2.3,6.3.	Среда
•	Реальные сточные воды
См. разд 2.2 3 3, посвященный УБУФ
of 346
:o
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
•	Сииге тинееже среды и субстраты
Если для проведения тестов требуются синтети-
ческие сточные воды, в зависимости от типа ис-
пытаний синтетическая среда может содержать
смесь источников углерода и сульфата с соот-
ветствующими питательными (макро - и микро-)
элементами Как щ авило, все они могут быть
смешаны в одном растворе или разделены на два
раствора: (Г) источник ХПК и (и) источник SO3’
и П плюс питательный раствор
а Раствор источника ХПК. он должен содер-
жать ЛБХПК, предпочтительно ЛЖК такие
как ацетат или пропионат, в зависимости от
характера, цели и задачи теста (предмета ис-
следования). Для тестов анаэробной активно-
сти необходимо отрегулировать концентра-
цию таким образом, чтобы обеспечить по-
требление ХПК на протяжении всего теста
Для тестов на активность, выполняемых с ак-
тивным илом из производственных устано-
вок, обычно рекомендуются концентрации
ХПК не более 100 мг/л Для лабораторных
образцов иловой смеси концентрации ХПК
могут быть такими же высокими, как конпен-
трация ХПК в лабораторных системах (а ино-
гда и в 2—3 раза выше) Примером раствора
ХПК является HaAcetare-3H2O (48б,2 мг/л)
или Na-Propionate (147,1 мг/л).
b. Раствор источника сульфата: сульфат можно
добавлять в раствор в виде сульфата натрия
Однако в некоторых случаях, особенно в слу-
чае очистки солевых сточных вод, наличие
сульфата сопровождается засолением Для
имитации подобных условий можно добавить
морскую соль (содержащую сульфат). Кон-
центрации сульфата можно скорректировать
в зависимости от цели эксперимента Пита-
тельный раствор должен содержать все необ-
ходимые макро- (аммоний, магний, кальций,
калий) и микроэлементы (железо, бор, медь,
марганец, молибдат, цинк, йод кобальт) для
обеспечения полного метаболизма СРБ От-
сутствие необходимых элементов может при-
вести к неверной интерпретации результатов
ив крайних случаях к почти полному провалу
теста Таким образом убедитесь, что все не-
обходимые соединения добавлены в раствор
в правильных количествах. Рекомендации по
подготовке среды даны в разд 2 3.4 8.
с Промывочная среда если образец ила необ-
ходимо промыть для удаления нежелательно-
го соединения (которое может иметь ингиби-
рующее или токсичное воздействие), приго-
товьте свежий питательный раствор для
промывания ила с опис анным выше составом
среды, без ЛЖК Процесс промывки можно
повторить два или три раза, в соответствии
с описанием процедуры в разд 2.2 3 5. После
этого можно приступить к выполнению не-
обходимых этапов подготовки тестов на ак-
тивность
d Подготовка кислотных и основных раство-
ров см разд 2 2.3.3, посвященный УБУФ
Если для выполнения анализа не привлекаются
специализированные аналитические лаборатории,
необходимые запасы и рабочие растворы для опре-
деления интересующих аналитических параметров
должны быть подготовлены в соответствии со
«Стандартными методами» (АРНА et al., 2012)
и соответствующими протоколами
2.3.6.4.	Отбор проб
•	Информацию о количестве образцов можно
найти в разд 2.2 3.4, посвященном тестам на ак-
тивность УБУФ
•	Частота отбора проб
а При необходимости определить максималь-
ные удельные кинетические скорости (напри-
мер, максимальную удельную скорость по-
глощения ацетата или пропионата или макси-
мальную скорость восстановления сульфата)
следует увеличить частоту отбора проб в те-
чение первых нескольких часов или дней ин-
кубации Как правило, образцы собирают
каждые 5 мин в течение пер вьет 30—40 мин те-
ста, аналогично методу, описанному для те-
стов УБУФ
Ь. Чтобы определить стехиометрические отно-
шения (например, отношение анаэробного
восстановления ЗСЦ2' к поглощению НАс),
образцы могут быть собраны только в начале
и в конце каждой фазы для определения ин-
тересующих преобразований в течение вы-
брани ого периода (фазы)
•	Для повышения достоверности полученных дан
ных и оп ределения и сходных условий иланасто-
ятельно рекомендуется отобрать серию образцов
перед добавлением какого либо носителя Тща-
тельно определите максимальный и минималь-
ный рабочие объемы реактора, как описано
в разд 2.2.2 по УБУФ
•	Приготовление посуды для образцов можно вы-
полнить в соответствии с описанием приведен -
немв разд. 2 2.3 2 по УБУФ-
Простой рабочий план, созданный в электронной
таблице (разд 2 3 9), может быть весьма полезен для
выполнения и отслеживания частот отбора образ-
цов Кроме того, эту электронную таблицу можно
использовать для ведения базы данных выполнен-
ных испытаний Поместите весь необходимый мате-
риал в пределах относительно близкого радиуса
действия установки, чтобы избежать задержки
в обработке и подготовке образцов Откалибруйте
все измерители (pH и термометр) менее чем за 24 ч
до проведения испытаний и храните их в нужных
растворах до выполнения испытаний, следуя реко-
мендациям соответствующего производителя или
поставщика, а также убедитесь в надежности пока-
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
И
заний измерителей до начала испытаний До прове-
дения анализа образцы должны храниться надлежа-
щим образом (табл 2 3.6).
Таблица 2.16. Рекомендуй мая прощежра хранения
и консервации образцов для определения тестов активности СРБ
Пара- метр	Материал контейнера	Способ сохранения	Манима л ное рекомендуе- мое время между отбором проб процедурой консерва- ции и выполнением анализов
Суль-	Пласшк	Фильтровать сразу	24 ч для образцов, хранящих-
фНТ	или стекло	после отбора проб (размер пор фильтра 0,45 мкм), затем охла- дил, до 1-6 °C или заморозить до -20 °C	ся при 1-6 °C, др 1 мео для заморожентыхобразцов
Суль-	Плагик	Немедленно таство-	Рекомендуется выполнял: ли
фад	или стекло	риге в кятл е1 MNaOH	измерения гак можно быстрее
2.3.6.5.	Подготовка иловой смеси
Подготовка иловой смеси предусматривает выполне-
ние тестов на активность в максимально короткий
срок после отбора проб из производственных или
лабораторных систем ила максимум в течение 24 ч
после отбора Выполнение испытаний по прошесттии
более 24 ч после отбора образцов смеси раствора не
рекомендуется, поскольку культура СРБ может под-
вергаться потенциальным биохимическим изменени-
ям во время хранения (если только время выдержки
после отбора ни представляет особого интереса для
проведения таких испытаний) При подготовке об-
разцов иловой смеси для проведения тестов активно-
сти рекомендуются следующие три процедуры.
1 При возможности выполнения теста на актив-
ность менее чем через 1 ч после отбора образца
ила, и если он не нуждается в промывке
а. Отрегулируйте температуру реактора перио-
дического действия, в котором будут прово-
диться испытания ДО целевой температуры
исследования
b Соберите один из следующих образцов на ка-
нализационных очистных сооружениях (КОС):
- неочищенные сточные воды,
- в конце аэротенка или аэробной фазы,
- на выходе из первичного или вторичного
отстойник а или анаэробных реакторов;
- возьмите о бр аьец и ла из л абор аторного
реактора
с Перенесите образец ила в реактор или инку-
бационные флаконы, где будут проводиться
испытания на активность.
d. Начните осторожно перемешивать (5 0-100 об/мин
в случае реактора) и следите за температурой
образца иля поместив термометр внутрь реак-
тораили флакона со смесью (если установка не
имеет в строенного тер мометр а)
е Продолжайте перемешивать, пока проба не до-
стигнет целевой температуры исследования
f Поддерживайте анаэробные условия исполь-
зуя герметичный реактор, и обеспечьте бар-
ботирование газообразным азотом, чтобы из-
бежать/снизить проникновение кислорода
g Если в аэробных образцах, отобранных для
проведения этих испытаний, обнаружен нит-
рат, следуйте инструкциям, приведенным
в разд 2 2 2 3 по УБУФ Также при концен-
трациях нитратов, превышающих 10 мг ТЮз-
N/л, можно добавить 9 мг ХПК на каждый мг
обнаруженного нитрата (9 мгХПЮмг NOj-N).
Когда присутствие нитрата больше не наблю-
дается. ил можно немедленно использовать
для проведения тестов на анаэробную актив-
ность Для быстрой оценки присутствия этих
соединений можно использовать полоски для
обнаружения нитратов или нитритов (Sigma-
Aldnch).
2. Если тесты на активность могут выполняться
менее чем через 1 ч после отбора образця но об-
разец илового раствора необходимо промыть,
см. описание процедуры в разд 2.2 3.5.
а Перенесите «отмытый» образец ила в реактор
или ферментер, где будут проводиться испы-
тания на активность.
Ь. Начните осторожно перемешивать (50-1U0 об/мин
в случае реактора) и следите за температурой
образца иля поместив термометр внутрь ре-
актора (если установка не имеет встроенного
терме метра).
с. Продолжайте перемешивать до момента до-
стижения илом целевой температуры и под-
держивайте ее в течение как минимум 30 мин
3. В некоторых случаях из-за проблем с располо-
жением и расстоянием тесты не могут быть вы-
полнены менее чем через 1 или 2 ч после сбора
В этих случаях тест можно выполнить не позд-
нее чем в течение 24 ч
а Отрегулируйте температуру реактора пери о
дического действия до целевой температуры
исследования
Ь. Сохраняйте образец ила охлажденным до
начала испытания (например, поместив ведре
или канистру в холодильник при 4 °C)
с. Перед испытанием выньте образец ила из хо-
лодильника или охлаждающей камеры
d Аккуратно перемешайте содержимое, чтобы
получить однородный и репрезентативный
образец с такой же концентрацией ВВ, как
в исходной лабораторной или производ-
ственной системе, из которой он был изна-
чально собран
е. Если образец необходимо промыть, используй-
те минеральный раствор (см разд 2 3 6 3, по-
священный рабочим растворам)
£ Перенесите промытый ил ь реактор или фер-
ментер, где будет выполняться тестирование
активности.
g Начните подачу газообразного азота в обра-
зец иля аккуратно перемешивая, чтобы уда-
ли тъ растворенный кислород.
h Следите за температурой образца иля по-
местив термометр внутрь реактора (если
of 346

установка не оснащена встроенным термо-
метром)
1 Продолжайте продувать газ N2 и перемеши-
вайте содержимое не менее 1 ч (нс не более
2 ч), убедитесь, что температура ила соответ-
ствует целевой температуре исследования
в течение как' минимум 30 мин
j. При обнаружении нитрата после процедуры
настройки температуры (см разд 2 3 б 3) до-
бавьте раствор, содержащий легко биоразла-
гаемый ХПК, в соотношении 9 мг ХПК/мг
NO3N Как только нитрат перестанет ьыяв
ляться, ил можно немедленно использовать
для запуска и проведения тестов на анаэроб-
ную активность
2.3.6.6. Отбор и обработка образцов
Для данного теста на активность потребуется три типа
образцов (1) отфильтрованный образец, (и) отфиль-
трованный образец с добавлением NaOH и (ш) образец
биомассы В табл 2.3 7 представлен список анализов,
выполняемых в соответствии с различными этапами
отбора и обработки проб
Таблица 2.17. Список анализов, выпотяемых для та адрго образца
образец	Параметр
Отфильтрованный образец	ХП КоБц ХП Kqrs«f4, гуль фэт
Отфил ьтрова шый образец с NaOH	Сульфид
Образец биомассы	ЛЕВИС; ВВ в растворе
•	Отфилыр ва нный образе ц
Данный образец используется для оценки
ХПКубщ, ХПКорчмн и сульфата Тщательно пере-
мешанный образец отбирают из инкубационного
флакона при помощи иглы и шприца. Игла вво-
дится в резиновую пробку Затем флакон с сыво-
роткой переворачивают вверх дном, чтобы игла
погрузилась ь жидкую фазу. Шприц вытягивают,
чтобы создать вакуум и собрать образец. Затем
образец проходит прямую фильтрацию с исполь-
зованием фильтра с размером пор 0,45 мкм что-
бы избежать дальнейших преобразований. После
этого содержание ХПК^дщ, ЯПК^^и сульфата
измеряется в соответствии с протоколом, опи
санным в разд 2.3 5
•	Отфилыр: ва иным образец с добавле же n NaOH
Отфильтрованный образец, в который добавлено
несколько капель NaOH, используется для ана-
лиза концентрации сульфида Сразу после отбо-
ра образец необходимо перенести в пробирку,
содержащую три капли 1 М NaOH, с помощью
иглы и шприца Игла вводится через резиновую
пробку (септу) Затем инкубационный флакон
переворачивают вверх дном чтобы игла погру-
зилась в жидкую фазу Шприц вытягивают, что-
бы создать вакуум и собрать образец Чем быст-
рее образец смешивается с NaOH, тем меньше
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
сульфида будет потеряно во время отбора. Затем
образец пропускают через фильтр с размером
пор 0,45 мкм и анализируют, согласно описанию
в разд 2 3.5. Этот анализ следует выполнять
непосредственно после отбора образца, чтобы
избежать потерь сульфида
•	Образец rasa
Образцы газовой фазы следует отбирать из фла-
конов для инкубации, используя герметичные
стеклянные шприцы. Необходимо построить в ГХ
градуировочный график с использованием стан-
дартных газовых баллонов HjS (25 .1000 частей
на миллион (ч/млн) Газофазный анализ также
нужно выполнять сразу после отбора образца из
стеклянных флаконов во избежание потерь
•	Об пая ц биомассы
Для оценки концентр алий в растворе ЛВВ и ВВ
следует отобрать из реактора тщательно пере-
мешанные образцы Самый простой способ - ис-
пользовать шприц и иглу Убедитесь, что вы
знаете точный объем образцов, взятых из реак-
тора. Анализ ЛВВ и БЕ б растворе нужно вы-
полнять в трех экземплярах, как описано авто-
рами (AFHA el al., 2012). Частота анализа ХПК,
сульфата и сульфида зависит от активности био-
массы. После обработки данных для корректного
выполнения анализа требуется обработка дан-
ных линеаризацией (как показано на рис. 2.3.8)
Чем больше точек с данными присутствует при
построении на этой прямой, тем лучше, но ба-
ланс между вложениями (денежными и времен-
ными) предполагает, что четырех точек будет
достаточно Самый надежный вариант - брать
несколько проб в течение первого часа каждые
10 или 15 мин Наиболее оптимальный способ -
выполнить обширные выборки в первых тестах
(в качестве пробных), и наоснове этих результа-
тов составить план, чтобы выяснить, сколько то-
чек с данными фактически требуется для выпол-
нения последующих тестов.
2.3.7.	Тесты на активность: выполнение
Описывается процедура выполнения теста на актив-
ность СРБ. Описание включает перечень материалов
и химикатов, процедуру подготовки среды схемы
отбора проб (время отбора проб), отбор образцов и
ан ализы В завершении р азд ела пр ив о дится п ош аг о -
вое описание подхода к проведению тестов на ак-
тивность су ль ф атр е дуцирующих бактерий Пере-
чень материалов и химикатов, необходимее; для
аналитических испытаний, а также порядок их про-
ведения описаны в разд 2.3.6
Общие рекомендации, приведенные в разд 2 2.4
по УБУФ, применимы и должны выполняться для
тестов на активность СРБ В табл. 2 3 8 приведены
примеры типичных испытаний, проводимых для
выяв лени я д еятельн о сти СРБ
г паи с гоиг'-
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
П
Таблица 2.18. Стандартные тесты для анализа активности СРБ
Код теста	Редок:	Краткое описание и назначение
СРБЛНА.!	Анаэробный	исполняется с реальны,и сточньми водами, нагример неочищенными стоками, для опре- деления тонной скорое™ СРВ при строго определенных условиях
СРБЛНА2	Анаэробный	Проводится с использованием определенней стандартной среды (см. разд. 23.48) для сравнения скорое™ восстановления сульфа та от СБ Р при р аз личных условиях
Тест СРБ .АНА.1, Испытание анаэробном активности СРБ
Первым этапом проведения теста активности СРБ
является обеспечение правильного состава среды
и соблюдение корректно составленного графика экс-
перимента (разд. 2.3.8.2). Оба этапа в значительной
степени зависят от цели и объема исследований,
а также от происхождения ила СРБ (обогащенная
культура, смешанная культура или культура, со-
бранная из производственной или лабораторной
установки). Необходимый объем пробы ила зависит
от цели и задач исследования Концентрации био
массы и жидкой/газовой фазы должны быть макси-
мально сопоставимы с исходной ситуацией, если
иное не предусмотрено в рамках исследования. По
еле составления плана эксперимента следует выпол
нить следующие шаги Этот же подход применим
и для испытаний активности СРБ в реакторах
1	Возьмите необходимые предметы из списка ма-
териалов и химик атов
2	. Подготовьте необходимые базовые растворы для
проведения аналитических испытаний.
3	. Подготовьте базовый раствор среды.
4	Заполните флаконы средой и при необходимости
скорректируйте уровень pH с помощью добавле-
ния НС1 и/или NaOH
5	Перенесите ил СРБ во флаконы (максимально
сохраняя анаэробные условия, например, избегая
турбулентности).
6	Закройте флаконы резиновой пробкой и алюми-
н и евым о б жи мг) м
7	. Обработайте наджидкостное пространство и жид-
кую фазу во флаконе газообразным азотом Это
делается путем введения иглы с подачей газа
и размещения другой иглы немного выше жидкой
фазы для выхода избыточного давления Эта по-
следняя игла не должна касаться жидкой фазы:
в противном случае ил начнет выходить Для фла-
конов объемом 80-110 мл достаточно 1 минутной
продувки, чтобы получить необходимые анаэроб-
ные условия но это можно проверить путем до-
бавления рез азурин а (окрашивающего цвета). По-
сле того, как среда становится анаэробной, она те
ряет окраску Одновременно удалите обе иглы Во
флаконах сейчас должна быть анаэробная среда.
8	. Теперь возьмите образец в момент t = 0 и немед
л енн о о бр або т айт е это т и др уги е о бр азцы Отб ор
образцов происходит при пс мощи шприца Затем
повдэните флакон таким образом, чтобы игла ка-
салась жидкости (не захватывая биомассу).
В тяните шприц, что бы взять образец
9	Возьмите образец для определения сульфида,
добавьте в 1 каплю 1 М NaOH, остальное можно
использовать для анализа ХПК и сульфата. Об-
разцы сульфида необходимо растворить в NaOH
и немедленно выполнить их анализ
10	Следуйте временной схеме отбора образцов
И. После завершения временной схемы откройте
флаконы, соберите образец биомассы и выпол-
ните анализы ЛЕВ и В В
12	Если эксперименты не предусматривают потери
ила СРБ, его желательно поместить обратно
в родительский реактор, предварительно трижды
промыв средой из реактора Если состав среды
неизвестен, для промывки следует и сп о ль. з орать
деминерализованную воду
13	. Затем данные необходимо проанализировать с ис-
пользованием процедуры описанной в разд 2.3 8.
14	Примечание если для испытаний на периодиче-
скую активность используется реактор, следует
придерживаться процедуры, описанной для анаэ-
робных испытаний УБУФ (см разд 2.2.4).
ТестСРБ.АНА.1. Испытания анаэробной активности СРБ
Для теста СРБАНА.2 и оценки активности СРБ
применяется аналогичный метод с использованием
синтетических сред (разд 2 З.б.З).
2.3.8.	Анализ данных
2.3.8.1.	Материальный баланс и расчеты
Расчеты сульфатредуцирующей активности СРБ
могут быть выполнены на основе эксперименталь-
ных данных (разд. 2 3 8 2). Образование сульфидов
является результатом активности СРБ, а изменение
коэффициентов скорости зависит от источника уг-
лерода, исходных концентраций сульфата и нали-
чия конкретных видов СРБ Для проверки матери-
альных балансов необходимы дополнительные зна-
чения ХПК сульфатов и сульфидов, измеренные
в момент t = 0 и в конце измерения (стоки на выхо-
де). Определение скорости может быть надежным
только при наличии корректного материального
баланса Уравнения материально, г о баланса для
ХПК и соединений серы можно представить сле-
дующим образом.
Баланс ХПК
- -П^-оргакич.нач +^Н2С, нач =
= -'--т,ОГганкч,илкеч",'^Н2с хоаеч- (2.3.7)
Баланс серы
%О4,нач+’ H2S, нач = ^С04,конеч+‘’H2S, когеч
Также можно рассчитать электронный баланс
Для расчета скорости биологического восста-
новлен ия сульфата (только при правильном матери-
альном балансе) необходимо выполнить следующие
расчеты:
of 346
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
14
а Используйте стандартную кали бри в очную кри-
вую для преобразования измеренных значений
оптической плотности (OD675) из спектрофото-
метр а в единицы концентрации (.мг/л).
b Преобразуйте концентрацию сульфида из мг/л
в ммоль (при необходимости). Молярная масса
полностью растворенного сульфида (S') состав-
ляет 34 г/мо ль
с Используйте среднее значение трех повторностей
d Чтобы получить профиль, показывающий коли-
чество произведенного сульфида, скорректируй-
те измеренную концентрацию на концентр алию
сульфида, присутствующую в момент 1=0мин
(вычитая это значение из всех значений)
е Определите угол наклона для первых образцов,
в которых ожидается появление линейной зави-
симости
f Р аз дели те значенк е н ж л он а н а ко личе ств о при с ут-
ствующей биомассы (т ЛВВ), чтобы определить
скорость в ммоль SC'"- (г/ЛВВ ч). Образование
1 моль сульфида связан о с удалением 1 моль суль-
фата Необходим переход от молярности в мель
2.38.2.	Обсуждение и интерпретация данных
Результаты анализа образцов ХПК, сульфата
и сульфида, взятых в начале и в конце теста, можно
использовать для проверит материального баланса.
Поскольку сульфид легко теряется во время отбора
проб, получить 100 % материальный баланс сложно
Поэте му уровень соответствия в 95 % считается
удовлетворительным для дальнейшего анализа дан-
ных. Если в тесте для измерения степени снижения
биологического сульфата с помощью СРБ анализи
руется только образование сульфидов, важно вы-
полнить тест по крайней мере три раза Также очень
важно проверить материальный баланс, для этого
нужно выполнить анализ ХПК и сульфатов в мо-
мент t = 0 ив кенце теста. Метод метиленового си-
него является высоко чувствительным и надежным
Поэтому, когда соответствие материального баланса
составляет около 95 %, профиль накопления суль
фида может быть основой для расчета степени вос-
становления Из этого типа анализа также можно
определить, характерные параметры преобразования,
такие как: максимальный коэффициент преобразова-
ния Для измерения максимальной скорости пре-
вращения важно, чтобы все соединения присутство-
вали в избытке. Затем максимальный коэффициент
конверсии можно определить в соответствии с спи-
санием в разд 2 3.9 и 2 2.5 2. Для определения ха-
рактерных параметров также может использоваться
метод линеаризации Лайнуивера - Берка Данный
метод подробно описан в работах авторов Nelson
and Сох (2005).
Для теста активности СРБ, специально выпол-
ненного для ила очистки бытовых сточных вод, до-
ступны лишь некоторые результаты Некоторые
результаты, встречающиеся в научной литературе,
представлены в табл 2.3 9, явно наблюдается шир о -
кий диапазон скоростей восстановления сульфатов
в зависимости от условий работы, которые способ-
ствовали активности СРБ
Таблица 2.19. Скорости восстановления сульфатов ((|cr;,so4,4
встречающиеся в исследованиях, посвященных активно му илу,
взч то му ио р е актор о в по еле длите льн о й эксплуа тации
Система	Размер системы	Цент ЯЦЙп (мг So*’it ЛВВ ч)	Источник
F8C	Производственная	1-11	Lens &al. (1995)
CAS	Производственная	0-Э.1	Lens &al. (1995)
CAS	Лабораторная	1,9	Lens era?. (1995)
ANS	Производственная	6-7,3	Lens &al. (1995)
ANS	Лабораторная	11,6	Lens dal. (1995)
ANS	Лабораторная	100-220	Van den Brand er d?. (2014; 2014b, 2015)
F8C: Rotating biological contactor -установи с вращающимися биодиазми,
CAS: Conventi'jnal activated sluage - протонная система с активным илем;
ANS Anaerobic sludge -анаэробная о^стка.
Хотя СРБ являются строго анаэробными бактери-
ями. некоторые исследования (Lens st aL, 1995) осно-
ваны на аэробной очистке сточных вод иногда
и с низкой концентрацией сульфатов в неочищенных
стоках, что приводит к значительно более низким
показателям по сравнению со значениями, описанны-
ми в трудах van den Brand sial(2014a; 2014b; 2015).
2.3.9.	Пример
В табл 2 3 10 приведен пример процедуры, который
можно использовать для р звличных тестов активно-
сти СРБ Пример касается испытаний, основанных
исключительно на производстве измерений содер-
жания сульфидов и ХПК, сульфатов и ЛВВ, прове-
денных в начале и в конце экспериментов На
рис. 2 3.8 представлен пример теста, выполненного
с синтетическими сточными водами, который также
включает анализ ЛЖК (ацетатаи пропионата)
Используя процедуру, списанную в разд. 2.3 5,
получаем график, из которого можно определить
наклон Типичный профиль, полученный из теста
активности СРБ, представлен на рис 2.3.8. Рассчи-
танный в примере н аклон составляет 225 мг ЗО^/ч,
что соответствует 2,34 ммоль йО427ч. Количество
биомассы в реакционном сосуде составило 4,5 г
ЛВВ Рабочий объем реактора периодического дей-
ствия составлял 2,5 л
2 34
ЧсРБ,5О4Ап =*—'— = 0,53 моль SO4/r ЛВВ ч (2 3.9)
Для этого теста предлагается выполнить не-
сколько (не менее 10) измерений ХПК и сульфатов,
а также измерения ЛВВ/ОВВ для осадка в конце
теста, как описано в разд 2 3 7
of 346
rtUiumdiK zcn
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
Таблица 2.1l0i (Тан дар жый при мер прото ко ла испытания активности ^РБ (тип СРБАНА2)
Обратит1 внимание, что при необкодтмости дополнительней информащи относите льне ктетики анализ на содержание сульфатов и ХЛИ^гаюннумо
выполнять в течение всехвыбранных периодов. Однако вместо ХПК оршш следует из мерять фактические концентрации ац=тата и пропионата
1 А нт эр об тыт тесты та ЕпсстаноБП-шесуттофата																				'Р:'НИ?		
Дата:	С pt да 0 9.1 0.2 015 10:00	П ро iv/b Р жп е риган та: О  исан ie:	Испы та н м я пр и 1 и 'С, pH	7, и сиу с с в енн им	1 П ид тв кр ди в нагач и е га в ри а га дга ana л за и не ибхи ди моги ибо ру дива юн субсратеи обогащгннейкуя гуре СРБ Тест №:	1 из з	2 П ид твер ди к га л бр ивку в р аб итюспв сиб нос ты;и с те и>|, сче в ж и	да тчиа Пкдолжнт ел тесть:	6.0 ч (36П ran)	3.Наполните инкуба ци они ыиф л ион ср едой и снорр пируйте pH Субст рт:	Си н те тический: а це та т и	пр опи он а т 1400 мrfnJ	4 Во га гая про бы ХПК (аце та т и про пие на т ХПКпг) т сре де Точ «а итбо [в п [<6 •	Виа га с ра с га ори м п ри	пимищи и rrai	5	П ер ене си я 1 би мл и га г и нкуб ацио нный Флакон Нуме ш цт® п роб:	СРБ. АН А2 (1,1 -1 ,i 1)	6	9 акре й те Ф га но н р езмм  вой и ышкой с а л н га н и е вым обжимом. Об щий ибъе м п роб:	60 мл (2 0 мл ЛВВ, 6 мл	для других ана л зоь)	7	П ро дуй те своб одно е п рос тра нс тво ф лакона газооб ра га ым а»т» м N а Об ье м реапо ра:	2,5 л и сходный ре актор. 6 0 мл и ниубаци он	8	П ос •аы. те флакон в ше икер и u ii ер и те при бу п ри t = 0. ный ф га нс н	9.0 тбе ри га »с тальные пр "бы в сое гае тс 1ьи и с про цедур ой. 10. После отбора проб отберите пробу на кон цен рацию биогеаы в оставшейся иловой era си 11. Убе ДИ тесь. ч то все иб ор УДО ван Ие выключи Ни. Графин отбора проб																						
Время (мин)	-20		0		15		30		60		90		120		180		240	300	3G0			
Время (ч)	-0.33		0.00		0.25		0,50		1,00		1.50		2.00		3.00		4.U0	5,00	6,00			
№ образа	1		2		3		4		5		6		7		8		9	10	11			
Параметр	АНАЭРОБНАЯ ФАЗА																					
ХПК (га/л)	ИЭ6’		136		95		59		39		25		9		8		8	8	8			
СуТЬфИ д(мг1л|			18		40		58		74		83		81		83		83	84	85			
С уть фат (мтГ л)			'195		176		153		137		124		107		102		96	96	hi			
ВВ и ЛВВ (мг/л)																			см. таблицу			
’Среднее значение концентрации ХПК, присутствующей в синтетическом субср ат* и жидкой фазе .,бра ада ил доначага испытания Итиерение ВВ и ЛВВ																						
Точи отбора проб				Пробирка №				001		002		1ЛВ		UlC-UOl		01Й-ШВ		ВВ	ЛвВ	ЭТНОШеНИе		
Кинец аэробной фаы				1				0,и8835		0,т0741		0,08849		0,0190 6		0,01892		1,906	1,892	0,99		
				2				0,08835		0,10759		0,09018		0,01924		0,01742		1,924	1,742	0,91		
				3				101)8834		0,1068		0,08940		0,01849		0,01742		1849	1,742	0,94		
Среднее																		1,893	1,792	0,95		
! Обр азец, ьзя тыи п ере д диб ав га hue м суб с тра та Сосвв биигассы																						
Точка о б пр а проб		Конец анаэроб но и фа Ъ1				Примечание Лце та т 1СН аО)	30,0 3	га£ гаю л П роли ин а т (CH аО txur|	24,6 9	га/С гаю тъ С ул ь Ф ид (HsS)	34,0 я	га/С гаю ть СульфаПЗОй*)	96,0 6	га/С-гаю тга																
ВВ (мг/л)		1893																				
ЛВВ (га/л)		1792																				
Отношение		0,95																				
Зола 1га/л)		101																				
Рисунок 2.18. Гример графика, отображающего концентрации сульфи-
дов (•), сульфатов (») и ХПКринл (*) во время теста аьтгънисти
СРБ АНА2, из которого мош рассчитать скорость восстановления
сульфатов
Фактическая скорость восстановления биологи
ческого сульфата была впоследствии рассчитана пс
формуле (2.3 8) тесты активности СРБ таге же можно
использовать для изучения влияния соединений на
скорость восстановления сульфата На рис. 2 3 9
представлен пример исследования, сравнивающего
различные азотные соединения (аммоний, нитрат
и нитрит) при разных концентрациях N, выполнен-
ного vaii den Brand et al. (2015). Рассчитав скорость
восстановления сульфата при определенных усло-
виях и представив все результаты по скорости СРБ
на одном рисунке (как показано на рис. 2 3.9), мож-
но проанализировать влияние соединений азота на
скорость восстановления сульфата В этом случае
включены планки погрешности, чтобы показать
точность измерений. Скорость восстановления
сульфатов снижалась при увеличении концентрации
азота (рис 2 3 9)
Следует также изучить связь между концентраци-
ей сульфида и фактической скоростью восстановле-
ния сульфата Для этого важно определить скользя-
of 346
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
щее среднее вдоль линии профиля концентр)алий,
чтобы узнать скорость для фактической средней кон-
центрации сульфида присутствующего в образце
Скользящее среднее является результатам усредне-
ния трех показателей. Эти скорости со о гвегствуюг
концентрации сульфида для которой рассчитывается
скользящее среднее, и одной скорости при более вы-
соких и более низких концентрациях. На рис 2.3.10
приведена типичная зависимость между скоростью
восстановления сульфата и фактической концентра-
цией сульфида основанной на методе скользящего
среднего. График такого типа мижно составить для
фактической концентрации сульф ат а или ХПК.
Рисунок 23.9. Пример графита, отраиающего скорость био ло пиескою
восстановления сульфата (qcfb.so+A')в присутствии аммония (•), нитра-
та (*) или нитрита (•) в качестве источника азота в растворе
1.6
1.4 f
S 1.2
j-,0
| 0,8
У 0,6
3
. О’4
ст
0.2
О 25	50	75 100 125 1 50	175 200
Концен!рация сульфида (мг/л)
Рисунок 2.3.10. Пример графика, отражающего вгмяние концентрации
сульфида на скорость восстановления сульфата (q с ч so ^.полученно-
го методом скользящего среднего
2.3.10. Практические рекомендации
Обьемные скорости восстановления сульфата и ак-
тивность СРБ можно оценить путем проведения экс-
периментов в контролируемых лабораторных усло-
вия:: На рис. 2.3.11 приведен пример биореактора
с суспензионной культурой, оснащенного соответ-
ствующими устройствами для контроля pH и темпе-
ратуры Такое устройство реактора облегчит процесс
отбор а пр об как в жидкой, так и в газовой фазе
Внс-унок 2.3.11. Сбор тгидкого образца для определения атности
сульфатредуцкртощих бактерий (СРБ). Обратите внимание на харак-
терный черный цвет обогащенной биомассы СРБ в реакторе (фото
KWR to ate rcycle Research h state, 2014)
Для определения влияния кислорода на актив-
ность СРБ необходимо прсвести такие же аэробные
испытания за исключением промывки свободного
пространства газообразным азотом При проведении
испытаний на токсичность следует использовать
синтетические сточные воды и добавить параметр
токсичности в план эксперимента. Испытание сле-
дует повтори 1Ь, используя ил, который подвергался
воздействию этого токсичного соединения, чтобы
исследовать его способность восстанавливаться по-
сле токсического стресса. При необходимости опре-
деления зависящего от времени развития структуры
сообщества СРБ в иле можно использовать инстру-
менты молекулярной биологии, такие как флуорес-
центная situ шбридизация (FISH) и денатуриру-
ющий градиент гель электрофорез (DGGE), ампли
фицированной с помощью ПЦР рибосомальной
ДНК 16S (рДНК) (см гл 8).
2.4. БИОЛОГИЧЕСКОЕ УДАЛЕНИЕ
АЗОТА
2.4.1. Описание процесса
Необходимость удаления азота из сточных вод воз-
никает из-за его потенциального токсического воз-
действия на водные объекты в виде свободного ам-
миака (NH3), его влияния на потребность ь кислороде
для окисления азотистых соединений, а также из-за
его роли питательного вещества в усилении эвтрофи-
кации, особенно в морской среде (Metcalf and Eddy,
2003) Азо тв основном присутствует в сточных вода::
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
И
б своей восстановленной фирме в виде аммония
(NH4) и может удаляться при помощи различит: фи-
зико-химических и биологических процессов Одним
из основных критериев выбора зачастую является
экономическая зффекшвностъ В целом физико-
химические методы, такие как отдувка аммония хло-
рирование дс «точки перелома?? и селективный ион-
ный обмен, характеризуются более высокими эксплу-
атационными расходами, которые считаются эконо-
мически целесообразными только в случаях, когда
концентрации аммония превышают 5 г N/л (Mulder,
2003) В потоках сточных вод, содержащих менее 5 г
N/л, как и в некоторых промышленных сточных во-
дах и большинстве хозяйственно-бытовых сточных
вод (где типичные концентрации азота обычно ниже
100 мг N/л), процессы биологического удаления азота
обычно предпочтительнее из-за более низких эксплу-
атационных расходов Могут также применяться раз-
личные биологические процессы и их комбинации
с участием альтернативных метаболических путей.
Характеристики сточных вод с точки зрения отноше-
ния ХПК/N в неочищенных стоках будут служить
одним из ключевых факторов при определении
наиболее подходящих биологических процессов для
удаления азота Можно выделить три диапазона от-
ношенияХШУЫ в неочищенных стоках
1 При выс оких значениях ХПК/N (> 20 г ХПК/г N)
потребности в азоте или усвоение азота гетеро-
трофными бактериями (обычными гетеротроф-
ными организмами Xqho) Для синтеза биомассы
во время удаления ХПК (органического вещества)
обычно является достаточным для достижения
требуемой концентрации азо та в стоках
и При значениях отношения ХПК/N от 5 до 20 г
ХПК/г N может применяться комбинация асси-
миляции азота для роста микроорганизмов
и традиционных процессов нитрификации и ге-
теротрофной денитрификации
in При отношении XJIK/N менее 5 г ХПК/г N обыч-
ные процессы нитрификации и гетеротрофной де-
нитрификации едва пи могут обеспечить доста-
точный уровень удаления азота В частности,
процесс гетеротрофной денитрификации будет
ограничен отсутствием органического в еще ств я
поэтому потребуется добавление дополнительно-
го источника углерода Таким образом, нетради-
ционные процессы удаления азота, осуществляе-
мые по так называемому нитритному пути, в этом
случае больше подходят для удаления азота из-за
их более низкой (или даже отсутствующей) по-
требности в ХПК По этой причине, помимо дру-
гих технических и экономических соображений,
такие процессы, как частичная нитрификация
с денитрификацией (также известная как денит-
рификация через нитрит) или час гичная нитрифи-
кация-ан аммокс (PNA), в настоящее время пред-
ставляют собой самые современные процессы
биологического удаления азота для сточных вод
с низким отношениемХПК/N. Из-за относительно
более низкой скорости роста анаэробных бакте-
рий, окисляющих аммоний, процесс анаммокс
(анаэробное окисление аммония) в настоящее
время в основном применяется для обработки
теплых стоков (> 25 °C), таг: их как супернаг ан г из
систем анаэробного сбраживания ила на муници-
пальных и промышленных ОС
В целого в зависимости от характеристик сточ-
ных вод и местных условий, удаление азота может
быть вьшолнено при помощи нескольких техноло-
гий и их комбинаций. Несмотря на существование
различных технологий и процессов удаления N,
практически во всех из них аммоний сначала (пол-
ностью или частично) окисляется до нитрита (нит-
рирование) или до нитрата (нитрификация), затем
окисленная форма азота восстанавливается до газо-
образного азота, который выбрасывается в атмосфе-
ру в результате процессов денитрификации (от нит
рата до Na), денитрирования (от нитрита до N2) или
ан аммокс а (от ни трита и аммония до N2).
Эффективность удаления азота в биологических
процессах зависит от адекватного баланса между ак-
тивностью различных микробных групп В связи
с этим выполнение тестов на активность для определе-
ния и оценки стехиометрии и кинетических скоростей
этих процессов биологической конверсии является
полезным инструментом для наблюдения и контроля
процессов удаления азота Перед детальным описани-
ем мет од ологий и процедур теста кратко представлены
биологические процессы нитрификации, денитрифи-
кации и анаэробного окисления аммс ния
Более подробное описание различных конфигу-
раций процесса, рабочих условий и факторов, влия-
ющих на каждый процесс, а также метаболизма,
участвующего в цикле биологического удаления
азота мсжно найти в стандартных учебниках
(например, Henze et al., 2008, Grady st al., 2011).
2.4.1.1. Нитрификация
Нитрификация обозначает процесс образования нит-
ратов Такое название было дано учеными S chi о esing
и Виноградским (1890), которые впервые выделили
аммоний окисляющую бактерию, показав, что за нит
рификацию отвечают специфические группы бакте-
рий. Огромная работа по бактериальному культиви-
рованию, выполненная Вин ^градским (1892), приве-
ла к выделению бактерий Nitrosornonas europea
и Nitrobacter, показав, что производство нитрата
в результате окисления аммония фактически было
разделено на два отдельных микробиологических
процесса, выполняемых двумя филогенетически не-
зависимыми группами хе мол и то автотроф ных аэроб-
ных бактерий, аммоний окисляющие организмы
(ХдиоХ продуцирующие нитрит, и нитрит-окис-
ляющие организмы (XN00), продуцирующие нитрат
Окисление аммония в основном осуществляетсяхе-
молито автотрофными аммоний окисляю щи ми бакте-
риями, которые используют аммоний в качестве ис-
точника энергии и азота, а неорганический углерод-
of 346
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
и
в качестве источника углерода. Известно, что окис-
ление аммония также осуществляется некоторыми
археями (Хаоа, Konneke et al, 2005) и гетеротроф-
ными бактериями (van Niel et al, 1993), что свиде-
тельствует о значительно большем разнообразии
организмов, окисляющих аммоний, чем предполага-
лось ранее. Однако в данной главе рассматривается
процесс окисления аммония который осуществля-
ется бактериями Хао о в системах очистки сточных
вод, пл хемолитоавтотрофному пути в связи с его
преобладанием.
На уровне микробного процесса окисление ам
мсния до нитрита протекает через образование гид-
роксиламина (NHjOH) в качестве промежуточного
соединения с помощью фермента аммониймоно ок-
сиген аза (АМО)'
NH^+02+Н+ + 2е-—>NH2OH + H2O (24 1)
Затем гидроксиламин окисляется до нитрита
ферментом оксиредуктаза гидр о к си ламина (На О):
ЫН2ОН + Н2О ЫО2 + 5Н+ + 4е"	(2 4 2)
Комбинация двух окислительно-восстановитель-
ных процессов известна как нитрирование
+ 1,5О2 -+NO2 + Н2О+ 2Н+	(2.4 3)
Данное уравнение представляет собой уравнение
катаболической макро химиче с кой реакции процесса
нитрирования При рассмотрении анаболизма урав-
нение метаболической (катаболизмплюс анаболизм)
макро хи ми ческой реакции принимает вид:
МН| +1,383О2 + О,09НСС£ -» 0,982NO2 +
+l,036H20+0,018CiH702N+l,892H+ (2.4 4)
Согласно уравнению (2.4 4), на 1 моль окислен-
ного аммония производится около 2 молей прото-
нов Как правило, pH буфер, содержащийся в сточ-
ных водах, представляет собой карбонатную систе-
му, которая нейтрализует выработку протонов
путем удаления СО2 Когда карбонатный буфер,
обычно измеряемый по щелочности как эквивалент
карбоната кальция (СаСО3 в мг экв/л), отсутствует
или его содержание в сточньп: водах недостаточно
(например, в хозяйственно-бытовых сточных водах
щелочность ниже 100 мг СаСО3/л или 2 мг экв/л),
уровень pH гложет упасть ниже 7,0 (Ekama and
Wenzel, 20U8).
Навторой стадии процесса нитрификации, также
известного как процесс нитратации, нитрит окисля-
ется до нитрата бактериями Хыоо с помощью фер-
мента нигрит оксидоредуктазы (Nir).
1ТО5+0,5О2^ЫОз.	(2.4 5)
Xnoo представляют собой аэробные хемолито ав-
тотрофные бактерии, использующие для синтеза не-
органический углерод в качестве источника углерода
(например, НСО3) и аммоний в качестве источника
аз; та При включении роста бактерий в вышеприве-
денное уравнение получается следующее уравнение
метаболической макрохимической реакции
NO2 + 0,003NHJ+0,4 85О2 + 0,015НСС£ +
+0.012Н+ -> NO2 + 0,0С9Н2О+
+ 0,0иЗС5Н7О2^	(2 4.6)
Сочетание процесса нитрирования выполняемо-
го бактериями ХАоо> и процесса нитратации при
помощи бактерий Хкос составляет процесс нитри-
фикации Стехиометрия нитрификации может быть
выражена в соответствии со стандартной моделью
активного ила следующим образом:
1	1	4,75-Y^q
~	+ ^.ANO гННх +	„	°О2+
k *АЫО	7	yANO
2
1
hr. ano
14	14 J
SIC -* ANO + ~	S NO3" (2 4 •7)
' AHO
где SH03 - концентр ация нитратов (мг N/л); SIC - кон-
центрация щелочности (ммоль/л), SOj - концентра-
ция РК (мг Oj/л); Snh:: - концентр ация аммония (мт
N/л), Хдио - концентрация нитрифицирующих орга-
низмов (мг ХПК/л); Yaho _ коэффициент прироста
нитрифицирующих микроорганизмов (г ХПКУг N),
hr.ANO _ содержание азота в клетках нитрифицирую-
щих организмов (rN/гХПК).
2.4.12. Денитрификация
В 1850-х тт сначала Reiser (1856) и позже Pasteur
(1859) сообщили, что восстановление нитратоБ имело
биологическую природу, что ознаменовало собой
начало исследований биологического азотного цикла
Несмотря на то, что Pasteur ошибочно приписал функ-
цию восстановления нитратов «молочным дрожжам»,
он понимал роль органики Reiset (1856) заметия чтс
азот выделяется в атмосферу во время распада расти-
тельных и животных остатков Вскоре после этого
ученые Gayon и Dupetit (1883) назвали такой проиесс
денитрификацией, для которого была эксперименталь-
но доказана необходимость органических веществ
(Munro, 1886), а нитрит, оксид азота (NO) и закись
азота (NsО) были определены как промежуточные со-
единения (Payne, 1986). Было отмечено, что не только
бактерии, но и эукариоты и археи могут расти, исполь-
зуя энергию, получаемую при окислении органических
или неорганических субстратов в сочетании с восста-
новлением нитратов до нитритов NO, NjO и, наконец,
газообравног? азота (NJ (Risgaard-Petersen et al, 20Uo,
Piiia-Choae/я/, 2010)
Также было выяьлено, что некоторые микроорга-
низмы, способные выполнять гетеротрофную нитри-
фикацию, могут пр сводить денитрификацию в аэроб-
ных и аноксидных условиях, гак называемую аэроб-
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
И
ную денитрификацию (Robertson et al, 1995) Денит-
рификация также может протекать без выделения N3O
в качестве промежуточного соединения как в недавно
открытом процессе денитрификации с использованием
метана в качестве донора электронов (Ettwig et al,
2010). Также сообщалось о денитрификации микрс ор-
ганизмами нитрификации, когда бактерии Х^оо вос-
станавливают нитрит до N3O (Bock etal, 1995). В от-
личие от других микроорганизмов в авотном цикле
(например, Хдоо, Хыоо, анаммокс), многие обычные
гетеротрофные организмы (Хона) является факульта-
тивными денитрификагорами, которые преимуще-
ственно используют кислород в качестве акцептора
электронов из-за более высокого выхода энергии
и переключаются на денитрификацию только в случа-
ях преобладания низких концентраций кислорода
в присутствии нитратов или нитритов (Zumft 1997)
Независимо от используемого донора электронов, об-
щий биохимический путь денитрификации включает
в себя одни и те же ферменты на каждом из этих эта-
пов восстановления от нитрата до газообразного азота
нитрат редуктаза (NAR), нитрит редуктаза (NIR), окись
азота (NOR) и редуктаза закиси азота (NOS):
МАБ.	NIR NOR
NO^aq) —> NO2(aq) —>NO(g)
NOR	NOS
-^N2O(g) ^N2(g)	(2.4.8)
В случаях если денитрифицирующие микроорга-
низмы не исп '.льзуют все ферменты для полной цепи
денитрификации, а также под воздействием опреде-
ленных условий окружающей среды, могут выде-
ляться промежуточные соединения NO и N3O, кото-
рые оказывают негативное влияние на окружающую
среду из-за их токсичности и прямого или косвенного
учасшл в развитии парникового эффекта.
В системах очистки сточных вод биологическое
удаление азота в основном выполняется бактериями
Xqho с использованием органических веществ в ка-
честве донора электронов Когда содержания орга-
нических веществ, присутствующих в сточных во-
дах, недостаточно для достижения полной денитри-
фикации, обычно добавляются внешние доноры
электронов (например, уксусная кислота или мета-
нол). В связи с широким р аспространением и при-
менением процесса денитрификации, катализируе-
мой бактериями Хоно (гетеротрофной денитрифика-
ции), именно он рассматривается в данной главе.
Эта денитрификация происходит по следующей
общей катаболической схеме (Mateju et al, 1992).
МОз- +1,25СН2О —> 0,5N2 4- ОН" +
+ 0,75Н2 + 1,25СО2.	(2.4 9)
Данное уравнение показывает, что гетеротроф
ная денитрификация делает окружающую среду
более щелочкой из-за образования гидроксид-ионов.
Xqho могут использовать в качестве акцептора
электронов как нитрат, так и нитрит Процесс вос-
становления нитрата до газообразного азота называ-
ется денитрификацией, а процесс восстановления
нитрита до газообразного азота называется денитр и-
зацией. В соответствии со стандартными обозначе-
ниям! модели активного ила (ASM), когда в каче-
стве источника углерода используется растворимый
биоразлагаемый субстрат (Sb), стехиометрия денит-
рификации и денитризации может быть описана
следующим образом
1	„ !-уоно,Ах q	Q
~-------'В +	чгоз +1n,oho • 4nh« -*
I ОНО, Ах	4,66 IQ НО, AX

1 “ YOHO,ax
2,86.14 Х0Н0,Ах
’ - ^OHO,Ax о
2,36 Yoho.^
Чт.оно
14
(2 4 10)
1 q .__________OHO, Ax	g _____
TT— -„	^O2 + ‘N,OHO  ^NHx
1 ОНО, Ax	Ь ' 1 *OHO,Ax
“^^OHO +
“ ^OHCyAx _ Л^ОНО
1,71 14 Y0H0;Ax ’14
AjHO.Ax „
-------------^N?
1.71 Yoho,Ax
’IO
(2.4.11)
где Yqhg^x _ коэффициент прироста гетеротрофов
в бескислородных условиях (г ХПК/г ХПК), Хоно -
концентрация гетеротрофных микроорганизмов
(мг ХПК/л); SNHk - концентрация аммония (мг N/л);
SN02 _ концентрация нитрита (мг N/л); SN03 -
концентрация нитрата (мг N/л); Srj - концентрация
растворенного газообразного азота (мг N/л), Sic-
концентрациящелочности (ммоль/л)
2.41.3 Анаэробное окисление аммония (анашокс)
Процесс анаммокса можно рассматривать как особый
тип денитрификации при котором ‘кисление аммсния
связано с восстановлением нитрита Его открытие
в 1990-х гг радикально изменило представление
о биологическим азотном цикле (Kuvpers et al, 2005\
опровергнув традиционное в то время предположение,
что аммоний химически инертен, и что- его окисление
требует кислорода в сочетании с ферментом оксигена-
зой (van de Graaf et al, 1996) Бактерии анаммокс при
надлежит к роду Planctomycetes; они были о бн ар ужены
на нескольких очистных сс оружения:: и в природных
средах по всему миру, что говорит об их повсеместном
распространении Аммоний, нигрит и бикарбонат яв
ляются основными субстратами в процессе анаммокса
(van de Graaf et al., 1996). Катаболическая реакция,
катализируемая бактериями анаммокс, связывает ато-
мы азота из аммония и нитрита в результате чего об-
разуется газообразный азот(Нз)
NHt + NO2 -» N2 + 2Н2О.	(2 4 12)
В отсутствие кислорода бактерии анаммокс ак-
тивируют стабильную молекулу аммония за счет
of 346
JO
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
окислительной способности оксида азота (NO) Если
описывать коротко, анаэробное окисление аммония
представляет собой трехстадийный процесс с выде-
лением NO и гидразином в качестве промежуточных
соединений сначала нитрит восстанавливается до
NO с помощью фермента нитрит оксидоредуктазы
(Nir), затем образующийся NO вступает в реакпию
с аммонием с образованием гидразина (N2H4), ката-
лизируемого с помощью уникального фермента
гидр азин синтазы (HZS) и, наконец, гидразин окис-
ляется до N2 гидр азин дегидрогеназой (HDH) (К art al
et al., 2011). Бактерии анаммокс являются автотро-
фами и поэтому используют неорганический угле-
род в качестве источника углерода для производства
биомассы В анаболической реакции восстанавли-
вающие эквиваленты для восстановления неоргани-
ческого углерода происходят от окисления нитрита
до нитрату как показано в уравнении ниже (аммо-
ний рассматривается как источник N):
НСО3 + 2,1NO2 + 0,2NH} + 0, 8Н+ ->
^СН18О051Т0;2 +2,lNC£+0,4H2O. (2.4.13)
Метаболическое макрохимическое уравнение
процесса анаммокса все еще остается предметом
дискуссий
NH4 +132NO2 + 0, ОббНСОз + 0,1 ЗН+ ->
—»l,02N2 + 0,066CH2O05N015 +0,26NO7 +
+ 2,03Н2О	(2 4.14)
Из-за трудностей в культивировании чистой
культуры бактерий анаммокс стехиометрические
уравнения, полученные на основе субстра-
товйгродуктоЕ с помощью материального баланса,
по сути, не являются абсолютно точными (Lotti et
al., 2014) Однако стехиометрия реакции, о которой
впервые сообщили Strous и соавторы (1998), широко
используется для проектирования и эксплуатации
биореактора (2.4 14)
Поскольку азот обычно присутствует в сточных
водах в виде аммония но для метаболизма анаммокс
требую гея и аммоний, и нитрит в качестве субстрата,
то для получения необходимого нитрита процесс
анаммокс должен сочетаться с другим процессом.
Для этой цели обычно применяется процесс частич-
ной нитрификации (ЧН). Процессы удаления азота,
основанные на комбинации ЧН и процесса анаммокс,
представляют собой часть наиболее передовых тех-
нологий. На сегедняшний день такая комбинация
внедрена на 100 станциях очистки сточных вод пи
всему миру, которые очищают главным образом сто-
ки из сооружений для анаэробного сбраживания
осадка, а также различные богатые аммонием хозяй-
ственно-бытовые и промышленные сточные веды,
включая такие отрасли, как дубление кожи, пищевая
пр: мышлениесть, п:лупроводниковая ферментная
дрожжевая дистилляционная и винодельческая о т-
расли (Lacknere/ al, 2014). Кроме того, были получе-
ны положительные результаты в отношении экспе-
риментальных установок по очистке сброженного
осадка (de Graaff et al, 2011), сбраживания навоза
(Villegas et al., 2011), мочи (Udert et al., 2008) и фар-
мацевтических сточных вод (Tang et al., 2011). Не-
давно положительные результаты были также полу-
чены при очистьте сточных вод предварительно очи-
щенных аэробным способом, что открывает новые
перспективы для преобразования канализационных
очистных сооружений из энергозатратных в энерго -
генерирующие системы (Lotti et al., 2015а)
2.4.2. Возможные методы контроля процесса
В соответствии со стехиометрией процессов, связан-
ных с удалением авотд представленных в разд 2.4.1,
существуют различные способы оценки кинетики
процесса и исследуемых стехиометрических пара-
метров во время теста:
•	химический контроль путем оценки концентра-
ций нитритов, нитратов или аммония во време-
ни, оптимальный выбор химических веществ для
отслежив ания зависит от конкретного исследуе-
мого процесса;
•	титр и метрический контроль путем применения
pH-статического титрования к процессам, влия
ющим на pH раствора;
•	манометрический контроль, применимый к про-
цессам с участием растворимых газообразных
веществ с низкой растворимостью, таких как N2;
•	респирометрия применимая к аэробным процес-
сам, которые влияют на кс нцентр ации РК. Этот
способ подробно описан в гл. 3
2.4.2.1. Химический контроль
Отслеживание концентрации субстратов и продук-
тов во времени является наиболее распространен-
ным способом оценки кинетики процесса
При необходимости контроля нитрификации ве-
дется контроль концентрации аммония и нитрата во
времени Для самостоятельной оценки скоростей
нитрирования или ни гр этации необходимо измерять
концентрации аммония и нитрита или нитрита и нит-
рата стечением времени. При одновременной оценке
скоростей нитрирования и ниграгации следует кон-
тролировать концентрации аммония нитрита и нит-
рата с течением времени
Для денитрификации наиболее распространен-
ным испытанием. в котором применяется процедура
химического контр оля является так н азываемое
испытание скорости поглощения нитратов (СПН)
Исследование СПН позволяет оценить несколько
параметров, представляющих практический инте-
рес, таких как коэффициент использования нитрат-
ов, использование органических веществ для денит-
рификации и коэффициент выхода бескислородной
of 346
ОПРВДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
!1
биомассы (Naidoo et al, 1998, Kujawa and Klapwijk,
1999). Согласно описанию Бразд 2 2.4, образцы
отбираются б ходе испытаний, а затем выполняется
химический анализ основных субстратов (например,
нигритов, нитратов и ХПК), чтобы получить доста-
точные данные для оценки соответствующих кине-
тических и стехиометрических параметров
Наконец, при использовании настоящего метода
для оценки кинетики процесса анаммокс выполня-
ется контроль во времени концентраций аммония,
нитрита и нитрата. Помимо скорости процесса
анаммокс, этот метод также позволяет оценивать
интересующие стехиометрические параметры, такие
как отношение между потреблением нитрита и ам-
мония (отношение NO2/NH4) и отношение между
образованием нитрата и потреблением аммония (от-
ношение NOt/NH4), которое может рассчитываться
как отношение соответствующих показателей кон-
версии (Lotti et al., 2014).
2.4 22 Титриметрический контроль
Метод pH-стэтического титрования состоит из кон-
тролируемого добавления соответствующим обра-
зом разбавленного раствора кислоты или основания
для поддержания постоянного pH (следовательно,
«статического» pH) в биологической системе, где на
pH оказывают влияние различные реакции. В этих
условиях скорость титрования пропорциональна
скорости реакции посредством стехиометрического
коэффициента
В принципе, этот метод применим к любой био-
логической или физико-химической реакции, влия-
ющей на кониентрацию протона (таким образом, свя-
занной с pH), т. е. к любой реакции, превращающей
нейтральные субстраты в кислотные или щелочные
продукты, а также кислотные или щелочные субстра-
ты в нейтральные продукты. Существует несколько
биологических реакций, представляющих интерес
сточки зрения воздействия на окружающую среду
и влияющих на pH суспензии, в которой они проис-
ходят Попытки использовать pH-статическое титро-
вание были в основном сосредоточены на нитрифи-
кации (Gerriaey et al., 1997, 1998, Massone et al., 1998)
и денитрификации (Massone et al.. 1996; Rozzi et al,
1997, Bogaert et al, 1997, Foxon et al., 2002). Кроме
стандартного применения метода pH-статического
титрования, его можно использовать и в других слу-
чаях, включающих равновесие СОз/НСОз'.'СОС,
например, гетеротрофная деградация органических
субстратов, в результате которой образуется СО2
(Ficara and Rozzi, 2004) и ап его пластический метано
генез с выделением бикарбоната (Rozzi et al, 2002).
Контр о,ль нитрификации является первым и наи-
более распространенным применением этого метода,
поскольку взаимосвязь между окисленным аммонием
и образующимся протоном Уын> № можно рассчитать
по стехиометрии реакции, как предполагается в мо-
дели активного ила (ASM1) (Henze et al, 2000), пред
ложенной в формуле (2 4 15).
14
ннн+ -	у
г + 1И,АН0 rANO
» б, 9 2 г 1Т/ моль (пр от он ы)
(2 4 15)
Следовательно, отношение N/H является сте-
хиометрическим фактором, который позволяет пре-
образовать скорость титрования в скорость потреб-
ления аммония. Метод pH-статического титрования
также может применяться к денитрификации, по-
скольку этот процесс оказывает влияние на уровень
pH Однако выполнение оценки отношения между
поглощением нитритов или нитратов и образовали
ем протонов Ynox.h* на основе стехиометрии слож-
нее; чем в случаях нитрификации, в основном пото-
му, что она зависит от многих других факторов,
таких как источник углерода, характеристики ила
и заданное значение pH Для теоретического расчета
(Ynox н+) Petersen et al. (2002) предложили концеп
туальную мсдель, предусматривающую, что следу-
ющие четыре процесса оказывают влияние (относи
гельно pH) на производство протонов во время де-
нитрификации (i) поглощение слабых органических
кислот в качестве источника углерода, (й) поглоще-
ние нитратов, (iii) поглощение аммиака для синтеза
клеток и (iv) производство диоксида углерода при
окислении органического углерода.
Основываясь на данных предположениях, была
предложена следующая стехиометрия реакции для
опенки отношения между образованием чистого
протекай потреблением нитратов
1 q .2 4) НО, Ах	-i-i s
,	+ R „	^NO х +1N ,ОНО  Н-Шх
•ОНО, Ах	Р YOHO,Ax
„ 1-¥оно,ах0	а
—> ... но -I-----------Ьы > 4----------------
R V	С V
Р 1 ОНО, Ах	[	1 ОНО, Ах
\>НО,Ах ’ Ь^ОНО
₽ 14 "оно,Ах 14
C(l-Yoho.Ax Jx
С YOHO,Ax
(2 4.16)
где SN0X-концентрация нитритов или нитратов, х -
количество молей углерода на моль органического
субстрата, С - коэффициент (в г ХПК/моль органи-
ческого субстрата) для выражения органического
углерода в единицах ХПК, |3 - кислородный эквива-
лент окисленного азота, а, Ь, с являются факторами,
зависящими от pH, которые учитывают равновесие
диссоциации слабых кислот/оснований (а - для ор-
ганических кислот, b - для углекислоты и с - для
аммония)
IQ-pKi
10"рН -+-10-pILd ’
(2 4 17)
of 346
J2
] (jpH-pK1 ] + 2 1 QPH-pKi
1 + 1С,рн-гК1(1 + 1П₽н-рК2
(2.4 18)
10^
10"₽H +10-pLhh*
(2.4 19)
где pKi - константа диссоциации для уксусной кис-
лоты (4,75 при 25 °C); pKi - константа диссоциации
для угольной кислоты (6,352 при 25 °C); рК2 - кон-
станта диссоциации для бикарбоната (10,33 при
2 5 °C), рКын4 - константа диссоциации для аммония
(9,25 при 25 °C).
Подставляя нужное значение |3 (т. е. 2,86 г ХПК/N
для N-NOj и 1,72 г ХПК/N для N-NOj), получается,
что Ynox.h-» в г N/моль в присутствии нитрата, Yno3_h+
или нигрит, YNo2 н-ь в качестве акцептор а электронов,
можно выразить следующим образом
YNO3H+ =
Уэно, Ах
2> 86 YOHOjAx
а_________1~ Уэно,Ах с • *ы,оно
CYOHO,Ax 2,86-14- Y0H0,Ах +	14
Ь(1- Уэно,Ах х
+ —-------------—
Уэно, Ах
YNO2H+ =
УэНО,Ах
V2 y0H0 Ax
а_______1 - Уэно, Ах с • 1И,ОНО
С- Уэно,Ах 1’72• 14 • Y0H0,Ax + 14
ь(1“ Уэно,Ах lx
+	—	(2.
С Уэно,Ах
Эти уравнения показывают, что для оценки
YNOx_h+необходимо знать химический состав источ
ника углерода (С и х), что редко встречается на
практике, и коэффициент прироста биомассы гете-
ротрофов в аноксидных условиях Yqho,ax Выполне-
ние его опенки теоретически возможно, но сложно
реализуемо
Однако Ynox_h+ также можно оценить экспери-
ментально путем измерения количества раствора
для титрования (обычно кислоты), дозированного
в статических условиях pH для денитрификации
известного количества нитрита или нитрата и в при-
сутствии интересующего источника углерода. После
измерения отношения YN0„Hh скорость титрования
можно легко преобразовать в скорость поглощения
нитратов или нитритов
Теоретически с помощью pH-статического тит-
рования можно контролировать даже процесс анам-
мскса Однако существующий опьп такого контроля
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
недостаточен, поэтому описание данной аль терн а
тивы не включено в главу
24.2.3. Манометрический контроль
Согласно данной методике скорость биопроцесса.
в результате которого образуется плохо раствори
мый газе образный компонент, пропорциональна
скорости повышения давления при условии, чтс
биореакция происходит в газонепроницаемом реак-
торе Предположив, что переход газа из жидкой
в газовую фазу не :граничивает скорость (переме-
шивание ила обеспечивает быструю передачу газо-
образных видов), и чгс в растворе не осталось зна-
чительных количеств газообразных частиц, можно
получить соотношение между создаваемым избы-
точным давлением P(t) и объемным образованием
газа Vo(t) В этих условиях и при постоянной темпе-
ратуре, согласно уравнению состояния газа, приме-
няются следующие соотношения
С2 4 22)
где Vnn - обьем свободного пространства в реакто-
ре, Рт1 - атмосферное давление
Доказано, что данный принцип измерения явля-
ется применимым и полезным для контроля денит-
рификации (Sanchez et al., 2000, Ficara et al, 2009)
и анаэробного окисления аммиака (Dap ела Mora et
al., 2007, Scaglione et al., 2U09, Bettazzi et al, 2010;
Lotti et al., 2012), поскольку в резулыате обоих про-
цессов образуется газообразный азот1 Что касается
денитрификации, следует использовать адсорбент
СО2, который обычно находится в свободном про-
странстве нед газом (например, гранулы NaOH),
чтобы получить данные об избыточном давлении
касательно только выделения N2.
2.4.3. Экспериментальная установка
2.4.3.1. Реакторы
Независимо :т технологии. применяемой для удале-
ния азота из сточных вод, для опенки эффективно-
сти процесса биологического удаления азота тесты
на активность могут выполняться в аэробных (нит-
рификация) или бескислородных условиях (денит-
рификация и анаммокс) в зависимости от исследуе-
мых параметров и характер а исследования В любом
случае реактор (или несколько), используемый для
проведения испытаний, должен иметь необходимое
оснащение контроля следующих факторов (i) ис-
ключение проникновения кислорода в бескислород-
ных условиях, (ii) обеспечение удовлетворительной
Данный принцип также широко используется для контроля
сбражиьонияь анаэробных условиях (прим рад.)
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
S1
доступности кислорода S02 в аэробных условиях
(например, S02 выше 2 мг/л), (in) обеспечение удо-
влетворительных условий смешивания, (iv) поддер-
жание требуемой заданной температуры, (у) обеспе-
чение точного контроля pH и (vi) наличие дополни-
тельных портов для отбора проб и добавления
сточных вод, растворов, газов и любых других жид-
ких сред или субстрата, используемых в тесте. Тре-
бования, необходимые для обеспечения надлежа-
щих бескислородных и аэробных условий, переме-
шивания, контроля температуры, контроля pH
и пробоотборных и дозирующих отверстий во время
выполнения тестов, описаны в разд 2 2.2 1 Однако
при выполнении титр и метрических или манометри-
ческих экспериментов требуется специальная аппа-
ратура, рассмотренная ниже.
2.4.3.2. Оборудование
для титримет рических испытан ий
Для проведения испытаний титрования с заданным
значением требуется установка автоматического
титрования. Что касается респирометров, то такие
приборы находятся в широкой доступности. Однако
их также можно легко воспроизвести, используя
стандартное лабораторное оборудование и базовые
блоки приема сигнала и контроля. В частности, блок
автоматического титрования должен состоять из
следующих компонентов (рис. 2 4.1):
•	реакционный сосуд: реактор, обеспечивающий
хорошее перемешивание, оснащенный термоста-
том или регулятором температуры для размеще-
ния образца активного ила с рабочим объемом от
0,5 до 1,5 л Реакционный сосуд не должен быть
газонепроницаемым при проведении испытаний
н а нитри ф ик зцию Одн ако уменып енн ая пл ощ адь
контакта твердого вещества с жидкостью яьляется
предпочтительным условием для ограничения га-
зожидкостного переноса кислорода и диоксида
углерода. При проведении денитрификационных
испытаний для обеспечения необходимых анок-
сидных условий требуется газонепроницаемость,
•	зонды для из мер ения температуры (с р азр ешени-
ем 0,1 °C), pH (с разрешением 0,01 единиц pH)
и, возможно, РК (±0,02 мг/л около выбранного
значения),
•	система аэрации (для аэробных процессов), как
правило, с аэрационной способностью 50-200 л/лч
и керамическим диффузором для мелкопузырчатой
аэрации,
 автоматическая система титрования, способная
поддер живать значения pH с малой погрешностью
относительно заданного значения (pH ± 0,02) и ре-
гистрировать обьемраствора для титрования, до-
зируемого с течением времени, с предлагаемым
разрешением 0,1 мл и минимальной частотой ка
ротажа 1 подача в мин Можно также вести фик-
сацию объема добавленного раствора для титро-
вания вручную путем помещения раствора для
титрования в градуированный цилиндр и само-
стоятельной фиксации оставшегося объема через
равные промежутки времени (каждые несколько
минут при выполнении испытаний на нитрифи-
кацию) или с помощью весов (с ручной или ав-
томатической фиксацией). 0,05-0,02 II раствор
NaOH можно использовать в качестве щелочно-
го раствора для титрования, тогда как в качестве
кислого раствора для титрования может служить
0,05-0,02 N раствор НС1
РШунок2.4.1. ОмарН-стакнескойсистемы титрования
1 - аэратор, 2 - магнитная мешалка, 3 - температурный зонд 4 - зонд
pH, 5-зондРК 6-реакционныйсосуд 7-система дозированиятитра-
црюнноп) раствора, й - получение и запись ситала; 9 - раствор для
целинного пирования; 10- раствор для кисло тьюги титрования
Когда задействованы аэробные биопроцессы,
pH-статическая система мсжет быть легко преобра-
зована в рН-РК-статическую систему, в которой
блок вторичного титрования обеспечивает разбав-
ленный раствор Н2О2, служащий в качестве оксиге-
нированного раствора для титрования. Для этого
необходимо модернизировать систему, описанную
нарис. 2 4 1, и интегрировать в нее
•	зонд РК с минимальным разрешением 0,1 мг/л,
•	дополнительную' автоматическую систему дози-
рования или титрования, способную поддержи-
вать SO2 в узком диапазоне (±0,1 мг/л около вы-
бранного значения) 0,05-0,2 М раствор Н2О2яв-
ляется подходящим для проведения испытаний
на статическое титрование pH/РК на образцах
обычного активного ила. При дозировании рас-
твор Н2О2 будет превращаться в молекулярный
кислород (О2) и воду с помощью пероксидаз,
вырабатываемых аэробными бактериями для
противодействия окислительному стрессу и, та-
ким образом, обеспечивать бактерии доступным
of 346
J4
для дыхания кислородом Было отмечено, что
разбавленные растворы Н2О2 можно использо-
вать для кратковременных респир о метрических
тестов без значительного ингибирования бакте-
рий (Ficara et al, 2000)
Задачей установки статического титрования РК
является поддержание значения РК на предвари-
тельно заданном уровне (заданное значение РК)
путем титрования насыщенного кислородом раство-
ра. что позволяет достичь следующих целей:
•	поддержание необходимого окислительно-вос-
становительного состояния без присутствия пу-
зырьков воздуха, это позволяет избежать про-
цесса удаления СО2. который оказывает влияние
на pH и пересекается с другими исследуемыми
реакциями, влияющими нарН;
•	оценка скорости потребления кислорода в реак-
ции, которая при РК-статическом режи ме работы
рагна скорости титрования насыщенного кисло-
родом раствора Это дополнительная информа-
ция. которую можно использовать для проверки
или дополнения скорости титрования щелочи о-
го/кислитного раствора, как подробно описано
далее в этой главе
2.4.3.3.	Оборудование
для манометрических испытаний
Испытания должны проводиться с использованием
газонепроницаемой установки Как правило, ис-
пользуются системы, применяемые для выполнения
тестов БПК. Минимальный набор необходимого
оборудования включает следующее
• Стеклянный флакон (рис. 2 4 2)'
а Рабочим объемом около 1 л.
b. С двумя боковыми отверстиями, закрытыми
резиновыми крышками и удерживаемыми
пластиковыми или алюминиевыми фиксато-
рами, для впрыскивания субстрата и пода-
чи/выпуска газа
с Контейнер для гр анул N аО Н, р аспол □ ж ен ный
в свободном пространстве флакона и служа-
щий для сбора СО2.
d Манометрическое измерительное устройство,
по возможности оснащенное регистратором
данных и закрепленное на верхней части стек-
лянного флакона с разрешением 1-3 мбар
•	Инкубатор с постоянной температурой, который
ограничивает колебания температуры до ±0,2 °C
Необходимо обеспечить строгий контроль темпе-
ратуры в ходе испытания, т к ее колебания вы
зывают изменения значении избыточного давле-
ния которые не связаны с выделением газа, сле-
довательно, это может привести к искажению
данных
•	Магнитная мешалка, которая может развивать
скорость до 100-200 об/мин В качестве альтер-
нативы может использоваться термостатический
орбитальный шейкер как для контроля темпера-
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
туры, так и для перемешивания В процессах
анаммокса магнитная мешалка рекомендуется
только в случае использования суспендирован-
ной биомассы анаммокса (100-200 об/мин), то-
гда как для гибридной биопленки на носителях
и для гранулированных типов биомассы анам-
мокса (Hu е! al., 2013) предпочтительным явля-
ется применение шейкера. Он позволяет избе-
жать разрушения структуры биопленки анам-
мокса из-за сдвиговых воздействий потока
жидкости, вызванных мешалкой.
Рйсунон 242 Имеющийся в продаже аппарат для проведения мано-
метрических испытаний в опыте определения активности процессов
да нитрификации (фото: Lotti, 2016)
2.43.4 Отбор проб активного ила
Время и место отбора проб активного ила, выполня-
ющего нитрификацию и денитрификацию, в значи-
тельной степени зависит от типа проводимого теста
на активность Удаление азота в процессе нитрифи-
кации и денитрификации основано на чередующихся
азробни-аноксидных условиях. Таким образом, жела-
тельно отбирать свежий образец в конце стадии ана-
логичной реакции аэробной - для нитрификации
и ан оксидной - для денитрификации Место отбора
будет зависеть от конфигурации системы. Например,
время и место отбора образца активного ила из си-
стемы «частичной нитрификации (ЧН) - анаммокс»
зависит от типа используемой технологии, очевидно,
когда эти процессы делятся на две отдельные стадии,
образец биомассы анаммокса следует взять на стадии
анаммокс На действующих и пилотных очистных
сооружения:: физические границы между стадиями
должны определяться до отбора проб. В крайних слу-
чаях, когда фазы не имеют четкого физического раз-
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКГИ ВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ	! i
деления, необходимо определить границы зон с раз-
личными окислительно-восстановительными услови-
ями с использованием измерителя РК, измерителя
окислительно-восстановительного потенциала и/или
путем определения концентраций нитратов и нитри-
тов В лабораторных системах, обычно работающих
на основе деления условий по времени, отбор проб
может быть относительно простым, поскольку время
реакции определяет продолжительность стадий Для
получения однородных и репрезентативных образцов
ила отбор следует производить в точках с хорошим
пер смешиванием
Когда анаммокс является ключевым исследуемым
процессом, отбор проб на выходе из резервуара
анаммокса обычно является достаточным Образцы,
отобранные в данной точке, содержат ограниченные
количества остаточных концентраций аммония и/или
нитрита. При рассмотрении гранулированной био-
массы анаммокс в отверстии на выходе из резервуара
анаммокса обычно содержится очень мало гранул
ввиду того, что система с гранулированной биомас-
сой обычно оснащена системой удержания биомассы
(например, трехфазный сепаратор, гидроциклон, фаза
осаждения в цикле реактора периодического дей-
ствия и т д.). В случае систем анаммокса с гранули-
рованной биомасой отбор пробы иловой смеси непо-
средственно из резервуар а может быть достаточным
в непрерывно работающих система:: (например, реак-
тор с механическим перемешиванием (CSTR)), в то
время как для периодических реакторов (SRB) отбор
проб должен выполняться до фазы отстаивания ко-
гда раствор в реакторе полностью перемешан, что
обеспечит наличие ограниченных количеств остаточ-
ных концентр аций аммония/нитрита.
В идеале тесты на активность должны вьптэлнятъ-
ся непосредственно после отбора проб. Для лабора-
торных систем это не представляет сложности, т. к
периодические тесты активности выполняются в од-
ной и той же лаборатории, и их выполнение коорди-
нируется и синхронизируется с работой лабораторно-
го реактора. Кроме того, на действующих и лабора-
торных установках очистных сооружений тесты на
активность могут выполняться на месте после сбора
иловой смеси, если лаборатория очистных сооруже-
ний подг.товлена и оснащена необходимым экспе-
риментальными аналитическим оборудованием При
невозможности выполнить тест на активность по
месту сбора образца иловой смеси, его следует
отобрать и переместить в лабораторию, где впослед-
ствии будет проведено испытание. После отбора про-
бы емкость для отбора проб можно надлежащим об-
разом хранить и транспортирован в холодильнике
или в ящике со льдом (при температуре ниже или
около 4 °C) в неаэрированных условиях, а тесты на
активность следует проводить не позднее, чем через
24 ч после отбора проб Чтобы избежать создания
анаэробных условий во время хранения и нежела-
тельного производства токсичного сульфида за счет
восстановления сульфата, в иловую смесь следует
добавлять нитрат в конечной концентрации около
50-200 мг N/л Однако наличие нитрата будет спо-
собствовать эндогенному дыханию биомассы По-
этому тест на активность настоятельно рекомендует-
ся выполнять в как можно более короткий срок после
сбора образцов
Перед выполнением испытаний на активность
биомассу, присутствующую в образце иловой смеси,
следует «промыть», особенно после хранения для
удаления любого добавленного нитрата, также необ-
ходима ее «реактивация» и акклиматизация до целе-
вого значения pH и температуры. Промывка должна
осуществляться с использованием соответствующей
среды с минеральным составом, который зависит от
целевой популяции бактерий, как указано ниже. Во-
допроводную воду также можно использовать в каче-
стве среды для промывки, если она имеет проводи-
мость (солесодержание), аналогичную питательной
среде В любом случае выполнение тестов на актив-
ность по месту сбора образца является предпочти-
тельным, поскольку это псзволяет избежать воздей-
ствия различных условий на биомассу Общий о бьем
активного ила (иловой смеси), который необходимо
собрать, зависит от количества испытаний, объема
реактора и общего объема проб, требующихся для
оценки активности биомассы Как правило, считает-
ся что достаточно 10-20 л активного ила или сме-
шанного раствора, собранных на действующих
очи стнве: сооружения:: Объем образцов из лабора-
торных реакторов редко превышает 1 л ввиду мень
шего объема таких систем (от 0,5 до 2,2 л, в некото-
рых случаях до 8-10 л), максимальный объем образ
цов из реакторов лабораторного масштаба часто
определяется ежедневным выводом избытка ила из
системы. Поскольку максимально допустимый объ-
ем, который можно извлечь, напрямую связан с воз-
растом ила (SRT), который определяется скоростью
роста организмов, особое внимание следует уделять
работе с медленно растущими организмами, такими
как нитрификаторы и бактерии анаммокс.
Рекомендации по планированию отбора проб
и идеального времени их хранения были описаны
выше (см разд 2 2 3), их следует тщательно изучить
2.4.35. Подготовка образца активного ила
В целом образцы активного ила можно использовать
в их изначальном виде или после определенных кор-
ректировок pH (с наличием или без присутствия бу-
фера pH), темпер атуры, концентрации аммония, нит-
рата и/или нитрита, концентрации источника углеро-
да и ЛВВ- ила Для образцов обычного активного ила
из очистных сооружений городских сточных вод иде-
альным будет считаться образец со значением ЛВВ
околс 2-4 г ЛВВ/л Для ила анаммокса предпочти-
тельным будет значение ЛВВ около 5-1(1 г ЛВВ/л
Для образцов сильно разбавленного или концентри-
рованного ила может быть полезен этап предвари-
тельной концентрации (например, декантация в во-
of 346
ронке Имхоффав течение 30 мин или центрифугиро-
вание при 4000 об/мин в течение нескольких минут)
или разбавление очищенными стоками той же уста-
новки очистки сточных вод. Это позволит избежать
слишком медленных или слишком быстрых измене-
ний концентраций в ходе эксперимента
Сразу после проведения указанных процедур
применительно к бескислородным или анаэробным
образцам активного ила следует выполнять барбо-
тирование Na, чтобы восстановить необходимые
аноксидные/анаэробные условия. При рассмотрении
процесса анаммокс вместо N2 для барботирования
можно использовать смесь газов N2/COj (обычно на
практике в соотношении 95/5 %), чтобы избежать
чрезмерного удаления С Од, что может привести
к увеличению pH и ограничить активность бактерий
анаммокс во время испытания из-за ограничения
концентрации неорганического углерода Что каса-
ется кислотности и температуры, в принципе, чем
ближе заданное значение pH к типичному рабочему
pH установки, тем больше результирующая ско-
рость процесса будет отражать рабочую скорость
процесса. Это относится и к выбору значения тем-
пературы Поскольку влияние процесса анаммокс на
уровень pH довольно ограничено (0,13 моль прото-
нов, потребляемых на моль превращенного аммо-
ния), ожидаются ограниченные колебания pH во
время проведения теста (например, от 7,5 до 7,9
в соответствии с Lotti et al, 201 2). Тем не менее для
поддержания постоянного pH в течение всего испы-
тания может использоваться буфер pH, такой как
Hepes (N 2-гидр оксиэтилпипер азин N0 2-этансуль
фановая кислота) или фосфат (Dapena-Mora et al.,
2007, Lotti etai, 2012).
В то время как буфер Hepes можно использовать
в высоких концентрациях до 25 ммлль, не влияя
на активность бактерий анаммокс (Lotti et al, 2012),
концентрацию фосфатного буфер а в ажно определить,
поскольку она может привести к торможению про-
цесса (Dapena-Mora et al, 2007, Qishiki et al., 2011)
Недавние исследования показали, что концентрация
фосфатного буфера 5,3 ммоль является подходящей
для проведения испытаний активности бактерий
анаммокс (Dapena-Mora*?/ al, 2007; Lottie/ al, 2012).
В целом основной задачей при отборе проб
и проведении экспериментальных исследований яв-
ляется максимальное снижение потребности в транс-
портировке, охлаждении, хранении и реактивации
ила. По возможности рекомендуется использовать
«свежий» ил (и субстраг/среду), при необходимости -
проверить фактические условия эксплуатации Соот-
ветствующие тесты на активность должны выпол-
няться сразу после отбора проб ила с минимальными
корректировками условий работы (например, pH
и температуры) Если нет возможности провести ис-
пытания на месте или в короткий срок после отбора,
образцы ила должны храниться при температуре око-
ло 4 °C для консервации во время транспортировки
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
и хранения. В случае биомассы анаммокс для сохра-
нения образца во время транспортировки подходит
температура окружающей среды. Хранение при тем-
пературе окружающей среды позволит избежать тем-
пературных шоков при переходе от обычной рабочей
температуры системы анаммокс (25-35 °C) до 4 °C,
последняя обычно считается адекватной температу-
рой хранения для образцов обычного активного ила
Таким образов тесты на активность желательно про-
водить в течение 24 ч после сбора ила и «реактива-
ции», поддерживая ил при целевых значениях pH
и температуры (в случае денитрификации и анаммик-
са - после промывки газом N2). Добавление ограни-
ченного количества субстрата может способствовать
бактериальной метаболической ре акта в алии Однако
подготовка активного ила зависит от испытаний,
и в следую щих п ар агр аф ах о пи саны к онкр е гные
предло жения'р екомендации
2.4.3.6. Субстрат
Когда при проведении испытаний на активность
используются реальные сточные воды (неочищен-
ные или осажденные), их можно относительно про-
сто подавать в реактор/ферментер Для удаления
остатков и крупных частиц, присутствующих в та-
ких стоках, применяется стадия грубой фильтрации
(с использованием фильтра с размером пор 10 мкм)
При исследовании различных источников угле-
ре да и концентр аций реальные сточные воды также
можно использовать для приготовления полусинте-
тической среды содержащей Sb в концентрации от
50 до 100 мгХПК/л
При выполнении обычных тестов на активность
процесса денитрификации для создания необходи-
мых безокепдных условий подойдут растворы нит-
ратов и ни тритов Для этой цели можно приготовить
различные исходные растворы с использованием
нитратных и нитригных солей
Для проведения тестов с бактериями анаммокс
вначале испытания необходимо дозировать в сточ
ные воды аммоний и нитрит, чтобы обеспечить необ-
ходимое количество субстрата Для этой пели подой-
дут различные исходные растворы с использованием
солей аммония и нитрита (например, 1-10 г N/л);
наиболее часто используются сульфат аммония
и нитрит натрид соответственно. Особое внимание
следует уделять рассмотрению начальных концен-
траций субстрата Фактически нитрит является
не только субстратом для процесса анаммокса, но
и оказывает ингибирующее воздействие (Lotti et al,
2012; Puyol et al, 2014) Начальная концентрация
нитрита около 50-70 мг N/л обычно считается до-
статочной. Тем не менее, если биомасса анаммокс
происходит из систем работающих при очень низ-
ких (несколько мг N/л) концентрациях нитрита
(например, системы DEMON, Wett et al., 2007), ре-
комендуется использовать более низкие начальные
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
17
концентрации (например, 10 мг N/л). Фактически
эффект ингибирования нитритов и устойчивость
к ним, по вид и мс му. зависят от «истории культиви-
рования» биомассы анаммокса, поскольку культуры,
культивируемые при условии строгого ограничения
нитритов, более склонны к их ингибированию нит-
ритом (Lotti eta!., 2012)
Когда тесты выполняются для оценки псиенци
ального ингибирующего или токсического воздей-
ствия данного соединения при различных концен-
трациях, могут использоваться концен гриров энные
исходные растворы, которые добавляются во время
теста для получения нужных концентраций Испы-
тания направленные на опенку обратимости инги-
бирующего или токсического воздействия, следует
проводить после промывки биомассы для удаления
ингибирующего или токсического соединения Ча-
сто стадию промывки выполняют путем последова-
тельного осаждения и повторного суспендирования
образца ила в безуглеродной и не содержащей нит-
ритов среде (полностью синтетической или с ис-
пользованием очищенных сточных вод после филь-
трации) в бескислородных условиях
2.4.3.7 . Химические анализы
Процедуры определения (NH4, NO2, NO3, ВВ и ЛВВ
в растворе, ХПК, ВПК) должны выполняться в соот-
ветствии со стандартными и широко применяемыми
аналитическими методиками, подробно описанными
в «Стандартных методах» (АРНА et al, 2012).
При использовании конкретного источника уг-
лерода его определение следует проводить согласно
соответствующему аналитическому методу. Однако
в большинстве случаев для отслеживания использо-
вания источника углерода может быть целесообраз-
ным определение растворимого ХПК.
2.43.8 Исследуемые параметры
Ни три фига ЦИЯ
Наиболее значимым кинетическим п^аметром про-
цесса аэробного окисления аммония (нитрирова-
ния), выполняемого бактериями АО О, является мак-
симальная удельная скорость окисления аммония
в биомассе (йдооцн*)- Аналогичным образом, д.чя
процесса аэробного окисления нигритов (нитрата-
ция;, выполняемого бактериям! NO О, основным
параметром, представляющим интерес, является
максимальная удельная скорость окисления нитри-
тов биомассой (янооцо2_ноз/ В табл. 24 1 представ-
лены стандартные значения кинетических парамет-
ров, упоминающихся в литературе, для процессов
аэробного окисления аммония и нитрита Значения
коэффициентов прироста биомассы бактерий АОО
и N00 также приведены в табл 2 4 1.
Кинетические параметры, приведенные в табл. 2.4.1,
получены при рабочей температуре 20 °C и рассчита-
ны из исходных значений в соответствии с уравнени-
ем Арр ениуса, прив еденным ниже
,	(ТК~ ^иеГ
ks (Т)= k$ (Tref )ехр -Г
в. тК TKf
(2.4 23)
где ks(T) - максимальная удельная скорость преобра-
зования субстрата S, оцененная при температуре, под-
держиваемой в эксперименте Тк (абсолютной темпе-
ратуре К); Тг^ - абсолютная температура, при которой
получены данные для сравнения, R - универсальная
газовая постоянная (8,31 Дж/моль К), EljS- энергия
активации рассматриваемого биопроцесса, потреб-
ляющег । субстрат S; = 68 кДж/моль-ПН4 К
и Еад02 = 44 кД ж/миль-НО2 К - стандар тные значения
энергии активации для процесса нитрирования вы-
полняемого бактериями АОО, и процессанитратации,
выполняемого биомассой NOO.
Тлбляца 2.4.1. Расчетные стехио метрические и кшетжесме лара метры
активного ила, выполняющего аэробное окисление аммония и нитритов
Д1 нитритов и нитро rot Кинетические параметры приведены
с учетом эталонной температуры 20 °C
Пр оцесс аз роб ноге, окисления а ммония - нитри рсеа ние		
ЯииЦгН! г Mfr Л ВБ суг	¥ноо г ЛВВЯ-N	Источник
011	0,14	Blachfoume ft al. (2007)
0,09	0,11	Jones ft а/ (2007)
0,24	0,13	Jubany &а1. (2008)
0,27	0,15	Koch er al. (20 ор)
0,21	0,11	Lochtman (1995)
0.22	0.15	Mesmann (1994)
Процесс аэробного окисления нигрита -		•нитрагация
Яюо.на.чл г№ ЛВВ суг	Ynog ГЛВВ/N	Источник
0.21	0,07	Blackhume ег а/. (2и07)
0.1Э	0,07	Jones ft а! (2007)
0,39	0,06	Jubany й^. (2008)
1,78	0,02	Kocher э/. (2000)
О 45	0,03	Lochtman (19 95)
0,78	0,04	yiJiesmann (1994|
1,07	0,03	injik and Breitholtz (19961
Как видно из табл 2 4 1, значения скорости
аэробного поглощения для окисления аммсния
и нитрита, которые встречались в литературе, могут
широко варьироваться особенно для процесса нитра-
тации, катализируемого бактериями NOO Основной
причиной мсжет быть фракция активной биомассы,
присутствующая в биомассе активного ила, обычно
называемая общей концентрацией ЛВВ в растворе
Чем больше доля активной нитрифицирующей био
массы, тем выше ожидаемая удельная степень кон-
версии биомассы В системе обычного активного ила
это может быть напрямую связано с отношением
ХПК/N в неочищенных стоках, причем более низкое
отношение ХПК/N соответствует большей доле ак-
тивной нитрифицирующей биомассы Как показано
в табл 2.4 1, значения коэффициентов прироста био-
of 346
j:
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
массы для аммоний-окисляющих бактерий гыше, чем
для нитрит-окисляющих бактерий
Денитрификация
Для количественной оценки активности обычных
гетеротрофных бактерий в бескислородных условиях
необходимо знать соответствующие стехиометриче-
ские параметры и кинетические константы Что каса-
ется стехиометрии, наиболее важным параметром,
который необходимо определить, является коэффи-
циент прироста гетеротрофов в бескислородных
условиях Yoho^uc (в г ХПК-биомассы/г ХПК-суб-
страта) Как и коэффициент прироста в аэробных
условиях, этот параметр может зависеть от различ-
ных факторов, таких как количество и качество ис-
точника органического углерода и условия окружа-
ющей среды. Характерные значения для этого псра-
ме тр а приведены в табл 2.4 2 Этот п^эаметр может
легко определяться с помощью проведения правиль-
но спланированных тестов на активность, описание
которых приводится ниже. При проведении (оценке)
процесса денитрификации наряду с Yqho^ можно
использовать количество источника углерода, необ-
ходимого для удаления нитрага/нитрита (выражение
го как отношение ХПК/N или как отношение C/N),
учитывая, что между этими параметрами существует
стехиометрическое соотношение. Отношение ХПК/N
представляет собой потенциал денитрификации ис-
точника углерода или сточных вод и может быть бо-
лее пр античным параметров чемУоно^дх
Таблица 2.12. Расчетные стехиометрические и кинетические параметры, представляющие штерес для систем очистки сточныхводс активным илом,
выполняющих денитрификацию
Параметр (обознач.)	Комментарий	Значение	Источник
Коэффициент прироста в аноксидных	ацетат	0,66 г ХП Кг ХПК	Ficara ana Caiziani( 2007)
уЛОВИЯХ (Успехах)	Сточные соды	0.50 г ХП КГ ХПК	Ortlon eM. (1996)
	Ацетат	0,66г ЛВВХ- ХПК	Kujawa and Klcpwijk (1999)
	Этанол	0,22г ЛВВЛ ХПК	Hallin eTai (1996)
	Метанол	0,18 г ЛВВГ ХПК	Tchobanogious etal. (2003)
Отношение ХПКи азота ГХПКЛЧ)	Метанол	4,6гХПКГЛ	BiianoMt etal. (1999)
	Метанол	4,7гХПКГЛ	Mokhayn eTa/. (2006)
	Этанол	3,5гХПКГМ	Mokha\eri etal (2006)
	Ацетат	Э,4гХПКГН	Mokhayn etal (2006)
Максимальная удельная скорость денит-	Ацетат	10-19 мг № ЛВВ ч	Acaraand Caiziani (2u07)
ри (рчкации до я биом ассы (Цмо, ?«)	Ацетат, нитрит	15-28 мг N'T ЛВВ ч	Ficara and Caiziani(2007)
	Метанол, 13 °C	9,2 мг Na ЛВВч	Moknayn etal. (2008)
	Этанол, 13 °C	30,4 mtN/ЛВВ-ч	Mokliayn etal. (2008)
	Ацетат, 13 °C	31,7 мг№ ЛВВч	Mokhayn etal. (2008)
	Ацетат	1-3 мт ЬИ’ЛВВч	Kujawa and KI$'Wi|k (1999)
	Ацетат	2-10 мг N'T ЛВВч	Henze (1991)
Что касается кинетики роста, удельные скорости
потребления субстрата (нитраг/нитрит или ХПК)
можно легко определить с помощью тестов на актив-
ность Это значение зависит от условий во время ис-
пытания (особенно от температуры, природы и кон-
центрации субстрата) Поэтому эти значения (пара-
метры условий эксперимента) всегда следует
указывать при составлении отчета о результатах те-
ста В качестве эталонных условий теста на денитри-
фикацию следует принимать температуру 20 °C
и неограниченные концентрации углерода и нитра-
та/нитрита Это позволит определить максимальную
удельную скорость денитрификации. На практике
максимальная удельная скорость денитрификации
биомассы Чыох_н2 выражается по отношению к взве-
шенным веществам в иловой смеси (ВВ) или, чаще,
к концентрации беззольного вещества (ЛВВ). Значе-
ния встречающиеся в литературе, можно найти
в табл 2 4.2.
Ана нмоюЬ мистификация
Наиболее значимыми кинетическими и стехиомет-
рическими параметрами процесса анаэробного уда-
ления азота выполняемого бактериями анаммокс,
являются максимальная удельная скорость окисле-
ния аммония в биомассе (Чдмхцн4_на), отношение
потребления нитрита к аммонию (Унн4 .полных)
и отношение между образованием нитрата и погло-
щением аммония (YNH4 нозлмх) В табл. 2 4.3 приве-
дены характерные значения кинетических и стехио-
метрических параметров, встречающиеся в литера-
тур е, а т акж е к о э ф ф и ци енты пр ир о ста би о мае сы
Этот параметр, даже несмотря на то, что он
не межет быть непосредственно измерен с помо-
щью тестов, полезен для преобразования удельной
активности биомассы в значения скорости роста.
В отличие от других биологических процессов,
описанных в настоящем разделе, кинетика процес
сов аммонификации, приведенная в табл 2 4 3,
соответствует значениям, измеренным при 30 °C,
такая температура является наиболее распростра-
ненной для процесса анаммокс как в лаборатор-
ных, так и в реальных системах, поскольку она
близка к оптимальной температу ре этих организ-
мов (Hu et al, 2013).
of 346
ОПРВДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
п
Таблица 2.13. Стехиз метрические и кинетические пара метры для биомассы ана ммпкс, выполняющей процесс анаэробного окисления аммония
Кинетжеские параметры получены при 30 ’С. Тип биомассы взвешенная (S). Ф покулы (F), гран утор пьяни а я (G) Реактор происхождения
ла бор а торны йили натуральный реактор, выполняющий бескислородную стадию двухстадийной системы ЧН/анаммокс [двухстб дейная)
или одностадийной системы ЧГИана ммокс (одностадийная)
гЧ-ШВВсуг	СмолыНЩмоль	’'►HUW.nlXi моль.Миль	Vmva.oi* мольАиоль	Тип биомассы	Реактор происхождения	Источник
0J66	0.066	1,32	0,26	F	Лаб, 2-стад	Btrous era/ (1998)
022	-	1,27	0,34	G	Лаб, 2 стад	Puyol er а) (2013)
022	0.105	1,28	0.37	F	Лаб, 2-стад	Puyol era1 (2013)
2JD1	0,071	1.22	0.21	S	Лаб., 2 стад	Lott) era/ (2014)
эде	0,071	-	-	S	Лаб., 2-стад	Lotti era/ (2015b)
0,16	-	-	-	G	Натур., 1-стад	Lotti eta/ (2015c)
0j55	-	-	-	G	Натур., 2-стад.	Lotti eta/ (2015c)
Как видно иг табл 2.4.3, кинетические скорости
анаммокса могут широко варьироваться. Основной
причиной такого изменения по-видимому, является
доля активной анаммокс-бис массы, присутствующей
в образце В реакторах анаммокса, питаемых авто-
трофными синтетическими средами, как это часто
бывает в лабораторных система::, ожидается более
низкая доля Х0Нг по сравнению с реакторами, в ко-
торых используются ХПК-содержащие сточные во-
ды Установлено, что возраст ила (время пребывания
биомассы SRT) также влияет на делю активных кле-
ток, которая может сократиться за счет накопления
значительной доли неактивных клеток и не биоразла-
гаемого вещества при более высоких значениях вре-
мени у дер ж алия из-за распад а биомассы Кроме того,
наблюдаются определенные различия между кинети-
кой одно- или двухегадийных систем ЧН/анаммокс
из-за присутствия ХАОо в первом, что способствует
снижению доли активной биомассы анаммокс Нако-
нец, поскольку процесс анаммокса обычно проводит-
ся в условиях ограничения нитритов с учетом потен-
циала ингибирования этого субстрата (Loth et al.,
2012), системы, в которых биомасса не склонна
к. агрегации, характеризуются более низкими ограни-
чениями масс оперено с а, имеют более высокие доли
активной биомассы анаммокс, по сравнению с био-
плен очными системами.
Как видно из табл. 2.4 3, стехиометрические от-
ношения потребление/образование также могут ва-
рьироваться для разных систем анаммокса В лите-
ратуре есть данные, согласно которым на стехио-
метрию анаммокса может влиять физиологическое
состояние биомассы, на которое может оказывать
воздействие нагрузка по азоту (Dosta et al., 2008;
Yang et al, 2009), температура (Dosta et al., 2008)
или pH (Carvajal-Arroyo eta!., 2013).
2.4.3.9.	Типы лабораторных тестов
В зависимости от типа интересующего процесса
(нитрификация, денитрификация, анаммокс) и от
выбранной техники контроля (химический, титри
метрический или манометрический) для оценки
конверсии удаления азота могут проводиться раз-
личные тесты.
Подробный список тестов, которые описаны
ниже в этой главе, представлен в табл 2 4.4 В сле-
дующих подразделах эти тесты списаны более по-
дробно. Сначала рассматриваются тесты на нитри
фикацию (разд 2.4.4), затем тесты на денитрифи-
кацию (разд 2 4 5) и, наконец, тесты на анаммокс
(разд 2.4 б)
Таблица Ш. Испытания на активность, приводимые для офнки конверсии (ио логического удаления азота в зависимости отпроцрсса и метода контроля
Код теста	Процесс	Метод кштроля	ЦрЛс
НИТ.ХИМ	Нитрификация	Химический	Оценкам ассим альнои скорости окисления ГЩ
НИТ ТИП	Нигрификасрия	Титриметрический	Оценкам ассим альнои скорости окисления №*
НИТ ТИТ.2	Нитрификация	Титриметрический	Оценка массимальной скорости окисления и NOr и скорость аммонификации
ДЕН ХИМ.1	Денитрификация	Химический	Оценка м ассимальнои скорости денитрификации и бескислородного роста на консрегнсм источнике С
ДЕН ХИ М2	Денитрификация	Химический	Оценка потенциала денитрификации (точный, вод
ДЕНМАН	Денитрификация	Манометрический	Оценкам ассим альнои скорости денитрификации
ДЕН ТИТ	Денитрификация	Титриметрический	Оценкамассимальнои скорости денитрификации
АНАМ ХИМ	Анаммокс	Химический	Оценкамассимальнои скорости анаммокса и отношения NOrWH*HNGjMl*
АНАММАН	Анаммокс	Манометрический	Оценкамассимальнои скорости анаммокса
of 346
100
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
2.4.4.	Определение нитрифицирующей
активности: подготовка к тесту
2	.4.4.1. Оборудование
Каждая методология контроля (химическая, титри-
мегрическая или манометрическая) имеет ’пр оделен-
ные требования к оборудованию. При применении
химического контроля следует обратиться к следую-
щему списку оборудования
1.	Реактор периодического действия, оборудован-
ный системой перемешивания и соответствую-
щими отверстиями для отборапроб (разд 2 4.3 1)
2.	Калиброванный pH-электрод (если он не включен
в оснащение реактора периодического действия).
3.	Двойной рН-контроллер для добавления НС1
и NaOH (в качестве альтернативы можно приме-
нять простой контроль - обычно для добавления
НС1 - или контролировать добавление НС1
и NaOH вручную) Для ср ед которые необходимо
подкислять, вместо добавления кислого раствора
можно рассматривать барботирование газообраз-
ным СО2 (или газовой смесью, обогащенной СО2),
поскольку он имеет преимущество, состоящее
в отсутствии необходимости добавления проти-
воионов протонов (т е СГ при использовании
НС1 в качестве ки слог о раствора)
4.	Термометр (с рекомендуемым диапазоном рабо-
чих температур от 0 до 40 °C).
5.	Система контроля температуры (если она не вхо-
дит в оснащение реактора).
6.	Измеритель РК с электродом (если он не вклю-
чен в оснащение реактора) для проверки аэроб-
н ых/ан э кс идных усл ов ий.
7	Секундомер
Перечень оборудования, необходимого для тит-
р и метр ич еских и ман о ме тр ич е ски х и с пыт алий, пр и -
веден в разд. 2.4 3 1.
2	.4.4.2. Материалы
Общие инструкции по подготовке материала можно
найти в разд. 2.2.3.4 и табл. 2.2.2. Специальные требо-
вания для теста будут перечислены в каждомпротоко-
ле теста Полный список необходимых материалов
содержитсяв разд 2 2 3.2 (заисключениемп 7и 8).
2	.4.4.3. Подготовка среды
*	Реальные сточив воды
Для испытаний, которые требуют использования
реальных сточных вод действуют инструкции,
приведенные в разд. 2.2.3.3
•	Титрую iiji и раствор (для титр о не три чесни огфеде лешй)
а Потребуются растворы NaOH и НС1. Обычно для
большинства применений подходят растворы
0,05-0,1 N.
b Раствор Н2О2 можно получить путем разбавле-
ния стандартных медицинских растворов пере-
киси водорода Наиболее распространенным
раствором Н2О2 является 3%-й, что соответству-
ет концентрации 0,44 моль О2/л Следовательно,
пгдхедящий оксигенированный раствор для тит-
рования можно получить путем разбавления это-
го раствора в 10 раз (конечная концентрация
44 ммоль О2/л) Проверить концентрацию рас-
твора Н2О2 можно с помощью йодометрического
метода (метод 4,500-С 1 В, описанный в АРНА et
al, 2012). Разбавленный раствор хранить в тем-
ных емкостях, а новые растворы необходимо го-
товить каждые 7-1С дней
•	Исходие растворы аммониям иприта
Такие растворы можно получить из солей (на-
пример, из NH4C1 и NaNO2) Достаточная концен-
тр ация и сход ных растворов составляет от 5 до 10 г
N/л Кислотность раствора аммония следует дове-
сти до значения pH 7,0, чтобы уменьшить возмож-
ные по мехи во время рН-сташческих испытаний
•	Аллил-М-тмомочевина (ATM)
Исходный раствор с концентрацией около 5-10 г/л
обычно является достаточным
•	Кислстие и щелочные растворы (для поддержания pH)
Потребуется 100-250 мп 0,2 М раствора НС1
и 100-250 мл 0,2 М раствора NaOH для автома-
тического или ручного регулирования pH. а так-
же 10-50 мл 1 М раствора НС1 и 10-50 мп 1 М
раствора NaOH для начальной корректировки
pH если желаемый рабочий показатель pH силь-
но отличается от значения рКа буферного аген-
та. Вместо NaOH в качестве щелочного раствора
можно использовать 0,2 М раствор Na2CO3, ко-
торый имеет преимущество, выступая в качестве
и основания и источника углерода Поэтому
в качестве базового раствора рекомендуется ис-
пользовать Na2CO3, когда в сточных водах отме-
чается дефицит неорганического углерода Этот
пс др аздел не относится к ти триметрии
•	Синтетическая среда
Такая среда должна содержать все необходимые
макро- (натрий, хлорид, фосфат, магний, сульфат,
кальций, калий) и микроэлементы (железо, цинк,
медь, марганец, бор, молибдат, йодид кобальта),
чтобы обеспечить клеткам |тсутствие ограниче-
ний и, в крайних случаях, избежать провала те-
ста Таким 1'бразом. необходимо убедиться что
все компоненты добавлены в раствор в необхо-
димых количествах, несмотря на то, что их кон-
центрации могут показаться очень низкими Чтс
касается макро питательных веществ, рекоменду-
ется следующий состав (количество на литр пи-
тательного раствора) (на основе Kampschreur et
al, 2007): 72 мг NaH2PO4, 35 мг MgSO4 7Н2О,
5 мг СаС12 2Н2О, 180 мг NaCl, 30 мг КС1 и 1 мг
дрожжевого экстракта. Микроэлементы могут ди-
г паи с доиы-
of 346
ОПРЕДЕПЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
1 (И
бавляться путем дозирования раствора микроэле-
мента в объеме 0,3 мл/л, имеющего следующий
состав (на литр раствора, на основе Kampschreur
etal., 2007). 10 г ЭДТАкислиты, 1,5 гЕеС1збН2О,
0,15 г Н;,ВО3, 0,03 г CuSO4-5HjO, 0,18 г KI,
0,12 г МпС12 4Н2О, 0,06 г Na2Mo04 2Н3О, 0,12 г
ZnSO4 7Н2О, 0,15 гСоС12 6Н2О
Можно использовать другие подобные пита-
тельные раствсрь; если они содержат все перечис-
ленные выше необходимые питательные вещества
•	Среда фомывж ила
Если образец ила необходимо промыл для удале-
ния нежелательного соединения (которое может
иметь ингибирующее или токсичное воздействие),
следует подготовить среду для промывки Для это-
го можно использовать синтетическую среду, опи-
санную выше Процесс промывки можно повто-
рить 2-3 раза, применяя процедуру, описанную
в разд 2 2 3.5 После промывки можно приступать
к следующим этапам подготовки тестов на актив-
ность В особых случаях, когда используется ил
с действующих очистных сооружений, для про-
мывки могут использоваться реальные стоки
(только если они не содержат токсичных или ин-
гибирующих соединений).
Пер.ед выполнением эксперимента следует
отобрать пробы среды и иловой смеси или актив-
ного ила, использованного для приведения испы-
таний, для подтверждения/проверки начальной
(желаемой) концентрации интересующего пара-
метра (параметров) (например, аммония нитрита,
нитрата, ЕВ, ЛВВ).
Кроме того, необходимые рабочие и исход-
ные растворы для определения интересующих
аналитических параметров должны быть подго-
товлены в соответствии со «Стандартными ме-
тодами» (АРНА et al, 2012) и соответствующи-
ми процедурами
2.4.5.	Определение нитрифицирующей
активности: выполнение теста
ТестНИТ.ХИМ-Тестна нитрификацию: о цен* накснтльной
сюрости окисления амиония
Подготовь активного ила
1	Рекомендации по отбору проб содержатся
в разд 2 4 3 4
2	Для образцов обычного активного ила с очист-
ных сооружений, обрабатывающих городские
сточные воды, подойдет образец с концентраци-
ей ЛВВ около 2-4 г ЛВВ/л. Коррекцию ЛВВ
следует производить в соответствии с рекомен-
дациями из разд. 2.4.3.5
3	. Налейте определенный объем (V мл) образца
смешанного раствора (обычно от 1 до 3 л) в ре-
акционный сосуд и включите перемешивание,
аэрацию и системы контроля температуры и pH,
чтобы поддерживать температуру и pH около за-
данных значений. Выберите целевое заданное
значение pH. обычно это значения в диапазоне
от 7,5 до 8,4 Если автоматический контроль pH
недоступен, скорректируйте его до желаемого
значения путем добавления раствора кисло-
ты/основания вручную Чем ближе заданное зна-
чение pH к типичному рабочему pH установки,
тем белее достоверными будут значения скоро-
сти нитрификации Тот же принцип применим
к выбору заданного значения температуры. Что
касается РК, система аэрации должна обеспечи-
вать достаточное количество кислорода чтобы
избежать его ограничений во время проведения
испытаний на нитрификацию. Это означает, что
в эндогенных условия:: наблюдаемое значение
РК должно быть высоким (например, > б мг/л).
4	Подождите около 30 мин для достижения ста-
бильных начальных условий Эта фаза предвари-
тельной инкубации обычно позволяет потреблять
любой остаточный нитрит, оставшийся в иловой
смеси от установки или другого источника ила
Выполнение теста
1 Убедитесь, что показания температуры, pH и РК,
соответствуют целевым заданным показателям
или по крайней мере находятся в пределах вы-
бр энных пнтер в ало в В пр отивн оме лучае со отв ет-
ствукщим образом отрегулируйте условия в реак-
торе и подождите, пока система стабилизируется
2 При достижении стабильных условий добавьте
раствор аммония (предь зрительно огрегулироваЕ
его температуру до целевой), чтобы обеспечить
концентрации аммония в растворе, не имеющие
ограничивающего и ингибирующего воздей-
ствия Типичные и достаточные значения со-
ставляют от 20 до 40 мг N/л
3	. Запустите секундомер, чтобы точно отслеживать
время отбора проб, поскольку формально тести-
рование начинается с добавления раствора ам-
мония. Отбирайте пробы активного ила каждые
20-30 мин на протяжении всего теста. Обратите
внимание, что все образцы необходимо пропу-
стить через фильтры с размером пор 0,45 м (или
меньше), креме тех, которые используются для
определения концентраций ВВ и ЛВВ
4	Завершите тест через 3-4 ч или, если отбор проб
и аналитическое определение в них аммония
позволяют, при полном поглощении аммония
5	После завершения теста возьмите образец для
финальной оценки ЛВВ
Важно отметить, что нитрит довольно нестаби
лен, следовательно, концентрации нитритов следует
измерить в тот же день, когда были отобр аны пробы
(см табл. 2.2.2).
Анализ данных
Типичный результат этого теста показан на рис. 24 3
of 346
102
Время (ч)
Рисунок 2.4.1 Типшные профит, полученные в тесте НИТ ХИМ: концен-
трации а мнония (•) нигмта (•) и нитрата (•) отображаются на оси Y. Такяе
показаны соответствую^ значения исслед/еиях скоростей (например,
скорость /деления аммония гннси скорость образования нитрата Гюэ)
На оси у указаны концентрации аммония нитри-
та и нитрата (в мг N/л), а на оси х указано время
Линейная регрессия данных позволяет оценить ско-
рость удаления аммония и выработки нитрата (в мг
N/л ч). Следует подчеркнуть, что обьем собранных
данных должен быть достаточным для надежной
оценки соответствующей скорости удаления/образо-
вания (например, гПН) и гноз) с псмощью линейной
регрессии с удовлетворительным коэффициентом
детерминации (например, R > 0,98). Таким образом,
для проведения линейной регрессии желательно
иметь по меньшей мере 4-5 точек ввода д энных, что
предполагает необходимость сбора большего коли-
чества образцов в начале теста.
Нитрит может накапливать до нескольких мг N/л
при использовании обычного активного ила. Однако
при использовании активного ила для проведения
тестов на частичную нитрификацию (нитрирование)
ожидается более высокое накопление нитритов, их
концентрацию следует контролировать, аналогично
аммонию и нитратам (например, см тест НИТ ТИТ 2).
При использовании обычного активного ила для пол-
ного окисления аммония до нитрата скорость удале-
ния аммония должна равняться скорости образования
нитрата с незначительным накоплением нитрита во
время испытания Таким образом, максимальную
удельную скорость с кисления аммония (цдооцн4, е мг
N/r ЛВВ ч) можно рассчитать следующим образом:
QAOO.NH4 - rNH4  -ЛЕВ	(2 4-4!
ТестНИТ.ТИТ.1. Тест на нитрификацию с исгользовз жем тмт-
рова жя: оце ню максина лы ои скорое ти оюс ле жя а ммо ж я
Подготовка активного ила
1 Для образцов обычного активного ила из город-
ских очистных сооружений подойдет образец
с содержанием ЛВВ около 2^4 г ЛВВ/л Для об-
разцов сильно разбавленного или концентриро-
ванного ила может быть полезен этап концен-
трации (например, путем декантации в воронке
Имхоффа в течение 30 мин или с помощью цен-
трифугирования при 4000 об/мин в течение не-
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
скольких минут) или разбавление вторичными
стоками из той же установки очистки сточных
вод Это позволит избежать слишком низкой или
слишком высокой скорости нитрификации
2 Налейте известный обьем образца активного ила
(обычно 1 л) в реакционный сосуд и активируйте
системы аэрации и контроля температуры. Вы-
берите целевое значение pH Как правило, это
значения между 7,5 и 8,4 Чем ближе заданное
значение pH к типичному рабочему pH установ-
ки или источника ила, тем более достоверными
будут значения скорости нитрификации Тот же
принцип применим к выбору значения темпера-
туры. Что касается РК, система аэралии должна
обеспечивать достаточное количество кислоро-
да, чтобы избежать его ограничения в ходе ис-
пытаний на нитрификацию Это означает, что
в эндогенных условиях наблюдаемое значение
РК должно бьпь относительно высоким (напри
мер, > б мг/л)
3 Активируйте автоматическую систему титрова-
ния на время предь арительной инрубации, т е.
приблизительно на 1 ч. Эта пр едын куб анионная
фаза обеспечит следующее (i) достижение эндо-
генных условий в начале испытания с титрова-
нием (Sb аммоний и нитрит окисляются во вре-
мя этой фазы аэрации) и (й) стабильные значе-
ния температуры, pH и S02 (концентрация
кислорода) в начале испытания Для ограниче-
ния сильного испарения воды во время предын-
кубационной фазы следует использовать предва-
рительно увлажненный воздух Обратите внима-
ние, что длительные инкубационные периоды
(более 4 ч) могут снизить скорость нитрифика-
ции из-за быстрого распада биомассы в эндоген-
ной стадии в аэробных условиях
Выполнение теста
1	Активи р уйте р еги стр аци ю д анных
2.	Добавьте исходный раствор хлорида аммония
(предварительно отрегулировав его температуру
Д|. целевой температуры теста), чтобы достичь
концентрации аммония в активном иле, которая
не имеет ограничивающего или ингибирующего
воздействия (обычно концентрации в диапазоне
от 20 до 40 мг N/л считаются достаточными) До-
бавление NH4C1 в щелочную суспензию оказыва-
ет подкисляющее действие (кислотный гидролиз),
что приводит к быстрому снижению pH, которое
следует компенсировать с помощью автоматиче-
ской системы кснтрсля pH или добавления кон-
центрированного NaOH вручную. Входе анализа
данных любое добавление р астворов для титрова-
ния во время фазы корректировки кислотности
следует игнорировать При добавлении аммония
нитрифицирующие бактерии будут его окислять,
следовательно, чтобы компенсировать эффект
подкисляющей нитрификации, истребуется ще-
лочной раствор
3.	Зафиксируйте значение объема раствора NaOH,
добавленного через промежутки времени (VN1CHpr
AUlUilldLK
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
101
Бремени) (обычно достаточно 20—40 мин) Убеди-
тесь, что значение pH остается близким к задан-
ному значению pH ± 0,02, и уровень S02 не ст зно-
бится ограничивающим Не изменяйте скорость
аэрации или условия перемешивания т к. это по-
влияет на скорость титрования и затруднит ее
оценку Количество собранных данных должно
быть достаточным для надежной оценки скорости
титрования (Qnioh) по линейной регрессии данных
VN10H Е0 времени с удовлетворительным коэффи-
циент ом детерминации (R2 > 0,98).
4.	Добавьте аллил-N-тио меч евину, чтобы достичь
конечной концентрации ATM 10 мг/л При этой
концентрации окисление аммония будет ингиби-
ровано Продолжайте регистрировать скорость
титрования NaOH в течение еще 20-30 мин, что-
бы оценить остаточную скорость титрования
возникшую из-за реакций воздействия на фоно-
вый pH, таких кат: отдувка СО2 (Qn^oh^kw), если
он присутствует. Обратите внимание, что чем
дольше пр едынку бац ионный период, тем ниже
значение QN10Ife0He4.
5	На данном этапе тест можно завершить Измерь-
те конечный объем активного ила и возьмите об-
разец для оценки концентрации ЛВВ Обратите
внимание, что объем суспензии будет меняться
в ходе теста из-за добавления растворов для тит-
рования. Предполагается что добавленный рас-
твор составляет не более 10 % от конечного объ-
ема активного ила.
Анэли! данных
Типичный пример объема NaOH, добавленного во
время тестя изображен на рис 2.4 4
Рисунок 2.4.4. Гример давойр Патетического титрования во время тесте
на нитририкацио для оценки кексикетъной способности окисления а миге-
ка Отреши указывают на добавление хлорида аммония и а лтмл-Мтио мо-
че виты Соответствдощие скорости титрования текке 'дазаны на графоке
Из этих данных (объем титрования во времени)
можно рассчитать скорость титрования (Q), измерив
с помощью соответствующего инструмента наклон
кривой титрования отмеченной в рабочем протоко-
ле, или применив формулу (2 4.25)
п -41 4гюн,1 S "НаОН,!
(2 4 25)
где п - количество доступных записанных данных
[Ц ^н&онд1-
Скорость титрования NaOH CQNiGH и Qniohdh-h
в мп/мин) используется для оценки скорости окис-
ления аммония (FNHi. в мт- N/мин) с учетом концен-
трации раствора NaOH (Nn»oh в м экв/мл) и отно-
шения окисления аммония и потребления щелочно-
сти YNH4 н+. которое можно оценить по формуле
(2.4.15). Следовательно
FNHx = ( Qn»OH ~ Рыюн ,кокеч) NM*OH ynh 4 _н + (2'426)
Наконец, максимальная удельн ая скорость окис-
ления аммония в иле (цаоо,ынт> в мг N/г ЛВВ ч) мо-
жет быть рассчитана на основании концентрации
ЛВВ в образце ила (в г ЛВВ/л) и объема суспензии,
наблюдаемого в конце теста (VHC)
4AOO.NH4 =^^Нх( ис -"‘ЛЕЕ-1	(2.4.27)
ТестНИТ.ТИТ.1. Тест на нитзифткацию с использованием
титрования:оценка машитльноистростиомтс ленияам-
мония и штрита
Подготовка активного ила
Выполните шаги 1, 2 и 3 по подготовке активного
иля описанные для теста НИТ ТИТ 1
Выполнение теста
1	Выберите подходящее значение Sq2 (значение
РК) Обычно значения от 4,0 до 6,0 mi N/л доста-
точны для опенки максимальной скорости нит-
рп фикации
2	. Активи р уйте си стему р еги стр аци и дан ных
3	Регис трируйте объемы растворов для титрования
Н2О2 и NaOH, которые добавляются с опреде-
ленной периодичностью (VH2O2 и VNl0H во вре-
мени) (обычно достаточно 20—40 мин). Убеди-
тесь, что значения pH и РК остаются в пределах
заданного значения pH ± 0,02 и Soa ± 0,10 мг/л,
со ответствен но Количество собранных данных
должна быть достаточным для надежной оценки
(тес удовлетворительным коэффициентом де-
терминации. R* > 0,98) скорости щелочного тит-
рования по данным линейной регрессии VNiCH во
времени и скорости титрования кислорода
(Qrnoi)110 линейной регрессии VH2O2 во времени
На этом этапе скорость титрования развивается
за счет эндогенного дыхания, которое приводит
к потреблению РК и образованию СО2; первый
компенсируется добавлением Н2О2 (со скоро
стъю, обозначенной как Qh2O2hix)> а второй - до-
бавлением NaOH (со скоростью Qh»ohj«w)
4	Добавьте в активный ил нитрит в концентраци
ях, не оказывающих ограничивающее или инги-
бирующее воздействие, примерно 10 мг N/л,
чтобы вызвать окисление нитрита. Повторите
сбор данных, как описано в шаге 2, чтобы оце-
of 346
104
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
нить скорость титрования кислорода, включая
потребность в кислороде для окисления нитри-
тов (Qh2O2jto2.)- Скорость щелочного титрования
не изменится т. к окисление нитритов не оказы-
вает существенного влияния на pH суспензии
5	Добавьте исходный раствор хлорида аммония
в соответствии с инструкциями, приведенными
в шаге 2 процедуры теста НИТ.ТИТ. 1. Это также
вызовет окисление аммония Повторите сбор дан-
ных, как опигано в шаге 2, чтобы оценить ско-
рость щелочного титрования (QniohhhN и ско’
рость титрования кислорода (Qhxojjiw), которые
включают потребность в окислении аммония.
п Добавьте ал ли л-N-тио мочевину (ATM) до ко-
нечной концентрации 10 мг/л Окисление аммо-
ния будет ингибировано Продолжайте реги-
стрировать скорость титрования NaOH в течение
еще 20-30 мин, чтобы оценить остаточную ско-
рость титрования, возникшую из-за реакций воз-
действия на фоновые значения pH, таких как об-
разование СО2 (Qn»OH;tohct), и реакций, влияющих
на потребление кислорода (Он--п-'Г.та.у). включая
эндогенное дыхание и окисление остаточных
нитритов
7 Завершите тест в соответствии с инструкциями,
изложенными в шаге 4 процедуры выполнения
теста, списанной для испытания НИТ ТИТ 1
Анализ данных
Типичные наблюдения суммарного объема раство-
ров для титрования добавленных во время тестя
изображены на рис 2.4 5 Из этих данных (данные
обьема и времени) скорости титрования (Q) можно
рассчитать, измерив с помощью известных методов,
наклон кривой титрования по данным в рабочем
протоколе или применяя формулу, ранее описанную
в тесте НИТ ТИТ 1
Рисунок 2АЗ. Гример кривой титрования рНТК-стат в ходе теста
нитрификации выпотиенного для оцрнки максимального окисления
аммония и нитрите. Стрелки указывают на добавление нитрид аллил-
N-ттю мочевины и аммония Соответствую щи- скорости титрования
также отображаются на графике
Скорости титрования NaOH (Он1ОНл1в н Qhiohjx^
в мл/мин) можно сначала использовать для оценки
скорости окисления аммония (Fnhj-^tioh ь мг N/мин)
с учетом концентрации растворов для титрования
NaOH (NNd0H в мг экв/мл) и отношения окисления
аммония и потребления щелочности, как предложено
в тесте НИТ ТИТ 1
^Hx.NaOH = ( QN40H,NH4 “ QnsDH.iокеч) х
xNN£)H	(2 4 28)
Таким образец скорости титрования кислорода
(QH2O2HH4 и Qh2O2^0O№4 б мл/мин) сначала можно ис-
пользовать для оценки скорости окисления аммония
(Fhhxjco- в мг N/мин) с учетом кониентрации рас-
творов титрования Н2О2 (NH2O2 р ммоль О2/МЛ)
и отношения окисления аммония до нитрата и по-
требления кислорода, Ynh4jo2_no3> т е согласно сте-
хиометрии нитрификации ASM /Henze et al, 2000):
^МНх.Н2О2 = ( Qh2O2,NH4 ” Qh2O2, кикеч ) x
Х^Н2О2 -- -ХН4Ю2_ЫОЗ- (2-4 29)
NH4/O2_N03 = , „ -------= 0,23 г N/г O2. (2 4.30)
“ kAOO
Значения г^щонИ Гцнхдзоз должны быть одина-
ковыми, и их сравнение можно использовать для
проверки экспериментальных данных. Различия
свыше 15 % могут указывать на необходимость тща-
тельной проверки экспериментальной установки.
Скорости титрования кислорода, зафиксирован-
ные в шаге 3, после добавления нитрита (Он2О2ЛО2
б мл/мин) будут использоваться для определения
скорости окисления нитритов (Fno2 в мг N/мин)
с учетом отношения окисления нитритов до нитрат-
ов и потребления кислорода Уыо2/О2_ыоз следующим
образом (по данным двухстадийной стехиометрии
нитрификации):
^02 = ( Qh2O2,NO2 ~ Рн2О2,нач) Х
“^Н2О2 32 -ЦО2Ю2_МОЗ-
NO2/O2_NO3 =	= -8S г N/г СТ
(2 4 31)
(2.4 32)
Отсутствие разницы между Qh202^02 и Qmoa^x
означает, что либо скорость окисления нитрита
очень низкая, либо она намного ниже скорости
окисления аммония. Это может привести к накопле-
нию нитритов во время эндогенной фазы, поскольку
окисление аммония вероятно, будет происходить
с выявлением аммсния при аммонификации Если
это так, то Qh2O2psx будет включать потребление
кислорода из-за медленного процесса окисления
нитрита и будет равен Он202дпо2 В этом случае из
образца активного ила следует удалить нитриты
путем промывки - центрифугирования и ресуспен
дарования в физиологический среде, не содержащей
нитритов, для оценки скорости их окисления Одна-
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
101
ко при слишком низкой скорости окисления нитри-
тов более предпочтительным и точным является
химический контроль в течение более длительного
периода испытаний (несколько часов). Обратите
внимание, что при очень низких скоростях окисле-
ния нитритов Рцн;.д2О2 может быть выше, чем
Рннхд<он- Фактически, использование в этом случае
¥ын4лп_ыоз более не является корректным, поскольку
следует учитывать только потребность в окислении
аммония до нитрита, в то время как Уын+/О2 коз ко-
личественно определяет потребность в окислении
jonjero аммония и нитрита Следовательно, Лннхдюа
будет более точно определен с учетом отношения
окисленного аммония и потребления кислорода для
окисления аммония до нитрита, Ynhi/o2jto2, которое
можно выразить в соответствии с двух с тадийным
выражением стехиометрии нитрификации как
^Нх НЗЭЗ = (QH202,NH4-QH2O2, гонеч । х
YNO2«2_MO2-	(2-4.33)
ТЮ2Ю2_ЫО2 = ТТТ— -----= 0,31 Г N/r О2	(2.4 34)
Кроме того, разница между Ошон^ и Q^ohjc^
позволяет оценить скорость аммонификации в эндо-
генных условиях Первая скорость га трогания ком-
пенсирует щелочной эффект эндогенного дыхания
и нитрификации, который ограничен процессом
аммонификации, ответственным за высвобождение
аммония Подщелачивающий эффект, связанный
с аммонификацией, перестает наблюдаться после
добавления ATM Таким образом скорость аммо
нификации (Fn_nhx в мг N/мин) можно оценить из
следующего уравнения:
’ ЫН4Ю2_ЬЮЗ х
( ^КаОН,кач ’ Qn^OH, конеч -^NaOH 2.4.35
Наконец, максимальные удельные скорости
окисления аммония и нитритов в биомассе ила
(Чаоодльи qNOO^TO2_NO3 В МГ N/г ЛЕВ ч) и удельную
скорость аммонификации (qn_Nibj можно рассчитать
с учетом концентрации ЛРВ (Хдрв) в образце ила
(в г ЛВВ/л) и обьема суспензии, наблюдаемого
в конце испытания (Уис)'
4aoo,nhx = 60 -Pnhx 1 ''нс ХЛвв); (2.4 об)
<TnOO,NO3JTO2 = 60 1^02 / 1 VHC • -лBE )> (2-4 3 ’
4n_NHx=6' ^_NHx^(4iC -hibb)- (2.4.38)
2.4.6. Тесты на денитрификацию: подготовка
Эти тесты предназначены для оценки максимальной
скорости денитрификации пробы ила и роста био-
массы в аноксидных условиях В таких тестах могут
использоваться различные типы источников углеро-
да, такие как внутренний углерод, внешние источ-
ники углерода (например, сахар или спирт) или
сточные воды. Как правило, максимальная скорость
денитрификации встречается при использовании
быстро биоразлагаемого источника углерода (к ко-
торому адаптирован ил), в то время как более низ-
кие скорости наблюдаются в присутствии сложных
органических молекул, которые требуют предвари-
тельной стадии гидролиза, или когда используемый
источник питательных веществ требует выработки
специальных ферментов и.ли наличия/роста специ-
альных микр оорганизмов
Представлены четыре варианта теста Первый из
них (ДЕН ХИМ 1) связан с использованием источни
ка легко зксиляемой органики, в отношении которой
оцениваются скорости денитрификации и коэффици-
ент прироста в аноксидных условиях Во втором те-
сте (ДЕНХИМ 2) используется реальная сточная
вода В этом тесте также может быть получена ин-
формация о кинетике процесса, однако второй тест
в основном предназначен для оценки денитрифика-
ционной способности сточных вод, т е количества
нитрата, которое может быть денитрифицировано на
единицу объема данных конкретных стоков. Наконец,
представлены еще два теста для оценки макси мал ь
ной скорости денитрификации с применением мано-
метрической (ДЕН МАН) и,ли титр и метрической
(Д ЕН ТИТ) процедуры контроля
2.4.6.1. Оборудование
В зависимости от метода контроля (химический,
титриметрический или манометрический) предъяв-
ляются особые требования к оборудованию.
При химическом методе контроля список необ-
ходимого оборудования включает
1	. Реактор периодического действия (возможно гер-
метичный1), оснащенный системой перемешива-
ния и соответствующими отверстиями для отбора
проб (как описано в разд. 2 4 3.1).
2	. Подача газообразного азота (рекомендуется).
3	Калиброванный pH-электрод (если он не входит
в оснащение реактора)
4	Двойной pH-контроллер для добавления НС1
и NaOH (в качестве альтернативы можно приме-
нять простой pH контроллер, обычно для добав
ления НС1, или ручной контроль pH посредством
добавления HU1 и NaOH вручную)
5	. Термометр (с рекомендуемым диапазоном рабо-
чих температур от 0 до 40 °C)
б	. Система контроля температуры (если она не вхо-
дит в оснащение реактора).
7	Измеритель РК с электродом (если он не вклю-
чен в оснащение реактора) для проверки бескис-
лородных условий
8	Секундомер
’ При достаточной подаче азота или перемешивании им реак-
тор может бытв открытым (прим ред.).
of 346
101
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Необходимый набор оборудования при проведе-
нии титри метрических испытаний
1	См описание в разд 2.4.3.1
2	. Подача газообразного азота (рекомендуется).
Необходимый набор оборудования при проведе-
нии манометрических испытаний:
1	См описание в разд 2.4 3.1
2	. Подачагазообразного азота (рекомендуется).
2.46.2.	Материалы
Полный список необходимых материалов содержит-
еявразд. 2.2.3 2 (за исключением пунктов 7 и 8)
2.4.6.3	. Рабочие растворы
•	Реальные сточные воды
При использовании реальных сточных вод в ходе
испытаний следуйте инструкциям в разд 2 2.3 3
•	Р ас твор исто чника у те ро да
Обычно он состоит из легко биоразлагаемого ис-
точника углерода (S^ предпочтительно летучих
жирных кислот, таких как ацетат или пропионат,
сахара1 или спиртовых растворов Выбор источ-
ника органического углерод а зависит от хар актер а
или цели теста, а также задач исследования Ино-
гда используются более ело ясные субстраты, ко-
торые больше похожи на реальные сточные воды,
содержащие смесь источников легко и медленно
биоразлагаемых ХПК. Для тестов на аноксидную
активность необходимо знать концентрацию ХПК
(как общую, так и растворимую) с целью выбора
нужной дозировки
•	Нитратные или ипритные растворы
Нитратные и нитритные соли необходимы для
регулировки уровня нитратов/нитритов во время
испытаний на денитрификацию
•	Среда громывм ила
Если образец ила необходимо «промыть» для
удаления нежелательных соединений, обрати-
тесь к разд. 2 4.3 4.
•	Кислотные и щелочные растворы
Такие растворы содержат 100-250 мл 0,2 М рас-
твора НС1 и 100-250 мл 0,2 М раствора NaOH для
автоматического или ручного регулирования pH,
а также 10-50 мл 1 М раствора НС1 и 10-50 мл
1 М раствора NaOH для начальной корректировки
pH, если желаемый рабочий уровень кислотности
сильно отличается от значения рКа буферного
агента При выполнении титр и метрических испы-
таний растворы для штрования следует готовить
в соответствии с инструкциями, приведенными
в р азд 2 4 4 3
1 РастЕоримых сахаров глюкозы, лактозы, фруктозы и др
(прим, рад.)
•	Питатепыый раствор
Питательный раствор должен содержать все не-
обходимые макро- (аммоний, магний, сульфат,
кальций, калии) и микроэлементы (железо, цинк,
кальций, медь, марганец, молибдат, кобальт),
чтобы обеспечить клеткам поставку основных
питательных веществ для метаболизма Таким
образом несмотря на то, чти их концентрации
могут показаться очень низкими, необходимо
убедиться, что все компоненты добавлены в рас-
тьор в необходимых количествах Что касается
макрспитательных веществ, рекомендуется сле-
дующий состав (количество на литр питательно-
го раствора) (согласно Smolders et al, 1994)
107 мг NH«C1, 90 мг MgSO4 7Н3О, 14 мг
СаС12 2Н2О, 36 мг КС1, 1 мг дрожжевого экс-
тракта. Микроэлементы могут быть поставлены
путем дозирования 10 мл/л раствора микроэле-
мента, содержащего (на литр раствора) (по дан-
ным Vishniac and Sauter, 1957). 50 г ЗДТА, 22 г
ZnSCU 7Н2О, 5,54 г СаС12, 5,06 г МпС12 4Н2О,
4,99 г FeSO4 7Н2О, 1,10 г (NH4)6Mo7024 4Н2О,
1,57 г CuSO4 5Н3О, и 1,61 г СоС12 6Н2О Подоб-
ные питательные растворы можно использовать
при условии, что они содержат все ранее пере-
численные необходимые питательные вещества
Перед выполнением эксперимента рекомен-
дуется взять образец среды и ила, чтобы под-
ТЕердить/проверить начальную (желаемую) кон-
центрацию интересующего параметра (парамет-
ров) (например, ХПК, нитрит/нитрат, ЛВВ).
Наконец, необходимые рабочие и исходные
растворы для аналитических определений пара-
метров следует изготовлять в соответствии со
«Стандартными методами» (АРНА et al., 2012)
и соответствующими процедурами их сохране-
ния и аналитического определения
24.6.4. Подготовка материалов
Общие инструкции по организации подготовки ма-
териала опис аны в разд 2.2 3.4 и табл 2.2.2. Особые
требования для выполнения теста будут перечисле-
ны в каждомпротоколе испытании
2.4.7, Тесты на денитрификацию: выполнение
ТестДЕН.ХИМ.1. Хшичесмш тест на де нитрификацию' оцен-
ке максимальной сюрости де н игр н Ди кадии м Ьесшс пород-
ного роста в грисутствии определенного источника углерода
Подготовка актив него и па
Оптимальной точкой отбора образцов активного ила
будет выход после денитрификации
1 В качестве образца обычного активного ила
применяемого в очистке городских сточных
вод, подойдет образец с содержанием Хлвв око-
rtULuilldLK
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
10?
ло 2-4 г ЛВВ/л Необходимую концентрацию
Хлев можно получить, следуя рекомендациям
разд 2 4 3 5
2. Налейте известный объем (Уис) образна активно-
го ила (обычно от 1 до 3 л) в реакционный сосуд
и начните перемешивать Также запустите систе-
мы контроля температуры и pH, чтобы оба пара-
метр а о ст ав али сь н а ур о вн е з аданных зн ач ений
3 Обеспечьте подачу газа Ы2 в наджидкостное
пространство реакции примерно на 10 мин, что-
бы обеспечить дезоксигенированную среду
Обеспечьте отход газа, чтобы ограничить избы-
точное давление Барботирование газа можно
продолжать до конца испытания Если это не-
возможно, то следует использсвать надлежащий
герметичный реактор с выпускным отверстием
для газа, предотвращающим обратную диффу-
зию кислорода (например, с помощью однона-
правленного обратного клапана или водяного
затвора) (см. разд 2.2.2.1 для получения допол-
нительной информации о гом, как обеспечить
бескислородные условия).
4 Подождите около 30 мин, чтобы обеспечить ста-
бильные начальные условия. Эта фаза предвари-
тельной инкубации обычно позволяет удалить
любой остаточный нитрат.
Выполнение теста
Убедитесь, что целевые значения температуры, pH
и S02 близки к заданным значениям или находятся
в пределах выбранных интервалов В противном
случае настройте систему и подождите, пока она
стабили зир уе тся.
1 Добавьте нитрат и исходные растворы SB Тем-
пературу обоих растворов следует предвари-
тельно отрегулировать до целевой температуры
и сел ед ов ания Н ач альн ая ко нц ен тр ация нитр ато в
не должна быть ограничивающей или оказывать
ингибирующее воздействие (обычно от 20 до
25 мг N/л). При возможном присутствии в об-
разце активного ила остаточного нитрата, необ-
ходимо снизить его добавление
2 Количество легко биоразлагаемого источника
углерода (Sg) не должно быть ограничивающим
Для оценки соответствующего количества SB
можно рассмотреть стехиометрическое отноше-
ние между количеством SB и нитратом потреб-
ляемым во время денитрификации
YMO3 SB,Ах = —2-б —(гХПЮг N) (2 4 39)
4>НО,Ах
3 При добавлении S& отношение к нитрату долж-
но быть как минимум вдвое больше стехиомет-
рического значения найденного в предыдущем
выражении. Обратите внимание, что рост био-
массы в аноксидных условия? Уони,Ах зависит от
источника углерода как показано в табл 2 4 2
Однакс для приблизительной оценки обычно ис-
пользуется значение 0,5. При этом предположе-
нии концентрация SB в активном иле, равная
200 мг ХПК/л, обычно считается достаточной.
Эта концентрация также удовлетворяет началь-
ному значению : гиошения Sb к Хлев (0,05-0,1 г
ХПК/г ЛВВ), предложенному в разд 2.2 4 1. Бо-
лее низкие значения могут привести к слишком
быстром;/ поглощению углерода, тогда как
слишг эм высокие значения могут привести к ин-
гибированию биомассы Исходный раствор ам-
мония также можно использовать для доведения
отношения аммония к SB до 0,05 г N/г ХПК.
4 Тест начинается с добавления растворов нитратов
и Sb. Запустите секундомер, чтобы точно отсле-
дить последующее время отбора проб и начать
процедуру отбора
5 Образцы активного ила следует отбирать через
регулярные промежутки времени В общем слу-
чае образцы для определения источника С (или
растворимого ХПК в зависимости от представ-
ляющего интерес аналитического параметра),
атакже нитритов и нитратов следует отбирать
каждые 10 мин в первые 30 мин после добавле-
ния S& каждые 15 мин в течение следующих
60 мин. а затем каждые 30 мин до конца теста
6. Завершите тест при полном поглощении нитра-
тов и нитритов Используйте полоски для экс-
пресс-тестов на соединения нитрата и нитрита
чтобы быстро оценить, когда произошло их по-
глощение.
7 Возьмите образец для оценки конечной концен-
трации Хлвв-
Следует отметить, что концентрация нитритов
нестабильна, и поэтому измерение концентраций
нитратов и нитритов следует проводить быстро,
предпочтительно в один день
Анализ данных
Типичный результат этсго теста показан на
рис. 2 4.6.
Рисунок 2.4.6. 1и1тные профили, полученные в тесте ДЕН.ХИМ 1
концентрации нитратов (•) на главной оси у, концентрации ХПК (•) на
вторитной оси у Такте отображаются соответствующие скорости (ско-
рость эндогенной денитрификации скорость экзогенной де-
нигрификацш rNOxjc,^ и скорость ло требления ХПК Гкгк) Стретка
указываетна добавление субстрата
MUlUi I IdllC ZUUT^
of 346
101
На главной оси у приведен эквивалент окислен-
ного азота ЗцоЗ’Эг-р который соответствует взвешен-
ной сумме концентраций нитратов и нитритов
SN0^3KT = SNO3 + б SNO2- (2 4 40)
Вес 0,6, примененный к концентрации нитрита
соответствует относительной электроне акцепторной
способности нитрита по отношению к нитрату
(1,71/2,86 = 0,6), как былс предложено в научном
труде Kuj awa and Klapwijk (1999) На вторичной оси
у представлены данные по растворимому ХПК.
В течение первого периода (т. е до добавления
внешнего источника углерода) происходит эндоген-
ная денитрификация и наблюдается медленное сни-
жение SN03?KB.
Линейная регрессия по этим данным (см
разд. 2 4 4 2) может использоваться для оценки ско-
рости эндогенной денитрификации (inoxH2?hw в м
N/л мин) После добавления SP наличие экзогенной
источника углерида ускоряет поглощение нитратов
и нитритов. Данные о нитратах/ни тритах, получен-
ные после этого шага, но до момента, когда их уро-
вень станет ограничивающим, позволяют оценить
СКОрОСТЬ ЭКЗОГеННОЙ ДеНИТрификаЦИИ (ГнОХ-Щ^- в 1,лг
N/л мин) Аналогичным образом максимальную ско-
рость потребленияХПК (гипс в мг ХПК/л мин) мож-
но оценить в течение того же периода времени
Максимальную удельную скорость денитрифи-
кации для Sb (q no x_iu.se в мг N/r ЛВВч) для иссле-
дуемого источника углерода можно рассчитать сле-
дующим образом:
4NOx_N2,SB -
= 601 rNOx_Н2,экз - гЫОх_Ы2,энд ' ' -"‘ЛЕВ (2-4 4 О
Кроме того, комбинируя скорости денитрифика-
ции и скорость потребления ХПК, можно также
оценить коэффициент прироста биомассы (Уонолх)
по следующей формуле
(24 42)
гхпк
Тест ДЕН.ХКи1.2. Хишчесжй тсст на де и итри фи нацию, оценка
потенциала де нитрификации сточных вод
Подготовка активного ила
Образцы для этого теста следует отбир эть на выходе
из резервуара для предварительной денитрификации
1. Выполните шаг 1 процедуры подготовки акшв-
ногоила, описанной для испытания ДЕН.ХИМ 1
Обратите внимание, что в этом случае концен-
трация биомассы в 3-4 г ЛВВ/л будет более под-
ходящей, поскольку при добавлении сточных
вод достигается эффект разбавления
2 Напейте определенный объем образца активного
ила (Уис, обычно 0,6-0,8 л) и оставьте образец
для оценки концентрации беззольного вещества
активного ила (в г ЛВВ/л). Выполните шаги 2, 3
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
и 4 процедуры подготовки активного ила, опи-
санной для теста ДЕН ХИМ 1
Выполнение теста
1 Убедитесь, что целевые значения температуры. pH
и РК находятся в предела:: выбр энных интервалов
В противном случае настройте их и дождитесь
стабилизации
2.	Выберите подходящий обьем сточных вод (VCB)
для добавления При идеальном количестве до-
бавленных стоков конечная концентрация био-
разлагаемого ХПК в реакционном сосуде остается
в пределах от 30 до 70 мг/л Предполагая, что
стандартная концентрация биоразлагаемого угле-
рода (SB+ XCg) составляет 100-180 мг/л, коэффи-
циент разбавления (Уис Уев) должен составлять
от 2 до 6. Напейте сточные воды в реакционный
сосуд и добавьте исходный раствор нитрата для
достижения начальной концентрации нитрата
в конечной смеси (Уис+Усв) 20—25 мг N/л.
3.	Запустите секундомер, чтобы точно отследить
последующее время отбора проб и приступите
к отбору В целом предлагается отбирать образцы
для определения концентрации нитритов и нитра-
тов каждые 5 мин в течение первых ЗСМ5 мин
выполнения теста, каждые 10 или 15 мин в тече-
ние последующих 30-45 мин, а затем каждые 15
или 30 мин до конца теста
4	Завершите тест через 3^4 ч, когда наблюдается
медленная /эндогенно-подобная) скорость
Анализ данных
Типичный результат этого теста показан на
рис. 2 4.7 На оси у дан эквивалент окисленного азо-
та ^ноэ?кг в х°Де испытания. Можно наблюдать раз-
личные скорости денитрификации. Самая высокая
скорость (гыох_ю^в) наблюдается в самом начале,
т е. когда SB и ХСБ доступны для гетеротрофных
микроорганизмов (интервал ДЦ на графике).
Рйсунок 2.4.7. Титжные профили, полученные в тесте ДЕНХИМ.2
Концентрации нитрата во время выпнтнения теста отображаются сим-
волом (•). Показаны соответствующие скорости (скорость денитрифи-
кации для быстро two разлагаемо по гюис.8в и медленно сиоразлапае-
мого гюидкев вещества, фракций и скорости зн допе иной денитрифика-
ции rNOx.nj.wj Стрелки обозначают добавки нитратов и сточных вод
Также определены соответствующие изменения нитратного эквивалента
(ЗнззБв^иНа Sb и S юзал в,» на XCn)
Л1ЖПТ1<ЛК 2ХП
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
1«
После полной утилизации органической фракции
SB денитрификация происходит только в раствори-
мых органических веществах, которые становятся
доступными благодаря гидролизу ХСв следователь-
но, на так называемом медленно биоразлагаемом
органическом материале (интервал Atj на графике)
Поэтому скорость денитрификации (гцох_№;исв) огра-
ничена скоростью гидролиза ХСВ. Когда гидролизуе-
мые органические вещества полностью поглощены,
денитрификация может продолжаться на эндогенном
углероде с более низкой скоростью (гнох_№^ед) Д° тех
пор, пока остаются нитраты и нитриты.
Линейная регрессия данных Зноз^в. в зависимости
от времени для каждого интервала (см разд. 2.4 4 2),
позволяет рассчитать каждую соответствующую ско-
рость денитрификации (в мг N/л мин). Удельные ско-
рости денитрификации (в мг N/r ЛВВ-ч) можно рас-
считать следующим образом
•	удельн ая скорость денитрификации SB
4N0x_N2,SB = 60 X
x(rN0x.N2,SB -гЫОх_Ы2,эвд ’ -\вБ>	2 4 4-^
(VHC). Для згой и ели следует учитывать, что сте-
пень избыточного давления вызванного выделе-
нием газа, зависит от оставшегося объема
наджидкостного пространства (Унп), от ожидае-
мого образования N2 (количества денитрифици
руемого азота) и объема свободного простран-
ства (¥нп)- Следовательно, правильный выбор
этого соотношения крайне важен, чтобы избе-
жать экстремальных значений давления (либо
слишком высоки я либо слишком низких) Мак-
симальное избыточное давление будет достигну-
то в конце испытания, т. е после денитрифика-
ции всего нитрата, описанного как
Р -Р
J макс агм
Mn2 22,4^-273(2 4 50)
VHn 28 1,000	273
где Тс - это температура (°C); Мщ - масса газо-
образного азота, образующегося при денитрифи-
кации в ходе испытания (мг N), которая зависит
от концентрации нитрата (Snos_n2,ax, в мг N/л) и
объема активного иля как указ ано ниже
MN2 = SNO3_N2,AxVHC	(2.4 5 1)
•	удельн эя скорость денитрификации ХСВ
QnOx_N2,XCB =Г’0х
х(гНОхН2ХСБ-1НОх_Ы2,эна ХЛВВ> (2.4.44)
•	удельная скорость эндогенной денитрификации
^NOx_N2,3Ha — б°1гыох_Н2,эвд 4пвв (2.4.45)
Количество нитратных эквивалентов, потребля-
емых на быстро (SN03/SB?ie) и медленно (SNO2ZX1C;B3KS)
биоразлагаемых источниках углерода, также пока-
заны на графике, их можно оценить следующим
образом
SNO3/SB, :-га = VNOx_N2^ В “ rNOx_N2,XCE ) Д1Ъ (2 4 46)
SNO3/XCB, эга = I rNOx_N2,XCB “ rNOxm ,эвд ' At2 4 4 7
С учетом объема протестированных сточных вод
можно окончательно оценить потенциал денитри-
фикаиии быстро биоразлагаемых (ДП^в) и медленно
биоразлагаемых (ДПЖВ) органических соединений.
-m-r = SNO3/S Б, эта 1 ’ ИС +_УСВ )
В	тт ' "	’
“СЕ
т^1	’-N ЭЗ/ХСЕ :-кв ' ЧС + ^СВ 1
VCB
(2 4 48)
(2 .4 49)
Тест ДЕН. МАИ Тест на де жтрифжа цио с наноиетричесюш
контроле м: оцс нка № нетмчесюй скорости денитрифмю щи
Подготовь активного ила
1.	Выполните шаг 1 пр оцедуры подготовки актив-
ного ила, списанной для испытания ДЕН.ХИМ 1
2.	Выберите соответствующее количество активно-
го ила для помещения в реакционный сосуд
Подставляя данное уравнение в предыдущее;
получаем следующее соотношение
УИС _ Рмахс ~	28 ,,
Vhh’	22 Л
273	1
х х-------------------.	(2.4.52)
(273+ТС) Sno3=n^Ax
1,000
Оптимальное значение для Рмилс обычно со-
ставляет около 0,2 атм. чтс означает, что в ти-
пичных условиях (Тс ~ 20 °C, SN03 m Ах~ 20 мг
N/л) отношение Уис к У^ составляет 11 Сле-
довательно, для реактора с общим объемом 1 л
идеальный объем актив кого иля который будет
использоваться во время испытания составит
0,92 л
3.	Поместите предварительно рассчитанное коли-
чество активного ила в реакционный сосуд
Вставьте магнит для перемешивания Добавьте
гранулы NaOH в свободное прсстр анство для ад
сорбции СО; Продуйте свободное пространство
реактора Na и пло тно закройте флакон Помести-
те реактор в термостатическую камеру и при
осторожном перемешивании подождите 30 мин,
пока температура стабилизируется.
Выполнение теста
1.	Определите объем раствора ни тратя который
нужно добавить (в виде импульса или пика\
чтобы достичь концентрации нитрата F в актив-
ном иле 20 -25 мг N/л. С помощью шприца вве-
дите раствор нитрата через резиновую пробку
Выберите количество источника углеродя кото-
рый необходимо дозировать (также в виде им-
пульса или пика), чтобы исключить наличие
ограничивающих и ингибирующих условий (см
of 346
110
шаг 4 выполнения теста ДЕН ХИМ) Затем вве-
дите раствор источника углерода и следите за
временем с п: мощью секундомера
2.	Начните сбор манометрических данных Соби-
райте данные каждые 15-30 мин или до тех пор,
пока на кривой избыточного давления не по-
явится точка изгиба, указывающая наистощение
нитрата.
3	Завершите тест Проверьте конечный pH и возь-
мите конечный образец для измерения концен-
трации ЛВВ в растворе
Анализ данных
Типичный результат манометрического теста на
денитрификацию при помощи манометра с реги-
стр атером данных пр еде гав лен на рис 2.4 8.
Рис у нон 2 AS Т и пичн ы й п р о фи ль избы то чн от дав ле н ич, п о луче н ны й в
мани метрическом тесте на денитрификацию, выполненном с помощью
мано метра, оснащенного р е метра тор о м данных На графике изображе-
на скоро сто обо азо вания максимальной) давления гр
В течение первых 10-15 мин могут перекрывать-
ся различные явления, вызванные потенциальными
помехами, такими как: (i) проникновение в объем-
ную жидкость остаточного кислорода, который мо-
жет оставаться в свободном пространстве, (и) рав-
новесное давление водяного пара, (in; накопление
начального N2 в жидкой фазе и/или (iv) микробио-
логические л аг-фазы По этой причине начальные
данные о наличии избыточного давления следует
игнорировать Для расчета скорости нарастания
давления с помощью линейной регрессии можно
использовать полученные данные по избыточному
давлению (гр, атм/мин) (см. разд. 2 4.3 3).
На основании гр скорость денитрификации (Емоз ыз,
мг N/мин) можно оценить следующим образом:
г	90	974
1р03 N2------— Чш------------------. (2.4.5 3)
	22,4 273 +Тс
где - давление в атми - объем свободного
пространства в мл
Наконец, удельную скорость денитрификации
4nox_to (мг N/г ЛВВ ч) можно рассчитать с исполь-
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
зоьанием концентрации ЛЕВ в растворе активного
ила ( ' пев)
4nox_N2 = ^ ^гоз_Ы2 (Уис Хлвв). (2.4.54)
Тест ДЕН.ТИТ. Титриметричесмй тест на денитрифию дню:
оценю мистической скорости демггрифиюции
Подготовка активного и па
Для образцов обычного активного ила из городских
очистных сооружений подойдет образец с Хлвв около
2-4 г ЛВВ/л Образец следует отбирать у выходного
отверстия или в конце резервуара для предваритель-
ной или последующей денитрификации, в зависимо-
сти от исследуемого участка очистки
1. Налейте определенный объем образца активного
ила (обычно 1 л) в реакционный сосуд и запу-
стите системы контроля температуры. Выберите
целевые показатели pH и температуры
2 Запустите автоматическую систему титрования
и оставьте активный ил в этих условиях на пери-
од предварительной инкубации (в идеале 1 ч)
Пр едын куб анионная фаза будет стимулировать
поглощение любого остаточного нитрата или
нитрита
Выполнение тестя
1 Запуститерегистрацию данных
2. Добавьте исходный раствор нитрата (после до-
ведения его температуры до целевой температу-
ры теста), чтобы достичь неограничивающей
концентрации нитрата в активном иле (обычно
приемлемыми значениями являются от 10 до
20 мг N/л), и раствор SB в концентрации,
не имеющей ограничивающего или ингибирую-
щего воздействия. Обратите внимание, что ко-
личество добавляемого нитрата (Мнох^сх в мг N)
должно быть известно Оценку соответствующе-
го количества SB можно выполнить на основе
стехиометрического отношения количества SB
и поглощенного нитрата, которое можно рассчи-
тать следующим образом:
4юз SB,Ах = 7 V6 - (гХПЮг N).	(2.4.55)
1 “ уОНО,Ах
Обратите внимание, что такой же тест можно
выполнить с использованием нитрита вместо
нитрата В этом случае следует применять сле-
дующие отношения
1 71
*ЫО2 SB,Аж =	------ (Г ХГШГ (2 4
1- уОНО,Ах
Поэтому добавление Sb стоит с трегулировать,
чтобы гактировать. что отношение Sb к нитрату
(или нитриту) по меньшей мере в 3-4 раза пре-
вышает стехиометрическое значение, указанное
выше Обратите внимание, что Yqhoaxзависит от
источника углерода Тем не менее для грубой
оценки можно использовать значение 0,5. Это
означает, что добавление SB следует огрегулиро-
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
111
вать, чтобы обеспечить концентрации. SB в ак-
тивном иле 350 мг ХПК/л при использовании
нитрата и 200 мг ХПК/л при использовании нит-
рита. После этих добавок денитрифицирующие
бактерии станут акгивными, что обычно влияет
на увеличение pH Автоматическая система тит-
рования будет реагировать напонижение pH для
поддержания заданного значения путем добав-
ления кислоты.
3 Зафиксируйте обьем раствора для титрования,
добавленный с течением времени (V^ во време-
ни) Убедитесь, что значение pH остается в пре-
делах заданного значения pH ± П,02. Концентра-
ция РК должн а быть ниже предела обнаружения
Продолжайте испытание до тех пор, пока на
графике суммарного потребления раствора для
титроьания не появится четкая точка перегиба.
Эта точка перегиба указывает на то, что нитрат
полностью поглощен и, следовательно, денит-
рификация прекратилась. Собранных данных
должно быть достаточно для надежной оценки
скорости титрования (по линейной регрес-
сии Х'тиг во времени с удовлетворительным ко-
эффициентом детерминации (обычно R > 0,98).
4 Шаг 3 можно выполнить повторно, добавив еще
одну дозу нитрата Необходимости в добавлении
SB больше нет, поскольку в активней иле все
еще присутствует остаточная концентр'ация, до-
статочная для поддержания второй фазы экспе-
римент а по денитрификации
5 Завершите тест в соответствии с инструкциями,
приведенными в шаге 4 процедуры, описанной
для теста НИТ ТИТ 1
Анализ данных
Типичная тенденция суммарного потребления объ-
ема раствор а для титрования, добавленного во время
теста, изображена на рис 2.4 9
Рисунок 24.1 Гфимер кривой рН-статического титрования во время
теста д?нитрифи1'11|1и для оценки максимальной скорости денитрифи-
кации. Стрелки указывают на добавление растворов нитратов и 8в
Соответствующая скорость титрования такие показана на графике
Используя данные (V^ во времени), можно рас-
считать скорости титрования (Олег) на основе накло-
накриьой титрования (см разд 2 4 3).
Параметр Уцоз_н+д; б г N/моль протонов можно
оценить с учетом объема раствора для титрования,
добавляемого до тех пер, пока наблюдается плато
кривой титрования (Vt на рис 2 4.9) и массы добав-
ленного ни трата (или нитрита) (МНОх>жх)
^NO3_H+,Ax =
^NOxjicx
VT NT
(2 4.57)
где Nt - нормальность раствора титрования Когда
выполняется более одной повторности (как в случае,
показанном на рис. 2 4.9), вычисление может повто-
ряться для каждого пика, а среднее значение может
приниматься в качестве оценки Yno3_h+,ax
Для оценки скорости денитрификации (FH0J H+jAx
в мг N/мин) можно использовать скорость титрова-
ния (Qua. в мл/мин) с учетом концентрации раствора
для титрования (Nt) и значения Уыоз_н*,дх-
^ЮЗ_Н-ъАх-*т ^ЫОЗ_Н+,Ах (2.4 58)
Таким образом максимальная удельная скорость
денитрификации ила (4нох_кэ, в мг N/r ЛВВ ч) рассчи-
тывается с учетом концентрации ЛВВ в образце ила
(в г ЛВВ/л) и обьема суспензии наконец теста (в л):
4NOx_N2 = 60 ^ОЗн+.Ах 1 (VHC  -’-ЛВВ )• (2 4 59)
2.4.8. Тесты на активность бактерий
анаммокс: подготовка
Как описано в разд 2.4 1, процесс анаммокс погло-
щает аммоний и нитрит и превращает их в основном
в газообразный азот, а также в незначительную до-
лю нитрата. Когда процесс анаммокс происходит
в реакторе периодического действия, ожидаются
изменения концентраций аммония, нитритов и нит-
ратов, наблюдая их, можно отслеживать эволюцию
процесса во времени. Кроме того, при проведении
периодического испытания в газонепроницаемом
реакционном сосуде, высвобождение газообразного
азита гызьа ает повышение давления которое также
можно отслеживать во времени для измерения кине-
тики реакции Таким образом существуют две аль-
тернативы для мониторинга эволюции процесса
ан аммокс
•	химический контроль путем оценки изменений
концентрации аммония'нитрита/нитрата во вре-
мени,
•	манометрический контроль с помощью оценки
избыточного давления вызванного выделением
азота в газонепроницаемом реакторе.
Каждая из указанных альтернатив обсуждается
ниже в следующих двух тестах. Первый тест
(АНАМ ХИМ) предполагает наличие химического
контроля для оценки максимальной активности куль-
туры анаммокса, питаемой синтетической автотроф-
ной средой В этом тесте будут оцениваться отноше-
of 346
112
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
ния стехиометрических коэффициентов Nu2/NH4
и NO3/NH4 Во втором тесте (АНАМ МАН) биомассу
анаммокса суспендируют в реальных сточных водах
и применяют манометрическую процедуру контроля
для оценки возмо:кности их очищения посредством
процесса анаммокс. В этом примере потенциал инги-
бирования стенных вод оценивается путем сравнения
максимальной скорости, получаемой в присутствии
сточных вод, с максимальной скоростью, наблюдае-
мой в присутствии синтетической среды
2.4.8.1. Оборудование
Каждая методология контроля (химическая или ма-
нометрическая) имеет требования к оборудованию.
При использовании химического контроля список
необходимого оборудования включает следующее
1 Реактор периодического действия (герметичный),
оснащенный системой перемешивания и соответ-
ствующими отверстиями для отбора проб (как
описано в разд 2 4 3 1)
2	Подача газообразное о азота (рекомендуется).
3	. Калиброванный pH-электрод (если он не включен
в оснащение реактора периодического действия).
4	Двойной рН-контроллер с функцией добавления
НС1 и NaOH (в качестве альтернативы можно
применять простой контроль - обычно для до-
бавления НС1 - или ручной контроль pH с по-
мощью добавления НС1и NaOH вручную).
5	Термометр (рекомендуемый диапазон рабочей
температуры от 0 до 40 °C).
6	Система контроля температуры (если она не вхо-
дит в оснащение реактор а).
7	. Измеритель РК с электродом (если он не вклю-
чен в оснащение реактора) для проверки бескис-
лородных условий
8	Секундомер
2.4.8.	2. Материалы
Полный список необходимьпг материалов содержит-
еяв разд. 2.2 3.2 (за исключением пункте в 7 и 8).
2.48.3.	Рабочие растворы
•	Реальные сточные воды
Для испытаний, требующих использования ре-
альных сточных вод, следуйте инструкциям,
приведенным в р азд 2.2 3.3
•	Синтетическая среда
При необходимости или желании провести ис-
пытания с использованием синтетических сточ-
ных вод, такая среда может содержать смесь ам-
мония, нитрита и бикарбоната, а также необхо-
димые (макро- и микро-) питательные вещества
Как правило, их можно смешивать вместе в од-
ном и том же носителе или готовить отдельно
при необходимости добавления в различные фа-
зы или в разное время Обычные составы и кон-
центрации (на основе van de Graaf el al., 1996)
1 г/л (NHihSO4 (7,6 ммоль, 106 мг N/л), 0,25 г/л
NaNOj (3,6 ммоль, 51 мг N/л), 0,6 г/л NaNO3
(7,1 ммоль, 99 мг N/л), 1 г/л NaHCO3 (11,9 ммоль),
0,025 г/л КН-РО4 (0,18 ммоль), 0,1 г/л MgSO-7H2O
(0,41 ммоль), 0,15 г/л СаС12-2НаО (1,02 ммоль)
и 1,25 mjt/л растворов микроэлементов А и В
(см ниже). Подобные питательные растворы
можно использовать при условии, что они содер-
жат все заяьленные необходимые питательные
вещества Растворы микроэлементов должны со-
держать все необходимые микроэлементы (желе-
зо, цинк, кобальт, марганец, медь, молибдат, ни-
кель, селен и бор), чтобы гар антировать, что клет-
ки не ограничены их отсутствием, и избежать
получения неверных результатов и в крайних
случаях сбоя теста. Таким образом, несмотря на
то, что их концентрации могут показаться очень
низкими, необходимо убедиться что все компо
ненты добавлены в раствор в соответствующих
количествах. Рекомендуется следующий состав
(количество на литр раствора микроэлементов)
(по данным van de Graaf et al., 1996): раствор мик-
роэлементов A 5 г ЭДТА, 9,14 г FeSCU 7HjO, рас-
твор микроэлементов В 15 г ЭДТА 0,43 г
ZnSO4 7Н2О, 0,24 гСоС12 6Н2О, 0,99 г МпС12-4Н2О,
0,25 г CuSO45H2U, 0,22 г N%Mo04 2Н2О, 0,19 г
NiC12 6Н2О, 0,21 rNaSeO4 ЮН2О, и 0,014 гН3ВО3.
Растворы гш.юния или нитрита
Для дозировки субстратов анаммокса можно при-
готовить исходные растворы аммония и нитрита
(например, 1-10 г N/л) с использованием солей
(NH4)2SO4 или NH4CI для аммония и солей
NaNO2 или KNO2 для нитрита. Как правило, они
могут быть исходном растворе или приготовлены
по отдельности, если их необходимо добавлять
на разных фазах или в равное время При изго-
товлении раствора аммония/нитрита молярное
соотношение между двумя субстратами обычно
устанавливается равным единице, чтсбы обеспе-
чить избыток аммония на протяжении всего ис-
пытания. Бикарбонат также можно добавлять
входе выполнения испытаний, чтобы избежать
ограничения неорганического углерода (НУ) для
обеспечения избытка НУ во время испытания до 
бавьте к раствору аммония бикарбонат до моляр-
ного отношения равного 0,7 моль-НУ/моль-НН4
(т е в десять раз больше стехиометрических тре-
бований 0,066 моль-НУ/моль-НН4). Последнее
следует учитывать в том случае, если в исследу-
емых сточных водах присутствуют предельные
концентрации неорганического угле; ода и;или
если кислород удаляется посредством барбиптро-
вания газев, не содержащих СО2 (например, N2),
что приведет к удалению СО2.
Раствор нитрата
Для обеспечения надлежащих окислитель но-
во сст ано Бительных условий, нитрат следует до-
г паи с доиу-
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
11J
баьлять до проведения испытания с использова-
нием исходного раствора нитрата, который мож-
но приготовить (например, 1-10 г N/л) на основе
солей NaNOj или KNO3 Это особенно важно при
проведении последовательных тестов с исполь-
зованием одного и того же ила бактерий анам-
мскс (например, для опенки долгосрочного эф-
фекта воздействия определенного соединения),
чтобы избежать восстановления сульфата до
сульфида (HjS), который может быть токсичным
для бактерий анаммокс
•	Среда громывш ила
Если образец осадка необходимо «промыть» д.чя
удаления любых нежелательных соединений (ко-
торые могут иметь ингибирующее или токсичное
воздействие), необходим промывочный раствор
Синтетическая среда, описанная выше, может
быть использована в качестве среды промывки
путем простого удаления из состава нитритных
солей Процесс промывки можно повторить два
или три раза. После этого могут быть выполнены
следующие этапы п идти то ври В особых случаях,
например, при использовании ила из производ-
ственной установки, для промывки могут исполь-
зоваться сточные воды (при условии, что они
имеют соответствующий состав).
•	Кислотные и щелочные растворы
Такие растворы должны иметь следующие со-
ставы (соответственно)' 100-250 мп 0,2 М рас-
твора НС1 и 100-250 мл 0,2 М раствора NaOH
для автоматического или ручного контроля pH,
а также 10-50 мп 1 М раствора НС1 и 10-50 мл
1 М раствора NaOH для начальной корректиров-
ки pH, если целевой рабочий pH сильно отлича-
ется от значения рКа буферного агента
К тому же необходимые рабочие и исходные
растворы для определения интересующих анали
тических параметров должны быть подготовле-
ны в соответствии со «Стандартными методами»
(АРНА et al, 2012) и соответствующими мето-
диками
Рекомендуется взять образцы среды и ак-
тивного ила до проведения эксперимента, что-
бы подтвердить/проверить начальные (целевые)
концентрации интересующего параметра (па
раметров) (например, аммония нитрита, нитра-
та, Хвви -Чпвв)-
2.	4.8 4, Подготовка материалов
Общие инструкции по подготовке материала содер-
жатся в разд 2.2.3.4 и в табл 2.2.2. При необходи-
мости конкретные требования для отдельных тестов
будут перечислены в соответствующих протоколах
испытаний
2.	4.9. Тесты на активность бактерий
анаммокс: выполнение
Тест АНАМ ХИМ. Хижчесшй тест на акте кость бактерий
а на м мою: о це ню макси ма льнои № не ти ческой скорости
анаммоюа, стехиометричесюго коэффициента и отношений
NOJNHuiNOMh
Подготовка активного ила
Рекомендации относительно выбора подходящей точки
отбора про б активного ила приведены в разд 2.4.34
1 Для образцов обычного активного ила с город-
ских очистных сооружений подойдет образец
с содержанием ЛВВ около 2-10 г/л. Концентра-
цию ЛВВ можно отрегулировать., как предложе-
но в разд 2.4 3 5 В случае гранулированного ила
анаммокс вместо активного ила можно исполь-
зовать гранулированную биомассу, которая лег-
ко отделяется от надо садочной жидкости путем
отстаивания (в цилиндре или в воронке Имхоф-
фа) и ресуспендировзния в промывочном рас-
творе или в заводских стоках Также можно про-
вести предварительные испытания для оценки
плотности осажденного гранулированного ила
(г ЛВБ/л), чтобы поместить определенное коли-
чество гранулированного анаммокса (г ЛВВ)
в реакционный сосуд
2.	Налейте определенный объем образца активного
ила (обычно от 1 дс 3 л) или известное количе-
ство гранулированного ила анаммокс (повторно
суспендированного в тестируемой среде) в реак-
ционный сосуд и начните перемешивание. Также
запустите системы контроля температуры и pH,
чтобы поддерживать оба параметра в пределах
желаемых значений
3.	Обработайте наджидкостное пространство газом
N^ (или смесью газов N2/CO2, см разд 2.4 3.5)
в течение примерно 10 мин, чтобы обеспечить
отсутствие кислорода. Установите отверстие для
выхода газа, чтобы ограничить избыточное дав
ление. Барбе тирование газа мс жет продолжаться
до конца испытания Если обеспечить этот про-
цесс возможности нет, используйте воздухоне-
проницаемый реактор с устройством для предот-
вращения проникновения кислорода (например,
с помощью однонаправленного обратного кла-
пана или водяного затвора) (более подробную
информацию см в разд 2.2 2 1)
4	Добавьте нитрат до конечной концентрации
в активном иле 50-100 мг N/л, чтобы обеспечить
адекватный окислительно-восстановительный по-
тенциал и избежать восстановления сульфата
5.	Подождите около 30 мин, чтобы обеспечить ста-
бильные начальные условия Эта фаза предвари
тельной инкубации обычно позволяет удалить
любой остаточный нитрит
Сы пол не ние теста
1. Убедитесь, что целевые значения температуры,
pH и РК находятся в желаемых интервалах
of 346
114
В противном случае, отрегулируйте данные па-
раметры и дождитесь стабилизации условий.
2 Добавьте исходный раствор аммония/нитрита
(.предварительно доведенный до целевой темпера-
туры), чтобы избежать ограничивающей или ин-
гибирующей концентрации нитритов в активном
иле от 50 до 75 мг N/л обычно достаточно для
биомассы анаммокс, культивируемой в условиях
нестрогого ограничения нитритов (дополнитель-
ные пояснения см в разд 2 4 3 6). Если в образце
активного ила присутствует какой-либо остаточ-
ный нитрит, его добавление следует соответ-
ственно сократить Начальная концентрация ам-
мония менее критична из-за более низкого инги-
бирующего воздействия Учитывая диапазоны
концентраций, характерные для систем анаммокс,
от 50 до 200 мг N/л обычно считается до статоч-
ным для биомассы анаммокс
3	. Запустите секундомер сразу после добавления
амминия/нитрита, чтобы отслеживать время от-
борапроб
4	Образцы активного ила следует отбирать через
регулярные промежутки времени Например,
каждые 20-30 мин на протяжении всего теста
/который обычно длится около 3-4 ч)
5	Завершите испытание при полном поглощении
нитрита. Выполняйте тесты с использованием
нитритных полосок, чтобы быстро оценить кон-
центрации нитритов
6	Возьмите образец для определения конечной
концентрации ЛВВ в раствсре
Обратите внимание, что концентрации нитритов
нестабильны, и поэтому их необходимо измерять
в кратчайший срок после отбор а пр о б.
Анализ данных
Типичный результат этого тестапоказан нарис. 2 4 10.
Рисунок 2.4.10. Типичные профили N в тестах АНАМ ХИМ: кон центра Ц1И
аммония (•), нитрита (•) и нитрата (*) на оси у Такие указаны соответ-
ствующие скорости (скорость удаления аммония скорость удале-
ния нитрита Глав,»з и скорость образования нитрата гдк nhlnoj)
Линейная регрессия по этим данным (см
разд. 2 4 5) может использоваться для определения
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
скорости удаления аммония (Гдмхдпи) и нитрита
(гдющоэХ а также скорости образования нитратов
(тлмзатн+.ноз) (выражается в мг N/л ч) Скорость
анаммокса обычно выражается в виде произведенно-
го газообразного азота, который эквивалентен азоту,
удаленному из сточных вод Поэтому максимальную
удельную скорость анаммокса (qxMxni в мг N;-N/r
ЛВВ ч) можно рассчитать следующим образом
rAMX,KH4 + rAMX,NO2 " rAMX.NH4 NO3
Tam:<,N2 =----:-----------------— "=----- (2 4 60)
Алвь
Стехиометрические коэффициенты отношений,
такие как Унн4_но2^мх и Уыноюзлмх- можно легко
рассчитать из относительных скоростей удале-
ния/образования с использованием следующих вы-
ражений
v	rAMX,NO2
INH4_NO2,AMX =---------> (z 4 ° М
rAMX.NHa
„	*AMX,N04_NO3
1NH4_NO3,AMX =-------------
rAMX,NH4
В предыдущем выражении, когда в тесте исполь-
зовался гранулированный ил анаммокса, кониентра-
ция биомассы в знаменателе (терглин Хд^) будет
соответствовать г ЛВВ, добавляемым в сосуд реак
тора во время подготовки теста, деленным на ис-
пользуемый рабочий объемреактора
Тест АНАМ Л АН. № юметричесюм тест акте юсы анзшюьга:
оценю максимальных мнетичесшх параметров анаммоюа
Подготовка активного ила
1 Выполните шаг 1 протокола подготовки активно-
го ила, описанного выше для теста АНАМ ХИМ
2 Выберите подходящий обьем активного ила, ко-
торый нужно влить в реакционный сосуд (Уис)-
В случае гранулированного ила анаммокс, обра-
титесь к рекомендациям для теста АНАМ ХИМ
В этом тесте избыточное давление зависит от от-
ношения между количеством окисляемого аммо-
ния приводящего к выделению газообразного
азота по стехиометрии реакции (поглощение
1 моль NH4 приведет к образованию 1 моль N;
(см. разд. 2.4 1)), и объемом наджидкостного про-
странства (Унп в л). Следовательно, корректный
выбор данного отношения имеет решающее зна-
чение. чтобы избежать чрезмерного избыточного
давления (либо слишком низкого, либо слишком
высокого) Максимальное избыточное давление
будет достигнуто в конце испытания т е когда
нитрит (обычно ограничивающий субстрат) будет
полностью конвертирован "Учитывая степи о мет-
рическое отношение Уцн»_нол,амх 1,32 моль-
NOj/Monb-NFU максимальное избыточное давле-
ние (Рмиг) можно оценить следующим образом
= —МНО2ы2 22,4^ЭТЗ + ^\ (2.4.63)
VHn 14	273
где МН02 N2 (в мг N) - это масса нитрита, которая
конвертируется в ходе испытания в зависимости
г паи с дооу-
of 346
ОПРВДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
11i
от начальной концентрации нитрита (SN02ftM,
в мг N/л) и объема активного ила (Уис в л)
МЫО2_Н2 =SNO2,»4 VHC (2 4.64)
Подставляя данное уравнение в предыдущее,
получаем следующее соотношение:
Уис Р^-Р^И-1,32	273	1,000	(?465
VHn	22,4 (273 ♦1c)SH0i„
Оптимальное значение Ргл^- обычно составляет
около 0,2 атм, что означает, что е типичных усло-
виях испытаний (Тс ~ 30 °C, Зыоарш ~ 50 мг N/л)
значение отношения Уис к Унп приблизительно
равно 3. Следовательно, для реактор а общим объ-
емом 1 л (УОщ = Уис + Уип) достаточный обьем
активного ила Уис составит 0,75 л, а свободный
объемУнп- 0,25 л
3 Добавьте предварительно измеренный обьем ак-
тивного ила в реакционный сосуд Поместите ре-
акционный сосуд на шейкер (требования к смеши-
ванию см в разд. 2.4.3 1). Обработайте свободное
пространство реактора газом N2 (или смесью газов
N2/CO2, в соответствии с разд. 2.4.3 3) и загермети-
зируйте реакционный сосуд с пробой. Поместите
реактор в герме статическую камеру, начните
осторожное перемешивание и подождите 30 мин
до стабилизации температуры.
оыголчение теста
1	. Выберите объем раствора нитрита, который необ-
ходимо добавить в начале и опыт анид чтобы обес-
печить концентр алии нитритов в активно миле, не
имеющие ограничивающего или ингибирующего
воздействия: обычно значения от 50 до 75 мг N/л
являются адекватными для биомассы анаммокс,
культивируемой в условиях нестрогого ограниче-
ния нитритов (белее подробную информатик» см.
в разд 2.4 3.4). Обычно начальная концентрация
аммония аналогична концентрации нитрита
Можно использовать более высокие начальные
концентрации аммония, если они остаются ниже
заявленного уровня ингибирования для бактерий
анаммокс (< 1 г N/л). Если в образце активного ила
присутствует остаточный нитрит, его добавление
должно быть соответственно снижено С помо-
щью шприца введите раствор аммонияйтитрита
через резиновую пробку
2	Начните фиксировать манометрические данные
Собирайте данные каждые 3U-60 мин пока
не изменится кривая избыточного давления, кото-
рая будет соответствовать истощению нитрита
3	Завершите тест. Проверьте конечный уровень pH
и возьмите конечный образец, чтобы определить
концентрацию ЛВВ в растворе.
Анализ данных
Используя закон идеального газа, данные о давлении
можно преобразовать в моли газа (в данном случае
Na), выделяемого в наджидкостное пространство
n(t) =
Р|1)Унп
F, Тк
(2 4 66)
где n(t) - количество молей N2, присутствующих
в объеме над жидкостного пространства (Уип.) в мо-
мент времени t; P(t) - давление в над жидко ста ом
пространстве в момент времени t; R - постоянная
идеального газа, Тк- температура выполнения, вы-
раженная в кельвинах
На рис. 24 11 показан типичный профиль мано-
метрического теста на активность бактерий анам-
мокс, выполненного с помощью манометра, осна-
щенного регистратором данных, после преобразова-
ния зафиксированных показателей давления в моли
выделенною газа N2. Данные, собранные в течение
первых 10-15 мин теста не следует учитывать, по-
сксльку может происходить наложение различных
яетений, влияющих на избыточное давление в над-
жид ко ста ом пространстве, например (1) проникнове-
ние остаточного кислорода из над жидко с та ого про-
странства, (и) накопление начального N2 в жидкой
фазе и (ш) микробиологическая лаг-фаза
Рйсуюк 2.111. Тшичные профили газа №, полученные в тесте АНАМ.МАН
выполненном с помощью манометра с регистратором данных Максимагь
ная скорость выделения № F аи. ннис изображена на рисунке
Кривую суммарного выделения N2 можно исполь-
зовать для расчета скорости производств» a N2
(Famxjth4 ыэ Nj-мс-ль/мин) с использованием линейной
регрессии (см разд 2.4 5). Кроме того, данные можно
дополнительно выразить в мг Nr N/мин с использова-
нием эквивалентной молекулярной массы газообраз-
ного диоксида азота (28 г N/Nj-моль). Удельную ско-
рость анаммокса (мг N/r ЛВВ ч) можно рассчи-
тать, используя концентрацию ЛВВ в растворе.
4amx,N2 = б1-1-Eamx,nh4_N2 ''(^ис лбе)- (2 4 671
2.4.10. Примеры
2.4.10.1. Тесты на активность нитрификации
Огпса ние
Для наглядной иллюстрации выполнения теста на
аэробную активность нитрификации данный раз-
MULUilldUC ^.пт.
of 346
111
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
дел приводит описание теста, проведенного при
20 °C с образцом натурального активного ила. Тест
НИТ ХИМ 1 был выполнен для определения мак-
симальной удельной скорости окисления аммония
в биомассе Испытание проводилось в реакторе
объемом 2,5 л Все оборудование, аппаратура
и материалы были подготовлены в соответствии
с описанием в разд. 2.4 4.1 Датчики pH и РК были
откалиброваны менее чем за 24 ч до проведения
теста. Продолжительность теста составила 3 ч
С учетом времени, необходимого для подготовки
к тестированию, и стадии очистки, операции про-
должались приблизительно 5 ч Перед проведением
испытания был выполнен перенос и акклиматиза-
ция 2,U л свежего активного ила, собранного в кон-
це аэробной фазы производственной установки
(в соответствии с разд 2.4 3.4), в течение 1 ч при
20 °C и медленном перемешивании (100 об/мин)
в соответствии с рекомендациями из разд. 2 4 3.5
Контроль pH и РК начинали при заданных значе-
ниях 7,5 и б мг Oj/л, соответственно После этого
за 15 мин до начала испытания скорость переме-
шивания увеличивали до 200 об/мин и отбирали
пробы для определения интересующих параметров
(например, концентрации аммония, нитрита, нитра-
та и ЛЬ В в растворе). Перед добавлением синтети-
ческой среды ее температуру на водяной бане дово-
дили до целевой температуры испытания (20 °C)
Первый образен был отобран за 5 мин до д?багле-
ния синтетической среды для определения началь-
ных условий Тест начался с добавления синтетиче-
ской среды (нулевая минута): 50 мл с содержанием
1 г ЫН4-Ь1/л. а также других макро- и микроэле-
ментов, согласно описанию в разд. 2.4.З.б. Отбор
образцов производился каждые 30 мин в течение
3 ч Для обеспечения полного окисления присут-
ствующего аммония была выбрана соответствую-
щая пр одолжит е л bHjCTb теста. Сразу после отбора
все образцы были подготовлены и помещены на
хранение, как описано в разд 2.2 3 4 Все ото-
бранные пробы оыли проанализированы согласно
указаниям в разд. 2.4 3 7 В табл 2 4.5 приведен
план реализации испытания и результаты его вы-
полнения
Тлблищ 2.4.5. Результаты теста на активность нитрификации
Тесты на амлтность нлтрифакзцм			[Ц|Д,НЯ1.«Ы1
Д?та:	Понедельник ('51 0 201 5 1 000	Процедура жперииенга (кратко):	Вре mi (ч:мж)
Un.тэг не:	Теси на нитрификацию при 20 'С с реальным	1 Под тер до те нзтичие гатепиатв для отбора пр ™б и необходимого оборудования.	08.00
	актив ними гом		
Тест №:	1	2 П> дтррдоте иттебровку и работоспособность систем.!, сче типов и датчиков	08'10
Пре дало иге леи ость:	3,0 ч (18П т)	3 Перенесите 2 г ила в реактор пери одичеотиго дейсгеия.	08'30
Субст рйт	С и н те таческии а мты ни и и ни р и т (100 и мг/nj+	4 Начните сп здас атъ аэробные условия осторожным перемешивание ми барбитарчьание м	08'411
	+ минерал	воздуха при заданных я аче ния хТ и pH	
Точка отбор» проб:	Средняя высота смешанного растворав РПД	5.8 а 15 mi и до н ача тв тбе ри те про бы при на чальных услоьи ях (про б а Н ИТ. ХИ М1).	09 40
№ образца:	НИТ ХИМ 1-8	6 Начните тест добавьте 0,05 л синтетачеаой среды	09:55
Объем об рее ца:	8> мл (5 мл нормального образца, 20 мл для ЛВВ)	7. В- з> мт те первый образец длт определения на чальных условий (i mJ	10:00
Объем реа пора	2,5 л	8.30-я мин. продолжайте отбор проб в со о тве те ттии с протоколом	10:30
		9 180-я м(н. прекратите аэрацию и перемешивание.	13:00
		10. Си с те № та та руй те и тоб ран ные про бы и «чи с те т сис тему	13:10
		11 Убедитесь, что ьсе системы отключены.	13'20
Г рф иг отб ора проб
Время IMlHI	-15	-5	0	30	60	90	120	150	180
Время (ч)	-0.25	-0,08	0,00	0.50	1.00	1.50	2,00	2,50	3,00
Ч» образа	1		2	3	4	5	6	7	8
Параметр	АЭРОБНАЯ ФдЗД								
NH»N |огН/л)	6.8		31	27,3	20,6	17,2	12,4	4,9	0,4
N Ог-N (мгШл)	О1		0	0,4	0.9	0.6	0,3	0.4	[0J
NOjN (мгН/л)	0,1		0,1	5,1	9,8	14,2	19,4	24	29,6
ВВ и ЛВВ (мг/л)	см. табттецу								см. табттецу
1С ре до се та ач е нм е ио нцен тр а ци и, при су тс геукнце й в син те та чеси м суб с тра те а ох дкой фа те об ра ца ила до а ача л исп ыта нм я.
ИзюревиьВВ иЛ RF-
Точя t тбора проб	Пробирка №	001	002	Й	1Ш1И	№ -КПЗ	ВВ	ЛВВ	Отношение
Начните тест3	1	0,0 9630	0,16560	0,10210	0,06900	0.06320	3,450	3,160	0,92
	2	0,09580	0,16380	0,10190	0,06800	0,06190	3,400	3,095	0,91
	3	0,09640	0.1544U	0,10230	0,06800	0,06210	3,400	3,105	0,91
Среднее							3,417	3,120	||,91
Завершите тест	4	0,и9540	0.16490	0,10200	0,06950	0,06290	3,475	3,145	и,91
	5	0,0961 0	0,16410	0,10180	0,06800	0,пб230	3,400	3,115	0,92
	6	0,09570	0,16400	0,10220	0,06830	0,06180	4415	3,090	0,90
Среднее							3 430	3,11	0,91
’Концен р ации по рр си тар ую тся с уче w па зб ав лен ия из- за доб зелен ня сип те та ческе й ср еды
Систавбиогахы
Точка бора проб	Начало те с в	Конец теста	Точка отбора проб	Начало теста	Конец теста
ВВ (мг/л)	3,417	3,430	Отношение	0,91	0,91
ЛВВ (м/л)	3,120	3,117	So тв (or/nj	297	313
of 346
ОПРВДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
111
Анализ данных
На основе результатов эксперимента, показанного
в табл 2.4 5, рис. 2.4.12 демонстрирует результаты
теста, а также оценку максимальных объемных кине-
тических скоростей (с применением .линейной ре-
грессии) Максимальные объемные скорости удале-
ния аммония и образования нитрата составляют 10,3
и 9,7 мг N/л ч, соответственно Принимая во внима-
ние среднюю концентрацию ЛВВ 3,1 г/л в образцах
ила, собранных в начале и в конце испытания можно
оценить скорость окисления аммсния в биомассе,
равную 3,3 мг N/r ЛЕВ ч, которая соответствует
примерно 80 мг М/г ЛВВ суг Важно отметить, что
сумма растворимых неорганических азотных соеди-
нений в начале и в конце теста сопоставима (31,1
против 30,1 мг N/л), что указывает на доминирующий
процесс нитрификации вс время теста
Рисунок 2А. 12. Графическое представление концентраций аммония
(•), нитрита (•) и нитрата (•) полученных в примере теста на актив-
ность нитрифисации (тест НИТ ХИМ 1) Тест проводился с заводским
активным илем при 20 ’С и pH 7,5 с использованием синтетической
среды в качестве стоков
Две линии показывают сксрссти превращения
аммония и образования нитрата для дальнейшей
оценки соответствующих максимальных удельных
кинетических скоростей биомассы Уменьшение
суммы концентраций аммония нитрита и нитрата
может свидетельствовать об одновременном воз-
никновении процессов удаления азота, таких как
денитрификация или анаммокс, которые могут про-
исходить в условиях бескислородной среды Сопо-
ставимые скорости окисления аммония и образова-
ния нитрата указывают на то, что в испытанном иле
активность бактерий АОО и NOO хорошо сбаланси-
рована и позволяет достичь полной нитрификации
Эти наблюдения были также подтверждены отсут-
ствием нитрита Измеренная удельная скорость
окисления аммония сопоставима с кинетическими
скоростями, которые приведены в табл 2.4 1, что
указывает на высокую степень обогащения образца
активн jro ила нитрифицирующими бактериями
2.4.10.2. Тесты на активность денитрификации
Or»ica»ie
Данный раздел описывает тест для оценки макси-
мальной скорости денитрификации и роста в анок-
сидных условиях в присутствии ацетата г. качестве
и с то чник а ут л ер о д а
В тесте использовался герметичный реактор, обо-
рудованный механической системой смешивания
и автоматическими системами контроля pH и темпе-
ратуры Была обеспечена подача пузырьков газа Na.
За сутки до тестирования были откалиброваны
датчики pH и РК, подготовлены все необходимые
материалы, как предложено в разд. 2.2.3.2 (за ис-
ключением пунктов 7 и 8). Был подготовлен раствор
нитрата с 10 г М/л, NaNO3 и исходным раствором
ацетата с использованием ацетата натрия в концен
грации 10 г ХПК/л (принимая во внимание, что 1 г
СH^COONа соответствует 0,78 г ХПК/ Для автома-
тической коррекции pH подготовлены растворы 1 М
HCL и 1 М NaOH Также использовалось 2 л актив-
ного ила Предварительный протокол текста был
составлен в соответствии с табл 2 4.6
Начальная концентрация нитрата была установ-
лена на 20 мг N-NOj/л (что соответствует добавле-
нию 4 мл исходного раствора нитрата). Начальная
концентрация ХПК составляла 200 мг/л (добавление
40 мл исходного раствора ацетата). В соответствии
с инструкциями, изложенными в разд. 2.4 7, планиро-
валось отобрать до 18 образцов. Все соответствую-
щие материалы, в том числе расходные (например,
пластиковые стаканчики), были подготовлены и про-
маркированы чтобы избежать ошибок идентифика-
ции ВГ' время сбора образцов Вдень испытания ак-
тивный ил отбир али из лабораторного реактора пери-
одического действия в конце фазы денитрификации.
Два литра активного ила были перенесены в реак-
ционный сосуд, значение температуры было уста-
новлено на 20 °C аналогично рабочей температуре
лабораторного реактора Одновременно была запу-
щена система контроля pH с заданным значением
7,4 Изначальный уровень pH составляя 7,7. Для
удаления остаточного РК и обеспечения бескисло-
родных условий после добавления нитрата была
активирована система барботирования газа N2. Че-
рез 5 мин концентрация Sqj в жидкой фазе в реак-
торе была ниже предела обнаружения зонда, и бар-
ботирование Nj было остановлено. Определенный
объем исходного раствора нитрата был добавлен
через отверстие для отбора проб Примерно через
1 мин был включен секундомер и взят первый обра-
зец (нулевая минута). Еще 4 образца для оценки
скорости эндогенной денитрификации были ото-
браны с 20-минутными интервалами После этого
добавляли исходный раствор ХПК и через 30 с от-
бирали пробу Позже 6 проб были отобраны с ин-
тервалами в 5 мин, а затем каждые 10 мин. Отбор
продолжался с непрерывным отслеживанием про-
филей нитратов и нитритов с помощью бумажных
полосок для определения NO3 и NO2 до полного
MULUilldllC ZUUT^
of 346
111
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
расходования нитратов и нитритов Эти образцы
использовались для оценки концентрации нитратов,
нитритов и растворимого ХПК Тест завершился по
прошествии 180 мин Для оценки концентрации
ЛВВ в растворе был взят конечный образец. Нако-
нец, все системы были остановлены и измерен ко-
нечный объем активного ила Все пробы были ото-
браны и организованы в соответствии с описанием
из разд 2.2.3 4. Анализ отобранных проб выпол-
нялся согласно указаниям из разд 2.4 3.7
Таблица 2.4.6. Результаты теста на активность денитрификации
Титы кз тилтнмтьце вьчр легации			| ГЩ .Цн ЛЫ 1
Д^тэ:	Среда 02.09.2015 09:00	П ри цеду рв эс пе рикен та (крт ио):	Ере мт (ч:ми1)
Описей не:	Тесты при 20 "С, pH 7, сисктестьенным	1.3а день до начал экатеримента проверь и аппаратуру малиб роьиг проб рабочий	
	субстратом и обо la ценной лбораторной иуитуроЙ	п л н, исходные рас торы, контейнеры для отбора проб и необходимое обору дивани е	
Тест №’	1	2.0 тбе ри т ил и ч 8BR и пер ен еси те а ре акцио ин ыи со суд	69:М
Продол» иге ли ост ы	3,5ч [210 кин)	3 АлитируйтебарбовжНг	09:05
Субстрат	Синти чем и й: аце та т (200 w Ml К?л ] + ни тр а т (20 иг N/л)	4 Добавьте нитрат. отберите первый образец	09:10
Том «а отбора проб.	Ср^ди:тя ььки в cftv-шанногиреетвира в РПД	5 отберите еще 5 образцов с ин те рва лки  2п мии	
№ образца:	ДЕН.ХИМ1 (1-181	6 Добавьте аце и тио бери те образцы.	10:30
Объем образца.	240 мл (1U мл для ЛВВ в растворе и 10мл для каждого образца)	1 Воалите еще 13 обращав синтерввлви в 5-10 кин.	
Объем реактора;	2,5 л	8 Приостановите ист	11 35
		9 Во »иите образец дгн измерения ЛВВ ь растворе, оцените общий обьем.	11:40
		10 Убедитесь, что все образцы хранятся правильно, и выключите систему	11 50
Г рвф иг отборе проб			
Время (КИН)	О	20	40	60	80	85	90	95	100	105	110	120
ВреМЯ (Ч)	0,00	0,33	0,67	1,00	1,33	1,42	1,50	1,58	1,67	1,75	1,83	2,0ц
№ обраща	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Параметр	АН ОКСИДНАЯ ФАЗА											
NHjN InrN/nj	23.0	23,2	22,0	21,8	20.2	18.2	15,8	14,0	12,3	11,2	10,2	13
NOj-N (мгН/л)	0,1	0,0	0,2	о.о	о.о	1,0	2.0	2,5	2,8	3,0	3,0	2,7
ХПК1к™„ь1|вт ХПК/л)					418.0	407,3	397,3	385.8	378,0	366,5	353,7	336.5
I рвф икгтбора проб (проз?пеане]
Время (ВИН)	130	140	150	160	180	185
Время (Ч)	2,17	2,33	2,50	2,67	3,00	3,03
№ обраща	13	14	15	16	17	18
Параметр	АН ОКСИДНАЯ ФАЗА					
NHjN (вгН/л)	4,9	1,8	о,з	0,0	0,0	
NOs-N (мгН/л)	2,0	2,1	1,5	1,0	0,0	
ХПК,Тта|1Ш| 1 ат ХПК/л)	315,0	103,6	285,7	275.0	271,4	
В В (г/л)						2,51
Общая биомасса (г ЛВВ1	4,58
ТатЦМГН/ЛЬИН)	0,035
Ци|г(МГН/ЛМИН)	0,278
Ти1к|ВГ <ПК/лвин)	2,050
ДГОКСИ ДНЫЙ р«СТ	0,660
С кор ос л дени триф икации (BirNf ЛВВ ч)	6,600
Анализ данных
Данные проведения испытаний и результаты анали-
тических определений представлены в табл 2 4 6
На рис. 2 4 13 изображены графики ХПК и
(вычисленные как 5Н03зке = SN03 + 0,6 SN02).
Как показано на рис. 2.4 13, скорости эндогенной
и экзогенной денитрификации были определены
с помощью линейной регрессии (гК6х_Кда и гНОх_гс^д
в мг N/л мин), каки скорости экзогенного потребле-
ния ХПК (гхпк, в мг ХПК/л мин) Отметим что дня
о пр еде лен ия кинетических скоростей использовались
только данные, полученные в неограничивающей
фазе денитрификации Например, в расчет принима-
лись только те данные, которые привели к наивыс-
шей линейной аппроксимации, основанной на самом
высоком значении R2 как для N-NC^, так и для рас-
творимого ХПК
Соответственно, максимальные скорости можно
определить следующим образом
М ак си мапьн ая уд ел ьн ая скор о стъ д енитри ф икации
. тЫОх_Ы2,эю 1ИОх_М2,эид
4nOx_N2 = ои	“	=
ЛЛВБ
А 9Я— Г)
= 6Q ’	’	= 5,8 мг N/r ЛЕВч, (2 4 68)
2,51
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
11J
Рисунок 2А11 Графическое представление (•) N-NCU»и (•) концентра-
ми растворимого ХПК, полученных в тесте ДЕН.ХИМ.1 (как представлено
в табл 2 4 6) Испытание проводит на образце активного ила из реактора
пер ио доческого действия, работающего при 20 ’С и pH 75, с испо гъзова-
ниьм ацетата в качестве источника углерода, to лите стае иная оценка
скоростей эндогенной, экзогенной денитрификации и поглощения органи-
ческого углерода выполнялась на основе наклона криво игр а фига
Прирост биомассы на ацетате в аноксидных
условиях
V	1 о о, TNOx_N2,srs iNOx_N2,:hzt
1 ОНО,Ах - 1“ 485--------------------=
гхпк
, _ 0,28-0,035
= 1 - 2,86---------=
2,05
(2.4 69)
О ба полученные значения находятся в диапазоне
данных, представленных в табл. 2.4.2, что подтвер-
ждает до стоверность результатов.
2.4.10 3. Тесты на активность бактерий анаммокс
Omcanie
Чтобы проиллюстрировать выполнение теста на
активность бактерий анаммокс, в этомразделе пред-
ставлены данные теста, проведенного при 30 °C
с использованием образца биомассы производствен-
ной установки анаммокса Тест АНАМ.ХИМ был
выполнен для определения максимальной удельной
скорости биомассы анаммокса (к^мм мг N/г ЛВВ сут),
а также стехиометрических параметров поглощения
нитритов и образования нитратов относительно по-
требления аммония (NO2/NH4 и NO3/NH4, описанных
в разд 2.4 3.8) Испытание проводилось в реакторе
объемом 2,5 л. Все оборудование, аппаратура и мате-
риалы были подготовлены в соответствии с описани-
ем из разд 2.4.3, рН-контроллер был откалиброван
менее чем за 24 ч до проведения теста. Продолжи-
тельность теста составила 3 ч. С учетом времени, не-
обходимого для подготовки к тестированию и стадии
очистки, операции продолжались в течение около 5 ч
Перед проведением испытания 1 л свежего ила анам-
мокса, собранного из действующей одностадийной
установки PN/анаммокс (согласно разд 2.4 3 4), был
перенесен в реактор с последующей акклиматизацией
в течение 1 ч при 30 °C при медленном перемешива-
нии (100 об/мин), в соответствии с рекомендациями,
описанными в разд 2.4 9 Для обеспечения бескисло-
родной среды смесь газов П2/СОг (см разд. 2.4 3.5)
барботировали в жидкость в течение первых 10 мин
ив пространство реакции входе всего испытания Для
ограничения любого избыточного давления и предот-
вращения обратной диффузии кислорода был преду-
смотрен выпуск газа (например, с использованием
водяного затвора). Контроль уровня кислотности
осуществлялся начиная с заданного значения pH 7,5
После этого за 15 мин до начала испытания скорость
перемешивания увеличивали до 200 об/мин и начали
отбор проб для оценки параметров ила анаммокс, ис-
пользованного в испытании (например, концентрации
аммония, нитрита, нитрата и ЛВВ) Первый образец
отбирали за 5 мин до добавления синтетической сре-
ды для определения начальных условий. Испытание
началось с добавления 70 мп синтетической среды,
содержащей 1 г NHj-N/л и 1 г Ndj-N/л, а также другие
макрс- и микроэлементы, согласно разд 2.4 9 (нулевая
мин). В данном примере нитрат не был дозирован
в начале испытания, поскольку он уже присутствовал
в образце ила анаммокс Перед его добавлением тем-
пературу синтетической среды на водяной бане дово-
дили до целевой температуры теста (30 °C). Отбор
образцов происходил каждые 30 мин в течение 3 ч.
Максимальную активность следует оценивать
в неограничивающих условиях. Принимая в э вни-
мание константу полунасыщения для нитрита
0,035 мт N/л, которую можно встретить в литерату-
ре (в большинстве случаев ограничивающий суб-
страт) (Lotti ef al., 2014), неограничивающие кэн
центрации нигрита составляют порядка 1-2 мг N/л
для хлопьевидной или взвешенной биомассы анам
мскс. Для типов бис массы, характеризующихся бо-
лее высокими ограничениями массоп ер ено с а, таки-
ми как биопленки, прикрепленные к инертным но-
сителям, и гранулированный ил, можно обеспечить
неограничивающие условия при концентрации нит-
рита порядка 5-10 мг N/л, в зависимости от плотно-
сти биопленки и удельной активности бактерий
ан аммо кс Пр и о тсутств ии п о др о бн о й и н ф ор мации о
характеристиках массоп ер ено са биомассы, исполь-
зуемой во время испытания, для анализа данных
следует учитывать только те концентрации, которые
можно удовлетворительно интерполировать с по-
мощью линейной регрессии (R“> 0,95). Сразу после
сбора все образцы были подготовлены и помещены
на хранение, как описано в разд. 2 2 3 4 Далее были
проанализированы в соответствии с описанием из
разд. 2 4 3 7 В табл 2.4 7 приведен план выполне-
ния теста
Анализ данных
Согласно результатам эксперимента, собранным
в табл. 2.4 7, рис. 2 4 14 иллюстрирует результаты
теста, отраженные в плане реализации, а также оцен-
ку максимальных объемных кинетических скоростей
of 346
1?й
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Таблица 2А7. Результаты теста на активность процесса анаммокс
Тесты ш знатность ipoiycta a wont
J(?ia:	В тернии 1310.201510:00	Про^дгрв эпспер^мента (цатса):	ВремЦчтш) О п чего ие:	Те сты н а а нтавн ос ть ан амте пр о 3 0 'С	1. W иди т»сь в на га чин га тер на га д ля о тЬ ра про б и не об хедимого * бе ргдева ноя	0 5:0 0 с реалнымаитивнымигам Теп №.	1	2. При верпе га»бревну и раб отосп особ но ста системы счетчиюв к датчике	OS.iu При дол» ит^лы ость	3,0 ч (180 **н)	3. Перенесите 1,и лига вреаитар периидяч^сниги дейсьия.	08'30 Суб ст рат	С и н те тачесиий: а т> ний и ни р т	4 Н ачн и те со аде а ть аяр об ние тс лови я о с то р^ «ным пер емеши ван и» м и ба рб  тар ев а-	0 540 (10 Он игл на кдый)+mi нер алы	н нем ви духа при <ада нн вл га аче ния хТ и pH. Тем га отбора п роб:	С ре дчяя высота смешанного рас тепр а	5 За 15 вин до начала -.тберите пробу при начал ных условиях (образец АН AM ХИМ. 1).	09:40 в репитере № образ ид:	АН AM ХИ М1 -5	б Н ачн и те тес г дпб авь те 0,07 л си н те таче сие й ср еды	0 9:5 5 Объем об рев ца:	3 0 мл (5 мл н ормально го об ра ад, 20 мл	7. Бо теми те пер вую пр обу для о пр едг ле ни я н ачальн ых уело вии |u mi н).	10.0 0 для ЛВВ] Объем реактора.	2,5 л	5.30 -я вин, при дрлкайте отбор проб в сов таете тени с про тенилом	10:30 9 18 0-я mih , пр енра та те аир ацц го и пер емеши ванн е.	13:0 0 10 Си с тента пируй те се бранные пробы и очистите систему.	13:10 11. \б еди тесь, ч то в а сис темы о тнлючен ы.	13.2 0 Г щф и» отбора проб																				
	Еремя (м!Н|	-1		-5		и	30		60		90		120		150	180				
	В ремя (ч)	-0,25		-0.U8		0,0 0	0,50		1,00		1,50		2.00		2,50	3.00				
	№ обраад	1				2	3		4		5		6		7	8				
	Параметр	АНАЭРОБНАЯ ФАЗА																		
	НН«Н (игМ/я)	3,2				73,1	63,9		52,7		44,8		38,1		29,5	19,4				
	NO?N (мгН/л)	О1				69,1	58,3		47,6		38,1		25,8		16,2	4,7				
	НОз-N (мгЫ/л)	27,5				27,2	29,3		31,1		32,4		35,9		38	39,6				
	ВВ и ЛВВ (мг/л)	см. табтицу														см. табшцу				
1С ре дн ее те аче ние но нцен тра ци и, при сутс твующе й в син те та чеснем суб с р а те и «и диой фа те об ра ад ила до н ача л исп ыта ния. Измерен ие ВВ и Л ВБ																				
	Точга отбора проб				Пробирна			1Ш1		1012		1ШЗ		1Ш2-1А11		MU24TU3	BR	ЛВР	3 (лишение	
	Начало теста’				1			0,09440		0,14430		0,09880		0,0499 0		0,04551	2,495	2,275	0,91	
					2			^9430		014210		0.09950		0,04730		0,04260	2,365	2,130	К90	
					3			0,09530		0,14190		0,09860		0,0466 0		0.04330	2,330	2,165	Го,93	
	Среднее																2,39	2,190	0,91	
	Конец теста				4			0,09350		0,14360		0,09790		0,05016		0,и45’а	2,505	2,235	0.91	
					5			0,0941 0		0,14330		0,09840		0,0492 0		0,0 4490	2 46о	2,245	0,91	
					б			0,09370		0,14200		0,09850		0,0 433 0		0,0 435 п	2,415	2,175	0,90	
	Среднее																2,46п	2,235	0,91	
’Обрате ц, взя ый до ди ба лени я субстрата Состав 6 йогах ы																				
	Точна Фора проб		Начало теста			Конец теста														
	ВВ (мг/л)		2,397			2,460														
	ЛВВ (кг/л)		2,190			2,235														
	'ЛНоШеНИе		0,91			0,91														
	Зола (м7л)		207			225														
Рисунок ПК Типичные результаты теста на активность анаммокс (тит
АНАМ.ХИ Ml - концентрации аммония (•), нитрита (•) и нитрата (•), при
которых набли даются изображенные скорости конверсии азота, а именно,
скорость удаления аммония (гдш.ч^, скорость удаления нитрита (тжмо^
и скорость образования нитрата (тПримечание данные, ис-
пользованные на рисунке, били получены в результате дутого теста,
отличного от представленного в табл.2 4.7
Максимальная объемная скорость удаления ам-
мония и нитрита, а также скорости образования
нитрата составляют, соответственно, 17,5; 21,4
и 4,2 мг N/л ч. Учитывая среднюю концентрацию
ЛВВ в растворе 2,2 г/л в образцах ила, отобранных
вначале и в конце испытания, можно определить
удельную скорость окисления аммония в биомассе
<Чдмкцн4_нД которая составляет 7,9 мг N/r ЛВВ ч
Этот показатель соответствует 189 мг N/r ЛВВ сут
Используя тот же подход, можно рассчитать удель-
ные скорости восстановления биомассой нитрита
(Чдихлизна) и образования нитрата (Цамхлн+.ноз),
в результате чего максимальные удельные скорости
составляют 9,7 и 1,9 мг N/r ЛВВ ч, которые соответ-
ствуют 232 и 4о мг N/r ЛВВ сут Наконец, макси-
мальную объемную скорость удаления азота можно
рассчитать как сумму максимальной объемной ско-
рости удаления аммония и нитрита минус макси-
мальное объемное образование нитрата, получив зна-
чение 830 мг N/л сут Таким же образом можно рас-
А1ЖПТМ1К 2ХП
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
считать максимальную удельную скорость удаления
азота для биомассы, на основании которой можно
вычислить удельную кинетическую скорость биомас-
сы (Цамзщэ или удельную активность анаммокса-
УАА), равную 375 мг Н/r .ИВЕ сут Отношения
Ynh4_N02>mx 11 ^ni»_ncb^mx можно рассчитать путем
деления соответствующих объемных Сили удельных)
кинетических скоростей биомасс.
В этом примере наблюдаемые отношения
YnH4_NO2 ЛМХ и ‘ NH4.N03 ,АМХ с 0 стэвляю т, С О О ТЕ 6Т -
ственно, 1,22 и 0,24 г N/г N Полученная удельная
скорость удаления азота биомассой сравнима с ки-
нетикой, приведенной в табл. 2 4 3, что указывает на
высокое содержание анаммокс-бактерий в исследу-
емом образце ила
Кроме того, интересующие стехиометрические
параметры хорошо согласуются с Ynh4.nu2^mx
и YNH4 поздмх представленными в табл 2.4 3, это
указывает на то, что анаэробное окисление аммония
является доминирующим биопроиессом в анализи-
руемом образце ила. Важно отметить, что при нали-
чии в пробе био окисляемого ХПК, предполагается,
что значения Унш_Ы02,аык и/или YNhi.no3^mx будут
отличаться от эталонных стехиометрических значе-
ний из-за одновременного возникновения обычной
гетеротрофной денитрификации
2.4.11. Дополнительные факторы
2.4.11.1.	Присутствие других организмов
Присутствие микроорганизмов, отличных от тех,
которые осуществляют исследуемые биологические
конверсии, может повлиять на результаты испытаний
и привести к занижению или переоценке интересую-
щих стехиометрических параметров и кинетики
В тестах на активность нитрификапии одновременное
проявление процессов денитрификации и/или анам-
мокса может привести к неверной оценке удаления
нитрита и/или выработки нитрата Темне менее, по-
скольку для обоих биологических процессов требуют-
ся бескислородные условия, достаточно будет обеспе-
чить полное проникновение кислорода в биомассу
Тогда как для обеспечения полных аэробный условий
при испытаниях образцов хлопьевидного и взвешен-
ного ила считается достаточным 3-4 мг О2/л, для
оценки активности нитрифицирующих биопленок
мсгут потребоваться более высокие концентрации
кислорода. Важно отметить, что при проведении ис-
пытания в присутствии ХПК, его аэробное удаление,
вып олняе мо е гетер о гр о ф ными микр и ор г анизмами,
дополнительно уменьшит проникновение кислорода
в биопленку, способствуя тем самым созданию неже-
лательных бескислородных зон (если кислород при-
обретает ограничивающее значение).
В тестах на активность денитрификации одновре-
менное появление анаммокс-активности может при-
121
вести к переоценке содержания нигритов п/или недо
оценке кинетики восстановления нитратов Чтобы
избежать таг их последствий, тесты следует прово-
дить в условиях ограничения аммония. В ажно отме-
тить, что концентрация присутствующего аммония
должна быть в любом случае достаточной для удо-
влетворения потребностей денитрифицирующих бак-
терий в источнике азота, которые можно рассчитать
заранее Когда тест направлен на оценку влияния
конкретного источника углерода на кинетику де.нит
рификации, . дновременное вознитзтовение процесса
денитрификации, осуществляемого микроорганизма-
ми, которые могут хранить ХПК внутриклеточно
(например, ФАЕ и ГаБ), может привести к неверным
наблюдениям. В этом случае для полного удаления
накопленного внутри клеточного ХПК, присутству-
ющего в биомассе, можно использовать период пред-
варительной аэрации
В тестах на активность бактерий анаммокс одно-
временное появление процессов денитрификации
и анаммокса может привести к неверной оценке уда-
ления нитритов и/иликинетики образования нитратов,
что, в свою очереди влияет на Ynh+_no2^mx и/или
Ynh4_no3^mk Когда доминирующей денитрифициру-
ющей популяцией являются ОГБ, достаточно обеспе-
чить в ходе теста отсутствие SB чтобы ограничить
присутствие электронодонорных соединений, исполь-
зуемых для восстановления нитритев/нитр атов. Одна-
ко при использовании активного ила УБУФ этого
будет недостаточно, поскольку внутриклеточные
накопленные соединения будут по-прежнему обеспе-
чивать восстановление нитрита/ни трата в ходе теста
на активность бактерий анаммокс Период предвари-
тельной аэрации перед проведением теста на актив-
ность этих бактерий можно использовать для полного
удаления SB и/или внутриклеточного накопленного
ХПК, присутствующего в активном иле. Тем не менее,
поскольку процесс анаммокса является единствен-
ны^ способным окислять аммоний в бескислородньЕГ
условиях, активность анаммокса мс жно удовлетвори-
тельно оценить в тесте даже в присутствии ХПК, от-
слеживая концентрацию аммония в о времени.
2.4.11.2.	Нехватка необходимых микро-
и макронутриентов
Хотя это может показаться очевидным, наличие мак-
ро- и микроэлементов в правильной концентрации
и их (био-) доступность им:еег важное значение для
биологических процессов, участвующих в удалении
азота из систем активного ила, таких как нитрифика-
ция, денитрификация и анаммокс, описанные в дан-
ной главе Как правило, макро- и микронутриенты
присутствуют в большинстве городских сточных вод,
но их наличие следует проверять и подтверждать,
особенно если исследуемая очистная установка регу-
лярно принимает промышленные стоки Из-за низко-
го выхода автотрофных микроорганизмов, таких как
нитрификаторы и бактерии анаммокс, при очистке
городских сточных вед нехватка макроэлементов
of 346
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
122
встречается не так часто Однако она заслуживает
отдельного внимания когда эти биологические про-
цессы применяются для очистки промышленных
сточных вод и сильно КиНЦеН грир о ванных стоков
В таких случаях можно выполнить простую оценку
потребностей биомассы в питательных веществах
в зависимости от количества азота, подлежащего
удалению, и сравнить ее с концентрациями питатель-
ных веществ в стоках Это поможет оценить необхо-
димость внешнего добавления питательных веществ
для поддержания условий биологического роста
и степени конверсии В некоторых случаях внешняя
дозировка определенных питательных микроэлемен-
тов сверх минимальных требований может улучшить
кинетику конкретной микробной популяции, как со-
общалось о дозировке железа для культур анаммокса
(Chen е/а/, 2014, BieM/., 2014)
2.4.11.3.	Токсичное и ингибирующее воздействие
Выло определено, что некоторые соединения токсич-
ны или оказывают ингибирующее воздействие на
бактериальные сообщества, осуществляющие про-
цессы нитрификации, денитрификации и анаммокса.
Поскольку разнообразие ОГВ. способных обеспечи-
вать денитрификацию в системах с активным илом,
довольно широко, они могут акклиматизироваться
и приспосабливаться к различным условиям окружа-
ющей среды и эксплуатации и даже противостоять
присутствию различных потенциально токсичных
или ингибирующих соединений С др'той стороны,
автотрофные бактерии, катализирующие процессы
нитрификации и анаммокса, более подвержены про-
блемам ингибирования и токсичности Список со-
единений и диапазонов концентраций, которые могут
быть токсичными или ингибирующими для нитри-
фицирующих и анаммокс-б актер ий, настолько дли-
нен и сложен, что следует обратиться к специальной
литературе Несмотря на то, что микробные сообще-
ства могут также акклиматизироваться и адаптиро-
ваться к неоптимальным условиям, ингибирующее
действие некоторых соединений может привести
к недостаточной активности микробногс процесса
и в конечном итоге к его сбою Чтобы оценить инги-
бирующее воздействие определенного соединения
или конкретных стоков на активность нитрификации,
денитрификации или анаммокса, можно провести
серию тестов, согласно описанию в данной главе
(рис. 2 4.15). При помощи сравнения активности,
измеренной в присутствии или в отсутствие различ-
ных концентр аций потенциальных ингибирующих
соединений, можно получить полезные указания на
ингибирующий потенциал таких соединений с уче-
том конкретного протестированного активного ила
Точно так. же, когда предполагается чтс сточные
воды использованные для проведения испытаний,
оказывают ингибирующее воздействие на конкрет-
ный биопроцесс, рекомендуется выполнить две серии
тестов активности партии одна с исходным актив-
ным илом и другая с той же биомассой, но промытой
в минеральном растворе для удаления потенциально
ингибирующих и.ли токсичных соединений Тем
не менее важно отметить, что такой подход может
использоваться только в тем случае, если ингибиру-
ющее воздействие исследуемых сточных вод обрати-
мо и может быстро прекраппься
Рисунок 2.115. Выполнение тестов на активность Обратите внимание
на характерный красноватый цвет обогащенной культуры анаммокса
(фото Истли, 2015)
2.4.11.4.	Влияние источника углерода
на денитрификацию
Хорошо известно, что кинетика денитрификации за-
висит от источников углерода, используемых
в качестве дсноров электронов (Mckhayen et al, 2006,
2008) Использование синтетических сред, содержа-
щих S& таких как ЛЖК, для регулярного мониторинга
денитрифицирующего потенциала активного ила мо-
жет быть достаточно хорошим чтобы обеспечить
удовлетворительную оценку активности денитрифи-
кации Применение более сложных источников ХПК,
которые, несомненно, могут присутствовать в неочи-
щенньк или осажденных городских сточных ведах,
может привести к неоптимальной денитрификации.
Когда для улучшенного удаления азота требуются
внешние источники ХПК (например, в постденитри-
фикационном блоке), методы, описанные е настоящей
главе, можно использовать для оценки влияния раз-
личных источников ХПК на кинетику денитрифика-
ции образца активного ила
2.5. АЭРОБНОЕ УДАЛЕНИЕ
ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
2.5.1.	Описание процесса
В традиционных система:-: очистки сточных вод,
выполняющих аэробное удаление органических ве-
ществ, ОГБ удаляют орг анические вещества, присут-
ствующие в сточных водах для производства био-
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
121
массы, используя кислород для дыхания С метабо-
лической точки зрения процесс удаления включает
анаболический (для синтеза клеток) и катаболиче-
ский процессы (для генерирования необходимой
энергии для синтеза клеток), В анаболическом про-
цессе ОГБ получают необходимый углерод для роста
клеток из орг эпического вещества присутствующего
в сточных видах Между тем в катаболическом про-
цессе происходит окислительно-восстановительная
реакция включающая перенос электронов из орга-
нического вещества (которое действует как донор
электронов) к кислороду (акцептор электронов), ге-
нерируя необходимую энергию для синтеза клеток
Однак" из-за доьолъно изменчивой смеси биоразла-
гаемых и не биоразлагаемых органических соедине-
ний, присутствующих в сточных водах, для оценки
их общей концентрации обычно используется ХПК
Это происходит главным образом потому, что ис-
пользование ХПК является предпочтительным, по
сравнению с другими аналитическими параметрами
(такими как биохимическая потребность в кислоро-
де - БПК^ или общий органический углерод - ОСТУ)
благодаря нескольким преимуществам которые
включают (Henze et al., 1997, Henze and Comeau,
2003) (i) определение кислородного эквивалента
(или способности отдавать электроны) органических
соединений, (it) более детальное и полезное опреде-
ление концентрации органических веществ путем
измерения всех биоразлагаемых и не би эр аз латаемых
органических веществ, (iii) возможность определе-
ния баланса органики по ХПК (вследствие двух
предыдущих преимуществ), а также практические
последствия такие как (iv) быстрый анализ (не-
сколько часов вместо 5 дней, необходимых для
bllKj. Точная стехиометрия связанная с аэробным
удалением органики, является более сложной Темне
менее для иллюстрации процесса биологического
аэробного удаления можно использовать следующее
уравнение аэробного потребления глюкозы (С6Н12О6)
(которое пренебрегает большинством питательных
веществ, кроме азота) (Metcalf and Eddy, 2003)
3C6H12O6-i-8O2+ 2NH3 —>
-> 2C5H7NO2 + 8CO2 +14H2O,	(2 5.1)
где C5H7NO2 - это упрощенное выражение новых
клеток, образующихся при аэробной деградации
органики (Hoover и Purges, 1952)
С точки зрения роста микробов, около % биораз-
лагаемой органики преобразуется в новую биомассу
посредством анаболизма, а оставшаяся окисляется
под воздействием кислорода по катаболическим
путям для генерирования энергии, необходимой для
роста биомассы (Marais and Екатя 1976), что при-
водит к так называемому аэробному стехиометриче-
скому реальному выходу Yoho. составляющему
~0,б7 г ХПК-биомассы на единицу потребленной
ХПК-органики Кроме того, для роста микроорга-
низмов и синтеза клеток необходимы макроэлемен
ты (например, азот и фосфср)и микроэлементы (та-
кие как калий, натрий, кальций, магний, цинк, мар -
ганец и железо) (Metcalf and Eddy, 2003). Недоста-
ток какого-либо из этих элементе в может привести
к ограничениям биологических процессов. Предпо-
лагается что потребность новой произведенной
биомассы в азоте и фосфоре составляет приблизи-
тельно 0,10 г N/r JIBE и 0,03 г Р/г ИВЕ, соответ-
ственно (Ekama and Wentzel, 2008а). Это означает,
что если сточные воды содержат 100 мг биоразлага-
емого ХПК/л (биоразлагаемые органические веще-
ства), то для удовлетворения потребностей в пита-
тельных веществах необходимые концентрации азо-
та и фосфора дслжны быть не ниже 4,7 мг NH4 N/л
и 1,4 мг РО4-Р/я соответственно При зтомпредпо
латаются следующие показатели реальный выход
Yoho 0,67, наблюдаемый выход 0,40 (учитывая воз-
раст ила около 5 дней) и отношение ХПК к ЛВВ
в биомассе 1,42 мг ХПК/мг ЛВВ Из практических
соображений, а также во избежание ограничений
питательных веществ из-за различных коэффициен-
тов наблюдаемого выхода Yoho (см. табл 2 5 1)
обычно предлагается соотношение ХПК N: Р, рав-
ное 100: 5 1 (Metcalf arid Eddy 2003).
Важно подчеркнуть, что не все органические
веществя присутствующие в сточных водах, могут
подвергаться деградации. По самой основной клас-
сификации в потоке сточных вод можно выделить
как минимум четыре различные органические фрак-
ции с различными физическими характеристиками
и степенью биоразлагаемости, которые определяют
их потенциал удаления в системе очистки сточных
вод (Ekama and Wentzel, 2008а). Это (i) биоразлага-
емые растворимые органические веществя быстро
преобразуемые бактериями ОНО (ОГБ) (и, таким
образом известные как легко биоразлагаемые орга-
нические веществя ЛБХПК, или Зв, в соответствии
со стандартизированным обозначением (Corominas
etal, 2013)), (и) биоразлагаемые органические ча-
стицы, в основном они захватываются хлопком ак-
тивного план п-'двергаются гидролизу перед биоде-
гр едаци ей и поэтому обычно характеризуются как
медленно биоразлагаемые органические вещества
(МБХПК, или Хсь в соответствии с Corominas et al.,
2010), (in) не биоразлагаемые органические части-
цы, которые попадаК’Тв состав план накапливаются
в системе активного иля и (iv) неразлагаемые под
воздействием микроорганизмов растворимые орга-
нические веществя которые не сорбируются илом
и не р азлагаюгся и остаютсяв растворимой фазе
Бактерии ОНО (ОГБ) могут быстро использовать
ЛБХПК Несмотря на то, что биологическое разру-
шение МБХПК происходит медленно относительно
среднего времени удержания твердых веществ
в большинстве установок активного ила (например,
дольше 3^4 дней), МБХПК используется практиче-
ски полностью (Ekama and Wentzel, 2008а). Таким
образом, ОГБ используют медленно и быстро био-
разлагаемый ХПК для синтеза клеток, производя
больший обьем биомассы. Новая биомасса ОГБ,
of 346
124
полученная в результате удаления и преобразования
медленно и быстро биоразлагаемого ХПК, а также
накопления не биоразлагаемых органических ча-
стиц, становится частью массы органического ак-
тивного ила в реакторе, обычно измеряемой как
ЛВВ в иловой смеси Благодаря способности флоку-
ляции активного ила материал твердых частиц отно-
сительно хорошо осаждается, поэтому его можно
эффективно удалять во вторичных отстойниках,
обеспечивая высокий уровень очистки стоков Мас-
са ила, которая оседает во вторичном отстойнике,
возвращается в биологический реактор и в конечном
итоге удаляется с избытком активного ила, в этом
заключается функция времени пребыьания твердых
веществ в установке (.Arden and Lockett, 1914). Од-
нако, поскольку эффективное удаление не биоразла-
гаемых растворимых органических веществ в си-
стемах с активными илом не предусмотрено, они
покидают установку вместе с очищенными стоками,
способствуя повышению в них концентрации ХПК.
В дополнение к аэробному удалению органиче-
ских веществ в системах с активным иле м, выпол-
няющих биологическое удаление питательных ве-
ществ ('БУПВ), большая часть органического веще-
ств а удаляется на анаэробной и бескислородной
стадии, предшествующей аэробной стадии Напри-
мер, на анаэробной стадии системы с активным
илем, разработанной для УБУФ, фосфатаккумули
рующие бактерии поглощают ЛЖК, е то время как
на бескислородной стадии установки БУПВ био-
разлагаемые органические вещества используются
денитрифицирующими организмами в целях де-
нитрификации снитратомили яитритомв качестве
акцептора электронов Кроме того, потенциальное
возникновение сульфатредуцирующих процессов
с помощью СРБ на анаэробных стадиях системы
с активным илом таге же может привести к удалению
органики Кроме того, удаление органических ве-
ществ может также происходить в анаэробных си-
стемах очистки сточных вод (например, анаэробные
реакторы со слоем гранулированного ила и восхо-
дящим потоком жидкости, установки UASB) в пол-
ностью анаэробных условиях строго анаэробными
организмами
Как видно, удаление органического вещества
может происходить в различных условиях окружа-
ющей среды и выполняться различными группами
микроорганизмов В настоящем разделе основное
внимание уделяется выполнению испытаний на ак-
тивность для оценки аэробного удаления органиче-
ского вещества в качестве основного процесса уда-
ления с помощью ОГЕ в традиционных системах
с активным илом при полностью аэробных услови-
ях Оценка активности иных процессов представле-
нав других разделах данной и последующих глав
Настоящий раздел предназначен для использова-
ния в качестве руководства по выполнению тестов на
аэробную активность для определения кинетических
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
скоростей удаления ЛБХПКв активном иле и других
суспендированных система:: Он не схватывает уда-
ление фракций МБХПК, т. к. для определения данно-
го параметра требуется выполнение ре спиро метриче-
ских испытаний, описанных в гл 3. Кроме того, не-
смотря на то, что фракционирование в ХПК
органических соединений сточных вод (а также в N
и Р) имеет большое значение для проектирования,
эксплуатации, моделирования и оценки установок по
очистке сточных вод (с активным илом), разработка
протоколов определения параметр :в фракционирова-
ния сточных вод не является целью данной главы
Для получения такой информации рекомендуется
обратиться к научным и техническим отчетам (Henze,
1992; Kappeler and Gujer, 1992, Wentzel et fl/., 1995;
Hulsbeek et al, 2002, Roeleveld and van Loosdrecht,
2002, Vanrolleghem et al, 2003, WERF, 2003;
Lang er grab er et fl/, 2004). Важно отметить, что респи-
рометрические испытания также необходиты при
составлении некоторых протоколов определения па-
раметров и фракционирования сточных вод, а также
для точного определения фактического выхода био-
массы с использованием органических веществ из
разных сточных вод (гл. 3).
2.5.2.	Экспериментальная установка
25.2.1. Реакторы
Чтобы оценить активность аэробного удаления ор-
ганического вещества активным илом, необходимо
проведение испытаний в аэробных условиях, обес-
печивающих достаточную доступность РК (поддер-
жание концентрации РК выше 2 мг/л) и хорошие
условия перемешивания. Что касается других про-
цессов, также важно поддерживать адекватную це-
левую температуру, точный контроль pH и иметь
дополнительные отверстия для отбора проб и до-
бавления стоков, растворов, газов и любых других
жидких сред или субстрата, ишользуемых в испы-
тании В целом для проведения испытаний по
аэробному удалению органических веществ можно
использовать аналогичные ферментеры, что и для
испытаний на активность УБУФ (см разд 2.2.2.1).
Здесь также при глени мы рекомендации, описанные
в разд 2 2.2 1, в части аэрации, перемешивания
и контроля pH, расположения и характеристик от-
верстий отбора проб и дозирования.
25,22. Отбор образцов активного ила
Для проведения испытаний на активность аэробного
удаления органического вещества следует отобрать
свежий образец в конпе аэробного резервуар а или
фазы в месте отбора проб, где иловая смесь хорошо
перемешана В идеале тесты на активность следует
проводить в короткие сроки после отбора образца
(в течение 2-3 ч). При отсутствии возможности вы
полнить тест по месту сбора образца в тот же день,
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКГИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ	Hi
образец активного ила можно собрать при помощи
ведра или канистры в конце аэробной стадии, надле-
жащим образом транспортроЕать и поместить на
хранение в холодильник или емкость со льдом (для
поддержания температуры около 4 °C, по возможно-
сти) В любом случае выполнение тестов периодиче-
ской активности на месте является предпочтитель-
ным по очевидным причинам Общий объем активно-
го ила, который необходимо собрать, зависит от
к оличе ств а (п о вто р ений ) и спытаний, о бъ е ма р е акт ор а
и общего объема образцов, требующегося для оценки
активности биомассы. Обычно достаточным объемом
для каждого теста считается 10-20 л активного ила,
собранного на действующих очистных сооружениях
С другой стороны, обьем образцов, собранных из
лабораторный реакторов, редко превышает 1 л ввиду
небольшого объема таких реакторов (от 0,5 до 2,4 л,
в некоторьЕГ случая:: до 3-10 л, в искшК'Чптельных
случаях 15 л) Максимальный объем который можно
собрать из лабораторных реакторов, часто определя-
ется ежедневным выводом избыточного ила из си-
стемы (что напрямую' связано с возрастом ила и, сле-
довательно, определяется скоростью роста интересу-
ющего организма (организмов)).
2 5.2.3. Подготовка образцов активного ила
При выполнении тестов по месту сбора образцов ил
необходимо перенести из исходного реактора (в случае
использования лаборатории обогащенного ила) или
реакционного резервуара (в случае экспериментальных
или действующих установок) в ферментер или реак-
тор, где будут проводиться испытания активности
Затем активный ил следует аэрировать в течение
не менее 1-2 ч для удаления любых остаточных био-
разлагаемых ХПК, присутствующих в системе, в то же
время образец доводится до желаемого значения pH
и целевой температуры (как описано в разд. 2.2.3 5)
В качестве альтернашвы для удаления любого оста-
точного ХПК активированный ил можно промыть
с использованием промывочной среды и процедур,
описанных в разд 2.2.3.3 и 2.2.3.51
При проведении исключительно теста на актив-
ность аэробного удаления органических веществ (т е
тест на нитрификацию не представляет интереса),
ингибитор нитрификации можно добаьить к образцу
ила сразу после его переносав ферментер (например,
аллил-II-тиомочевина ATM до рекомендуемой ко-
нечной концентрации 20 мг/л). В частности, это будет
сдерживать нитрификацию и, следовательно, позво-
лит избежать более высокого потребления кислорода
при параллельном выполнении ре спиро метрических
испытаний (см гл 3) Образцы ила, хранящиеся
в холодньес условиях, также можно промыть мине-
ральным раствором для удаления любых остаточных
органических веществ
1 При промывке следует учитывать, что внутриклеточный
субстрат, который может быть накоплен микроорганизмами,
не удаляется (прим ред.У
Для испытаний, выполняемьи с образцами ила,
хранившимися в холодных условиях (при темпера-
туре около 4 °C), их необходимо повторно в активи-
ровать», поскольку температура в холодном храни-
лище замедляет метаболизм бактерий Для этого
активный ил следует аэрировать в течение 1-2 ч при
желаемом уровне pH и температуре исследования.
2.5.2.4. Среды
Когда при проведении испытаний на активность
используются реальные сточньге воды (неочищен-
ные или осажденные), их можно относительно про-
сто подавать в реактор/ферментер Для нормальных
или обычных условий этап подачи происходит
вначале теста. При необходимости неочищенные
сточные воды можно отфильтровать (с помощью
сит диаметром 1 или 2 мм) или осадить (в течение
1-3 ч). Если тесты активности необходимо прово-
дить при различной концентрации ила, (i) для раз-
бавления можно использовать очищенные стоки
с производственной или лабораторной установки
(при условии, что концентрации твердых веществ
в стоках относительно низкие, например, 20-30 мг
взвешенных веществ на л), или (и) активный ил
можно сконцентрировать путем декантации и сбро-
са супернатанта в несколько повторных этапов до
достижения нужного показателя ЕВ в иле вой смеси.
При изучении различных источников и концен-
траций углерода, очищенные сточные воды можне
использовать для приготовления полусинтетической
среды (если она не содержит токсичных или инги-
бирующих соединений) с интересующей концен-
трацией ЛБХПК, которая, например, после разведе-
ния 1 1 в ферментере может обеспечить целевую
начальную концентрацию ХПК Однако в зависимо-
сти ст характера и цели испытаний концентрации
углерода, присутствующие в синтетических сточ
ных водах, могут варьироваться и корректироваться
пропорционально продолжительности испытания.
Обычные концентрации, которые применяются для
лабораторного или реального ила, составляют около
400 мг ХПК/л. Помимо источника углерода синте-
тические сточные воды должны содержать необхо-
димые макро- и микроэлементы Предлагаемый со-
став синтетических сточных вод для исходного ХПК
в концентрации около 400 мг ХПК/л может содер-
жать на литр (Smolders et al, 1994а) 362 мг
NaAc ЗН2О (400 мг ХПК), 107 мг NH4C1 (28 мг N),
40 мг NaH2PO4-2H2O (8 мг Р), 90 мг MgSO4 7Н2О,
14 мг СаС12 2Н2О, 36 мг КС1, 1 мг дрожжевого экс-
тракта и 0,3 мп раствора микроэлементов (который
включает в себя на литр 10 г ЭДТА 1,5 г FeClj 6Н2О,
0,15 г Н3ВО3, 0,03 г CuSO4 5Н2О, 0,12 г МпС12 4Н2О,
0,06 г Na.Mo04 2Н2О, 0,12 г ZnSO4 /Н2О, 0,13 г KI
и 0,15 г СоС1 6Н2О) При желании синтетические
сточные воды можно сконцентрировать для получе-
ния белее высокой концентрации ХПК с целью учета
потенциальных скоростей разбавления, стерилизо-
вать в автоклаве (в течение 1 ч при 110 °C) и исполь-
of 346
121
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
зовать в качестве исходного раствора, если планиру-
ется провести несколько испытаний за определенный
период времени Однако раствор, при наблюдении
каких-либо осадков или потере прозрачности, являет-
ся непригодным
Для экспериментов, выполняемых с обогащенны-
ми культурами, лучше всего проводить тесты с теми
же (синтетическими) сточными водами, которые ис-
пользуются для культивирования и имеют заданную
исследованием концентрацию у гл ер с да, если нет
иных требований В качестве альтернативы и анало-
гично натуральным образцам, стоки из реактора мож-
но собирать, фильтровать через фильтры с грубым
размером пор для удаления любых крупных частиц и
использовать для приготовления требуемой среды.
со стандартными и широко применяемым! анали-
тическими протоколами, подробно описанными
в «Стандартных методах» (АРНА et al, 2012) Для
определения растворенных параметров, таких как
растворенный ХПК, РО4, NH4, ЬЮ2 и ЫО3, образцы
следует сразу после сбора пропустить через филь-
тры с размером пор 0,45 мкм. Из двух наиболее рас-
пространенных методов аналитического определе-
ния ХПК рекомендуется использовать бихроматный
метод, поскольку перманганатный метод не полно
стью окисляет все органические соединения (Henze
and Comeau, 2008) Определение ЛЖК (например,
ацетата, пропионата и других летучих жирных кис-
лот) может быть выполнено с помощью ГХ Глюко-
зу и другие соединения углерода (включая ЛЖК)
можно определить с помощью ВЭЖХ
2.5.2 5. Аналитические тесты
25.2,6 Исследуемые параметры
Большинство необходимых аналитических тестов
(для определения ХПК, общего Р, РСд, ЫЩ NOj,
NOj, ЕВ, ЛВВ и т д) выполняются в соответствии
Для определения и сценки активности О ГЕ можно
рассмотреть различные стехиометрические отношения
и кинептческие скорости, как показано в табл. 2.5.1
Таблиц» 2.41. Омдаемые стехии метрические иктюитеские параметры, представляющие интерес для систем сатины милом, выполняющих ааробние удаление органических веществ		
Параметр	Замечание	Источник
Ааробньи стежомегрическии параметр прироста ¥оно (гХПК-биомаииы/г ХПК-субстрата)		
0J67	Теоретическое отношение	Ekama andinjemzel (2008а)
0,72	Ацетате качестве источника органики	Dircks eta? (1999)
037	Метанол в качестве историка органики	McCarty (2007)
0,65	Формиат как источник органики	McCarty (2007)
040-0,80. обычно (1.60	Измеряется в г ЛВЕЛ ВПК	Metcalf and Eddy (2003)
0,30-0,60	Измеряется в г ЛВВЛ ЛБХ1К	Metcalf and Eddy (2003)
0J67-0.792*	Различнее источники органического вещества ЛБХПК	Guisasola (2005)
041	Глюкоза как источник органики	Dircks eta?. (1999)
0,90	Глюкоза как источник органики	Goel eta'. (1999)
Аэробны! кинетический параметр скорости окисления цощоаfr ХПК-субстрэта/Г XIК-биомассы е сутки)		
6	Модель ASM2d	Henze eta? (1999)
2-10, обычно 5	г ЛБХЛКЛ-ЛВВ суг	Metcalf and Eddy (2003)
3-10	Анаммокс	Kappeler and Gq er (1992)
*В ВИД1 П ft цг СОВ НЭССП	НЗб IHДЗОТ СЯ ЗНЭ4ИТОШв ЛКЛСН6НИИ ДЭНЫ! лшеши от 0167 г ХП№ ХПК
Важно отметить, что для описания влияния тем-
пературы на скорость аэробного удаления органиче-
ского вещества был предложен температурный ко-
эффициент Аррениуса от 1,060 до 1,133 (с типич-
ным значением 1,070) (Metcalf and Eddy, 2003)
Как показано в табл. 2.5 1, теоретический стехио-
метрический выход биомассы на биоразлагаемые
органические вещества сост авляет 0,67 г ХПК/г ХПК
(Metcalf and Eddy, 2003, Ekama and Wentzel, 2008a).
Тем не менее часто можно наблюдать более высокие
значения стехиометрических отношений, которые,
по-видимому, могут достигать 0,90-0,91 гХПК/г
ХПК (E'ircks et al., 1999, Goel et al., 1999). В этом
случае следует учитывать^ что значения выше 0,67 г
ХПК/г ХПК обусловлены прямым поглощением био-
разлагаемых органических веществ, а не более высо-
ким выходом биомассы. Такие процессы обычно
происходят, когда ЛБХПК (Зв) является доминиру-
ющей органикой в установках селекторами Допол-
нительные подробности можно наити в литературе
(Gujer et al, 1993; Henze et al, 2008) Что касается
аэробных кинетических скоростей удаления органи-
ческого вещества, то данные, о которых сообщается
в литературе, могут значительно варьироваться от 3
до 10 г ХПК-субстрата/г ХПК-биомассы сут Основ-
ной причиной этого может быть чистая концентрация
активной биомассы, присутствующей в системе (по
отношению к общей концентрации ЛВВ в иле вой
смеси). При коротком времени пребывания ила в ре-
акторе (менее 3 дней) может наблюдаться высокая
доля активной биомассы по отношению к ЛВВ, при-
сутствующей в системе, что может выражаться в вы-
сокой скорости удаления органического вещества
Однако (очень) большой возраст ила (значительно
превышающий 20 дней) приведет к значительному
накоплению не биоразлагаемых ЛВВ, присутствую-
щих в стиках или вызванных эндогенным дыханием
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
111
ОГБ (также измеряемого как ЛВВ в иловой смеси)
Это повышает концентрации ЛВВ в иле и приводит
к снижению максимальной удельной скорости удале-
ния ХПК, Цоно, утттспу. Таким образом, наибольшие
значения qOHO, хпк,ох (Д° Ю г ХПК-субстрат/г XПК-
био масса сут) можно ожидать в тестах, выполненных
с образцами активного ила. содержащими относи-
тельно более высокие концентрации активной био-
массы ОГБ, как правило, наблюдаемые ь системах
с малым возрастом ил а
2.5.3. Тесты на аэробное удаление:
подготовка
2.5 3.1. Оборудование
Для проведения испытаний на аэробную активность
удаления органических веществ необходимо следу-
ющее оборудование:
1	Реактор периодического действия или фермен-
тер, оборудованный системой перемешивания
и соответствующими отверстиями для отбора
проб (как описано в разд 2 5 2.1).
2	Подача кислорода (сжатый воздух или источни-
ки чистого кислорода).
3	. pH-электрод (если не входит в состав реактора).
4	Двойной рН-контроллер для добавления НС1
и NaOH (в качестве альтернативы моля о приме-
нять простой контроль - обычно для добавления
НС1 - или контролировать добавление НС1
и NaOH вручную)
5	. Термометр (рекомендуемый диапазон рабочих
температур от 0 до 40 °C).
6	. Система контр оля температуры (если сна не вхо-
дит в оснащение реактора)
7	Измеритель РК с электродом (если он не входит
в оснащение реактора).
8	. Автоматический двусторонний регулятор подачи
азота и кислорода (если он не включен в уста-
новку реактора и если для испытания требуются
определенные концентрации РК)1
9	. Центрифуга с рабочим объемом не менее 250 мл
для проведения процедуры промывки ила (при
нео бх од и мости)
10	Секундомер
Убедитесь., что все электроды и измерители (pH,
температура и РК) откалиброваны менее чем за 24 ч
до проведения тестов активности в соответствии
с руководством и рекомендациями производителей
и/или поставщиков
2.5.3.2. Материалы
1	Два градуированных цилиндра объемом 1 пли
2 л (в зависимости от используемых объемов
1 Возможны и другие методы автоматического регул ироьшия
к онцетрации кисл ор од а (прим род.)
ила) для содержания активного ила и промыва-
ния при необходимости
2	. Минимум 2 пластиковых ширина (предпочти-
тельный объем 20 мл, минимальный объем
10 мл; для сбора и определения растворимых со-
единений (после фильтрации)
3	Как минимум 3 пластиковых шприца (предпо-
чтительный объем 20 мл) для сбора твердых ве-
ществ, частиц или внутриклеточных соединений
(без фильтрации).
4	Фильтры с размером пор 0,45 мкм; предпочти-
тельно не использовать фильтр с ацетатом целлю-
лозы, поскольку они могут выделять целлюлозу
или ац етат в о то бр анны е пр о бы в о ды Приго то ььте
вдвое больше фильтров пс сравнению с количе-
ством образцов, которые необходимо отфильтро-
вать для определения растворимых соединений
5	Прозрачные пластиковые стаканчики (объемом
10-20 мл) для определения растворимых соеди
нений (например, растворимых ХПК, аммония
ортофисфата)
□ Прозрачные пластиковые стаканчики для (объе-
мом 10-20 мл) для сбора проб для определения
содержания взвешенных веществ в иле в ой смеси
и беззольного вещества ила (ВВ и ЛВВ соответ-
с тъ енн о) Реко мендуетс я отбир ать о бр азцы в тр ех
экземплярах! вид у погрешности данных ан ализов
7.	Ящик из пластика или сухого льда, заполненный
льдом до необходимого обьема, для временного
хранения (до 1-2 ч после завершения теста на ак-
тивность) пластиковых стаканчиков и пластико-
вых пр обир ок для центрифугир ования с пр обами
8.	Пластиковые перчатки и защитные очки
9	Пластиковые пипетки или пипетки Пастера для
добавления НС1 и/или NaOH (при ручном кон
троле pH)
10.	Металлические лабораторные зажимы или обжи-
мы, которые закрывают трубки, используемые
в качестве отверстия для отбора проб, если отбор
проб из реактора'ферменгеране пре исходит.
2.5.33. Рабочие растворы
• Реальные сточные воды
Если для проведения теста на активность ис-
пользуются реальные сточные воды, необходимо
отобрать пробу на входе в очистные сооружения
и выполнить тест на активность в максимально
короткий срок после отбора При невозможности
выполнить испытания менее чем через 1-2 ч после
отбора из-за местоположения и расстояния, обра-
зец сточных вод следует хранить в холодном со-
стоянии до проведения теста (например, поместив
ведро или канистру в холодильник при 4 °C). Тем
не менее перед выполнением теста температуру
сточных вод необходимо отрегулировать до целе-
вой температуры, при которой будет выполняться
тестирование (желательн.. менее чем за 1 ч) Для
этой цели можно использовать водяную баню или
комнату с контролируемой температурой.
of 346
121
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
• Синтетическая среда или субстрат
Если при выполнении испытания можно или же-
лательно использовать синтетические сточные
воды, такие стоки могут содержать смесь угле-
рода и (макро- и микро-) питательных веществ
Как правило, все они могут быть смешаны в од-
ной среде, если не наблюдается осадков Обычно
они имеют следующую кониентрацию
а Раствор источника углерода должен состо-
ять из источника ЛБХПК, такого как ЛЖК
(например, ацетат или пропионат) или глю-
козы, в зависимости от характера или цели
теста и соответствующих задач исследова-
ния Для образцов ила из лабораторных или
производственных систем рекомендуемая
начальная концентрация ХПК составляет
около 400 мг/л
b Питательный раствор должен содержать все
необходимые макро- (аммоний, фосф ср, маг-
ний, сульфат, кальций, калий) и микроэлемен-
ты (железо, бор, медь, марганец, молибдат,
цинк, йод кобальт) в до статочном количестве,
это позволит обеспечить клетки и избежать
ошибочных результатов, а в крайних случа-
ях - провала теста Поэтому, несмотря на то,
что их концентрации могут показаться незна-
чительными, необходимо убедиться, что все
компоненты добавлены в раствор в необходи-
мы:: количествах Для растворов, содержащих
до 400 мг/ХПК, можно рекомендовать следу-
ющий состав питательного раствора на литр
(на основе Smolders et al., 1994а): 107 мг
NH4CI (28 мг), 90 мг MgSO47H2O, 40 мг
ЫаН2РО4-2Н2О (8 мг Р), 14 мг СаС12 2Н2О,
36 мг КС], 1 мг дрожжевого экстракгаи 0,3 мл
раствора микр и элементов (который включает
на литр 10 г ЭДТА, 1,5 г FeCl3 6Н2О, 0,15 г
Н3ВО3, 0,03 г CuSO4 5Н2О, 0,12 г МпС12-4Н2О,
0,06 г Na2Mo04-2H20, 0,12 г ZnSO4 7Н2О,
0,18 г К1 и 0,15 г СоС1бН20). Подобные пита-
тельные растворы можно использовать при
условии, что они содержат все необходимые
пи тательные вещества.
с Среда для промывки если образец ила необ-
ходимо промыть для удаления любого оста-
точного ХПК или нежелательных соединений
(которые могут оказывать ингибирующее или
токсичное воздействие), следует приготовить
питательный раствор Возможный состав рас-
твора для пр о мывки илана 1 л (Smolders et al.,
1994а). 107 мг NH4C1, 40 мг NaH2PO4 2Н2О,
90 мг MgSO4 7Н2О, 14 мг СаС12-2Н2О, 30 мг
КС1, 1 мг дрожжевого экстракта и 0,3 мп рас-
твора MHKf о элементов (в который входят (на
литр) 10 г ЭДТА, 1,5 г FeCl3 6Н2О, 0,15 г
Н3ВО3, 0,03 г CuSO4 5Н2О, 0,12 г МпС12 4Н2О,
0,06 г Na2Mo04 2Н3О, 0,12 г ZnSO4 7Н;О,
118 г KI и 0,15 г СоС1бН20). Процедуру про-
мывки мижнс повторить трижды После этого
следует выполнить следующие этапы подго-
товки тестов на активность
d Раствор ATM чтобы подавить нитрифика-
цию, рекомендуется приготовить раствор
ATM для достижения начальной концентра-
ции околи 20 мгбт (после добавления). Рас-
твор ATM следует добавлять до того, как ил
подвергнется воздействию любых аэробных
условий (включая подготовку образца ила
или акклиматизацию).
е. Кислотные и основные растворы 100-250 мп
0,2 М раствора НС1 и 100-250 мл 0,2 М рас-
твора NaOH для автоматического или ручно-
го контроля pH
Руководствуясь «Стандартными методами» (АРНА
et al., 2012) и соответствующими протоколами, сле-
дует подготовить необходимые рабочие и исходные
растворы для определения исследуемых аналитиче-
ских параметров
25.3.4. Подготовка материалов
1	Соберите материалы для выполнения тестов на
активность, определите нео бходимое количество
проб, следуя соответствующим рекомендациям,
представленным в разд 2.2 3.4
2.	Определите частоту отбора проб для определе-
ния максимальной кинетической сксроста уда-
ления ЛБХПК образцы следует отбирать каждые
5 мин в течение первых 30—40 мин продолжи-
тельности теста на активность
3.	Соберите серию образцов перед добавлением ка-
кого-либо носителя, чтобы повысить надежность
данных и установить исходные параметры ила
4.	Тщательно определите максимальный и мини
мяльный рабочие объемы реактора в соответ-
ствии с рекомендациями из разд 2.2.3.4.
5	Пометьте все пластиковые стаканчики, как толь-
ко определите количество и частоту отбор а проб
Определите номенклатуру и/или аббревиатуру,
чтобы легко идентифицировать и распознать
тест, время отбора образца и интересующий па-
раметр (параметры) Маркировка пластикового
стаканчика и крышки поможет легко идентифи-
цировать образец
б Табл 2 5 2 со дер-жиг пример рабочего протокола
для отбора и контр-оля образцов и выполнения
теста Кроме того, его можно использовать для
ведения базы данных различных выполненных
испытаний
7	. Расположите весь необходимый материал в пре-
делах относительно близкого рдли ус а действия
вокруг установки, чтобы избежать любой за-
дор жги в обработке и подготовке образцов
8	Откалибруйте все измерители (pH, РК и термо-
метр) менее чем за 24 ч до проведения испытаний
и храните их в надлежащих растворах в соответ-
ствии с рекомендациями производителя или по
ставщика Убедитесь, что показания являются
надежными
9	До выполнения анализа требуется соответству-
ющее хранение образцов. В табл. 2.2.2 приводе-
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
111
ны рекомендации по хранении- образца ь зави-
симости от аналитического определения интере-
сующего параметра
2.5.3.5.	Подготовка активного ила
Данные процедуры предусматривают выполнение
тестов на активность в максимально короткий срок
после отбора проб из натуральных или лаборатор-
ных систем или максимум в течение 24 ч после от-
бора. В идеале выполнение испытаний по проше-
ствии 24 ч после сбора не рекомендуется из-за воз-
можных изменений и распада микроорганизмов.
Принимая это во внимание, рекомендуется следую-
щая процедура подготовки образцов активного ила
к выполнению испытаний на активность
1	Если тесты можно выполнить менее чем через
1 ч после сбора образца ила, и если он не нужда-
ется в промывке:
а Отрегулируйте температуру реактора перио-
дического действия до целевой температуры
исследования.
b Отбери те о бр а? ец ил а в ко нце аэ р о бн ой стадии
с. Переместите образец в реактор или ферментер
d. Добавьте раствор ATM для ингибирования
нитрификации (особенно при проведении ре
спирометрических испытаний) до конечной
концентрации 20 мг/л (см. разд. 2.5 3.3).
е Начните перемешивание (100-300 об/мин)
и следите за температурой и pH образца, по-
местив внешний тер-мометр в реактор (если
установка не имеет встроенного термометра),
пока ил не достигнет целевых значений тем-
пературы и pH
f Начните аэрировать образцы ила, поддержи-
вая концентрацию РКвыше 2 мг/л.
g Начните тест на аэробную активность, как
только показатели pH и РК стабилизируются
2	Если образец эктиеного ила необходимо про-
мыть, рекомендуется использовать процедуру,
представленную в разд. 2.2 3.5 (для испытаний,
которые выполняются менее чем через 1 ч или
24 ч после сбора) с использованием среды для
промывки из разд. 2 5.3.3.
2.5.4. Тесты на аэробное удаление:
выполнение
Как и в предыдущих тестах, для облегчения выполне-
ния, а также для фиксации и архивирования данных
следует заранее подготовить план реализации экспе-
римента, аналогичный представленному в габл 2 5 2
Для оцентзт удаления ЛБХПК в системах с активным
илом можно выполнить тесты на активность по уда-
лению органических веществ в аэробных условиях
Для таких тестов могут использоваться образцы ак-
тивного ила из производственных пли лабораторных
систем с реальными или синтетическими стоками
Образцы необходимо собрать в конце аэробной ста-
дии, когда присутствие ЛБХПК в образце не наблю-
дается Для выполнения теста на аэробное удаление
органического вещества предлагается следующая
процедур а
ТестОГБ.АЭР.1, Простои тест на удаление оргажчесюго
вещества в аэроб|Ых условиях
а После отбора, подготовки и переноса ила в реак-
тор периодического действия (см разд. 2.5.3.5),
обеспечьте аэрацию образца в течение как мини-
мум 30 глин, убедившись, что pH и температура
соответствуют целевым значениям исследования.
В противном случае установите соответствующие
заданные значения (при использовании автомати-
ческих регуляторов pH и температуры) или отре-
гулируйте параметры вручную Дождитесь уста-
новления стабильных условий
b Убедитесь, что концентрация РК выше 2 мг
с. Следите за временем выполнения теста и отбора
образцов с помощью секундомера
d Отберите первые образцы водной фазы и био-
массы, как только будут достигнуты стабильные
рабочие условия (примерно за 20 мие до начала
испытания), чтобы определить начальные кон
ценграции интересующих параметров раство-
ренный ХПК, NH4, РО4, ВВ и ЛВВ
е Подсоедините шприц для отбора образцов, затем
откройте лабораторный зажим, который закры-
вает отверстие для отборапроб, потяните и про-
толкните шприц несколько раз, пока не будет
получен сднсродный образец (обычно требуется
около 5 рав). Когда шприц наполнится, отсоеди-
ните его и закрепите зажим
f Сразу пропустите образцы, собранные для опре-
деления растворенного ХПК, NH4 РО4, через
фильтр с размером пор 0,45 мкм Другие образ-
цы (например, для определения ВВ и ЛВВ)
необходимо подготовить согласно соответству-
ющим протоколам
g. Храните образцы при 4 °C в холодильнике или,
что предпочтительнее, в прохладной коробке со
льдом до иво время выполнения теста
h Начните выполнение аэробного теста в «нулевое
время:- с добавлением реальных или синтегаче-
ских сточных вид (в качестве раствор а источника
углерода)
i. Добавьте реальную сточную воду или синтети-
ческие стоки, чтобы начальное отношение
ЛБХПК/ЛВВ в реакторе было около 0,10 мг
ХПК/мг ЛВВ Например, начальные концентра-
ции ЛБХПК и ЛВВ после смешивания могут со-
ставлять около 400 мг ХПК/л для образцов, со-
держащих 4000 мг ЛВВ/л Более высокие или
низкие отношения также допускаются при усло-
вии достаточного времени для отборапроб.
j Убедитесь, что показания РК после добавления
сточных вод остаются выше 2 мг/л, и чтс значи-
тельных изменений температуры и pH (выше
1 °C или ±0,1 для температуры и pH, соответ-
стьенно) не происходит
к Продолжительность и отбор образцов
of 346
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
120
i Обычно испытания могут продолжаться от 2
до 4 ч при исходных концентрациях раство-
ренного ХПК до 400 мг ХПК/л (при pH 7,0
и 20 °C).
и Для определения аэробных кинетических па-
р аметр ов образцы для выявления р агтвор енно -
го ХПК должны отбир аться каждые 5 мин
в течение первых 30-40 мин выполнения теста
По истечении этого периода частоту отбора
образцов можно снизить до 1 раза каждые 10
или 15 мин в течение первого часа, азатем-
каждые 15 или 30 мин до завершения теста
1 Завершите аэробный тест, взяв образны для
определения концентраций растворенного ХПК,
В В, ЛВВ, ЫН«и РО4
т. Систематизируйте пробы и убедитесь, что все
они заполнены и правильно промаркированы,
чтобы избежать путаницы в образцах и триви-
альных ошибок.
п. Образцы следует хранить в соответствии с реко-
мендациями по выполнению соответствующих
аналитических процедур! до момента их анализа.
о Очистите устройство и обеспечьте необходимое
обслуживание и уход за различными датчиками,
оборудованием и материалами
р Сохраните часть ила, использованного в тесте,
для возможного дальнейшего применения (для
идентификации микроорганизмов, см гл. 7и 8).
2.5.5,	Анализ данных
Удельный выход биомассы на единицу ХПК являет-
ся основным стехиометрическим параметром, пред-
ставляющим интерес при оценке аэробной стехио-
метрии ОГБ (табл. 2 5.1). Однако тест на аэробную
активность, представленный в этом разделе, нельзя
использовать для определения Yoho Главным обра-
зом это объясняется тем, что для определения YOHo
необходимо проводить респир о метрические испы-
тания параллельно с аэробными испытаниями, что
позволит оценить количество ХПК, используемого
для выработки энергии Исследования на эту тему
можно найти в следующих источниках (Wentzel et
al., 1995, Dircks et al., 1999; Goel et al, 1999, Guisa-
sola^/aZ, 2005)
Максимальную удельную скорость аэробного
удаления ЛБХПК (Чонода.дх) можно рассчитать пу-
тем построения графика зависимости эксперимен-
тальных данных (ось у) от времени (ось х) и подбора
экспериментальных данных, полученных в тестах
аэробной активности с использованием линейной
регрессии Поскольку максимальные скорости пред-
ставляют исследовательский интерес, можно приме-
нять линейный регрессионный подход, подбирая бо-
лее 4-5 точек экспериментальных данных при дости-
жении статистического коэффициента детерминации
(R"  не ниже 0,90-0,95 Это является основной при-
чиной, по которой частота отбора проб в течение
первых 30—40 мин выполнения тестов периодической
активности установлена на 5 мин Максимальная
объемная кинетическая скорость может определяться
на основе наклона уравнения линейной регрессии
Это приведет к определению максимальной объем-
ной скорости (обычно указывается в таких единицах,
как мг/л ч или г/м3 сут) Рис. 2.5 1 иллюстрирует
опенку максимальной скорости аэробного кинетиче-
ского удаления для куль гуры ОГБ
Рисунок 2:5.1. Гример определения макси мал? ной аэробной объемной
кинетической скорости удаления органического вещества (выраженной
в мгХПК/лч) в тес те на аэробную актгеностъ
Скорость можно выразить как максимальную
удельную кинетическую скорость путем деления
объемной скорости (или значения наклона) на кон
центрацию ЛБЕ активного ила Важно отметить,
что максимальную скорость роста для конкретной
биомассы невозможно рассчитать прямым спосо-
бом, если учитывать увеличение кониентрации био-
массы в течение цикла поскольку она может быть
практически незначительной и попадать в стандарт-
ный диапазон погрешности аналитического опреде
ления ЛЕВ в иловой смеси Вместо этого выполня-
ются либо длительные непрерывные тесты, либо
тесты на аэробную активность параллельно с теста-
ми на респирометрию (гл 3), согласно описанию в
научной литературе (Kappeler and Gujer, 1992;
Wentzel et al., 1995)
2.5.6.	Пример
2.5.6.1.	Описание
Для иллюстрации выполнения теста на аэробную
активнос ть ОГБ, в настоящем разделе представлены
данные теста проведенного при 15 °C с натураль-
ным образцом активного ила Тест ОГБ АЭР. 1 вы-
полнялся для определения аэробной кинетической
скорости ОГБ по удалению ЛБХПК Испытание на
активность проводили с использованием реактора
объемом 3,0 л Все оборудование и материалы были
подготовлены согласно описанию из разд 2.5.3.
Датчики pH и РК были откалиброваны менее чем за
rtUlUITldLK 2ХП
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
1И
24 ч до проведения теста Продолжительность теста
составила 4 ч Перед началом 1,25 л свежего актив-
ного ила собранного б конце аэробной фазы дей-
ствующей производственной установки, было пере-
несено в реактор и акклиматизировано в течение 1 ч
при 15 °C и pH 7,0 с медленным перемешиванием
(10 3 об/мин), следуя рекомендациям, описанным
в разд. 2.5.3.5. Подготовка активного ила к тесту
проводилась менее чем через 1 ч после отбора про-
бы После этого за 20 мин до начала испытания ско-
рость пер.смешивания увеличили до 310 об/мин
и собрали образцы для определения представляю-
щий интерес параметров (в соответствии с протоко-
лом теста ОГБ АЭР 1) Испытание началось с до-
бавления 1,25 л синтетической среды, содержащей
400 мт ХПК/л в виде Ас В синтетические среды
были включены другие макро- и микроэлементы,
а также ATM в объеме 20 мг/л в соответствии
сразд 2 5 3 3. Поскольку испытание проводилось
при 15 °C, температура синтетической среды была
доведена до 15 °C на водяной бане, работающей при
той же температуре перед добавлением Образцы
отбирались каждые 5 мин в течение первых 30 мин
аэробной фазы. Сразу после отбора все образцы
были подготовлены и помещены на хранение в со-
ответствии с описанием из разд 2 5 3 4 Анализ об-
разцов выполнен согласно указаниям в разд. 2.5.2 4
В табл 2.5.2 приведен план экспериментальной реа-
лизации теста
2.5 6.2. Анализ данных
Исходя из результатов теста на активность, приве-
денных в табл 2 5 2, на рис. 2 5 2 отражена оценка
максимальных объемных кинетических скоростей
ОГБ с применением линейной регр ессии
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4.0 4,5
Время (ч)
Рисунок 25.2 Графическое представление данных, полученных на
примере экспериментального плана выполнения теста на активность
(Тип ОГБ АЭР 1) с реальным активным илом при 15 °C с использовани-
ем сттнической среды при pH 7 Л Основная лшия графика отражает
коэффициент конверсии ЛБХПК для дальнейшей оценки максимальной
удельной кинетической скорости
На основании максимальной объемной скорости
удаления ХПК, показанной на рис 2 5 2, и концен-
трации ЛВВ 1 890 мг/л (как среднего значения кон-
центрации ЛВВ в образцах ила, отобранных в начале
ивкенце испытания), можно оценить удельную ско-
рость удаления ЛБХПК в 0,20 г ХПК/г ЛВВ ч, что
соответствует примерн' 4,81 г ЛБХПК/г ЛВВ сут
Используя отношение ХПК к ЛВВ для биомассы,
равное 1,42 г ХПК/г ЛВВ (Metcalf and Eddy, 2003),
можно рассчитать Чинораткрх- равное 3,39 г ЛБХПК/г
ЛВВ сут Кроме того, поскольку испытание проводи-
лось не при 20 °C, а при 15 °C, с помощью -типичного
коэффициента Аррениуса 1,07 дчя активности ОГБ
(Metcalf and Eddy, 2003) можно определить
Оснохпкд» Равное 4.75 г ЛБХПК/г ХПК сут (3,39 г
ЛБХПК/r ЛЕВ сут/1,0711''Это значение находится
в диапазоне других максимальных удельных кинети-
ческих скоростей, зафиксированных для процессов
аэробного удаления органического вещества Важно
отметить, что б синтетических стоках содержались
400 мг ХПК/л, а концентрация ХПК, измеренная через
5 мин после начала теста, составляла 203 мг ХПК/л
из-за разбавления синтетических стоков объемом
1,25 л активным илом, не содержащим ЛБХПК, в том
же объеме и высокой кинетической скорости удале-
ния био массы Кроме того, можно сделать следующие
замечания. (1) начальная концентрация ХПК б актив-
номиле до добавления сточных вод составляла около
56 мг/л. и (ii) конечная концентрация ХПК в конце
теста оставалась на уровне около 30 мг ХПК/л. По-
следнее значение соответствует растворены о му
не биоразлагаемому ХПК, присутствующему в образ-
це активного ила, который не может быть удален био-
логическим путем (как описано в этой главе).
Присутствие азота (в виде аммиака) и фосфора
(в виде ортофосфата) в начале (около 5,3 и 1,2 мг/л,
сс ответственно) и в конце теста (8,3 и 1,8 мг/л, соот-
ветственно) указывает на то, что эти микроэлементы
не являются ограничивающими Фактически концен-
трации в конце теста выше, т. к. синтетическая среда
содержала около 28 мг NH< N/л и 8 w РО4-Р/л. Таким
образом, после разбавления и поглощения питатель-
ных веществ доя синтеза биомассы в конце аэробного
теста оставалось 8,3 мг NH4-N/.th 1,8 мг РО4-Р/л Ес-
ли известны фактические потребности в азоте (П^б)
и фосфоре (Р-ф^б). их можно оценить с помощью сле-
дующих выр ажений
NTre6 = YxnKJI5TKygaireH’Ns; (2.5.2)
lev
Р ‘ХПК •Ш-’^'-чдален	с -зЧ
-t-rpeb =------------------->	(4 5.
<У
где Yqho _ рост биомассы (в ХПК-биомасс а/ХПК-
субстрат); ЛБХПК^^ - это концентрация ЛБХПК,
удаленная в ходе теста (с учетом начальной концен-
трации ХПК и возможных эффектов разбавления);
Ns - потребность в азоте для роста биомассы, пред-
полагаемое значение около 0,10 г N/r ЛВВ, Ps - по-
требность в фосфоре для роста биомассы с предпо-
лагаемым значением около 0,03 г Р/г ЛВВ, fey - от-
ношение ХПК/Л ВВ для ила, обычно предполагаемое
значение 1,42-1,48 г ХПК/г ЛВВ (Metcalf and Eddy,
2003, Ekamaand Wentzel, 2008a).
of 346
1П
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Таблица 2.5.2. Гример плана экс пери ментальной реализации те ста на а ктивн ослъ (Тит ОГБ АЭР1), выполненного с реальным активны милом
при 15 ’Си pH 7,0 с использованием синтетической среда
Тест на 5 с.обное удало н» ХГК			I кЦ I. ": Jtf 1
даз:	Че вгрг 09.1 0.201 5 1 0:00	П ро цеду рв ж пе риген та.	Spew (ч: кит)
On»ta иг	Испытания при 25 "С, pH 7, с син тепчесиим су бс тр а том и 1 бр а ад о м ъ а ту ралено по и л	1 Убедитесь ь нал чии № триала дл итбора проб и нео бходимкго об'рудое ания.	08 00
Тест №.	1 из 6	2 Проверь* налбрпвкуи функцлпннриьани* систему сч>ччинов и датчиков.	08. Ю
Продели .тгелиюстк	4.0 ч (240 мтн)	3 П *р ене си те 1,2 5 п ила в ре ап к. р п ери одиче с ио ш дейс тья я.	08'30
Субст per	Син те кчесиии: ацетат(350 и?л)-мораль- ный pact пр N и Р	4 Н ачн и те с ос то ро яио го п ере мт шив ани я и б арб о тир иьа кия воздуха пр и я дан ных значенияхТ и pH	08.40
Тея <а отбора проб:	Средняяьькпв растра в SER	5 3 а 20 в* н до н ачала возьми те о бр азец для п пре делен ия и сходных п ара № в ов (ОГБ.АЭР.1.11	09:40
№ обрез тр:	ОГ БДЭР 2(1-22)	6 Начните тес тир "па ни е: добавьте 1,25 л си н т» w сю й среды (ну летая **и)	1000
Объем об раз ца:	222 мл (10 мл для ЛВВ, 6 мл для других эбраадов)	7 Н ача ло цикл: доба влени е 1,25 л син те и чес ко го носи в га (0 мин).	10:05
Объем реактора: Грвф и»отбора проб	2,5 л	5-я тян, п р> долм и те отб up проб всоотетсъии с плн. м 9 24и-я шн, прекратите аэрацию и перемешивание 10 Организуйте хранение Образцов И ОЧИСИ те систему. 11 Убедитесь, что все оборудование выключено.	14:00 14'15 1420
Гремя IMIHJ	-20	0	5	10	15	20	25	30	4о	50	60	75
В ПеМЯ (Ч)	-0,33	0,00	0,08	0,1?	0,25	0,33	0,42	0,50	0,67	0,83	1,00	1,25
№ об рада	1		2	3	4	,5	б	7	8	9	10	11
Параметр	АЭРОЬН АН ФАЗА											
НДС (мг/л)	501		203	195,5	184	173	158,5	143,5	135,5	129	119,5	83
РЗхР (и/л)	1,2’											
NHxN (и?л)	5,3’											
Б 6 и ЛЕВ Гмг/л)	СМ В блицу											см «блицу
’Среднее значение ионцентрацмм, при сук твтютце й асан ftx ческом субстрате и одной фазе образца и л до начала теста
1 рафит ’тбора пр " цхуглоевие)
бремя imihj	90	105	120	135	150	165	180	195	210	225	240
Бремя (ч)	1,50	1,75	2,00	2,25	2,50	2,75	3,00	3,25	3,50	3,75	4,0
№ об рада	12	13	Г?4	15	16	17	18	19	20	21	22
Параметр	АЭРОБНАЯ ФАЗА										
Н Ас (мг/л)	73	63	43	38	28	30,5	33	25,5	28	26,5	30
РО»Р (и?л)											12
НН?) (к/л)											8,3
ВБ и ЛБВ (мг/л)											см таб лцу
Измерение ВВ и ЛЕИ
То чтя отбора проб	Пр об и на N»	шн	10)2	ЮР	ЮС-ЮН	ОШ-ТО	ВВ	ЛВС	Отношение
Начало аэробной фазы2	1	0,08835	0,11)741	0,08849	0,01906	0.01892	1,906	1,892	,и,99
	2	0,08835	0.10759	0 09018	1.01924	0,01742	1,924	1,742	0.91
	3	0,08834	0,10683	0,08940	0,01849	0,01742	1,849	1742	ч,94
Среднее							1,893	1,792	0,95
Конец аэробной фаты	4	1,792	0 95	0.08934	0,61890	0,01824	1,890	1,824	0,97
	5	1,324	0,9?	0,08874	0,01853	0,01742	1,853	1,742	1)94
	6	1,742	0,94	0,08973	0,61926	0,01675	1,926	1,675	7,87
Среднее							1,890	1,74?	0,93
’Образец, ьзя ни перед добавлением субстра ь
Состав fi мо «все ы
Точка о Бора проб	Начало аврибной фазы	Конец аэробной фазы	П | имечанис	
ВБ (мг/л)	1,893	1,890		
ЛБВ (м?л|	1,792	1.747	АЦе тапСНтО]	30,03 кгЛЗ -мпил
Отношение	о,95	0,93	Ог тофосфат(?Оо-Р)	31,00 wP-mmoji
Зола |мт'л)	Ю1	142	АММОНИИ (NH«-N	14,00 Wfl BFhft
2.5.7.	Дополнительные факторы
и рекомендации
2.5.7.1 Одновременное накопление
и рост микроорганизмов
Рctличные исследования, приведенные в лаборатор-
ный и натурный система:; подтвердили одновремен-
ное накопление ЛБХПК и рост микробов в азробньп:
условиях (van Loosdrecht et al., 1997, Eeun et al., 2000;
C'ircks et al., 2001; Martins et al., 2003, SmeT al, 2005).
В таких условия:; а также когда ОГБ подвергаются
воздействию высоких градиентов субстрата (напри-
мер, наблюдаемых в реакторах с поршневым по током
или в аэробных селектора:-: в системах с активным
илом), часть ЛБХПК, присутствующего в объемной
жидкости, тр ан спор тар уе гея через клеточную мем-
брану и накапливается в виде внутриклеточных по-
of 346
ОПРВДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
1 п
лимеров, таких как ПГА, которые затем при низких
концентрациях субстрата в иловой смеси использу-
ются для роста биомассы (Sin et al., 2005), при этом
не накапливаемый субстрат одновременно исполь-
зуется для роста Такая комбинация процессов при-
ведет к очевидно более высоким значениям YqH0,
поскольку для аэробных процессов удаления и хра-
нения ЛБХПК, по-вид и ми му, требуется меньше кис-
лорода, чем для прямого ростанаЛБХПК (по крайней
мере при наличии процесса накопления субстрата)
Роль и важность процессов накопления в системах
с активным илим получили широкое признание были
разработаны и активно обсуждались различные моде-
ли наиболее оптимальнее о ^писания одновременного
возникновения процессов накопления и роста в нату-
ральных системах (Gujer et al., 1999, Sm et al., 2005,
Guisasola et al, 2005, van Loosdrecht et al, 2015). Для
проведения испытаний по аэробному удалению ве-
ществ, направленных на определение кинетической
скорости удаления, одновременное возникновение
этих процессов не должно иметь прямых практиче-
ских последствий Тем не менее необходимо отме-
тить, что они будут влиять на профили скорости по-
глощения кислорода и приводить к определенным
отклонениям в предлагаемых значениях Yoho, как
подробно описано в научном труде (Guj er ei al, 1999)
2.57.2. Нехватка питательных веществ
Наличие макро- и микроэлементов в правильных
концентрациях имеет важное значение для успеш
ной работы системы с активным илом (рис 2.5.3).
Обычно они присутствуют в достаточных количе-
ствах в большинстве городских сточных вод, но их
наличие необходимо проверить и подтвердить, осо-
бенно если КОС регулярно принимают промышлен-
ные стоки Для этой цели можно выполнить про-
стую оценку потребностей биомассы в питательных
веществах в качестве концентрации для удаления
ХПК (кат: предлагается в этой главе) и сравнить ее
с концентрац иями питательных веществ в стоке,
чтобы оценить, достаточно ли их биологического
роста Нехватка таких питательных веществ может
привести к серьезным проблемам, в том числе
к образованию мелких хлопьев и нитчатому вспуха-
нию ила (Eikelboom, 2000, Manins, 2004), влияющим
на качество сточных вод В крайних случаях нехват-
ка питательных веществ может привести к выходу
из строя системы активного ила.
Z573. Токсичность или ингибирование
Количество ОГБ в системах с активным илом
настолько велико и равнообразно, что они могут ак-
климатизироваться и адаптироваться к рзвличным
условиям окружающей среды и эксплуатации и даже
выдерживать присутствие различных потенциально
токсичных или ингибирующих соединений, в частно-
сти возникающих в результате промышленной дея-
тельности Несмотря на их способность к акклимати-
зации к т аким разнообразным условиям, ингибирую-
щие эффекты могут привести к неоптимальной ак-
акгивности микробного процесса. Чтобы оценить
такие потенциальные эффекты, можно выполнить два
теста на активность один с исходным илом, а дру-
гой - с тем же илом, но промытым в минеральном
растворе для удаления потенциально ингибирующих
или токсичных соединений (описано в разд. 2.5 3 5)
Для сравнения результатов, полученных в каждом
тесте на активность, будет полезно оценить, влияет
ли присутствие определенных соединений на актив-
ность ОГБ Однако следует помнить, что такой под-
ход применим только в том случае, если ингибирую-
щие эффекты (быстро) обратимы.
сети tmemet контроллер «-Оигга! Ккгня аыродей оешмнм першленм* ос***®
м *м и мтегдомотъ » нм» хжаниул сеть • бехгжиьй f*** м ерм* лпых
Автоклавируемый стеклянный биореактор
Кон-роллер ez Control
МИ'Л’« ДИ1.
•ЧР* » мпдоа.
Удобмм ОАМЧЙ
НГМПММруакЫ*
«й-гама лмкосл
др 3 бутылей
для дс6за«о*>«
•мдюстгй
темлпитщя** «исея *’•
GtrWWXM ”W'* ней
ДО”**”-
Ж*	®tnpa •
Рисунок 2.5.3. tbi со ко технологии на я био ре акторная система для периодических и непрерывных испытаний с нитробными культурам (фото: Ар pl ikon
Biotechnology В V, 2016)
of 346
114
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Приложение 1. Коэффициенты для перевода единиц измерения
Таблица А.1. Коэффициенты перевода (КП  для удельной кон версии в еще ств, стелю метрически); и кжетическю. параметров для углерода, фосфора,
азота и серы
Параметр	Ед измерения [в мг)	Ед. измерения fe моль)	КП	Ед измерения (вмг ХПК)	КП
АНАЭРОБНЫЕ ПАРАМЕТРЫ					
Отношение вьсвобождение фос фодеАюгл ведение НАС	МГ РОл+лг CrfW;	Р-чолыС-моль	0,32	мг РО*АиХПК	0 95
Отношение утилизация гликогенаЛтоглощение Нас	мг ] С|Н 10 s )г/мт CiNjOj	С-молЫС-моль	1,11	мгАПКАйгХПК	1,12
отношение образование ПГБ/ТкГ л сидение НАс	мг । СЛ iOj )nAir ОН	С-молыС-моль	1,4)	мгкПКМХПК	1,57
итношение образование ПТЕ/пот лощение НАс	MrfQHiOiHr QHX);	С-молыС-моль	1,56	мг XlKtor ХПК	1,82
Отношение образование ПГэГиЕ'ЛсглощениеНАс	мг (С*Н lOijn^Mr CsHtOj	С-молыС-моль	1,58	мгХ1КАлг ХПК	2,01
Отношение высвобождение фос фатаТтогл сидение НРг	МГ РОл+ЛГ CjHjO;	Р-моль/С-моль	0,80	мг PUiAli ХПК	0,65
отношение утилизация гликогенаАтогл ыдение НРг	MT(CiHiOs)iAii CiHiO;	С-моль/С-моль	0,92	мгХПКАиХПК	0,77
(Ттношение образование ПГБЛкслыдение НРг	Mrf СЛ iOjj^ir CiHiOi	С-МОЛЬ/С-МОЛь	1,15	МГХ1ШХЛК	1,08
Отношение образование ПГВЛктлощение НРг	MrfCiHAj^r CjHiOi	С-мольТС-моль	1,23	мгХЗКАггХПК	1,25
Отношение образование ППЬВ/ПоглтщениеНРг	MrfCjH i1 iji33r CiHiOi	СмолЫС-моль	1,30	мгХПКАдгХПК	1,39
Отношение образование П ГВ/образование П ГБ	Mrf QsHtOsjntar {C*HiO;)„	С-чолыС-могь	1,08	мг ХПКЛгХПК	1,16
Отношение восстановление суль ф*г аЛтоглощзние НАс	мг SO*Air CrfW;	8-чольА>моль	0,31	мг SO*Air ХПК	0,95
итношение восстановление суль фа1 аАюглощрние НРг	MrSO*Air CsHtOj	8-молыС-моль	0,26	мг SO«tar ХПК	6,65
Отношение образование активной биомас	мг (CHi ,n Oii ;i h )Air So*	С-мольЛ-моль	3,70	мг XlKAir SO*	1,52
сы^оссгановление сульфата					
АНОКСКДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ					
Разложение П ГБДдаление нитрата	MrfOliOiJiMNOi	С-молкЛЧ-моль	2,88	MrXlKAirNOi	1.66
Разложение ПГВ/удаление ник ата	MffCsHAj^ir NOs	См ольЛ 1-моль	3,10	MfXlKAirNOj	1,92
Разложение ППМВУдэление нитрата	MrfQHiO:).M NOs	С-чоль? 1-моль	3,26	MrXlKAirNOs	2,12
Образование гликогенаЛдаление ни-fiara	Mr(QHiOj)«tar NOs	С-мольЛЧ-моль	2,30	MrXlKAirNOj	1,18
Образование поли фос фр Удаление нитрата	Mr(PUiM]i,jiKi,;s)fdir NOs	Р-мольЛч-моль	0,62	мгХПКЛгМОз	-
Образование активной бионасеьУудаление нитрата	Mrf CHs jiOiX* ;ihj:)Air NOs	С-мольЛЧ-моль	2,38	Ml XlKAll NOi	1,52
Разложение метанола/уделение нитрата	MrCHjfJAirNOj	С-молкЛч-моль	1,92	мгХПКА/irNOs	1,98
Разложение этанол лудзл ение нитрата	Mr CiH iOAir NOi	С-мольЛЧ-моль	2,70	MrXnKAirNOi	2.06
Разложение адетзта/уда ление нитрата	МГСЛ4М1Г NOs	СмольЛЧ-моль	2,08	мг XlKAirNOi	1,06
Разложение ПГБДдаление нитрита	МГ|‘СЛ iOjVhr NO;	С-молкЛЧ-моль	2,14	MrXlKAirNOj	1.66
Разложение ГГЕ/удаление нитрита	MrfCjHtOiJ^r NOs	СмольЛЧ-моль	2,30	MrXnKtorNOi	1,92
Разложение аноксидного П Г: К^Лда ление нитрита	MrfQiH »Оз),Ллг NO:	СмольЛЧ-моль	2,42	мг XlKAirNO;	2,12
Образование гликогена^даление нитрита	MrfCtH 1О5)гЛлг NOj	СмольЛЧ-моль	1,71	MrMlKAirNO;	1,18
Образование полифосфета/Удаление нитрита	MrfPUsMgi.ssKijs)iAir NO;	Р-мольЛч-моль	0,48	МГ Х1КЛЗГ NO;	-
Образование активной б иомассы^де ление нитрита	мг CH г,n Ouihi л Pi j: Air NO;	СмольЛЧ-моль	1,77	МГХ1КАИГ NO;	1,52
Разложение метанол а/удаление нитрита	МГСН^ЭЛлг NO?	СмольЛЧ-моль	1,43	МГ Х1КА1Г NO;	1,98
Разложение атанола/удал ение нитрита	мгСУН iOAir NO;	СмольЛЧ-моль	2,00	MTMlKAirNOt	2,06
Разложение ацетата/удаление нитрита	мгСЛААзгМО;	СмольЛЧ-моль	1,54	MrKlKAirNOi	1,06
Удаление нитритаЛда ление аммония	MrNOiAirPH*	N-мольЛЧ-моль	0,39	МГ NO: Air N1*	-
Удаление нитрзта?да ление аммония	MrNOiAirMd*	N-мольЛЧ-моль	0,29	мг NOjAir Nh*	-
Образование активной биом асе ьйтоглосдение аммония	МГ (CHa ji Oii*T'i 3Р1 jjJAir NH*	СмольЛЧ-моль	0,69	мг XlKAir NH*	-
АЭРОБНЫЕ ПАРАМЕТРЫ					
Разложение ПГБ/потребление кислорода	МГ(СЛ|О;)^1Г 0;	С-МОЛЬ/МОЛЬ 0;	0,37	МГ XlKAir 0;	1,66
Разложение П ГВЛютребле ние кис породе	MrfQHtO:)nM 01	СМОЛЬАЮЛЬО:	0,40	мг XlKAir U:	1,92
Разложение ППМБйютребл ение кислорода	MrfCtH 1С';)лА1Г 0;	С-МОЛЬАЮЛЬ 0;	0,42	MrXlKAir 0;	2,12
Образование гликогенайотреб ление кислорода	мг| QHiiOsJnAirO:	СмольАюль 01	0,29	мг MIKAir 0:	1,18
Образование поли фо г фот айспреб ление кислорода	MrfPOiMgi,jjKi,ii)nAir 0;	Р-мольАюль 0;	0,08	Mr(PO<Mg^|ii)iAir 0;	»-
Образование активной бИ'/лассьйтотребление кислорода	MrfCH:jiOi>*rK;ih j:)Air Oi	СмольАюль Oi	0,31	мг XI Km 0:	1,52
Образование активной 6 йен ассыТкил ведение аммония	Mrf CH; iiOutfl ;iPi j:)Air NH*	СмольЛМмоль	0.69	MrXlKAirNH*	1,52
га 
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКГИ ВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ	1И
Окончание табл. А. 1
Параметр	Едизмерения (в мг)	Ед измерения (в миль)	КП	Едизмерения (вмг /ПК)	КП
ОБЩИЕ ПАРАМЕТРЫ					
н A	мг Р.1.1Г С	Р МиЛЬ/С-МОЛЬ	0,39	-	-
н A	мтСгМГ С	С-молЫС-моль	1,00	-	-
н A	мгСАтгЫ	С-молыМ-моль	1,16	-	-
н Д.	мг P*ir N	Р-мильЛЧ-моль	0,45	-	-
н.Д.	мг С/мг 01	С-мольЛЩмсль	1,33	-	-
н Д.	мг РДчг 01	Р-МОЛЬ/01-МОПЬ	1,04	-	-
МОЛЕКУЛЯРНЫЙ ВЕС					
СЕК	МТСН1О1	С-моль	0,022	мгХПК	0,35
НАС	mtCiHiO	С-моль	0,033	мгМ1К	1,06
НРг	mtCiHiOi	С-моль	0,041	мгХПК	1,53
НВг	мг CiHtOs	Смоль	0,045	мгХПК	1,80
Лактат	MTCiHiOt	С-моль	0,033	мгХПК	1.06
Метатол	мгаСНЮ	С-моль	0,031	мг ХПК	1,98
Этанол	mtCiHiO	С-моль	0,043	мг ХПК	2,06
Глюкоза	mtCiH л Oi	С-моль	0,033	мг ХПК	1,06
Сульфид	MTS3’	8-моль	0,031	miXIK	2,00
Углекислый га:	mtCOi	С-миль	0,023	-	-
Фог фат	мт Р(м	Р-миль	0,011	-	-
Азот	MTN1	Ы-моль	0,071	-	-
Аммоний	mtNH*	N-моль	0,055	-	-
Ни1 par	mtNO:	N-моль	0,043	-	-
Нитрит	mtNOi	N-чиль	0,065	-	-
Кислород	mt 0s	моль О;	0,031	-	-
Сульфат	mtSOi	8-моль	0,010	-	-
ПГБ	Mr(OHiOi)n	С-моль	0,046	мг ХПК	1,66
ПГВ	MTfQHiOiJn	С-моль	0,050	мг ХПК	1,92
ПГ1МВ	mt(QHiOi)i	С-моль	0,053	мгХПК	2,12
Гликоген	MT(QHiOs>	С-моль	0,037	МГХ1К	1,18
Поли фосфат	MTf POfeMi* ;sKi;s)n	Р моль	0,010	-	-
Активная биомасса	мг( CHi |iOi;4fi ;iPi r)	С-моль	0,038	мг ХПК	1,52
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ФАКТОРЫ					
Общая фращия активной биомассы в ЛВВ в обогащенной	мгЛВВ	мг активной б иомахы	0,86		-
культуре УБУФ"					
• содержите глисигина 6 иле г	гея е завлимои и от со двигая полифи. фнга ^PJeles efat1., 201%).
Список литературы
Abdeen, S, Di, W, Hui, L., Chen, G -H and van Loosdrecht
M.C.M. (2010). Fecal coliform removal in a sulfate reducing
autotrophic denitnfication and nitrification integated (SANI)
process for saline sewage treatment Water Science and
Technology. 62(11). 2564-2570
Acevedo, B, Oehmen A, Carvalho, G, Seco, A., Botias, L and
Bai at R. (2012). Metabolic shift of polyphosphate- accumulating
organisms with different levels of polyphosphate storage. Warer
Research, 46(6): 1389-1900
Acevedo, B , Bartas, L., Oehmen, A. and Barat R (2014).
Modelling tire metabolic shift of polyphosphate- accumulating
oiganisnis Wafer Research, 65 235-244
Al Abbas, F.M., Williamson C, Ehola, SM, Speai; J.R.,
Olson D.L, Mishra, В and Kakpovbia, AE (2013). Influence
of sulfate reducing bacterial biofilm on corrosion behavior of
low-alloy, higflstrength steel (API-5L X30) Iniernanonai
BiodetencrOion <£ Elode gradation. 78.34-42.
Alin J, Schroeder, S. Beet; M., McIlroy S, Eayly R.C., May J W,
V asiliadis G andSeaaoup RJ (2007). Ecology of the microbial
community removing phosphate flam wastewater under
conunuoufly aerobic conditions in a sequencing batchbioreactor
Appliedana Environmental Mcrobiology, 73(7): 2257-2270.
Almeida, PF , Almeida, R.C.C., Caivalho, EB, Souza, E.R ,
Caivalhn AS, Silva, C.H.TP and Taft, CA (2006)
Overview of sulfate-reducing bacteria and stiategiesto control
bicsulfide geneiation in oil waters	biotechnology in
medicinal chemitrry and indicrry, Taft, C.A. (Ed.). Research
Signpost, Tn vandrum, India.
of 346
111
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
American P’jblic Health Association ('APHa) American Water
Works Association (AWWA), and Water Environment
Federation iWEFj (2012). Standard methods foi the
examination of water and wastewater 22nd edition, ISBN
0875530133, Washingon, D C
Arden, E. andLockett, WT (1914). Experiments on the oxidation
of sewage without the aid of filters Journal of the Society of
Chemical Industry, 33(10; 523-539
Artiga, P, Gonzalez, F, Musquera-Conal, A, Campos J L.,
Ganido, J.M., Ficara, E and Mendez, R (2005). Multiple
analyses reprogrammable titration analyser for the kinetic
characterisation of nitrifying and autotrophic denitrifying
biomass. Biochemical Engineering Jotrnci,26. 176-183.
Baetens, D, Autola, AM, Foglia, A., Dionisi, D and van
Loosdrecht, M.C M (2002) Gas chiomatogaphic analysis of
polyhydioxybutyrate in activated sludge' a round-robin test
Water Science and Technology. 46(1-2) 357-361
Bale^ C.W., Chartrand P , Degtrov, S.A., Eriksson, G., Hack, K..,
BenMahfoud, R , Ме1ап^оц J., Pelton, A.D and Petersen, S.
(2002). FactSage thermochemical software and databases
Calphad,26 189-228.
Balk, M , Altitfoaj, M., Rijpstra, W.I.C, Sintun^ie Damste, J.S.
and Stems, A.IM. (2008) Desulfatirhabdium butyr ativ or ans
gen nov., sp nov., a butyrate-oxidizing sulfate-reducing
bacterium isolated from an anaerobic bioieactor International
Journal cf Systematic and Evolutionary Microbiology, 58
110-115
Baranao, P.A and Holl, E R (2004) Modelling carbon oxidation
in CTMP pulp mill activated sludge systems calibration of
ASM3. Water Science and Technology, 50(3): 1-10
Barat, R, Montoya, T., Eorras, L., Ferrer, J and Seco, A (20080.
Inta actions between calcium precipitation and the polypliosphate-
accumulating bacteria metabolism. Water Research, 42(13).
3415-3424
Barker, P.S and ЕюЦ P.L. (1995). COD and nitrogen mass
balances in activated-sludgje systems Water Research, 29(2):
633-643
Bettazzi, E., Caff az, S , V anmni, C and Lubello, C (2010) Nitrite
inhibition arid intermediates effects on Anammox bacteria
a batch scale experimental study Process Biochemistry,
45(4): 573-580
Beun, J.J., Paletta, F , van Loosdrecht, M.C.M and Heijnen J J
(2000). Stoichiometry and kinetics of Poly-B-hydroxybutyrate
metabolism in aerobic, slow growing actrrated sludge
cultures. Bioteclvbolog? and Bioengneering, 67:379-389
Bi,	Z, Qiao, S, Zhou J , Tong X. and Zhang J (2014). Fast
startup of Anammox process with appioptiate ferrous non
concentration Bioresource Technology, 170 506-512.
Bilanovic, D, Battistom, P., Cecchi, F, Pavan, P and Mata-
Alvarez. J (1999). Denitrification under high nitrate
concentration and alternating anoxic conditions Waer
Research, 33(15) 3311-3320
Bjerrum, J„ Schwarzeribach, G andSillen, L.G. (1958). Stability
Constants. Chemical Society, Landon
Blackburne, R , V adivelu, V M., Yuan Z and Keller, J (2007).
Determination of giowth rate and yield of nitrifying bacteria
by measuring carbon dioxide uptake rate Water Environment
Research, 79< 12)' 2437-2445
Bock, E, Schmidt, I., Stuven, R and Zart, D (1995). Nitrogen
loss caused by denitrifying Nitrosomonas cells using
ammonium or hydrogen as electron donors and nitrite as
electron acceptor Archives cf Microbiology, 163:16-20.
Bogaert, H, V anderhasselt, H , Getnaey, K, Yuan, Z , Thoeye, C
and Verstr aete, W (1997). A new sensor based on pH-effect
of the denitrification process Journal cf Envirormental
Engineering, 123' 83 4-891.
Boyles, S. (1997). The Science of Chemical Oxygen Demand
Technical Information Seneg Booklet No 9, HA.CH
Company, USA 1-23
Brdjanovic, D., Hooijmans, C.M, van Loosdrecht, M.C.M,
Alaerts, G.J arid Heijnen, J J (1996) The dynamic effects of
potassium limitation on biologic al phosphorus removal. Water
Research, 30(10) 2323-2328.
Brdjanovic, D, van Loosdrecht, M.C.M., Hooijmans, CM,
Aiaerst G.J. and Heijnen, J J. (1997). Temperature effects on
physiologr of biolog cal phosphorous removal systems. ASCE
Journal of Environmental Engineering, 123 144-154
Brdj ano vic, D (1998a). Modelling biolog cal phosphorous
removal in activated sludge systems. PhD Thesis Delft
University of Technology, ISBN 9054104155, Balkema
Publisher^ Rotterdam, the Netherlands
Brdjanovic, D., Logemann, S, van Loosdrecht, M.CM,
Hooijmans, C.M., Alaerts, G.J. and Hennen, J.J (1998b).
Influence of temperature on biologic al phosphorus removal-
process and molecular ecological studies Water Research,
32(4): 1035-1048.
BrJjanoviq D, Slamet, A., van Loosdrecht, M.CM,
Hooijmans, C.M, Alaerts, GJ and Heiinen J J (1998c)
Impact of excessive aeration on biological phosphorus
rem oval from wastew ater Water Research, 32(1): 200 -208
Et dj ano vic, D,	van Loosdrecht, M.C.M, VeetsteegP,
Hooijmans, C.M, Alaerts, G J. and Heijnen, J.J (2000)
Modelling COD. N and P removal in a full-scale WiVTF
Haarlem Waar de rp older. Water Research, 34: 846-858.
Butow, L.C, Kong Y, Nielsen, J.L, Blackall, L.L. and
Nielsen, PH (2007) Abundance and ecophysiology of
Defluvucoccus spp, ^уг о gen-accumulating organisms in
full-scale wastewater treatment processes. Microbiology.
153(1): 178-185
Butrin, K.R, Selwyn, SC. and Wakerley D S. (1956) Sulfide
production from sulphate-enriched sewage sludges. Journal о/
Applied Bacteriology, 19(1): 3-15
Caccavo, F.Jr, Fiolund, B, van Ommen Kloeke, F and
Nielsen, P H. (1996). Deflocculation of activated sludge by
the dissimilatory Fe(II I)-reducing bacterium Shewaneka
alga BrY Applied and Environmental Microbiology, 62
1487-1490
Carvajal-Anoyo, J.M , Sun, W, Sierra-Alvarez, R and Field J.A
(2013) Inhibition of anaerobic ammonium oxidizing
(Anammox) enrichment cultures by substrates metabolites and
commonwastewater constituents. Chemosphere, 91.22-27.
Carvalho, G , Lemos, P.C, Oehmen, A arid Reis, MA. (2007).
Demtniyuig phosphorus removal' linking the process
performance with the microbial community structure. Water
Research, 41(19) 4383-4396
Carvalheua, M, Oehmen, A, Carvalho, G, Eusebio, M and
Reisi, M A. (2014) The impact of aeration on the competition
between polyphosphate accumulating organisms and glycogen
accumulatrtigorganisms. Water Resewch, 66.296-307.
Cao, Y, Ang C, Chua, K, Woo, F, Ch, H, Bhawna, В ,
Chong C.T, Ganesan, N, Ooi, K.E and Wah, Y (2099).
Enhanced biological phoqahorus removal in the retrofitting
from an anoxic selector to an anaerobic selectoi in a full-scale
activated sludge process in Singapore. Water Science and
Technology, 59(5): 857-865
Cech, J.S and Hartman, P (1993). Competition between
polyphosphate and polysaccharide accumulating bacteria in
enhanced biological phosphate removal systems Water
Research, 27(7) 1219-1225.
Clien, G.-H, Brdjanovic, D, Ekana, G.A and van
Loosdrecht M.C.M. (2010). Seawatei as alternative water
resource Proceeding cf the 7th IWA Leading Edge
Technology Conference on Water and Wastewater Treatment,
Arizona USA, June 2-4
Chen, H, Yu, J -J, Jia, X-Y. and Jiri, R.-C (2014). Enhancement
of Anammox petfotmance by Си(П), Ni(II) and Fe(III)
siqjplementation Chemosphere, 117 (1) 610-616.
Comeau, Y, Hall, K.J., Hancock, REW and Oldham, W.K
(1986) Biochemical model for enhanced biologcal
phosphorus rem oval Wcter Research, 20(12): 1511 -1521.
Сотеац Y , Rabionwitz В , Hal К J and Oldham, WK (1987).
Phosphate release and uptake in enhanced biologcal
phosphorus removal from wastewater. Journal (Water
Pollution Control Federation), 59(7) 707-715.
Сотеац Y (2008). Microbial metabolism Biological wastewater
treatment principles, modelling and design, Henze, M, van
г паи с xucw-
of 346
ОПРВДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
117
Loosdrecht, М.СМ., Ekama, GA., Brdjanovic, D (Eds.),
ISBN 9781343391883, IWAPublishing Londor, UK.
Cotomina? L, Rieget, L, Takacs, I, Ekama, AG., Hauduc, H,
V antolleghem, P , Oehmen, A., Gernaey, K, van Loosdrecht
M.C.M. and Comeau, Y (2010). New framework for
standardized notation in wastewater treatment modelling
Water Science and Teclmoiology, 61(4): 241—857
Cravo-Laurean C, Matheron, R., Joulian, C, Cayol, J.-L. and
Hitschlei-Rea, A (2004) Desuifatibacillum alkenivorans sp
nov, a novel nalkene-degrading sulfate-re during bacterium,
and emended description of the genus Desulfatibacillum
International Journal of Sy stem cite and Evolutionary
Microbiology. 54. 1639-1642.
Cypionka. (1987j Uptake of sulfate, sulfrte and thiosulfate by
proton-anion symport inDesulfovihrio desulfuricans .d/cMves
of Microbiology, 148(2): 144-149
Cypionka, H ("2000) Oxygeniespitationby Desulfovihr io species.
Anizial Reviews cf Microbiology, 54 827-843
Dai, Y, Yuan, Z, Wang X., Oehmen A. and Keller, J (2007).
Anaerobic metabolism of Defluvucoccus vanus related glycogen
accumulating organisms (GADs) with acetate and propionate as
carbon sources. Water Rexarch. 41(9)' 1885-1896
Daiggei, G T, Hod^cinson, A., Aquiline, S and Fries, M.K
(2015). Development and implementation of a novel sulfur
removal process from H2S containing wastewaters Water
Environment Research, 87(7): 618-625
Dapena-Mora, A., Fernandez, I., Campos, J.L. Mosquera-Cottak A.,
Mendez, R and JettenM.S.M (2007). Evaluation of activity
and inhibition effects on Anammox pt о cess by bat ch tests based
on the rati о ^n gas production Enzyme and Microbial
Technology, 40(4) 859-865
de Graaff MS., Temmirik. H., Zeeman. G., van Loosdrecht M.C.M.
and BuismanC.J N. (2011). Autotrophic nitrogen removal from
black water: calcium addition as a requirement fot settleability
Water Research, 45 63-74
Ducks, K., Beun, J J , van Loosdrecht, M.C M , Heijnen, J J and
Henze, M (2001). Glycogen metabolism in aeiobic mixed
cultures Biotechnology and Bioengneenng, 73(2): 85-94
Dircks, K., Henze, M, van L oosdrecht, MС M., Mosbaek, H and
Aspegren, H. (2001). Storage and degradation of poly-B-
hydtoxybutyrate in activated sludge under aerobic conditions
Water Research, 35:2277-2285
Dircks, K„ Pint! P F , Mosbaek, H and Henze, M. (1999). Yield
determination by re spirometry - The possible influence of
stoiage under aerobic conditions in activated sludge Water
SA. 25.69-74
Dosta, J., Fernandez, I , V azquez-Padin J. R, Mnsqueta-CotraL
A., Campos, J.L., Mata-Alvarez, J and Mendez, R. (2008).
Short- and long-teim effects of temperature on the Anammox
process Journal of Hazardous Materials, 154(1)'688-693
Eckenfeldet, W. (198o). Operation control and management of
activated sludge plants treating industrial wastewaters
Proceedings cf a seminar sponsored by Voider bilt University
Tennessee.
Eikelboom, D H (2000) Process control of activated sludge plants
by microscopic investigation, ISBN-13 9781780406831, IWA
Publishing London, UK
Ekama G A and Wentzel, M.C. (2008aj. Organic matter removal.
Biological wasrewater treatment, principles, modelling and
design, Henze, M., vanLoosdrecht. M.C M., Ekama, G A and
Brdjanovic, D (Eds), ISBN 9781843391883, IWA
Publishing London, UK
Ekama GA arid Wentzel, MC (2008b) Nitrogen removal
Biologcal wastewater treatment principles, modelling and
design, Henze. M , vanLoosdrecht, M.C M., Ekama, G A and
Brdjanovic, D (Eds), ISBN 9781843391883, IWA
Publishing London, UK.
Ekama, G.A., Wilsenach, J.A. and Chen, G -H (2010). Some
opportunities and challenges for urban wastewater treatment
7th IWA LET conference. Arizona, USA, June 2-4 (keynote
presentation), Retneved in September 2015 from
http //repository.ust hk/ir/Recotd/l 783.1-16616.
Ettwig К F , Butler, ML, Le Paslier, D , Pelletier, E , Mangenot, S ,
Kuypers, МММ, Schreiber, F, Dutilh, B.E, ZedeliusJ,
de Beer, D , GloericR, J, Wessely H.J.C.T., van AletuT,
Luesken F., Wn M.L, van de Fas-Schoonen K T, Op den
Camp, H.J.M., Janssen Me gens,	E.M, Francoijs, K-J,
Stunnenbeig H, Weissenbach, J, Jetten, M.S.M and
Strous,M (2010). Nitnte-drn’en anaerobic methane oxidation
by oxygenic bactena 464:543—543
Ficara, E. and Carmani, R (2007). Monitoring denitrification by
pH-static filiation. Biotechnology and Bioengneering, 98(2)
368-377
Ficara, E. and Rozzi, A (2004). Coupling pH-static and DO-stat
titration to monitor degradation of organic substrates. Water
Science and Technology, 49(1). 69-77
Ficara. E, Cort elezzi, P and Rozzi, A (2003) Theory of pH-stat
titration Biotechnology and Bioengneering. 82:28-37
Ficara, E, Musumeci, A and Rozzi, A (2000) Comparison and
combination of titrim etric arid tespirometric techniques to
estimate nitnfication kinetics patametets. Water SA, 26(2)
217-224.
Ficaia, E, Sambusiti, C. andCanziara, R. (2009). Manometric
monitoring of biologic al denitrification Proceeding of the 2nd
IWA Specialized Coherence in Nutrients Mina gem ent in
Wasrewater Treatment Processes, Krakow, Poland, 6-9
September, 2009 LemtechKonsultingLEdj 61-68
Filipe, C.D, Daigger, G.T and Grady, Jt, С P (2001 a) Ametabdic
model for acetate uptake under anaerobic conditions by glycogen
accumulating organisms stoichiometry, kinetics, and the effect
of pH Botecfoiology and Btoengineerirjg 76(1): 17-31
Filipe, C.D, Daigger, GT and Grady, Jr, CL (2001b). pH as
a key factor in the competition between glycogen-
accumulating organisms and phosphorus-accumulating
organisms Water Environment Research, 73(2) 223-232
Flemming H.C , Wingender, J, Mayer, C, Korstgens, V and
Bcrchard, W (2000). Cohesiveness in biofilm matrix
polymers. Community structure and cooperation cf biofilms,
Allison D, Gilbert, P , Lappin-Scott, H M and Wilson M
(Eds), SGM Symposium Senes, 59, Cambndge University
Press, C ambridge, UK: 87-105
Flowers, J.J, He, S, Car’alho. G, Brook, Peterson, S, Lopez,C ,
Yilmaz, S, Zilles, J.L, Morgenroth, E, Lemos, P, Reis,
M.A.M, Crespo, M T В , N oguera, D R and McMahon K.D
(2008). Ecological differentiation of Accumulibacter inEBPR
reactors In Proceeding? of the Water Environment
Federation WEFTEC 2008 31-42
Foxon, K M, Brouckaert, C.J., Buckley, C A. and Rozzi A.
(2002). Denitrifying activity measurements using an anoxic
titration (pH stat) bio as say. Water Scence aid Technology,
46(9): 211-218
Gayon U and Dupetit, G. (1 383). La fermentation des mti ates
Mem. Soc Sci Phys Nat, Bot deaux 2(5): 35-36
Getnaey K, Bogaert, H, Massone, A, V antolleghem, P and
Verstraete, W (1997). On-line nitnfication monitoring in
activated sludge with a titrimetric sensor. Envircnmental
Science aid Technology, 31: 2350-2355
Gernaey К, Bogaert, H, van Rolleghem, P , Massone, A , Rozzi.
A. andV erstiaete, W (1998). A tnration technique for online
nitrification monitoiiiig in activated sludge Water Science
aid Technology. 37(12): 103-110.
Gibson G R- (1990). Physiology and ecology of the sulphate-
reducing bacteria. Journal of Applied Bacteriology, 69(6)
769-797
Goel, R, Mino, T, Satoh, H and Matsuo, T. (1999) Modelling
hydrolysis processes considering intracellular storage Wtser
Science aid Technology. 39: 97-105
Giady, Jr; L.C.P, Daigger, GT, Love N G. and Filipe, C.DM
фОН). Biological wastewater treatm-nt 3rd edition ISBN
9730849396793, IWA Publishing CRC Pres? London, UK
Grein F, Ramo? A.R, Venceslat? S.S. and P ere и a, I.A.C.
(2013) Unifying concepts in anaerobic respiration Insights
from dissimilatory sulftu metabolism Biochimica et
Biophysica Acta tBBA)- Bioenergetics, 1827(2): 145-160
of 346
111
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Guisasola, A., Qune, М, Vargas, М, Casas, С and Baeza, J А.
(2009) Failure of an enriched nitrite-DP AG population to use
nitrate as an electron accepter. Process Biochemistry, 44
689-695
Guisasola, G, Pijuan, M, Baeza, J.A., Carrera, J., Casas; C. and
Lafuenie, J (2004). Aerobic phosphorus release linked to
acetate uptake in bio-P sludge process modelling using
oxygen uptake rate Biotechnology riid Roengneering. 85
721 -733
Guisasola, A, Sin, G, Baeza, J.A., Carrera J mdVanrolleghem, P A
(2005). Limitations of ASM 1 and ASM 3. a comparison based
on batch oxygen uptake rate profiles fiom diffeienl full-scale
wastewater treatment plants Wrier Science ana Technology
52(10). 69-77.
Gujer, W, Herze, M., Mino. T and van Loosdrecht, M.C M
(1999). Activated sludge model No 3 Wrier Science and
Technology, 39(1). 183-193
Haftin, S, Thioback, IN, Dickered, J and Pell, M (2006).
Metabolic piofiles and genetic divetsity of denitrifying
communities in activated sludge after addition of methanol or
ethanol American Society for Mcrobiolcgy, 72 (S) 5445-5452.
Hansen, T.A (1993). Carbon metabolism of sulfate-1 educing bactena.
The srifrie-reducing bacteria contemporary perspectives,
Odom, J.M, Singeton Jr, R (Eds), ISBN 9781461392637,
BiockGpring^r Book Series in Contemporary Bioscience,
Springe-V etlag N ew Y ork Inc
Hansen, T.A. (1994) Metabolism of sulfate-reducing prokaryotes.
Antonie van L eeuwenhoefc, 66(1 -3) 16 5-18 5
Heize, M (1991). Capabilities of biological nitrogen retrieval
processes fiom waste water Wrier Science and Techolo gy,
23(4-6) 669-679
Henze, M. (1992). Characterization of waste water for modeling of
activated sludge processes. Water Science and Technology,
25(6): 1-15.
Henze, M, Harremoes, P, Jansen, J.L.C. and Arvin, E (1997)
Waste water treatment biological and chemical pi о cesses;
ISBN 9783540422280, Springer, Berlin
Henze, M and Comeau, Y. (2008). Wastewater characterization
Biological wastewater treatment: principles, modelling and
design, Henze, M, van Loosdrecht, M.C M, Ek am a, G A. and
Brdjanovic, D (Eds), ISBN 9781343391883, IWA
Publishing, London, UK
Henze; M, Gujer, W, Mino, T, Matsuo, T, Wentzel, M.C,
Maiais, G vR and vanLoosdrecht, M.C M (1999). Activated
sludge model no 2d, ASM2d. Wrier Science aid Technology,
39(1): 165-182
Henze, M, Gujer, W, Mino, T and van Loosdrecht, MC M
(2000). Activated sludge models ASM1, ASM2, ASM2d and
ASM3 Scieriific and Technical Report No. 9, IWA
Publishing London. UK
Henze; M, van Loosdiecht M.C M, Ekama, GA. and
Btdjanovic, D (2008). Biological waste watet treatment
principles, modelling arid design, CBN 9781843391883, IWA
Publishing London, UK.
Hoover, S.R andPorges,N (1952) Assimilation of dairy wastes
by activated sludge II The equation of synthesis and oxygen
utilization -Sewage riidindustrial wastes, 24(3): 306-312 Hu,
Z, Lotti, T, van Loosdrecht M.C M and Kai tai, E (2013)
Nitrogen removal with the anaerobic ammonium oxidation
proc ess Bi iotechnology Letter s, 35(8): 1145 -11 54
Hu J.Y, Ong S L, Ng W.J, Lu F and Fan, X J. (2003). A new
method fot characterizing denitrifying phosphutus removal
bacteria by using three different types of electron acceptors
Water Research, 37(14). 3463-3471
Hu, Z.R., Wentzel, M.C. and Ekama. G A (2002) Anoxic gowth
of pho^hate-accumulating organisms (PAOs) in biological
nutrient lemoval activated sludge systems Water Research,
36(19) 4927-4937
Hulsbeek, J.J.W. Kiuit, J, Roeleveld, P J and van Loosdrecht,
M.C.M. (2002). A practical proto col fot dynamic modelling of
activated sl’idge systems Wrier Science and Technology.
45(6). 127-136.
Hulshoff Pol, L.W, Lens, P N L, Stams, A.J.M and Lettings G
(1998) Anaerobic treatment of sulphate-rich wastewaters
Biodegradation, 9(3-4) 213-224.
leeksen, MF and Jotgensen, В В (1996) Adaptation of
psychrqphilic and psychtotrophic sulfate-1 educing bacteria to
permanently cold matine environments .Applied Environmental
Microbiology, 62 408-414
Jobbag;’, A, Literathy, B, Wong M, Tardy, G and LriW
(20 0 6) Proliferation of glycogen accumulating organisms
induced by Fe (III) dosing in a domestic wastewater treatment
plant Wrier Science and Technology, 54(1) 101-109
Jones; R, Dold, P , Takacs, I, Chapman, К, Wett, E, Murthy, S
and Shaughnessy M (2007) Simulation for operation and
control of rq ect water treatment processes. Proceedings of the
Water Environmeri Federriion WEFTEC 2 &J7 4357-4372.
Jorgensen, B.B (2006) Bactena and manne biogeochemistiy
Mtriue geochemistry, 2nd edition, Schulz; H D and Zabel M
(Eds), Springer-V erlag Berlin Heidelberg 169-206.
Jubany I., Carrera, J , Lafuente, J and Baeza, J A. (2008). Start-14)
of a nitrification syst em with automatic control to treat highly
concentrated ammonium wastewater Experimental results and
modeling Chemical Engineering Journal, 144(3). 407—419.
Kampschreur, M J, Picioreanu, C , Tan, N.C.G, Kleerebezem, R ,
Jetten, M.S.M	and van Loosdiecht, M.C.M. (2007).
Unraveling the source of nitric oxide emission dunng
nitnfication Water Enrirovmert Research, 79:2499-2509.
Kamyshny Jr, A, Zilberbiand, M, Ekeltchik, I, Vuitsekovski,T,
Gun, J and Lev, О (2008) Speciation of polysulfides and zero-
valent sulfut in sulfide-rich water wefts in southern and central
Israel Aquatic Geochemistry, 14 171-192.
Kappeler, J and Gujer, W (1992). Estimation of kinetic
parameters of heteroti ophic biomass under aerobic conditions
and characteiization of wastewater fot activated sludge
modelling Wrier Science and Technology, 25(6): 125—139
Kartal В, Maalcke, W.J, de Almeida, N.M, Cnpus; I, Gloench, J,
Geerts, W, den Camp, H J M O., Haihang, HR, Janssen-
Megens. EM, Francoijs, K.-J, Stunnenberg H.G,
KeltjensJ.T, Jetten. M.S.M and Strousm. M (2011)
Molecular mechanism of anaerobic ammonium oxidation.
Nature, 479 127-130
Kerrn-Jespetsen, JP and Henze, M (1993). Biological
phosphorus up tai; e under anoxic and aerobic conditions.
Water Research, 27: 617-624
Khanal, S K. (2008). Anaerobic Biotechnology for Eioenerar
Production Principles and Applications Wiley-Blackwell
ISBN 9780813823461, Iowa, USA
Kjeldsen, KU, Joulian, C and Ingvorsen, К (2004) Oxygen
tolerance of sulfate-reducing bactena in activated sludge
Environmental Science & Technology, 38(7) 2033-2043.
Kjeldsen, К U, Loy, A, Jakob sen, T.F , Thomsen, T.R , Wagaei, M
andIngvorsen, К (2007) Diversity of sulfate-1educingbactena
fiom an extreme hypetsaline sediment. Great Salt L ake lUtoh'
FEMS Microbiology Ecology, 60 287-292
Koch, G, Egji, K, van det Meer, J R and Siegrst, H (2000).
Mathematical modeling of autotrophic demtnfic atron in
a nitrifying biofilm of a totaling biological contactor Wrier
Science wid Technology, 41(4-5)' 191-198
Koch, G, Kuhni, M, Gujer, W and Siegist H (2000).
Calibration md validation of activated sludge model No. 3 for
Swiss municipal wastewater Water Research, 34 3580-3590.
Kong Y , Nielsen, J.L. and Nielsen, P H (2005). Identity and
ecophysiology of uncultuied actinubactenal polypho sphato-
accumulating organisms in full-scale enhanced biologcal
phosphorus removal plants. Applied and Environmental
Microbiology, 71(7) 4076-4085.
Kong Y, Xia, Y, Nielsen, J.L. and Nielsen. PH, (2006)
Ecophysiology of a goup of uncultured Gammaproteobacterial
gjyco gen-accumulating organisms in fill-sc ale enhanced
biologcal phosphorus removal wastewater treatment plants
Environmental Microbiolology, 8(3). 479-489
Konneke; M, Bernhard, AE, de la Tone, JR, Walker, С.В ,
Waterbury, J В and Stahl DA- (2005). Isolation of an
vJujTTldlK ДСП
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
1И
autotrophic ammonia- oxidizing manne archaeon. Nature,
437(7058): 543-6
Kuba, T, Smolders, G., vanLoosdrecht M C.M. and Heijner; J J
(1993) Biological phosphorus removal fm waste water by
anaerobic-anoxic sequencing batchteactor. Water Science and
Technology, 27(5-6) 241-252.
Kuba, T, Murnleitner, E, van Loosdrecht, M.C.M and Heijnen, J.J
(1996) A metabolic model fot biologcal phosphorus removal
by damnifying organisms Biotechnology and Bioengineering,
52 685-695
Kuba, T, vanLoosdrecht, M.C.M , Brandse, F.A. aridHeijnen J J.
(1997a) Occurrence of denitrifying phosphorus removing
bacteria in modified UCT-type wastewater treatment plants
Water Research, 31 (4) 777-786.
Kuba, T., vanLoosdrecht MC M, Murnleitner, E andHeiinen J.J
(1997b). Kinetics and stoichiometry in the biological
phoqjhorus removal process with shaft cycle times Water
Research, 31(4) 918-928
Kujawa, К and Klapwijk, Б. (1999). A method to estimate
denitnfication potential for pre-denitrification systems using
NUR batch tests Water Research, 33:2291-2300
Kuypers, M.M.M., Lavik, G, Woebken. D., Schmid M,
Fuchs, В M, Amann, R., J err gensen, В В and Jetten, M S.M
(2005). Massive nitrogen loss from the Benguela upwelling
system through anaerobic ammonium oxidation Proceeding:
of the Nciional Academy ff Science: of the United Ohtfes of
America, 102.6478-6483.
Lackner, S„ Gilbert, EM, Vlaeminck, SE, Joss, A, Horn H and
van Loosdrecht, MCM. (2014). Full-scale partial Nitritationf
Anammox expenences - an application survey: Water
Research, 55 292-303.
Langergraber, G., Rieger, L., Winkler, S., Alex, J., Wiese, J.,
О wet die ck, C., Aline rt, M , Simon, J and Maurer M (2004).
A guideline for simulation studies of wastewater treatment
plants Water Science and Technology, 50(7): 131 -138.
Lanham, AN, Ricardo, AR, Coma, M., Fradinho, J.,
Cai valheira, M, Oehmen A, Carvalho, G. and Reis, M.A M
(2012). Optimisation of glycogen quantification in mixed
microbial cultures Roresoizrce Technology, 118 518-525
Lanham. AB., Oehmen, A., Saunders, A.M., Carvalho, G.,
Nielsen, P.H and Reis, M A. (2014) Metabolic modelling of
full-scale enhanced biological phosphorus removal sludge
Water Research, 66.283-295.
Lau, G N., Sharma, K.R., Chen, G -H and van L oosdrechi, M С M
(2006). Integration of sulfete reduction autotrophic
denitrification and nitrification to achieve low-cost- sludge
minimization for Hong Kong sewage Wrier Science and
Technology, 53(3). 227-235.
Lens, P.N., De Poorter, M -P, C ronenberg С .C and V er street?, WH
(1995). Sulfate reducing and methane producing bacteria in
aerobic wastewatei treatment systems Water Research, 29(3)
871-880
Lens; F N.L., Visser, A, Janssen, A.J.H., Hulshuff Pol, L W and
Lettinga, G. (1998). Biotechnological treatment of sulfate-nch
wastewaters. Critical Reviews in Environmebal Science and
Technology. 28(1): 41-88
Li, L„ Han, Y„ Yon, X. and Liu J (2013). H2S removal and
bacterial structure along a full-scale biofiltet bed packed with
polyurethane foam in a landfill site Bioresource Technology.
147 52-58
Liamleam, W and Annachhatre, AP (2007). Electron donors for
biologcal sulfate reduction Biotechnology Advances. 25(5)
452-463
Lin. Y.M., Bassn, J P and van Loosdrecht, M.C.M (2012). The
contribution of exopolysaccharides induced struvites
accumulation to ammonium adsorption in aerobic ganular
sludge. Water Research, 46(4) 986-992
Little, B.J. and Lee, J.S (2007) Microbiologically influenced
corrosion, ISBN 9780471772767, John Wiley & Sons Inc ,
Hoboken, NJ, USA.
Liu MC arid Peck, Jr, H D. (1981) The isolation of a hexaheme
cytochrome from Desufcvibrio desulfuncans and its
identification as a new type of nitrite reductase Journal of
Biological Chemistry. 256(24) 13159-13164
Loehtman, S.F.W. (1995). Ptoceskeuze en-optimalisatie van het
SHARON proces voor slibverwerkingsbedrijf Sluisjesdijk
(Piocess choice and optimisation of the SHnRON process for
the sludge treatment plant Sluisjesdgk) BODLreport TIT Delft
Lopes; C., Pons, MN and Morgenroth, E. (2006) Endogenous
processes during long-teim starvation m activated sludge
performing enhanced biological phosphorus lemoval Water
Research, 40(8) 1519-1530
Lopez-V azquez; C.M., Song Y.I, Hooijmans, C.M., Brdjanovic, D.,
Moussa, MS., Gijzen, H J and vanLoosdrecht, M C.M (2007).
Shortterm temperature effects on the anaerobic metabolism of
gjycogen accumulating organisms Bideclmology and
Bioengineering. 97(3). 483 -49 5
Lopez-Vazquez, C.M, Hooijmans; C.M., Btdjano’ic, D , Gijzen, H.J.
and van Loosdrecht, M.C.M (2008a) Factors affecting the
microbial populations at fall-sc ale entranced biological
phoqoliorus removal (EBPR) wastewater treatment plants m The
Netherlands Water Re search, 42(10): 2349-2360
Lopez-Vazquez, C.M., Brdjanovic, D and van Loosdrecht
M.C.M (2008b). Comment on “Could polyphosphate-
accumulating organisms (PADs) be glycogen-accumulating
organisms (GAOs)?” by Zhou Y., Prjuan, M., Zeng, R J,
LuH and Yuan, Z. Water Research, 42(13) 3561-3562
Lopez-V azquez, С M (2009") The competition between
polyphosphate-accumulating organisms and glycogen-
accumulating organisms temperature effects and modelling
PhD Thesis ISBN 9780415558969 Delft University of
Technology CRC Piess/Balkema, Leiden, the Netherlands.
Lopez-Vazquez; C.M.. Hooijmans, С M, Brdjanovic, D, Gjzen, H J
and van Loosdrecht M.C M. (2009a). Temperatuie effects on
^yco^n accumulating organisms Water Research, 43(11)
2852-2364
Lopez-Vazquez; CM, Oehmen, A, Hooijmans C.M., Brdjanovic, D ,
Gijzen, HJ, Yuan, Z. and van Loosdrecht M.CM (2009b)
Modeling the РаЭ-GAD competition, effects of carbon source,
pH aril temperature Water Research, 43(2): 450-462.
Lopez-Vazquez; CM., Kubaie, M, Saroj, DP, Chikamba,C,
Schwarz; J., Daims,H andBrdjanc'.’ic, D.(2014). Theimophilic
biologcal niuogen removal in industrial wastewater treatment
Applied Microbiology and Biotechnology, 98(2): 945-956
Lotti, T., van dei Stai, WR, Kleerebezem, R , Lubello, C. and van
Loosdrecht M.C M i2012). The effect of nitrite inhibition on
the anammox process. Water Research. 46(8): 2559-2269
Lotti, T, Kleerebezem, R, Lubellc; C. and van Loosdrecht, MC.M.
(2014) Phystologcal andkineuc chaiacterizatron of a suspended
cell Anammox culture Water Research, 60(14): 1-14
Lotti, T Kleerebezem, R, Hu Z., К art al, В , de Kieuk, M.K., van
Eip Taalman K-.p. C , Kruit, J, Hendrickx, T.LG and van
Loosdrecht MC.M (2015a). Pilot-scale evaluation of
anammox based mainstream nitro gen removal from municipal
wastewatet £>tvironmental Technology, 36(9). 1167-1177
Lotti, T , Kleerebezem, R , Abelleua-Peieira, J.M., Abbas В arid
van Loosdrecht M.C M (2015b). Faster thiou^i training the
Anammox case. Water Research, 81: 261-268
Lotti, T., Kleerebezem, R and van Loosdrecht M.C M (2015c)
Effect of temperature change on Anammox activity
Biotechnology and Bioengineering, 112(1): 93-103.
Madigen, MT., Martinko, J M, Dunlap, PV and Clark, D F
(2009) Brock biology of microorganisms 12th edition
ISBN 0132324601. Peaison Benjamin Cummings San
Francisco, USA
Manas A., Biscans, B. and Sperandiu M. (2011). Biologcally
induced phosphorus precipitation in aerobic ganulai sludge
process Water Research. 45(12): 3776-3786
Marais G v.R andEkama, G.A (1976). The activated sludge process
parti Steady state behaviour Water SA, 2(4) 163-200
Martins A.M.P. (2004). Bulking sludge control kinetics, substrate
storage, and process design aspects PhD Thesis. ISBN 972
9098077 Delft University of Technology Delft, the
Netherlands
of 346
140
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Martins, АМР, Heijnen, JJ and van Loosdrecht MCM
(2003). Effect of feeding pattern and storage on sludge
settle ability under aerobic conditions Water Research,
37(11) 2.555-2570
Massone, A., Antonelli, M. arid Rozzi, A. (1996). The DEN ICON
a novel biosensoi to control denitrification in biological
wastewater treatment plants. Mededelingen Faculteit
Landbouwkundige, University of Gent, 1709—1714.
Massone, AG., Getnaey, K, Rozzi, A and V erstraete, W. (1998)
Measurement of ammonium concentration and nitrification
rate by a new titrometnc biosensor Research Journal,
70(3): 343-350
Mateju V., Cizindca, S, Krejci, J. and Janoch, T (1992).
Biologcal water denitnfication - a review Enzyme und
Microbial Technology, 14 170—183
McCarty, P.L. (2007) Thermodynamic electron equivalents model
fot bacterial yield prediction. Modifications arid comparative
evaluations. Biotechnology and Bioengineering, 97 - 377-388
Meijer, S.C.F (2004). Theoretical and practical aspects of
modeling activated sludge processes PhD Thesis, ISBN
9090180273, Delft University of Technology Delft, the
N efoeilands
Meirihold, J., Arnold, E and Isaacs, S. (1999). Effect of nitrite on
anoxic phosphate uptake in biological phosph и us removal
activated sludge. Wrier Research, 33(8): 1871-1883.
Mesquita DP, Amaral A.L., Ferreira EC. (2013) Activated
sludge characterization through microscopy a review on
quantitative image analysis and chemometric techniques.
Aialytica Chimica Ata, 802: 14-28
Metcalf and Eddy (2003). Waste water engine enng treatment,
disposal and reuse 4th edition, ISEN 9780070418783,
McGraw- Hill. Boston. USA.
Mino, T, van Loosdrecht, M.C.M and Hajnen, J.J (1998).
Microbijlogr and biochemistry of the enhanced biological
phosphate removal process Water Research, 32(11): 3193-3207
Mino, T, Arun, V , Tsuzuki, Y and Matsuo, T (1987). Effect of
phosphorus accumulation on acetate metabolism in the
biologcal phosphorus removal piocess. In biological
phosphate removal from wastewaters, Ramadori, R (Ed),
Pet gam on Press Oxford, United Kingdom: 27—38.
Mohan. S.V, Rao, N.C., Prasad, K.K and S arm a. P.N (2005)
Bioaugmentation of an anaerobic sequencing batch biofilm
leactor (AnSBBR) with immobilized sulphate reducing
bacteria (SRB) for the treatment of sulphate bearing chemical
wastewater Process Biochemistry, 40(8): 2849-2857
Mokhayeti, Y, Nichols; A., Murthy S . Riffat R, Dold, P and
Takacs I (2006). Examining foe influence of subsbates and
temperature on maximum specific growth rate of dembifiers.
Water Science and Technology, 54(8). 155-162
Mokhayeri, Y, Riffat, R, Takacs I-, Dold. P., Bott, C., Hinqiosa,
Bailey W. and MurthyS. (2008). Characterizing denitrification
kinetics at coldtempeiaturc using various carbon sources in lab-
scale sequencing batch reactors Wrier Science а-id Technolog.
58(1): 233-238
Mon, K, Kim, H, Kakegawa T and Hanada, S (20031 A novel
lineage of sulfate-:educingmicroor^msms: Thermodesuifobiaceae
fam nov, Therm odesulfobium narugense, gn nov, sp. nov,
a new thermophilic isolate ftom a hot spring Extremophiles, 7:
283-290
Moussa, M.S., Fuentes; О G, Lubberding H J, Hooijmans, C.M,
van Loosdrecht, M.C M. and Gijzen. H J (2006). Nitrification
activities in full-scale treatment plants with varying salt loads.
Environmental Technology, 27(6): 635-643
Moussa. M.S., Rojas A.R., Hooijmans, C.M., Giizen. H.J. and van
Loosdrecht, M.C.M (2004) Model-based evaluation of
mbо gen removal in a tannery wastewater beatment plant
Water Science and Technolog', 50(6): 251 -60.
Moussard, H., L’Handon, S, Tindall, В J., Banta, A., Schumann,
P Stackebiandt E, Reysenbach A-L, and JeanthortC
(2004). Thetmodesulfatatoi indicus gen nov, sp nov,
a novel thermophilic chemolithoautotrophic sulfate-r educing
bacterium isolated frcm foe Central Indian Ridge.
International Journal of Systematic and Evolutionary
Microbiology, 54.227-233.
Mulder, A (2003). The quest fit sustainable nitrogen removal
technologes Wrier Science and Technolog, 48(1): 67-75
Munrc, J.H.M. (1886). The formation and destruction of mbates
and rnbates in artificial solubons and innvei and well waters
Journal of the Chemical Society, Transactions 49 632-681.
Mumleitner, E, Kuba, T., van Loosdrecht M.C.M ano Heijnen.
J.J (1997) An integrated metabolic model for foe aerobic and
denitrifying biological phosphorus removal. Biotechnology
cs'id Bioeng neenng, 5 4(5) 434-450.
Muyzer, G and Stams A.J M (2008'i The ecology and
biotechnology of sulphate-leducingbacteria Nriure, 6 441-455
N aidoo, V., Urbain, V and Buckley, C.A. (1998). Charactensation
of wastewater and activated sludge ftom European municipal
waste water treatment plants using the NUR test-. Water
Science and Technolog, 38(1): 303-310
Nelson DL and Cox, MM (2005). Lehnnger principles of
biochemistry ISBN-10 1 4292334148, WH Freeman and
Company, New York. USA
Nielsen P H. and KeidingK (1998). Disintegration of activated
sludge flocs in presence of sulfide. Wrier Research, 32(2):
313-320
Nielsen PH, Mielczarek, A.T, Kragelund, C, Nielsen, J.L ,
Saunders, A.M, Kong Y, Hansen A A. and V ollertsen J
(2010) A conceptual ecosystem model of microbial
communities in enhanced biologcal phosphorus removal
plants Water Research, 44(17)- 5070-5088
Oehmen, A, Yuan, Z, Blackall, L.L andKeller, J (2004). Shortterm
effects of carbon source on foe competition of polyphosphate
accumulating organisms and ^ycogen accumulating organisms
Water Science and Technology, 50(10): 139-144
Oehmen A, Vivas, M.T., Lu, H, Yuan 2 arid Keller, J (2005a)
The effect of pH on the competition between polyphosphate-
accumulating agamsms and gtyc о gen-accumulating or prisms
Water Research. 39(15): 3727-3737
Oehmen A, Keller-Lehmann B., Zeng R J, Yuan Z. andKeller,
J. (2005b). Optimisation of poly-p-hydtoxyalkanoate analysis
using gas cht omatogtaphy for enhanced biological phosphorus
removal systems Journal of Chamriogcphy A 1070(1-2)
131-136
Oehmen A., Yuan Z, Blackall L.L. and Keller, J (2005c).
C ompanson of acetate and propionate uptake by polyphosphate
accumulating or^nisms and glyco gan accumulating organisms
Bictechnoicg and Bioengineering 91 (2) 162-168.
Oehmen, A, Saunders, AM, Vives; MT, Yuan Z andKeller, J
(20 06) Compeiition between polyphosphate and ^ycogen
accumulating oi gam sms in enhanced biological phosphorus
removal systems with acetate and propionate as carbon
sources Journal of В^technology, 123(1): 22—32
Oehmen, A, Lemus, P.O, Carvalhn G, Yuan, Z, Keller, J,
Blackall, L L. and Rei$ M.A. (2007) Advances in enhanced
biological phosphorus removal: from micro to macro scale.
Water Research 41(11): 2271-2300.
Ong Y.H, Chua, ASM, Fukushima, T, Ngoh, GC , Shoji, T
and Michinaka A. (2014). Hi^a-iemperature EBPR process
The performance; analysis of PAOs and GAOs and foe fine-
scale population study of Candidatus "Acumuhbacter
phosphatis" Wrier Research, 64 102-112.
Orhon D, Sozen, S. and Artan, N (1996). The effect of
heterotrophic yield on the assessment of the on ection factor for
anoxic gowtli Wrier Science and Technology, 34(5): 67-74.
Oshiki, M, Shimokawa, M, Fiqu, N, Satoh, H and Okabe, S
(2011). Physiologcal char acta istics of the anaeiobic
ammonium-oxidizing bacterium 'Ca'ididatus Brocadia
sinica'. Microbiology, 157 1706-1713
Oude Elferirik, 3.J.WH, Visser, A, Hulshoff Pol, L W and
Stams; ATM (1994) Sulfate reduction in methanogenic
bice eactors REMS Microbiolog Reviews, 15. 119-136
Раггоц J.L and Francois. J. (1997). A simplified procedure fot
a rapid and reliable assay of both glycogen and trehalose in
whol e ye ast c ells Avilyti cal Biochemistry, 2 48(1) 186-188
. TJCTZWTV
of 346
ОПРВДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
141
Р asteut, L. (1859). N ote sur la fermentation nitreuse. Bulletin de la
Societe de c'rtmique de Pans (seance du 11 mars)' 22-23.
Payne, W.J (1986) 1986 Centenary of the isolation of
denitrifying b acteria ASM News 52 (12) 627-629
Pijuan, M., Guisasola, A., Baeza, J.A., Carrera, J., Casas, C. and
Lafuenie, J (2006). Net P-removal deterioration in enriched
РАО sludge subjected to permanent aerobic conditions
Journal of Biotechnology, 123 117—126.
Pijuan, M, Ye, L and Yuan. Z. (2010), Free nitrous acid
inhibition on the aerobic metabolism of poly-phosphate
accumulating organisms. Water Research, 441,20). 6063-6072
Pijuan, M, Ye, L and Yuan, Z. (2011). Could nitrite/ftee nitrous
acid favour GAOs ovei PaOs in enhanced biological
phosphorus removal system s? Water Science and Technology,
63(2): 345-351
Pikula, E., Lysenko, A., Chuvilskaya, N., Mendrock, U., Hippe, H.,
Surina, N, Nikitin, D., Osipov, G and Lautinavichius, К
(2000). Anorybacilius pushchinensis gen nov, sp nov, a novel
anaeiobic, alkaliphilic, moderately thermophilic bactenum fiom
manure, and description of Anoxybacillus flavitherms comb.
Nov. International Journal qf Systematic and Evolutionary
Aerobiology, 50(6): 2109-2117
Pina-Ochoa, E, Hogslund, S, Geshn, F and Risgaard-Petersen, N
(2010). Surival and life strategr of the foianiimteian
Globobuhmina tutgida through nitrate storage and demtnfic atron
Manne Ecology Progress Series, 417 39-49
Poinapen J., Ekama, G.A. and Wentzel, M.C. (2009). Biological
sulphate reduction with primary sewage sludge in an upflow
anaerobic sl’idge bed(UASB) reactor - Part 2. Modification
of simple wet chemistry analytical procedures to achieve COD
andS mass balances Water SA, 35(5): 535-542
Postgate, J.R. (1965) Recent advances in the study of the sulfate-
i educing bacteria Bacteriological Reviews, 29(4) 425-441
Postgate, J.R (1984) The Sulfate-Reducing Bacteria. 2nd Edition,
ISBN 9780521257916, Cambridge UmversityPress, UK.
Puyol, D, Carvajal-Arroyo, J.M., Garcia, B., Si err a-Alvarez, R
and Field, J.A. (2013). Kinetic chaiacterization of Brocadia
spp -dominated Anammox cultures Bioresource Technology,
139 94-100
Puyol, D , Carva al-Arroyo. J.M., Sierra-Alvuez. R. andField, J A
(2014) N itrite (not ft ее nitrous arid) is the main inhibited of the
anammox piocess at common pH conditicns. Biotechnoiogy
Letters, 36(3; 547-551
Rabus, R, Hansen, TA and Widdel, F (2006) Dissimilatory
sulfate*- and sulfur-reducing piokaryotes The prokaryotes.
V ol 2, Dwotkin M., Falkow, S, Rosenberg E, Schleifer, K.H
and Stackehtandt E. (Eds), New York Springer 659-768
Ramdani, A, Dold, P, Gadbois, A., Deiens, S, HouwelingD and
Comeau, Y (2012). Characterization of the heterotrophic
biomass and the endogenous residue of activated sludge.
Water Research, 46(3) 653-668.
Rebac, S, Vissei, A., Gerbens) S, van Lier, J.B, Stams. AJM
and Lettinga, G (1996). The effect of sulphate onpiopionate
and butyrate degadation in a psychrophile anaerobic
expanded granulai sludge bed I.FGSB) reactor Enviromental
Technology, 17(9) 997-1005
Reichenbecher, W andSchnk В (1997). De sulfovibrio inepinatus
sp. nov., a new sulfate-reducing bacterium that decides
hydroxthydroqurnone (1,2,4-tnhydt oxybenzene). Arrinvcs qf
Microbiology, 168.338-344
Reiset, J. (1856) Experiences sur la putrefaction et sut la formation
des fumieis Comptes rendis des seances hebdomaduires de
I 'Academic des Sciences, 42:177-180
Rikmann, E., Zekker, I., Tomingas, M, Теппо, T, Menert A ,
Loot its) L. and Теппо, T (2012) Sulfate-reducing anaerobic
ammonium oxidation as a potential treatment m ethod for high
nitrogen- content wastewater. EiodegraarSion, 23 : 509-524
Rintala, J.A. andPuhakka, J A (1994) Anaerobic treatment in pulp
and paper-mill waste management' A renew Bioresource
Technology, 47 (1) 1-18
Risgaard-Petersen N, Langezaal, AM, Ingvardsen S, Schmid, C,
Jetten, M.S.M., Op den Camp, H.J M, Derksen, J WM, Pina-
Ochoa, E, Eriksson, S.P, Nielsen, LP., Revsbech,NP,
Cedhagn, T and van der Zwaan, G. J. (2006) Evidence for
complete denttnficahon in a benthic formmifa Nature. 443
(7107; 93-96.
Robeitson. LA, Dalsgaaid, T, Revsbech, N F and Kuerten, J.G
(1995) C onfirm ation of aet obic demti ific ation in b atch cultut e s,
using ^s-chtomatog'aphy andN 15 mass-spectrometry REMS
Aerobiology Ecology, 18(2): 113-119
Roeleveld P J and ,ran Loosdiecht, M.C M. (2002). Expeiience
with guidelines fot wastewater characterisation in The
Neiherlands Water Science and Technology, 45(6): 77-87.
Rozzi, A., Castellazzi, L. and Speece, R E (2002). Acetoclastic
methanogenic activity measurements by a titration biosensor
Biotechnology and Bioengineering, 77(1): 20-26
Rozzi, A, Castellazzi, L and Speece, R.E. (2002). Acetoclastic
methanogenic activity measurements by a titration biosensor
Biotechnology aid Bioengineering. 77(1): 20-26
Rozzi, A, Ficara, E arid Rocco, A. (2003) DO-stat titration
re spirometry plinciple of operation and validation AZJC£-
Journal of Environmental Engineering. 129(7): 602-609
Rozzi, A., Massone. A. and Antonelli, M (1997) A VFA
measuring bio sensoi based or. nitrate reduction Water Science
and Technoiogy. 36(6-7) 183-189
Rubio-Rincon F, Welles, L, L 6pez-V azquez, CM, van
Loosdrecht M.C.M and Brdjanovic, D, (2016). Sulfide
effects on the metabolism of Candidatus Accumuhbacter
phssphatis clade I. (submitted)
Saad, S.A., Welles, L, Lopez-Vazquez, C.M, van Loosdrecht,
M.C.M and Brdjanovic D (2013) Sulfide effects on the
anaerobic kinetics of pho sphoi us-accumulating organisms. In:
Proceedings of 13 th World Congress on Ari aerobic Digestion
25—28th June. Santiago de Compostela, Spain
Saad S.A., Welles) L, Abbas, B., L-op ez-V azquez) C.M. van
Loosdrecht M.C M and Brdjanovic, D (2016). Denitrification
pathways of Candidatus Accumuhbacter p.hosphaiis clade I
using different carbon sources, (submitted)
Saito, T, Brdjanovic, D and van Loosdrecht, MC M (2004)
Effect of nitrite on phosphate uptake by phosphate
accumulatingorgamsms Water Research, 38(17). 3760-3768
Sanchez, M, Mosquera-Corral, A, Mendez, R and Lerna, J M
(2000) Simple m ethods fot the determination of the demtnfying
activity of sludg* s. В101 esourc e T ec hnoiogy, 75 (1 -6) 1 -6
Saundets, A M , Oehmen A , Blackall, L.L., Yuan Z. and Keller, J
(2003). The effect of GAOs on anaerobic carbon requirements
in full-scale Australian FBPR plants Water Science aid
Technology. 47(11): 37-43
Sca^ione, D, Eutuglreii, G , FicaiA E, Caffaz, S , Lubello, C
and Malpei, F (2009) Miciocalorimetric and manometric
tests to assess anammox activity Water Science ana
Technology, 60(10) 2705-2711
Schulei, AJ and Jenkins, D (2003). Enlianced biologcal
phosphorus removal fiom wastewater by biomass with
different phosphorus content^ part I expenmental results and
companson with metabolic models. Water Envirarmeri
Research, 75(6) 485-498
Schlcesing T and Miiniz, A (1877). Sur la nitrification par les
ferments or^mes. Comptes rendas det seances hebdomadaires
de i Academic des Sciences, 85 301-303.
Sin G., Guisasola, A., De Pauw, D.J W, Baeza, J A., Carrera, J and
V anrolleghem, P A (2003). A new approach for modelling
simultaneous storage and growth processes for activated sludge
systems under aerobic conditions Biotechnology aid
Bioengineering, 92(5): 600-613.
Smolders, G.J.F, van det Meij, J., van Loosdrecht, MC.M. and
Heijnen J.J. (1994a). Model of the anaerobic metabolism of the
biologcal phosphorus removal process: stoichiometry and pH
influence Biotech-iology aidBioengneering 43(6): 461-470
Smolders, G.J.F., van det Meii, J., van Lcosdiechl, M.C M and
Heijnen J J (1994b), Stoichiometric model of the aeiobic
metabolism of the biologcal phosphorus removal prccecc
Biotech-iology arid Bioengineering, 44(7): 837-848.
Smolders, G.J F, van Loosdiecht, M C.M. and Heijnen J J (1995)
A metabolic model for the biologcal phosphorus removal
process Water Science and Technology, 31(2): 79-93
of 346
141
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Stroup М , Heijnen, JJ, Kuenen, J.G and Jetten, M S.M (1998) The
sequencing batch reactor as a powerful tool for the study of
slowly ^uwinganaeiobtc ammurium-oxidizitigmictootgamsms.
Microbiology and Biotechnology, 50 589-596
Tang K., Baskaran, V. and Nernati, M. (2009'i. Bactena of the
sulphur cycle An overview of microbiology, biokinetics and
their role in petroleum and mining industries Biochemical
Engneering Journal, 44(1): 73-94
Tang C.-J, Zheng P, Chen, T.-T, Zhang J.-Q., Mahmood,Q.,
Ding S„ Chen, X.-G., Chen, J.-W and Wu D-T (2011)
Enhanced rutro^n removal fiom pharmaceutical wastewater
usingSBA-ANAMMOXprocess. Water Research, 45:201-210
Thiuer, R.K., Jungermann. K. and Decker, К (1977). Enetg?
conservation in chemotiophir anaerobic bacteria Bacteriological
ftv.’-av5,41 100-20
Thomas, M., Wn^at, P., BlacfcalL L.L., Urbana, V and Keller, J
12003) Optimisation of Noosa BNR plant to improve
performance and reduce operating costs. Water Science and
Technology, 47(12): 141 -148.
Udert, KM, Kind, E, Teunissen, M., Jenru, S and Larsen, T.A.
(2008). Effect of heterotrophic growth on refutation/anammox
in a sin^e sequencing batch reactor Waer Science and
Technology, 58: 277—284
van de Graaf A., De Brurjn, P , Robertson, L.A., Jetten, MS.M
and Kuenen, JG (1996) Autotrophic growth of anaerobrc
ammonium oxidizing microorganisms in a fluidrzed bed
i eactot Mi crobiology, 142(8): 2187 -2196.
van den Brand, T P H , Roest, К, Brdjanovic, D , Chen, G -H and
van Loosdrecht, M.C.M. (2014a). Influence of acetate and
propionate on sulphate-reducing bacteria activity. Journal cy
Applied Microbiology. 117(6) 1839—1847.
van den Brand, T.P.H., Roest, K., Chen, G.-H., Brdjanovic, D ind
van Loosdrecht, MC.M (2014b) Temperature effect on
acetate arid propionate consumption by sulphate reducing
bacteria in saline wastewater .Applied Microbiology and
Biotechnology, 98(9) 4245-4255
van den Brand, T P.H , Roest, K., Chen, G -H , Brdjanovic, D and
van Loosdrecht, M.C.M. (201 5). Occutence and activity of
sulphate reducing bactena m aerobic activated sludge systems
World Journal of Microbiology and Biotechnology. 31(3):
507-516
van Houten RT., ’ran der SpoeL H., "an Aelst, A.C., Hulshoff
Pol, LW and Lettrnga, G (1996). Biological sulfate
reduction using synthesis gas as energy and carbon source.
Biotechiology andBioengineering. 50(2): 136-144
van Loosdrecht, M.CM. Lopez-Vazquez, C.M. Mtijer, S.C.F,
Hooijmans, C.M. and Brdjanovic, D. (2015) Twenty-five years
of ASM1: past, present and future of wastewater treatment
modelling Journal of Hydroirfo'-matics, 17(5) 697-718.
van Loosdrecht M.C.M. Pot, MA and Heijnen, J.J (1997)
Importance of bacterial storage polymers in biopt о cesses.
Water Science and Technology, 35(1): 41-47
van lire 1, E W J, Arts; F A.M , Wesselink, В J., Robertson, L. A
and Kuenen, J.G. (1993). Competition between heteiatrophic
and autotrophic nitrifiers for ammonia in chemostat cultures
REMS Microbiology Ecology, 102 109-118
Vantolleghem, P A., InseL G., Petersen B., Sin G., De Pauw, D ,
Nopens, I., Doverman H., Weiiers, S and Gernaey, К
(2003). A comprehensive model calibration proceduie fot
activated sludge models. Proceeding, of the 76th Annual WEF
Conference and Exposition, О ctober 11 -15, Los Angeles.
Villa-Gomez. D , Ababneh, H , Papuio, S., Rousseau. D.P .L. and
Lens, F N L (2011) Effect of sulfide concentration on the
location of the metal precipitates m inversed fluidized bed
reactors. Journal of Hazardous Materials, 192(1): 200-207.
Villegas, J D, de Laclos, H F, Do”at, J , Membrez, Y and
Holliget, C. (2011). Nitrogen removal from digested manure
in a simple one-stage process. Water Science and Technology,
63 1991-1996
Vishniac, W and Santei, M. (1957). Thiobacilli Bacteriologcal
Reviews, 21 195-213
Vlekke, G.JFM, Сотеац Y and Oldham W.K. (1988).
Biological phosphate removal fiom wastewater with oxygen
or nitrate in sequencing batch reactors. Envirormental
Technology Letters, 9:791 -796
Wachtmeister, A, Kuba, T., vanLoosdrecht M C.M and Heijnen,
J.J. (1997). A sludge characterization assay for aerobic and
denitrifying phosphorus removing sludge Water Research,
31(3) 471—478
Wang J., Lu, H, Chen G.H, Lau GN., Tsang W.L. and van
Loosdrecht MC.M (2009) A novel sulfate reduction
autotrophic denitrification nitrification integated (SANI)
process for saline wastewater treatment Water Research,
43(9). 2363-2372.
Welles, L, Lopez-Vazquez. C.M., Hooijmans, C M., vanLoosdrecht,
M.C.M and Brdiano”ic, D (2014) Impact of salinity on the
anaerobic metabolism of phosphate- accumulating organisms
(TAD) and glycogen accumulating organisms (GAG) .Applied
Microbiology and Biotechnology. 98(17). 7609-7622.
Welles, L., Lopez-V azquez, CM., Hooijmans, C.M., van
Loosdrecht M.C.M and Brdjanovic, D. (2015a). Impact of
salinity on the aerobic metabolism of phosphate- accumulating
organisms Applied Microbiology and Biotechnology, 99(8)
3659-3672
Welles, L., Tian, WD, Saad, S., Abbas, B, Lopez-Vazquez,
C.M., Hooijmans, C.M., van Loosdrecht, M.CM. and
Brdjanovic, D. (2015b). Accimuhbucter clades Type I and II
pei forming kinetically different pyrogen-accumulating
organisms metabolisms for anaerobic substrate uptake Wcfer
Research, 15(83) 354-366
W’elles L, Abbas, В , Lopez-V azquez, С M, Hooijmans, CM, van
Loosdrecht, M.C.M. and Brdjancvic, D. (2016). Metabolic
response of CoudicJiSzrs Accumuhbacfer pho phons' clade II to
changes in P/C ratio in their environment (ji/tranfted).
Wentzel, M C., Dold, P.L., Loewenthal, RE, Ekama, G.A and
Marais, GvR (1987) Experiments towards estabfishing the
kinetics of biological excess phosphoris removal In.
Biological phosphate removal from wastewaters: Proceedings
of an lAVtTRC Specialized Conference, Rome, Italy 28-30
September 28-30, 1987 (Per gam on Press, Vol. 4, p 79).
Wentzel, MC., Comeau Y, Ekama, G.A, van Loosdrecht,
M.C M and Brdjanovic, D (2008) Enhanced biological
phosphorus removal. In Biological wastewater treatment
principles, modelling and design, Henze, M , vanLoosdrecht
M.C.M, Ekama, G A and Brdjancvic, D. (Eds), ISBN
9781843391883, IWA Publishing London, UK.
Wentzel, M C., L otter, L H , Loewenthal, R E and Marais; G vR
(1986) Metabolic behaviour of Acinetobacter spp. in
enhanced biological phosphorus removal - a biochemical
model. Water SA 12(4): 209-224
Wentzel, M.C., Mbewe, A. and Ekama, G A. (1995) Batch tests
fot measurement of readily biodegradable COD and active
organism concentrations in municipal waste waters Water SA
21(2): 117-124.
WERF (2003). Methods foi wastewater characterization in
activated sludge modeling Water Environment Research
Foundation report 99-WWF-3, ISBN 13 9781843396628,
WERF (Alexandna) and IWA Pub fishing (London) 575
Weft, E (2007) Development and implementation of a robust
de ammonification process. Water Science and Technology.
56(7): 81-88
Widdel, F. (2006). The genus Lesulfotomaculum The prokaryotes
V ol 2, Dworkin, M, Falkow, S , Rosenberg E., S chleifer, К -H ,
and Sta ck etc andt E. lEds), N ew Y ork: Springer: 737-794.
Wiesmann, U. (1994) Biological nitro gen removal from wastewater
In Advances in biochemical engneenngbiotechnoloa'
Fiechtet. A (Ed), ISBN-13 9781843396628, Berlin Spnnget-
VerlagBerlinHeidetberg 113-154.
Wik, T and BrAitholtz, C (1996) Steady-state solulion of a two
species biofilm problem. Biotechnology and Bioengneenng,
50(6). 675-686
Winogadsky, M.S (1890). Reserches sut les orgamsmes de la
nitrification Annul es de 1'institutPasteur, 4 213-231
Winogradsky, MS (1892) Conihbution a la morphologic des
orgamsmes de la nitrification .Arclsves of Biological Sciences,
1 87-137
of 346
ОПРЕДЕЛЕНИЕАКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ В АКТИВНОМ ИЛЕ
141
W4 D, Ekama, G A., Wang Н G , Wei, L, Lu, H.. Chui, Н К,
Liu WT , Brdjanovic, D . van Loosdrecht, M.C M. andChen,
G.H (2014j Simultaneous nitrogen and phosphorus removal
in the sulphur cycle-associated Enhanced Eiologcal
Phosphoius Ren, oval (EBPR) ptocess Wfoier Research, 49
251-264.
Yamamoto, R I, Komori, T and Matsui, S (1991). Filamentous
bulking and hindrance of phosphate removal due to sulfate
reduction in activated sludge Water Science and Technology,
23(4-61 927-935
Yang Z, Zhou S. and Sun, Y (2009) Start-up of simultaneous
removal of ammonium and sulfate from an anaerobic
ammonium oxidation (Anammox) ptocess in an anaerobic up-
flow biareactor Journal of Hazardous Materials, 169:113-118
Yoshida. Y, Takahashi, K, Saito, T. and Tanaka, К (2006). The
effect of nitrite on aerobic phosphate uptake and denitrifying
activity of phosphate-accumulating organisms. Water Science
and TechnoSogr 53(6) 21-27
Zeng R.J, vanLoosdrecht, M.C.M, Yuan, Z. andKeller, J (2003a).
Metabolic model for gj ус о gen- accumulating oigamsms in
anaerobic/aerobic activated sludge systems Biotechnology and
Bioengineering, 81(1) 92-105
Zeng R.J, Saunders AM, Yuan, Z, Blackall, L.L and Keller, J
(2003b). Ideriiticauon and comparisen of aerobic and denitrifying
polyphosphate-accumulating organisms. Biotechnology and
Bioengineeri ng, 8 3 (2): 140 -148
Zeng W, Li, В , YangY, Wang X, Li, L and Peng Y (2014).
Impact of nitrite on aerobic phosphorus uptake by poly
phosphate accumulating organisms in enhanced biologcal
phosphorus removal sludges. Bioprocess and Biosystems
Engineering, 37(2): 277—287
Zhou Y, Puuan, M and Yuan. Z. (2007). Free nitrous acid
inhibition on anoxic phosphorus uptake and denituficationby
polyphosphate accumulaung organisms. Biotechnology and
Bioengineering, 98(4) 903-912.
Zhou, Y, Pijuan, M, Zeng RJ , Lu, H and Yuari, Z. (2008).
Could polyphosphate-accumulating organisms (PAOs) be
glycogen-accumulating at gamsms (GAOs)? Water Research,
42(10-1 2361-2368
Zhou, Y, Ganda, L, Lim, M, Yuan, Z. and Ng W.J. (2012)
Response of poly-phosphate accumulating organisms to free
niirous acid inhibition under anoxic and aerobic conditions.
Bioresource Technology 116 340-347
Zieta. U (1995). The formation of sludge bulking in the activated
sludge process. European Water Pollution Control, 5:21-27
Zumft, WG. (1997). Cell biology and moleculai basis of
denitrification Microbiology and Molecular Biology Reviews
61.533-616
MULUilldUC
of 346
144
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД

of 346
3
РЕСПИРОМЕТРИЯ
Авторы
Henri Spanjers
Peter A Vanrolleghem
Редакторы
George A. Ekama
Mathseu Sperandio
Редакторы русскоязычного текста.
Гогина Елена Сергеевна
Гулыиин Игорь Алексеевич
Макиша Николай Алексеевич
Эпов Андрей Николаевич
3.1.	ВВЕДЕНИЕ
Настоящая глава объединяет практические рекомен-
дации пи оценке скорости дыхания биомассы При-
меняются практике ориентиров энный подход и спе-
циализированная методология Также описываются
некоторые биохимические основы дыхания для бо-
лее полного понимания того, как дыхание связано
с использованием субстрата и микробным ростом
Авторы объясняют, что дыхание можно оценить
сточки зрения скорости поглощения конечного ак-
цептора электронов, такого как молекулярный кис-
лород или нитрат, или, в случае анаэробного дыха-
ния, с течки зрения скорости образования метана
или сульфида. Измерение скорости потребления (или
образования), т. е ре спирометрия рассматривается
с применением различных принципов измерения
Основное внимание уделяется лабораторным тестам
с использованием проб биомассы неточных вод
В целом большинство измерительных техник может
быть уже автоматизировано в коммерческих респи-
рометрах для автоматического измерения скорости
дыхания в том числе непссредственнс в потоке на
очистных сооружениях Однако такие потоковые
измерения не вошли в данную книгу Метод анализа
отходящих газоь является неотъемлемым способом
оценки скорссти дыхания на опытной или производ-
ственной установке очистки сточных вод Данный
метод описан в гл 4
Информацию, получаемую при респирометриче-
ских измерения^:, можно разделить на два типа, пер-
вичная и вторичная (Spanjers et al, 1998) Первичная
информация такая как: скорость аэробного дыхания
или удельная метаногенная активность, предостав-
ляет данные о фактический активности биомассы
и может применяться, например, для записи респи
рограмм (временных рядов скорости дыхания)
в лаборатории. Ко вторичной информации относят-
ся переменные, которые выводятся из ре спиро мет-
рических измерений, таких как доза ила, концентра-
ция субстрата и кинетические параметры. В этом
случае респи роме три чес кие измерения используют-
ся в качестве входных данных для простых арифме-
тических расчетов или даже подгонки модели Ис-
пользование данных, в том числе респирометриче-
ских, в подюнке модели для оценки выведенных
переменных или параметров приведено в гл 5
Поскольку настоящая глава сконцентрирована на
практических рекомендация: для оценки скорости
дыхания она содержит лишь базовое объяснение
соответствующих биохимических процессов и ссыл-
ки на соответствующую литературу по биохимии
(Alberts et al, 2002, Nelson and Cox, 2008). Ввиду то-
го, что практические рекомендации касаются исполь-
зования респиро метрических методов, которые легко
выполняются в большинстве лабораторий, здесь
не рассматриваются принципы респирометрических
измерений, в этой части авторы гл авы ссылаются на
исследования Spanjers et al (1998). Использование
первичной и вторичной респирометрической инфор-
мации для контроля процесса с активным илом рас-
смотрено в трудах Сорр et al (2002).
© Генри СПаньерс,Питер А.Ванрил лигам, 2020
©Томским государственны! аряггекцрно -отриительгыи униеерситет (паров i д оформление), 2020
of 346
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
141
3.1.1.	Основы дыхательного процесса
В биохимическом отношении микробное дыхание -
это метаболический процесс, генерирующий адено-
зинтрифосфат (АТФ), в котором органические или
неорганические соединения служат донором элек-
тронов, а неорганические соединения служат тер-
минальным акцептором электронов (например, кис-
лород, нитрат, сульфат). Универсальный носитель
энергии АТФ генерируется когда электроны, уда-
ленные с донора электронов, перемещаются по цепи
перехода электронов от одного метаболического
носителя к другому и, наконец, к терминальному
акцептору электронов. Таким образом, микроорга-
низмы преобразуют энергию внутримолекулярных
связей в доноре электронов в высокоэнергетические
фосфатные связи АТФ (катаболизм). Затем энергия
используется для синтеза различных молекулярных
компонентов, необходимых для роста клеток (ана
болизма), поддер жания и репродукции.
В процессе дыхания донор электронов переходит
в окисленную- ферму, а акцептор электронов - в вос-
становленную форму. В случае, если донором являет-
ся углерод (органические соединения), окисленной
формой является диоксид углерода Если акцептором
электронов является молекулярный кислород, то его
восстановленной формой является т ода Конвертация
углерода в качестве динора с кислородом, выступа-
ющим в роли акцептора электронов, осуществляется
гетеротрофными бактериями
Неорганические доноры, которые преобразуются
в свою окисленную форм)1 аэробны™ микроорга-
низмами, где кислорэд выступает в качестве терми-
нального акцептора электронов, включают аммоний
и нитрит, двухвалентное железо (соединения с двух-
валентным железом) и сульфид, а конвертацию осу-
ществляют нитрификаторы (аммиак и нитритокис-
ляющие бактерии), железоокисляющпе и сульфидо-
кисляющие бактерии, соответственно. В этом случае
источником углерода является СО2, а организмы
называются автотрофами Анаэробные микроорга-
низмы используют неорганические соединения, от-
личные от кислорода, такие как нигрит, нитрат,
сульфат и диоксид углерода, в качестве герминаль-
ного акцептора электронов В этих случаях речь идет
об аноксидных (нитрит, нитрат) и анаэробных про-
цессах (СО2, сульфат). Обратите внимание, что при
очистке сточных вод различные процессы дыхания
могут происходить одновременно, когда разные
микроорганизмы используют разные субстраты
и конечные акцепторы электронов конкурируют за
одни и те же соединения
На рис. 3.1 схематично изображены некоторые
примеры метаболических превращений Обратите
внимание, что как донор электронов, так и герми-
нальный акцептор электронов могут р ас сматривать -
еяв качестве субстрата наряду с другими компонен-
тами, которые вступают в метаболические пути
В респирометрии под дыханием обычно понимают
потребление О2, NOT или NO3‘ или (в анаэробной
респирометрии) образование СЩ В общих чертах
метаболические превращения в процессе дыхания
являются катаболическими реакциями, и некоторые
газообразные соединения, которые поглощаю-тся
или образуются во время этих реакций, могут ис-
пользоваться для оценки основных метаболических
превращений Однако могут рассматриваться и дру-
гие процессы, такие как поглощение NH++, НТ или
S*. SOt или образование N2 Другие продукты,
которые не присутствуют на рисунке, но также свя-
заны с дых ани ец вклю чают Н+ и тепло, и также
связанные с ними методы, такие как титриметрия
и калориметрия соответственно. Эти темы, однако,
не входят в содержание данной главы
РИгунокИ. Схематичное изофамение некоторых примеров метаболи-
ческих превращений. е-- электрон, который переходит с донора элек-
тронов на конечный акцептор электронов; [СНО] - любой углевод Вы-
деленные цветом вещества обычно используются в реепцзо метр км
в качестве измеряемых велики
Поскольку энергия генерируемая в процессе
микробного дыхания используется для роста клеток
и функций их поддержания таких как репродукция
подвижность клеток, осмотическая активность и т д.,
скорость дыхания связана со скоростью этих про-
цессов. Однако различить эти два процесса сложно
В качестве примера рассмотрим аэробное дыхание
гетеротрофных микр о организмов, которые исполь
зуют углеродистый (органический) субстрат в каче-
стве донора электронов и кислород в качестве тер-
минального акцептора электронов Только часть
(1-Y) потребляемого органического субстрата окис
ляется чтобы обеспечить энергию для роста и под-
держания клеток Остальная часть, обычно полови-
на (по весу/массе) молекул субстрата (выход Y),
реорганизуется в новую клеточную- массу. Следова-
тельно, скорость потребления кислорода связана
сростом биомассы через удельную» скорость приро-
ста клеток. При анаэробном дыхании гидроген о -
трофных метаногенов, когда в качестве донора элек-
illdLIU Z.OQT'-
of 346
PEC ПИРОМЕТРИЯ
14?
тронов используется субстрат H2, а в качестве ак-
цептора электронов - СО2, лишь небольшая часть
субстрата Y преобразуется в биомассу, а большая
часть окисляется с образованием СН4
В активном иле удаление углеродистых субстра-
тов - не единственный процесс, происходящий с по-
треблением кислорода. Помимо потребления кисло-
рода гетерогрофной биомассой существуют некото-
рые другие биологические процессы, которые могут
способствовать дыханию активного ила, такие как
окисление неорганических соединений нитрифика-
торами и другими бактериями, а также специфиче-
ские реакции микробного окисления катализируе-
мые оксидазами и моно оксигеназами Нитрифици-
рующие бактерии переносят лишь небольшую часть
аммиака субстратав новую биомассу, в то время как
большая часть субстрата (аммония) окисляется для
производства энергии Эти автотрофные бактерии
используют растворенный диоксид углерода в каче-
стве источника углерода для новой биомассы. По
сравнению с гетеротрофной биомассой нитрифици-
рующим бактериям требуется больше кислорода для
роста Нитрификация происходит в два этапа, окис-
ление аммиака до нитрита и окисление нитрита до
нитрата. Подобно нитрификаторам. автотрофные
сер о окисляющие и железо окисляющие бактерии
используют неорганические соединения вместо ор-
ганического вещества для получения энергии и ди-
оксид углерода или карбонат в качестве источника
углерода. Сероокисляющие бактерии способны
окислять сероводород (или другие восстановленные
соединения серы) дс серной кислоты Железо окис-
ляющие бактерии окисляют неорганическое двухва-
лентное железо до формы грехвален тного железа
для получения энергии Кроме бактерий, в активном
иле присутствуют простейшие и другие предше-
ствующие высшие организмы, которые также по-
требляют кислород Наконец, некоторые неоргани-
ческие доноры электронов, такие как двухвалентное
железо и сульфид, могут химически окисляться
с использованием кис лор ода.
Все вышеперечисленные процессы потребления
кислорода являются составными частями общей ско-
ро:™ дыхания активного ила Обычн респиромет-
рия предназначена для измерения только биологиче-
ского потребления кислорода, иногда ее используют
для выделения различньк биологических процессов,
таких как гетеротрофное окисление и нитрификация.
Однако часто выявить различия между конкретными
микробными процессами и определить химическое
потребление кислорода довольно трудно
3.1.2.	Основы респирометрии
Ре спиро метр ия обычно определяется как измерение
и интерпретация скорости биологического потребле-
ния неорганического акцептора электронов в четко
определенных экспериментальных условиях В це-
лом все вещества, изображенные на рис. 3 1 в «суб-
стратно окисленной форме», могут служить измеряе-
мой переменной Исключением является анаэробная
ре с пирометрия тде обычно измеряется скорость
образования конечного восстановленного метана.
Это связано с тем что в процессе анаэробного раз-
ложения участвует много про межу то чнъ к продук-
тов, и измерить скорость потребления этих промежу-
точных субстратов практически невозможно Кроме
того, стадия метаногенеза обычно не влияет на огра-
ничение скорости; следовательно, скорость образо-
вания метана отражает ограничивающий скорость
процесс (в случае со сложным субстратом, в основ-
но м гидр олиз)
Обратите внимание, что также можно измерить
скорость потребления донора электронов, такого как
[ОНО], ЫН4+ и Н2. Однако это, как правило, не счита-
ется респирсметрией, в том числе потому, что элек-
тронодонорные вещества, такие как [СНО] и ПН4+,
могут также потребляться в ходе процессов, не свя-
занных с выработкой эн ер гаи, например, поглощение
в биомассе Наконец, измерение выделения СО2 мож-
но считать респиромегрией, т. к. образование СО2
связано с выработкой энергии (рис 3 2). Однако, по-
скольку СО2 в газовой фазе связан с карбонатной
системой, для выявления pH и концентрации бикар-
боната в жидкой фазе потребуются дополнительные
измерения.
NH/
Нт
Биомасса
новая биомасса
Рисунок 3.2. Со отношение между дыхание м. использованием иуйстра та,
ростом для трех тише субстрата [С НО). НН» и На и соответствующего
акцептора электронов, например, Cfe, NОз и НСОз {Spacers etal.. 1998)
Респиромегрия всегда основана на некоторой
методике оценки скорости, с которой биомасса по-
глощает акцептор электронов (О2 и NOj) из жидко-
сти или производит ее восстановленную ферму
(например, СН4), см рис. 3.2. Для акцепторов элек-
тронов, таких как О2 и NO3', ре спирометрия, как
правило, основана на измерении концентрации ак-
цептора электронов в жидкой фазе и определении
массового баланса для выявления скорости дыха-
ния. При измерении потребления кислорода в при-
сутствии газовой фазы необходимо ^читывать мас-
совый баланс кислорода в газовой фазе. Аналогично
при измерении скорости образования метана необ-
гоптаи
of 346
141
ходимо учитывать массовый баланс метана как
в жидкой, так и в газовой фазе.
Для аэробной респирометрии, т. е. оценки скоро-
сти, с которой биомасса поглощает кислород, авто-
ры Spaniers et al (1998) представили классификацию
респирометрических принципов, основанную на
двух простых критериях место измерения кислоро-
да, жидкая или газовая фаза, состояние газовой
и жидкой фаз, как текучих, так и статических Было
выявлено, что большинство предложенных ре спи-
ро метрических устройств можно отнести к одному
из восьми классов, созданных по данной классифи
калии Кроме того, в литературе были найдены
при меры применения для каждого из этих классов
3.2.	ОБЩАЯ МЕТОДОЛОГИЯ
РЕСПИРОМЕТРИИ
3.2.1.	Основы методологии респирометрии
Скорость дыхания обычно измеряется респиромет-
ром. Респирометры варьируются от простого фла-
кона с ручным управление^ .'снащенного датчи-
ком до сложных, полностью автоматических при-
боров В некоторых случаях функции респирометра
на очистных установка:: могут выполнять сами био-
реакторы. За исключением последнего случая ха-
рактерной чертой для всех респирометров является
наличие реактора, отделенного от биореактора,
в котором собираются различные компоненты (био-
масса, субстрат и пр.). Работа всех респирометров
основывается на некоторой технике оценки скоро-
сти, с которой биомасса выделяет или поглощает
какой-либо компонент из жидкости (рис 3.2)
Рисунок3.1 Стандартная мема работы респцюметра
Многие их этих техник не являются новыми
Однако Spanjers et al (1988) обнаружили, что все
методы измерения скорости дыхания можно разде-
лить на восемь основных принцип?в в соответствии
с двумя критериями (1) фаза, в которой измеряется
концентрация (газовая или жидкая, соответственно
Г или Ж) и (2) наличие входа и выхода для жидко-
сти и газа (протечные или статические, Пи С, соот-
ветственно). Работу всех респирометров можно объ-
яснить с точки зрения упомянутых критериев На
рис 3 3 изображена стандартная схема работы ре-
ЭКС ПЕРИ МЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
спирометра Обратите внимание на наличие в газо-
вой фазе пузырьков, ди спер nip о в энных в жидкой
фазе Дальнейшие разделы главы будут посвящены
обсуждению принципов, основанных на вышеука-
занных критериях Полезность различных методов
измерения обсуждаться не будет, т к любой метод
имеет свои достоинства в зависимости от конкрет-
ного применения при условии соблюдения правиль-
ных условий измерения
3.2.2.	Обобщенные принципы
322.1. Принципы на основе измерений в жодкой фазе
В большинстве методов, основанных на измерения::
в жидкой фазе, используется определенный элек-
трод или датчик Надежное измерение скорости ды-
хания возможно только в том случае, если датчик
правильно откалиброван и учить® ается ряд пере-
менных среды, таких как температура и давление
Датчики также имеют время отклика, которое необ-
ходимо учитывать при некоторых ре спиро метриче-
ских настройках
Респирометры, основанные на измерении кон-
центрации растворенного кислорода (РК) в жидкой
фазе, используют массовый баланс РК в жидкой
фазе Рассмотрим систему, состоящую из жидкой
фазы с биомассой и газовой фазы, которые идеально
смешаны и имеют вход и выход (рис 3 4). Предпо-
лагается что концентрацию РК в жидкой фазе мож
но измерить Массовый баланс РК в жидкой фазе
следующий
..	’-вх ’"*02,вх
“Qbhx So2 +
+VL • kLa(s02 - S02 )_ ТЛ.1О2’
где Sqj - концентрация РК в жидкой фазе (мг/л),
J 2 - концентрация насыщения РК в жидкой фазе
(мг/л), S02jEX - концентрация РК в жидкой фазе на
входе в систему (мг'л); kLa- коэффициент переноса
кислорода, зависит от объема жидкости fa1); QK-
расход жидкости на входе в систему7 (л/ч), QIbDt-
расход жидкости на выходе из системы (л/ч); г02 -
скорость дыхания бис массы в жидкости (мг/л/ч),
Vl - объем жидкой фазы (л).
Поскольку это массовый баланс в жидкой фазе;
формула (3 1) не содержит условия расхода газа
Первый и втсрой комп:ненты в правзй части пред-
ставляют адвективный поток РК во входящих и вы-
ходящих потоках жидкости. В большинстве систем
Qsx И Эшх будут равны, чтобы обеспечить постоян-
ный объем жидкости. Третий компонент описывает
массоперенос кислорода из газовой фазы: в жидкую
Последний компонент отражает скорость дыхания,
полученную из массового баланса Следовательно,
г паи c z.uot’*
of 346
РЕС ПИРОМЕТРИЯ
14J
параметр So необходимо измерить, а все остальные
коэффициенты должны быть известны, в противном
случае ими можно пренебречь (т е. они не влияют
на результат). На практике определение г оз можно
упростить несколькими способам! Далее предпо-
ложим что объем жидкости является постоянным
таким образом слагаемые в формуле (3 1) можно
разделить на VL.
Рису юк II. Принцип жидкой фазы, проточный газ проточная жидкость (Ж ПП)
•	Статичный газ, статичная м1дюстъ(ЖСС)
Один из подходов предлагает использование ме-
тодики без учета расхода жидкости и массопер е-
носа кислорода (рис 3.5). Тогда первые три ком-
понента в правой части формулы (3.1) выпадают,
а массовый баланс уменьшится до
“dt’ = -r02
Рису юк 15. Принцип жидкой фазы, стопи чньм газ, столичная жидкость (Ж СС)
Таким образом для вычисления скорости дыха-
ния необходимо определить только дифференци-
альный компонент. Это можно сделать, измерив
снижение РК, вызванное дыханием во времени,
что эквивалентно аппроксимации дифференци-
ального компонента с конечным компонентом
разности ASO2/At = -ru2 Характерным для этого
принципа является истощение РК через некоторое
время, поэтому, чтобы продолжить измерения ре-
аэрации г а необходимо вернуть концентрацию
РК на более высокий уровень путем реаэрапии.
РК и субстрат ограничивают дыхание, когда их
концентрации становятся слишком низкими, вы-
зывая нелинейное снижение РК, и таким ьбраьом
затрудняя оценку дифференциального компонен-
та Обратите внимание, что на рис. 3 5 присут-
ствует газовая фаза. Однако предполагается чтс
массопер енос с газовой в жидкую фазу не проис-
ходит Напрактике газовая фаза может отсутство-
вать, чтобы предотвратить попадание кислорода
в жидкость. Процедура определения г0, согласно
«Стандартным методам)» (АРНА al, 2П12), ос-
новывается наданном принципе
•	Проточным газ, статичная жидкость (ЖПС)
Недостаток в виде потребности в реаэрации
можно исключить с помощью постоянной аэра-
ции биомассы. При этом компонент массопере-
носа кислорода kLa(S^2-S^2) должен быть
включен в массовый баланс:
Для вычисления г02 необходимо определить
и дифференциальный компонент и компонент
массопереноса. Чтобы вычислить последний,
должны бьпь известны коэффициент массопере-
носа (kLa) и коэффициент насыщения РК (S£>2).
Эти коэффициенты нужно определять регуляр-
но, т к. они зависят от условий окружающей
ср.еды, таких как температура, атмосферное дав-
ление и свойства жидкости (вязкость, соленость
ит д.). Самый простой подход предлагает опре-
делить эти показатели при помощи отдельных
тестов на реаэрацию и справочных таблиц Дру-
гой подход заклинается в оценке коэффициентов
сточки зрения динамики изменения концентра-
ции РКпри пимощи методик оценки параметров
Преимущество последнего метода заключается
в том что значения коэффициенте в аэрации
можно изменить относительно легко Этот ре-
спирометрический принцип позволяет измерять
г02 при почти пс стоянкой концентрации РК, тем
самым устраняя зависимость г02 от концентра-
ции РК (при условии, что РК » 0 мг/л;
Обратите внимание чтс поскольку на рис. 3 6
изображены вход и выход в газовой фазе, то
компонент расхода газа в формуле (3.3) отсут-
ствует Необходимости учитывать расход газа
нет, при условии, что показатель известен
или определен
Рис у юк 16. Принцип жидкой фазы, проточный газ. статичная жидкость (ЖПС)
MULUilldUC ZOUT^
of 346
1 iO
•	Стат ч№1й газ, фотонная юдкостъ (ЖС П i
Повторяющейся аэрации или оценки коэффици-
ентов переноса кислорода, как и в случае с вы-
шеуказанными принципами, можно избежать,
когда жидкость с достаточно высокой входной
концентрацией РК непрерывно протекает через
закрытую ячейку с полностью перемешанным
содержимым без газовой фазы (рис. 3.7). Теперь
в формулу массового баланса нужно добавить
компонент расхода жидкости (3 4)
Рисунок 3.7. Гфиидо мдкой фазы, статичный (отсутствующий) газ,
проточная чада стъ (ЖСП)
Для расчета г02 необходимы измерения обеих
концентраций РК, Sq^x и SOJ В респирометре
Qe: и Vl являются постоянными прибора и по-
этому считаются известными или откалиброван-
ными Этот принцип аналогичен принципу из
формулы (3.2), и он также чувствителен к воз-
действию субстрата и ограничению РК. Однако
эффект ограничения субстрата может быть
устранен путем непрерывной подачи сточных
вод и РКв дыхательную ячейку7
•	Проточный газ. фото чная юдеостърКПП)
Без описанных упрощений полный массовый ба-
ланс (3.1) имеет место при применении принци
па, изображенного на рис 3.4 Для измерения
скорости дыхания с помощью данного принципа
требуется комбинация подходов, приведенных
для вышеупомянутых упрощенных принципов
Например, необходимо измерить расход и кон
цен грацию кислорода на входе, в то время как
коэффициенты кВа и s£>2 следует определить,
например, на основе опенки динамики концен-
трации РК
3 2.2.2. Принципы на основе измерений
в газовой фазе
Респир о метрические методы, основанные на изме-
рении газе образного кислорода, всегда имеют дело
с двумя фазами жидкой фазой, содержащей дыша-
щую биомассу, и газовой фазой, в которой происхо-
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
дат измерение кислорода. Основной причиной для
выполнения измерений в газовой фазе является пре-
одоление трудностей, связанных с влиянием загряз-
няющих веществ, наг:едящихся в жидкой фазе
(например, образование пленки биомассы на дагчи
ке). Газообразный кислород измеряется с помощью-
физических методов, таких как парамагнитный или
газ и метрический методы.
Газ о метрические методы позволяют измерить
изменения концентраций газообразного кислорода
Согласно закону идеального гав а Р V = n R • Т, эти
значения можно получить на основе изменений дав-
ления (манометрическим методом при постоянном
объеме) или объема (объемным методам при посто-
янном давлении) Эти методы обычно применяются
к закрытым измерит ельным системам (без входных
и выходных потоков), что может вызвать необходи-
мость повторной аэрации и, таким образом, времен-
ное прерывание измерений Это ограничивает воз-
можность продолжительного мониторинга скорости
дыхания Однако необходимости прерывать измере-
ния из-за реаэрации не возникает при восполнении
потребляемого кислорода с известной скоростью,
например, путем подачи чистого кислорода из резер-
вуара или с помощью электролиза. Скорость подачи
кислорода в этом случае эквивалентна скорости био 
логического дыхания (при условии постоянного
и бысгрого массопер еноса в жидкость). Поскольку
диоксид углерода выделяется из жидкой фазы в ре-
зультате биологической актов но сти, его нужно уда-
лять из газовой фазы, чтобы избежать помех при
измерении кислорода. На практике удаление выпол-
няется с помощью щелочи для химического погло-
щения получаемого диоксида углерода
В ре сп ир о метрических принципах, основанных
на измерении газообразного кислорода, для опреде-
ления скорости дыхания также используются массо-
вые балансы кислорода. Однако в дополнение
к массовому балансу в жидкой фазе (3.1) необходи-
мо учитывать баланс в (идеально смешанной) газо-
вой ф аве (рис 3 8):
^(VG C<O2)=Fix "о2,™	СО2 “
-VL kLa(s£2-Sb2),	(3.5)
где С02 - концентрация О2 в газовой фаве (мг/л);
С оз ?х - концентрация О- в газе, поступающем в си-
стему (мг/л), F БХ — расход газа, поступающего в си-
стему (л/ч); FEE1X - расход газа, пс кидающего систе-
му (л/ч); VG- объем газовой фазы (л).
Выражение VLkLa(S^2 - SQ2) определяет процесс
массопереноса кислорода из газовой фазы в жид-
кую, и это обеспечивает связь между двумя фазами
Из уравнений массовых балансов (3.1) и (3.5) следу-
ет, что для расчета гоэ необходимо измерить Со2
LUrridUC Z.UUI v
of 346
PEC ПИРОМЕТРИЯ
1i1
(непосредственно или с использованием закона газа,
см. выше), а также требуется знание Sc,2 Однако
измерения Sq2 в принципах газовой фазы не выпол-
няются Эти респирометрические принципы пред-
полагают, что концентрации кислорода в газовой
и жидкой фазах находятся в равновесии, т е массо-
пер ено с достаточно быстрый (kLa —*00), так что
S02~ Sq2 Поскольку по определению концентрация
насыщения РК пропорциональна концентрации О2
в газовой фазе.
^2 = НСО2,	(3 6)
целесообразно пояснить, что
' dt 2 =	-rO2’	0 -9)
= _Vl . kLa(^2 - ^2).	(3.10)
Следовательно, чтобы рассчитать г 02, необ-
ходимо измерить изменение концентрации кис-
лорода в газовой фазе, dC02/dt, dS02/dt также
должен быть известен (3 9) Компонент dC02/dr
можно измерить с помощью кислородного дат-
чика. Если используется газ о метрический метод,
dC02/dt связан с изменением объема или давле-
ния (3 10).
и
^2=Н <Ъ2
-Н^^2
dt dt
В данном принципе существует то же огра-
ничение, что и в самом простом, основанном на
РК’ при истощении кислорода его необходимо
восполнить, например, выпуская газовую фазу,
чтобы продолжить измерение го2
• Проточный ras, статичная жидкоеть(ГПС)
Другой метод основан на проточной газовой фа-
зе. т. е. биомасса непрерывно аэрируется возду-
хом (или чистым кислородом), таким образом
обеспечивается достаточное количество кисло-
рода (рис. 3.10). По сравнению с формулой (3.10)
в массовый баланс газовой фазы должны быть
включены два условия переноса
Рису юк 18. Принцип газовой фазы, прото'-ный газ, проточная жидки ста (ГПП)
Следовательно, измерение в газовой фазе являет-
ся хорошим показателем состояния жидкой фазы при
условии, что известны постоянная Генри (Н), напри-
мер, из калибровки или таблиц, и коэффициент мас-
сопер сдачи высок. Обоснованность этого предполо-
жения о равновесии требует критической оценки
• Статичный газ, статичная »1дюстъ(ГСС)
Простейший метод измерения скорости дыхания
в газовой фазе предусматривает наличие стати-
ческой жидкой фазы и статической газовой фа-
зы, т. е. предполагает отсутствие входа или вы-
хода (рис 3 9). Кроме массового баланса РК
в жидкой фазе необходимо учитывать массовый
баланс кислорода в газовой фазе (3 9), (3.10)
Г -F Г -
гхх  O2,zx -ьых ^02
-VL kLa(s£2-So2)	(3 12)
Для расчета г0 в дополнение к переменным
предыдущего метода необходимо знать расход
входящего и выходящего газа FBX и FBBBb а также
концентрации кислорода на входе и на выходе,
СОвх и С0 Из них Со обычно измеряется
а остальные параметры заданы Применение га-
зометрического метода здесь не очевидно, и из-
мерение Со производится, например, парамаг-
нитным методом
Рису юк 19. Принцип газовой фазы, статочный газ, статочная йатдкость (ГСС)
РисуюкИО. Принцип газовой фазы, приточный газ, статичная жида ста (ГПС)
MULUilldUC
of 346
1»
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
•	Статичшй газ, гроточная жидкость (ГСП)
Применение принципа газовой фазы со старин-
ным газом и текучей жидкостью (рис 3 11) на
сегодняшний день не встречалась ни в теорети-
ческой литературе, ни на практике.
Рису юк 111. Принци п газовой фазы, стати чный газ, протая жидкость | ГПП)
•	Проточный газ, гроточная жидкость (ГПП)
Принцип газовой фазы также может использо-
ваться в натурных биореакторах. В этом случае
в реакторе предусмотрены входы и выходы для
потоков жидкости, и к массовому балансу в жид
кой фазе необходимо добавить условия переноса
(3 1) Предположение о пропорциональности меж-
ду Соз и Sqj (3.7) приобретает здесь большую важ-
ность, в том числе по той причине, что компонент
выхода жидкости также зависит от него Для кор-
ректной оценки скорости дыхания также может
бьпь полезно дополнительно измерить растворен-
ный кислород В гаком случае метод перестает
быть исключительно принципом газовой фазы.
Обратите внимание что в целом сочетание прин-
ципов Ж и Г может обеспечить более надежное
измерение скорости дыхания Б табл. 3 1 собраны
все восемь принципов выполнения измерений
Впервой колонке указаны названия компонентов
массового баланса, а во второй - их математиче-
ские эквиваленты В последующих столбцах пере-
числены респиро метрические принципы первые
четыре - принципы жидкой фазы, а остальные-
принципы газовой фазы Массовый баланс для
каждого принципа формируется путем перемно-
жения математических компонентов на коэффи-
циенты в столбце соответствующего принципа
и их ело жения
Таблица 3.1. Прицепы измерения скорости дыханна
Р₽спиро метрическим принцип -» Процессы 1	Уравнение 1 Рисунок №-»	Измерения в ЖИДКОЙ фазе			Измерения в ГАЗОВОЙ фазе				
		ЖСС 35	ЖПС Эй	ЖСП 37	ЖПП 34	ГСС 3S	тс 310	ГСП 311	тп 38
Дыяние	VL ’ ГО2	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1
Накопление растворенного кислорода	d d/VL^)	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1	-1
Расход тсидкости	 а $Ог.е “	‘ -Oi			1	1			1	1
Газообмен	L ^Lal-,O2 ~ -'02 1		1		1	1	1	1	1
Накопление газообразного кислорода	d -Г« 0л) at					-1	-1	-1	-1
Расход газа	Fac ' Сог.вс -Fe* ' Сог						1		1
Газообмен	Vl ’ кьа(?.о2 ~ ^02)					-1	-1	-1	-1
3.3. ОБОРУДОВАНИЕ
3.3.1. Оборудование
для анаэробной респирометрии
Для проведения теста на анаэробную респир иметрию
существует два требования. Первое, необходима
установка, на которой возможно проведение анаэ-
робной респирометрии Это может быть небольшой
флакон или большой реактор. Во флакин или реактор
помещают субстрат, например, первичный осадок
или крахмал, и инокулят с консорциумами микроор-
ганизмов, необходимыми для анаэробного дыхания
Второе, необходима система для измерения образо-
вания метана. Для вычисления анаэробного дыхания
нужно определить поток электронов Истребление
субстрата или акцептора электронов нельзя измерить
напрямую, и поэтому конечные продукты анаэробно-
го дыхания, Hj и метан, определяются с помощью
анаэробной респирометрии
3.3.1.1. Со ст аг биогаза
Метан выходит из флакона или реактора в составе
биогаза. Кроме метана он содержит СО2, Н2Я и сле-
ды других соединений Поэтому для того, чтобы
измерить расход метана, должны быть известны
параметры расхода биогаза и его состав Для этой
цели состав биогаза можно либо измерить, либо
адаптировать Адаптация биогаза подразумевает
удаление всех газов, кроме метана, перед началом
из мер ений.
of 346
PEC ПИРОМЕТРИЯ
15J
•	Измерение состава биогаза и корректоров» измеренно-
го расхода
Измерение состава биогаза возможно с помощью
газовой хроматографии Кроме того, существуют
более простые и менее затратные методы, на-
пример, установка, изображенная на рис. 3 12.
9
8
7
5
Рисунок 3.12. Недорогой и простой способ определения концен трацрм
метана б био то се
Трубка заполнена щелочным раствором
(обычн" 3-молярный NaOH) для удаления СО2
и H2S, которые растворяются в щелочном рас-
творе, оставляя только газ в газовой фазе Сна-
чала биогаз подается в левую трубку (t = 0). За-
тем СО2 и H2S постепенно растворяются в ще-
лочном растворе (оранжевом) дс полного их
удаления (t = конеч). Содержание метана можно
вычислить из разницы в объеме при t = 0
и t = конеч В этом примере общий объем биога-
за составляет 10 мп 4 мл из которых растворя-
ются, следовательно, содержание метана в об-
разце биогаза рассчитывается как 60 %. Время,
необходимое для абсорбции всего СО2 и H2S
в щелочной раствор, следует определять экспе-
риментально Это можно сделать путем оценки
времени, необходимого для достижения систе-
мой устойчивого состояния т е отсутствия из-
менений в объеме газа. Чтобы рассчитать расход
СН4из баллона или реактора, следует скорректи-
ровать объем с использованием закона идеально-
го газа и фактической температуры.
•	Удаление из бис газа других газое
При удалении СО2 и H2S газ обычно на 100 %
состоит из метана (с возможным присутствием
некоторого количества N2 и Н2). Это означает,
что удаление из газа прочих соединений, кроме
метана, в сочетании с измерением расхода поз-
воляет вычислить расход метана. На практике
это означает, что из реакционного сосуда газ
направляется по большой поверхности щелочно-
го раствора (обычно 3-молярного раствора
NaOH) (рис. 3.13) Обратите внимание, что в от-
личие от изображения на рис 3.13, вход во фла-
кон скруббера может остаться не погруженным в
воду. Таким образом предотвращается обратный
поток щелочного раствора Например, когда в
верхнем пространстве реакционного сосуда воз-
никает пониженное давление, происходит вса-
сывание щелочного раствора в этот реакцион-
ный сосуд, что немедленно ставит эксперимент
под угрозу. Пониженное давление может возни-
кать, когда температура в пространстве головки
падает, например, при выходе из с троя термо ста-
тической водяной бани или когда дверца инку-
батор а некоторое время остается открытой.
Рисунок 3.13. Сда матичное изображение скруббера
3.3.12 Измерение выделяющегося газа
Существует множество способов измерения образо-
вания газа, но в лабораторных условиях анаэробная
ре с пирометрия обычно ограничивается манометри-
ческими или обьемными методами
•	Мэюнстричесюе методы
Манометрические методы основаны на измере-
нии повышения давления в наджидкостном про-
странстве реакционного сосуда. По мере образо-
вания биогаза давление в наджидкостном про-
странстве растет
Однако высокое давление может привести
к повышенной раствори моста С Оз, что может
значительно нарушить микробную активность
(Theodorou et al, 1994). Поэтому необходимо пе-
риодически сбрасывагь давление, чтобы оно не
становилось слишком высоким Обычно верх-
ним пределом считается 1,4 бар Также необхо-
димо убедиться что реакционный сосуд выдер-
живает давление При отсутствии автоматиче-
ского сброса давления этот метод потребует
определенных усилий во время эксперимента
Некорректное обращение с оборудованием мо-
жет привести к взрыву реакционного сосуда
При использовании манометрического метода
настоятельно рекомендуется всегда надевать за-
щитные счгаг Кроме того, при начальном изме-
рении давления и измерения: после сброса сле-
дует также учитывать влияние температуры на
давление газа и водяного паря т е перед нача-
[UHTJLI
of 346
114
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
лом измерения следует обеспечить в реакцион-
ньи: сосудах условия равновесного состояния
Чтобы рассчитать объем образовавшегося газа,
повышение давления между двумя сбросами
суммируется и по закону идеального газа коли-
чество молей образовавшегося биогаза вычисля-
ется из этого общего значения увеличения дав-
ления. Состав биогаза необходимо определить
даже при отсутствии очистки от СО2 и H2S
•	Объемные методы
Классическим и надежным объемным методом яв-
ляется использование сосуда Мариотта (McCarthy,
1934), где гав подается в сосуд с выпускным отвер-
стием для жидкости и вытесняет ее (рис 3.14). Вес
или обьемвытесненной жидкости указывает обьем
о бр авовавшегося г аза
РисуюкЗК.Сосвд Мариопи для измерения объемов образовавшегося газа
Когда жидкость представляет собой щелоч-
ной раствор, происходит удаление СО2 или H^S,
и масса вытесненной жидкости будет указыв атъ
на объем метана. Недостатком является то, что
колбу необходимо периодически наполнять, что
нарушает контроль давления. Если вытесненная
жидкость измеряется с помощью весов, подклю-
ченных к компьютеру, образующийся саз можно
измерять в режиме реального времени
Другим примером принципа объемного из-
мерения является механизм наклона (рис 3 15).
Счетчик газа	Вь.ход гам	Подача faja
Гидравлический яи|Ик Отверстие для исхода гам
(измерительная камера
Рисунок 3.15. Схематичное изображение сечения анаэробного респи-
ро метра с гидравлическим ящжо м Гидравлический ящж попеременно
направляется вправо и влево по мере поступления газа. Количество
мигов подсчитывается ифиштруется (ww fitter de)
Преимущество состоит в том, чтс нет необ-
ходимости активно сбрасывать расходомер газа
Он может работать непрерывно и автономно, как
сосуд Мариотта. Существует несколько про-
мышленных систем, работающих на основе дан-
ного принципа Измерения выполняются с по-
мощью гидравлического ящика, погруженного
в масло или воду. Ящик через нижнее отверстие
наполняется газом Этот газ н акапливается под
камерой и в определенный момент вызывает по-
ложительную плавучесть, затем ящик наклоня-
ется, выпуская газ, и таким образом перезагру-
жает систему Ведется учет каждого наклона, на
основании чего вычисляется обьем газа Недо-
статок данного метода заключается в том. что он
довольно затратный и имеет ограниченный диа-
пазон расхода (до 4 л/ч)
3.3.2. Оборудование для аэробной
и бескислородной респирометрии
Как и в случае анаэробной респирометрии, необхо-
дима установка, в которой происходит аэробное
и бескислородное дыхание Зачастую она состоит из
флаксна или реактора с мешалкой, где соединены
биомасса в аэробных или бескислородных условиях
неточные в, ды или конкретный субстрат Кроме
того, требуется устройство для измерения поглоще-
ния терминального акцептора электронов, т. е. кис-
лорода, нигрита или нитрата. Обработка данных
может осуществляться вручную, как это обычно
происходит при измерениях ВПК. или в полностью
автоматическом режиме, например, если результаты
измерений необходимо преобразовать в скорости
дыхания с высокой частотой измерений В ряде тех-
нологичных (в том числе промышленных) респиро-
метров работа оборудования настолько сложна, что
требует автоматизированной си с те мы управления.
3.3.2.1. Реактор
Реактор обычно представляет собой сосуд объемом
от 100 мл до нескольких литров В зависимости от
сферы применения лаборатории или области науки,
реактор зачастую выполнен из прозрачного стекла
или пластика что позволяет обеспечить контроль за
содержимым В зависимости от принципа измере-
ния (разд 3 3 12), емкость или полностью герме-
тична, чтобы предотвратить обмен кислорода с га-
зовой фазой, или открыта, чтобы обеспечить пере-
нос кислорода из газовой фазы. Открытая емкость
может также быть оснащена оборудованием для
аэралии (или барботажа) для улучшения переноса
кислорода. В некоторых случаях сосуд может рабо-
тать как в открытом режиме (для аэрации), так
и в закрытом (для измерения поглощения кислоро-
да). В обоих случаях емкость полностью перемеши-
вается с помощью магнитной мешалки, импеллера,
насоса или аэрации В лаборатории можно обеспе-
of 346
PEC ПИРОМЕТРИЯ
15i
чить температурную компенсацию сосуда, для чего
часто используется двойная стенка для охлажде-
ниями аг рев а или просто нагревательный элемент,
если целевая температура выше температуры окру-
жающей среды В зависимости от принципа работы
(проточная жидкость, проточный газ), реактор мо-
жет иметь несколько впускных и выпускных отвер-
стий и одни или несколько отверстий для размеще-
ния датчика (датчиков) Дополнительное оборудо-
вание может включать в себя клапаны, насосы (для
биомассы, сточных вод, субстрата, воздуха и газа),
смесительный бак, контейнер с субстратом, контей-
нер с кислородом, контейнер подачи ПО3, блок
предварительной обработки образца (сито, фильтр),
гендзатор кислорода и пр
3.3.2.2. Измерительное оборудование
Во многих случаях измерительное устройство со-
стоит из датчика (т е зонда со связанным измери-
телем, подключенного или не подключенного к си-
стеме сбора данных) для измерения концентрации
акцептора электронов, а именно кислорода, нитрита
или нитрата. Кислород может измеряться непосред-
ственно в жидкой фазе с помощью гальванического,
полярографического или оптического зонда раство-
ренного кислорода.
В простых лабораторных тестах, особенно в те-
сте на ВПК, растворенный кислород можно изме-
рять титр и метрическим или фо то метрическим мето-
дом (разд 3.4.2). Концентрацию кислорода в газовой
фазе можно измерить непосредственно с помощью
парамагнитного анализатора кислорода Кроме того,
изменения концентрации кислорода могут быть из-
мерены с помощью датчика давления или датчика
объема вытесненного газа Измерения концентраций
нитратов и нитритов в жидкой фазе можно выпол-
нить с помощью ионоселективного или УФ-спектро-
фотометрического датчика (Rieger et al., 2008)
Датчики могут иметь длительное время отклика,
поэтому для отслеживания кинетики биохимическо-
го процесса важно использовать датчики с доста-
точной скоростью отклика Как правило, скорость
отклика датчика должна быть в 10 раз выше изме-
ренной скорости реакции
3.323 Практическое выполнение
Многие примеры практической реализации оборудо-
вания были описаны в .литературе, и некоторые из
них представлены на рынке Как объясняется
в разд 3.3 1, все методы измерения скорости дыхания
классифицированы по восьми основным принципам,
и работу всех существующих респирометров можно
объяснить с помощью этсй классификации и соответ-
ствующих массовых балансов. Однако в исследова-
ниях и на практике, в т ч в промышленном произ-
водстве, применяется лишь ограниченное количество
респирометров Далее будут описаны некоторые ви-
ды респирометров с точки зрения их основного
принципа работы и технического исполнения Одна-
ко важно подчеркнуть, что это не следует рассматри-
вать как рекомендацию для выбора конкретного ме
то да Выбор определенного принципа измерения, его
технической реализации или промышленного приме-
нения зависит от цели измерения, квалификации
пользователя и доступного бюджета
• Жидкая фаза, статичным газ, статичная хидюстъ (ЖСС)
Принцип ЖСС может считаться простейшим ре-
спирометрическим принципом поскольку отсут-
ствие проточной жидкости и газа не требует до-
полнительного оборудования, такого как насосы
или оборудование для аэрации Тест на ВПК
(разд 3 4.2) служит примером применения данно-
го принципа. На рис. 3.16 изображены два сосуда
с ВПК; один используется в тесте, где РК измеря-
ется только в начале и в конце теста, а другой -
в тесте с непрерывным измерением поглощения
кислорода с помощью датчика давления Послед-
ний сосуд позволяет оценить предельную концен-
трацию ВПК и коэффициент поглощения кисло-
рода первого порядка (разд. 3 4.2).
Рисунок 3.16. Кислородный флакон для стандартного теста на Б ПК
(слева) и сосуд для непрерывного измерения поглощения кислорода
(справа) (фото. Wheaton and VELP Scientific а)
Принцип ЖСС также был реализован в полу-
непрерывном варианте для измерения скорости
дыхания биомассы полунепрерывно, как в лабо-
ратории, так и в полевых условиях Из-за гораздо
более высокой концентрации биомассы, чем
в типичном тесте на ВПК, концентрация РК па-
дает вследствие дыхания в течение нескольких
минут от почти насыщенной до предельно низ-
кой (ограничивающей) концентрации Скорость
дыхания рассчитывается по наклону кривой
снижения концентрации РК. Для обеспечения
возможности повторного измерения скорости
дыхания биомассу аэрируют после каждого из-
мерения, что дает типичную картину изменений
of 346
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Hl
концентрации РК (рис. 3 17) Е данном примере
промежутки между циклами аэрации фиксиро-
ванные Другие респирометры осуществляют
включение и выключение аэрации в зависимости
от фактической концентрации РК, например, от
4 до 6 мг О2/л. Необходимо правильно устано-
вить верхний и нижний пределы концентрации
РК; они определяют параметры скорости дыха-
ния и их точность. Действительно, при низкой
скорости дыхания понижение концентрации РК
от верхнего до нижнего предела может занять
много времени, тогда как слишком короткие
спады делают расчет скорости дыхания чувстви-
тельным к ошибкам измерения по причине мало-
го количества точек данных РК.
Время (ч)
Рисунок 117. Первичные данные концентрации РК, полученные
с помощью респирометра с повторной аэрацией, работающего по прин-
ципу Ж ОС
Потенциальные трудности, связанные с этим
методом, заключаются в том, что во время сни-
жения концентрации РК необходимо избегать
переноса кислорода из газовой фазы в жидкую
(что особенно важно, при низкой скорости ды-
хания), а также в том, что выявление линейного
снижения концентрации РК не всегда очевидно
Последнее представляет особенную сложность
при автоматическом измерении Фактически, пе-
реход от фазы реаэрации к фазе снижения кон-
центрации РК может занять некоторое время
(десятки секунд) и зависит от удаления пузырь-
ков газа из жидкости и переходного отклика
зонда РК. Респирометры, в основе работы кото-
рых лежит данный метод, позволяют определять
скорость дыхания с интервале м измерения, ко-
торый обычно составляет от нескольких минут
ди нескольких десятков минут. Они также поз-
воляют получать респирограммы путем добав-
ления сточных вод или определенных субстра-
тов, особенно в лаборатории Рис. 3.18 иллю-
стрирует респирометр, основанный на данном
методе Этот поплавковый респирометр предна-
значен для автоматического отборапроб и сбро-
са активного ила, повторной аэрации и расчета
скорости дыхания.
Рисунок 3.18. Гример практической реализации ре спиро метрик по
пр.ицту ЖС С:
а - крупный план с видимым датчиком РК, б - рабочий реепкриметр,
т.е. помещенный в активный ил в аэротенке (фото Strathkehnn Instru-
ments Ltd.)
На рис. 3 19 представлен пример другой
практической реализации по принципу ЖСС
с закрытой респир о метрической камерой (пра-
вый сосуд), котор ая зап о лнен а активным и ли м из
аэрируемого реактора (левый сосуд). Снижение
концентрации РК в этой ячейке измеряется д>
тех пор, пока не будет достигнуто определенное
минимальное значение РК (а также по истечении
заданного времени или при достижении опреде-
ленного изменения РК), после чего содержимое
заменяется свежим аэрированным активным
илом из аэрированного сосуда и начинается но-
вый цикл
Рисунок 119. Пример практической реализации респирометрии по
принципуЖСС (фито Р A Vanrolleghem)
• Жидкая фаза, гдоточный газ, статичная жидкость (ЖПС)
Недостаток, заключающийся в необходимости
повторной аэрации, можно устранить путем не-
прерывной аэрации биомассы Непрерывная по
дача кислорода гарантирует неогр аничивающую
концентрацию РК даже при высоких скоростях
дыхания например, при высокой концентрации
биомассы и высоких дозах сточных вод или суб-
страта Кроме того, непрерывная аэрация позво-
ляет использовать открытый сосуд, что облегча-
ет добавление сточных води субстрата.
rtULurridUl ZOO
of 346
PEC ПИРОМЕТРИЯ
1i?
Для определения скорости дыхания должны
быть известны как компонент массопер ено са
(в условиях процесса), так и дифференциальный
компонент в массовом балансе РК (3.3). Компо-
нент маесопереноса вычисляется на основе из-
меренной концентрации РК, коэффициента мас-
сопереноса kLa и концентрации насыщения РК
Sq2. Эти два коэффициента необходимо опреде-
лять регулярно, т к. они зависят от внешних
условий среды, таких как температура, атмо-
сферное давление и свойства жидкости (содер-
жание солей и определенных органических эле-
ментов). Самый простой подход предлагает
определить эти показатели при помощи отдель-
ных тестов на ре аэрацию и справочных таблиц
В условиях технологического процесса могут
применяться стандартные процедуры, основан-
ные на нарушении равновесной концентрации
РК путем прерывания аэралии, добавления nqi е-
киси водорода или даже путем добавления легко
биоразлагаемого субстрата Полученную кривую
реаэрации затем можно использовать для оценки
коэффициента переноса кислорода (kLa) и кон-
центрации насыщения РК в Sq2, Для получения
надежных значений рекомендуется применять
нелинейные методы оценки параметров, пред-
ставленные в гл 5. Преимущество метода, осно-
ванного на изменении концентрации кислорода
за счет добавления легко биоразлагаемого суб-
страта, состоит в том, что значения коэффициен-
тов аэрации можно обновлять относительно лег-
ко и часто
Однако, если изменения содержания РК не-
велики, точность оценки kLa является низкой.
Кроме того, следует принять, что скорость ды-
хания снижается до постоянной (эндогенной) на
отрезке кривой, отражающем реаэрацию
Оценка Sq2 не требуется, если интересую-
щим параметром является исключительно суб-
страт-индуцированное дыхание, т е. экзогенное
дыхание г02?13 Общее дыхание представляет со-
бой сумму эндогенного дыхания гоа^ндИ экзоген-
ного дыхания Го25гз Предполагая, что гоззвд. kLa
и Sq2 постоянны в течение короткого промежут-
ка времени, можно показать, что равновесные
концентрации РК, которые достигаются при эн-
догенных условиях Sq23Hi4, включают эндогенное
дыхание (Kong et al, 1 996) Таким образом, мас-
совый баланс кислорода можно записать следу-
ющим образом
” ^’“kLa(S°2 -So2)_r°2 =
= kLa I. >02 - S02 ,1 - гО2,энд - ГО2,ЭИ
(3.13)
В результате добавления г02?Кц = kLa
(Sq2-Sq2) и замены r02;MW в формуле (3 13), мы
п олучи м
=kLa|,	- S02) “ гО2,жз (314)
Таким образом, для оценки скорости экзоген-
ного дыхания Го^^кз на основе данного массового
баланса необходимг оценить только равновесную
концентрацию РК, SQ2aHfl (непосредственно из
данных рис. 3.20) и kLa из реаэрациинний части
кривой из тле нения концентрации РК, полученной
при помощи легко биоразлагаемого субстрата
Другим преимуществом данного респиромет-
рического принципа является возможность изме-
рения г02 при почти постоянной концентрации РК,
тем самым устраняется зависимость Г02 от кон-
центрации РК (при условии, что РК » 0 мг/л).
Еще один плюс заключается в том что значения
скорости дыхания могут быть получены в тече-
ние короткого интервала времени, который фак-
тически ограничен только частотой измерения
зонда РК Это позволяет применять респиро-
метр, основанный на принципе ЖПС, для кине-
тических испытаний и экспериментов по опти-
мизации моделей
Рисунок 1201 Схема установки респирометра на основе принципа ЖПС
(a) (Van roll eq hem й а/, 1994) и пример типичных первичных денных (6)
(Копд е/э/,1996)
Если в своей основной конфигурации респи-
рометр, работающий по принципу ЖПС, состоит
из емкости, оборудованной аэраторов мешалкой
или рециркуляционным насосом для смешивания
. тгитдэиг
о* 346
15»
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
и датчиком РК то усовершенствованная версия
предназначенная для автоматических экспери-
ментов в режиме реального времени, имеет до-
полнительное оборудование, такое как насосы для
наполнения резервуара биомассой, добавления
сточных вод и субстрата, реле уровня и клапаны
для опустошения резервуара Такое оборудование
требует соответствующей системы обработки
данных и управления а также достаточной вы-
числительной мощности для процедуры оценки
На рис 3.21 изображена серийная модель ре-
спирометра, работающего на основе данного из-
мерительного принципа
Рисунок 121. Гфимер серийной мода ли респиро метра, работающего пи
принциту ЖПС. с использованием установки, изображенной на рис 3 20
В середине находится термос Таиров энный сосуд, а внизу, слева и спра-
ва, - насо сы для очистки сточи ых во д и калибр о вв и (фо то Ke I ma NV)
• Жидизя фаза, ста тачным газ. глоточная жмдюсть(ЖСП)
Данный принцип респир о метрического измере-
ния позволяет непрерывно вести отбор проб из
потока биомассы, например, образцов активного
ила из Лабораторного реактора или аэротенка,
при измерении скорости дыхания. Когда биомас-
са течет через закрытый полностью перемешан-
ный сосуд (респир о метрическую камеру) без га-
зовой фазы, то, согласно формуле (3 4), скорость
дыхания можно рассчитать, если известны объем
респир о метрической камеры и расход, а также
при измеренных концентрациях РК на входе
и выходе из камеры Кроме того, концентрацию
РК можно измерять в исходном реакторе (при
условии, что ее снижение в подводящей трубке
незначительно) и в самой респир о метрической
камере. В любом случае, как и при использова-
нии других принципов, концентрация РК в каме
ре должна быть достаточно высокой, чтобы
предотвратить ограничение РК, что требует до-
статочно высокой его концентрации при задан-
ной скорости дыхания Потенциальные ошибоч
ные измерения могут возникать при использова-
нии двух зондов для измерения РК - на входе
и выходе, это обусловлено тем что при неболь-
ших различиях в характеристиках зондов могут
возникать значительные относительные погреш-
ности в разнице между двумя измерениями РК,
необходимыми для расчета скорости дыхания.
Ученые Spanjersn Olsson (1992) решили эту про-
блем}7, измеряя кэнцентраиии РК на входе и вы-
ходе ячейки попеременнс с помощью одного
зонда, расположенного в одном отверстии. Это
было реализовано путем периодического изме-
нения направления потока через сосуд с исполь-
зованием четырех электромагнитных клапанов,
которые активировались два на два (рис. 3.22).
Рисунок 3.22. Гфииер практической реализации по принципу ЖСП
с одним датчиком РК для измерения концентрации РК на входе и выхо-
да сосуда (Spanjers, 1993)
а - схема располо тения из дарительной установки, б - типичный лро-
фигь сигнала, записанного одним зондам (Sjaanjers and Olsson, 19921
СИнал о трахает изменения уровня РК колеблющегося между значени-
ями на входа и на выхода из камеры. Данный сигнал РК является осно-
вой для вычисления скорости дыхания
AUlurridirC
of 346
PEC ПИРОМЕТРИЯ
1»
Если предположить что скорость дьыания
стабильна, то ее можно рассчитать с использова-
нием формулы (3 4), предполагая, что производная
равна нулю Однако путем аппроксимации
с помощью разностного уравнения скорость дыха-
ния можно рассчитать в динамических условиях.
На рис. 3.23 изображена серийная модель ре-
спирометра, основанного на принципе ЖСП,
с одним зондом Такой респирометр измеряет
скорость дыхания с интервалов обычно равным
одной минуте, и может быть подключен к лабора-
торному реактору или полноразмерному аэротен-
ку, например, с помощью петлевого соединения
Рисунок 3.23. Пример серийной модели респиро ветра, работающего по
принцшу ЖСП, с кпользованием установки, изображенной на рис 3 .22.
Слева находится лабораторный аэротенк с активным илом. В ящике
с оборудованием слева находттоя насос для отбора проб, а справа -
набор электромагнитных клапанов Сосуд помещается за клапанами
(фото typhtek W)
•	Принцип газовой фазы, статичный газ,
статичная !ки днт с ть (Г СС)
Подобно принципу ЖСС, одному из принципов
жидкой фазы, ГС С является простейшим прин-
ципомгазовой фазы, т к отсутствие проточного
г аса и жидкости не требует наличия дополни-
тельных материалов, таких как насосы и обору-
дование для аэрации Однако, поскольку расчет
скорости дыхания осноезн на измерении кисло
родав газовой фазе, а фактическое дыхание про-
исходит в жидкой фазе, соотношение между ди-
намикой кислорода в газовой фазе должно быть
связано со скоростью дыхания Таким образом
в дополнение к массовому балансу РК в жидкой
фазе, необходимо учитывать массовый баланс
кислорода в газовой фазе и решить систему
уравнений для скорости дыхания с учетом со от-
ношенияпереноса между газоми жидкостью
Типичный респирометр, работающий по
принципу ГСС, состоит из сосуда с биомассой,
смесительного оборудования и устройства для
измерения газа. Газообразный кислород измеря-
ется с помощью физических методов, таких как
парамагнитный или газ о метрический методы
Газометрические методы измеряют изменения
концентрации газообразного кислорода, которые
можно получить из изменений давления (при по-
стоянном объеме применяется манометрический
метод) или изменений объема (при постоянном
давлении применяется объемный метод напри-
мер, сосуд Мариотта), см разд 3 3 12. Как
и в случае с принципомЖСС, когда потребление
кислорода слишком велико, эти методы требуют
пополнения газообразного кислорода и, таким
образом временного прерывания измерений
Это ограничивает возможность продолжитель-
ного мониторинга скорости дыхания. Серьезно
осложняет принцип ГСС необходимость удале-
ния из газовой фазы диоксида углерода, выде-
ляющеюся в результате биологической активно-
сти из жидкой фазы, чтобы избежать вмешатель-
ства в некоторые более простые принципы
измерения кислорода. На практике удаление вы
пслняегся с помощью щелочи для химического
поглощения получаемого диоксида углерода.
Аналогично принципу ЖСС, принцип ГСС
можно использовать для проведения теста на ак-
тивность по БПК (разд 3 4 2), например, Oxitop
(см рис 3 1 б).
•	Принцип га sot эй фазы, гроточньм газ,
статичная жидюстъ (ГПС)
Подобно принципу измерения ЖПС, респиромет-
ры, использующие принцип ГПС, основаны на
проточной газовой фазе, т. е. биомасса непрерыв-
но аэрируется воздухом (или чистым кислоро-
дом), что обеспечивает присутствие достаточного
количества кислорода в жидкости. Однако расчет
скорости дыхания основан на измерении концен-
трации кислорода в газовой фазе^ точнее, газа, по
кидающего жидкую фазу после аэрации, также
называемого отходящим газом Поскольку отхо-
дящий газ может содержать другие компоненты,
на которые влияют метаболические процессы
в жидкой фазе, такие как диоксид углерода и азот,
очевидно, что их также можно измерить для по-
лучения дополнительной информации об актив-
ности бис массы
Типичный респирометр, работающий по
принципу ГПС, состоит из сосуда с биомассой,
смесительного оборудования и устройства для
измерения отходящего газа Газообразный кисло-
род измеряется с применением физических мето-
дов, таких как г азо метрический (т е путем пода-
чи чистого кислорода из резервуара или с помо-
щью электролиза) или парамагнитный методы.
Согласно газометрическому методу, в замкну-
том над жидкостном про стр ан стве изменение дав
ления или объема связано с потреблением кисло 
родав жидкой фазе Эту информацию можнс ис-
пользовать для активации системы производства
кислорода на основе кислородного баллона или
rtULurridUl ZUUT^
of 346
110
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
электролизера, а расход кислорода или электриче-
ский ток могут быть преобразованы в скорость
дыхания Фактически получаемая подача кисло-
рода служит в качестве аэрации, т. е проточного
газа. Изменения давления могут измеряться при
помощи датчика давления Активация подачи
кислорода с помощью изменения объема на сего-
дняшний день не задокументирована1 Очевидно,
что г аз о метрический метод основан на измерении
переноса кислорода [kLa (S?.2 - S^2) ]. а не на из-
мерении концентрации кислорода в газовой фазе
Концентрация кислорода в газовой фазе принима-
ется постоянной (т е dCO2/dt = 0). В любом слу-
чае использование газометрического метода тре-
бует наличия устройства абсорбции СО2 для его
удаления из газа СО; в газе, который образуется
во время би о разложения и выделяется в газовую
фазу из жидкой фазы, будет препятствовать опре-
делению изменения давления или объема Обыч
но при аэробном дыхании на мель О2 образуется
один моль COj. Это означает, что изменение дав-
ления г аза не пр оизойд ет
Кроме того, концентрацию кислорода в газо-
вой фазе можно измерить непосредственно, что
устраняет необходимость в удалении СО2 и обес-
печивает непр ерывную аэрацию биомассы возду-
хом. Однако в дополнение к концентрации газо-
образного кислорода необходимо измерять кон-
центрацию РК в жидкой фазе, поскольку помимо
массового баланса в газовой фазе также необхо-
димо учитывать массовый баланс в жидкой фазе
Также необходимо измерить расход газа, напри-
мер, с помощью регулятора массового расхода
Кислород является одним из немногих газов,
обладающих парамагнитными характеристика-
ми, поэте му его можно количественно измерить
в газовой смеси с помощью парамагнитного ме-
тода. Такой метод основан на изменении маг-
нитного поля в результате присутствия кислоро-
да. и это изменение пропорционально концен-
трации газообразного кислорода.
Еще одним методом измерения концентрации
кислорода в газовой фазе является использование
масс-спекгрометра. Преимущество применения
данного дорогого оборудования состоит в воз-
можности измерения концентраций других газов,
что обычно называют анализом отходящих газов
Прежде всего это применимо к измерению СО2
в газовой фазе, т к. это является важным показа-
телем активности биомассы с учетом всех окис-
лительно-восстановительных условий. Однако
при измерении содержания СО2 в отходящемгазе,
поскольку СО2 связан с карбонатной системой,
для измерения pH и концентрации бикарбоната
в жидкой фазе потребуется дополнительное обо-
рудование (Pratt е/ al, 2003). Обратите внимание,
что масс-спектрометр является дорогостоящим
оборудованием, для которого также требуются
специальные [калибровочные; газы. Таким обра-
зом, данный метод более подходит для набора
торных исследований, чем для применения на
производстве В качестве альтернативы можно
использовать инфракрасный газоанализатор СО2.
На рис 3 24 изображен пример пр аттического
применения данного измерительного принципа.
Рисунок 3.21. Схе матичное изображение установки респирометра на основе принципа ГПС (Pratt е/а/. 2003)
1Однакоресп1фоь®тры, основ анньге на этом принщгпе, выпускались в конце SO-x гг XX в в Венгрии ииспапюовапись вСССР (примред)
г паи c z.uot’*
of 346
РЕС ПИРОМЕТРИЯ
Этот респирометр основан на анализе отходя-
щих газов с использованием масс-спектрометрии
и соединен с блоком титрования для учета взаимо-
действия производства и выделения С Оз с кислот-
но-основными буферным! системами в жидкой
фазе, Респирометр использовался для изучения
двухэтапного процесса нитрификации, а именно
накопления нитритов в системах очистки сточных
вод работающих в различных условиях окружаю-
щей среды, т е значений pH и концентраций РК
(Gapes si al, 2003).
3.4. ХАРАКТЕРИСТИКА СТОЧНЫХ ВОД
Для составления характеристики сточных вод отно-
сительно нагрузки по загрязнениям и оценки токсич-
ности применяется несколько методов Ниже будут
описаны различные респир о метрические методы для
оценки биохимической потребности в кислороде, за
которыми последуют тесты на респир о метрическую
токсичность и, наконец, обзор методов фракциониро-
вания сточных вод п. био окисляемо ста
Рисунок 3.25. Результаты теста БМП: образование метана с течением
времени из осадка сточных вод стадии фильтр а цш Измерения произ-
водились в тех повтори и стах, [фасной линией обозначены твердые
вещества из ленточного фильтра, зеленой - твердые вещества из бара-
банного фильтра, и слтой - смесь обоих твердых веществ (Кооутап,
2015, неопубликованные данные)
3.41.3. Выполнение теста
3.4.1 Биометановый потенциал (БМП)
3.41.1 Цель
Испытания на определение биометанового потенци-
ала (БМП) выполняются при необходимости знать
выход метана из субстрата, например, при разработ-
ке экономического обоснования для анаэробного
реактора Кроме того, образование метана с течени-
ем времени может представлять интерес для опти-
мизации времени пребывания твердых частиц в ре-
акторе (возраст анаэробного ила) или для определе-
ния размеров оборудования для работы с биогазом
3.4.1.2. Общее
Тесты БМП проводятся для опенки п.тенциала об-
разования метана в образце. БМП в определенной
степени влияет как на конструкцию, так ина эконо-
мические характеристики биогазовой установки
(Ar.gehdaki si al., 2009). Такие тесты также выпол-
няются для оценки активности биомассы. Например,
скорость образования метана можно использовать
для оценки гидролитической активности инокулята
Тесты БМП часто упоминаются в научней литера-
туре, однако существует большое количество раз-
личных протоколов Предпринимались попытки
разработать стандарт для проведения таких испыта-
ний (Angelidaki sial., 2009).
На рис. 3 25 изображен типичный результат те-
ста БМП В данном случае показано образование
метана во времени из осадка сточных вод, получен-
ного на стадии механической фильтрации
В тестах БМП способ измерения субстрата зависит
от цели теста и от формы субстрата. При исследова-
нии биомассы сточных вод обычно используется
Л В Жидкий субстрат, такой как сточные воды,
можно определить количественно с помощью ХПК
При выполнении тестов БМП при обычном анаэ-
робном сбраживании важно, чтобы во время таких
тестов не происходило накопление ЛЖК Это озна-
чает, чтс подкисление и поглощение ЛЖК метано-
генными консорциумами микроорганизмов должны
находиться в равновесии Поэтому соотношение
инокулята и субстрата также важно Для биомассы
из реактора может применяться следующее соотно-
шение, которое в большинстве случаев не приведет
к чистой выработке ЛЖК
2 > юс купят
~ тпч	'
JXCcy6crpaT
Обратите внимание, что в тесте используются
массы, выраженные в гр аммах Л В или ЛВВ, а не кон-
центрации Чтобы получить значение БМП субстрата
фоновое образование метана из инокулята (холостой
раствор без субстрата) необходимо измерять парал-
лельно и вычитать из объема гас а, полученного из
смесей ин окупят-суб стр ат
Для проведения теста БМП необходимо произве
сти инкубацию реакционных сосудов при желаемой
температуре Стандартное значение мезофильной
температуры - 35 °C Ее можне поддерживать с по-
мощью водяной бани Перемешивание е реакцион-
ном сосуде выполняется при помощи мешал!и При
использовании биомассы с высокой вязкостью в те-
стах БМП недостаточное перемешивание может от-
of 346
112
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
рицательно повлиять на скорость сбраживания,
к тому же в некоторый случая}: рабочие мешалки
в небольших тестовых сосудах (2OG-4GO мл) не обес-
печивают необходимого уровня перемешивания. Ре-
шением для этого может быть выдерживание реакци-
онных сосудов в шейкере-инкубаторе Продолжи-
тельность тестов БМП зависит от их назначения
и характеристик субстрата, но чаще всего время вы-
полнения составляет 30 дней
3.4.1 4. Обработка данных
Во многих случаях анаэробные респиромегриче
ские тесты направлены на измерение ЕМП суб-
страта. Как показано на рис 3 25, БМП зависит от
времени сбраживания, как и при анализе ЕПК
(разд 3.4 2). БМП обычно рассчитывается на грамм
Л В Для ила, активированного стоками, это значе
ние составляет 150-200 N мл (мл газа, приведенно-
го к нормальным условиямУг ЛВ Для первичного
ила это 300—400 П мл/г ЛВ Поскольку гидролиз
часто является стадией анаэробного сбраживания,
которая ограничивает скорость общей реакции
(Eastman and Ferguson, 1981), скорость образования
метана напрямую связана со скоростью гидролиза,
и, таким образом, наклон респирограммы, изобра
женный на рис. 3 25, напрямую отражает скорость
гидр о,ли за в данный момент.
3.4.1.5.	Рекомендации
•	Корректировка дав пения и те ппературы
Для определения количества метана, которое
образуется в ходе эксперимента, необходимо
знать объем в сочетании с давлением и темпе
ратурой в каждый момент времени Обычно ко-
личество выделяющегося газа выражается при
стандартных условиях (обычно 273,15 К. 0 °C
и 1 013,25 мбар, 1 атм)
•	Диффузия иетана
Известно, что молекулы метана способны диф-
фундировать через пластики, такие как силикон.
Поэтому при разработке теста на БМП (или
удельную метаногенную активность, УМА,
разд 3 5.2) крайне важно, чтобы материалы, ко-
торые находятся в контакте с биогазом, были
устойчивы к диффузии метана.
•	Крас итель-индию тор pH для поглощающего раствора
Необходимо, чтобы жидкость в емкости раство-
ра поглотителя и в измерительном устройстве,
как показано на рис. 3 13 и 3.15, соответственно,
имела высокий (> 9) pH, с целью обеспечить по
глощение жидкостью СО2 и Н-S При более низ-
ком уровне pH измерения будут ложными. Что-
бы убедиться в том, что промывочный раствор
не насыщен, можно добавить краситель метиле-
новый синий, который при уровне pH > 9 окра-
шивает жидкость в синий цвет, что позволяет
визуально проверить эффективность раствора
•	Активность инокулята
Активность метаногенов очень чувствительна
к перепадам температур Особенно при выпол-
нении тестов УМА важно, чтобы активность ме-
таногенов была высокой с самого начала экспе-
риментов Поэтому настоятельно рекомендуется
перед началом эксперимента выдерживать ино-
кулят при температуре 35 °C в течение 24 ч Та-
ким образом, в тесте БМП (или УМА), проводи
мом при 35 °C, температурного шока для мета-
ноген зв не случится, и БМП (или УМА) не будет
зависеть от температуры.
•	№фо- и мифоэ ле ме нты
Во время теста БМП (или УМА) может возник-
нуть недостаток микро- и макроэлементов, спо
собных повлиять на эффективность конверсии
При недостатке питательных веществ необходи
мо их пополнение В предлагаемой литературе
описаны различные питательные растворы для
тестов анаэробного сбраживания (Aiigebdaki et
al, 2009, Zhang et al., 2014)
•	Кис дороднее мнгибирова ше
Когда вода находится в равновесии с воздухом
концентрация кислорода будет около 9 мг/л при
комнатой температуре на уровне моря Извест-
но, что кислород оказывает ингибирующее воз-
действие на метаногены. Также кислород будет
поглощать ХПК из смеси Поэтому удаление
кислорода из раствора субстрата (особенно в те-
стах УМА, где измеряются скорости реакций ме-
таногенов) перед смешиванием с биомассой мо-
жет оказаться полезным Обычно применяется
продувка газом N2 Кислород будет удален при
псмощи осторожного барботирования газа N2
в течение -60 с через раствор субстрата.
•	Газоне гро ни цае гость
Перед выполнением теста ЕМП необходимо
убедиться, что система, в которой образуется
и измеряется газ, газонепроницаема Это можно
сделать, введя определенное количество воздуха
в трубку, соединенную со скруббером и расхо-
домером газа, чтобы удостовериться, что все
установлено правильно и система газонепрони-
цаема Количество измеренного и введенного
воздуха должно совпадать Наличие различии
указывает на возможную утечку
•	Щс лочнои офуббер
Щелочные скрубберы в основном используются
для удаления из газа кислотных компонентов
Другие соединения, такие как ЫН3 и Н2, не уда-
ляются с помощью щелочных скрубберов НН3
часто присутствует в значительных количествах
при высоком (близок к 9) уровне pH среды, где
происходит сбраживание Когда в реакторе про-
исходит проиесс апидсфикации, может образо
выватъея Н2, и, следовательно, появляется веро-
ятность его присутствия в биогазе в больших ко-
УК'
о* 346
PEC ПИРОМЕТРИЯ
ш
личествах Чтобы избежать существенных изме-
нений pH смеси во время теста, можно добавить
фосфорный буферный раствор1
3.4.2. Биохимическое потребление кислорода
3.4.21.	Цель
Тест на биохимическое потребление кислорода
(БПК) выполняется для оценки концентрации био-
разлагаемого органического вещества в пробе воды,
например, при проектировании канализационных
очистных сооружений (КОС) или оценке их эффек-
тивности с точки зрения удаления органических
веществ Благодаря своей чувствительности такие
тесты также используются для оценки концентрации
органического веществав неочищенных стоках
3.4.2.2	. Общее
Определение БПК в неочищенных и счищенных
сточных вода:: и загрязненных водоприемника:: осно-
вано на тесте, который измеряет потребление кисло-
рода бактериями в течение определенного времени
инкубации (рис 3.26) Такой тест количественно
определяет биохимическое разложение органического
материала (углеродное биохимическое потребление
кислорода-УБ ПК), а также кислород, используемый
для окисления неорганического материала такого как
сульфиды и двухвалентное железо. Если в ходе теста
не происходит добавления ингибитор а нитрификации,
ин также может измерять количество кислорода ис-
пользуемого для окисления во остановленных форм
азота (азотное биохимическое потребление кислоро-
да- АБПК) Когда ингибитор нитрификации не до-
бавляется для ясности используется термин «общий
БПК» (БПф, т. е сумма УБПК и АБПК.
Обычно время инкубации составляет пять дней,
в результате чего образуется стандартный БПКз
Однако период инкубации в тестах мсжет быть
иным например, семь дней, что упрощает организа-
цию лаборатории, или от 28, о0 до 90 дней инкуба-
ции для определения так называемой предельной
БПК (также ПЕПК, БПК* или БПКП). При этом
определяется кислород, необходимый для полной
деградации органического материала (предельное
потребление углерода) и/или кислород для окисле-
ния восстановленных соединений азота (предельное
потребление азота).
Измерения которые включают АБПК обычно
не используются для оценки потребления кислоро-
1 Е 'ли измерение концентрший г.ймпонентов £ биогаге пр низ-
водится хроматографическим методом, измерение ЫНз и Hj
даже полезно для анализа процессу но все равно рекоменду-
ется использовать буфер для поддержания оптимального pH
(прим. род).
да, связанного с органическим материалом Факта
чески, АБПК можно оценить непосредственно по
нитрифицируемому азоту (аммиаку или общему
азоту по методу Кьельдаля), а УБПК - путем вычи-
тания теоретического эквивалента окисления вос-
становленного азота из результатов испытаний
в условиях отсутствия ингибирующего воздействия.
Однако такой метод громоздкий, с высоким риском
возникновения ошибок Химическое ингибирование
нитрификации обеспечивает более простое и надеж-
ное измерение УБПК.
Время (сут)
мсуни- 3.26. Кривая ВПК д/ь сиешанньж городских и стенных вод
истоков мясоперерабатывающего завода (Henze etc/., 1995)
3.4.23. Выполнение теста
Существует два основных метода измерения БПК
В одном исп льзуется з акрытый сосуд (респирометр
с принципом ЖСС) Здесь единственным кислоро-
дом, доступным для окисления органического веще-
ствя является кислород, растворенный в (разбав-
ленном) образцов начале испытания
В другом методе кислород непрерывно подается
из газовой фазы, присутствующей в сосуде (респи-
рометр с принципом ЖПС), с постоянным контр о
лемпотребляемого кислорода.
Ниже будет представлен первый подход к вы-
полнению тестов, затем описываются методы с ис-
пользованием подачи кислорода из газовой фазы.
• Тесты БПК с ис по льэов а те м pec nip о метра ЖСС
Данный метод состоит е том, чтобы полностью
заполнить воздухонепроницаемый сосуд образ-
цом воды и инкубировать ее в темноте (для
предотвращения фотосинтеза) при (20 ± 0,1) °C
в течение определенного количества дней (5, 7,
28, 60, 90 дней). Концентрация растворенного
кислорода измеряется в начале и после инкуба-
ции, а БПК рассчитывается по разнице между
начальным и конечным РК. Поскольку начальная
концентрация РК определяется в короткий срок
после разбавления, все поглощение кислорода,
of 346
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
114
происходящее после этого измерения, еходиг
в измерение ВПК Реакционные сосуды обычно
имеют объем 300 мл и оснащены расширяющим-
ся горлышком и притертой стеклянной пробкой.
Их необходимо тщательно промывать с использо-
ванием моющего средства и ополаскивать
Разбавлена
Ввиду того, что изначально присутствующий кисло-
род является единственным его источником, возмож-
но лишь ограниченное окисление, поскольку концен-
трация РК не должна быть ниже 2 мг О3/л для
предотвращения ограничения реакции концентраци-
ей кислорода. Таким образом, это ограничивает кон-
центрации ВПК в образце примерно до 7 мг/л. Это
в большей степени соответствует очищенным стокам
и воде водоприемников (водоемов), сточные взды
следует значительно разбавлять Однако разбавление
сопряжено с некоторыми затруднениями, поскольку
для роста бактерий требуются питательные вещества,
такие как азот, фосфор и микроэлементы (Mg, С а,
Fe). Вез них биологическое разложение загрязняю-
щих веществ может быть ограничено, что приводит
к заниженной оценке содержания ВПК Кроме того,
чтобы pH инкубированного образца оставался в нуж-
ном диапазоне для роста бактерий, может потребо-
ваться буферизация. Очевидно, что вода, используе-
мая для разбавления. не должна содержать биоразла-
гаемых веществ.
И нокулчция
Поскольку результаты теста зависят от активности
бактерий по разложению органического вещества,
присутствующего в образце, важно, чтобы присут-
ствующая популяция микроорганизмов была спо-
собна окислять биологически разлагаемое вещество
в образце Бытовые сточные воды, стоки, прошед-
шие биологическую очистку на КОС, но не про-
шедшие стадию обеззараживания и поверхностные
воды, попадающие в сток, содержат удовлетвори-
тельные микробные популяции Некоторым стокам,
например, промышленным, для запуска процесса
биологического разложения может потребоваться
посев Такой инокулят можно получить из биомассы
или очищенных стоков, но поскольку в инокуляте
могут присутствовать нитрификаторы, рекоменду-
ется применять ингибитор нитрификации, чтобы
обеспечить надлежащие результаты теста УБПК.
В некоторых случаях для удаления загрязняющих
веществ могут потребоваться организмы, отличные
от тех, которые присутствуют на станциях очистки
бытовых сточных вод, тогда рекомендуется исполь-
зовать бактерии, полученные на станция:, работа-
ющих с подобными отходами, или в принимающих
водоемах, расположенных ниже точки сброса.
Холостая фоба
Как вода для разбавления, так и посев мсгут оказы-
вать ьлияние на результат теста на БПК, например,
при вводе органического вещества в сосуд Как по-
казано на схеме, может произойти 4 ситуации
	Посев	Разбавление
1	-	-
2	X	-
Э	-	X
4	X	X
Поскольку разбавление может влиять на каче-
ство испытания оно должно быть обеспечено путем
проведения контрольного теста на БПК, в ходе ко-
торого в сосуд с водой для разбавления добавляется
такое же количество инокулята, что и при тестиро-
вании образца (рис. 3 27).
Вода для
разбавления
+ посев
Проба для
разбаьлеь.я
+ посев
Рисунок 3.27. Стандартный тест на ЬПК в закрытом сосуде с использо-
вание м образца и контрольного раствора
Измерение РК
Растворенный кислород можно измерить с помощью
азидной модификации титр и метрического (йодомет-
рического) метода или с использованием хорошо
откалиброванного электрода РК Для измерения пре-
дельного значения БПК в течение длительных инку-
бационных периодов рекомендуется использовать
только метод измерения электрода РК, поскольку
измерения РК следует проводить периодически во
время инкубации (интервалы от 2 до 5 дней, от о до
8 значений)
Обработка данных
Вычисление БПК в образце выглядит следующим
образом(рис 3.27):
бш: = ^ - р ' ,	(3 1б)
где Di - концентрация РК в разбавленном образце
сразу после приготовления (мг/л); D3 - концентра-
ция РК в растворенном образце в конце инкубаци-
онного периода (.мг/л), Bj - концентрация РК в кон-
трольном растворе (холостой пробе) сразу после
of 346
PEC ПИРОМЕТРИЯ
1 ii
приготовления (мг/л), B2 - концентрация РК в кон-
тролен ом растворе в конце инкубационного периода
(мг/л); Р - объемная доля используемого образца,
записанная в виде десятичной дроби.
Фактически массовый баланс закрытого реакци-
онного сосуда можно записать следующим образом
(по принципу ЖСС):
(3 17)
Из чего следует, что после интегрирования:
ргонеч
t . IK = So2,t0 - ЗозДисяеч = J	0.18)
t.0
Это показывает, что БПК - это не что иное, как
область под так называемой респирограммсй, т е
временный ряд данный о скорости дыхания
Для определения предельного значения БПК ис-
пользуется аппроксимация уравнением первого по-
рядка, коэффициенты которого следует определить
с учетом временных рядов данных об истощении РК
(рис. 3.28).
БШС1 = ПБ11к(1-е"к‘),
(3 19)
где БПКг - поглощение кислорода, измеренное во
время t (мг/л); ПБПК - предельный уровень БПК
(мг/л), к - коэффициент скорости поглощения кис-
лорода первого порядка (в сутки).
Время (Сут)
Рисунок 328. Измеренные значения 1ПКв образце в течение 14 дней
и подгонка уравнения первого порядка Weijers, 2000)
Корректировка уравнения предпочтительно долж-
на выполняться с использованием нелинейной регрес-
сии, например, с помощью функции «Поиск решения»
в Excel, чтобы мини (лизировать сумму квадратов от-
клонений между измеренными временными рядами
поглощения кислорода и модельными прогнозами
БПК. для пр оделенных значений ПЕПКи к Обратит^
внимание, что данный подход дает не только ПБПК,
но и к. Последнее обеспечивает данные о скорости
деградации органического вещества Следует отме-
тать, что модель первого порядка не всегда будет
лучшим выбором Намного более удачные аппрокси-
мации можно получить, применив альтернативные
кинетические модели, особенно состоящие из суммы
двух или би лее моделей первого порядка.
Релжндацнм
Если концентрация РК в коние теста ниже 1 мг/л
или истощение РК меньше 2 мг/л, тест следует вы-
полнить повторно, но с более высокой или низкой
степенью разбавления, соответственно
Для проверки успешности выполнения теста на
БПК можно провести контрольное испытание, ис-
пользуя раствор с известным БПК. Рекомендуемый
раствор представляет собой стандартную смесь
150 мг/л глутаминовой кислоты и 150 мг/л глюкозы
2%-ое разбавление данного исходного раствора
приведет к приблизительно 200 ± 30 мг/л БПК5
Ожидаемый уровень ПБПК будет 308 мг/л (АРНла‘
а/., 2012)
Возможно, потребуется предварительная об-
работка образца. Перед разбавлением температу-
ра и pH образца могут быть доведены до 20 °C
и 6,5 pH < 7,5 Если образец был хлорирован, необ-
ходимо провести его дехлорирование (путем добав-
ления Na2SO3) и применить инокулят Перенасыще-
ние образцов кислородом (выше 9 мг/л при 20 °C)
может встречаться при их низкой температуре или
фотосинтетической активности В таких случаях
необходимо произвести деоксигенацию путем энер-
гичного встряхивания частично заполненной бутылки
с БПК или аэрации чистым сжатым воздухом
Ингибировать нитрификацию можно с помощью
множества химических веществ таких как, напри-
мер, нитрапирин, аллилтаомочевина (ATM) или
2-хлор-б с три хлор метил) пиридин (ТСМР). Несмот-
ря на го, что рекомендуемые концентрации обычна
обеспечивают адекватное ингибирование, известны
случаи адаптации к этим химическим веществам,
кроме того, они могут разлагаться во время испыта-
ния, что позволяет нитрификации начаться на более
поздней стадии испытания По этой причине в конце
теста рекомендуется провести проверку на образо
вание нитрита или нитр ата
Наборы для проведения тестов в условиях экс-
плуатации позволяют измерить БПК при отсутствии
лабораторного оборудования Поставляются стан-
дартные питательные вещества и бактерии, а РК
измеряется фотометрическим методом.
• Тесты БПКс испольэоважепрес гмронетра ГПС
Для решения проблемы ограниченного количе-
ства растворенного кислорода в закрытом сосуде
было разработано специализированное оборудо
ванне для тестов на БПК. С помощью такого
оборудования кислород подается в жидкость,
обеспечивая деградацию органического веще-
ства Таким образом, разбавление может не по-
of 346
111
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
требоваться или значительно сократиться, по-
скольку диапазон измерения БПК может быть
заметно расширен Осн'звное j б орудование со-
стоит из флакона, в котором предусмотрена га-
зовая фаза и который может подавать кислород
по мере его потребления в исследуемом образце
Либо объем газа содержит достаточное количе-
ство кислорода для завершения окисления био-
логически разлагаемого вещества в образце, ли
бо оборудование способно пополнял газовую
фазу свежим кислородем из внешнего источни-
ка. Таким образом, помимо БПК, поглощение
кислорода также может измеряться более или
менее непрерывно с течением времени, что, по
сути, дает возможность рассчитывать скорость
дыхания во времени.
Существуют различные типы оборудования
работающие на основе метода ГПС Основные
принципы отражены в манометрических респиро-
метрах, которые контролируют изменение давле-
ния в газовой фазе над жидкостью по мере по-
требления кислорода Негативнее влияние от СО2,
который образуется в процессе биоразложения
и выделяется из жидкости, устраняется путем его
улавливания ь щелочном (КОН) растворе или гра-
нулах, введенных в оборудование Используя за-
кон идеального газа, зафиксированное падение
давления мижно перевести в поглощение кислоро-
да. Готовое оборудование, использующее датчик
давления простую расчетную логику и регистра-
тор данных для временных рядов БПК, доступно
для приобретения. Объемные респирометры фик-
сируют снижение объема газа (при постоянном
давлении) по мере истощения кислорода в газовой
фазе Также для получения адекватных результа-
тов анализа необходимо поглощение СО2 щелоч-
ным раствором или гранулами Электролитиче-
ские респирометры используют принцип постоян-
ного объема и давления газа, чтобы активировать
электролитическое производство кислорода и под-
держивать концентрацию кислорода в газовой фа-
зе постоянной (рис. 3.29). СО2, выделяемый из
жидкости, снова будет нарушать принцип посто-
янного давления и должен удаляться из газовой
фазы Кислород тоже может подаваться (с измере-
нием его количества) из источника чистого кисло-
рода (например, газового баллона) для поддержа-
ния давления в воздухонепроницаемом флаконе
(биореакторе респирометра)
Сосуд с БПК
Рисунок 3.29. Элен тро литический респирометр для анализа БПК (S ELUTE С GmbHi
Сиоема подачи кислорода
Если внешняя подача кислорода отсутствует,
как в респирометре, описанном выше («Тест
БЕК с респир о метр ом ЖСС»), следует обратить
внимание на общее потребление кислорода, ко-
торое будет наблюдаться в образце. Оно не
должно превышать количество кислорода, при-
сутствующего в газовой фазе над жидкостью,
т. к. это приведет к ограничению кислорода
и, следовательно, к ошибочным результатам
Таким образом, обьем образца, добавляемого
в емкость, будет зависеть от содержания БПК в
нем ав руководствах по респирометрам обычно
приводится таблица с объемами, добавляемыми
для разных диапазонов БПК. В любом случае,
для методов, в которых не предусмотрена подача
кислорода, характерно снижение концентрации
РК в жидкости, чти может повлиять на скорость
окисления во время испытания.
of 346
PEC ПИРОМЕТРИЯ
1H
Приборы позволяют считывать БПК с часто-
той от 15 мин до б ч Высокочастотный сбор
данных может помочь ь интерпретации резуль-
татов с точки зрения кинетики деградации орга-
нических веществ или позволить улучшить мо-
дель, чтобы снизить погрешность измерений или
получить более надежную оценку предельного
значения БПК
Реко lie ндации
Помехи от газов, отличных от ССз, могут привести
к ошибочным результатам но в настоящее время
известно о небольшом количестве таких случаев.
Изменения температуры также мггут влиять на из-
мерение давления и объема, поскольку они воздей-
ствуют на общее давление Кроме того, на измере-
ние в некоторых респирометрах могут повлиять
изменения атмосферного давления
Оборудование позволяет определить потреб-
ность в кислороде, составляющую всего 0,1 мг/л,
однако точность испытания будет зависеть от обще-
го количества потребляемого кислорода, точности
измерения давления или объема и влияния измене-
ний температуры и атмосферною давления
Поскольку кислород должен переноситься из га-
зовой фазы в жидкую фазу, необходимо соблюдать
п сторожи ость, чтобы скорость поглощения кислорода
не была значительно выше скорости массопер еноса,
т. к это ведет к ограничению кислорода в процессе
биодеградации и, соответственно, к ошибкам в изме-
рении БПК. Перенос кислорода в основном зависит
от условий перемешивания в этих респирометр’ах,
таким образом ограничивая скорости поглощения
кислорода до 10 мг/л ч в устройствах с низкой скоро-
стью перемешивания и до 100 мг/л-ч при высокой
интенсивности перемешивания Если скорость по-
глощения превышает скорость п с дачи конкретного
респирометра, можно разбавить образец, чтобы ско-
рость поглощения снизилась до приемлемых значе-
ний. Состав разбавляющей воды необходимо прове-
рить в сое тветствии с описанием выше
Обратите внимание, что тест на БПК является
респирометрическим тестом, т к он измеряет по-
требление конечного акцептора электронов О» хотя
обычно и не измеряет скорость дыхания Фактиче-
ски БПК - это совокупное потребление кислорода,
которое можно определить путем интегрирования
скорости дыхания в течение определенного инкуба-
ционного периода. Как отмечено выше, респиро-
метрия по принципу ЖПС по своей сути обеспечи-
вает возможность рассчитывать скорость дыхания
во времени Также обратите внимание, что БПК
можно измерять аналогичным образом используя
другие акцепторы электр. о но в, такие как нитрат
Для определенных проб сточных вод могут по-
требоваться посевные и питательные добавки, при
отсутствии соответствующей бис массы, или если
сточные воды не сбалансированы с точки зрения
содержания питательных веществ по сравнению
с органическим материалом Таким образом могут
возникать ограничения роста бактерий и, следова-
тельно, необъективные результаты измерения БПК.
3.4.3.	Кратковременное биохимическое
потребление кислорода (БПКщ)
Временное изменение состава сточных вод можно
легко охарактеризовать с помощью химических ме-
тодов, таких как анализ ХПК и общее содержание
органического углерода Эти методы могут предо-
ставлять данные с высокой частотой измерений
(например, ежечасно), но они не предоставляют
информацию о биологической очистке от загрязни
телей. Традиционные методы, основанные на кон
троле биодеградации загрязняющих веществ для
получения показателей би о о кисляе мости, таких как
вышеупомянутый метод БПК5, явно не подходят для
получения такой высокочастотной информации
ввиду большой временной задержки между введе-
нием образца и результатом измерения Однако
принцип мониторинга поглощения кислорода для
опенки возможности очисгки сточных вод и кон
центрации в них органических веществ является
очень мощным поскольку большинство процессов
очистки сточных вод основано на аэробной деграда-
ции органического вещества. Поэтому были пред
ложены некоторые методы, позволяющие снизить
время отклика таких биологически опосредованных
методов до уровня, позволяющего использовать их
при высокочастотном мониторинге
Кратковременное биохимическое потребление
кислорода (БПР^р) определяется как количество
кислорода, потребленное для биодеградации легко
биоразлагаемого органического вещества в опреде-
ленном объеме сточных вод
В стандартном тесте на БПК5 (разд 3.4.2) не-
большое количество биомассы добавляется в боль
шей объем образца сточных вод (обычно начальное
сс отношение субстр ат - биомасса Sq/Xq устанавлива-
ется в промежутке от 10/1 ди 100/1 мг БПК5 мг/ЛЕВ)
В результате до разложения имеющихся загрязняю-
щих веществ должен произойти существенный рост,
также может иметь место лаг-фаза, которая происхо-
дит при адаптации ила к загрязнителям Для сокра-
щения времени отклика (в пределах 1 ч) принципы
определения БИК^, основаны на низком соотношении
Sg/Хо (обычно от 1/20 д’ 1/200 мг БПКз/мг ЛВВ). Та-
ких условий можно достичь за счет добавления не-
большой аликвоты сточных вод в активный ил, при-
сутствующий в реакционном сосуде Таким образом
можно заметно сократить время деградации (часто до
менее 1 ч) при незначительном росте биомассы, учи-
тывая добавление сравнительно небольшою количе-
ств а органического вещества.
of 346
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
ill
Очевидно, что ввиду короткого времени тести-
рования процесс окисления медленно разлагаемых
веществ наблюдаться не будет, т е измерению под-
дается лишь фракция легко биоразлагаемых ве-
ществ Также нет времени на адаптацию биомассы
к любому новому органическому компоненту, кото-
рый может присутствовать в сточных водах, и с ко-
торым она сталкивается впервые. Кроме того, важ-
ным моментом является недопустимость использо-
вания биомассы, взятой с очистных станций,
осуществляющих улучшенное биологическое уда-
ление фосфора (УБУФ;. Такая биомасса содержит
фссфатаккумулирующие бактерии (ФАБ), которые
могут накапливать летучие жирные кислоты (ЛЖК)
Когда фракция ЛЖК в легко биоразлагаемом веще-
стве н акапливается в ФаБ, она не окисляется и по-
этому не измеряется в ходе данного респиро метри-
ческого анализа. За подробной информаиией также
мс жно обрати ться к разд 3.5 3.2 и 3.5 3.3 (рис 3.48).
Тем не менее возможность измерения легко био-
разлагаемого вещества является очень важной, в част-
ности. для прогнозирования и оптимизации характе-
ристик денитрификации и улучшенного биологиче-
ского удаления фосфора Следует отметить, что,
поскольку рес пиро метрический тест можно использо-
вать для различения медленно и легко биоразлагаемо-
го вещества, это обеспечивает основу для оценки
фракций сточных вод в контексте математической
модели (разд 3 4 5). Из-за скорости потребления кис-
лорода, вызванной высокой способностью к разложе-
нию, могут возникнуть проблемы с удовлетворением
потребности ила в кислороде Респир о метрические
методы, основанные наизмерении снижения исходно-
го количества кислорода, присутствующего в биомас-
се, строго ограничены из-за риска ограничения кисло-
рода. В результате динамический диапазон концен-
траций для данного метода невелик, максимальный
о бьем добавляемого образца активного ила составляет
5 мг БПКзрбт Очевидно, что эту проблему можно ре-
шить с помощью аэрации ила, которая доступна для
большинства респир ометрического оборудования
При этом важно обеспечить достаточную интенсив-
ность аэрации Темне менее, поскольку зачастую рас-
творенный кислород измеряется в реакционном сосу-
де, можно легко проверить, было ли количество кис-
лорода достаточным (уровень РК всегда должен быть
выше 2 мг/л) в ходе теста на БПК^ В большинстве
респирометров начальные концентрации БПК^. в со-
суде могут легко достигать 100 мг БПК^'л
3.4.3.1 Выполнение теста
При выполнении теста на БЛК^, сначала некоторый
объем активного ила помещают в термостатический
(например, 20 °C) аэрируемый реакционный сосуд
и доводят до стабильного состояния для которого
характерно так называемое эндогенное дыхание
Такое дыхание обозначает состояние биомассы, при
котором внешний субстрат в активном иле отсут-
ствует Би о мае с а использует для дыхания собствен-
ные резервные вещества или продукты лизиса мерт-
вой биомассы Достижение этого состояния может
занять от нескольких часов дс суток, в зависимости
от тоги, насколько нагружен активный ил по мед-
ленн о би ор азл аг ае мым (гид р о л изу е мым) в ещ е с тъ ам
Типичная скорость эндогенного дыхания составляет
от 2 до 1 0 мт' О?/л ч При достижении эндогенного
состояния происходит впрыск сточной виды, объем
которой рассчитывается таким образом, чтобы до
гтичь желаемого соотношения So/Xo до примерно от
1/20 до 1/200 мгБПКз/мг ЛБЕ Как только субстрат
становится доступным для биомассы, начинается
биоразложение, и скорость поглощения кислорода
быстро увеличивается до максимальной скорости,
которая определяется активностью биомассы и ско-
ростью разложения субстрата. Если в иле присут-
ствуют нитрификаторы, а сточные воды содержат
нитрифииируемый азот (аммиак и органический
авот, который быстр.о аммонизируется), то скорость
экзогенного дыхания также включает скорость по-
глощения кислорода для нитрификации. Субстраты
будут псстепенно истощаться и скорость поглоще-
ния кислорода станет постепенно снижаться и до-
стигнет эндогенной Кривая скорости поглощения
кислорода при импульсном вводе субстрата называ-
ется респирограммой, которая схематично изобра-
жена на рис. 3.30 Рис. 3.31 иллюстрирует, что гете-
ротрофное и автотрофное экзогенное дыхание
не зависят от респирограм и налагаются друг на дру-
га Показаны 3 респир о граммы, одна с добавлением
ХПК в виде ацетата, проявляющего гетеротрофную
активность, одна с добавлением аммония, проявля-
ющего нитрифицирующую активность, и одна с до-
бавлением смеси ХПК и N
Рисунок 3 30. Схематичное изображение ре спиро граммы После того,
каь биомасса доведена др состояния эндогенного дыхания (что означает
отсутствие внешнего субстрата), добавляется образец, содержаще
органическое вещество Начитается экзогенное дыхание, которое длит-
ся до полного удаления субстрата, тогда дахзние переходит на уровень
эндогенного
На рис. 3 32, 3 33 и 3.34 изображены типичные
респир о граммы, некоторые из них представляют
тслько скорости экзогенного дыхания которые мож-
но рассчитать на основе данных о РК при помощи
соответствующих ре спиро метрических принципов
illdLIC Z.UUI
of 346
PEC ПИРОМЕТРИЯ
1 u
Рисунок 331. Иллюстрация наложения экзогенной гетеротрофной
иаЕтотрофной скоростей датания. Квадратами представлена респцзо-
грамма с добавлением 20 мг ХПК/л в виде ацетата, круга ми - скорость
давания с нитрификацией после добавления 2,5 мг МФ и л^ией-
оеспирогра мма смеси 20 мгХПК/п и 2,5 и N/л (Kong etal., 1906)
Рисунок 132. Пример рес пиро грамм, полученных при вып о.тении те-
стов на БПКс использованием сточных вод и стоков с добавлением
аммония (Petersen е/<?/.,2002а)
Рисунок 133. Гример респгфограмм, волоченных в ходе тестоЕ на
ЬПКЙр с использтванием городских сточных вод (Spanjers and
Vanrolleghem, 1995)
Время (мин)
Рисунок 3.31. Результаты теста на скорость поглощения кислор' да (СПК)
с использованием примышленных сточных вод изображенные в виде трех
наложенных pecnifoipaмм соответствующих разложению трех различных
растворителей (Coen е/<?/,1998)
Присутствие на респирограмме на рис 3.32 ды-
хания, вызванного нитрификацией, заслуживает
отдельного внимания Действительно, при введении
образца сточных вод с добавлением дополнительно-
го количества аммония можно отчетливо наблюдать
дополнительное экзогенное дыхание, возникающее
в результате дыхания для нитрификации в отсут-
ствие инги бирс в ани я нитрификации
При выполнении двух экспериментов, един в при-
сутствии ингибитора нитрификации, второй - без
ингибитора, можно оценить концентрацию аммония
в сточных водах, вычислив разницу между БПК^
в обоих образцах Эта потребность в кислороде, по-
деленная на 4,33 мг Оа/мг N, позволяет получить
концентрацию аммония в пробе сточных вод (при
условии, что достигнута полная нитрификация до
нитрата) Более того, учитывая, что аммонификация -
это обычно очень быстрый процесс, можно вычис-
лить не только содержание аммония но и содержание
в сточных водах азота, поддающегося нитрификации.
На рис. 3 33 приведен пример респирограммы
для образца типичных бытовых сточных вид с до-
бавлением биомассы без ингибитора нитрификации
Награфике изображена только скорость экзогенного
дыхания Ре с пир о грамму можно интерпретировать
следующим образ см (Spanjers and Vanroll eghem,
1995). Начиная с правого конца респирограммы,
скорость дыхания постепенно увеличивается при-
мерно до отметки 50 мин, после чего наблюдается
ее внезапное снижение Такое снижение происходит
из-за полного удаления аммония из активного ила,
после чего окисляется только гидролизуемое орга-
ническое вещество, что приводит к типичному экс-
поненциальному снижению скорости дыхания из-за
кинетики ги др о л из а п ерв ог о п ор яд ка
Последний пример представляет респирограмм?
промышленных сточных вод (рис 3.34) Снова пока-
заны исключительно скорости экзогенного дыхания
Фактически данная респир ограмма показывает нало-
жение трех респирограмм Это можно объяснить
наличием трех основных растворителей в сточных
водах, которые деградировали параллельно под воз-
действием адаптированной биомассы. Изобразив три
горизонтальные линии, соответствующие плато, мож-
но разграничить количества каждого из растворите-
лей, взяв соответствующую площадь (см вычисления
ниже). Обратите внимание, чтс на рис. 3 34 можно
of 346
170
использовать горизонтальные линии, поскольку изме-
ренные скорости соответствуют условиям насыщения
субстрата, тогда как в некоторых других случаях
(например, на рис. 3 39) происходит ограничение суб-
страта, т. е скорость дыхания снижается по мере ис-
тощения субстрата и используются наклонные линии
3.4.32 Нычисления
Поскольку БПК^р (мг 07л) определяется как коли-
чество кислорода потребляемого для биодеграда-
ции загрязняющих веществ, его можно легко рас-
считать путем интегрирования временных рядов
уровней экзогенного дыхания гО2?кз (мг О2/л)
tjitoieit
ВПК,,- J r02,„(t)dt,	(3 20)
t.XMH
где - время импульсных добавлений, 11ХН(Ч -
время, необходимое для возвращения к скорости
эндогенного дыхания после добавления образца
Очевидно, что показатель БПК^ введенного об-
разца получен по следующей формуле
' лпа " образца
Хэразца
где - объем образца, У^. - объем ила в реак-
ционном сосуде до добавления образца
Согласно описанию рис 3 31, количество нит-
рифицируемого азота (Пни,, в мг N/л) можно вычис-
лить на основе части респирограммы, которую
можно соотнести со скоростью дыхания, возникаю-
щего вследствие нитрификации (мг ОУл ч):
. t.roieH
N„-—J	(3.22)
Ч, Э t ~ кто .
A14 U t,MTiTn
где Yano _ коэффициент прироста нитрификаторов,
обычно 0,24 мгХПК/мг N.
Таким же образом БПК^,, присущий различным
фракциям органического вещества, содержащегося
в сточных водах, можно вычислить на основе скоро-
стей экзогенного дыхания, к которым можно отне-
сти наложенные скорости дыхания 1о2,зкз
(мг О2/ л ч), рис. 3 33
Т.гснеч
ЕПВ-i,- J 41» (ра (3 23)
t,imtn
БПК^р₽ВЦ1 =
(3.21)
3.4.4.	Токсичность и ингибирование
3.4.4.1.	Цель
Респириметрические методы часто предпочитают для
оценки ингибирующего и токсичного воздействия
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
веществ или сточных вод на биомассы (Volskay and
Grady, 1990). Ингибирование является нарушением
биологической функции и. как правило, обратимо
Токсичность представляет со бой вредное воздействие
на биологический метаболизм, и обычно является
необратимым ингибированием (Batstone al., 2002)
В этой главе мы предпочитаем использовать термины
«токсичность» и «токсикант» для обозначения как
обратимы:; гак и необратимых воздействий Хотя
результаты теста на токсичность часто выражают
в 1С50 (концентрация, которая вызывает 50%-ое инги-
бирующее дыхание), IC50 не дает полного понимания
токсического действия химического вещества Для
того чтобы спрогнозирован воздействие токсических
соединений на удаление органических и питательны::
веществ или для разработки мер по смягчению по-
следствий в процессе биологической очистки, следу-
ет количественно оценить влияние токсиканта на
кинетику биодеградации.
3.4.42 Выполнение теста
Снижение эндогенной и экзогенной скоростей дыха-
ния можно использовать для оценки токсичности
При использовании снижения скорости эндогенного
дыхания в качестве показателя токсичности, биомас-
са сначала приводится в эндогенное состояние, до-
бавляется токсикант, а затем измеряется снижение
скорости эндогенного дыхания. Если токсикант или
токсичные сточные воды поддаются биологическому
разложению, может возникнуть экзогенное дыхание,
что влияет на оценку снижения скорости эндогенно-
го дыхания. Также было обнаружено, что биомасса
менее чувствительна к токсикантам, если находится
в эндогенном состоянии В основе оценки токсично-
сти по скорости экзогенного дыхания лежат респи-
рограммы (см. разд 3.4 3.1). При выполнении теста
на скорость экзогенного дыхания перед добавлением
потенциально токсичного образца вводится кон-
трольный субстрат (например, ацетат для испытаний
на гетеротрофную токсичность или аммиак для ис-
пытаний на токсичность нитрификатора), чтобы
оценить контрольную скорость дыхания (т. е актив-
ность биомассы) После добавления токсиканта и его
воздействия на биомассу, происходит еще один им-
пульс добавления контрольного субстрата, затем
производится сравнение полученной активности
(например, максимальная скорость экзогенного ды-
хания) стой, чтс наблюдалась до введения токсикан-
та Необходимо отметать, что промежуток времени
между добавлением токсиканта и контрольного суб-
страта может повлиять на уровень токсичности, т. к.
более длительный срок воздействия может иметь
более выраженный эффект или привести к адаптации
биомассы (рис. 3.35)
Оптимальный срок воздействия токсиканта на
сегодняшний день не установлен Иногда может
произойти даже стимуляция дыхания, т. е. макси-
мальные скорости дыхания при деградации кон-
трольного субстрата после добавления токсиканта
LUrridUC Z.UUI v
of 346
PEC ПИРОМЕТРИЯ
171
будут выше, чем без его добавления Это происхо-
дит благодаря повышенным потребностям биомассы
в энергии, чтобы справиться с токсикантом (напри-
мер, энергетическое разрушение связей в присут-
ствии бензойной кислоты в качестве токсиканта)
В любом случае всегда важно фиксировать времен-
ной промежуток между добавлениями токсиканта
и контрольного субстрата.
Рисунок 335 Тиимные данные тестов на ингибирование ды/ания при
различных значениях времен и кон такта,
а - хпораформ,б- 4-нитрофенол, в- 4-ксилен (Vblskay and Gad у, 1990)
3.44.3. Вычисления
Определить уровень опасности токсичности можно
с помощью вычисления соотношения уровня актив-
ности до и после добавления токсиканта
Токсичность (%) =	(до)~^2^ (поспе)100 $ 24)
X '	макс	х /
Естественно, уровень опасности токсичности бу-
дет зависеть от количества добавленного токсиканта
Входе серии экспериментов получены кривые дозо-
вой зависимости, в которых измеряется отклик уров-
ня токсичности при различных дозах, с их помощью
можно оценить показатель 1С50 (половину макси-
мальной ингибирующей концентрации). Обычно
протокол по получению зависимости «доза-эффекта
предусматривает применение последовательности
контроль - токсикант - контроль при однсй дозе,
замену биомассы свежей и повторное применение
последовательности контроль - доза- контроль при
повышенной дозе. В большинстве случаев концен
трация такой дозы кратна предыдущей дозе. Ряд по-
следовательностей контроль - токсикант- контроль
продолжается до полной ингибиции биомассы
Для ускорения эксперимента шаг с заменой био-
массы можно опустить. (Kong el al., 1994), нов дан-
ном случае невозможно будет контролировать время
контакта На рис. 3 36 представлен пример такого
быстрого определения зависимости «доза-эффект»!
с добавлением в биомассу меди в возрастающих
количествах (0, 2,5, 5,0 и 10,0 ч/млн). В результате
получаем концентрации воздействия меди 0, 2,5, 7,5
и, наконец, 17,5 ч/млн. каждый с разным временем
контакта Цифры четко показывают резкое сниже-
ние максимальной скорости дыхания при деграда-
ции ацетата (который в данном случае является кон-
трольным субстратом) Стоит отметить, что пло-
щадь под кривой не меняется, что означает, что
БПК^р (разд 3.4 3) остается неизменным, т. к. весь
ацетат разложился, хоть и при более низкой скоро-
сти Это также означает, что время составления ре-
спирограммы увеличена
Рисунок 136 Типичные рес пиро граммы пельменные в ход? теста
ARIKA1 (автоматизированный анализ кине тити ингибирования дыхания)
с использованием меди (Kong efa/, 1994) Первая респ^ограмма полу-
чена при использовании чистого а цел та. а последующие представляют
собой серио результатов, где использовалась смесь ац?тэта с расту-
щей в геометрической прогрессии концентрацией текста нта (общая
концентрация токсиканта 2,5,7,5 и 17,5 чАчлн)
Из эксперимента можно визуально определить,
что показатель IC50 приблизительно равен 7,5 ч/млн,
т к максимальная скорость дыхания при данной
концентрации меди составляет около половины
максимальной скорости дыхания, в отсутствие меди
1 ARIK А - Automated Respuation Inhibition Kinetics Analysis
of 346
172
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
сравните первую (при —0,5 ч) и третью (при —1,7 ч)
респир ограммы
Как было упомянуто выше, автотрофные и гете-
ротрофные респирограммы можно наложить, таким
образом, в одном эксперименте можно определить
токсичность гетеротрофной и автотрофной активно-
стей, используя смесь ХПК и N в качестве кон-
трольного субстрата На рис 3 37 показана оценка
воздействия двух классических токсикантов, меди
и цианида, на гетеротрофную и автотрофную био-
массу Данные серии респир играми с повышающей-
ся концентрацией токсиканта показывают, что нит-
рификаторы более чувствительны к цианиду, чем
гетеротрофы (ICj0 равен примерно 0,2 ч/мпн для
нигрификаторов и около 1 ч/млн для гетеротрофов).
В случае меди ICjo для ацетатных окислителей
и IO jo для ни трифи кагоров примерно одинаковые,
т. к. вся респирограмма снижается.
Рисунок 137 Экзогенные р сопрограммы с добавлением субстрата на
С и N (20 мг/л и 2 мг/л соответственно), с Qj2* (<?) и СМ (б) в качестве
токиикантов Первый пш соответствует чистоиу ацетату, второй - чи-
стой с глеи С и N. затем следует серия смесей субстратов на С и N
и токсккантоЕ (общая концентрация ОР+ - 2,5, 7,5, 17,5, 37,5, 77,5
и 157,5 ч/мль и общая концентрация CN- - 0.013, 0.038, 0JU88, 0,188,
0,388, 0,788 и 1,588 ч/мш) (Kong е/а/, 1996)
3 4,4 ! Биоразлагаемые токсиканты
До настоящего момента в монографии рассматрива-
лась токсичность только не би о разлагаемых веществ.
Однако использование респирометрии для опреде-
ления токсичности би о р аз латаемых веществ являет-
ся более сложной задачей При использовании ти-
пичной последовательности контроль - токсикант -
контроль для определения уровня токсичности био-
разлагаемый токсикант приведет к получению ре-
спир сграммы по еле его добавления, соответственно,
этот этап нужно завершить до второго добавления
контрольного субстрата. Если токсичное воздей-
ствие обратамо (т е при ингибировании), может
случиться что токсичность не будет обнаружена
ввиду удаления токсиканта из активного ила Одна-
ко в противовес такой непродолжительной или вре-
менной токсичности можно выполнить оценку про-
должительной токсичности, используя последова-
тельность контроль - токсикант - контроль, как
иписано выше
Респир о метр ия может быть очень полезной при
изучении некоторых биоразлагаемых токсикантов,
которые оказывают ингибирующее воздействие на
свою собственную биодеградацию посредством ин-
гибирования субстрата, т е. субстрат, на котором
растет биомасса, ингибирует процесс роста этой био-
массы При слишком высокой концентрации аммония
также может происходить процесс самоингибирова-
ния нитрификации. Ре спиро граммы таких самоинги-
бирукщих субстратов демонстрируют повышение
скорости дыхания при снижении концентрации био-
разлагаемого токсиканта со временем, таким же обра-
зом снижается и ингибирующий эффект
На рис. 3 38 показано, как при помощи респиро-
метрии можно объяснить феномены, возникающие
в биологических сточных водах, подверженных воз-
действию токсикантов (Gemaey et al., 1999).
Время (мин)
Рисунок 138. Рес пиро метрический отклик с мешанной гетеротрофной
и нитрифицирующей биомассы на добавление смеси фонола (15 мг/л)
и аммония (5 мг М/л) Показана только скорость экзогенного дом ния
(Gernaey е/ а/, 1999)
В данном примере смесь фенола и аммониядобав-
лены к с тле си би с массы, состоящей из нитрифициру-
ющих и гетеротрофных бактерий Фенол является
одним из наиболее известных примеров токсичного,
но биоразлагаемого соединения В ходе предвари-
тельного эксперимента было подтверждено, что фе-
нол может разлагаться под воздействием используе-
мой биомассы. В респиро метрическом эксперименте,
изображенном на рис 3.38, можно наблюдать ингиби-
рование нитрификации под действием фенола, кото-
рый постепенно разлагается при помощи гетер о тр о-
of 346
PEC ПИРОМЕТРИЯ
171
фов Однако разложение самого фенола также инги
бируется под воздействием токсичного эффекта, ко-
торый оказывает фенол на гетеротрофные микроорга-
низмы, что и является само ингибированием В первой
фазе происходит ингибирование нитрификации и раз-
ложение фенола, хоть и медленное Разложение фено-
ла ускоряется спустя примерно 30 мин и завершается
через 50 мин, что можно наблюдать по резкому сни-
жению графикагО2?кз Как только разложение фенола
завершено, скорость нитрификации растет до того же
значения, что и до добавления фенола (для сценки
влияния исключительно на нитрификацию можно
также провести отдельный эксперимент с добавлени
ем аммония)
Поскольку ингибирующая концентрация зависит
от происхождения биомассы и ее адаптации, ток-
сичность соединения по отношению к адаптирован-
ной биомассе также может представлять исследова-
тельский интерес Приме}.! адаптации, основанной на
респирометрическом эксперименте, с прогрессиру-
ющим ростом показателя IC# и коэффициента ин-
гибирования, можнг найти в научномтруде Rezouga
etal. (2009).
3.4.5. Фракционирование сточных вод
Использование динамических моделей в процессах
с активным илом получает все большее распро-
странение и становится способом мышления и об-
суждения процессов очистки сточных вод Модель
активного ила № 1, так называемая ASM1, пред-
ставленная исследовательской группой Междуна-
родной водной ассоциации по математическому
моделированию (IAWQ) для проектирования и реа-
лизации процессов биологической очистки сточных
вод (Henze et al, 1987), в настоящее время признана
новейшей разработкой и применяется для модели-
рования очистных сооружений в различных иссле-
дованиях Данная модель ляжет в основу настояще-
го раздела, который посвящен использованию дан-
ных о скорости дыхания для получения фракций
сточных вод в контексте AS М1.
Прежде чем установить соотношение между
скоростью дыхания и фракциями компонентов мо-
дели ASM1 необходимо объяснить принцип данной
модели для гетеротрофного процесса (табл. 3 2)
В табл 3 2 представлена известная матрица Гюйера
Массовый баланс гетеротрофных организмов Хоно
(компонент 5, сокращенно: с. 5), образование Хоно
посредством аэробного роста (процесс или реак-
ция 1, сокращенно: г. 1) уменьшается с потерей Хони
из-за гетеротрофного распада (г 4) В ходе данного
процесса распада компонент Хоно (с. 5) конвертиру-
ется в компонент ХСв (с 4) Образование ХСв(с 4).
компенсируется потерей ХСвв результате гидролиза
(г. 7), ведущего к образованию компонента Sb (с 2).
Sb - растворенный окисляемый субстрат - исполь-
зуется для гетеротрофного роста (г 1), где он кон-
вертируется в компонент Хоно (с 5) за счет ко мп о
нентз кислорода S02 (с 8), т. е. дыхания Подобные
рассуждения можно применить и к пр эцессу, вклю-
чающему азотные компоненты в виде раствора
и частиц (Snhx, Звц и ХСвц), автотрофные (нигри
фицирующие) организмы (Xano). Также рассмотрен
ан оксидный рост (г 2) с нитратом Snox(c 9) в каче-
стве конечного акцептора электронов
Таким образом, фракции сточных вод, количе-
ственная оценка которых выполняется с использо-
ванием аэробной и аноксидний респирометрии,
представляют собой фракции биоразлагаемого ХПК
Sb, ХСв; би?массы, потенциально присутствующие
в сточных водах. Хоно и Xano, и азотные фракции
Snhx, Звдя и ХСвц Другие, инертные фракции также
можно определить с помощью ре спиро метрических
данных, но в таком случае потребуются дополни
тельные химические анализы общего и растворимо-
го ХПК и общих и растворимых фракций азота.
Данная глава не включает описание вышеупомяну-
тых анализов, подробно о них можно узнать в тру-
дах Vanrolleghem et al. (1999) и Petersen et al. (2003).
Общая скорость дыхания биомассы в контакте
со сточными водами, согласно модели ASM1, раьна
, k" YOHO у ..	,
гО2,о6щ - ~ -Л-ОНО Роно +
уоно
4>57~ YANO х	/3 25>
+	AANO PANO’	V3
yaNO
где удельные скорости роста роно и р^о представ-
лены как функции Sb и Suh» соответственно (Henze
etal., 1987).
Концентрации SB и SNH;J в свою очередь, зависят
от скоростей разложения ХСв, Sn,b и ХСы,в
(табл 3.2). Очевидно, что все независимые процес-
сы, представленные в табл. 3.2, в итоге воздейству-
ют на массовый баланс кислорода (и нитрата при
подобной оценке в аноксидных условиях).
Существует два подхода к оценке модели фрак-
ций сточных вод. прямые методы сконцентрирова-
ны на удельных фракциях, которые напрямую мож-
но определить на основе измеренных скоростей ды-
хания (Ekamaet al, 1986, Spanjers etal., 1999), тогда
как оптимизационные методы используют (более
или менее упрощенную) модель, подогнанную под
результаты измерений (Kappeler and Gujer, 1992;
Wanner et al., 1992, Spanjers and Vani a lieghem, 1995).
R последнем используются численные методы
для п эиска значений неизвестных фракций сточных
вид которые приводят к наименьшим расхождениям
между замоделиров энными и измеренными скоро-
стями дыхания. Методы оптимизации, в которых
также применяй тся численные методы, в этом раз-
деле не рассматриваются информацию о них можно
найти в гл 5
с
Таблица 32. Мпдель активного ила №1 Матрица Гюйера (Henze з/ al ,1987)
	Компонент^) -> 1 Процесс (|)	— — 1 So	2 Sb	3 Хцм=	4 ХСв	5 Ха»	6 Кино	7 ХцЕ	8 So!	9 Stox	10 St**	11 Sen	12 ХСцм	13 Sup	Сиоростъпрсцесса^)	
1	Аэробный рост гетеротаоф-ой биом а сы		1 'оно			1			1 - Y 1 'оно Y ’оно		-ьаа>			14	$в	Si Q2 HOHO.max k	„ k	„	''OHO Г SB, OHO + ab rO2jOHO	°02	
2	аноксидныи рост гетеротрофной биом асы		1 Y 'оно			1					Нм ль			1 ~ X)NO 14-2,86YOHO 1N,xBio 14	n u	SB	K°^° x г1рлоноРоногтак j,	.01/	.o x ^SB.OHO + °В *02,0H0 +о02 JwOK	v 16	Q	0H0 ^NO^OHO “hdNOx	
3	Аэробный рост автотрофной биомхсы						1		чмо	1 Y ено	_|4-XBe ~ 1  ято			_ V<XBio _ 14 2 14Y ’/wo		 SNHx	SqJ Рено,max k	q k	7ч j41° ’'nH^AHO +оМНу ^OietiO+oO2	
4	Разложение гетеро- трофной биомассы				14<uaita	-1							'ЦХВ^		1 OHO 1 )H0	
5	Разложение авто- трофной биат ассы						-1	kiata					iKffitr tMlEnta-lN'llf		& ЛНС ’-PHO	
6	Аммснифмкацря растворенного органического азота										1	-1		1 14	4amJB.N-XoHO	
7	Гидролиз медленно биоразлагаемого субстрата		1		-1										xcb a	,:HQ x qXCBa.hyd	ХСь 'Wb, hyd +	Y f }	/ A0H0 '		S01	+ " ij2,OHO * S0j n	K 02,OHO	SNOX 'Wax	4.Q k	4-q ‘'ол.оно "r °o2 i'no>;oho t °no2 ;	ПН0
8	Гидролиз органиче- сюго азота											1	-1		P7 (X'Sb.n / XCg )	
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
г паи c z.uot’*
of 346
РЕС ПИРОМЕТРИЯ
173
Из процесса, описанного в табл 3.2, видно, hi о на
общую скорость дыхания влияют концентрации всех
би эразлагаемых компонентов, и что совокупное по-
требление кислорода (интеграл от го2) является пока-
за тел ем ко лич естваразложив ших ся ко мп он ентов
Обратите внимание, что, поскольку в прямых
методах взяты интегралы от скорости дыхания,
частота измерения и отношение сигнал/шум (по-
грешность измерения по сравнению со значением
измерения) не очень важны для надежной оценки
концентраций компонентов В кинетической кате-
горизации (Vanrolleghern ez al, 1999 arid Petersen et
al., 2003), напротив, данные получают при измене-
нии скоростей дыхания (отклонение г02). Это под-
разумевает гораздо более высокую зависимость
точности параметров от качества респир о метриче-
ских измерений
В респир оме гр ических тестах для фракцисниро
вания сточных вод неотъемлемым является исполь-
зование биомассы: оценка компонентов сточных вод
основана на ре спиро метрическом отклике биомассы
на сточные воды. С использованием биомассы ассо-
циируются с два важных аспекта Первый аспект-
используемое количество компонента сточных вод
по отношению к биомассе (соотношение So/Xo,
разд. 3 4 13 и 3.4.3). Второй аспект - концепция ги-
бели-регенерации, лежащей в основе модели ASM1,
новые компоненты S& ХСв. Знн» Зид и ХСщв посто-
янно генерируются из распадающейся биомассы
Поэтому на основании данной модели сложно разли-
чить компоненты, образованные из сточных вод и из
самой биомассы Фактически переход между экзо-
генным и эндогенным дьканием осуществляется по-
степенно Поэтому респир о метрический тест нужно
организовать таким образом чтобы возможно было
различить эти две скорости Это одна из самых труд-
ных задач респир о метрического фракционирования
сточных вод в контексте модели AS Ml
На рис. 3.39 показана респирограмма, получен-
ная в ходе эксперимента, в котором в самом начале
к эндогенному илу были добавлены сточные воды
На рис 3.39 представлена только скорость экзо-
генного дыхания, т е эндогенное дыхание вычита-
ется из общей скорости дыхания. На типичной ре-
спирсграмме сточных вод наблюдается начальный
пик, вызванный окислением легко биоразлагаемого
вещества, за которым следуют одно или несколько
плеч, где последовательно продолжают окисляться
другие компоненты Вся площадь под респирограм-
мой представляет со в октан ость биоразлагаемых
компонентов (SB + ХСв)/(1 - Уоно) + (Snhx+ Snb +
+ ХСцдУ(4,57 - Yano), что следует из уравнения
общей скорости дыхания (выше) На рис. 3 39 мож-
но различить 3 фракции субстрата, соответствую-
щие Sp, р и SpHx
3.4.5.1. Легко биоразлагаемый субстрат (SB)
Легко биоразлагаемый субстрат предположительно
состоит из (простых или низкомолекулярных) рас-
творимых соединений, таких как летучие жирные
кислоты, спирты и т. д. (Henze et al., 1992). Для
данных соединений характерно быстрое разложе-
ние, которое провоцирует быстрый респирометри-
ческий отклик
Типичный тест на определение параметра SB
(Ekama et al., 1986) включает добавление образца
сточных вод к эндогенному илу и мониторинг ско-
рости дыхания до достижения им уровня, на кото-
ром можно резонно предположить, что легко био-
разлагаемый субстрат удален из активного ила. Если
возникают иные процессы поглощения кислорода
(например, скорости эндогенного дыхания и по-
требление кислорода при нитрификации), их необ-
ходимо выявлять и вычитать из общего потребления
кислорода (рис 3.39). Нитрификацию можно инги-
бировать (разд. 3 4 2). Скорость дыхания связанную
с окислением легко биоразлагаемого субстрата
(102лз)’ можно определить и использовать для вы
числения концентрации SB в стоках только при уче-
те прочих процессов поглощения кислорода.
Рисунок 3.39 Г^офиль скорости экзогенного дыхания, полученный
после добавления 0,7 л сточных вод в 1,3 л активного ила, и фракцио-
нирование согласно процьдаре, описанной б работах fanjets and
Vanrolleghern, 1995b
Концентрацию, легко би .'разлагаемого субстрата,
изначально присутствующего в растворе биомассы и
сточных в од. можно вычислить следующим образам
. Сконеч
Зв(0)-Г-7— J &»(*)*
1 - *ОНО о
(3 26)
С учетом разбавления концентрацию SB в сточ-
ных водах легко вычислить Конечная точка
интервала интегрирования - момент времени, в ко
тсромЗр полностью окислен и скорость экзогенного
дыхания для SB равна нулю. Интеграл можно легко
вычислить, определив площадь под кривой, напри
мер, с использованием программ для обработки
электронных таблиц, что называется графическим
метидим Альтернативой данному прямому методу
является оптимизационный метод, описанный выше.

of 346
171
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Он состоит из решения уравнений массового балан-
са с помощью числового интегратора для прогнози-
рования скоростей экзогенного дьссания Sb в таком
эксперименте В зависимости от начальных значе-
ний 3Б(0), заданных в алгоритм интегрирования,
в результате моделирования будет получена иная
прогнозируемая респирограмма Таким образов
можно подобрать наиболее подходящее значение
SB(0) для результатов измерения1 Для данной про-
стой задачи оптимизационный метод может быть
избыточным; но для более сложных задач (см. сле-
дующий раздел) такой подход будет более подхо-
дящим, чем метод прямых вычислений
Обратите внимание, что для вычисления SB на
основе скоростей дыхания необходимо знать ксэф
фициент прироста биомассы гетеротрофов Yqho
Этот стехиометрический коэффициент всегда ис-
пользуется при конвертации поглощения кислорода
в эквиваленты субстрата (см. следующий раздел
и разд 3 4 5.2-3.4 5 б). Тест, описанный выше, так-
же применяется для опенки других компонентов
модели ASM1 и кинетических параметров, для по-
следних используется оптимизированный метод
Этим объясняется популярность данного теста при
выполнении процедур калибровки
Еще один тест (Wentzel el al, 1995) предполагает
мс нит о ринг скорости дыхания не отстоянных сточ-
ных ьод без посева в течение довольно длительного
периода (приблизительно до 20 ч) В результате по-
лучаем респирограмму, подобную той, что изобра-
жена на рис 3.40 Sb вычисляется на основе скоро-
стей дыхания которые наблюдаются в промежутке
между началом теста и резким падением (за счет
истощения Sb), с учетом корреляции с растущей
скоростью эндогенного дыхания благодаря увели-
чению биомассы во время теста. Кроме Y0HC1 необ-
ходимо знать скорость чистого прироста биомассы,
которую можно получить с помощью того же теста
о С_------------,---——,------1-------)	।
0	1	2	3	4	5	6
Воемя (ч)
Рисунок 140 Скорости дахания, полученные в ходе выполнения экс-
перимента (Kappeler and Gujer, 1992) для определения легко биоразла-
гаемого субстрата по методу Wentzel е!а/, 1995
1 В данном случае модель ASM1 используется для получ-ния
ГГ1; Некоторые современные программные комплексы
имеют для этого специальный раздел (прим ред.).
В 1926 г ученые Ekama б/ al представили метод
для определения S& который предусматривает кон-
троль потребления кислорода в идеальна переме-
шанном реакторе с циклической и квадратно-
во лиовой подачей Выдвигается гипотеза, что резкое
падение скорости потребления кислорода, наблюда-
емое при окончании подачи (рис. 3.41), соотносится
исключительно с Sb поступившим с входящим по
таком Таким образов концентрацию легко биораз-
лагаемого субстрата можно вычислить так
(3 27)
“ реакт ^Эдобц
Qce 1-yoho
Время (мин)
Рисунок 341. Скорости дыхания (гоз), полученные с помощью экспери-
ментальной установки группы ученых Ekama et а/. (1986) и позволяющие
выпотить прямую оценку легко биоразлагаемого субстрата Св
3.4.52. Медленно биоразлагаемый субстрат (ХСВ)
Предполагается, что медленно биоразлагаемый суб-
страт ХС& который иногда определяется как био-
разлагаемые взвешенные вещества, состоит из (вы-
сокомолекулярных) соединений - от растворимых
до коллоидных и твердых частиц (Henze, 1992).
Общей характеристикой данных соединений являет-
ся их неспособность проникать в клеточные мем
брань г, сначала они должны подвергнуться гидроли-
зу до низкомолекулярных соединений (Sb), которые
впоследствии могут ассимилировать и окислиться
Поскольку скорость гидролиза ниже скорости окис-
ления (Sb), респирометрический отклик наХСв мед-
леннее и обычно легко распознается в виде хвоста
рес пирограммы.
В тестах часто можно наблюдать экспоненциаль-
но снижающийся «хвост», возникающий после пика
легко биоразлагаемого субстрата (см рис 3.39)
На рис. 3 42 такой «хвост» начинается приблизи-
тельно после отметки 0,75 ч Концентрацию сточ-
ных вод в ХСв можно оценить таким же образом,
используя подходящую (Kappeler and Gujer,
1992). Одновременно возникающие процессы окис-
ления, такие как нитрификация, могут мешать
и усложнять определение скорости дыхания, регу-
лируемой гидролизом В гаком случае для облегче-
г паи c z.uot’*
of 346
РЕС ПИРОМЕТРИЯ
17?
нпя оценки ХСБ можно использовать ин i и Сир о ванне
нитрификации Напротив, при оценке данных такого
теста с помощью оптимизационного метода для
подгонки отклика модели под результаты данные
нитрификации можно легко по л? нить из ре с пиро-
граммы (Spanjers and Vanrolleghem, 1 995)
40
30
•
x‘	*
X
5
5 20
° ♦.
uS 10	•	•	.	.
0 ---------1-------!------—I--------1----- “1-------1
0	1	2	3	4	5	6
Время (ч)
Рисунок 142. Скорость дыхания (Гог), полученная согласно методу
Kappeler and GUjer 11992) доа оценки ХСв
Пример, представленный на рис. 3 43, подчерки-
вает, что все вышеупомянутые методы, использую-
щие кислородное дыхание, также применимы для
тестов на бескислородное дыхание, использующих
измерение нитрата (с помощью лабораторных анали-
зов или зондов) На данном рисунке фактически
изображена не респирограмма, а ее интеграл, т. е
изменение концентрации нитрата Анализ кривых,
проведенных к оси у и обозначающих периоды с раз-
ными уровнями использования нитратов (начальный
период с биоравложением SB и ХСВ за которым сле-
дует период только с биоравложением ХС& сопро-
вождаемый эндогенным дыханием нитрата), позволя-
ет непосредственно оценить нитрат, используемый
для различных процессов и, следовательно, произве-
сти расчет его сопутствующих концентраций в сточ-
ных водах
Вычисления следует выполнять таким же обра-
зом, что и для скорости кислородного дыхания,
с некоторыми изменениями (в данном случае ин-
тегралы заменяются на соответствующее ДЬЮх
срис 3.43)

nr	1
1 &,«.(')*
1- ХОНО,ах \ О	J
(3.28)
_ rjz-	(t,M0ie4
ХСВ(О) = - г.--------- J (t)dt . (3 29)
1 “ 1 ОНО,ах \ О	J
где применяется эквивалент ХПК, равный 2,36 г
ХПК/r NO3-N Необходимо учитывать, что прирост
в аноксидных условиях несколько ниже, чем в аэроб-
ных: т к для Yqho часто используется значение
0,66 гХШ^^^/гХПК^уб^^ предлагается принять
прирост в аноксидных условия:; равный 0,54 г
ХПКби^сы/гХПК^бар^ (Muller etal., 2003).
Рису нон 3.41 Типичный графт юн^нтроцгм нитрста для определения
Зв и ХСв на основе эксперимента с дыханием нитрата (т. е. аноксидным)
(Dbam el а/, 1998)
3.45.3. Г етеротрофная биомасса (Хоно)
Некоторые сточные воды могут содержать значи-
тельные концентрации гетеротрофной биомассы
(Henze, 1992), поэтому данный ко мп с нент нуждает-
ся в количественной оценке Тест, описанный груп-
пой ученых Kappeler, Gujer (1992) и Wentzel et al.,
(1995), предусматривал оценку Хоно на основе из-
менения скорости дыхания неочищенных сточных
вод без добавления посева биомассы Для вычисле-
ния требуются значения Y0H0 и еще двух парамет-
ров, которые можно получить из тех же данных:
максимальная удельная скорость роста роно н коэф-
фициент распада Ьоно Респирограммы похожи на
те, что изображены на рис 3.40 Фактически проце-
дура предполагает отслеживание в обратном поряд-
ке количеств а гетер стр оф ней биомассы, изначально
присутствующей в сточных водах, при помощи
сравнения начальной скорости дыхания и скорости
дыхания после значительного (и поэтому хорошо
измеримого) роста Хоно
3.4.5.4. Автотрофная
(нитрифицирующая) биомасса (Хаш)
На сегодняшний день авторам не известны процеду-
ры, в ходе которых производится оценка концентра-
ции автотрофной биомассы в сточньп: водах. Воз-
можно, это происходит по причине довольно малове-
роятного обнаружения значительного количества
нитрификагоров в сточных водах Темне менее мож-
но предположить, что в этом случае применима про-
цедура подобная той, что разработана для определе-
ния Хоно- т е. опенка скорости дыхания для нитрифи-
кации автотрофов, присутствующих в стоках,
и сравнение ее со скоростью дыхания культуры с из-
вестной концентрацией авготрифной биомассы Ханс,
например, после значительного роста
3.4.55. Аммоний (Snhx)
Концентрацию аммония в стоках можно определить
с помощью стандартных аналитических методик
of 346
171
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Однако респпрометрия также предлагает возмож-
ность вычитания Зцнх из измеренных значений, по-
добно случаю с Sb и ХСв (при условии использова-
ния нитрифицирующего активного ила/ Согласно
табл 3.2, чтобы конвертировать потребление кисло-
рода для нитрификации в концентрацию азота
с помощью деления на (4,57 - Yano), необходим
коэффициент прироста нитрифицирующей биомас-
сы Y^q. Однако параметр Sj^ не слишком чув-
ствителен к Yano» т к. он довольно мал по сравне-
нию с 4,57. Следует отметить, что аммоний также
используется для ассимиляции (т. е около 12 % веса
биомассы в виде ЛВЕ состоит из азота), что может
потребовать значительного количества азота при
наличии большого количества биоразло.жившегося
ХПК (ХПК1 Нитрифицируемый азот можно
приблизительно выразить так:
^-Змь-Чв», Уоно	(3 30)
где 1Ы£Ь - содержание азота в новой образовавшейся
биомассе. Из данного уравнения можно легко выве-
сти начальную- концентрацию азота при известных
ХПF?i3nrи стехиометрических параметрах <н,вю
и Y0HC. При подгонке модели, в которой окисление
углерода и азота включены в респир о метрические
данные (т е. оптимизационный метод), такая кор-
рекция будет автоматически учитываться (Spanjers
and Vanrolleghern, 1995).
3.456 Фракции органического азoi а (XCBN и 5вд)
Возможно, по причине довольно высоких скоростей
гидролиза и аммонификации органических азотных
соединений до сих пор мало внимания уделялось
созданию респир о метр ических методов для количе-
ственного определения ХСБд и SBjH (эти компонен-
ты даже были исключены из последующих моделей
активного ила ASM № 2 и 3). В тестах такие соеди-
нения обычно конвертируются в Snhx, который из-
начально присутствовал в стока:; до его удаления
при пс мощи нитрификации Таким образом данные
фракции входят в определенные концентрации ам-
мония Поэтому такие тесты не предназначены для
прямого определения параметров XCBjtI и 3Б^
Темне менее для н екоторых сточных вод стадии
гидролиза и аммонификации могут протекать зна-
чительно медленнее, и может потребоваться коли-
чественное определение концентраций компонен-
тов. В таких случаях можно применить процедуры,
в которых скорость дыхания при нитрификации
отслеживается и интерпретируется с точки
зрения гидролиза и аммонификации, подобно ин-
терпретации дыхания при разложении ХПК с точки
зрения процесса гидролиза. Впоследствии количе-
ство азотсодержащих субстратов можно оценить,
взяв интеграл 1,“"^ для соответствующих фракций
и разделив их на (4,57 - Y^q), стехиометрический
коэффициент, соответствующий нитрификации
При одновременном удалении ХПК необходимо
снова сделать поправку на азот, ассимилированный
в новую гетеротр офную бизмассу (разд 3 4 5.5).
3.5.	КЛАССИФИКАЦИЯ БИОМАССЫ
3.5.1.	Летучие взвешенные вещества
В тестах на классификацию биомассы активность
обычно имеет стандартное выражение в виде скоро-
сти конверсии 1 единицы летучих взвешенных ве-
ществ (ЛВВ), чтобы учесть изменения концентра-
ций биомассы. Однако стоит отметить, что ЛВВ
не эквивалентны биомассе, иными словами, только
часть (обычно известная) ЛВВ состоит из активной
биомассы, и ЛВЕ представляет собой .лишь прибли-
зительную ее концентрзцию Фактически сложность
метода, описанного в данном разделе, заключается
в оценке части ЛВВ, которая представляет концен
трацию биомассы Более подробно эб измерении
части ЛВВ - активной биомассы - можно узнать,
обратившись к трудам ученых Ekama el al (1996),
Still etai (1996) и Lee et al (2006)
3.5.2.	Удельная метаногенная активность
(УМА)
3.5.2.1.	Цель
Тест на удельную метаногенную активность (УМА)
предусматривает оценку апетикластической метано-
генной активности биомассы. Этим тест УМА отли-
чается от тестов на активность анаэробной био мае
сы, где измеряется общая активность биомассы,
перерабатывающей обычно сложный субстрат
В этих испытаниях активность ограничивается ско-
ростью самой медленной стадии разложения кото-
рая обычно представляет собой гидролиз, чтобы
оценить гидролитическую активность биомассы
относительно данного субстрата в виде частиц Тест
УМА можно использовать для мониторинга актив-
ности реактора или классификации биомассы до ее
применения в качестве инокулята для запуска ново-
го реактора и, следовательно, использование ее по-
тенциала в качестве инокулята для этого процесса
(Sorensen and Ahring, 1 993)
3.5.22. Общее
В ходе тестов УМА измеряется активность метаноге-
нов. Такие измерения выполняются с добавлением
субстрата, который непосредственно конвертируется
в глет ан. Это могут бьпь газы СО2 или Н2, но наибо-
лее распространенным и практичным является аце-
тат Такие тесты считаются стандартными в научной
MULUi I IdllC ^.пт.
of 346
PEC ПИРОМЕТРИЯ
17J
литературе, и все больше ученых использует их
в своей практике (Ersahin el al., 2014, Jeison and van
Lier, 2007) На основе скорости конвертации ацетата
в метан, нормированный к биомассе, можно получить
информацию об активности метаногенов ватой био-
массе. Обычно она выражается в гХПК/г ЛВВ сут
Для предотвращения подкисления в ходе анаэ-
робного сбраживания необходимо соблюдение ба-
ланса образования и поглощения ЛЖК (разд 3.4.1)
Таким обр азом, тесты УМА выявляют максимальное
количество ацетата, образовавшегося в ходе анаэроб-
ного сбраживания, с которым могут справиться аце-
тиклаттические метаногены без снижения кислотно-
сти до уровня ингибироь ания образования метана.
3.5.2.3. Выполнение теста
В тестах УМА (так же, как и в тестах БМП) количе-
ство инокулята, необходимое для анаэробною
сбраживания, обычно измеряется в виде летучих
взвешенных веществ (ЛВВ), также возможно изме-
рение летучих веществ (ЛВ) (разд 3 4 1).
При выполнении тестов УМА соотношение меж-
ду инокулятом и субстратом приводится в баланс
таким образом, чтобы количество выделяющегося
метана было достаточным для точного измерения
расход был в диапазоне расходомера газа, а концен-
трация ацетата - ниже уровня ингибирования Часто
используется концентрация ацетата 2 г ХПК/л и сле-
дующее соотношение субстрата и инокулята
ттрр,
Массы используемых в тесте ХПК и ЛВВ даны
в граммах, а не в концентрация:
• Исходные растворы
-	Необходимый исходный раствор представля-
ет собой фосфатный буфер, содержащий ис-
ходный раствор А (0,2 М К2НРО4 ЗН2О
45,65 г/л) и исходный раствор В (0,2 М
NaH2PO4-2H2O. 31,20 г/л).
-	Раствор матеро эле мен то в содержит на 1л 170 г
NH4CI, 8 г СаС12-2Н2О и 9 г MgSO4-7H2O
-	Раствор микр; элементов содержит на 1 л: 2 г
FeCl3-4H2O, 2 г СоС12 бН20, 0,5 г МпС124Н2О,
30 мг СиС132Н2О, 50 мг ZnCl2, 50 мг НВОз,
90 мг (ЫНОбМоА 4Н2О, 100 мгЫа35еО3 5Н2О,
50 мг NiCl2-6H2O, 1 г ЭДТА, 1 мп НС1 36%
0,5 г резазуринаи 2 г дрожжевого экстракта
•	Инокулят
Инокулят представляет собой типичный анаэроб-
ный ид взятый из действующей биогазовой уста-
новки Измерьте общую концентрацию взвешен-
ных веществ и летучих взвешенных веществ
в иле.
•	Субстраты
В качестве субстрата для ацетикластической
метаногенной активности используется соль
триангедрата ацетата натрия (ИаС2Н3О2 ЗН2О)
(М = 13о,02 г/моль). Значение ХПК 0,4706 г
ХПК на rNaC3H3O2 ЗН2О Обьгчно готовится
раствор ацетата натрия (субстратный растьэр)
с концентрацией 2,0 г ХПК/л, который должен
содержать следующие исходные растворы:
- фосфатный буфер смешайте 30,5 мп исход
него раствора А и 19,5 мп исходного раство-
ра А (всего 50 мп) на литр субстратной среды
для получения 10 ммоль/л фосфатного буфе-
ра при р Н = 7,
-	макроэлементы: добавьте б мп на литр суб-
стратной среды,
-	микроэлементы добавьте о мл на литр суб-
стратной среды
Проверьте pH и измерьте концентрацию ХПК
в субстратном растворе. Для получения контроль-
ных растворов приготовьте такой же раствор, но
без д о бав ления суб стр аг а (р аств о р ср еды)
• Подготовка реакционных сосудов и выполнение теста
Подготовьте контрольный раствор и образцы
в трех экземплярах, т е три пробирки с кон
тральным раствором (только инокулят и раствор
среды) и три пробирки с образцом (инокулят
и раствор субстрата). Как упоминалось выше,
обычно в тестах УМА используется соотноше-
ние инокулята к субстрату 2:1 (на основе ЛВВ).
Выберите полный объем жидкости, пригодной
для реакционных сосудов Для проведения теста
УТЛА, как и для геста БМП, необходимо произ-
вести инкубацию’ реакционных сосудов при же-
лаемой температуре Стандартная мезофильная
температура составляет 35 °C Тест УМА вы-
полняется до прекращения выделения бистаза
3.5.2.4. Обработка данных
Метан, выделяющийся в ходе теста УМА измеряется
во времени На рис. 3 44 представлены результаты
теста УМА Обратите внимание, что тест не начался
в точке 0 П мл Это произошло из-за расширения
наджидкостного пространства реакционного сосуда
при нагревании до температуры 35 °C с образованием
небольшого количества газа Поэтому такой расход
газа в первые 1G мин не является следствием факти-
ческого выхода метана В течение первых двух дней
наблюдается фаза низкой активности - лаг-фаза. Это
объясняется тем фактом, что метаногены в момент
времени t = 0 вводились в новую среду, где осмоти-
ческое давление, проводимость, состав питательных
веществ или концентрации субстрата отличались от
среды, из которой были взягы метаногены (аэробный
ил) Такая лаг фаза является нормой для тестов УМА
По прошествии 4 сут (t = 4 сут), образование метана
практически прекращается. Наиболее вероятно, чтс
illdUU Z.UuP
of 346
i:u
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
это обусловлено истощением субстрата. Перед нача-
лом теста УГЛА необходимо вычислить ожидаемое
нбразование метанана основе ХПК ацетата. Теорети-
чески на 1 г ХПК может обравивыватъся 350 Ы-мл
метана Эго можно вычислить следующим образом
из 1 моля ацетата образуется 1 моль СЩ поэтому из
1 г Ас образуется 1/59 моль СН< При стандартной
температуре и давлении (273,15 К и 1013,25 мбар)
1 моль г аза эквивалентен 22,4 л, таким образов из 1 г
Ас образуется 22,4/59 = 0,380 л СН4 Поскольку
1 грамм Ас представляет собой 1,085 ХПК, мы полу-
чаем следующее соотношение. 0,380/1,085 = 0,350 л
СРЦ/гХПК.
Из данного графика мы получаем максимальную
скорость образования метана Ее можно вычислить
из наклона респирограммы на рис 3 44 Значение
наклона можно вычислить для каждой точки, но
необходимо выбрать нужный интервал. В данном
случае выбран интервал между t = 2 и t = 4 (отмече-
но красным к а рис 3 44), т к скорость образования
здесь выше. Максимальная скорость образования
ила составляет 35 N-мл/сут В данном примере было
введено 800 мг ЛВВ инокулята, поэтому УМА рав
няется 43 N-мл/гЛВВсут. Обратите внимание,
наиболее часто количество метана выражается
в ХПК Один грамм ХПК метана занимает 350 М ил
газа при стандартной температуре и давлении Та-
ким образом, УМА в данном эксперименте состав-
ляет 43/350 = 0,123 г ХПК/г ЛВВ сут Данное значе-
ние принадлежит типичному промежутку от 0,1 до
0,2гХПК/гЛВВ сут, обычно наблюдаемому
в стандартных метантенках на КС1 С. Ил из реакто-
ров типа АРВП имеет более высокий показатель
УМА между 0,2 и 042 г ХПК/г ЛВВ сут.
• Реконендации
Особое внимание при проведении тестов УМА
необходимо уделять чувствительности метано-
генов к температуре и ингибированию под воз-
действием кислорода. Более подробную инфор-
мацию и рекомендации можно найти в разделе,
посвященном тестам на БМП Способы обработ-
ки данных контрольного эксперимента отлича-
ются от тестов БМП, в тестах на УМА данные по
контрольному эксперименту не вычитаются из
данных по экспериментам с субстратом
Rdcyнок 3.44. Гример теста УМА
3.5.3. Удельная активность аэробной
и аноксидной биомассы
В 1992 г группа ученых Kristensen et al. провела ряд
лабораторных испытаний, разработанных для оцен-
ки активности нитрификаторов (скорость поглоще-
ния аммония (СПА)), денитрифицирующей биомас-
сы (скорость поглощения нитрата (СПН)) и гетеро-
трофной биомассы (скорость поглощения кислорода
(СПК)) Все три процедуры и схематичные примеры
данных представлены на рис. 3.45 с последующим
обсуждением.
СПН
РК - С мг/л
СПК
О.+хПК+АТМ
Зонд РК
Рисунок 3.45. Лабораторные р е спиро метр иге ские процедуры и примеры данных для классификации нитрифицирующей бит массы (СПА скорость,
поглощения аммония), денитрифицирующей биомассы (СПН скорость поглощения нитрата) и гетеротрофной биомассы (СПК. скорость поглощения
кипорода) (Kristensen аз/, 1992)
of 346
PEC ПИРОМЕТРИЯ
1 и
3.5 3.1. Максимальная удельная скорость
нитрификации (СПА)
Для оценки скорости поглощения аммония (СПА)
концентрированную биомассу (например, из линии
возвратного или избыточного ила) смешивают с водо-
проводной водой в цилиндрах объемом 1 л для до-
стижения концентрации взвешенных веществ 3^4 г
ЛЕВ/л. Активный ил поддерживается в состоянии
суспензии благодаря аэрации, подаваемой через диф-
фузоры, которые также насыщают биомассу кислоро-
дом в концентрации от б до 8 мг О2/л При достиже-
нии стабильного состояния (эндогенного дыхания}
добавляется аммоний для обеспечения начальной
концентрации NH4-N 20 мг N/л Обратите внимание,
что нитрификация является реакцией окисления, по-
этому необходимо отслеживать уровень pH в ходе
всего теста, чтобы исключить появление факторов его
воздействия Добавление щелочности или установка
системы контроля pH с добавлением основания могут
улучшить качество определения С Па.
Образцы активного ила объемом 10 мл отбира-
ются с интервалами 15-30 мин в течение 3—4 ч Эти
образцы проходят немедленную фильтрацию, чтобы
остановить биологические реакции, а в отфильтро-
ванную жидкость добавляют 0,1 мл 4 М H2SO4, что-
бы сохранить ее до начала анализа. Затем образцы
анализируют на содержание аммонийного азота,
а также нитрата и нитритного азота. Для получения
более детальных временных рядов и потенциального
исследования нитрификагоров с пс мощью биокине-
тического моделирования непосредственно в аэри-
рованной суспензии могут использоваться либо
и оно селективный электрод (ИСЭ) для аммония, либо
и оно селективный или ультрафиолетовый датчик для
нитрификаторов
СПА (мг Ь1Н4-Ы/л ч) вычисляется на основе
наклона полученной кривой образования нитрата
и нитрита, а также на основе кривой поглощения ам-
мсния для контроля Действительно, на поглощение
аммония может также влиять эндогенная гетеро-
трофная активность за счет распада и гетеротрофного
роста с сопутствующим поглощением аммония. Об-
разующиеся окисленные формы азота происходят
непосредственно из-за нитрификации, конечно, при
условии, что уровень кислорода всегда достаточно
высок; чтобы предотвратить денитрификацию
Удельную СПА (УСПА, мг NH4-N/r ЛВВ ч) можно
получить путем деления объемной скорости на кон-
центрацию биомассы (гЛЕВ/л), заданную в начале
эксперимента, эго позволит сравнить нитрифициру-
ющую’ способность с типичными значениями
Конечно, нитрифицирующую способность мож-
но определить из ре спирометрическое? эксперимен-
та с добавлением аммония (разд. 3 4 5.5) Макси-
мальную скорость дыхания характерную для нит-
рификации (г© ) в мг О2/л ч, т е после вычитания
эндогенной скорости, можно перевести в скорость
конвертации аммония (мг ЫН4-Ы/л ч) с помощью
уравнения, подобного уравнению для получения
количества нитрифицируемого азота (разд 3.4.5 5).
СПА = —--то’02 -,	(3 32)
457-
где Удно - коэффициент прироста нитрификатора,
обычно равный 0,24 мг ХПК/мг ЛВВ.
Чтобы разделить активность биомассы окисля-
ющей аммоний и нитрит, можно выполнить два экс-
перимента, один с добавлением аммония, другой -
с добавлением нитрита В таких раздельных экспе-
риментах можно отслеживать поглощение аммония
и нитрита и переводить их в соответствующие ак-
тивности. Эксперименты в которых происходит
накопление нитрита, также можно использовать для
определения обеих активностей по отдельности, т. е.
путем нахождения степени поглощения нитрита
после окисления всего аммония можно рассчитать
активность окисляющей нитрит биомассы В этом
случае СПА следует определить на основе профиля
аммония а не нитрата т к. последний отстает от
профиля аммония за счет накопления нитрита в ак-
тивном иле. Для применения данного типа анализа
важно, чтобы окисляющая способность для аммония
бьгла значительно выше, чем для нитрита, т. к.
должно происходить накопление достаточного ко-
личества нитрита (рекомендуется более 2 мг NO2-N
на литр при истощении аммония)
Альтернативный метод определения активности
двух групп биомассы участвующих в нитрифика-
ции, бьгл разработан группой ученых Surmacz-
Gorska et al. (1996). Он основан на респиромегриче-
ском эксперименте, в ходе которого при снижении
РК примерно на 3 мг/л сначала добавляется хлорат
натрия (NaClOj, 20 ммоль/л, т е. 2,13 г/л), выступа-
ющий ингибитором для второго этапа нитрифика-
ции, затем после снижения РК еще на 2 мг/л добав-
ляется ATM для ингибирования первого этапа нит-
рификации На рис. 3 46 представлен типичный
график концентрации РК, полученный в ходе теста
в закрытом сосуде
Соответствующие скорости дыхания, выражен-
ньге в мг О2/л ч, напрямую получают из трех спадов
концентрации РК, они также позволяют вычислить
потребление кислорода дач каждого из двух этапов
нитри фикации гсэдоэ^кг (связанная с Гмоо,оо) вычисля-
ется из разности на наклоне РК до и после добавле-
ния хлората, тогда как Гсопн4?кз (связанная с Гдоорэ/
вычисляется из разности на наклоне РК до и после
добавления ATM При этих скоростях дыхания ак-
тивность обеих биомасс нитрификации (в mi NH4-
N/л ч и мг NO3-N/n ч, соответственно) может бьпъ
рассчитана следующим образом
ГАОО,О2
rNH4_NO2= " ~ у
4 AS ХАОО
(3.33)
of 346
1)2
„	rNOO,O2
rNH2_NO3 = ~	’
t И 4ТОО
(3.34)
где Yaoo и Ynoo - коэффициенты выхода двух эта-
пов нитрификации, обычно 0,18 мг ХПК/мг NH4-N
и 0,06 мг ХПК/мг NOi-N. соответственно Удельную
активность опять же можно получить путем деления
объемных скоростей на концен трацию ЛЕВ.
Время <мин)
Рисунок 146. Тигмный график концентрации РК, полученный о ходе
процедуры по определению характеристик деучэтапной иитрификацт
основанной на ингибировании окисления нитрита при помощи хлората
(SUrmacz-Gorbka el al, 199G). Наклоны графита РК испотъзуются для
оценки соответствующего Г02 (СПК)
3.5.3.2. Максимальная удельная скорость
аэробного гетеротрофного дыхания (СПК)
Для определения скорости потребления кислорода,
связанной с аэробной гетеротрофной активностью
(СПК), биомассу смешивают с водопроводной водой
для получения концентрации взвешенных веществ
2-3 г ЛВВ/л При выполнении эксперимента ХПК
находится в избытке. Обычно добавляется ацетат
в концентрации 200 мг ХПК/л, т. е соотношение
Sq/Xq должно находиться в диапазоне от 1/10 к 1/20
Для определения аэробной гетеротрофной эндоген-
ной активности - альтернативного индикатора аэроб-
ной гетеротрофной активности - ХПК не добавляет-
ся Нитрификацию необходимо ингибировать путем
добавления ATM, обычно 5-1 Г) мг/л Биомасса посто-
янно аэрируется для поддержания концентрации РК
на уровне 6-8 мг О2/л. В процедуре, предложенной
Kristensen el al (1992), скорость дыхания измеряется
путем периодического переливания части тестовой
жидкости в емкость для БПК объемом 300 мп для
измерения скорости поглощения кислорода с помо-
щью зонда кислорода, помещенного в емкость (прин-
цип ЖСС) Таким образом, СПК можно вычислить на
основе нисходящего отрезка кривой РК. Стоит отме-
тить. что в данном случае общая скорость дыхания
в присутствии ингибитора нитрификации использу-
ется в качестве индикатора аэробной гетеротрофной
активности, т. е. г02?нд + г02?к:. Также для определения
СПК могут применяться альтернативные методы
вычисления скоростей дыхания (разд 3 2 и 3 3).
Удельная скорость поглощения кислорода (УСПК),
которая часто служит индикатором активности био-
ЭКС ПЕРИ МЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
массы, вычисляется путем деления СПК на концен-
трацию Л ЕВ в экспериментальной жидкости
Валено учесть, что использование ацетата в опре-
деленных случаях может быть, не подходящим ввиду
того, что некоторые биомассы, возможно, адаптиро-
вались к режиму чередования «питания): и «голодая
и накапливают ХПК вместе того, чтобы использовать
его непосредственно для роста. Соответствующая
скорость дыхания для накопления может сильно от-
личаться от скорости дыхания которая является
предпочтительней для оценки гетеротрофной актив-
ности При обнаружении накопления для оценки ак-
тивности следует использовать альтернативный ис
точник ХПК, например, ранее упомянутый контроль-
ный субстрат для БПК -глутаминовую кислоту.
3.5.33. Максимальная удельная скорость
денитрификации (СПН)
Удельную скорость потребления нитрата (УСПН)
для процесса денитрификации можно оценить с по-
мощью полностью перемешанных закрытых реакто-
ров объемом 2 л Концентрированную биомассу
собирают и смешивают с водопроводной водой
в реакторах до получения концентрации взвешен-
ных веществ 3—4 г ЛВВ/л При достижении стабиль-
ного состояния (эндогенного дыхания) добавляется
нитрат для обеспечения начальной концентрации
20-30 мг N/л ХПК, чаще всего в виде ацетата, добав-
ляется в избытке для достижения начальной концен-
трации 100-150 мг ХПК/л Для определения эндоген-
ной СПН требуется применение более высоких кон-
центраций биомассы (для сокращения времени
эксперимента) и не требуется добавления ХПК. По-
скольку в процессе денитрификации наблюдается
рост кислотности, который увеличивается, когда
в качестве источника ХПК используется ацетат (см
результаты контроля pH в ходе тестов СПН с ацета-
том и глюкозой на рис. 3 47, Petersen et al., 2002b) pH
необходимо к он тро.пировать и при необходимо'сти
корректировать Однако вероятность возникновения
негативньЕС воздействий pH значительно ниже, чем
в тестах СПА, учитывая более низкую чувствитель-
ность гетеротрофной би о массы к кислотно сти и менее
значительное воздействие денитрификации нарН
Образцы активного ила объемом 10 мл отбирают-
ся с интервалами 15-30 мин на протяжении 3-4 ч.
При отборе образцов рекомендуется добавлять азот
вгазообразном виде, чтобы избежать проникновения
кислорода в реакторы Для определения СПА образ-
цы необходимо подготовить, как описано выше,
и проанализировать нитратный и нитритный азот.
Для получения более детальных временных рядов
и по генци ального исследования процесса дени три
фикации с помощью би о кинетического моделирова-
ния в реакторе можно использовать ионоселективный
или ультрафиолетовый датчик нитритов и нитратов
Пример таких данных представлен нарис 347
of 346
PEC ПИРОМЕТРИЯ
1П
Сравнивая скорости дыхания при аноксидных
и аэробных условиях необходимо знать, что скоро-
сти конвертации ХПК все же обычно ниже при
аноксидных условиях. Это можно объяснить двумя
способами .либо удельная скорость конвертации
ниже при аноксидных условиях, либо только одна
фракция биомассы способна дышать нитратом Ча-
ете использующейся характеристикой биомассы для
данного феномена является так называемый коэф
фициент аноксидного восстановления т], который
определяет соотношение между обеими активно-
стями на основе злектрон-эквивалента (который
принимается равным 2,8б)
Рисунок 3.47. Гример эксперимента по определению скорое™ погло-
щения нитрата с использованием ацетата (5) и глюкозы (б) с контролем
рНс добавлением кислоты (а) или основания (б) (Petersen d al.2002b)
Скорость поглощения нитрата (мг NOj-N/л ч)
вычисляется на основе наклона кривой поглощения
ни грата и нитрита. Удельную СПН (УСПН, мг NOj-
Н/г ЛВВ ч) можно получить путем деления объем
ной скорости на концентрацию биомассы (г ЛВЕ/л),
заданную в начале эксперимента, это позволит
сравнить способность денитрификации с типичны-
ми значениями
Аноксидная и аэробная гетеротрофные активно-
сти тесно связаны между собой, т. к. они обе отра-
жают способность гетеротрофной биомассы к окис-
лению органического вещества с помощью- либо
окисленного азота, либо кислорода как акцептора
электронов Рис. 3.48 иллюстрирует типичное срав-
нение респирограмм СПН и СПК, полученных при
использовании одной и той же биомассы и с добав-
лением ацетата (Sin and Vanrolleghern, 2004/ Так
называемый хвост, который наблюдается в обоих
экспериментах после возвращения к эндогенному
дыханию, указывает на то, что при аноксидных
и аэробных условиях для данного образца биомассы
происходит вышеупомянутое накопление ХПК
^ = 2,86'^^-
ГО 2,эез
Время (мин)
С,200
0.175
0.150 -
0,125 I
0150 *
С,125 о
-0.100 *
0 075
5
0,050 и-*
0.075
- эоос
юо
Рисунок 3.48. Сравнение аэробной (красной) и анокиидоэй (синей)
респирограмм с добавлением ацетата в ил. взятый с КОС в районе
Оссе ме ев сен (Бельгия! после добавления 46,9 «г ХПКлс/h (гог) и 38,9 мг
ХГПУг (гпозI (Эл and Vanrolleghern, 2004)
Для легко биоразлагаемогс субстрата коэффици-
ент т| близок к единице (~Э,85) (Ekama е/ al., 1 996)
Для медленно биоразлагаемого субстрата в модели
активного ила AS Ml коэффициент р ~ 0,33
(van Haandel st al., 1981), а в модели ASM2 - 0,66
(Clayton et al, 1991). Причина этого феномена на
сегодняшний день не установлена
Использование р предполагает, что прирост
биомассы на нитрате и на кислороде одинаков Од-
нако прирост при аноксидных условиях обычно ни-
же. чемпри аэробных (Muller el al, 2003) Это озна-
чает, что для одной и той же скорости конвертации
ХПК потребление акцептор а электронов будет выше
при аноксидных условиях (для образования одного
и того же количества биомассы потребуется сжечь
большее количество ХПК). Таким образом, это
означает, что теоретически коэффициент восстанов-
ления может быть выше единицы, если скорость
конвертации ХПК постоянна.
Список литературы
Alberts, В, Johnson, A., Lewis, J, Raff, М., Roberts, К and
Walter, Р. (2002/ Molecular Biology of the Cell 4th edition,
Garland Science 1616
Angell lake I., Alves, M., Bolzonella, D., Botzaccom, L,
Campos^ J.L., Guwy, A.J , Кalyushnyi, S., Jerncek, P, van
Lier, J.B (2009) E>efiningthe biomethane potential fBMPi of
MULUilldUC _гПДГ
of 346
U4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
solid organic wastes and energy crops. a proposed protocol for
batch assays Water Sri. Tech, 39(5): 927-34
American Public Health Association (APHA), American Water
Works Association (AWWA), and Water Environment
Federation (WEF) (2012). Standard Methods foi the
Examination of Water and Wastewater, 22nd edition, New
York. ISBN 9780875530130
Batstone, D.J., Keller, J., Angelidaki, I.., Kalytchny., S.,
Paviostathis, S.G , Rozzi, A, Sanders, W, Siegist, H ind
Vavilin, V. (2002) Anaerobic Digestion Model No. 1
(ADM1) IWAPublishing London.
Clayton, J A., Ekama, G.A, Wentzel, MC. and Marais G vR
(1991). Denitrification kinetics in biological nitre gen and
phosphorus removal systems treating municipal wastewaters.
Water Sci Tech., 23(4/6-2) 1025-1035
Coen, F, Petersen, В , V enroll*ghetti, P A., Vanderhaegen, В and
Henze, M. (1998). Model-based characterization of hydraulic,
kinetic and influent pt op a ties of an industrial V’WTT Wrier
Sci. Tech., 37(12): 317-326.
Copp, J B, Spanjers, H, V anrolleghem, P.A (Eds.) (2002)
Re spirometry in control of the activated sludge process:
Benchmarking control strategies. Scientific and Technical
Report 11 IWAPublishing London, UK
Eastman, J.A. and Ferguson, J.F (1981). Solubilization of
particulate oi game carbon during the acid phase of anaerobic
digestion Wrier Poll. ссип-ol Ped, 53: 352-366
Ekama, G.A, Deld, P.L. and Marais, G.v.R (1986) Procedures
for determining influent COD fractions and the maximum
specific growth rate of heterotrophs in activated sludge
systems. Wrier Set. Tech., 18 . 91-114.
Ekama. G.A., Wentzel, MC., Casey T.G and Marais, G.vR
(1996). Filamentous organism bulking in nutrient removal
activated sludge systems. Faper 3 . Stimulation of the selector
effect under anoxic conditions Water S4, 22(2): 119—126
Ersahin, ME., Ozgiun, H , Tao, Y and van Liar, J В (2014).
Applicability of dynamic membrane technology in anaerobic
membrane bioreactors. Wrier Res., 43 420-9
Gaps D , Pratt, S, Yuan, Z andKellet, J (,2003) Online titrime trie
and off-gas analysis for examining nitrification processes in
wastewater treatment Wrier Res , 37 2678—2690
Getnaey, К, Peletsen, В, Ottoy, IP and V antdle^iem, P.A. (1999)
Bicsensing activated sludge W?I, Maylune 1999,16-21
Henze, M. Grady Jr., CP.L, Gujer, W, Marais G.v.R. and
Matsuo, T (1987) Activated sludge model No 1. Scientific
and Technical Report No. 1, IAWPRC, London
Henze, M. (1992; Characterization of wastewater fot modelling of
activated sludge processes. Wrier Ski. Tech 25 (6): 1-15.
Henze, M., Harremoes, P, Jansen, J. arid Arvin E (1995).
Wastewatei Treatment Biologcal and Chemical Piocesses
BerEn, Spiinger-V erlag 383
Jeison D. and van Liet, J В (2007). Thermuphihc treatment of
acidified and partially acidified wastewater using an anaerobic
submerged MBR Factots affecting long-term operational
flux Water Res., 41:3868-3879.
Kappeler, J and Gujer, W (1992). Estimation of kinetic
parameters of heterotrophic biomass undei aerobic conditions
and chat actenzation of wastewatet for activated sludge
modelling Wrier Set Tech., 25(6) 125-139
К ong Z , V anrolle goe m, P.A. and V erstr аеЦ W. (1994) Aulom ated
respiration inhibition kinetics analysis (AF.IKA) with
a respirographic biosensor Wrier Set Tech, 30(4): 275-284.
Kong Z., V anrolleghem, PA, Willems, P. and V erstraete, W
(1996). Simultaneous determination of inhibition кinetics of
carbon oxidation and nitnficalion with a lespu ometet Wrier
Fb ,30 825-836.
Knstensen, GH, Jorgensen, P.E and Henze, M (1992)
Chaiactenzation of functional groups and substrate in
activated sludge and wastewater by AUR, NUR and OUR.
Water Sci. Tech., 25(6): 43-57.
Lasaridi, K.E and Stentiford, E.I. (1998). A simple tespiiometric
technique foi assessing compost stabiEty Wrier Res , 32(12)
3717-23
Lee, В J, Wentzel, M.C and Ekama, G A (2006). Measurement
and mo de Ling of ordinary heterotrophic organism active
biomass concentration in anuxic/aerobic activated sludge
mix e d liquot Wrier Sci Tech, 5 4(1): 1 -10.
Muller, A., Wentzel, M.C., Ekama, G.A. and Loewenthal, R E
(2003) Heteiobophic anoxic yield in anoxic aerobic activated
sludge syste ms tt eating municipal wast ewat ei. Wrier Res , 37:
2435-2441
Nelson, D.L and Cox, MM (2008) Lehningei Ptuiciples of
Biochemistry 5th edition, Palgrave Macmillan ISBN
9780716771081 1100.
McCarthy, E.L (1934) Manotte’sbottle Science, 80 100
Petersen, B., Gernaey, K, Henze, M. and V anrolleghem, P.A
(2002a). Evaluation of an AS Ml model cahbration procedure
on a municipal-industrial wastewater treatment plant
J. Hydrcanformatics, 4:15-38
Petersen, B, Gernaey, К and Vantolle^iem, FA (2002b).
Anoxic activated sludge monitoring with combined nitrate and
titnmetric measurements Water Sci. Tech, 45(4-5) 181-190.
Petersen, B, Gernaey, K, Henze, M and Vaniolle^iem, P.A
(2003) Calibration of activated sludge models A critical
review of experimental designs Biotechnology far the
Environment Wastewater Treatment and Modeling Waste
Gas Handling AgathosS.N andRetneke W. (Eds.), Kluwer
Academic Pub Ushers. Dordrecht, the N etherlands 101-186
Pratt, S., Yuan. Z, Gapes, D., Dongp, M , Zeng RJ and
Keller, J. (2003). Development of a Novel Titration and Off-
Gas Analysis (TOGA) Sensoi for Study of Biological
Piocesses in Wastewatei Treatment Systems. Biotechnology
arid Bi oengineen ng, 8 1 48 2 —49 5
Rezouga, F, Hamdi. M and Sperandio, M (2009) Variabihty of
kinetic parameteis due to biomass accEmation Case of pata-
mtrophenol biodegradation Bioresource Technology.
06.2009,100(21): 5021-5029
Rieger, L., Langeigtaber, G., Kaelin, D., Siegust H and
V anrolle g)iPrt| PA (2008) Longterm evaluation of
a spectral sensor for nitrite and nitrate. Wrier Ski Tech.,
57(10) 1563-1569
Sin, G and V агпоПефет, PA. (2004) A nitrate biosensor based
methodology for monitoring anoxic activated sludge activity.
Water Sri Tech, 50(11) 125-133
Sorensen, A.H and Ahting В К (1993) Measurements cf the
specific methanogenic activity of anaerobic biomass sfiphed
Microbiology Biotechnology, 40 :427-431.
Spanjets, H and Vanrolleфет. P.A. (1995a), Appkcation of
a hybrid tespirometiic technique to the chat actenzation of an
industnal wastewatet Proceedings 5Cth Purdue Industrial
Waste Conference: 611 -618
Still, DA, Ekama, GA, Wentzel, M.C., Casey, TG and
Marais, G vR, (1996). Filamentous organism bulking in
nutrient removal activated sludge systems Paper 2:
Stimulation of the selector effect under aerobic conditions
Wrier £4,22(2) 97-118.
Spanjers, H and V anrolleghem, P.A. (1995b) Respirometry as
a tool far rapid characterization of wastewater and activated
sludge Water Set. Tech., 31(2): 105-114.
Spanjers, H, Vanrolle$iem, PA., Olsson, G and Dold,P.L.
(1998) Respirometry in control of the activated sludge
process. Pnnciples Scientific riid Technical Report, 7,1AWQ,
London, UK
Surmacz-Gcrska, J., Gernaey, K.. Demuynck, С., Vanrolleghem,
P.A and Verstraete, W (1996). Nitrification monitoring tn
activated sludge by oxygen uptake rate (OUR) measurements
Water Res, 30:1228-1236.
Theodotou, M.K., Williams, B.A., Dhanoa, MS., Mcallan, A.B ,
Fiance, J (1094) A simple gas production method using a
pt-ssure transducer to determine the fermentation kinetics of
ruminant feeds Asm. Peed Set Techno!, 48 185 -197.
Urbain, V, Naidoo, V., GinesteL P and Buckley. C.A. (1998).
Characterization of wastewatei biodegradable organic
fraction accuracy of the mb ate utilisation rate test
Proceedings of the Water Environmerial Pc deration 71st
MULUi I IdLIC ^.пт.
of 346
PEC ПИРОМЕТРИЯ
1li
Anrual Conference and Exposition, October 3-7, Orlando,
Florida (USA): 247-255.
van Haandel, A.C., Ekama, G A and Maiais, G v.R (1981). The
activated sludge process F art 3 -Sitigle sludge denitrification.
Water Res., 15 1135-1152.
V antolleghem, F A., Kong Z., Rombouts, G and Verstraete, W
(1994) An on-line re qo no graphic biosensor for the
characterization of load and toxicity of wastewaters Journal
of Chemical Technology and Biotechnology, 59 321-333
V anrolleghem, P A., Spargers, H., Petersen, В , Ginestet, P and
Takacs, I. (1999) Estimating (combinations of) Activated
Sludge Model No 1 parameters and components by
respnometry Wafer Sci. Tech, 39(1): 195-214.
Volskay V and Giady, C (1990) Respiration inhibition kinetic
analysis. Wafer Res., 24 863-874
Weijers, S.R (2000). Modelling Identification and Control of
Activated Sludge Plants for Nitrogen Removal. PhD thesis
Eindhoven University of Technology
Wanner, О , Kappeler, J andGujet, W (1992) Calibration of an
activated sludge model based on human expertise and on
a mathematical optimization technique - A comparison Wafer
&i Tech, 25(6) 141-148
Wentzel, M.C., bflbewe, A. and Ekama, G. A. (1995) fc) atch test for
measurement of readily biodegradable COD and active
organism concentrations in municipal waste waters. Water 5И,
21:117-124
Zhang X, Нц J., Spargers, H and van Lier, J.B (2014).
Performance of inorganic coagulants in treatment of backwash
waters from a brackish aquaculture recirculation system and
digestibility of salty sludge Ариас Eng, 61:9-16
lurriauc z.uor v
of 346
1И
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
of 346
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
Авторы
Kartik Chandran
Eveline I.P. Volcke
Mark C.M. van Loosdrecht
Редакторы
Peter A. Vanrolleghern
Sylvie Gillot
Редактор русскоязычного текста
Мутовкина Ирина Борисовна
4.1.	ВВЕДЕНИЕ
Технология очистки воды от продуктов жизнедея-
тельности человека направлена на улучшение каче-
ства показателей воды Этот процесс сопровождает-
ся выбросом в атмосферу парниковых газов - окси-
да азота (N2O) и метана (СН4), количество и состав
которых зависят от используемой установки и усло-
вий эксплуатации (Kampschreur, 2009). Для кон-
троля за объемом выбросов в атмосферу парнико-
вых газов, образовавшихся в результате очистки
сточных вод и биологического удаления питатель-
ных веществ (БУПВ), необходи мо делать измерения
потоков парниковых газов на всех этапах процесса
очистки стоков, особо обращая внимание на очист-
ные сооружения основанные на анаэробных про-
цессах. Выход в атмосферу метана и особенно окси-
дов азота вызывает беспокойство, т. к. воздействие
Н2О при постоянном массовом выбросе в 300 раз
превышает воздействие углекислого газа (СО2)
ив 34 раза- воздействие метана СН4 (IPCC, 2013).
На протяжении последних десятилетий в мире
проводились исследования качественного и количе-
ственного состава выбросов парниковых газов на
действующих канализационных очистных сооруже-
ниях (КОС). Одновременно с этим разрабатывалась
методика сбора контрольных данных В этой главе
описаны методы, используемые учеными разных
стран в подобных исследованиях. Подробно рас-
смотрен один из методов, разработанный северо-
американскими учеными, который впоследствии
был дополнен Агентством по охране окружающей
среды США (US ЕРА) Экспериментально подтвер-
дилось, что этот метод позволит осуществлять мо-
ниторинг и количественную оценку выбросов пар-
никовых газов на КОС Поскольку выбросы газов
напрямую зависят от процесса эксплуатации КОС,
их отслеживание и измерение может привести
не только к повышению качества с чистки стоков, но
и к снижению объема газовых выбросов. В настоя-
щей главе подробно рассматригаются выбросы, воз-
никающие в результате очистки сточных вод с по-
мощью активного ила и подобных ему процессов
Метод измерения выбросов метана является обще-
признанным и стандартным, обзор всех методов
измерения оксида азота приводится в работах
Rap son el al. (2014).
Измерение на вьсгоде углекислого газа и кисло-
рода является важным показателем для оценки про-
изводительности КОС. Для отслеживания биологи-
ческих процессов содержание СО2 и О2 в отходящем
газе можно измерить способами, аналогичными для
ПГи описанными ниже
Отлично зарекомендовал себя способ совмещения
измерений отходящих газов и титр и метрический ана-
лиз (Pratt et al., 2003, Gapes et al, 2003). Показателе
уменьшения количества кислорода в отходящих газах
является мерой оценки скор ости дыхания, его можно
рассматривать как ре спиро метрический метод, анало-
гичный списанному в гл 3 Образование углекислого
газа также связано с процессами аэробного и анок-
© Карлик Чащран, Эвелина И.П Волке,МаркК.М ван Лисдреяг, 21)20
©Томским государствен) ьм аржтекцрно -строительгыи унмверсмтет (перевид, и форм ление), 2020
of 346
1:1
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
сид него дыхания микроорганизмов Однако згог
процесс интерпретировать сложнее, т к. даже изме-
нение (обычно снижение) щелочи >сти имеет значи-
тельное влияние на содержание углекислого газа
в отходящий газах (Hellinga et al., 1996). Измерения
процессов образования кислорода и углекислого газа
необходимы для более эффективного мониторинга
и обработки данных (см гл 5), т. к. они позволяют
получать более точную опенку массовых балансов
в процессе очистки сточных вод (Takacs et al, 2007,
Purge/2008).
4.2.	ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ
Основным критерием для измерения показателей
отходящих газов эт КОС является отбор и аналити-
ка проб. Учитывая биологическую природу проис-
хождения NjO и связь с такими процессами, как
нитрификация и денитрификация ожидается про-
странственная и временная изменчивость потоков
выбросов этих газов Кроме того, существует взаи-
мосвязь с такими компонентами сточных вод, как
аммиак, нитрит или нитрат которая прослеживается
во всех измерениях, проведенных на сегодняшний
день Поскольку выбросы ПГ от существующих
КОС, особенно Н2О, становятся все более динамич-
ными, необходимо принять решение о программе
измерений в каждом конкретном случае (Daelman et
al., 2013) Стратегии отбора проб, применяемые
в ходе контрольных замеров, должны реально отра-
жать такую изменчивость Некоторые факторы, вли-
яющие на процесс измерения, описаны ниже.
4.2.1.	Производительность
очистных сооружении
Одним из наиболее важных результатов предыду-
щих исследований стало предположение, чао вы-
бросы Ы2О с КОС связаны с общим и местным
накоплением таких соединений азота как аммоний
(NH4’ или нитрит (NOa). В первую очередь необ-
ходима характеристика выбросов с КОС, ь которых
процессы нитрификации и денитрификации не вы-
ражены четко Такая хар акт ери стика важна, учиты-
вая что устройство большого количества очистных
сооружений не предусматривает биологического
удаления загрязнений При определенных условиях
(например, высокие температуры в летний период
когда КОС с высокой загрузкой не имеют достаточ-
но эффективной нитрификации) такие очистные
сооружения могут выделять больше N2O, чем со-
оружения с хорошо спланированной системой био-
логического удаления биогенных веществ В отли-
чие от N2O, выбросы СН4 скорее вызваны отсут-
ствием контроля за процессами, происходящими
в активном иле К примеру, слабый контроль аэра-
ции или концентрации растворенного кислорода
(РК) в процессе очистки активным илом может при-
вести к возникновению анаэробных зон и сопут-
ствующему образованию СН4 Кроме того, СН4, ко-
торый образуется в системах бытовой канализации
и попадает на КОС с входящими стоками, скорее
всего, будет удален в резервуаре с активным илом
несмотря на возможность его аэробного окисления
Процесс выделения СН4 в резервуаре с активным
илом можно свести к минимуму, а также биологиче-
скую конверсию газообразных выбросов можно
ускорить при помощи технической реконструкции
КОС и контроля процесса (Daelman et al, 2014).
4.2.2.	Сезонные колебания выбросов
Зависимость между температурой и выбросами N2O
и,пи СН4 не является однозначной, ее необходимо
рассматривать во взаимосвязи с устройством очист-
ных сооружений. Для КОС с высоким временем
пребывания ила, предусматривающих круглогодич-
ное полное удаление NH3, объем выбросов в летнее
время будет возрастать ввиду усиленной общей
микр ?бной активности при повышенных температу-
рах Особенностью таких КОС является то, что при
низких температурах отходящие газы могут сме-
щаться вниз по течению в установках с режимом
поршневого потока. При таких температурах ниже
по течению воды в КОС процесс нитрификации
происходит медленнее Таким образом, очистные
сооружения при низких температурах не способны
обеспечить полную нитрификацию и, соответствен
но, являются источником неограниченных концен-
траций ПНз и неконтролируемых объемов отходя-
щих газов. И наоборот, выбросы могут снизиться
поскольку такие очистные сооружения могут дости-
гать при повышенных температурах более полной
нитрификации. Сезонно нитрифицирующие очист-
ные сооружения также могут иметь более высокий
уровень выбросов На таких очистных сооружениях
нитрифицирующие бактерии могут вымываться при
низких температурах и, соответственно, уровень
выбросов будет очень незначительным
Также очевидно, что нитрификация поддержива-
ется при более высоких температурах, но зачастую
ее бывает недостаточно для достижения нужной
концентрации NH3 в очищенных стоках, поэтому в
течение летнего периода количество отходящих
газов может быть выше При планировании страте-
гии для мониторинга отходящих газов могут помочь
измерения нитрита, благодаря общей связи между
его наличием в жидкой фазе и образованием М2О
Выделения СН4 из аэротенков в основном являются
результатом процессов, протекающих в канализаци-
онных трубах или на станциях обработки осадка,
поэтому связь между температурой и измеренными
значениями выделения газов гораздо менее очевид-
на, чем в случае с выбросами М2О
of 346
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
1П
4.23. Цель отбора проб
В научной литературе накоплен большой материал
по методологии отбора проб для количественного
определения выхода NaO Среди них 24-часовой
и недельный отбор проб, долгосрочный еженедель
ный отбор проб, а также одиночный забор Большие
колебания в значениях выхода NjO, которые встре-
чаются в литературе, можно частично объяснить
применением различных методов отборапроб, тогда
как оглиния е фактических показателях выхода свя-
заны с эффективностью КОС и отражают суточные
и сезонные колебания.
Выбор оптимальной стратегии отбора проб зави-
сит от целей исследования Ученые Daelman ei al
(2013) применили несколько технологий отбора
проб NjO, описанных в научной литературе,
к большому объему данных, полученных в процессе
долгосрочного интенсивного мониторинга Резуль-
таты показали, что для получения надежных сред-
них значений выхода NjO необходимо долгосрочное
наблюдение с помощью, интенсивных и 'диночных
проб в полномдиапазоне температур, поскольку при
краткосрочном исследовании неизбежно будут
упущены колебания которые появляются при дли-
тельном контроле. Также значительно дополняют
и уточняют результаты мониторинга долгосрочные
наблюдения при одиночных заборах образцов, ото-
бранных в ночное время или во время выходных.
Отбор проб с высокой частотой (интенсивный)
непременно позволит обнаружить связи между вы-
ходом газов и переменным! условиями процесса,
которые стимулируют выход, и таким образом по-
нять механизмы образования N;O
Методика вычисления количества проб при оди-
ночных заборах или периода для выполнения интен-
сивного отбора проб, необходимых для получения
достаточно точных оценок значении выхода, была
представлена учеными Daelman si al., (2013) и впо-
следствии стала руководством для выполнения от-
бора проб, обеспечивающим соотношение затрат
и точности результатов
4.3.	ОЦЕНКА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
И СБОР ДАННЫХ
4.3.1.	Подготовка к отбору проб
Программа (или сессия) отбора проб в первую оче-
редь направлена на (1) сбор стандартных эксплуата-
ционных данных об общей эффективности КОС,
(н) получение информации, позволяющей подтвер-
дить производительность и эффективность конкрет-
ного действия или процесса очистки, (ш) сбор дан-
ных, позволяющих реализовать новые программы,
разработанные для канализационных систем или
КОС, и (iv) получение данных, подтверждающих
соответствие нормативным требованиям Обычно
эти данные ьключают в себя.
а Состав поступающих стоков и их характеристик
b Измерение массовых балансов
с. Измерение характеристик аьтивного ила
d. Характеристики очищенных стоков
е. Иные н е о бхо ди мые д анны е
Хорошо проработанный план отбора проб дол-
жен не только определять тип данных выбросов
(например-, химическое потребление кислорода
(ХПК), общий азот по Кьельдалю (OAK), общий
фосфор (ОФ)), а также местоположение точек отбо-
ра показателей проб (например, на входе в КОС, на
выходе или в аэротенке), но и при проведении ана-
литических измерений дополнительно указывать
частоту и метод отбора проб, соблюдение требова-
ний по транспортировке, хранению и лабораторной
обработке образцов. Целью составления плана сес-
сии по отбору проб является донесение этой инфор-
мации до сотрудников, которые будут отбирать
пробы (операторов или технического персонала
КОС), а также работников лаборатории по анализу
образцов Для систематизации всей информации
желательно создать единую таблицу с данными
Кроме того, необходимо разработать технологиче-
скую- схему, четко обозначай-щук- все запланиро-
ванные места отборапроб.
При разработке плана отбора проб необходимо
задать следующие вопросы:
1	ЗАЧЕМ - какова цель отбора проб?
2.	ЧТО - какие параметры необходимо измерить
в образцах?
3.	ГДЕ - где находятся точки отбора проб?
4.	КОГДА-когда выполнен отбор проб?
5.	КАК ЧАСТО - какова частота отбора для иссле-
дования каждого параметра в образце?
б КАКИМ ОБРАЗОМ - как будет проходить отбор
проб?
7. КЕМ - кто будет выполнять отбор проб и анали-
зировать образцы?
8. ОБОРУДОВАНИЕ - какое оборудование будет
использовано для сбора, хранения и анализа об-
разцов?
Ниже приведены критерии качества данных:
1	Сбор достоверных образцов для исследования
2.	Определение основных направлений программы
отбор а про б
3.	Правильная обработка и консервация образцов
4.	Надлежащее обеспечение доставки и маркирив
ки образцов
5	Контроль сохранности качества
б. Правильный лабораторный анализ
Для достижения и елей исследования образен
должен быть показательным, содержательным
обоснованными целесообразным Важно отметить,
что правильное понимание процедуры отбораимеет
of 346
110
решающее значение для разработки и успеха про-
граммы отбора проб Это понимание нужно сфор-
мировать не только у создателя программы по отбо-
ру проб, ни и у всех участников данного проекта.
В связи с этим перед проведением процедур' реко-
мендуется организовать общую встречу для разъяс-
нения плана выполнения измерений всем вовлечен-
ным сотрудникам В ходе такой встречи необходимо
четко определить цель проекта, то, как будут ис-
пользоваться конкретные измерения и донести
важность получения точных данных. Возможно,
потребуется привести небольшой практический тре-
нинг по методике Сод и ночного) отбора проб.
Чтобы убедиться что планирование измерений
понято и выполняется надлежащим образом, план
измерений следует максимально адаптировать под
стандартную программ^’ технологических операций
очистных сооружений и возможности сотрудников
лаборатории По возможности рекомендуется делать
ссылки на стандартные процедуры К примеру, ло-
кации для измерений на технологической схеме сле-
дует отмечать таким же образом, как это делают
операторы КОС. Зачастую для корректной и эффек-
тивной передачи информации разработчики про-
граммы отбора проб предпочитают использовать
определенные методы обозначения потоков (напри-
мер, в массовых балансах на техн с лога ческой схеме
используется логическая нумерация потоков от Qi
до Q^, также необходимо отмечать актуальные
н авв алия пр оцессов и потоков в схема:: и таблицах
Кроме того, для выполнения аналитических из-
мерений разработчики могут использовать другие
названия не всегда совпадающие с названиями
и практическими методами, применяемыми в лабо-
ратории Поэтому программу измерений необходи-
мо согласовывать с сотрудниками лаборатории
и проверять на предмет соответствия применяемой
программе техн о ло гаче стих операций (аналитиче-
ские методы и о бор удов ан не).
Для выполнения измерений образцы желательно
отбирать при сухих погодных условиях, если не
указано иное На практике не всегда понятно, со-
блюдены ли данные условия. Обычнс рекомендует-
ся планировать день отбора проб спустя три дня
после отсутствия обильных дождей Это означает,
что запланировать отбор проб на конкретную дату
практически невозможно. Однако можно зарезерви-
ровать период в несколько дней, в один из которых
будет произведен отбор проб, в зависимости от по-
годных условий
Некоторые пробы можно отбирать автоматически
при помощи приборов для 24-часовых постоянных
(или условно постоянных) измерений средних про-
порциональных проб Такие автоматические устрой-
ства отбирают пробы в течение 24-часового периода,
в данном случае отбор проб нужно начинать за 24 ч,
чтобы обеспечить наличие проб к назначенному дню
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Стоит отметить, что операторов необходимо уведо-
мить за сутки, чтобы успеть произвести отбор проб
вовремя Остальные пробы о то бранные в назначен-
ный день, в основном будут единичными (их также
называют точечными, разовыми, частными). По-
скольку программа отбора проб отслеживает множе-
ство контрольных точек пс нескольким параметрам
то количество контейнеров для сбора значительно
возрастает, например, количество проб в относитель
нс небольшой программе измерений может легко
превышать 100. Кроме того, следует учесть, что объ-
ем проб, отобранных в каждом месте, должен быть
достаточным для выполнения множества аналитиче-
ских измерений, которые при необходимости дубли-
руют по нескольку раз, а также для промывки филь
тров и емкостей и возможных разливов образцов
Лаборатория должна быть подготовлена для обработ-
ки такого большого количества образцов в течение
одного или нескольких дней. Некоторые пробы мож-
но сохранять для выполнения измерений в другое
время При этом для определенных измерений требу-
ется специальная обработка образцов перед хранени-
ем (например, фильтрование).
Важно отметить, что некоторые образцы нельзя
хранить (например те, что получены в результате
биологических превращений в реакционных сосу-
дах). Планировать такие работы необходимо сов-
местно с сотрудниками лаборатории, чтобы избе-
жать возможных перегрузок и не допустить неточ-
ностей в результата: измерений.
4.3.2. Идентификация образцов
и протокол результатов
Как было упомянуто выше, программа измерений
может содержать большое количество проб для ана-
литики, которые необходимо обработать в течение
одного дня Очевидно, для этого требуется хорошее
управление процессом и идентификация образцов
Необходимо вести список отобранных проб. Следу-
ет сделать небольшой обзор проб и указать, подроб-
ную информацию о них. Кроме того, ин ди виду аль
ные контейнеры с пробами должны иметь со ответ-
ствую щи е з гикетки
На этикетке должны быть зафиксированы сле-
дующие данные
а Локация отбора пробы.
h Номер контейнера при наличии более одного
ко нтейн ер а/пр о бы.
с. Имя сотрудника, выполняющего отбор пр об
d. Название/местонахождение КОС.
е. Дата и время отбора проб
f Идентификация в качестве разовой или средней
пр опорци опальней
g Исследуемые параметры - список анализов для
выполнения.
h Примененные стабилизаторы.
of 346
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
111
Для обеспечения качественного выполнения про
граммы отбора проб требуется соответствующее
управление Для составления форм о сохранении
и передаче образцов, которые дополнят программу по
отбору проб, можно использовать следующий чек-
лист Однако зачастую такие формы уже разработаны
и применяются при выполнении стандартной про-
граммы отбора проб. Прежде чем составлять новые
формы, полезно выяснить^ существуют ли такие фор-
мы для фиксации данных о сохранении и передаче
образцов, а также формы для программы измерений,
а. Номер проекта, присвойте номер серии отбора
проб, чтобы маркировать пробирки и отслежи-
вать образцы
h Пробоотборник сотрудник должен напечатать
или напис ать свое имя.
с. Название проекта название проекта и при необ-
ходимости адрес проекта
d Контактное липо по проекту имя сотрудника,
ответственного запроведение проекта
е. Контактный телефон по проекту, номер, по ко-
торому можно связаться с контактным лицом
£ Дата отбора проб укажите даты забора разовой
или средней пропоргтиональной проб.
g Время отбора образца для каждого образца проб
укажите время отбора.
h Тип пробы: средняя пропорциональная (собран-
ная в течение 24-часового периода) или разовая
(ото бранн ая един о жды)
1 Местонахождение станнин место забора образ-
цов проб
j. Количество контейнеров, перечислите количе-
ство и типы контейнеров, используемых в каж-
дой серии отборапроб
к Применяемый анализ, укажите применяемый
метод аналитики со ссылкой на официальные
методы
1 Примечания укажите любые дополнительные
особые требования к пробам для лаборатории
m Разделенные пробы когда образец для анализа
оказывается разделенным в разных пропорциях
в результате транспортировки, получатель мо-
жет принять пробы или отказаться от них,
в любом случае в форме о сохранении и пере-
даче проб должна быть проставлена соответ-
ствующая отметка.
4.3.3. Факторы, ограничивающие
достоверность результатов
При оценке результатов программы по отбору проб
существует несколько факторов, которые могут
ограничивать их достоверность, среди них
а. П отер янны е в еличин ы.
Ь. Изменение частоты отбора проб в течение пери-
ода наблюдения
с Многократные наблюдения в ходе отборапроб.
d Неопределенность в процедурах сохранения
и измерения образцов
е Цензура сигн алев измерительного оборудования
f Малый о бьем про б
g Н епр ав ильн ая о бр аб отк а данн ьгх.
h. Неточности в оборудовании
Следует проверять процедуру по отбору проб
и результаты измерений на наличие данных факторов
4.3.4.	Практические рекомендации
для аналитических измерений
Ниже указаны некоторые типичные повторяющиеся
ошибки при проведении процедур отборапроб, ко-
торые были задокументированы в ходе тематиче-
ских исследований
•	Для проб концентрированного и разбавленного
ила используются р азньге методы измерения со-
держания взвешенных веществ, если концентра-
ция превышает определенный диапазон, то
фильтрация, высушивание и взвешивание ве-
ще ств будутневозможны В даннсм случаечасто
применяется метод сухой массы (испарение об-
разца). Это относится к растворимым солям, ко-
торые, особенно для ''бразцов шлама с более
низкой концентрацией, не дадут результатов не-
обходимой точности по общему количеству
взвешенных веществ В особенности на это сто-
ит обращать внимание при измерениях активно-
го ила, уплотненного ила и потоков грязной во-
ды Анализ сухой массы можно применять для
потоков более сгущенного ила (> 20 %).
•	При проведении измерений фильтрата пробы,
содержащей взвешенные вещества (ВВ), филь-
тровальная бумага не должна быть пр о мыта ина-
че, чем самим образцом, промывка деминерали
зованной водой приведет к разбавлению анали-
зируемого фильтрата
•	При обращении с образцами, содержащими ВВ,
в сучае взятия проб или при переливании пробы
в другой сосуд очень важно брать хорошо пере-
мешанные однородные пробы Стоит отметить,
что измерение содержания В В имеет важное
значение для исследования конструкции модели,
однако получить точную выборку очень трудно
Рекомендуется проинструктировать весь персо-
нал о тощ как брать надежные образцы для
определения В В
•	При составлении характеристики активного ила
все пробы следует отбирать из одного резервуа-
ра, т. к важно знать относительные концентра-
ции в образце общего содержания взвешенных
веществ (ВВ), летучих взвешенных веществ
(ЛВВ), химическую потребность в кислороде
(ХПК), общего азотапо Кьельдалю (ОАК) и об-
щего фосфора. Это не входит ь набор стандарт-
ных процедур, поэтому рекомендуется дать по-
дробные инструкции всем сотрудникам, в осо-
бенности тем, кто работает в лаборатории,
ответственней за анализ проб.
MUlUi I IdLIC ZUUT^
of 346
1»
•	Общеизвестней проблемой является разложение
взвешенных веществ при аналитаческом изме-
рении общего фосфора (а также ХПК и ОАК)
При недостаточной продолжительности проце-
дуры р азло жения р езультаты из мер ения фосфора
будут занижены В частности, при наличии
в пробе химических осадков (например, в ре-
зультате дозирования солей железа), включая
фосфор, разложение может быть затруднено
•	Измерение содержания нитратов в образца::, со-
держащих активный ил (денитрифицирующие ге-
теротрофные бактерии), следует проводить быст-
ро, прежде чем пр о из ой дет денитрификация.
•	Измерения летучих жирных кислот (ЛЖК) в про-
бах, содержащих активный ил (денитрифициру-
ющие гетеротрофные бактерии), практически не-
возможны по той же причине ЛЖК почти сразу
окисляются живыми организмами Эти типы об-
разцов очень ненадежны, их не следует исполь-
зовать Измерение содержания ЛЖК в потоке
возможно, однако образец следует немедленно
фильтровать после отбора проб и хранить в под-
готовленных условиях.
4.3.5.	Общая методика отбора проб
В целом уже существует стандартный подход, раз-
работанный для проектирования систем мониторин-
га качества воды; методика для составления про-
граммы отбора проб на очистных сооружениях ми-
жет быть основана на этом подходе и включает
в себя 6 четких этапов
Шаг1. Оценю сущестеующей информации
• Сбор и обработка сточных вод
-	бытовые сточные воды,
-	промышленные сточные воды;
-	комбинированные сточные воды и насосные
станции;
-	очистные сооружения
• Лабораторные и опыта о-промышленные иссле-
дования
-	очи стны есооружения,
-	коллекторные сети сточных вод
Шаг 2. Оценю о мщае мои информации
•	Цели и задачи обеспечения качества воды
•	Проблемы обеспечения качества воды
•	Ц ели и стр агегия упр авления
•	Роль мониторинга в управлении
•	Цели мониторинг а (в виде статистических гипотез).
Шаг 1. Огределеше критериев с та то стане сю го
фоекшртважя
•	Статистическая характеристика исследуемого
населения
-	изменения качественного состава,
-	сезонные воздействия,
-	ко р р еляция (н ез ави си мо с ть),
-	при мен яе мы е в ер з ятные р аспр е де л ения;
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
-	выбор из множества статистических тестов
наиболее подходящего
Шаг4. Проектирование сета мониторинга
•	Где производить отбор проб (на основе монито-
ринга в управлении водоотведением)?
•	Что измерять (исходя из целей и проблем каче-
ства воды)?
•	Когда производить отбор проб (исходя из кон-
кретных обстоятельс тв)?
•	С какой частотой отбирать пробы (на основе
требований статист ическихтестов)?
Шаг 5. Разработка операционных пла нов и фоцедур
•	Выбсрочные маршруты и точк1 т
•	Процедура отбор а пр о б и анализа на местах.
•	Сохранение и транспортировка образцов
•	Процедуры лабораторного анализа.
•	Процедура контроля качества
•	Аппаратное обеспечение для управления данны-
ми и поиска информации, а также системы
управления базами данных.
•	Программное обеспечение для анализа данных.
Шаг I. Разработка гроцедуротчетности
•	Тип формата отчетов.
•	Пери одично с ть пу блик ации о тчетов
•	Распространение отчетов (информации).
•	Оценка соответствия отчета первоначальным
информационным ожиданиям.
Исходя из вышеизложенного, общая программа
отбора проб сточных вод и осадка может выпол-
няться в соответствии со следующими шагами
•	Опр еделение цели отбор а пр об
•	Определение типа, объемах требуемой точности
проводимых анализов.
•	Определение характера образцов для отбора.
•	Выбор населенных пунктов и источников для
отбора проб, а также точек отбора проб в этих
населенных пунктах.
•	Определениегидр авлич еских и др утих пар аметр ов,
относящихся к предмету программы отборапроб
•	Рассмотрение вопросов охраны труда и гигиены
персонала, собирающего образцы.
•	Подготовка оптимальной программы отбора
проб
•	Выбор пробоотборного и измерительного обору-
дования, подходящего к источникам отбора
проб, и определение его состояния
•	Выбор наиболее подходящего метода отборапроб
в соответствии с фиксированной программой
и выбранным оборудованием для данного источ-
ника/участка, включая подготовку, вспомога-
тельные измерения и наблюдения При осу-
ществлении программы отбора проб используе-
мые методы должны соответствовать ряду общих
требований, таких как надежность, экономич-
ность, повторяемость и сохранение
•	Выбор соответствующих процедур, обработка
образцов, оборудование и инструменты, транс-
of 346
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
111
портировка с объекта в лабораторию, хранение
после доставки
•	Рассмотрение наиболее приемлемы:: методов про-
ведения исследований, знали? на месте и в лабора-
тории, самая быстрая возможность интерпретации
анализов, включая проверку надежности, и воз-
можное повторение результатов анализа, отбор
проб и другие факторы, которые могут повлиять
на точность или репрезентативность анализов.
•	Использование, когда это возможно, обратной
связи для корректировки программы и для вы-
полнения оптимального отбор а про б.
•	Создание условий, необходимых для непосред-
ственного использования полученных результатов
и их хранения в качестве первичнък источников
информации в будущем как для краткосрочного,
так и для долго ср очного использования.
•	Выбор подходящей системы управления для
обработки данных (т. е обработка, передача
и манипулирование).
•	Выбор мето да документирования, который будет
использоваться на протяжении всей программы.
С точки зрения логистики, выполнение измере-
ний в проектном исследовании является сложной
и в то же время стратегически важной задачей
Поэтому рекомендуется тщательно подготовиться
и учесть все возможные аспекты измерительной
кампании Также следует первые раунды измере-
ний проводить в сопровождении всех сотрудников,
участвующих в кампании, чтобы убедиться, что
инструкции плана измерений являются коррект-
ными и правильно понятыми всем персоналом.
Точность аналитических результатов пробы напря-
мую зависит от качества взятых проб. При несо-
вершенной методике отбора проб, независимо от
точности лабораторных процедур, результаты бу-
дут неудовлетворительными. Осуществляя выборку
проб в соответствии с установленными процедура-
ми, можно снизить вере ягнссть ошибки и повысить
точность результатов выборки Следует иметь
в виду, что для многих образцов измерительная
кампания яьляется одноразовой возможностью;
повторное использование образцов на другой ста-
дии зачастую не даст удовлетворительных резуль-
татов, поскольку установка активного ила пред-
ставляет собой динамическую систему, которая
непрерывно меняется с течением времени С учетом
вышеизложенного образцы для исследования соби-
раются одновременно таким образом, чтобы отно-
сительные данные их анализа можно было исполь-
зовать для оценки КОС В связи с этим отдельные
образцы выборки часто будут не показательными,
а э то о зн ачает, что (о тсу тствующи е и н ев ер ные)
измерения часто невозможно провести повторно
В закльэчение следует отметить, чго сбор данных
путем отбора проб на КОС является важнейшим
видом деятельности, требующим систематического
и профессионального подхода, поэтому разработка
программы отбора проб часто является задачей для
опытного специалиста
4.3.6.	Отбор проб в рамках измерений
отходящих газов
Тесная связь между выбросами N3O и условиями
эксплуатации обуславливает важность разработки
процедуры предварительного анализа Командам
работающим нэд отбором проб на производстве,
необходимо собрать данные о технологических
процессах и эксплуатации КОС у операторов уста-
новок (и инженеров-технологов) до начала кампа-
нии отбора проб
Обычно собирают следующую техническую ин-
формацию о КОС:
•	общее описание КОС, включающее общую ин-
формацию о компоновке оборудования, техноло-
гические схемы процессов в жидких и твердых
фазах, расчетные критерии, основное технологи
ческое оборудование, указанное в проектной до-
кументации КОС и/или руководствах по эксплу-
атации и техническому обслуживанию,
•	процессы и технологические схемы, которые
включают информацию о конфигурации анаэ-
робньп^азробных/аноксидных зон, объемах зон,
эксплуатационных рабочих зонах, рабочих ре
зервуарах, потоках и распределении аэрапии, по-
токах рециркуляции и скоростях потока (если
применимо),
•	эксплуатационные данные очистных сооружений,
которые в идеале содержат показания за 3 месяца
по соответствующим процессам очистки, позво-
ляющим охарактеризовать приток и сток, а также
целевые и фактические рабочие зоны для ключе-
вых эксплуатационных параметров (например,
растворенный кислород (РК), время пребывания
ила. Эксплуатационные данные необходимы для
подтверждения того, ’гто установка находилась
в рабочем состоянии до и во время проведения
исследований (отбора проб)
Собранные данные и информацию можно ис-
пользовать для выло лнения анализов с применением
стандарты:: методов, таких как построение массо-
вых балансов твердых веществ и азота, а также
с по мощью моделирования технологических про-
цессов. Подробную информацию об оценке на осно-
ве миделей можно найти в других источниках
(Melcer, 1999, Puig et al., 2008, Rieger г/ al, 2012).
Для сбора необходимых данных при подготовке
к детальной кампании измерения жидкости и возду-
ха на КОС необходимо определить расход притока,
а также содержание органического вещества и азота
в притоке. Для первоначального отбора проб необ-
ходимо зафиксировать следующие параметры про-
цесса активного ила
•	скорость потока на входе (как минимум один раз
в час);
•	содержание аммония на входе ина выходе КОС
(до 8 раз в день или непрерывно);
of 346
114
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
•	содержание нитрита и нитрата на входе и на вы-
ходе КОС (до о раз в день или непрерывно),
•	ХПК на входе и на выходе КОС (начиная
с одного раза е час, далее возможно снижение
частоты в зависимости от наблюдаемой из-
менчивости)
Кроме того, во время отборапроб газовой фазы
1^0 следует вести журнал суточных показателей
и параметров внутри резервуара По мере возмож-
ности вся аналитика жидкой фазы должна прово-
диться с использованием утвержденных методов
и процедур (например, АРНАе/аТ, 2012). Учитывая
важное влияние нитрита на выход N^O, рекоменду-
ется уделить этим измерениям особое внимание
входе выполнения программы по отбору проб По
возможности группа по отбору проб должна рабо-
тать совместно с персоналом лаборатории КОС,
чтобы использовать результаты измерений анализа-
торов, работающих на КОС, и избежать дублирова-
ния усилий по сбору данных В дополнение к дан
ным, представленным в табл 4 1, следует собрать
суточные показатели работы КОС и параметры
в резервуарах (табл. 4.2).
Таблица 4.1. Обзор требований к ^нным для первичной оценки КОС
Местонахожде- ние пробы	Параметр и частота отбора проб (количество проб в неделю) ВВ ЛВВ УБПК^1 УБПК^ ХИК^ ХПК^ ХПКфц^, Темп. OAK1 ОАК^ NHs-N NOj-N NOrN
Осветленные сточные воды	111	1	111	11111
Сточные воды из вторив ого отстойника	111	1	1	1’	1’	11111
Аэротенк	1	1	1
ВВ в потоке В АН	1
BE в потоке МАИ	1’
Осветлитель	Измерение слоя осаждения органическихВВ (используется прибор для определения уровня осаждения ПГ 1 раз в сутки и определяется среднее значение! раз в неделю)
Разделение потока и скорость потока	Возможны различные измерения Приблизительное - установка «воротка канализацию чый поток позволяет обеспечить режим естественного движения стока (при отсутствии ин- формации о растоде потоков). Подгвер дите разделение потоков, выполнив и ассовый баланс и измерен ие концентрации ВВ в ил овей см еси. В качестве альтернативы можно выполнять измерения в активном иле при каждом проходе Используйте датчик оптической плотности, ото бы получать данные по ВВпри каждом протоде каждые 2-3 ч и вывести среднее значение движения
Перемешивание ваноксидной зоне	Метопическое перемешивание потока или при помочцч аэратора
Приток канализа- ционных сточных вод	ведение с уточных замеров расхода канализационных сточных воде соответствующчм и временными интервалами (минимум 15 мин в периоды резкого суточного роста, 1 ч -в стабильные периоды)
Расход ВАМ	Определение среднего за неделю расхода возвратного активного ила. измерения расхода в определенныхточках, метод измерения расхода и дина м иса его изменения
Расход ПАИ	Определение среднего за неделю расхода избыточного активе сто и ла, измерения расхода в определенныхтемках, метод измерен ияра схода, коли- чество сбросив избыточного акт ивнего ила (если эти не происходит непрерывно)
Растворенный кислород	Определение содержания РК -1 раз в сут (также определяется среднее значение 1 раз в неделю) с р аспределениемточек замеров РКпо всей длине аэротенка и указанием времени измерения
Стсороить. аэрации	Определение среднесуточного значения с указанием места измерении воздушного потока и его изменения в течение дня Предпочтительными явля- ются результаты, полученные с помочц>ю системы диспетчерского контроля и сбора данных (SCAD А) за короткие промежутки времени
Дозировка хими- ческих реагентов	Ежедневное ведение журнала дозирования с указанием эквивалента хлорида железа (и других реактивов). сосгжа реагента.точек дозирования и дозы для гтждпи точки
Перед выполнением измерений группы юбшре конс^нтрации» гомогенизируйте субпробу Удалите оставшуюся пробу - не используйте ее для определения результатов
для групп фильтрат» или растворенные вещэтва».
•Растворенные МТ К можно использовать вместо фильтрованного и флокулированного ХПК сточных вод из вторичного отстойника.
!Е( ли ВАМ и Ияй находятся в иди ом и том же потоке, то достаточно выполнил, измерения органически* В Б в о дн ом и з ли * потоков
БАИ - возвратный активный ил; ПАИ -избыточный активный ил
"ТПТЛТМТГ .00
of 346
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
15i
Таблица 11 Дополнительные данные, которые потребуются в ходе измерений отходя^ газов
tteCTOHaXECK- дение пробы	Параметр (количество проб в день) BE ЛВВ УБПК^1 УБПК!яя» ХПКлц’ хПКдаге ХЛК^ф™ OAK' UAKp»,, pH Щелочность NHj-N NOs-N		NOj-N
Осветленные сточные воды	8	2	8	8	8	8	8	8	8	8	8	8	8	8
Сточные воды из вторичного отстойника	8	8	8	8	8=	8’	8	8	8	8	8	8	3
ВВ в потоке ВАМ	8		
ВВ в потоке ИМИ	8’		
Пото к канализационных сточных вод		Ведение суточных замеров расхода канал изационныхсточгых вод с юответствиацими врем еннь ми интервалами (минимум 15 мин - в периоды резкого суточного роста, 1 ч - в стабильные перии дь(|	
Расход ВАИ		Определение среднего за неделю расхода возвратного активного ила, измерения расчз да е определенныхточках место д измерения расхода и динамика его изменения	
Расход ПАИ		Определение среднего за неделю расхода изб ыгочюго апивног о ила, изменения рас года в определенныхточкач метод измерения расхо- да . кол ичество сбросов избыточного активного ила (если ото не происходит непрерывно]	
Растворенный кисло под		Оппе дел ен ие со дегвдни я РК -1 раз в суг с ра сл р е де л ен ием точек замеров РК по всей длине аэротенка и указ аги ем време ж измер егм я	
Скорость аэрации		Определение среднесуточного значения с 'указанием мест а изм ерении воз дупього потока и его из менения в течен ие дня Пре дпочтитоль - HbJMH являются результаты, полученные с помошрю системы диспетчерского контроля и сбора данные за кор'лкие примажутся времени	
Параметры в аэротенках	BE	ЛВВ pH	РК	ОВП	Темп	ХП^. Щелоч NHj N NQj-M НОСТЪ	hJOa-N
	8/гут	2£уг 8Луг	8Луг	8Л?ут	нЛут	8/суг	S.tyr	8/сут	8£ут	8.Суг
Перед выполнением измерении группы «Обiifie концентрации»гомогенизируйте субпробу Удалите оставшуюся пробу - не используйте ее для определения результатов
для групп фильтрат» или растворенные вещрсгвз»
’Растворенные ХПК можно использоелъ вместо фильтрованного и гргскулированного хЛКсточныявод из вторив ого отстойника
’Если ВмИ и ИДИ находятся в одним и том же потоке, то достаточно выполнить измерения органических ВВ в одном из лих потоков
ВАИ - возвратный активный ил, ИдИ -избыточный активный ил
Отбор стандартных проб сточньк вод для внесе-
ния параметров в табл. 4.2 должен по возможности
выполняться персоналом КОС, который обычно со-
бирает эксплуатационные и контрольные пробы Пе-
ред началом каждой сессии по отбору проб команде,
осуществляющей наблюдение, следует консультиро-
ваться с сотрудниками лаборатории, чтобы убедить-
ся, что во время мероприятия по мониторингу ПГ
пробы для измерения обычных параметров будут
собраны в соответствии с требованиями как проекта
исследования, так и рабочих процедур лаборатории
КОС Для каждой кампании по отбору проб рекомен-
дуется по возможности применять требования КОС
относительно обращения с пробами и их передачи
Чтобы убедиться в их необходимости, команде про-
екта следует изучить установленные на КОС правила
выполнения процедур обработки и доставки проб
примерно за 2 недели до начала полномасштабных
испытаний. В то же время, если ко манд а проекта счи-
тает необходимым внести изменения, их можно опи-
сать и внести в протокол отбора проб для конкретно-
ги участка
4.3.7.	Протокол испытаний и измерений
В табл. 4 3 представлены примеры места отбора
проб, химических параметров, контейнера для проб,
стабилизатора и времени выдержки для проб сточ-
ных вод, которые отбирали в ходе измерений Эти
данные являются отправной точкой, их можно рас-
ширить по необходимости или скорректировать под
конкретные КОС, на которых производится отбор
проб. При выполнении полномасштабных испыта-
ний на объекте лаборатория очистных сооружений
будет следовать своим конкретным лабораторным
стандартным рабочим процедурам по каждому па-
раметру Перед выполнением измерений необходи-
мо убедиться, что данные процедуры согласуются
с Программой и планируемыми мероприятиями
of 346
111
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Таблица 4.1 Примеры параметров отбора проб, измеряемых в ходе контроля о тходещих га зов
Параметр	Класси цикация измерении			Место отбора пробы	Объем пробы1 (мл)	Сохранение образцов	Макс время вы- держки
	Тип	Часто- та	иборудоеание для отбора проб				
рн	С	н д	н д., т$ш (на месте)	Азрот ен:	н.д	н Д.	Нет. в режиме реального времени
ХПК' колориметрия	1,С	2/7 сут	Стеклянная пробирка V 35 мл	дзротенг Очньц. сточ воды	8	4 °C	1 сут
ГН-N' потенциометрия (ИСЭ)	1,С	2/7 суг	Стеклянная бутыль V 200 мл	Оччцсточ воды	80	4°С!	1 суг
NOj-N. спектрофотометрия	1,С	2/7 суг	Стеклянная бутыль V 200 мл	Оищсточ воды	40	4 °C1	2 суг
NOi "N. потенциометрия (ИСЭ)	1,С	2/7 сут	Стеклянная бутыль V 200 мл	Отец СТиЧ. Виды	40	НаЗСЧрН < 2	28 суг
NiO	С	1/7 суг	Установка для отбора проб газа	Чаджидкосгное про- странство е аэротенке	н.д	н.д	н Д
NOx	С	1/7 суг	Установка для отбора проб газа	Чаджидкосгное про- странство в аерстенке	Н Д	н.д	н Д
РК	С	н Д.	н.д., лий/(на месте)	Дороге»	н.д	Н д.	Нет, в режиме реального времени
П'аблитное значение объема пробы вдвое превышает объем, необходимый для стэндартыого двл того анализа, поэтому ли разделен на два контейнера Дополнительней
объем образца отбирается для определения мер контроля качества, таких как достоверность (знали проб г добавлением реактиеов или раствора) и точность (двойной
анал из), а также для учет а потенциал ья си утраты пробы пр и обработке ил и иссл е дрвании
С-непрерывное измерение;! -пери щическое измерение Частота измерений указывается толькс для непрерывных изменении
Хранение при 4 ° С. Важно биомасса удаляется из пробы с помощы<| ценгои фугирования в течение 10 мин при 3500 обЛлин. Удаление биомассы приводит к задержке
дальнейшего биохимического окисления NHr-N и NOj -N
4.4.	ИЗМЕРЕНИЕ ВЫБРОСОВ
Различные методы измерений отиедящих газов,
применяемые в исследованиях и на практике, обоб-
щены в табл 4 4 На очистных сооружениях с по-
крытием концентрации ПГ легко можно измерить
в вентиляционном воздухе Совмещение измерений
концентрации с измерениями воздушного потока,
например, с помощью трубки Пито (Klopfenstein,
1998), дает прямую оценку испускаемых потоков
(Daelman el al., 2015). Однако большинство очист-
ных сооружений открыто непосредственно для воз-
духа. и сбор отходящих газов является проблемой,
требующей особого внимания для фактического
отбор а пр о б Проблему можно решить либо с помо-
щью использования газового колпака для сбор а г аза,
либо выполнив измерения в газовом шлейфе с под-
ветренной стороны очистного сооружения. Первый
способ является наиболее распространенным и де-
тально рассмотрен в данной главе
Таблица 4.4. Сравнение различных способов и мето др в измерения отходящих газов
Метод	Жидкая фаза	Газовая фаза	Преимущества	Недостатки
Прямые измерения отю дящтх газов в закрытых резервуарах	Отбор проб взависи мости от доступа к очистным резервуарам	Непрерывная	Хорошо проработанный и легко применимый метод Позволяет определить обцло массу выбросов на КОС с изменениями во времени	Обязательно наличие закрытых резервуаров Сложно применить для учета просгранстеенныхизменений внутри КОС
Камера изолированного потока для резервуаров с открытой поверхностью	Разевая проба, датчик NjO или использова- ние прибора для разделения с монито- рингом измерений газа	Непрерывная	Хорошо проработанные и иироко применимые протоколы Механизмы и процессы, в результате которых образуются выбросы, можно выявить на основа- нии измерении во времени и пространстве (атакже измерений в конкретной зоне)	Необходимы множественные измере- ния, чтобы на основе показателей временных и прос транственных изменений получите данные по общей массе вьбросов на КОС
Измерение шлейщз выбросов с подветренной стороны от КОС	Пробы не отбираются	Непрерывная	Простые вычисления и анализ данных при полно- стью смешанных газах Измен вн ие шл ей фа с подветренной стороны можно мгновенно обнаружить и внести соответ- ствующие коррекгировтм в измерения Возможность перемещения обо вдот ания с помоиыо астом обиля и ли не большой тележки Возможность выявите выб росы из ключевыхточек Количественное определение общего объема выбросов на КОС	Требуется опытный оператор Зави- симость от благоприятных погодных условии (ветра) и транспортной доступности Мониторинг возможен только при благоприятных ус ливнях ветра Очень ограниченное пространствен- ное разрешение
of 346
II?
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
Когда измерения отходящих газов трудновышл
ни мы (например, в открытых аэротенках или когда
поверхностные аэраторы не позволяют установить
камеры для отходящих г азов), выбросы газов можно
вычислить на основе измеренных концентраций
растворенных СН4 и N2O Они могут быть интегри-
рованы в измерения коэффициента массопер ено са
в расчетах массового баланса для оценки потоков
выбросов (Foley et al, 2010) Для измерения концен-
трации растворенного N2O в водной фазе в режиме
реального времени можно использовать микрээлек-
гроды (Foley et al., 2010, разд 4.7 1), также возмо-
жен отбор проб и газ о хроматографический анализ
Для этих целей точным и надежным сказался метод
отбора проб в жидкой фазе и высаливание раство-
римых гаеов с последующим их анализом в качестве
газа (Daelman etal., 2012, разд 4.7 3).
Концентрации растворенных газов, таких как
Ы2О, можно непрерывно измерять на основе опреде-
ления газовой фазы в соответствии с методом газо-
очистки, предложенным учеными Mampaey et al
(2015) (разд 4 7.4).
Третьим способом измерения всех выбросов на
КОС является определение концентраций СН4 и N2
в шлейфе с подветренной стороны от очистных со-
оружений Для этого требуется особое оборудова-
ние, такое как оптик о-акустический спектрометр
с кольцевым лазером (Yoshida et al , 2014. Rapson et
al., 2014), которое могут использовать только ква-
лифицированные специалисты. Преимуществом
настоящего способа является то, что мониторинг
межно выполнять за пределами КОС и при этом
получать данные по всем сооружениям и техноло-
гическим процессам Появляется возможность опре-
делять «горячие точки» выбросов КОС (например,
емкости с неочищенными сточными водами, где
происходит выброс метана, или вентиляционная
груба). Учитывая стоимость оборудования, дли-
тельный мониторинг зачастую невозможен Данный
метод применяется для мониторинга на свалках, где
выбросы оцениваются посредством отбора проб
в течение нескольких дней в году с помощью мо-
бильного оборудования
4.5.	ИЗМЕРЕНИЕ №0
В ОТКРЫТЫХ РЕЗЕРВУАРАХ
Общая процедура измерения потоков отходящих га-
зов в наджидкостном пространстве открытых резерву-
аров с активным илом может включать применение
метода с использованием камеры изолированного
потока для отходящих газов, как описано в большин-
стве опубликованных на сегодняшний день исследо-
ваний Метод подходит для большинства установок
исключая системы с поверхностной вентиляцией.
Когда пространство с поверхностной аэрацией накры-
го, можно измерить состав газа и скорость потока
в вентиляционной трубе Для аэраторов с открытой
поверхностью следует использовать метод жидко-
фазных балансов для Ы2О или СН4 (Foley et al.,
2П10, разд 4 7) Основным преимуществом метода
с использованием камер изолированного потока для
отходящих газов является то. что с его псмощью
можно получить некоторое понимание простран-
ственных изменений выбросов в различных зонах
или в резервуаре с активным илом С другой сторо-
ны он требует значительных усилий за счет необ-
ходимости отбора проб во множестве точек чтобы
обеспечить качественные измерения В СШл для
измерения отходящих газов применяется метод,
являющийся разновидностью метода поверхн остной
эмиссии ЕРА/б0 0/8 8б/00 8, и индикаторные методы
Окружного органа контроля за качеством воздуха
Южного побережья (SCAQMD). Этот вариант был
разработан для измерений источников выбросов
с относительно высокой скоростью поверхностного
потока по сравнению с диффузией (например, за-
грязнение в виде нефтяного пятна)
Коммерчески доступные модели секции поверх-
ностной эмиссии камеры изолированного потока ЕРА,
США (SEIFC, рис. 4 1-4 3) используются для измере-
ния газообразного азота в резервуарах с активным
илом. Камера изолированного потока SEIFC состоит
из плавающего, свободно перемещающегося замкну-
того пространства, из которого можно вести нелре-
рьвный отбор и.ли брать разовые пробы отходящих
газов Благодаря возможности измерить площадь по-
верхности под камерой SE1FC, можно косвенно опре-
делить удельный поток интересующего газообразного
компонента Поскольку камер а изолированного потока
SEIFC «плавает» на поверхноепт резервуара с актив-
ным илом можно вести несколько параллельных из-
мерений в различных точках внутри одного резервуа-
ра, а также из разных резервуаров (нитрификация де-
нитрификация) в ходе процесса очи г тки.
Выход газа
Рисунок 4.1. Схематичное изображение ЕРА коллекторов длч поверх-
ностного потока (подготовлено на основе исследований Tata е/ а!, 20031
Камера изолированного потока SE1FC оснащена
функцией перемешивания (при помощи мешалки или
циркуляции продувочного газа), что позволяет обес-
печивать нужную степень смешивания газов, а также
зондом, измеряющим температуру в режиме реально-
го времени. Сет о дня такая камера является одним из
г паи с доит*
of 346
111
немногих приборов, утвержденных Агентством по
охране окружающей среды США для измерения га-
зообразных потоков (TataeJ al., 2003) Непрерывный
анализ газовой фазы выполняется с помощью инфра-
красного излучения (NjO/CHj) Также в потоке ПГ
можно измерить кислород и углекислый газ, что поз-
волит получить количественные характеристики био-
логических преобразований в процессе очистки сточ-
ных вод, хотя в текущую главу данная информация
не входит
Рисунок 4.2 Измененная сче ма коллектора для поверхностного потока
Рисунок 4.3. Схе матичное изображение установки коллектора поверх-
ностных выбросов для измерений потока газа
Как правило, отбор проб в резервуарах с откры-
той поверхностью необходимо проводить е несколь-
ких местах установки с активным илом на КОС Эти
местоположения включают аэробные, ан оксидные
и анаэробные зоны в зависимости от конфигурации
очистных сооружений. В неаэрировэнных зонах про-
дувочный газ используется для создания эффектив-
ного потока газа через камеру SEIFC Во время отбо-
ра проб в газовой фазе образцы жидкой фазы для
растворенных соединений, таких как аммоний, нит-
рат и селитра также должны быть собраны рядом
с местом вытяжки Образцы следует отфильтровать
сразу после сбора в полевых условиях и проанализи-
ровать с использованием легкодоступных полевых
методов (например, тест-наборы На ch) и стандартных
лабораторных аналитических методов (АРНа et al.,
2012) Это позволяет связать данные измеренного
газа с фактическими концентрациями соответствую-
щих соединений в точке измерения. Сравнение дан-
ЭКС ПЕРИ МЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
ных с измерениями притока/огтока или измерениями
в разных точках в резервуаре может дать смещенную
корреляцию между образцами отходящих газов
и жидкой ф азы.
В резервуарах с открытой поверхностью опреде-
ленные выбранные места, как правило, находятся
близко к входному или выходному концу каждой
разграниченной бескислородной или аэробной зоны
на КОС Непрерывное измерение в каждом из этих
конкретных мест обычно проводится в течение как
минимум 24-часового периода или дольше
Характеристика процессов очистки на выбран-
ных КОС, которые предусматривают нитрификацию
и денитрификацию, выполняется на основе концен-
траций аэстав жидкой и газовой фазе и его видообра-
зования Тестирование в ходе программы по отбору
проб выполняется в каждой контрольной течке, во
времякоторой мониторинг газовой фазы происходит
в режиме реального времени непрерывно, а отбор
проб из жидкой фазы выполняется в виде отдельных
разовых проб. Также устанавливаются основные тен-
денции в изменении газообразных выбросов и их
видообразовании Этиусилияпг отбору проб направ-
лены, кроме того, на помощь в разработке критериев
технологического процесса, которые сводят к мини-
муму как газообразные, так. и жидкофазные выбросы
азота из установок по очистке сточных вод. Анализ
азотных соединений и предшественников ПГ азота
как в воздушной, так. и в жидкой фазах дополняются
анализом обычных параметров сточных вод.
Программа мониторинг а жидкой и газовой фазы
на КОС может проводиться по сезонам в различных
режимах, например, один раз в теплых температур-
ных условиях (летом, ранней осенью) и холодных
температурных условиях (зимой/p анней весной) для
учета ежегодной изменчивости
Общая процедура измер ения потоков NjO и СИ»
в над жид костном пространстве резервуаров с актив-
ным илом включает в себя вариант метода поверх-
ностной эмиссии ЕРА/б 00/8-86/0 08 и индикаторные
методы Окружного органа контроля за качеством
воздуха Южного побережья США (SCAQMD). Ана-
лиз газовой фазы можно выполнить с помощью дат-
чиков инфракрасного излучения (N2O/CH4)
В условиях отсутствия утвержденного метода
измерения N2O в воде и воздухе для замеров выбро-
сов этого газа возможны раз,личные модификации
известных методов В недавнем исследовании (Ahn
el al., 2010а) во время первого этапа отбора проб
с использованием процедуры, разработанной иссле
дователями для оценки эффективности измерения
потоков NjO, на объекте удаления биологически
активных веществ со ступенчатой подачей были
проведены три параллельных мониторинга В до-
полнение к стандартному протоколу исследования
были выполнены де а параллельных мониторинга,
как указано в табл 4 5.
-тпултитг JJO
of 346
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
1J!
Таблица i.5. Дополнительные сравнительные аналитические методы
для измерения выбросов отходящихгазов на КОС
Методбид	Способ	Применение
Методика дм ери-	Газовая	Актуальные горби-
канского общества	410 м аг огр а дм я/оп ре де л ение	ровзнные газы.
испытания матери-	теплопроводности	044,00,001, а
алов(А9ТМ)1946		также гелии (Не) в
-постоянный		виде отдельного
анализ		анализа
NOSH 6600	Ф/рье-ИКО	NiO
Инженеры по исследованию сточных вод уста-
новки КОС измеряли потоки с помощью камеры
изолированного потока ЕРА коллекторов, индика-
торного метода SCAQMD трассировки и с помощью
фитоакустического анализатора для непосредствен-
ного определения NjO. Консультанты по КОС ис-
пользовали метод камеры изолированного потока
ЕРА и метод трассировки и разбавления SCAQMD
для измерения потока, а также соотвегствующие
аналитические методы для измерений парниковых
газов и веществ, образующих озон Эти параллель-
ные тесты были пр с веденье не для того, чтобы под-
твердить эффективность модифицированного ана-
литического метода утвержденной программы отбо-
ра проб Они обеспечили независимую' проверку
того, что для зон. в которых проводятся пар аллель-
ные замеры, этот метод позволяет точно измерять
выбросы ПГ азота, что необходимо для достижения
целей этого исследования Исследование было ча-
стью первоначального проекта Фонда исследований
водной среды (WERE), в ходе которого был разра-
ботан этотпротокол
На основе такого параллельного ср авнения было
рекомендовано рассмотреть в последующих иссле-
дования:: метод отслеживания гелия (Не), основан-
ный на ASTM D1946, для измерения скорости рас-
хода газа из камеры потока, результаты которого
были представлены в Ahn et al, (201 Ob)
4.5.1.	Методика для измерения
поверхностного потока N2O
Описанная ниже методика разработана для обеспе-
чения исследователей и команд по отбору проб по-
дробным описанием методологии сбора данных
и требований к вып:лнению анализа что позволит
выполнись расчет потоков газообразного азота из
различных зон процесса активного ила на КОС.
4.5.1.1 Оборудование и материалы
Для выполнения методики понадобится следующее
оборудование (поставщики и производители могут
различаться)
1	Камер а изолированного потока с мембраной для
поверхностной эмиссии (доступны готовые мо-
дели от поставщиков или для индивидуального
заказав соответствии со спецификациями ЕРА-
Агентства по охране окружающей среды США
(Kienbusch, 1986).
2.	Газоанализатор Teledyne API NjO Monitor Model
320E (компания Teledyne API, Сан-Диего, штат
Калифорния, США)
3	Нулевой поверочный газ (с нулевой ч/мтн П2О
и СН<), а также N2O и СН4 (компания Tech Air,
Уайт Плейнс, штат Нью-Йорк, США)
4.	Цифровые манометры Dwyer серии 475 Mark III
для измерения давления в коллекторе от 0 до
1 дюйма (водяной столб 2,54 см) (высокочувстви-
тельный) и от 0 до 100 дюймов (мал очувствите ль
ный) водяного столба (компания Dwyer Instru-
ments Inc , Мичиган Сити, штат Индиана, США).
5.	Ротаметр для измерения расхода продувочного
газа 0-30 л/мин (компания Fisher Scientific, Фэр
Лон, штат Нью-Джерси, США)
б.	Настраиваемый пневматический насос 0-10 л/мин
(компания Fisher Scientific, Фэр Лон, штат Нью-
Джерси, США) для подачи продувочного газа
в камеру потока
7.	Вакуумный насос 0-30 л/мин (котяпания Fisher
Scientific, Фэр Лон, штат Нью-Джерси, США)
для активной откачки газа из камеры потока при
необходимости
8.	Сменные картриджи фильтра с размером пор
0,2 нм, набор из 10 шт. (компания Millipore, Энн-
Арбор. штат Мичиган, США), чтобы не допустить
попадания мелких частиц в газо анализатор
9.	Силикагелевая колонна для удержания влаги
(компания Fisher Scientific. Фэр Лон, штат Нью-
Джерси, США).
10	Стеклянный водоотделитель, состоящий из стек-
лянной емкости объемом 100 мл. помещенной
в коробку из материала Styrofoam®, наполнен
ную льдом
11.	Тефлоновые трубки (примерно 0,5” дюйма)
и фитинги
12	Удлинитель (100-300 см) и сетевой фильтр
13	Портативный персональный ноутбук (с объемом
оперативной памяти минимум 512 Мб) с уста-
новленными программами вывода данных от
анализаторов Н2О и СН<.
14.	Набор различных ручных инструментов, вклю-
чая разводные гаечные ключи, отвертки различ-
ных размеров и разводные плоскогубцы.
4,512. Процедура эксперимента
Общая процедура измерения потоков N2O и СН4
в над жидко ста ом пространстве резервуаров с ак-
тивным илом включает в себя вариант метода
ЕРА/б 00/8 -86/003 и индикаторных методов Окруж
него органа контроля за качеством воздуха Южного
побережья США (SCAQMD), которые позволяют
вести отбор проб газообразных выбросов с высокой
скоростью поверхностного потока
Данный вариант был разработан для измерения
источников с относительно высокой скоростью по-
of 346
a oo
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
верхностного потока по сравнению с диффузией, он
позволяет получать большее количество проб на
КОС и сооружениях по компостированию отходов.
Доступные копии американских ЕРА камер для
поверхностных выбросов (SEIFC) используются для
измерения потока газообразного азота в реакторах
с активным илом Такие коллекторы в основном со-
стоят из свободно перемещающегося замкнутого
пространства, через которое с постоянной скоростью
подается газ-носитель (обычно азот или аргон),
а отходящий газ собирается в режиме реального вре-
мени или в виде дискретных проб Благодаря воз-
можности измерить площадь поверхности под кол-
лектором SEIFC, можно определить удельный поток
интересующего газообразного компонента. Так как
коллектор SEIFC «плавает,; на поверхности резервуа-
ра с активным илом, можно производить несколько
параллельных измерений в различных точках внутри
одного резервуара, а также из разных резервуаров
(нитрификация, денитрификация) в ходе процесса
очистки. Коллектор SEIFC оснзщен функцией пере-
мешивания (при помощи мешалки или циркуляции
продувочного газа), что позволяет обеспечивать нуж-
ную степень смешивания газов, а также в некоторых
случаях зондотд измеряющим температуру в режиме
реального времени Сегодня коллектор SEIFC являет-
ся одним из немногих приборов, утвержденных
Агентством ш охране окружающей среды США для
измерения газообразных потоков (Tata et al., 2003)
Анализ газовой фазы выполняется с помощью мето-
дов инфракрасного излучения (NjO/CH*).
В целом про бы из открытых резервуар ов на каж-
дом КОС отбираются в нескольких точках в процес-
се работы активного ила. Сюда и вносятся аэробные,
аноксидные и анаэробные зоны в зависимости от
конфигурации конкретных очистных сооружений
Кроме того, в каждой зоне пробы отбираются из
нескольких го чет: (не менее двух, чаще три), чтобы
учесть любые изменения газовых потоков, которые
могут произойти в результате изменений смешива-
ния или хар актер а движения потока.
Рост давления можно минимизировать, если осна-
стить коллектор мн о гс численники вентиляторами
или вентиляционной системой переменного размера
и непрерывно отслеживать падение давления в купо-
ле с помощью чувствительного датчика В любой
точке КОС скорость газового потока необходимо
измерять с применением метода индикаторного газа,
при необходимости следует отслеживать давление в
коллекторе. Также можно использовать данные по
скорости аэрации КОС (доступные в качестве про-
верки порядка величины) Измененная установка
коллектора для поверхностного потока, используемая
в данном исследовании, изображена на рис. 4 1-4.3
В ходе отбора проб в газовой фазе рядом с купо-
лом также производится отбор проб в жидкой фазе
Сразу после отбора пробы необходимо немедленно
пропустить через фильтр, затем персонал КОС мо-
жет провести анализ проб на концентр алию аммо-
ния нитрита, нитрата, используя готовые и подхо-
дящие полевые методы (например, тест-наборы
Hach) Поскольку данные измерения в первую оче-
редь направлены на то. чтобы убедиться в наличии
целевых вид;в азота, не уделяя большого внимания
точности измерения концентраций, то при выполне-
нии таких измерений будет использоваться наибо-
лее доступный метод полевого исследования
4.6.1.3 Методы отбора проб выбросов азотного
парникового газа
Метод отбора фоб в газовой фазе в аэробных зонах
1	В коллекторе для поверхностных выбросов пе-
рекройте все вентиляционные отверстия кроме
одного, и подключите высокочувствительный
датчик давления в последнее отверстие
2	. Погрузите коллектор в аэробную зону (дно
ободка должно быть ниже поверхности воды
минимум на 2,5-5 см).
3	. Дождитесь, когда анализатор NjO придет в рав-
новесие, ориентируйтесь на индикатор стабиль-
ности (< 0,03).
4	Поднимите коллектор. Откройте два отверстия
и подсоедините газоанализатор Остальные от-
верстая должны быть открыты атмосферному
воздуху
5	Зафиксируйте температуру газа в коллекторе при
помощи цифрового датчика температуры (произ-
водства компании Fisher Scientific номер 15-077-8
или аналогичного)
б Необходимо следить за тем. чтобы поток, посту-
пающий в два анализатора не превышал ско-
рость потока газа из коллектора. Иначе атмо
сферный воздух будет поступать через вентиля-
ционные сгверстияБ коллектор
Огре деле ше скорости потока газа из коллектора
в аэробных зонах
1	. Отсоедините газоанализаторы и подсоедините
один концевой вентилятор к впускной трубе
местного газового хроматографа, оснащенного
датчиком тепл о пр оь одно ста (ГХ ДТП). Закройте
второе отверстие
2	. Введите индикаторный газ (10 % гелия 90 %
нулевого воздуха) через отверстие для подачи
в коллектор при заданной скорости потока
(например, 1 л/мин)
3	Измерьте концентрацию гелия выходящего из
коллектора (см. методику из разд. 4 б).
4	На основе измеренных концентрации гелия вы-
числите скорость потока для газа в наджидкост-
ном пространстве аэротенкя попадающего
в коллектор (формула (4 1), разд 4 б).
Метод отбора фоб в газовой фазе е а н оксидных зонах
1	В коллекторе для поверхностных выбросов пере-
кройте все вентиляционные отверстия креме од-
ного, и подключите высокочувствительный дат-
чик давления в последнее открытое отверстие.
of 346
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТхОДНЩИХ ГАЗОВ
1ОТ
2	Поместите коллектор в аноксидной зоне на
1-2 дюйма (2,54-5,08 см) ниже поверхности
жидкости
3	. Дождитесь, когда анализатор N2O придет в рав-
новесие, ориентируйтесь на индикатор стабиль-
ности (< 0,03).
4	. Поднимите коллектор Откройте два отверстия
и подсоедините газоанализатор и насос для про-
дувочного газа (важно продувочный газ приме
няется исключительно в ходе отбора проб
в аноксидной зоне). Остальные отверстия долж-
ны быть открыты атмосферному воздуху
5	Зафиксируйте температуру газа в коллекторе
при помощи цифрового датчика температуры
(производства компании Fisher Scientific номер
15-077-8 или аналогичного).
6	Необходимо следить за тем чтобы поток, посту-
пающий в два анализатора, не превышал скорость
потока продувочного газа, иначе воздух для вен-
тиляции будет попадать в отверстия в коллекторе.
Ощеделекие сюрости потока газа из коллектора
в анокидней зоне
1.	Отсоедините гавоанализаторы и подсоедините
один концевой вентилятор к впускной трубе
местного газового хроматографа, оснащенного
датчиком теплопроводности (ДТП). Закройте
второе отверстие.
2.	Введите в коллектор продувочный газ со скоро-
стью 4 л, мин и подождите в течение 6 мин ди
получения стабильного состояния.
3	Введите индикаторный гав (10% гелия, 90 % ну-
левого воздуха) через отверстие для подачи
в коллектор при заданной скорости потока (на-
пример, 1 л/мин).
4	Измерьте концентрацию гелия, выходящего из
коллектора
5.	На основе измеренных концентраций гелия вы-
числите скорость потока для газа в наджидкост-
ном пространстве аэротенка, попадающего
в коллектор (формула (4 1), разд 4 б)
В табл. 4.6 представлен чек-лист требований
к записи данных, которые необходимо соблюдать
при использовании установки коллектора поверх-
ностных выбросов Команды, проводящие отбор
проб, могут добавить дополнительные параметры,
характерные для 'пр еде ленных обстоятельств
Таблица 4.6. Чек-лист для работы с установкой кол ле гтора
поверхностных выбросов на КОС
Измерения	Точка для Точка для Течка для
отбора проб отбора проб отбора проб
1	2	3
Давление в коллекторе
Оиростъ потока газа из
коллектора
Темпе par'jpa газа
в коллекторе
Температура сточных вод____________________________
Расходы воздуха в насосе
Непрерывные измерения гз за е режиме реального времени
1	Подключите питание, нажав кнопку вкл/ьыкл на
передней панели. Дисплей должен включиться
и зеленый светодиодный индикатор состояния
(пробы) должен мигать, указывая на то, что при-
бор перешел в режим удержания (HOLD-OFF).
В режим пр с бы можно перейти немедленно,
нажав кнопку EXIT на передней панели Крас-
ный индикатор неисправности также будет го-
реть до тех пор, пока потоки, температура
и напряжение не окажутся в рабочих пределах.
Очистите историю сообщений о неисправности.
После разогрева познакомьтесь со значениями
функции TEST на передней панели дисплея
нажав одноименную кнопку на дисплее слева
2.	Активируйте систему сбора и регистрации дан-
ных (DAS) и установите частогу отборапроб на
1 пр о бу в мин
3.	Запустите регистрацию данных.
4.	Осторожно подсоедините впускную трубку ана-
лизатора к выходной трубке коллектора SEIFC,
используя стандартный штуцер 1/4 дюйма
5.	Регистрируйте данные в течение примерно
20 мин в аноксидной зоне и около 10 мин
в аэробных зонах после получения стабильных
показаний, согласно индикатору стабильности
ан ализ агора М2О
6.	Завершите работу системы сбора и регистрации
данных и немедленно сохраните полученные
данные.
7.	Повторите шаги 2-5 для каждой точки отбора
проб и места для отбора проб (отдельные резер-
вуары).
8	Заметьте, что диапазон измерений составляет
0-1,000 ч/млн
9	Перед каждым отбором проб откалибруйте ин-
струмент, используя нулевой газ и стандар тный
га? NjO в соответствии с инструкциями произ-
водителя.
Прин1|1гы вы голне ния из мере жй NX) и Oh
в режиме реального времени
Непрерывные измерения N2O и СН4 выполняются
с помощью инфракрасной (ПК) газовой фильтрации,
которая основана на поглощении ПК-излучения
молекулами П2О и СН4 на соответствующих длинах
волн. В рамках процесса измерения внутри прибора
генерируется инфракрасный луч с широкой длиной
волны, который пропускается через вращающееся
колесо газового фильтра, что заставляет луч попе-
ременно проходить через газовую ячейку, заполнен
ную азотом (измерительная ячейка), и ячейку, за-
полненную смесью N2O/N2 (эталонная ячейка),
с частотой 30 циклов в секунду. Концентрации П2О
определяются исходя из количества поглощенного
ПК-излучения. Наконец, разделенный луч попадает
в детектор, который представляет собой твердо
тельный фотопроБодник с термоэлектрическим
охлаждением Детектор вместе со своим предусили
гелем преобразует световой сигнал в модулирован-
ный сигнал напряжения
of 346
1 и
4.5.1.4. Прямое измерение содержания Ц>0
в жидкой фазе
В дополнение к измерениям концентраций N; в га-
зовой фазе в над жидкости ом пространстве аэробной
и аноксидний зон можно также измерять концентра-
ции N2O в жидкой фазе, что позволит проводить
различия между образованием Ы2О в жидкой фазе
и выбросами N2O в газовой фазе. Измерить концен-
трации Ь^О в жидкой фазе можно при помощи по-
лярографического электрода Кларка для измерения
содержания растворенного кислорода (компания
Uni sense, Орхус, Дания). Более подробную инфор-
мацию о выполнении измерений в жидкой фазе
можно найти в методиках, описанных в разд 4 7
1	Соберите около 20 мл пробы из исследуемого
реактора в конические центрифужные пробирки
объемом 50 ми или подобные сосуды (также по-
дойдут пластиковые или стеклянные лаборатор-
ные стаканы)
2	. Выньте микрс сенсор из калибровочной камеры
(с деионизированной водой), промойте его де-
ионизированной водой и насухо вытрите ткане-
вой салфеткой.
3	Погрузите микр о сенсор в пробы Пс старайтесь
сделать это в кратчайшее время после отборапроб
4	Зафиксируйте цифры, отобразившиеся на ди силее
пикоамперметра. Значения измерений должны
стабилизироваться в течение эдной минуты.
5	Выньте микр о сенсор, промойте его и поместите
обратно в калибровочную камеру
о Повторите шаги 1-5 для каждой точки и места
отбора проб.
Такой способ отбора проб довольно сложен
и требует четкой согласованности действий Дан-
ные, получаемые в режиме реального времени
с зондов и анализаторов, должны автоматически
загружаться в местный компьютер и фиксироваться
в лабораторных журналах. Кроме того, в ходе поле-
вых испытаний необходимо создавать резервные
копии данных с высокой периодичностью, по воз-
можности электронные данные также могут хра-
ниться на внешнем жестком диске (помимо встро-
енного жесткого диска компьютера).
4.6. ИЗМЕРЕНИЕ ПОТОКА
ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
В ОТКРЫТЫХ РЕЗЕРВУАРАХ
В настоящем разделе списана методика измерения
скоростей потока отходящих газов с использованием
индикаторного метода на основе гелия (после метода
ASTM 01946) При измерении и регистрации пото-
ков газообразных выбросов или при выполнении
массовых балансов необходимы измерения концен-
траций газа в наджидкостном пространстве, а также
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
общие скоро ста потоков отходящих г азов В то время
как концентрации газообразных Ы2О и СН4 на по-
верхности активного ила можно измерять в режиме
реального времени, выполнять непрерывные или да-
же дискретные измерения в случае с адвективными
потоками газа круглосуточно зачастую, непрактично
В качестве аппроксимации для определения адвек-
тивного потока можно использовать эксплуатацион-
ные данные вентилятора, однако обычно измеряется
только общее время работы или расход электроэнер-
гии, поэтому при трансформации данных в фактиче-
ский воздушный поток возникают некоторые неопре-
деленности К тому же одна из наиболее серьезных
неопределенностей данного подхода представляет
собой связь между общим массовым воздушным по-
токов проходящим через вентилятор, и фактическим
распределением между различными аэрированными
зонами Одним и? решений может стать прямое изме-
рение потока газа в воздухопроводе аэр ации, в случае
закрытых резервуарэв измеряют скорость потока
отходящих газов. Для открытых резервуаров можно
применить индикаторный тлетод на основе гелия
однако не в непрерывном режиме ввиду высоких
затрат и ограниченного доступа на КОС. На данный
момент единственным способом преодолеть указан-
ные ограничения для систем с открытыми резервуа-
рами и сократить естественную изменчивость в ре
зультате экстраполяции данных, полученных на ос-
нове нескольких дискретных измерений, является
выполнение более частых измерений скор оста адвек-
тивного потока с применением индикаторного метода
на основе гелия и корреляционного анализа, что поз-
волит трансформировать дискретные измерения по-
тока, проходящего через коллектор для поверхност-
ных выбросов, в непрерывные измерения в масштабе
всего резервуара
4.6.1.	Методика для аэрированной
или аэробной зоны
Адвективный поток газа (Q^oc). преходящий через
коллектор, в аэрированной зоне измеряется с помо-
щью метода ASTM D1946 Кратко, индикаторный газ
(СЬягииоор), состоящий из 100 000 ч/мпн по объему
гелия (Синдигагф.г.лй), вводится в коллектор при задан-
ной скорости потока. Измерить концентрации гелия
в отходящих газах из коллектора (Cr(.]Fft.I;DIOTaaVp) мож-
но с помощью хроматографа (ПХ), оснащенного дат-
чиком теплопроводности (GC-TCD) Е.'иыброс можно
вычислить, используя формулу (4 1).
Процедура
1	До начала измерений фактического содержания
гелия включите местный хроматограф, чтобы
датчик теплопроводности и колонна газового
хроматографа мог .ли достичь нужных температур
2	После выполнения измерений концентраций в га-
зовой фазе отсоедините газоанализаторы и подсо-
едините один концевой вентилятор к впускной
of 346
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
3 01
трубе местного газового хроматографа Закройте
второе отверстие.
3	Введите индикаторный газ (10 % гелия, 90 %
нулевого воздуха) через отверстие для подачи
в коллектор при заданной скорости потока
(например, 1 л/мин).
4	Измерьте концентрацию газообразного гелия,
находящегося в коллекторе (согласно методу
ASTM D1Q40)
5	. На основе измеренных концентр аций гелия вычис-
лите с помощью линейной алгебры скорость пото-
ка для газа в наджидкостном пространстве аэро-
тенка, попадающего в коллектор, по формуле (4 1).
 С -
индикатор - гелии—индикатор
Каждая кампания по отбору проб включает в се-
бя непрерывные и дискретные измерения N2O,
входе которых рекомендуется эпределягь Отброс
для каждого места на КОС, где происходит измере-
ние N2O В процессе измерений следует также не-
сколько раз в день измерять QIH^oc в соответствии
с измерениями в жидкой ф азе
В случае измерения фактических скоростей по-
тока газа в резервуарах с поверхностной аэрацией,
измерение фактических потоков парниковых газов
является значительно более сложной задачей В та-
ких случаях наиболее оптимальную оценку выбро-
сов можно выполнить на основе измерений в жид-
кой фазе и балансов в течение жидкой фазы.
индикатор
’1СВДМККГОР
*<лы£фос ~
'	— С
'гелий -индкг »тор	гелий
~ гелий-ПТ
(4 1)
3 Повторите шаги 2-5 для каждого места отбора
проб как минимум трижды
4.6.2. Методика для неаэрируемыхзон
Единственным изменением, которое можно внести
в методику для измерения скорости потока выбро-
сов из неаэрируемой зоны, является добавление
в коллектор, содержащий индикаторный гелий, про-
дувочного газа (воздуха) или газа-носителя с задан-
ной скоростью потока (Опадут/ Соответствующий
Увыброи вычисляется на основе формулы (4.2) Добав-
ление продувочного газа необходимо для лучшего
перемешивания содержания коллектора SEIFC вви-
ду слабого адвективного потока газа из наджнд-
костного пространства аноскидной зоны. В про-
дувочном газе всегда необходимо измерять концен-
трации N2O и СН4, они должны быть ниже порога
обнаружения анализаторов
Процедура
1	Единственным изменением которое можно вне-
сти в методику для ее адаптации к измерению
скорости потока выбросов из аноксидной зоны,
является добавление продувочного газа
2	. Введите в коллектор продувочный газ со скоро-
стью 4 л/мин и подождите в течение б мин до
получения стабильного состояния
3	Выполните описанные выше шаги 2-6, чтобы опре-
делить скорость па тока выбросов из аэробных зон
4	. Вычислите скорость потока выбросов из ано скид-
ной зоны, используя формул;/ (4 2).
О С	=
^индикатор гелии—индикатор
I ‘ - ИНДИГдЩр
явдкхатор
гелии—ГХ >
.ГфОДуЕ
геп ии-индикатор
 гелий—ГХ
' продув
(4 2)
4.7.	ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ
№0 И CHt В ВОДНЫХ РАСТВОРАХ
Концентрацию оксида азота в водных растворах
можно измерить непосредственно при помощи кис-
лородных электродов с иной поляризацией, чем для
измерения кислорода При строгих анаэробных или
аноксидных условиях (т. е при полном отсутствии
кислорода) такие электроды можно использовать
н еп о ср  ед с тв енн о Для из мер ени я ко нц ентр аций 14 2О
в аэрированной водной фазе можно применять
уменьшенный сенсор Кларка с внутренним электро-
дом сравнения и катодом с защитным покрытием
Датчик оснащен перегородкой, которая предотвра-
щает проникновение кислорода во время измерений
N2O. Этот метод описан в разд 4 7.1. В случае
с метаном выполнить измерения растворенного газа
невозможно
Концентрации И2Ои СН4в жидкой пробе можно
определить глете-дом приведения растворенного газа
в газовую фазу В разовой пробе это можно сделать
при помощи высаливания газов в наджидкостное
пространство пробирки с пробой и последующего
анализа на ГХ (разд 4 7 3) При помощи газоочисти-
тельного прибора можно вести непрерывный мони-
торинг концентраций растворенного газа (разд 4.7.4).
4.7.1.	Методика для измерения
растворенного №0 с использованием
полярографических электродов
47.1.1. Оборудование
1	Микродатчик оксида азота N2O25 (компания
Unisense, Орхус, Дания)
2	. Де ухк анальный пикоамперметр РА2000 (компа-
ния Umsense, Орхус, Дания).
3	Калибровочная камера CAL300 (компания
Unisense, Орхус, Дания)
of 346
Ж
4	Нулевой воздух и поверочный газ N2O (компания
Tech Air, Уайт Плейнз, штат Нью-Йорк, США).
5	Тефлоновые трубки, силиконовые трубки и фит-
тинги
6	Бугылка-разбрызгиватель с деионизированной
водой
7	Бумажные салфетки
8	. Пробирки конические типа «Falcon», 50 мл
4.7.1.2. Процедера эксперимента
Микродатчик оксида азота производства компании
Uni sense представляет собой уменьшенную версию
сенсора Кларка с внутренним электродом сравнения
и катодом с защитным покрытием Кроме того, дат-
чик оснащен перегородкой, предотвращающей про-
никновение кислорода во время измерений N2O
Датчик подключен к высокочувствительному пико-
амперметру, и его катод поляризован относительно
электрода сравнения Под действием внешнего пар-
циального давления оксид азота из окружающей
среды проникает через мембраны наконечника дат-
чика и восстанавливается на поверхности металли-
ческого катода Пикоамперметр преобразуетрезуль-
тирующий ток для восстановления в сигнал. Внут-
ренний катод также поляризован и поглощает
кислород в электролите минимизируя тем самым
нулевой ток и вррмяпредварительной поляризации
Порядок выполнения измерений следующий
а. Подключите питание, нажав на кнопку вкл/выкл
н а п ер е д н ей п ан ели пи ко амп ер метр а.
b Убедитесь, что регулятор «Gain» (усиление) для
канала 1 полностью повернут против часовой
стр елки.
с. Поверните переключатель дисплея, расположен-
ный по центру панели, в п.,ложение «Signal 1»
и убедитесь, что на дисплее отобразился ноль
В ином случае устраните отклонения согласно
инструкции производителя.
d Поверните переключатель в положение «Ро1. 1»
Убедитесь, что значение напряжения поляриза-
ции равно 0,8 В. Если значение отличается,
скорректируйте его при помощи переключателя
напряжения и поляризации
е Подключите выводы «предварительно поляризо
ванного» микродатчика к счетчику в следующем
порядке. (1) кабель «Signal» (черный) во вход
«Input» канала 1 на передней панели, (2) кабель
«Guard» (желтый) ко входу «Guard» канала 1
f Промойте датчик деионизированной водой и вы-
трите остатки влаги тканевой салфеткой.
g Поместите датчик в калибровочную камеру
с деионизированной водой
h Выб ер ите р ежи м « N ormal» п ер еключ ат еля «Mode»
на передней панели, если не нужен быстрый от-
клик.
1. Задайте нужный интервал измерений с помощью
переключателя «R.ange» на панели Обычно ука-
зывается значение 200 ПА, но при необходимости
можно задать иной целесообразный интервал.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
1 Возьмите около 20 мл пробы из исследуемых
реакторов и поместите в конические центрифу-
жные пр:бирки объемом 50 мл или подобные
сосуды (также подойдут пластиковые или стек-
лянные лабораторные стаканы).
к Выньте микродатчик из калибровочной камеры
(с деионизированной водой), промойте его де-
ионизированной водой и насухо вытрите ткане-
вой салфеткой
1 Погрузите микродатчик в пробы. Шаги j и к
необходимо выполнить как мсжно скорее после
отбор а про бы.
m Заф иксир уйте ци ф ры, о то бр азивши есянадисплее
пикоамперметра Значения измерений должны
стабилизироваться в течение одной минуты.
п. Выньте микродатчик, промойте его и поместите
обратно в калибровочную камеру.
о Повторите шаги «р>—«п» для каждой точки отбо-
ра проб и локации
р По завершении измерений отсоедините выводы
датчика в о бр атн ой п о сл едо в ательн о с ти
Интервал измерений можно настроить от 0 до
0,61 б ч/млн по объему П2О (с 500 ч/мпн поверично-
го газа N2O)
Если датчик новый или не использовался в тече-
ние нескольких дней, его необходимо поляризовать
в течение 2-12 ч ди его калибровки и/или использо-
вания Сделать это нужно следую»щим образом
а Поместите кончик датчика оксида азота в веду,
не содержащую оксид азота.
b Поверните переключатель в положение «Ро 1. 1»
и настройте поляриз ацию на-1,30 В.
с.	Установите переключатель дисплея на «Signal 1»
и поверните регулятор «Gain» (усиление) до кон-
ца против часовой стрелки При необходимости
настройте дисплей на но .ль на шкале «Offset».
d.	Подключите кабель сигнала (черный) микродат-
чи ка ко входу «Inp ut».
е.	Пс прошествии 5 мин настройте поляризацию на
-0,8 В и затем подключите кабель охранного
электрида (желтый) ко входу «Guard»
£ По возможности проведите предварительную
поляризацию в течение 12 ч (не более) для до-
стижения максимальной стабильности
После того, как датчик поляризован, его необхо-
димо откалибровать нулевым воздухом и повероч-
ным газом Ы2О Обычно для калибровки использу-
ется 500 ч/млн поверочного газа Ы2О Обратите
внимание, что поверочные газы П2О являются спе-
циализированными продуктами, их можно приобре-
сти у поставщиков, таких как TechAir
Чтобы обеспечить единство единиц измерения
для жидкой и газовой фаз N2O, результаты данного
исследования выражены в единицах N2O. Также
концентрации N2G в жидкой и газовой фазах можно
выразить через N для оценки фракции азота неочи-
щенных сточных вид, выходящего в виде Н2О
of 346
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
4.7.2.	Методика для измерения
растворенных газов с помощью
газовой хроматографии
Оксид азота и метан можно легко проанализировать
методом газовой хроматографии (Weiss, 1981)
с использованием поверочных газов Для жидких
образцов анализ можно выполнить с помощью отбо-
ра пробы и ее переноса непосредственно в закрытый
контейнер или пробирку с калиброванным объемом
В контейнере летучие вещества придут в состояние
баланса между газовой и жидкой фазами. После до-
стижения равновесия можно измерять концентрацию
в газовой фазе С помощью коэффициента Генри
(с поправкой на температуру и ионную силу) можно
рассчитать концентрацию жидкости для метана или
оксида азота Используя эти концентрации и извест-
ные объемы газа и жидкости в контейнере с пробой,
можно получить общую массу соединения в контей-
нере и исходную концентрацию в пробе Для данного
метода характерно наличие множества измерений
и неопределенностей, напримдэ, истинный коэффи-
циент Генри для фактического состава жидкости
В связи с этим более надежным способом являет-
ся перевод всех растворимых газов в газовую! фазу,
например, с помощью высокой концентрации соли
(метод высаливания) Данный метод был подробно
описан труппой ученых E'aelrnan et al. (2012) на осно-
ве метода высаливания описанного В Ф Гальченко
(Gal’chenko etal, 2004). Ниже представлена методика
вып олн ения из мерений.
4.7.3.	Методика для измерения
растворенных газов методом высаливания
До начала каждой серии отбора проб необходимо
наполнить лабораторные склянки объемом 120 мл
20 г NaCl Пробы в различных точках КОС отбира-
ются при помощи лабораторного стакана Из лабо-
раторного стакана 50 мл пробы осторожно помеща-
ют во флакон, наполненный солью, при помощи
шприца с катетером и 1 3-сантиметровой силиконо-
вой трубкой. При переливании содержимого шпри-
ца во флакон силиконовую трубку следует держать
ниже поверхности поднимающейся жидкости, что-
бы граница раздела жидкой и газовой фаз была как
мсжно меньше, это позволит избежать десорбиии
Сразу после переноса содержимого шприца флакон
необходимо закрыть резиновой пробкой и алюми-
ниевым обжимом Закрытый флакон следует интен-
сивно потрясти для ускорения растворения соли.
При 20 °C растворимость соли составляет примерно
3о0 г/л, поэтому пробы, содержащие 400 г14аС1/л,
являются перенасыщенными В результате высокой
концентрации соли микробная активность в пробах
ила прекращается, и растворенные газы высалива-
ются Растворенный метан и углекислый газ перехо-
2 05
дят из жидкой фазы в наджидкостное пространство
лабораторного флакона. Это вызывает рост давления
в надгкидкостном пространстве. Прежде чем выпол-
нить отбор проб из изд жидкостного пространства
для анализа с помощью ДИП ГХ, необходимо урав-
новесить давление с атмосферным, позволив газу
в надгкидкостном пространстве расширяться в по-
груженном шприце Увеличение объема газа исполь-
зуется для вычисления роста давления в над жидко ст-
игм пространстве. Образцы из над жидкости о го про-
странства отбираются при помощи шприца для газа
после того, как давление в этом пространстве уравня-
ется с атмосферные затем образцы анализируют
в соответствии со стандартной процедурой гавсвой
хроматографии. Количество метана в н эджидкостном
пространстве до расширения вычисляют на основе
концентрации, измеренного объема над жидкостною
пространства закрытого флакона и давления в этом
пространстве после его ростд который рассчитывают
из расширения объема над жидкости иго пространства.
До того, как насытить пробу солью, весь метан из
газовой ф азы должен полностью раствориться в жид-
кой пробе. 1-азделив это количество на обьем пробы
(50 мл), можно установить исходную концентрацию
метана в жидкости
4.7.3.1.	Оборудование
В список необходимого оборудования для выполне-
ния процедуры входят
•	Лабораторный стакан для отбора проб.
•	Градуированный шприц с катетером и трубкой
околи 15 см.
•	Лабораторный флакон объемом около 120 мл
•	Резиновая пробка
•	Алюминиевый обжим
•	Обжимное устройство
•	20 г NaCl
•	Лабораторный стакан
•	Градуированный шприц (или бюретка) с катете-
ром без плунжера.
•	Трубкадлиной около 30 см.
•	Игл а для п о дко жных ин ь екций.
4.7.32.	Процедура отбора проб
•	До начала отбора проб поместите 20 г NaCl
в лабораторный флакон
•	С помощью стакана для отбора проб возьмите
пробу с поверхности жидкости в реакторе или
в клапане трубы.
•	Втяните 50 мл (Ущюбж) пробы из стакана в шприц
с помощь катетера и трубки
•	Поместите содержимое шприца во флакон, при-
держивая кончик трубки так, чтобы он находил
ся ниже поверхности жидкости
•	Закройте флакон резиновой пробкой и алюмини-
евым обжимом
•	Интенсивно потрясите склянку
rtULurridTK ZUOT^
of 346
2 01
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
4.7.3.3. Процедура измерения
Измерение расшрения объема в результате роста давления
во флаконе
а. Поместите градуированный шприц (или бюрет-
ку) в лабораторный стакан с водой.
h При помощи трубки соедините шприп с катете
р о м и иглу
с Убедитесь, что свободный конец шприца погру-
жен в воду
d Зафиксируйте значение объема в над жидкости ом
про стр анстве шприца Vo
е. Проткните резиновую пробку флакона иглой,
соединенной си шприцем
f Над жидкостное пространство в шприце увели-
чится
g. Доведите уровень воды в шприце до уровня во-
ды в стакане, чтобы нейтрализовать давление
столба воды (рис 4.4)
h Зафиксируйте новое значение объема в наджид-
костном пространстве шприца Vi.
1 Vi - Vo = V(, где Vs - расширение объема за счет
роста давления во флаконе
Рисунок 4.4. Измерение расшрения объема за счет роста давления,
вызванного высап^аниемрастворенных газов (фото van Dongen, 2015)
Измерение концентра щ»1 метана или оксида азота
в наджидкостном пространстве
Шприцем для газа возьмите пробу из наджидкостно-
го пространства флакона и измерьте ее с помощью
газового хроматографа, оснащенного пламенно-
ионизационным детектором в соответствии с мето-
дом применяемым для измерения метана
Измерение наджидюстного пространства
в лабораторном флаконе
а. Отметьте уровень насыщенной NaCl пробы во
флаконе
b Отметьте нижнюю границу резиновой пробки
с Удалите содержимое флакона и промойте ее
d Наполните флакон чистой водой до отметки
уровня жидкости
е. Зафик сируйте вес флакона Wo-
£ Добавьте во флакон чистую виду ди отметки
пробки
g Зафиксируйте вес флакона Wj
h (Wi-Wo) р = Унп, где р - плотность воды, a Vnn-
объем над жидко ста ого пространства флакона.
4734. Вычисления
Объем
v = vs+vEn
(4.3)
где V - расширенный объем нэджидкостаого про-
странства (м3); V5 - расширение объема за счет ро-
ста давления (м3), a VHn - наджидкистаое простран-
ство флакона до расширения (м3).
Количество метана
F V
и =---,
К Т
(4 4)
где п - количество метана в расширенном наджид-
косгном пространстве склянки (моль); Р - атми
сферное давление (Па); V - расширенный о бьем
наджидкостногс пространства (м3), R - универсаль-
ная газов ая постоянная: 8,314 м* Па/моль К, аТ-
темперагура (К)
Конце нтрация
'’пр-'бы
(4 5)
где С - концентрация (молярность), п - количество
метана в расширенном над жидкостном простран-
стве флакона (мель) и V^^- объем пробы (л).
4.7.4. Методика для измерения
растворенных газов методом очистки газа
47 4.1. Рабочий принцип
Данный метод был впервые предложен учеными
Матраеу ₽/ al (2015). При помощи устройства для
очистки газа можно веста непрерывный мониторинг
концентраций растворенных газов, например NjO
Неизвестные концентрации в жидкостях можно вы-
числять на основе газообразных концентраций, из
меренных в отходящих газах прибора для очистки
газа. Предложенный метод предполагает использо-
вание установки, состоящей из очистительной каме-
ры и камеры накопления загрязнений, как изобра-
жено на рис 4 5
Поток жидкой пробы непрерывно поступает из
реактор а в очистительную камеру с по стоянкой ско-
ростью Ql, при этом поддерживая в ней постоянный
LUrridUC Z.UUI v
of 346
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
2 О?
обьем жидкости VL Камера накопления загрязнений
представляет собой пустой сосуд для сбора загряз-
нений. улавливаемых из очистительной камеры.
В качестве газа для очистки посредством мелко-
пузырчатой аэрации с постоянней скоростью Qe
в очи с тате льн ой камере используют азот. Поток
исходящего газа из газоочистительного устройства
анализируется при помощи потокового анализатора.
Концентрация растворенных газов в реакторе,
ClrCO, вычисляется на основании измеренной кон-
центрации газа C^t), как следует из формулы (4 б)
с*«-
Q=[1+.Ql ?
Ql I а3 VL >
(4 6)
Реактор с истекающим
газом
QR

‘G.2
• Реактор
efiu
V*
•
V* * •
w • »
QJtJ
* Qj'ttlQj" ’» О
*0^0 С " » О
Ос
NJn
Реактор с
истекающей
ЖИДКОСТЬЮ
Истекающая жидкость
♦
Подсистема 1:
Жидкость +
пузырьки 1аза
Камера накопления
загрязнений
Очистительная
камера
.C.U)
Истекающий газ
Ос
,мч
» Vc,1
Vg.t
Входящим поток
жидкости
Q C«(t)
Подсистема?:
Наджилкостное '
пространство I

Реактор с аэрацией Реактор с входящим
потоком жидкости
Рисунок 4.5. Схема реактора (слева) и устройства дгя очистки гая (справа) для мониторинга растворенных газов (Mampaey а!, 2015)
Параметры а; и аз определяются в ходе теста на а
очистку газа В рамках такого теста очистительная
камера заполняется серией жидких проб, отобранных
из исследуемого реактора где происходит последу-
ющая очистка NjO при помощи N}. Таким образом,
профиль исследуемого газа CGj2(t) из прибора для
очистки газа можно описать через формулу (4 7)
CGi2(t)®al4-a2exp(-a3t)-a4exp(-a5t). (4 7)
Метод непрямого измерения растворенных газов
(Nad или других) с помощью газо ^чистительною
устройства является адекватным и применимым для
жидкой фазы как аэрируемых, так и неаэрируемых
ре актор ов/уело вий с учетом пространственных
и временных изменений Применение данного мето-
да к периодически аэрируемому реактору с частич-
ной нитрификацией (SHARON) описано учеными
Mampaey ?/ al. (2015). Ученые Castro-Barros st al
(2015) применили данный метод для одно ступени а-	г
того реактора анаммокс с частичной нитрификацией
с чередованием высокой и низкой аэрации В обоих
случая:: подход массового баланса, на котором ос-
нован метод измерения концентрации жидкого N2O,
позволяет определять скорость образования N2O
4.74.2. Оборудование
d
Детальная схема газоочистительного устройства
представлена на рис. 4.6, ино состоит из следующих
элементов
Очистительная к амер а градуированный пласти-
ковый цилиндр объемом 250 мл с аквариумным
аэрационным камнем для очистительного газа
и резиновой пребкой с 4 выходами (для подачи
очистительного газа, для выхода очистительного
газа, для забора жидкой пробы, для добавления
жидкой пробы) Жидкость помещается на дно
очистительной камеры рядом с аэрационным
камнем для интенсивного перемешивания. Из-
влекать жидкость следует на 10 см ниже уровня
резиновой пробки, что позволит обеспечить по-
стоянный объем жидкости VL=100 мл При
большем объеме жидкости повышается чувстви-
тельность прибора (К), ни снижается частота из-
мерений (или наблюдаемость быстрого измене-
ния конц ентраций).
Камера накопления загрязнений 2-лигровая ем-
кость для сбора загрязнений, улавливаемых из
очистительной камеры
Насос для жидких проб перистальтический
насос с трубкой с внутренним диаметром 3,1 мм
(Master flex L/S = 1 б), который обеспечивает ско
рость потока жидкости 85 мл/мин Для подачи
жидкости рекомендуется использовать как можно
более короткую трубку для подачи жидкости По-
вышенная скорость потока жидкости (Ql) приво-
дит к повышению чувствительности прибора.
Насос для жидкости: перистальтический насос
с трубкой с внутренним диаметром 6,4 мм (Mas-
terflex L/S = 17), который обеспечивает скорость
потока жидко ста 245 мл/мин
Л1ЖЛТ1ЛК ZJJO
of 346
101
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
е Очищающий газ необходимая скорость потока
очищающего газа (Qe) - 1,2 л N/мин Можно ис-
пользовать два варианта очищающего газа:
(1) баллон с газом N2, при этом для контроля ско-
рости потока очищающего газа (при 1,2 л N/мин)
можно использовать регулятор массового расхо-
да. и (и) атмосферный воздух. Для обеспечения
необходимой скорости потока газа (1,2 л N/мин)
можно использовать диафрагменный насос в со-
четании с регулятором массового расхода.
f Конденсационная колонн а/устансвка осушки
газа для удаления влаги из воздуха
g Трубки рекомендуется использовать неопрено
вые трубки, чтобы избежать диффузии О2
h. Устойчивый к погодным условиям корпус для
защиты электронной части установки
Измеренная
концентрация
газа
Рисунок 4.61 Схема га ж числите те. но го устройства
Газовая фаза измеряется с псмсщью специально-
го устройства, описанного в разд. 4 5.
4.74	.3. Тесгы на калибровку
Параметры ai и аз являются характеристиками при-
бора для очистки гав а и определяются в ходе теста
на очистку. В ходе теста очистительная камера за-
полняется сериямг жидкии проб (содержащих рас-
творенный N2O) из исследуемого реактора и проду-
вается очистительным газом (обычно N2) Наблюда-
емый профиль газовой фазы Ce2(t) из прибора
очистки газа можно описать с помощью двойной
экспоненциальной функции по формуле (4 8)
Рисунок 4.7. Пример теста на калиэровку с соответствием данных
CG>2(t) = a1+a2exp(^a3 t)-a4exp(-a5 t). (4 8)
Формула (4 8) аппроксимирована результатам
измерений для получения значений коэффициентов
Пример калибровки представлен на рис 4 7
Параметр ai .связан со скоростью превращения
(N2O) в очистительной камере и его концентрацией
в очистительном газе, параметр а3 связан со скоро-
стью межфазного переноса в очистительной камере,
а аз - с задержкой газа в камере для накопления за-
грязнений Точные значения данных параметров
мсжно найти в научных трудах Мamp аеу et al. (2015).
47.4	.4. Точность измерений
Чувствительность установки можно вычислить из
формулы (4.5). В данной установке точность пара-
метра C^t) составляет 0,03 г N/м3 Самые быстрые
измеряемые изменения параметра (Ci.R(t)) можно
представить в виде частоты отбора проб (£прОб)
и оценить с помощью формулы:
К= —аз
а3 + Г L Qg
^проб <a3+DL-
(4 9)
(4 10)
AUlUilldLK
of 346
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
В тесте на калибровку параметр а3 является экс-
поненциально убывающим членом формула (4 7),
Dl=Ql/Vl - скорость разбавления жидкости, Qs-
скорость потока и чистительного газа (84 мл/мин),
a VL - объем жидкости в очистительной камере
(100 мл)
4.7	4.5. вычисление скорости образования N?O
в газо очистите льном устройстве
В очистительной камере прибора может происходить
образование. N2O, что отражается в параметре aj
Скорость образования N2O в установке вычисляется
из формулы (4 11). Ср1> -концентрация Ы2О в свежем
очистительном газе, при отсутствии ПзО С®** 1» О
Rv = (а1 -Cg) ““
' VL
(4 И)
Скорость образования в пробе воды из резервуа-
ра вычисляется как сумма выбросов газа и измене-
ния растворенного Ы2О с помощью массового ба-
ланса по формуле (4 12):
Rv (t) = И + Выброс
(4 12)
4.8.	АНАЛИЗ И ОБРАБОТКА ДАННЫХ
4.8.1.	Определение потоков
Чистый поток газообразных N2O или СН4 (кг/м2 сут)
можно вычислить на основе скорости потока газа из
коллектора для отходящих газов (Qmfipcc, м'/сут),
концентрации газа (С, кг/м3) и площади сечения
коллектораSEIFC (А, м2) (формула(4 13))
—	'• гыЬрос
Поток =-----------.
А
(4 13)
Измерения потока необходимо скорректировать
с учетом стандартной температуры (20 °C) и давле-
ния (1 атм).
4.8.2.	Определение совокупных фракций
выбросов
Как было описано выше, локации, выбранные для
измерения газообразных и жидких концентраций N2O
и СН4, могут быть расположены рядом с входом не-
очищенных сточных вод и выходом ичищенных сточ-
ных вод в каждой выделенной аноксидной или аэроб-
ной зоне КОС или в местах, где образование этих двух
газов можно получить на основе данных начального
скрининга концентраций при различных переменных
процесса. Используя эти измерения в указанных ТОЧ-
КИ
ках и предположив, что данные измеренные концен-
трации являются универсальными для всей взятой
зоны, на основе следующего уравнения можно вычис-
лить выбросы из любой отдельной зоньг
Выбросы из i-й зоны КОС =
Выбросы из коллектора SEIFC х
х (Площадь i-й зоны/Площадь коллектора SEIFC).
Измерения выбросов необходимо выполнить по-
вторно в большом количестве зон любого исследуе-
мого очистного сооружения Таким образом общие
выбросы КОС вычисляются путем сложения выбро-
сов из каждой зоны, измеренных в течение 24
часового периода (как минимум) Перевести значе
ние поверхностного потока, вычисленного по фор-
муле (4 13), в значение потока отдельной зоны мож-
но путем умножения на площадь этой зоны Фрак-
ции выброса И2О (масса/масса) можно вычислить
для каждого КОС в любой момент, разделив изме-
ренный поток из каждой зоны КОС на суточный
ОаК в неочищенных сточных водах, согласно фор-
муле (4 14). Соответственно, для определения мета-
нанеобходимо измеренный поток разделить на ХПК
в неочищенных сточных водах. Обычно в случае
с фракциями выбросов находят их среднюю величи
ну за суточный период отборапроб и регистрируют
как среднее значение ± стандартное отклонение для
проб каждого отдельного процесса
F ходе каждого мероприятия такие параметры,
как концентрации исследуемых видов азота и ХПК
в очищенных и неочищенных сточных водах и био-
реакторе, измеряются одновременно около б раз
в сут, согласно «Стандартным методам» (АРНАе/ al,
2012) в дополнение к измерениям в газовой фазе.
Чтобы вывести фракции выбросов, описанные в фир-
муле (4.14), необходимо найти среднее значение дис-
кретных измерений
Фр акция выброс ов =
V^jUoTOKi/. Площадь, (ktN/j-N)
Суточный ОАК В НгОЧНЩеНИИ СТОЧНЫХ ВОдаХ|КГ-Н)
где noroKj - поток выбросов М2О, вычисленный для
1 й зоны (кг N2O-N м'-сут), Площадь! - площадь по-
верхности i-й зоны (м2), п - количество зон на КОС,
в которых измеряются потоки N2O и Суточный ОАК
в неочищенных сточных водах - среднесуточное со-
держание азота в неочищенных сточных водах (ско-
рость потока неочищенных сточньд: вод х концен-
трация ОаК в неочищенных сточных водах). Стоит
отметить, что данные вычисления отражают коэффи-
циент выбросов, вычисленный на основе дискретных
измерений NjO На КОС со значительными суточны-
ми колебаниями для учета таких колебаний применя-
ется комбинация фактических измерений в выбран-
ных зонах и результатов математического моделиро-
вания потоков NjO в о ставшихся зонах
Для метана можно использовать практически
идентичные уравнения с единственным: отличием
of 346
210
которое заключается в делении на общий ХПК
внеочищенньк сточньсг водах или, если примени-
мо, на скорость удаления массы ХПК.
В целом рекомендуется выполнять анализ пара-
метров сточных вод в каждой точке отбора проб,
а также в сточных водах на входе и на выходе из ре-
зервуара около б раз в сут. На КОС, где анализ пара-
метров выполняется реже (например, в пробах не-
очищенных и очищенных сточных вод), можно ис-
пользовать комбинированные измерения Также на
некоторых КОС в различных локациях резервуара
с активным илом для облегчения получения парамет-
ров сточнье: вод можно использовать приборы для
потокового анализа (для измерения pH, РК, окисли-
тельно-восстановительного потенциала (ОБП), и вы-
бранных видов азота, включая НН/ N и NO3 -N).
4.8.3.	Вычисление коэффициентов выбросов
Чтобы выполнить прямое сравнение результатов
различных кампаний по мониторингу отходящих
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
газов сп'Мощью подходов, предложенных Меж-
правительственной группой экспертов по измене-
нию климата ООН (IPCC) и Агентством пи охране
окружающей среды США (US ЕРА), необходимо
обобщить результаты данных кампаний с точки
зрения коэффициентов выбросов Такие коэффици-
енты можно вычислить путем деления общего по-
тока NjO или СН4 в реакторе на эквивалент скоро-
сти потока по численности населения (ЮС талло
нов/ЭЧН сут, или, согласно Агентству по охране
окружающей среды США, 2012, 378,5 л/ЭЧНсут).
Полученные потоки выбросов выражены в единицах
измерения соответствующих отчету Агентства по
охране окружающей среды США (г П2О или
СН4/ЭЧН сут). Несмотря на то, что динамическая
изменчивость выбросов отходящих газов КОС дела-
ет использование коэффициентов выбросов в кон
кретных точках (таких как коэффициенты, пред-
ставленные ЕРА и IPCC) несколько ограниченным,
дополнительный шаг в виде вычисления коэффици-
ентов выбросов может быть полезен для параллель
но го сравнения оценочных значений и фактических
измерений выбросов
Список литературы
Ahn, J.-H, Kim, S, Pagilla, К., Katehis, D. and Chandran, К
(2010a) Spatial and temporal variability in NrO generation
and emission from fall-sc ale BNR and non-BNR processes.
Water Envirorvnent Research 82:2362-2372
Ahn, JH, Kim, S, Park, H, Rahm, B, Pagjlla, К and
Chandran, К (2010b). NjO Emissions from Activated Sludge
Processes, 2008-2009 Results of a National Monitoring
Survey in the United States. Environmental Science &
Technolog}’ 44: 4505-4511
AFHA AWWA and WEF, Г2005). Standard methods for the
examination of water and wastewater. 22ы edition Eaton A.D,
C lesceri, L S , and Greeribet g A.E (eds) WashingtonDC
Castro-Barros CM, Daelman, M.R.J., Mampaey, KE, van
Loosdrecht M.C.M, Volcke, E.I.P. (2015) Effect of
aeration regime on N2O emission from partial nitritation-
anammox in a full-scale granular sludge reactoi, Water Res
68 793-803.
Daelman. M R.J, van V oorthuizen E M, van Dongen, U G.J M,
V olcke, E.I.P and van Loosdiechl M.C M, (2012). Methane
emission during municipal wastewater treatment Water Res
46 3657-3670
Daelman, M.R, de Baets, B, van Loosdrecht, MCM md
Volcke, E l (2013). Influence of sampling strategies on the
estimated nitrous oxide emission ftom wastewater treatment
plants. Water Re: 47(9): 3120-3130.
Daelman, M, van Eynde, T, van Loosdrecht, M.C.M,
V olcke, E.I.P (2014) Effect of Process de ago arid operating
parameters on aerobic methane oxidation in municipal
WWTP Water Res. 66, 308-319.
Foley, J, de Haas, D, Yuan, Z andLani, P (2010) Nitrous oxide
generation in full scale biological nutrient r emoval wastewater
tr eatm ent pl ants Water Res. 44(3) 831-C44
Gal'chenkoi, V F , Lein, AY rod Ivanov, M.V. (2004) Methane
content in the bottom sediments and water column of the
Black Sea. Microbiology 73(2): 211—223.
Gapes D, Ptatt, S, Yuan Z. arid Keller, J (2003j. Online titrimetric
tic and offgas analysis for examining nitnfication processes in
wastewater treatment Water Res 37(11) 2678-2690.
Helhnga, C, Vamolleghem, P, Van Loosdrecht, M.C M ind
He linen, JJ (1996). The potent al of off-gas analyses for
monitoring wastewater treatment plants. Water Sci Tech
33(1): 13-23
IPCC (2013). Climate Change 2013. The Physical Science Basis
Working Group I Contributionto the Fifth Assessment Report
of the Intergovernmental P anel on Climate C hange Chapter 8
Anthi op 0 genic and N atur al R adiative F orcing
Kampschreur, M J, Tan, N.C G, Kleerebezem, R , Ргсюгеапц, C ,
Jetten M.S .M. and vanLoosdi acht M.C.M. (2008ф Effect of
Dynamic Process Conditions on Nitrogen Oxides Emission
from a Nitrifying Culture Environmental Science and
Technology 42 429—435.
Kampschreur, M.J, Temmirik H, Kleerebezem, R, Jetten, MSM
and van Loosdrecht MCM. (2009). Nitre us oxide emission
during wastewater treatment Water Res 43.4093-4103.
Kampschreur, M.J, van der Star WR.L, Wieldets HA,
Mulder, J.W, Jetten M.S.M. and ж Loosdrecht M.C.M
(2008b) Dynamics of mtnc oxide and nitrous oxide emission
dur ing full-sc ale reject water tieatment Water Res 42:812-826
MULUilldUC
of 346
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
211
Kienbusch, M (1986) Measurement of Gaseous Emissions Rates
from L and Sutfaces using an Emission Isolation Flut
Chamber, U set's Guide, EP A Usets Guide. United States
Environm ental Pr election Age ncy
Klopfenstein Jr,R (1998) Au velocity and flow measurement
using a Pitot tube XS4 transactions 37(4): 257-263.
Mampaey, K.E , van Dongen, U G., «an Loosdrecht, MCM.,
Volcke, E I. (2015). Novel method for online monitoring of
dissolved NiO concenhations thtou^i a gas stripping device
Environmental Technology 36(13) 1680-1690
Melcet, H (1999). Methods for Waste water Characterization in
Activated Sludge Modelling Water Enviionment Research
Foundation, Alexandria, VA.
Puig S, van Loosdrecht, M.C.M., Colpnm, J, Meijer, SCF
(20081 Data evaluation of full-scale wastewater treatment
plants bymass balance Water Res. 42(18). 4645-4655
Piatt, S , Yuan, Z, Gapes, D., Dongp, M , Zeng R J and Keller, J
(20Q3) Development of a novel titration and off-gas analysis
(TOGA) sensor fot study of biological processes in wastewater
treatment systems Biotechnology and Bioengineering 81(41:
432-495
Rapson TD, Dactes, H (2014). Analytical techniques for
measuring nitrous oxide. TrdC Trends in Analytical Chemistry.
54 65-74
Rie^r, L, Gillot, S, Langergaber, G., Ohtsuki, T., Shaw, A,
Так, I. and Winkler, S. (2012). Guidelines fot using activated
sludge models Water Intelligence Online, 11, 978178 0 401164
Tata, P., Witherspoon J and Lue-Hing C (Eds). (2003) VOC
Emissions from Wastewater TreatmentF lants Lewis Publisher^
Boca Raton, FL.
USEPA. 2012. Inventory of U S Greenhouse Gas Emissions and
Sinks: 1990-2006, EF A 430-R-08-005 Washington, D C.
Weiss, R.F (1981). Determinations of carbon dioxide andmethane
by dual catalyst flame ionization chromatog aphy and nitrous
oxide by electron capture chromatography Journal of
Chromarog'-qshic Sc ience 19(12) 611 -61
of 346
112
lurriauc z.uur v
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
of 346
5
РАБОТА С ДАННЫМИ
И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
Авторы:
Gurkan Sin
Krist V. Gernaey
Редакторы
Sebastiaan C.F. Meijer
Juan A. Baeza
Редактор русскоязы много текста
Батуев Станислав Павлович
5.1.	ВВЕДЕНИЕ
Моделирование является сдним из ключевых ин-
струментов современных специалистов, инженеров
и исследователей в области очистки сточных вод
Оно позволяет изучать и понимать сложные биологи-
ческие, физические и химические процессы, некото-
рых основана работа очистных сооружений, в раз-
личных временных и пространственных масштабах.
На действующих канализационных очистных
сооружениях (КОС) важную роль в инструментарии
для проектирования процессов приобрело модели-
рование с использованием концепции модели ак-
тивного ила (ASM) (e.g Henze ef al., 2000). Оно
применяется при проектировании КОС, схемах его
работы, оптимизации систем контроля Модели ак-
тивно используются при принятии решений по ком-
плексным вопросам, включая выбор процесса или
технологии для модернизации, а также при утвер-
ждении стратегий контроля и оптимизации (Gernaey
et al., 2014, Mauricio-Iglesias et al, 2014; Vangsgaatd
et al., 2014, Bozkurte1/ al, 2015)
Модели являются неотъемлемой частью ком-
плексного анализа и интерпретации данных, полу-
ченных в ходе различных лабораторных экспери-
ментов и пилотных исследований, направленных на
изучение характеристик и работы очистных соору-
жений Благодаря использованию различных мето-
дик оценки параметров модели помогают дать объ-
яснение различным кинетическим параметрам тех
или иных групп микроорганизмов и их активности
на канализационных очистных сооружениях (КОС).
Оценка параметров является ключевым элементом
построения и применения модели (Seber and Wild,
1989, Ljung, 1999; Ejochain and Vanrolleghern, 2001;
Ornlin and Reichert, 1999, Brun et al., 2002, Sin et al.,
2010), в широком смысле ее можно определить сле-
дуюши м о бр азо м:
Оценка всех или нескольких параметров модели
с использованием соответствующего статистиче-
ского метода на основе конкретной модели и набо-
ра данных/измерений, полученных из эксперимен-
таль ной уст ановки
Ключевой темой данной главы является обеспе-
чение набора инструментов и методов, необходимых
для оценки кинетических и стехиометрических пара-
метров процессов очистки сточных вод на основе
данных, полученных в ходе тестов на активность
биомассы Такие методы и инструменты обычно
предназначены для практического применения, т. е.
для консультантов, инженеров и специалистов. Кро-
ме того, они могут быть полезны в подготовке буду-
щих спеииалистов и служить основой для выполне-
ния научных исследований учеными, желающими
расширить теоретическую часть своей работы Что
касается выбора моделей для интерпретации экспе-
© Гюркан Сии, Крист В Герней, 2020
©Томским государствен ьй арлп-екцрно-стриигельгыи университет (перев i д, о форм ление), 2020
of 346
114
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
р и ментальных данных, то настоящая глава включает
описание моделей, представленных в научной лите-
ратуре и основанных на принципе модели активного
ила AMS и ее соответствующих дополнениях (Henze
etal., 2000).
Представлен обзор наиболее часто применяемых
методов оценки параметров по экспериментальным
данным, а именно (i) обработка и валидация дан-
ных, (и) ' ценка параметров оценка методом макси-
мального правдоподобия (ММП) и бу тс треп-мето-
дом (in), анализ неопределенности распространение
линейной ошибки и метод Монте-Карло и (iv) ана-
лиз чувствительн ости и идентифицируемости
5.2.	ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ
5.2.1.	Обработка и валидация данных
5.2.11.	Системный анализ данных
биологических процессов
Большинство процессов в активном иле можно изу-
чать с помощью упрощенных стехиометрических
моделей, которые строятся на описании метаболиз-
ма по принципу «черного ящика» с использованием
данных о концентрации веществ (загрязнителей)
и продуктов, например, СОа, побочные окисленные
соединения азота и т. д Концепция модели активно-
го ила AMS (Henze et al., 2000) также основана на
описании аэробной и аноксидной гетеротрофной
активности, нитрификации, гидролиза и процессов
распада по принципу «черного ящика».
Ниже представлена общая формулировка модели
стехиометрии процесса, описывающая конверсию
субстратсв в биомассу и продукты метаболизма (для
углеродного метаболизма):
СН2О +YsoO2+YSHNH3 —»
YsxX + YscCO2 + YSP1r) + Ys WH2O. (5 1)
Формула (5 1) представляет упрощенный вид
сложной метаболической «структуры» клеточной
активности в виде одного соотношения Данная
упрощенная реакция позволяет вычислить параметры
выходов в процессе, такие как Y30 (выход кислорода
на единицу субстрата), Ysn (выход азота на единицу
субстрата), Ysx (выход биомассы на единицу суб-
страта), Ysc (выход СО2 на единицу субстрата), Y^j
(выход промежуточного продукта Pj на единицу суб-
страта) и Ysw(выход воды на единицу субстрата).
Коэффициенты данного уравнения выведены на
основании одного С-моля углеродного субстрата
Сюда входят выход биомассы - Ysx выходы погло-
щения субстрата (аммония) - Ygj, выходы поглоще-
ния кислорода - Yso, выход выработки СО2 - Ysc
и выход воды - Ysw. Биомасса X также записана на
основе 1 С-моля и имеет следующий принятый со-
став СН»ОьЫс Данный состав можно определить
экспериментальным путец характерным значением
является CH^Oo^Ng^ Некоторые коэффициенты
выхода также можно измерить в ходе эксперимента
на основе измеренньк скоростей поглощения и об-
разования компонентов в процессе
(5 2)
ri Tj
где qx - объемная конверсия?скор ость образования
компонента 1, т е масса компонента i на единицу
объема реактора за единицу времени (Масса 1/Объ-
ем/Время), rt - измеренная скорость образования
массы компонента! за единицу времени на единицу
веса биомассы (Масса i/Время/Масса биомассы);
Yjj- это выход компонента i на единицу компонен-
та) В случае с биомассой X будет иметь место
удельная скорость роста р.
(5.3)
X
Одно из преимуществ использования данной
стехиометрии процесса заключается в возможности
установления элементных балансов С, Н, N и О
и подтверждении баланса стехиометрии процесса
Для стехиометрии процесса приведенной в формуле
(5 1), будет сохраняться следующий элементный
баланс углерода при условии измерения всех соот-
ветствующих выходов
С-баланс -l + YSx + 4;с + Ysr^. (5.4)
Подобно углеродному балансу, можно также
обеспечить баланс для азота, кислорода и водорода
Обычно в исследованиях биологических пр цессов
коэффециент выхода воды Yg^- не принимается
в расчет, т к образование воды ничтожно по срав-
нению’ с высокими значениями расхода которые
наблюдаются на КОС По этой причине в сфере
очистки сточных вод балансы водорода и кислорода
и стехиометрия процесса обычно не замкнуты. Од-
нако баланс степени восстановления в стехиометрии
процесса очистки сточных вод является замкнутым
На данном принципе основана модель ASM Баланс
степени восстановления является важным показате-
лем, т к. большинство биологических реакций под-
разумевает наличие химических конверсий окисли-
тельно-восстановительного типа в метаболических
активностях.
5.2.12	Анализ степени восстановления
Под воздействием биологического процесса будет
происходить конверсия субстрата т е. переход на
метаболическую схему, в продукт, находящийся
в окисленном или восстановленном состоянии отно-
сительно субстрата Для выполнения окислительно-
восстановительного анализа биологического про-
of 346
РАБОТА С ДАННЫМИ И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
214
цесса необходим метод, позволяющий вычислить
окислительно восстановительный потенциал суб-
стратов и продуктов
В модели ASM и других биотехнологических
принципа:: (Heijnen, 1999; Villadsen et з!, 2011)
применяется следующая метод; логия:
1.	Определите стандартное окислительно -восстано-
вительное состояние элементов баланса, обычно
это С, О, N, S и F
2.	Выберите Н2О, COj, NHj, H2SO4 и Н3РО4 в каче-
стве референтных нейтральных соединений для
вычисления редок с-с о стояния элементов О, С, 14,
S и Р, соответственно Кроме того, единица окис-
л ительн о -е о с стан овитель н о го по тенци ала о пр ед е -
ляется как Н = 1. С учетом обозначенных крите-
риев получены следующие степени восстановле-
ния для перечисленных выше элементов О = -2,
С = 4,14=-3, S = би Р = 5.
3.	Вычислите окислительно-восстановительный по
тенциал субстрата и его продуктов, используя
стандартные значения ред оке-по тенци ал а элемен-
те в, ук аз ан ных вь пие Ни же пр ив еде ны н еко то р ые
примеры.
а. Глюкоза (СбН120в): 6 4+12	1 + б(-2) =
= 24 Степень восстановления глюкозы на
1 С-моль становится следующей: yg = 24/6 =
= 4 моль е'/С-моль
b Уксусная кислота (С2Н4О2) 2-4 + 4 1 + 2 х
х(-2) = 8 Степень восстановления НАс на
1 С-мель становится следующей у4 = 8/2 =
= 4 моль е7С-моль
с Пропионовая кислота (СзНбО2) 3 4+6 1 +
+ 2(-2) = 14 Степень восстановления НРг на
1 С-мсль становится следующей: ур = 14/3 =
= 4,67 моль е /С-моль
d. Этанол (С2НбО): 2 4+6 1 + 1(-2) = 12
Степень восстановления НАс на 1 С-моль
% =12/2 = 6 моль е7С-моль
4	Выполните баланс степени восстановления дан-
ной стехиометрии пр оцесса (пример 5.1).
Пример 4.1. Элементный баланс и анализ стелет восста-
нем ле я для аэробного омеле жя тмжозы
Общая стехиометрия процесса аэробного окисления
глюкозы в биомассу имеет следующий вид
СН2О +YsoO2-b YshNH3 YsxX+ YscCO2 (5 5)
Учитывая, что биомасса X имеет состав
CH1?Q0j5N0;i, степень восстановления биомассы вы-
числяется с учетом аммония в качестве источника
азота, поэтому степень окисления азота равна -3, ух
4 1,8 + 0,5(-2) + 0,2(-3) =4,2 моль е’/С-моль
Теперь можно получить балансы углерода (5 6),
азота (5 7) и баланс степени восстановления (5.8)
для стехиометрии процесса
- баланс углерода
-1 + Y$x + -sc ~ ’	(5-6)
- баланс азота:
-Y:n+0,2Ysx = 0;	(5.7)
-окислительно-восстановительный баланс:
-1'Kg _YO2Y3O “VnH3YSN + Yx^SX + 'KC02YSC =
-lyg - Уо2^6о + Yx^SX “°  (5.8)
В данных уравнениях массового баланса 4 неиз-
вестных (Y^, Yso, YSx Ysc). При наличии трех
уровней для вычисления остальных неизвестных
потребуется только одно измерение выхода. К при-
меру, в модели ASM значение прироста бис массы
обычн-' измеряется или принимается как неизвест-
ное; поэтому остальные значения выходов можно
вычислить следующим образом
Выход СО2 YSc=l-Ycx (5.9)
Выход ]]Н3 YSN=O,2YSX. (5 10)
Выход Оз :YS0 =	_4-4.’2Ysx И)
4
При использовании этих коэффициентов модель
стехиометрии процесса поглощения 1 С-моль глю-
козы принимает следующий вид
СН2О + 4 4' -С2 + 0,2Ys XNH3 ->
4
->Y!xX+(l-Ysx)CO2 (5 12)
В рамках модели ASM стехиометрия процесса
вычисляется с использованием единицы биомассы
в качестве эталона. Поэтому коэффициенты из (5 12)
можно записать следующим образом
1	4-4,2Y.y
---СН2О +-------—О2 + 0,2NH3
Ysx	4Ysx
Ysx СО2
k rsx J
(5.13)
Перевод единиц из количества на моль углерода
в граммах химического потребления кислорода
(ХПК), которые используются в модели ASM, осу-
ществляется с использованием О2 в качестве эта-
лонного соединения Соответственно 1г ХПК опре-
деляется как -1 г О2 Исходя из степени восстанов-
ления кислорода, конверсия в ХПК из одной
единицы окислительно-восстановительного потен-
циала (моль е ) рассчитывается следующим образом
Молекулярный вес О2 _MW02_
Сте пе нь во останов ле ния О2	у0 2
32
= — = 8 г ХПК / л моль е	(5 14)
Для перехода единиц из количества на моль угле-
рода в граммах ХПК окислительно восстановитель-
ный потенциал биомассы следует умножить на сте-
пень восс г ано вл ^ния субстрата следующим образом
of 346
HI
моль ё If г ХПК ]	„ г ХПК
------ -------- -т«8-------
С-моль Д моль » ) С-моль
(5.15)
5.2.1.3.	Проверка соответствия
экслериментальн ых дан ных
Важность составления элементны:: балансов на ос-
нове экспериментальных данных по биологическим
процессам очевидна и включает подтверждение со-
ответствия данньп: первому закону термо динамики
о сохранении энергии (е виде вещества, тепла, пр.)
Главным и очевидным условием составления эле-
ментных балансов является проверка корректности
мсдели Данные, полученные в ходе эксперимента
необходимо проверить на наличие погрешностей
при измерениях, которые могут появляться ввиду
некорректной настройки или работы инструменте'в,
оборудования и/или сенсоров
Несоответствия данных могут быть выявлены по
сумме элементов, из которых состоят субстраты, по-
глощаемые в ходе реакции (например, глюкоза ам-
моний, кислород и т д.). Она дол жна быть равной
сумме элементов (продуктов), полученных в резуль
тате реакции (см также формулу (5 4) по углеродно-
му балансу). Отклонение от такого элементного ба-
ланса указывает на некорректное описание системы,
несоответствие модели и шли ошибки в измерениях
Кроме элементных балансов, баланс степени вос-
становления дает информацию о тощ все ли добав-
ленные соединения являются подходящими с учетом
выбранной схемы и нет ли в стехиометрии процесса
недостающи:: соединений Такая проверка очень по-
лезна и обеспечивает соответствие биоэнергетиче-
ским принципам биологических процессов (Roels,
1980, Heijnen, 1999; Villadsen et al., 2011)
Такие проверки на соответствие и элементные
балансы (наряду с балансом зарядив) являются ча-
стью модели ASM и служат в качестве матриц для
проверки внутренних соответствий коэффициентов
прироста биомассы (Henze et al, 2000)
Для проверки соответствия полеченных в ходе из-
мерения данных элементный состав и степень восста-
новления можно систематически определять при по-
мощи следующего универсальною уравнения баланса
N	м
^.^Si+	— 0-	(5 16)
j=l	J=1
Уравнение, приведенное выше, составлено для
биологического процесса с участием субстрата N
и продуктов метаболизма М В уравнении е - эле-
ментный состав (С, Н, О и N) компонента, q - объ-
емная скорость образования (или поглощения) для
субстратов (qSj), биомассы (q*) и продуктов обмена
веществ (qpj). Отсюда элементный баланс можно
записать так
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Е q = 0	(5.17)
В данном уравнении Е - матрица, столбцы кото-
рой обозначают каждый сохраненный элемент
и свойство, например, С, Н, О, N, у и т.д Каждая
строка матрицы Е содержит значения сохраненных
свойств субстратов, продуктов и биомассы; q - век-
тор-столбец, включающий измеренные значения
объемных скоростей для каждого соединения Это
может быть субстрат, продукт и биомасса
Общее число столбцов матрицы Е равно числу со-
единений, которые в свою очередь представляют со-
бой сумму субстратов (N), продуктов (М) и биомассы,
те N + М + 1 Общее число ограничений - 5 (С, Н, О,
N и у) Это означает, что число степеней свободы, ко-
торое необходимо измерить или указать для расчета
скоростей, мс лото выразить так N + М- 4.
Обычно в ходе экспериментов измеряются не все
скорости Поэтому предположим, что qm - набор
измеренных объемных скоростей, a qu - набор неиз-
меренных скоростей, которые необходимо вычис-
лить В таком случае (5 17) можно записать следу-
ющим образом
4,—(Eu)'*E„q„-0.	(5 18)
При условии, что существует обратная матрица
Ех (detfEj Ф 0), вычислить или оценить неизмерен-
ные скорости в биологическом процессе можно
с помощью (5.18). Такие приближенные значения
скоростей сами по себе имеют ценность, также они
могут применяться в целях проверки достоверности
даннвтх, если доступны избыточные измерения Ил-
люстрация системного метода проверки соответ-
ствия данных представлена в примере 5.2.
Все представленные вычисления помогают про
верить и подтвердить соответствие даннвтх, получен-
ных в ходе эксперимента, и измерений технологиче-
ского выхода Теперь данные могут использоваться
для дальнейшего кинетического анализа и оценки
параметр ов.
5.2.2.	Оценка параметров
Для описания необходимой системы стоит обра-
титься к модели пространства состояний Предпо-
ложим. что у - вектор выходных данных, получен-
ных из динамической модели f с использованием
вектора параметров 0, и - вектор исходных данных;
х - пер еменные с о стояния.
— = f(x, 6, u, t), x(0) =x0 ;
dt
y= g(x, 9, u, t)	(5 19)
Данное уравнение описывает систему (экспери-
менталвную установку или канализационные очист-
миилтитп zcn
of 346
РАБОТА С ДАННЫМ/1 И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
21?
ные сооружения) с помощью связанный обыкновен-
ных дифференциальных уравнений и алгебраиче-
ской системы уравнений с представлением в про-
странстве состояний.
Тогда постановка задачи для оценки параметров
звучит следующим образом оцените неизвестные
параметры модели (9) для заданного набора измере-
ний (у) с учетом погрешности при выполнении из-
мерений в конкретной системен заданной структуре
модели, представленной в формуле (5.19).
5.2.2.1.	Ручной метод проб и ошибок
Данный метод не имеет формальной научной осно-
вы, за исключением практической мотивации созда-
ния корректной модели, правильно описывающей
изменение измерямых величин Он работает следу-
ющим образом: пользователь выбирает один пара-
метр из набора и немного меняет его значение (уве-
личивает или уменьшает в пределах его нормально-
го значения) до тех пор, пока модель не придет
в соответствие с данными измерений Этот процесс
можно воспроизвести для другого параметра. Под-
гонку можно завершить по достижении желаемой
степени соответствия модели с результатам! Часто
это определено практическими и/или временными
ограничениями, поскольку такая процедура никогда
не приводит к оптимальному соотношению модели
и результатов измерений Кроме того, можно полу-
чить множество различных наборов значений пара-
метров, которые могут не иметь физического смыс-
ла Успех данной процедуры часто зависит от опыта
создателя модели в выборе нужных параметров д.чя
соответствия определенным аспектам измеряемых
данных. И хотя такой подход зачастую не является
объективным и оптимальным, все же он широко
применяется в промышленности, образовательной
и н аучной среде
Практические проблемы качества данных не все-
гда позволяют точно определить те или иные пара-
метры. Также не все (готовые) программные ком-
плексы по моделированию обеспечивают подходя-
щие статистические методы для опенки параметров.
Существуют автоматизированные процедуры д.чя
калибровки модели с помощью алгоритмов, таких как
техника статистического выборочного контроля, ал-
горитм оптимизации и т. д. (Sm et al, 2008). Однако
такие процедуры нацелены на получение нужного
уровня соответствия экспериментальных данных и не
всегда позволяют определить или оценить тот пли
иной параметр по набору данных. Это объясняется
те ад что для опенки параметров требуется о пр еде
ленное знание и применение статистической теории
5.2.2.2.	Формальные статистические методы
Подходы к решению данной задачи можно грубо
разделить на ручной метод проб и ошибок и фор-
мальные статистические методы. В данном подходе
используется соответствующая статистическая ос-
нова, с помощью которой задача формируется
и затем решается математическим путем с примене-
нием необходимых стратегий численных решений,
т. е алгоритмов минимизации или генерации вы-
борки В данной категории обычно используются
следующие статистические основы
а Частотный подход к вероятностям (максималь-
ная вероятность, метод наименьших квадратов,
не,линейная регрессия и т. д ).
Ь Байесовский подход (алгоритм Мегрополиса
Гастингса, метод Монте-Карло с цепями Марко-
ва (МСМС), выборка по значимости и т д ).
с. Прагматический/гибридный подход (применение
элементов обеих школ, например, метод раз-
множения выборок (бутстреп-метод), отбор по
методу Монте-Карло пт д)
Данные статистические методы являются одни-
ми из наиболее распространенных и рекомендован-
ных применительно к нашей теме. В частности, мы
остановимся на частотном подходе и бутстреп-
методах, т. к они наиболее соответствуют целям
данной главы
Частотный подход к вероятное тям-
теория маю шильного трав до подобия
В задачах на оценку параметров обычно вводятся
статистические оценки 0 для отличия их от действи
тельных параметров модели b В контексте стати-
стической оценки параметры модели определяются
как неизвестные, а для определения их реальных
значений используются статистические методы
Разница обычно невелика но она является важным
показателем для понимания и интерпретации ре-
зультатов оценки параметров независимо отисполь-
зуемьЕ методов
Метод максимального прав доп одобия представ-
ляет собой обобщенную методику нахождения стати-
стических оценок 8 на основе заданного набораизме-
рений у В данном подходе модельные параметры 8
рассматриваются как реальные постоянные величи-
ны, а соответствующие им статистические оценки-
как случайные переменные Причиной этому являет-
ся зависимость статистических оценок от измерений,
которые в свою очередь представляют собой стоха-
стический процесс
у= f(e)+e,	(5 20)
где eccN(0, о)
Погрешности в измерения:: s определяются при
помощи распределения правдоподобия например,
стандартное распределение азе та с нулевым средним
и стандартным отклонением (а) Учитывая данные
предположения функцию правдоподобия (L) для
оценки параметров можно представить в следующем
виде (Seber and Wild 1989)
of 346
HI
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
L (у, б) = - i exp
_(y-f(0))f
2c2
(5.21)
Наиболее вероятное прогнозируемое значение 9
определяется как значение параметра, при котором
ф ункция праЕдоподобиядос тигает мак с и мума:
й min9 Li у, 9)
(5 22)
Решение для данной постановки задачи (5 24) ча-
сто находят при помощи таких опгимизационных
алгоритмов, как метод внутренней точки, генетиче-
ские алгоритмы, симплекс-метод, алгоритм имитации
отжига и т. д. Значения параметров, полученные
в результате вычислений наибольшего правдоподобия
(5 21), совпадают со значениями параметров при вы-
числении минимальной функции стоимости в (5.23).
Метод нам ж ibuinx квадратов
Данный метод представляет собой частный случай
метода наибольшего правдоподобия, в рамках кото-
рого измерения считаются независимыми и одина-
ково распределенными с погрешностями в измере-
ниях в пределах стандартных отклонений а (по
Гауссу). Функция правдоподобия становится экви-
валентом минимизации следующей (целевой) функ-
ции стоимости S(y, 0) (Seber and Wild, 198*5).
S(y, e)=S^y~y^ ,	(5.23)
где у - набор измерений, f (0 ) - соответствующие
прогнозируемые значения на основе модели и £-
типичное отклонение погрешностей измерения Це-
левая функция (5.24) решается с помощью алгорит-
мов минимизации (например, метод Ньютона, гра-
диентный спуск, метод внутренней точки, метод
Нелдера - Мида, генетический алгоритм и т. д ).
6:	tnitij S(y, 6);
^S(y. e)t-0	(5 24)
Решение такой оптимизационной задачи обеспе-
чивает наиболее точную оценю' значений парамет-
ров. Следующим шагом является определение каче-
ства статистических оценок Для этого необходимо
оценить доверительный интервал значений пара-
метра и привести парную линейную корреляцию
между эти ми п ар аметр ами
Коварна цис иная матрица статиетичесшхоце юк
В результате стохастических измерений статистиче-
ские оценки приобретают степень неопределенности
В рамках частотного подхода вероятность определя-
ется относительно частоты появления тех или иных
результатов. Таким образом, в данном методе не-
определенность статистических оценок определяется
в рамках 95%-го доверительного интервала, что
представляет собой отрезок, на котором сосредоточе-
ны 95 из 100 значений статистических оценок пара-
метра. Иными словами, при выполнении 100 одина-
ковых измерений и последующей оценке параметров
на основе 100 полученных наборов данных наблюда-
ется следующее 95 оценочных значений принадле
жат доверительному интервалу и 5 значений лежат
вне данного интервала
Для оценки доверительного интервала сначала
требуется оценить ковариационную матрицу (cov(0 )),
в которой содержится полная информация о неопре-
деленности статистических оценок параметра. Одним
из способов получить значения (cov(0 )) является ме-
тод линейной аппроксимации с оценкой матрицы
Якоби (F) для задачи по оценке параметров (Seber and
Wild, 1939):
cov'^ = s2(F' F)-1,	(5 25)
sf(e)
где F. = — — o s ; s - несмещенн ая оценка <Г,
36	0=0
полученная на основе остатков прогнозируемых
значений параметров:
S2
(5 26)
Здесь п - общее количество измерений, р - количе-
ство оцениваемых параметров, п - р - степени сво-
боды, ЗциДу, - минимальное значение целевой
функции и F. - матрица Якоби, которая соответ-
ствует производной первого порядка модельной
функции f по вектору параметра 0, определенного
при 0=0
Ковариационная матрица представляет собой
квадратную матрицу с размерами (рхр). Диагональ-
ные элементы матрицы обозначают статистические
опенки, а недиагональные элементы - ковариацию
любой пары статистических оп енок.
Теперь можно произвести аппроксимацию 95 %
доверительного интервала статистических оценок.
Принимая большое значение п, доверительные ин-
тервалы^. е. разница между статистическими оцен-
ками и реальными измеренными значениями пара-
метр с в) соответствуют t-распределению при уровне
значимости доверительного интервала 1 00 (1 - а) %
61_a = e±tH2pJdiag cov(e),
(5 27)
где ty _р - верхний процентиль а/2 t-распределения
с N-p степенью свобод a diag cov(o) -диагональные
элементы ковариационной матрицы параметров.
Парную линейную корреляцию между статисти-
ческими оценками (R^) можно найти в результате
MULUilldUC
of 346
РАБОТА С ДАННЫМИ И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
21!
вычисления корреляционной матрицы с приведени-
ем к стандартному виду единиц ковариационной
матрицы:
cov^6- 6, )
Rj-	7	(5 28)
%
Данная линейная корреляция принадлежит про-
межутку [-1 1] и указывает, является ли оценочное
значение параметра исключительно идентифициру-
емым (при низком значении коэффициента корреля-
ции) или коррелированным (при высоких значениях
коэффициента корреляции)
Бутстре п-нетод
Одним из ключевых условий при использовании ме-
тода максимального правдоподобия (ММП) и его
упрощенной версии, нелинейного метода наимень-
ших квадратов, является предположение, что базовое
распределение погрешностей соответствует нормаль
ному (гауссовскому) распределению Однако на
практике данное условие выполняется редко Поэто-
му теоретически для оценки параметров метод ММП
не может применяться без соответствия данным
предположениям что, в свою очередь, может приве-
сти к переоценке или недооценке погрешностей
оценки параметров и их ковариационной структуре
Альтернативой данному подходу является бут-
стреп-метод, разработанный ученым Б Эфрсном
в 1979 г., который исключает предположения о соот-
ветствии остатков прогнозируемьк значений нор
мальному распределению. В данном методе применя-
ется реальное распределение погрешностей измере-
ний, которое затем распространяется на погрешности
в оценке параметров при помощи схемы метода Мон-
те- Карло (рис 5 1).
Рисунок 5.1. Иллюстрация принципа работы бутьтреп-мьтода: синтетические наборы данных, полученные на основе выборок по методу Монте-Карло
(случайная выборка с заменой) из контрольных оценок наибольшего правдоподобия Цпя каждого набора данных проводится одинаковая процедура
оценки с М-м ко личестъо м различных наборов о цен о к пар а метро в. 0s(ii, 0spj, 0s(w
В рамках бу тс треп-мето да используется набор
исходных данных D(0) с его N м количеством зна-
чений для генерации любого количества наборов
синтетических данных Г "(1), DS(2), . , также с N м
количеств ом данных Процедура заключается в по-
лучении N-rc количества данных с помощью замен
из набора D(0). В результате замен получаем набо-
ры, в которых случайная доля исходных измерен-
ных значений, обычно 1/е = 37 %, повторно замене-
на на исходные значения Данный принцип пред-
ставлен на рис 5.1.
Для применения бутстреп-метода при оценке па-
раметров в сфере очистки сточных вод требуется его
доработка ввиду особого типа данньп: во временных
рядах Таким образом для выборки используются не
исходные данные (которые представляют собой вре-
менные ряды и выявляют определенную тенденцию1).
Выборку выполняют из погрешностей прогнозируе-
мых значений, затем ее добавляют к результатам
имитационной модели, полученнымна основе оценки
контрольного параметра (рис 5.1). Такой подход
уместен, поскольку погрешности измерений оцени-
ваются как стохастический процесс, обусловленный
биологическими процессами/механизмами, и их не-
возможно предсказать при измерении данных Ниже
описана теоретическая основа бутстреп-метода с уче-
том перечисленных особенностей
Определим простую нелинейную модель-, где у,-
i-e измерение, f^-i-й модельный прогноз, 0 - вектор
параметра (длиной р), и погрешность в измере-
нии ух:
yi = f(9) + si>	(5.29)
где е. со р
Распределение погрешностей F не известно, в от-
личие от опенки наибольшего правдоподобия, для
которого распределение принимается априори Для
оценки 0 следует выполнить минимизацию пс мето-
ду наименьших квадратов с заданным значением у
6 nuney-f । 6)“	(5 30)
of 346
120
Методом бутстреп-анализa F определяется как
распределение вероятностей выборки s следующим
образом:
F = — (плотность)	(5 31)
п1'И51 = (У1-^(е)) 1 = п
Плотность представляет собой вероятность i-ro
наблюдения При равномерном распределении к аж
дое наблюдение (в данном случае погрешность
в измерениях с,) имеет равную вероятность нас гупле-
ния таким образом, плотность оценивается из отно-
шения 1/п Тогда выборка по бут стрел-методу у*,
с учетом (6,F), формируется следующим образом'
* с (сЛ *
yi = fi(e) + e1.
(5 32)
где s* ocF
Моделирование погрешностей измерений в каж-
дом бутстреп-методе, s’, выполняется с помощью
случайной выборки с заменой из исходных остатков
прогнозируемых значений, что дает каждой точке
одинаковый (вероятностный) вес. Выполнив М-е
количество случайных выборок с заменой и затем
добавив их к результатам прогнозирования на осно-
ве модели (5 31), получаем новый набор синтетиче-
ских данных: D (1) = у’.
М наборов данных генерируются посредством
повторения описанной процедуры случайных вы-
борок М раз 1/(1), Ds(2), Ds(3), .. DS(M) Каждый
набор синтетических данных, D'<j), позволяет по-
лучить новое оценочное значение параметра 6 (j)
с помощью того же метода наименьших квадратов
с повторением М раз
min0Ds(j)-f(6) ,	(5 33)
где] = 1, 2, М
В результате данной итерации получаем матрицу
оценочных значений параметра 0 (М р) (М - чис-
ло выборок синтетических данных, полученных по
методу Монте-Карло, р - количество оцениваемых
параметров) Поэтому для каждого оценочного зна-
чения параметра теперь имеется вектор-столбец со
значениями Вектор значений можно изобразить
в виде гистограммы и интерпретировать при помо-
щи общих параметров частотного подхода, таких
как среднее, стандартное отклонение и 95%-й про-
центиль. Корреляционную матрицу и матрицу кова-
риации можно вычислить, используя 0 (М  р). Та-
кой способ является эффективным и обеспечивает
всю необходимую информацию о качестве оценоч-
ных з н ачен ий п ар аме тр а.
Результаты для погрешностей в измерениях со
стандартным распределением при использовании
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
метода оценки максимального правдоподобия и бут-
стреп-мето да в сущности будут одинаковыми Одна-
ко если исходное распределение измерений имеет
значительные отклонения от стандартного распреде-
ления, использование бутстреп метода позволит вы-
полнить более детальный анализ доверительного ин-
тервала оценочных значений.
5.2.3.	Анализ неопределенности
5.23.1 Лин ейн ое распространен ие погреши остей
При линейном распространении погрешностей для
построения модельных прогнозов и вычисления
стандартных погрешностей и доверительньгх интер-
валов статистических оценок параметр ов использует-
ся ковариационная матрица оценок cov(0) Поэтому
ковариационную матрицу прогнозных значений на
основании модели, cov(y), можно оценить, используя
соу 0 следующим образом (Seber and Wild, 1989):
cov(y)=(F' F )cov (0) i'F' F.) 1	(5 34)
Подобным образом можно дать примерную
оценку доверительного интервала 1-ot прогнозных
значений у.
У1-« = у ± tу Тр diag cov( у).	(5 35)
На этом оценку параметров, доверительньгх ин
тервалов и неопределенности прогнозов с точки
зрения частотного анализа можно завершить
5.2.32. Метод Монте-Карло
Изначально метод Монте-Карло (ММК) применялся
для вычисления многомерных интегралов и вошел
вупотребление с 1940-х гг. благодаря Лос-Аламос-
ской школе математиков и физиков, а именно такими
ученым, как фон Нейман, Улам, Метрополис, Кан,
Ферми и их коллегам Термин был изобретен Стани-
славом Уламсme 1946 г в честь родственника, кото-
рый увлекался азартными играми (Metropolis and
Ulam, 1949)
В контексте анализа неопределенности, который
занимается оценкой распространения погрешностей
на основе набора входных данных для получения
результатов моделирования, интеграл представляет
собой нахождение среднего и дисперсию модельных
результатов, которые сами имеют вид много мерньгх
интегралов (ранг определяется длиной вектора
вхо дньгх п ар аметр о в):
I = Jf (x)dx = fffuj ud)ddx. (5 "’б)
Авторы рассматривают интеграя функции f(x) с х
в качестве исходного вектора х = (uj .. uj Поэтому
интеграл берегся по d переменным ub .. по еди-
MULUilldUC
of 346
РАБОТА С ДАННЫМИ И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
личному гиперкубу [О, I]1 При оценке параметрон
эти входные переменные представляют собой пара-
метры модели с определенным диапазоном с нижни-
ми и верхними границами. Предположим что f квад-
ратично интегрируема, что означает, что в каждой
точке интеграции существует действительная вели-
чина решения Сокращенно точку в единичном ги-
перкубе можно выразить с помощью х = (ui u^j
и функции, значение которой для этой точки опреде-
лено из выражения fix) = f (/Ui ud). тогда процедуру
вычисления многомерного интеграла можно выпол-
нить следующим образом.
1 N
Е-^2Ж).
1 N
>	(5 37)
По закону больших чисел оценка, полученная по
методу Монте-Карло (Е), совпадает с реальным зна-
чением данного интеграла Однако ввиду того, что
в большинстве случаев N является конечным (число
выборок из исходного пространства и размерами dxd),
при интеграции многомерных функций по методу
Монте-Карло будет иметь, место погрешность Данная
погрешность интегрирования при применении метода
Монте-Карло соизмерима с	Отсюда средняя
погрешность интегрир о в ания по методу Монте-Карло
имеет следующий вид. МСегт = а(б/-Уы, где суб-
стандартное отклонение погрешности, которую мож-
но приблизительно рассчитать, используя выбороч-
ную дисперсию
г N	2
(5 38)
Гм — 1 1
Для простоты обозначения рассмотрим следую-
щую простую модель, у = f(x), где функция f пред-
ставляет собой изучаемую модель, х:[х] xj - век-
тор входных данных модели, y:[yi yij - вектор
прогнозных значений на основании модели
Анализ неопределенности направлен на выявле-
ние данной неопределенности в элементах у, которая
возникает в результате неопределенности в элемен-
тах х. Учитывая неопределенность в векторе х, харак-
теризуемая функциями распределения D = [Гу DJ,
где Di - функция распределения, связанная с Xi, не-
определенность б векторе у выражается как:
var(y) = j((y)-f(x))2 dx;
E(y) = Jf (x)dx,	(5 39)
где var(y) и Е(у) - соответственно дисперсия и рас-
четное значение вектора случайных величин, кото-
рые вычисляются при помощи методики выборки
метода Монте-Карло Кроме дисперсии и средних
значений, можно также легко вычислить процентиль
для у, включая верхние и нижние пределы 95%-го
значения.
221
5.2.4. Анализ локальной чувствительности
и идентифицируемости
5.24,1. Анализ линейной
локальной чувствительности
Большинство результатов анализа чувствительности,
встречающихся в литературе, носят локальный ха-
рактер, такие методы принято называть однофактор-
ными (ОАТ) В одно факторных методах каждая ис-
ходная переменная из меняется (что также называется
отклонением) поочередно вокруг своего нормального
значения по еле чего измеряется влияние наконечные
результаты Результаты анализа чувствительности по
данным методам являются важными и достоверными
при условии близости к анализируемым параметрам,
отсюда название «локальная» К тому же функции
чувствительности параметров зависят от номиналь-
ных значений, используемых при анализе Альтерна-
тивные методы, такие как региональные и глобаль-
ные, расширяют анализ с одной точки в пространстве
параметра, чтобы охватить весь диапазон в простран-
стве параметра однако этот раздел не входит в дан-
ную главу (при необходимости информацию об этом
можно найти в научной литературе, в частности,
в трудах Saltelli etal., 2000; Sine/я/, 2009
Измерение локальной чувствительности обычно
выполняется с использованием производной перво-
го порядка от результата, у= f(x), с учетом вх одного
параметрах
Аб со лютая чув стви тельн о сть.
йу
sa = —	(5 40)
йх
(влияние на у при помощи отклонений х от его но-
минального значения х°
Относительная чувствительность.
(влияние на у при помощи отклонений хна кон-
кретную долю от его номинального значениях ).
Функции относительной чувствительности явля-
ются безразмерными и используются для сравнения
эффекта входных параметров модели между собой.
Такие производные первого порядка можно вы-
числить аналитическим путем например при помощи
пр о гр аммных пакетов Maple или Mathlab, предназна-
ченных для символьных вычислений. Также произ-
водные можно получить численным путем при по-
мощи моделирования с небольшим положительным
или отрицательным отклонением Ах входных данных
модели от их нормальных значении х В зависимости
от направления отклонения можно выполнить при-
of 346
122
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
близительный анализ чувствительности, используя
методы прямой, обратной и центральной разности
Прямое отклонение.
Эу f(x°+Ax)-f(x°)
дх	Дх
Обратное отклонение
Эу _ f(x°)-f(x°-4x)
дх	Дх
Центральная разность
fp.'+Axj-f х°-Дх)
Эх	Дх
(5 42)
(5 43)
(5 44)
При выборе достаточно малого шага отклонения
Zii: (обычно используется коэффициент отклонения
s = 10 Отсюда Дх = е х, в результате применения
всех трех методов получаем абсолютно одинаковые
результаты
После вычисления функции чувствительности
они также могут использоваться для оценки значи-
мости параметра при получении выходных данных
модели Обычно большие абсолютные значения
указывают на высокую значимость параметра, тогда
как значения, близкие к нулю, говорят о том. что
параметр не оказывает никакого влияния на резуль-
таты моделирования. Данная информация также
полезна для вопросов оценки идентифицируемости
параметра при планировании экспериментов
5.2.4.2. Анализ идентифицируемости
с помощью индекса коллинеарности
Первым шагом при оценке параметров служит опре-
деление наборов параметров, которые следует вы-
брать для опенки Данная проблема является пред-
метом анализа идентифицируемости и связана с вы-
явлением поднаборов параметров, которые могут
быть однозначно определены на основе заданного
набора измерений. Поэтому предполагается что
у модели есть некий набор параметров. Здесь важен
термин однозначно, и понимать его следует таким
образом параметр является однозначным (уникаль-
ным), когда его значение можно получить независи-
мо от значений других параметров с высокой степе-
нью точности (т е с низкой неопределенностью)
Это означает, что коэффициент корреляции между
любой парой параметров должен быть низким (ниже
0,5), как и стандартная погрешность оценки пара-
метров (относительная погрешность оценки пара-
метров оУО ниже, скажем, 25%). Как выяснилось,
многие проблемы при оценке параметров возникают
в результате плохо обусловленных задач Задача
считается плохо обусловленной в случае большого
количества условий функции или матрицы, что вы-
звано мультиколлинеарностъю В регрессионных
задачах количество условий используется как сред-
ство диагностики идентифицируемости параметра.
Такая регрессионная диагностика помот ает выявлять
потенциальные поднаборы параметров для оценки,
из которых пользователь сможет выбрать нужные
В научной литературе предлагается несколько
тестов на идентифицируемость, которые полностью
основаны на фчнкпиях чувствительности парамет-
ров и их влияния на конечные результаты Здесь мы
используем двухступенчатую процедуру, описан-
ную в исследованиях Brun et al, 2002. Механизм
работы данной процедуры следующий (i) оценка
степени значимости параметра; (и) анализ коллине-
арности (анализ зависимости функции чувствитель-
ности параметра в поднаборе параметров).
Uhi 1. Со ставьте рейтинг значимости параметров:
r ireqi _
где sr - вектор безразмерных величин чувствитель-
ности, sr = 1 ..N значений
Uhr 2. Вычислите коэффициент коллинеарности
поднабор а параметров К, ук
1
^'minX^
= eig en sn ortn£ snorm к
sr
snotm = —,
sr
(5 46)
(5 47)
(5 48)
где К - поднабер параметров, snorm - нормирован-
ная безразмерная функция чувствительности с ис-
пользованием евклидовой нормы, а^к- множество
собственных значений нормированной матрицы
чувствительности для поднабора параметров К.
В шаге 1 параметры, имеющие незначительное
или близкое к нулю влияние на измеренные ре-
зультаты моделирования исключаются из рас-
смотрения. В шаге 2 для каждого педнабора пара-
метров (все комбинации поднаборов параметров,
включающие 2, 3, 4, пт параметров) вычисляют
коэффициент коллинеарности Такой коэффициент
представляет собой меру сходства двух векторов
функций чувствительности Поднаборы с высокой
степенью сходства функций чувствительности бу-
дут иметь высокие значения (у^ ~ бесконечность),
тогда как для независимых векторов будут харак-
терны низкие значения ук ~1, что является предпо-
чтительным Обычно в научной литературе на тему
анализа идентифицируемости встречаются порого-
вые значения от 5 до 20 (Brun et al., 2001; Sin and
Vamo lie ghem, 2007, Sin et al, 2010). Отмечается,
что данное значение ук используется в качестве
референтного при выборе поднаборов для оценки
of 346
РАБОТА С ДАННЫМ И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
221
параметра Наиболее правильным будет повторе-
ние и испытание подрядов, находящихся на верх-
них позициях рейтинга
5.3.	МЕТОДОЛОГИЯ И ПРОЦЕСС
5.3.1.	Проверка согласованности данных
с использованием элементного баланса
и анализа степени восстановления
При определении элементного баланса и при анализе
степени восстановления предполагается следующий
алгоритм.
Шзг 1. Сформулируйте стехиометрию для биоло-
гического процесса по модели «черного ящика».
Данный шаг также предполагает определение
и фиксацию основных реактивов и продуктов реак-
ции, поглощаемых и образующихся в ходе биологи-
ческого процесса Результатом является список реа-
гентов и продуктов для шага 2
Шаг 2. Составьте матрицы элементных составив
(Е^и EJ
Сначала установите, какие интересующие пере-
менные необходимо измерить, и задайте матрицу сле-
дующего вида Еш включает в себя элементный со-
став и степень восстановления для этих измеренных
переменных, а в Ец входят все неизмеренные пере-
менные. Для вычисления степени восстановления
используйте процедуру, описанную в разд 5 2 12
Шаг 3. Вычислите неизмеренные скорости в со-
единен иях (qj
Используя Е^ и Ец вместе с вектором измерен-
ных скоростей (q^j, можно определить неизмерен-
ные скорости (qj с помощью решения линейной
системы (5.18).
Шаг 4. Вычислите коэффициенты выхода
В данном шаге, ввиду того, что все скорости по-
глощения^ образования веществ известны, коэффи-
циенты выхода можно рассчитать из (5 2) и описать
стехиометрию процесса, используя полученные зна-
чения коэффициентов выхода
Шаг 5. Выполните проверку элементных балансов
Шаг предполагает выполнение простой проверки
соответствия элементного баланса и баланса степе-
ни восстановления При выявлении несоответствий
процедуру необходимо повторить с применением
иной гипотезы относительно образования побочных
продуктов
5.3.2.	Процесс оценки параметров
по нелинейному методу
наименьших квадратов
Данный процесс предполагает наличие соответству-
ющей согласованной математической модели для
описания данных. Такая модель подтверждает ре-
зультаты анализа элеменитого баланса и степени вос-
становления (см процесс, списанный в разд 5 3.1)
Обычно такие модели представлены в тематической
литературе. Большинство из них являются вариация-
ми модели ASM с необходимыми упрощениями
и/или дополнениями в соответствии с условиями экс-
перимента
LLfar 1. Инициализация
Задаются начальные условия переменных моде-
ли и набор параметров для модели Начальные
условия указываются в соответствии с условиями
эксперимента (например, добавление 10 мг ЫН«-Ы
в момент времени 0, kLa - определенное значение,
указывается степень насыщения кислородом при
заданной температуре и т. д.). Исходное предполо-
жение о параметрах модели берется из литературы.
Hfar 2. Задайте данные для эксперимента и выбе-
рите поднабор параметров для оценки
Здесь выполняется проверка экспериментальных
данных для оценки параметров, а также определя-
ются параметры, которые необходимо оценить Это
можно сделать при помощи экспертного суждения
или анализа чувствительности и идентифицируемо-
сти (р азд 5.3 4).
Ufar 3. Определите и решите задачу на оценку па-
раметров
Здесь задача оценки параметров определяется как
задача на минимизацию и решается с помощью алго-
ритме, в оптимизации (например./я	в Matlab).
LLbr 4. Оцените неопределенность оценочных зна-
чений параметра и результатов моделирования
Для этого вычислите ковариационную матрицу
ковариации оценочных значений параметра и опре-
делите доверительные интервалы параметра и кор-
реляционную матрицу параметра С учетом матри-
цы ковариации оценочных значении параметра
сиените матрицу ковариации результатов модели-
рования с помощью линейного распространения
погрешностей.
1Шг 5. Проверьте и проанализируйте результаты.
Здесь необходимо проверить значения пара-
метров, которые должны принадлежать интервалу
значений, указанных в литературе. Также про-
of 346
124
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
верьте доверительные интервалы оценочный зна-
чений параметра Очень большие интервалы ука-
зывают на то, чго результаты оценки параметра
могут быть ненадежными, и их следует исключить
из поднабора.
Затем составьте график и проверьте результаты
наиболее согласованного решения Обычно данные
и значения, прогнозируемые с использованием мо-
дели, хорошо согласуются
В случае если результаты (обоих значений пара-
метра) и наиболее согласованное решение неудовле-
творительные, процедуру необходимо повторить,
начин ая с шага 1 или 2, соответственно.
5.3.3.	Процесс оценки параметров
по бутстреп-методу
Процесс оценки параметров по бутстреп-методу
является следствием шагов 1, 2 и 3 нелинейного
метода наименьших квадратов.
Шаг 1. Выполните оценку контрольного парамет-
ра с использованием нелинейного метода наимень-
ших квадратов.
Данный шаг, по сути, объединяет в себе шаги 1,
2 и 3 проиесса оценки параметров, предусмотренно-
го нелинейным методом наименьших квадратов
Результатом является вектор невязки, который ис-
пользуется в дальнейших шагах Затем полученный
вектор невязки оформляется графически и проверя-
ется. Если остатки соответствуют систематической
схеме (а должны соответствовать случайной) или
содержат экстремальные значения, это служит по-
водом для беспокойства, т. к. может означать, что
бутстреп-метод не подходит для данного случая.
Шаг 2. Сгенерируйте синтетические данные с по-
мощью выборки по бутстреп-методу и повторно
выполните оценку параметра
Синтетические данные можно получить из фор-
мул (5.29) - (5.32) путем составления выборки по
бутстреп-методу (случайной выборки с заменой) из
вектора невязки и включения ее в модель, получен-
ную в шаге 1. Оценка параметр а в шаге 1 повторяет-
ся для каждой единицы синтетических данных,
и результат (т. е оценочные значения параметра)
записываются в матрицу
Шзг 1 Пр сверьте и проанализируйте результаты.
Корреляционная матрица оценочных значений
параметра вычисляется на основе данных, занесен-
ных в матрицу в шаге 2 Кроме того, можно оценить
и составить график функции распределения, исполь-
зуя вектор значений параметра, полученный в шаге 2
Как и в шаге 5 процессапс нелинейному методу
наименьших квадратов, интерпретация и оценка
результатов выполняется на основе знаний специ-
альной литературы и технологии процесса
5.3.4.	Процесс анализа
локальной чувствительности
и идентифицируемости
Процедура начинается с предположения что матема-
тическая модель доступна и готова к использованию
для о пи с ания н аб ор а з ксп ери ментал ьн ых д анн ых.
Шаг 1. Инициализация
Структура для анализа чувствительности опре-
деляется условиями эксперимента (исходные усло-
вия для проведения экспериментов), а также набо-
ром номинальных значений для анализа модели
Перед выполнением анализа чувствительности со-
ставляется модель с учетом этих исходных условий,
результаты моделирования выражаются в виде гра-
фика и проверяются.
Шл 2. Вычислите функции чувствительности
Определите, какие данные являются результатом
измерений и, соответственно, должны быть включе-
ны в анализ чувствительности Определите точки
ввода данных (каждую минуту или каждые 5 мин).
Вычислите функции чувствительности парамет-
ров по полученным результатам, используя числен
ную разницу, например, методы прямой, обратной и
центральной разности Составьте график результа-
тов, проверьте и проанализируйте их
LLbr 3. Составьте рей шнг значимости параметров
Вычислите среднеквадратичную дельта-меру,
3“^. и проранжируйте параметры на осноье этой
меры. Исключите любые параметры, имеющие ну-
левое или незначительное влияние на результаты
Шаг 4. Вычислите коэффициент коллинеарности
Коэффициент коллинеарности вычисляется для
всех комбинаций параметров (например, при размере
поднабора данных 2, 3, 4	т). Каждый поднабор
параметров занимает соответствующее место в спис-
ке, согласно коэффициенту коллинеарности.
LLfar 5. Проверьте и пр эан авизируйте результаты
На основе результатов, полученных в шагах 3
и 4, составьте финальный список идентифицируе-
мых кандидатов (пиднаборов параметров). Исклю-
чите параметры из поднаборов, которые имеют ну-
левое или незначительное влияние на результаты.
MULCH I IdllC
of 346
РАБОТА С ДАННЫМ! И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
5.3.5.	Анализ неопределенности
с помощью метода Монте-Карло
и линейного закона
распространения погрешностей
Алгоритм по методу Монте-Карло включает в себя
следующие шаги
Шэг 1. Задайте пар аметры неопредел енности.
Выявите данные (параметры), в которых присут-
ствует неопределенность Определите диапазон
(распределение) каждого случая неопределенности,
например, стандартное распределение, равномерное
распределение и т д В качестве входных значений
могут использоваться оценочные значения парамет-
ров (например, по бу тетр еп-методу).
Шаг 2. Вьптолните извлечение случайной выборки
из входного диапазона
Определите объем выборки (50, 100 и т. д.) и из-
влеките выборку входного диапазона при помощи
подходящего метода. Наиболее распространенными
методами извлечения выборок являются случайные
выборки, выборки латинского гиперкуба и прочие.
Результатом данного шага является матрица выбо-
рок где N - количество выборок, ат - количе-
ство входных данных.
Шаг 3. Выполните моделирование по методу
М знте-Карлс
Выполните N-е количестве моделирований, ис-
пользуя матрицу выборок из шага 2. Запишите ре-
зультаты в форме подходящей матрицы, чтобы об-
работать их в следующем шаге.
Шаг 4. Пр сверьте и проанализируйте результаты.
Постройте график и проверьте результаты Вы-
числите среднее, стандартное отклонение/'дисперсию,
а также процентили (например, 95%). Проанализи-
руйте результаты с учетом качества оценки парамет-
ров и неопределенности модельного прогнозирова-
ния При необходимости выполните анализ повтори'’',
начиная с шага 1 или 2
Ниже изложен алгоритм для линейного распро-
странения погрешностей
Процесс относительно прост, т. к. по сути до-
полняет ковариационную матрицу о иен очных зна-
чений пар аме гр а и является частью процесса оценки
параметра по нелинейному методу наименьших
квадратов. Для данного процесса необходимы кова-
риационная матрица оценочных значений парамет-
ра, а также матрица Якоби, полученные в шаге 4
нелинейного метода наименьших квадратов.
124
5.4.	ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПРИМЕРЫ
Пример 4.2. Анаэробная ферментация глюкозы
В этом примере рассматривается ферментация глю-
козы с получением этанола и глицерола в качестве
метаболических продуктов
Llhr 1. Определите стехиометрию процесса.
Аммоний берется в качестве источника азота
для роста. Состав биомассы принимается следую-
щий. CH1i600j5No15 Все субстраты берутся на осно-
ве 1 С-мсль, а азот - на основе 1 N-моль В данном
биологическом процессе в качестве субстратов
используются СН2О (глюкоза) и NH?. Продуктами
являются CH^O^Nc(биомасса), CH3OUj5 (эта-
нол), CH8Su (глицерол) и СО2 Вода из анализа
исключается т. к скорость ее образования в дан-
ном процессе не учитывается Это значит, что ба-
лансы Н и О также не будут учитываться
LLfar 2. Составьте матрицы элементных составов
(Е^и EJ
Поскольку в процессе присутствует б соедине-
ний (субстраты и продукты) и 3 ограничения (2 эле-
ментных баланса для С и N и баланс степени вос-
становления), достаточно будет измерить три скоро-
сти для оценки или предположения по остальным
скоростям
Чтобы наглядно изобразить данную концепцию,
для измерения выберем обьемную скорость потреб-
ления субстрата (-qj, скорость образования биомас-
сы (qx) и скорость образования глицерола (qg), т. к
остальные скорости поглощения аммония и образо-
вания этанола и СО2 оцениваются с помощью фор-
мулы (5 18) В измеренных векторах скорости знак
минус означает поглощение соединений, а знак
плюс - образование соединений
LLfar 3. Вычислите неизмеренные скорости в со-
единения:: (qj.
Вспомним формулу (5 18), которая решается
следующим образом

of 346
121
Система линейных уравнений, приведенная вы-
ше, дает следующие решения в которых три неиз-
меренных скорости вычисляются в Еиде функции
измеренных скоростей
-0.15qx
2^ / 3-467qg/600—103qx/150
qt / 3 —133qg / биО—47qx/150
Шаг 4. Вычислите выходы в процессе
Когда будут получены оценки всех скоростей
поглощения/образ о вания продуктов и субстратов,
мсжно вычислить коэффициенты выходов для дан-
ного процесса спомощью (5 2)
Y =^иУ = ^,
4s	4s
Y = ^ =-°-5l^- = -0 15Y
4s 4s
q (2q,/3-467qg/600-103qx/ISO)
SS ~~	~	~
4s	4s
= - -0,7783Y -0,6867Y.x,
(ct / 3-133qg / 600 — 47qx / 150j
4s	4S
= - — 0,2217 Ys,-0,3133Yslt
s6	5X
Имея оцененные значения коэффициентов выхо-
да стехиометрию процесса можно записать в упро-
щенном виде
О = -СН2О - 0,15 Ysx 11Н3 +
*^хСН161О0ЛЫ0д5+Г|-0,7783¥„-0.68СТТ„]х
х СН3О^ + ^gCHgO+ |--0,2217Xb-0,3133Y51! 1сО2.
3	'
Шаг 5. Выполните проверку элементных балансов
На ochjbc стехиометрии процесса довольно про-
сто проверить соответствие элементного баланса
и баланса степени восстановления
(2	]
-1+YSX + --0.7783Y -0,6867Ysx + Yse +
V	/
(1 1
+ —0,2217Y -0,3133 Y,„ = 0
3	5g	5X
/
Баланс азота.
-0-0,15 Y.x+0,15Ysx +0 + 0 + 0 = 0.
Баланс степени восстановления
-1 4 + Y.„4,12 + —-0,7783Y. — 0,6867Y4„ |х
>Л	5g	>Л J
x 6 + Ysg4,67 = 0
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
В этом примере три измеренные скорости соот-
ветствуют минимальным требованиям для опреде-
ления системы линейных уравнений При пр акта пе-
ском применении могут возникнуть две другие си-
туации (i) избыточные измерения - доступны
измерения большинства или даже всех скоростей
образования'поглощения соединений. В данном
случае дополнительные измерения скоростей можно
использовать для проверки качества данных и их
достоверности /где некоторые измеренные скорости
можно использовать в качестве вали далии оценки
коэффициентов из анализа балансов); (ii) ограни
ченный набор измерений - в данном случае доступ-
но слишком малое количество измерений скоростей,
исключительно для оценки неизмеренных скоро-
стей. Если данные по достаточному количеству не-
доступны, некоторые переменные необходимо
определить (например, с помощью повторных про
цедур в алгоритме поиска), чтобы снизить степени
свободы В противном случае существует бесконеч-
ное число решений Дальнейшее обсуждение дан-
ных методик можно найти в специальной литерату-
ре (Villadsen af а/., 2011; Meijer a* al, 2002; van der
Heijden et al., 1994).
Пример i.l OueKire параметры омк пения аммония
и мирмта, испсльзуя данные тестов: нелинейный метод
наименьших юадратов
Для измерения параметров нитрифицирующих бак-
терий применяются аэробные тесты с образцом ила
из установки предварительной денитрификации,
особенно это актуально для аммоний окисляющих
бактерий (АОО) и нитритокисляющих бактерий
(NOО). Согласно рекамендалиям по проведению
процедуры (Guisasola el al, 2005), необходимо вы-
полнить два отдельных теста следующим образам
(1) тест 1 с добавлением 20 мг аммония NH4 N/л
и ингибитора (азид натрия) для подавления активно-
сти NOO, (и) тест 2 с добавлением 20 мг аммония
NH4-N/h без ингибитора В обоих тестах pH и темпе-
ратур а кснтренируются и п ?ддерживаются на уровне
7,5 и 25 °C, соответственно. В ходе обоих тестов
измерения аммония нитрита и нитрата выполняются
каждые 5 мин, а растворенный кислород измеряется
каждую минуту Полученные данные представлены
на рис. 5 2, 5 4 Д.ля упрощения и наглядности иллю-
страции методов и их интерпретации : данных при-
мерах используются синтетические данные с добав-
лением белого шума
Часть 1. Оцените параметры фоцесса оме ления амможя
В литературе представлено несколько моделей (Sin
et al., 2008). Для описания кинетики окисления ам-
мония и нитрита мы будем использовать математи-
ческую модель, представленную в табл 5 1. Для
упрощения примем следующие предположения'
(i) эндогенное дыхание, связанное с гетеротрофной
биомассой, является постоянным (и поэтому не под-
вергается моделированию), (й) инертная фракция
биомассы, выделяющаяся в процессе распада, не-
MULUilldllC
of 346
РАБОТА С ДАННЫМ/! И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
12?
значительна (и поэтому не подвергается моделиро-
ванию), и 6п) количество аммония потребляемого
при росте биомассы, незначительно. Стоит отме-
тить, чти для пилниты картины и более точного ана-
лиза необходимо описать все вышеперечисленные
явления Однако в данном случае модель остается
простой, что позволяет более детально рассмотреть
и оценить параметры.
Рисунок 5.2. Данные, полученные в результате теста 1 В качестве набора измеренных данных используются NEU. NO? и РК
Таблица 5.1. Структура иоде ли двухстугенчатсй нитрификации пр и использовании матричной репрезентации (на основании Sin е/э/, 2008)
Переменные-» Ci Процессы [ ।	Stu мг N / л	So мг ОаЛ1	3|Ю! мг N Й1	Зю:	Хюо мг Nfli	мгЯШл	Xnoo Ml ХПКЙ1	Оаэрости 'll
Рост АОО	—1Д JU3O	1-3,43/^	V' »□!	1		рпяА00 МшМэдоо Хпоо
Распад АОО		1		-1		Ьйоо Хяоо
PoctNOO		1-1Ж»	—1/Учаа	—1/Хчаа	1	ЦпиА® Mines Мачоо Хмоо
Распад NOO		1			-1	Ьноо Хноо
Азрация		1				KLa (Зс?*-5ч)
м	snh мын ч к ЙЫН’’’ 1,лОО	>МО,АОО	_so	.м Ч .к	-ми,ыоо ° 0 +Г*о,АОО	SO	11	3)402		
			SO +К-ь.ЫОО	» 1ЛНО2 „	. °НО1 Ks,NOO		
Модель включает в себя б обыкновенных диффе-
ренцированных уравнений (ОДУ), что соответствует
одному массовому балансу для каждой рассматрива-
емой переменной. Используя матричное обозначение,
каждое ОДУ можно представить в следующем виде
5 "DW	(5.49)
Модель выполнена в программном комплексе
Matlab и решена с помощью стандартной функции
для решения дифференциальных уравнений (ODE45
в Matlab)
%% solve the ode model:
% [time, output] = COEs ol ver ('Model', [starttime simula-
tion endtime simulation],initial conditions for model
variables,simulation options,model pa-amexers);
options=odeset(‘ PelTol' ,le-7,' AbsTol' ,le-8);
[t,y] = ode45(@nitmod,t,x0,options,par);
Шаг I. Инициализация
Модель содержит 12 параметров Номинальные
значения и их диапазон взяты из научной литерату-
ры (Sin et ai., 2008) и приведены в табл 5.2.
Модель включает в себя б переменных состоя-
ния каждую из которых необходимо определить,
чтобы решить систему ОДУ Исходные условия
в соответствии с тестом 1 приведены в табл 5 3.
Uhr 2. Выберите измерения и поднабор парамет-
ров для оценки.
Мы использовали данные, полученные в резуль-
тате теста 1, они включают измерения аммония
нитрита и растворенного кислорода. Благодаря по-
давлению активности нитритокисляющих бактерий
образования нитрата не наблюдается Ввиду того,
что тест 1 не предназначен для оценки константы
распадя рассмотрим оценку всех параметров аммо-
нийокисляющих бактерий, кроме ЬАоо
Таким образом, получается следующая выборка:
• Y = [ТШ4ЬТО2РК^; выбранный набор измере-
ний, Y
• е = [ yaooU^°ks,aooKo,aoo] поднабор пара-
метр а для оценки
of 346
121
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Таблица 5.2. Номшальные лачения пара метр об моде ли, испо льзуемые в качестве исходных прото л ых значений с их верхними и н ткни ми граница ж
Параметр	обозначение	Ед. измерения	Номинальное	Диапазон
Амминииокисляющте баю ери и Прирост биомассы	Ткоо	мг ХПКЛлт N	0,15	0,11-0,21
Максимальная скорость роста	рп®™	суг1	0.8	ОДО-2,10
Сродство к субстрату (NHij	Кдой	мг 1-Й1	0.4	0,14-1,00
Сродство к кислороду	Ко *00	мг Oj/Л	0.5	0,10-1,45
Константа распада	Ьноо	суг1	0.1	0Д7-0,Э0
нигрит кисля ыцие бактерии (NoO) Прирост биомассы	IfNOO	мг ХЛКАтг N	0.05	0)03-0,09
Максимальная скорость роста	рпиг™°	суг1	0.5	0,40-1.05
Сродство к субстрату (NO;)	14.ЧОО	мт Мл	1,5	0,10-3,00
Сродстве- к кис породу	Ко ИОО	мг От/л	1.45	0,30-1,50
Константа распада	Ьдею	суг1	0.12	0)08-0,20
эксперименте льна? установка Массоперенос кислорода	Kia	суг1	360	*
Насыирние кислорода	SQsat	мгОг/л	8	А
’Измерения в данном эксперименте не производились, величина пот яга известной.
Таблица 5.1 Исходные условия пере мен ных состояния для модели теста 1
Переменная	Обозначение	Ед измерения	Начальное	Комментарий
Аммоний	Бчн	miNAi	20	Порционное добавление
Кислород	So	мг Oi/л	8	Насыщение
Нитрит	Snco	мг N31	О	С последующей денитри фиезциеи
Нитрат	Srce	мг NZn	0	С последующей денитри фикзциеи
Биомасса АОО	Хйоо	мг ХПК/л	75	Соотношение АОО и NOO отражает соотношение их прироста
Биомасса NOO	Хгюо	м ХПКЛ1	25	
ШагЗ Решите задачу на оценку параметрон
Опенка параметр о в запрограммирована как задача
на минимизацию с использованием суммы квадратов
ошибок в качестве целевой функции и решается при
помощи метода нелинейной оптимизации без огра-
ничений (функция fri'iinsearch в Matlab) с использова-
нием исходный прогнозируемых значений парамет-
ров, представленных в табл 5 2, и исходных условий
из табл 5 3. Для симуляции добавления ингибитора
максимальная скорость роста нигрит-окисляющих
бактерий в мидели принимается равной нулю
Наиболее близкие из оценочных значений парамет-
ров представлены в табл 5.3
%%step 3 define and solve parameter estimation problem
(as a minimization problem)
options =optimset( display', 'iter ,'tolfun',1.0e-06,
' tolx',l.Oe-S, 'maxfunevals', 1й0и);
[pmin,sse]-fminsearch(ffcostf,pin it,option s,td,yd
, idx, iy);
Шзг4. Оцените неопределенность оценочных зна-
чений параметра и результатов моделирования.
В данном шаге вычисляется ковариационная
матрица оценочных значений параметра По ковари-
ационной матрице получены стандартное отклоне
ние, 95%-й доверительный интервал и корреляци-
онная матрица. Результаты приведены в табл. 5 4
Таблица 5.4. Оптимальные значения оценочных значений пара метра
после решения задачи на оценку параметра
Параметр	Исходное предположение 8°	Оптимальные значения, ё
Уиоо	0,1	0.15
рте/™	0,8	1,45
Ki дао	0,4	0,50
Ко *00	0,5	0,69
”. get the iacobian matrix, use built-in "Isqnonlin .m"
but with no iteration.
options =optimset (‘display',
'iter', tolfun',1.0e-06, tolx',1.6 e-5,
' maxfunevals', 0);
[~,~,resiaual,jacobian]=lsqnonlin(0costl,p
min, [],[], opt ions, td,yd, idx, iy);
j(:, :)=jacobian; e=residual;
s=e' *e/dof; ^variance of errors
Ч& calculate the covariance of parameter
esrimators
pccv = s*inv(j’*j) ; JScovariance of parameters psig-
ma=sqrt(diag(pcov))'; % standard deviation parameters
pcor = pcov ./ [psigma’*psigma]; % correlation matrix
alfa=4j.02S; % significance level
tcr=tinv((l-alfa) ,dof); % critical t-dist value at alfa
p95 =[pmin psigmaTcr; p mi n+psigma4!cr]; %+-95% confi-
denc e intervals
На рис. 5.3 представлены результаты вычисле-
ния неопределенности данных моделирования по-
лученные с использованием ковариационной матри
цы оценочных значений параметра.
of 346
РАБОТА С ДАННЫЕ И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
12)
Рисунок 5.3. Результаты моделирования, включая 95%е доверительные интервалы, вычисленные с использованием линейного распространения
погрешнистей (красные литии) Выполнено сравнение результатов с набором экспериментальных данных
%% calculate confidence intervals on the model output
ycov = j * pcov * j';
ysigma=sqrt(diag(ycov)); 5» std of model outputs
ys=resnape(ysigma,n,m);
y% = [y(:,iy) - ys*tсг у(:,iy)+ys*tcr]; % confi-
dence intervals
liter 5. Проверьте и проанализируйте результаты.
Выяснилась, что расчетные значения параметра
(табл. 5.5) находятся в диапазоне, указанном в лите-
ратуре. Это указывает на достоверность таких зна-
чений. Неопределенность данных оценочных значе-
ний параметра оказалась достаточно низкой К при-
меру, относительная погрешность (стандартное от-
клонение/среднее значение параметра) составляет
менее 10 %, что также выражаете я в маленьком до-
верительном интервале Это является показателем
высокого качества оценки параметра Обычно отме-
чается, что относительная погрешность сыше 50 %
свидетельствует о низком качестве оценки, тогда
как при относительной погрешности ниже 10 % ка-
чество признается высоким
Таблиц» 5.5l Качество о^нки параметра для процесса окисления а ммания стандартное отклонена, 95%Ч1 доверите пьный интервал
и корреляционная матриц
Параметр	Оптимальные значения, 6	Стандартное отклонение. ст®	95%-й доверительный интервал (ДИ)		Корреляционная мзпчца			
					УйОО	рпв/“	Ks.juOO	Ко лоо
Уйоо	0,16	0,0076	0,130	0,160	1	0,96	0,0520	0,17
рпв«*“	1,46	0,0810	1,290	1,610		1	0,0083	0,42
KiaOO	0,50	0,0180	0,470	0,540			1	-0,26
КцлОО	0,69	0.0590	0,570	0.800				1
Что касается корреляционной матрицы, го обыч-
но при оценке параметров на основе данных моде-
лей, подобных модели Ж Моно, прирост биомассы
в значительной степени соотносится с максималь-
ной скоростью роста ('линейный коэффициент кор-
реляции составляет 0,96). Примечательна также
корреляция между максимальной скоростью роста
и константой сродства к кислороду Это означает,
что однозначная оценка выхода и максимальной
скорости роста невозможна. Для дальнейшего изу-
чения корреляции требуется анализ чувствительно-
сти, который представлен на рис 5 5.
Ввиду низкой неопределенности оценки пара-
метра наблюдается низкая неопределенность про-
гнозных результатов моделирования На рис 5 3
среднее прогнозное модельное значение и верхние
и нижние пределы 95%-го значения расположены
довольно близко.
Этз означает, что неопределенность прогноз-
ных результатов моделирования незначительна
благодаря незначительной неопределенности оцен-
ки параметра. Отмечается, что комплексный ана-
лиз неопределенно сти прогнозных результатов
моделирования требует анализавсех других источ
ников неопределенности, включая другие парамет-
ры модели и исходные условия Однако эта ин-
ф рмация не входит в данный материал, ее можно
найти в научной литературе (Sin et al., 2010). Не-
определенность погрешности измерений рассмот-
рена в примере 5.6.
MULUilldllC ZUUT^
of 346

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Рисунок5.4. Результаты измерения в ходе теста 2
Рис у нон 5.5. Результа ibi mg де лщ о ва ния, вклю ча я 9 5 %й дов ер ита л ь н ый инте рв а л в ср а вн ен ии с и або р о м эиспе р име н та льн ых да нн ых
На этом мы завершаем анализ оценки парамет-
ров с использованием метода наименьших квадра-
тов для п ар аметр ев АОО
Часть 1 Оцените параметры
для кгтритошеляю ufix бактерий (NOO)
Шаги 1 и 2. Исходные условия, подбор данных и под-
набор пар аметров для оценки
Для тестов 1 и 2 применяются одинаковые ис-
ходные условия без добавления ингибитора, озна-
чающие, что в данном примере нитрификация ак-
тивна Данные, полученные в результате тестов 1
и 2, отражены на рис 5 3, включая измерения аммо-
ния, нитрита, нитрата и растворенного кислорода
•	Y2 ~ []‘1H4NO2NO3PE]; выбранный набор изме-
рений, Y
В первой части значения параметра для АОО бы-
ли установлены на расчетные значения (см. табл. 5 4),
тогда как выход и кинетические параметры NOO
можно получить из следующих данных:
•	^2 = [	> поднабор пара-
метр а для оценки
ИЬги 3 И 4. Решите задачу на оценку параметра
и вычислите неопределенность измерений параметра
Параметры АОО были оценены ранее в части 1
Результаты решения задач на оценку параметров
миилтитп zcn
of 346
РАБОТА С ДАННЫМИ И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
2 Л
и неопределенности параметров NOO отражены
в табл 5 6
Шаг 5. Пр сверьте и проанализируйте результаты
Оценочные значения параметра принадлежат
промежутку, указанному в специальной литературе
для нитрите кисляющих бактерий, что говорит о до-
стоверности данный Однако в данном случае по-
грешность оценки параметра заметно выше, напри-
мер, относительная погрешность (соотношение стан-
дартного отклонения и оптимального значения
параметра) превышает 30%, особенно для парамет-
ров выходаи максимальной скорости роста
Таблица 5.6 Оптимальные значения оценочных значений пара метра после решения задачи на оценку параметра
Параметр	Оптимальные значения, 0	Зтандартн ое отел сне не. сто	95%-й доверительный интервал (ДИ)		Корреляционная матрица			
			Нижняя граница	Верхняя граница	йюо	рпвГ®	Ks мой	Ко.чйО
Ynuo	0,04	0,01	0,01	0.07	1Д0	1,00	0,54	-0,86
рпв.1™	0,41	0,13	0,15	0.06		1,00	0,55	-0.86
Кпоо	1,40	0,03	1,42	1,55			1,00	-0,37
К» чоо	1,50	0,05	1,39	1,60				1,00
Это неудивительно, т к оценка выхода и макси-
мальной скорости роста полностью коррелируют
(т е коэффициент линейной парной корреляции
равен 1). Такая статистика означает, что уникальная
оценка параметров выхода, максимальной скорости
ростаи киэффициентаполунасыщенияпо кислороду
для NOO (коэффициент линейной парной корреля-
ции равен 0.86) в данном эксперименте невозможна
Таким образом, следует считать, что этот поднабор
параметра хорошо соотносится с экспериментапь
ними данными, тогда как значение отдельно взятого
параметра может не иметь физического или ощути-
мого значения
Распространение ковариационной матрицы па-
раметр (-в на неопределенность прогнозных значе-
ний модели указывает на низкую неопределенность
результатов моделирования. Это означает, что не-
смотря на невозможность выполнить уникальную
□пенку самих параметров, их можно использовать
для построения прогнозов моделирования, напри-
мер, для описания данных теста Однако прежде чем
приступить к моделированию, необходимо также
обеспечить 95%-й доверительный интервал модели-
руемых значений. Он отражает степень влияния
ковариации оценочных значений параметра (имея
ввиду качество оценки параметра) на качество со-
ставления модельных прогнозов К примеру, если
95%-й доверительный интервал модельных прогно-
зов низкий, то влияние погрешности оценки пара-
метра незначительно Части 1 и 2 завершают оценку
параметров на этапе двухступенчатой нитрифика-
ции Результаты демонстрируют, что качество опен-
ки параметров АОО выше, чем параметров NOO
с использованием данных теста в экспериментах.
Такая низкая идентифицируемость будет рассмот-
рена далее с применением анализа чувствительно-
сти для повышения идентифицируемости индивиду-
альных параметр св модели
Что касается погрешности модельного прогноза,
95%-й доверительный интервал результатов моде-
лирования достаточно низкий. Это означает, что
степень влияния погрешности оценки параметров на
результаты моделирования низкая.
Пример i.4. ОцекгтЕ пара гетры окисления аммония
с использованием данных теста б у тс треп-не то дон
В данном примере мы рассмотрим задачу на оценку
параметров из части 1 примера 5 3 Для оценки па-
раметров АОО испсльзс вались данные теста 1
11Ьг1. Выполните оценку контрольного парамет-
ра с использованием нелинейного метода наимень-
ших квадратов
Процесс работы в данном шаге идентичен про-
цессу в шагах 1, 2 и 3 в примере 5 3. Результаты
данного шага в наибольшей степени согласуются
сданными и распределением остатков (рис. 5.6).
LLfar 2. Сгенерируйте синтетические данные с по-
мощью выборки пс бутстреп-методу и повторно
выполните оценку параметра.
В данном шаге выполняется выборка по остаткам
nboot=s@; % bootstrap samples
for 1=1: nooot
disp(['the iteration number is :
,num2str(i)])
onesam =ceil(n*rand(n, ml); X random sampling
with replacement
rsam =res(onesam); % measurement errors for
each variable
ybt = y(;,iy) + rsam ; % synthetic data: error
+ model (ref PE)
options
=optimset('display', iter , tolfun' ,1.0e-
06, tolx',1.0e-S, maxfun evals ,1000);
[pmin(i, :),sse(i,:)] =l$qnonlin(@costl,pminl, plo,
phi, options,td,ybt,iax,iy);
bootsam(:,:,i)=ybt; % record samples
end
Выполняются пятьдесят бутстреп-выборок по
остаткам (случайные выборки с заменой) и добавля-
ются в модель, таким образом, получаются пятьдесят
наборов данных измерений, показанных на рис 5 7
rtULurГ IdTTC
of 346
112
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
0,2
Нитрит 9
• •
и,С	*
•0.2 ---------------------------i--------------~
С	5	10	15
0,2
Кислород
• •
0,0 
10	15	20
Индекс данных
Г	I
30	35
Рис у нок 5.6 По гре шн ости пр и о це нке кон тро льи ых п ар а метро в
Рисунок 5.7. Получение сю готических данныхс использованием метода бутстреп-выборки по остаткам (50 выборок)
Для каждой единицы синтетических данных
(бутстреп-выборки) выполняется 'ценка парамет-
ров, результаты фиксируются для дальнейшего ана-
лиза. Поскольку сгенерировано 50 наборов синтети-
ческих данных, это означает, что получено 50 раз-
личных оценок параметров Результаты изображены
в виде гистограммы для каждой оценки параметра
нарис. 5.8
Шаг 1 Пр сверьте и проанализируйте результаты.
В шаг е 2 мы получаем матрицу оценок парамет-
ра Здесь оцениваются такие свойства матрицы,
как среднее, стандартное отклонение и корреляци-
онная матрица. Результаты показаны е табл. 5.7.
.%step 3 Evaluate/! nterpret distribution of theta
disp('The mean of distribution of theta are')
disp(mean(pmin))
disp('The std.dev. of distribution of theta
are )
disp($td(pmin))
dispC )
disp('The correlation of parameters')
disp(corr(pmin))
Все эти результаты, включая среднее оценок
параметра, их стандартное отклонение и кирреля-
HldLIC Z.UUI '
of 346
РАБОТА С ДАННЫМ/! И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
211
циснную матрицу, хорошо согласуются с оценка-
ми параметр.ов, полученных по нелинейному ме-
тоду наименьших квадратов (сравните с табл. 5.6).
Это ожидаемо, т к распределение остатков в вы-
сокой степени схоже с нормальным распределени-
ем (рис. 5 6) В данном случае применение пели
нейного метода наименьших квадратор (и линей-
ная аппроксимация оценки ковариационной мат-
рицы) и бутс треп-мето да приведет к статистиче-
ски схожим результатам.
Рисунок 5.8. Распределение оценок параметра, полученных с применением бутс треп-мето да (каждое распределение содержит 50 оценочных значений
для кавдтпо параметра)
0.5С 0,55 J.6O 0,65 С,70 0r75 0.8С 0,85 0 50
Распределение Киаоэ
Таблица 5.7. Оптимальные значения оценочных значений пара метров после решения задачи на оценку параметров
Параметр	Оптимальные значения,$	Стандартное отклонение, о»	Корреляционная матрица			
			Тйоо		Ks ЛОО	Колоа
УйОО	0,14	001	1,00	0,97	-0,03	0,20
ЦПН	1,40	0,11		1,00	-0,07	0,41
KviOO	0.50	002			1.00	-0,28
КцдОО	0,68	007				1.00
Также результаты моделирования со средними
значениями, полученными на основе бутстреп
выборок, продемонстрировали хорошую согласован-
ность с данными измерений, как показано нарис. 5 3
Бут стр еп-метод рекомендован для практического
применения ввиду его интуитивней простоты и от-
сутствия необхо да мести вычисления матрицы Якоби
Однако при использовании данного метода необхо-
димо проверить распределение остатков и исключить
любые систематические ошибки (включая структуру
мсдели пли систематические ошибки в измерениях).
%% get the Jacobian matrix, use built-in
"Isqnonlin.m" but with no iteration,
options =optimset( display',
' iter', tolfun'jl.oe-06, tolx', l.oe-5,
 maxfunevals', 0);
residualjacubian] =lsqnonlin(@costl,p
min* [ 1 * [J ,optionsJtd,ydJictxJiy);
j : )=jacobian; e=residual;
s=e'*e/dof; %variance of errors
%% calculate the covariance of parameter
estimators
pcov = s*inv(j'*jj ; Sicovariance of parameters
psigma=sqrt(diag(pcov))'; % standard deviation parame-
ters
pcor = pcov ./ [psigma1 *psigma]; % correlation matrix
al-fa=0.9 25; % significance level
tcr=tinv((l-alfa),dof); % critical t-dist value
at alfa
p95 =[pmin-psigma*tcr; pmin+psigma*tccj; %+-9S% confi-
dence intervals
Пример i.i. Анализ чувствительное™
и идентифицируемое™ параметров
гроцесса ожсле имя аммония в тестах
Здесь используется процесс окисления аммония, как
описано в примере 5 3. Цели данного примера следу-
ющие в первой части мы оцениваем чувствитель-
ность всех параметров аммоний окисляющих бакте-
рий (АОО) ко всем результатам моделирования при
экспериментальных условиях выполнения теста 1. Во
второй части мы с учетом набора данных измерений
исследуем, какие поднаборы параметров являются
потенциально идентифицируемыми, и сравниваемих
of 346
1J4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
с поднаборами параметров, которые уже используют-
ся при оценке параметров в примере 5.3.
Шаг 1. Инициализация. Мы используем исходные
условия теста 1, описанные в табл 5 3, и номиналь
ные значения модельных параметров АОО, приве-
денные в табл 5 2.
Интересующие результаты моделирования вы-
глядят следующи м о бр as о м
• у = [ 1Ш41Т02КОзРК АОО 1ТОО]
Интересующий набор параметров
6 = [ ХаООИж Ks,AOOKo,AOO^АОО]
Шаг 2 Вычислите и проанализируйте функции
чувствительности
Данный шаг включает вычисление функций аб-
солютной чувствительности с использованием диф-
ференциации, результаты фиксируются для даль-
нейшег о анализа
for 1=1;m; %for each parameter
dp(i) = pert(i) * abs(ps(i)); % parameter
perturbation
p(i) = ps(i) + dp(i); % forward
perturbation
[tl,yl] = ode4S (@nltniod,td,x0, options,p);
p(i) = ps(i) - dp(i); ^backward perturbation
[t2, y2] = oae45 (@nitmoo,td,x0, options, pj;
dydpc(:,i) = (yl-y2) ./ (2 * dp(i));
Xcentral difference
dydpf(:,;,i) = (yl-y) ./ dp(i); Xforward difference
dydpb(:,;,i) = (y-y2) ./ dp(i); ^backward difference
p(i)=ps(i); % reseT parameter to its reference value
end
Функции выходной чувствительности (абсолют-
ной) для одного параметра изображены на рис. 5 9,
а именно для выхода АОО, с целью детального изуче-
ния. Интерпретация функции чувствительности тако-
ва (1) чем больше значение (положительное или отри-
цательное), тем больше влияние, маленькие и близкие
к нулю значения указывает на незначительное или
нулевое влияние параметра на результат, (и) отрица-
тельная чувствительность означает, что с увеличением
значения параметра значение результата моделирова-
ния будет снижаться и (in) положительная чувстви-
тельность означает, что увеличение значения парамет-
ра ведет к увеличению результатов моделирования
С учетом этого отмечается, что выход АОО имеет по-
ложительное влияние на аммоний и равное отрица-
тельное тлияние на нитрит Этого можно ожидать,
судя по структуре модели, где наблюдается обратная
зависимость между выходом и поглощением аммония
(субстрата) Больший выход говорит о меньшем коли-
честве поглощенного аммония на единицу роста био-
массы, таким образом это значит, что в тесте присут-
ствует большее количество аммония Из-за меньшего
поглощения аммония образуется меньше нитрита (от-
сюданегативнаякорр еляция).
Рисунок 5.9. Абсолютная чувствительность выхода АОО на все выходеые данные модели
г паи с roar*
of 346
РАБОТА С ДАННЫМИ И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
2И
С другой стороны, также отмечается, чю чувстви-
тельность параметра выхода постепенно возрастает
в ходе фазы линейного роста и начинает снижаться по
мере приближения к истощению аммония. При пил-
номистощении аммония чувс гвительностъ становится
нулевой, каки ожидалось Согласно прггнозам выход
имеет положительное влияние на рост АОО, т к чем
больше рост, тем больше образование биомассы. Что
касается кислорода, то сначала выход имеет положи-
тельное влияние, которое переходит в отрицательное
по мере поглощения аммония. Это говорит, скорее,
о нелинейном отношении между профилем кислорода
и параметром выхода Как и ожидалось, выход АОО
не влияет на показатели нитрата и нитритокисляющих
бактерий (ПОО) в результатах теста 1 ввиду добавле-
ния ингибитора, который эффективно подавляет вто-
рой шаг нитрификации
Говоря об анализе чувствительности, следует
отметить, что наиболее информативным является
сравнение функций чувствительности между собой.
Такое сравнение выполнено на рис 5 10 с использо-
ванием безразмерных функций чувствительности,
полученных путем масштабирования функции абсо-
лютной чувствительности с учетом их соответству-
ющих значений параметров и результатов (5 41)
Рис 5 10 изображает чувствительность всех пара-
метров модели с учетом 6 наборов выходных дан-
ных модели Каждая схема на рисунке представляет
функции чувствительности всех параметров относи-
тельно одного набора выходных данных модели,
отображенного в легенде Ось у обозначает безраз-
мерную величину чувствительности, ось х обозна-
чает время активности К примеру, мы наблюдаем,
что чувствительность параметров к нитрату и NOO
нулевая Это логично, т. к в данном моделировании
активность NOO принимается равной нулю
Для выходных данных модели по аммонию, нит
ри ту и кислороду функции чувствительнос ти выхода
и максимальной скорости роста для АОО соответ-
ствуют обратно пропорциональной схеме. В связи
с таким обратно пропорциональным отношением
задача на оценку параметров яьляется некорректной
Это означает, что если в поисковом: алгоритме уве-
личивается выход и одновременно на определенную
долю снижается максимальная скорость роста, то
влияние на результаты моделирования может ис-
ключаться. В результате множество комбинаций
значений параметров для выхода и максимальной
скорости роста могут иметь схожее влияние на ре-
зультаты моделирования По этой причине мы полу-
чаем высокий коэффициент корреляции после вы-
полнения оценки параметров Это означает, что для
тс го, чтобы выполнить уникальную оценку парамет-
ра, его функции чувствительности должны быть
уникальными ине иметь корреляции с функциями
чувствительности других параметров
Р и с у но к 5.10. Фун к и о тн о с ите л ь н о й ч увствитн л ьн ости па ра не тр о в АО 0 н а в ыхо да ые да н ны е ио де м
MULUilldllC ZUUT^
of 346
HI
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Также интересно, что на данный схемах относи-
тельное влияние (т е величина значений на оси у)
параметров на аммоний, кислород и нитрит доволь-
но схожее Это говорит о том, что все зги три пере-
менные в одинаковой степени важны для оценки
параметров
Шаг! Ранжирование параметров по их значимости.
В данном шаге выполнено ранжирование значимо-
сти параметров путем сведения безразмерных функций
чувствительности параметров к выходным данным
модели с использованием меры Результаты пока-
занынарис. 5 11 Согласно результатам скорость рас-
пада АОО почти не влияет на все три измеренные пе-
ременные (аммоний, нитрит и кислород) и поэтом?
не может быть оценена Этот факт известен из техно-
логии процесса, и по этой причине кратковременные
тесты не используются для определения постоянных
распада Таким образом данный результат подтвер-
ждает корректность анализа чувствительности Что
касается выхода и максимальной скорости роста, эти
параметры имеют одинаковую важность, после них
следует константа сродства к кислороду и аммонию
Это указывает на то, чю на основании набора данных
можно потенциально оценить минимум4 параметра
Рисунок 5.11. Ней тин г значимости параметров АОО по отношению к резутъ тэта м моделирования
АОО
Шаг 4. Анализ идентифицируемости
В данном шаге с помощью нормированных
функиий чувствительности мы оценим какой пара-
метр имеет низкий коэффициент коллинеарности
Такой коэффициент измеряет, как дае функции чув-
ствительности соотносятся друг с другом что под-
разумевает линейную зависимость
for 1 = 2:stJb$et
combos = combo k(set,i); % all possible
parameter combinations of different subset size
<2,3,4...)
for j=l:n
tempn = sncrmy<:,combos(j,:)) ;
tempa = say(:,combos(j,:)) ;
nsm = tempo'*tempn; % normalized
sensitivity matrix
asm = tempa' "Tempa; % absolute
sensitivity matrix, fim
dtm = sqrt(det(asm))" (l/(i*2));
^determinant index
col = 1/sqrt (min (eig(nsm))); % collinearity
index
subs(j,:) = [k i col dtm] ;
end
end
Анализ идентифицируемости выявляет наличие
26 различных комбинаций поднаборэв параметров,
которые потенциально могут использоваться для
опенки параметров с применением измерений ам-
мония. нитрита и кислорода (табл. 5 8). Значение
коэффициента коллинеарности было изменено с 1,2
of 346
РАБОТА С ДАННЫМИ И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
1П
на 53 и б целом стремится к росту с увеличением
размера поднабора параметров При оценке пара-
метров выше использовался подыабср параметров
К#21 (примеры 5 Зи 5 4). Коэффициент коллинеар-
ности данного поднабора составляет45, что намно-
го выше типичного порога значений 5-15, при ко-
тором поднабор считается частично идентифициру-
емым (Егии et al., 2002, Sin et al., 2010). Как
показано, благодаря анализу данную проблему воз-
можно было бы выявить до выполнения оценки
параметра (ОП), что стало бы обоснованием того,
что данный поднабср является неподходящим для
оценки Однако учитывая, что чувствительность
Ьдоо не оказала влияния на результаты моделирова-
ния (см шаг 3), выполнение оценки любого под-
набора, содержащего данный параметр, не реко-
мендуется Тем не менее остается достаточное ко-
личество п:днаборов, соответствующих порогу
5-15 для параметра у К, которые можно применить
в задаче на оценку параметров Поднаборы пара-
метров, выделенные цветом в табл 5.8, соответ-
ствуют данным критериям идентифицируемости
и, следовательно, могут использоваться при оценке
параметров Оптимально начинать с поднабора па-
раметров с наибольшим размером (параметров)
и самым низким показателем уК Учет данных ре-
комендаций по чувствительности и коэффициенту
коллинеарности поднаборов параметров поможет
избежать некорректной постановки задачи на опен-
ку параметров и повысить качество оценки
Таблица 5.8L Вычисление коэффициента коллинеарности для всех комбинаций пара метров
ПпднаборК	Размер поднабора	Комбинация параметров					YI
1	2	Ко.*00	Ьйоо				1,32
2	2	Ks.AOO	ЬнОО				1,26
э	2	Ks *00	Кц*ОО				2,09
	2	Чпв™	Ьноо				1,30
б	2	Jn®t”	K**oo				13,92
6	2	Цпв™	К**оо				2,03
7	2	YhOO	ЬнОО				1,23
3	2	¥йоо	Кц*оо				12,55
9	2	Yaoo	К**00				2,02
10	2	Yaoo	нпв/“				42,93
И	3	I4.*oo	Ко *00	Ьноо			2,10
12	3	pnm™	Кц*ОО	Ьйоо			14,05
13	3	рпш™	К**оо	ЬйиО			2,03
14	3	pna™	Ks.*00	Ко *00			14,23
15	3	Yroo	Кч*оо	ЬйиО			13.09
16	3	Yroo	К**оо	ЬйОО			2,02
17	3	Yroo	К**ос	Ко *00			12,89
18	3	Croo	рпи>*“	Ьйоо			51.25
19	3	Yroo		Ко *00			45,87
20	3	Yroo	ривл"”	Ks *00			43,37
21	4	Yroo	рпв/”	Ks *00	Ко.*00		45.91
22	4	Yroo	UITB’’™	Kj *оо	Ьйоо		51,25
23	4	Yroo	рпвх*”	Ко *00	Ьноо		53,01
24	4	Yroo	К**ос	Ко *00	Ьноо		13,30
25	4	ilRHt™	К: *00	Ко *00	0R00		14,30
26	5	Yroo	рпв,«я	Ks *00	Ко.*ОО	Ьйоо	53,07
Пример 5.1. Оценка неопределенности
модельного прогнозировали процесса нитрификации -
метод Монте-Карло
В данном примере мы вьшолним распространение
неопределенностей параметров, полученных в ре-
зультате оценки параметров (примеры 5.3 и 5 4), для
моделирования конечной неопределенности с при-
менением метода Монте-Карло
Для анализа неопределенности задача была
определена следующим образом (i) рассматривает-
ся только неопределенность в оцененных парамет-
рах АОО, (и) учитываются условия эксперимента,
выполненного в тесте 1 (см табл 5.3), и (in) для
описания системы и номинальных значений пара-
метров в табл. 5.2 используется модель из табл 5 1
LLfar 1. Задайте определение неопределенности.
Как указано выше в постановке задачи, учиты-
ваются только неопределенности в оцененных па-
раметрах АОО
rridLIC Z.UUI
of 346
in
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
лоо™-
nux JS,A00J4,A00 J-
Оценки среднего и стандартного отклонения по
лучены по бутстреп-методу вместе с их корреляци-
онной матрицей (см табл 5 7)
Далее предполагается, что параметры соответ-
ствуют схеме нормального распределения или мно-
гомерного нормального распределения, тку них
есть ковариационная матрица и они кор релир о ваны.
Данное предположение можно проверить путем
вычисления эмпирической функции, показанной на
рис. 5 12, плотности вероятности для каждого пара-
метра, используя матрицу оценок параметр а (8зо:л)
figure
labels=[' \theta_l';' \theta_2';' \theta_3';' \t heta
_4'j; %or better the name erf parameter
for 1=1:4
subplot(2,2,i)
[f xi]=ksdensity(pmin(:, 1));
plot (xi,f)
xlabel(labels (i,:),1 Fontsize',fs, FontWe’.gnt ,'t
old')
end
Pm у нок 5.12. Эмпир m еские i цен ки п ло mo ста в ер о «чно сти для п ар а метр о в АОО, по луче нн ы е п о б утстре п - мето ду
Шаг2. Выполните извлечение случайной выборки
из входного диапазона
Входные параметры, как отмечалось выше, име-
ют известную ковариационную матрицу, что необ-
ходимо учитывать при использовании любой мето-
дики выборки Поскольку в данном примере опре-
делено, что параметры соответствуют нормальному
распределению, входной диапазон неопределенно-
сти представлен в виде многомерного нормального
распределения. Применялась методика случайной
выборки из заданного диапазона.
%% do random sampling
N = lee; Хй, sampling number
mu=mean(pmin); “Л mean values of parameters
sigma=cov(pmin); XX covariance matrix (induces
stand dev and correlation information)
X = mvnrndtmu,sigma,n); % sample parameter space
using multivariate random sampling
Результатом в данном шаге является матрица
выборок, Хыхт. где N - количество выборок, am-
количество входов Отобранные значения можно
посмотреть, используя схемы матриц на рис 5 13
На рисунке схемы, расположенные по диагона-
ли, представляют гистограммы значений парамет-
ров, остальные схемы отражают избранные значе-
ния двух пар пар аметров.
В данном случае наиболее важными замечания-
ми являются следующие, (i) выбор геи из входного
диапазона параметров выполняются случайным
способом, и (ii) структура корреляции параметров
в выбранных значениях сохраняется
1ШгЗ. Выполните моделирование по методу Мон
те-Карло
В этом шаге выполняется N-e количество мо
дельных расчетов с использованием матрицы выбо-
рок из шага 2 (XNxm), результаты моделирования
записываются в матричной форме и обрабатываются
в следующем шаг е.
MULUilldUC
of 346
РАБОТА С ДАННЫМ! И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
2 И
Рисунок 5.13. Схемы матрицы выборок входной, диапазона, Хнш- мето д то га ме о ной случайной выборки с изве отвой коварна донной матрицей
%%$tep 2 perform monte carlo simulations for
each parameter ualue
% Solution of the model
initcond; options=odeset(' RelTo]1 ,le-
7, rtbsTol1 ,le-8);
for i=l:nboot
diso([ the iteration number is :
' ,num2str (i)])
par(idx) = X(i,:) ; %read a sample from
sampling matrix
[t,yl] = ode45 (@nitmod,td,x0, options, par); ;
Ssolve the model
y(:,:,i)=yl; Xrecord the outputs
end
Uhr 4. Проверьте и пр о ан ализир у йте результаты.
В данном шаге составляются графики получен-
ных результатов и выполняется проверка. На
рис. 5.14 изображены результаты моделирования
методом Монте-Карло для четырех наборов вы-
ходньк данных модели
Рисунок5.14. Моделирование методом Монте-Карло (N-100)
Врс-мя (ч)
г паи с доит*
of 346
240
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Как показано на рис. 5 15, на основе матрицы вы
ходних значений можно вычислить среднее, стандарт-
ное отклонение и процентили (например, 95%). Ре-
зультаты указываютна то, что для исследуемых источ-
ников неопределенностей неопределенность в резуль-
татах моделирования может считаться незначительной
Данные результаты согласуются с результат ами линей-
ного распр о стр ан ения пот реши и стой нарис. 5.5.
Рисунок 5.15. Вычисление среднего и 95%-го процентиля конечной неопределенности модели
Это означает, что несмотря на наличие неопре-
деленности в самих оценках параметров, при ис-
пользовании поднабора оценок параметров вместе
с его ковариационной матрицей неопределенность
модельного прогноза является низкой При любом
применении этих модельных параметров их необхо-
димо использовать не по отдельности, а совместно
как набор
Стоит отметить, что оценка конечной неопреде
ленности зависит от определения начальной не-
определенности, а также от оснащения, например,
от исходных условий в экспериментальной установ-
ке Так, в предыдущем примере не была учтена не-
определенность измерений или неопределенность,
возникшая ввиду других фиксированных парамет-
ров (распада) и исходных условий (начальная кон-
центрация автотрофных бактерий) Поэтому данные
результаты необходимо интерпретировать с учетом
контекста, в котором они были получены
5.5. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ КОММЕНТАРИИ
Лучшие фаюи№оценю1 тара петров
На практике, несмотря на то, что предположения
асимптотической теории приносят достоверные ре-
зультаты, часто существуют отклонения от этих
предположений
•	Погрешности в измерения:: часто автокоррелиро-
ваны, что указывает на избыточность и отсутствие
независимости большого количества наблюдений
(зависимые и одинаково распределенные случай-
ные величины (nd)). Такая тенденция вызывает
недооценку асимптотических доверительных ин-
тервалов ввиду более низкой дисперсии выборки,
о2 Практическим решением данной проблемы яв-
ляется проверка авто кор ре лированной функции
остатков с их последующей фильтрацией или вы-
полни ем подвыборки таким о брав см чтобы сни-
зить автокорреляции в наборе данных Затем на
основе данных такой подвыборки можно провести
повторную оценку параметре в
•	Алгоритмы оценки параметров могут останавли-
ваться на локальных минимумах, при этом выда-
вая некорректные результаты линеаризации (точ-
ка в которой нелинейные наименьшие квадраты
приводятся к линейному виду). Для снижения
остроты данной проблемы необходимо выполнить
опенку параметров несколько раз с различными
исходными предположениями, поисковыми алго-
ритмами и/или анализом идентифицируемости
Важно убедиться в том что минимальное реше-
ние согласуется с различными алгоритмами мини-
мизации
of 346
РАБОТА С ДАННЫМ/! И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
241
Идентифицируемость или некорректная задача не
все параметры подвергаются точней оценке Причи-
ной этому может стать слишком большой довери-
тельный интервал в сравнении со средним или опти-
мизированным значением оценочных значений пара-
метра Решением этой проблемы является выпе лнение
анализа идентифицируемости или перепараметриза-
ция модели таким образец чтобы в оценке нуждалось
меньшее количество параметров
Пока у нас есть устойчивые и обширные стати-
стические теории и методы для оценки модельных
параметров, приведенные выше, определение самой
задачи на оценку параметров, которая устанавлива-
ет, какие данные дс ступны, какова предполагаемая
структура модели и начальные точки значений па-
раметров, принимается по умолчанию Поэтому
надлежащий анализ и определение задачи на оценку
параметров всегда требуют хорошей технической
оценки На практике для надежной оценки парамет-
ров благодаря эмпирической или эксперименталь-
ной природе этой задачи необходимо рассматривать
статистические методы (включая метод оценки мак-
симального правдоподобия) с учетом контек-
ст a/о пр ед ел ения решаемой задачи
Говоря о бутстреп-выборках, наиболее важным
моментом является то, представляют ли собой
остатки типичную- погрешность в измерении Более
подробно данный вопрос рассмотрен в работе
Брэдли Эфрона (1979)
Лучшие фактим анализа неопределенности
При выполнении анализа неопределенно сти наиболее
важным является оснащение и соответствующее
определение источников входной неопределенности
Таким образом, результат анализа неопределенности
не стоит считать абсолютным, т к. он зависит от
условий анализа Подробный разбор данной темы вы
можете найти в специальной литературе (например,
Sine/tfL, 2009, SinefaJ, 2010).
Другим важным моментом является ковариацион-
ная матрица пар аметров (или корреляционная матри-
ца), которую получают при помощи техники оценки
параметров Предположение о том, что корреляцион-
ной матрицей можно пренебречь, может привести
кнедзэценке или переоценке неопределенности ре-
зультатов моделирования. Поэтому на этапе выборок
необходимо определить соответствующую корреля
ционную матрицу для входных данных (например,
параметров), рассматриваемых для анализа Что каса-
ется количества выборок, рекомендуется выполнить
несколько итераций, чтобы посмотреть, отличаются
ли результаты. Евиду относительной простоты чис-
ленного решения модели, используемой для оценки
пар аметров, рекомендуется провести достаточно
большое количество итер аций, например 250 или 500
Список литературы
Brun, R, Kuhm, М , Siegist, Н , Gujer, W, Reichert, F (2002)
Practical identifiability of ASM2d parameters - systematic
selection and tuning of parameter subsets fi'afer 36(16)
4113-41 27.
Brun, R, Reichert, P and Kunsch H R (2001). Practical
identifiability analysis of large environmental simulation
models. Water Resources Research, 37(4) :1015-1030
Bozkurt, H , Quagjia, A, Gernaey, K.V,, Sin G (2015).
A mathematic al pro gamming framework for early stage desigr
of wastewater treatment plants Environmental Modelling &
Software, 64 164-176
Dochain, D., Vanrolle^iem, P.A. (2001). Dynamical Modelling
and Estimation in Wastewater Treatment Processes. London
UK IWA Publishing
Efron, В (1979) Bootstrap methods another look at the j ackknife.
The Annals of Stanches, 7(1): 1 -26
Gernaey, K.V, Jepnsson, U , V anrolleghem, P.A, Copp, J В
(Eds). (2014). Benchmarking of control strategies for
waaewrier treatm entplarts IWA P ut-lishing
Guisasola, A, Jubany, I, Baeza, J,A, Carrera, J, Lafuenle, J
(2005). Resprrometric estimation of the oxygen affinity
constants fot biolog-'al ammonium and mtnte oxidation
Journal tf Chemical Technology and Biotechnology, 80(4)
388-396
Heijnen, J.J (1999) Bioenergetics of microbial growth
Encyclopaedia of Bicprocess Techno-logy
Henze, M , Gujer, W, Mino, T, van Loosdrecht, M.C.M, (2000)
A3M2, ASM2d and ASM3. Ж4 Scientific and Technical
Report, 9 London UK,
LjungL (1999) System identification - Theory foi the user 2nd
edition Prentice-Hall
Mauricio-Iglesias, M., Vangsgaard, A K, Gernaey, KV , Smets,
B.F, Sin, G (2015). A novel control strategy foi single-stage
autotrophic nitrogen removal in SBR Chemical Engineering
Journal. 260 64—73
Meijet, S.C F, VanDer Spoel, H, Susauti, S, Heijnen. J J, van
Loosdrecht, MC.M (2002) Error diagnostics and data
reconciliation for activated sludge modelling using mass
balances. Water Set Tech. 45(6). 145-156
Metropolis. N, Ulam, S (1949). The Monte Carlo method Journal
of the American	44(247): 335-341.
OmlinM andReichert, P (1999) A comparison of techtuques fot
the estimation of model prediction uncertainty. Ecol. Model.,
115.45-59
Roels, J A (1980) Application of macroscopic principles to
microbial metabolism. Biotechnology and Bioengneenng,
22(12): 2457-2514
Saltelli, A., Tarantola, S and C ampolongo. F. (2000). Sensitivity
analysis as an ingedient of modeling Statistical Science,
15(4)377-395
Seber G. and Wild C. (1989) Non-linear recession Wiley, New
York.
of 346
241
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Sin, G., Gernaey, K.V , Neumann, MB , vanLoosdrecht, M C.M,
Gujer, W. (2009). Uncertainty analysis in WWTP model
applications a critical discussion using an example ftom
desi^i Water Rea 43(11): 2894-2906
Sin, G., Gernaey, K..V., Neumann, MB., vanLoosdrecht, M.C M,
Guer, W (2011). Global sensitivity analysis in wastewater
treatment plant model applications prioritizing sources of
uncertainty Water Research, 45(2) : 639-651.
Sin, G, de Fauw, D J W, Weijers, S. Vanrolleghem, P A (2008)
An efficient approach to automate the manual tnal and error
calibration of activated sludge models. Biotechnology and
Bioengineering. 100(3): 516-528
Sin. G., Meyei, A.S., Gernaey, K.V (2010). Assess.ng reliability
of cellulose hydrolysis models to support biofuel process
desiga- identifiability and uncertainty analysis Computers &
Chemical Engineering, 34(9/ 1 385—139 2.
Sin, G., V anrolle $iem, PA ("2007) Extensions to modeling
aerobic carbon deg! adation using combined respu ometric-
timmetnc measurements m view of activated sludge model
calibration Water Res 41(15) 3345-3358.
Vangsgaard, A.K., Maun cio-Iglesias, M., Gernaey, KV„ Sin, G
(2014/ Development of novel control strategies for single-
stage autotrophic nitrogen removal A process oriented
approach. Computers <& Chemical Engineering, 66:71-81
'ran det Hcijden, R T J.M, Romein. В , Heijnen, J.J, Hellinga, C.,
Luyben, K. (1994) Linear constraint relations in biochemical
reaction systems: Il Diagnosis and estimation of goss errors.
Biotechnology and bioengneering, 43(1): 11-2C
ViUadsen, J., Nielsen. J., Liden, G (2011). Elemental and Redox
Balances I n Si or each ou Engineering Principles (pp 63-118).
Spnnger, US
of 346
6
ТЕСТЫ НА СЕДИМЕНТАЦИЮ
Авторы,
Elena Torfs
Ingmar Nopens
Mari K.H. Winkler
Peter A. Vanrolleghern
Sophie Balemans
Use Y. Smets
Редакторы
Glen T. Daigger
Imre I akacs
Реда кт op русскоязы много текст a
Кулаков Артем Алексеевич
6.1.	ВВЕДЕНИЕ
Седиментация является важным технологическим
процессом, применяемым на канализационных
очистных сооружениях (КОС) Наибольшее распро-
странение среди сооружений седиментации получи-
ли первичные отстойники (ПО) - сооружения кото-
рые применяются перед биологическими реактора-
ми, и вторичные отстойники (ВО), которые
применяются для отделения биомассы от воды пе-
ред сбросом в всдный объект Кроме того, седимен-
тация играет важную роль в новых разрабатывае-
мых техн ол о гаях, таких как реакторы с гранулиро-
ванным илом Из-за разной природы осаждаемых
частиц (неочищенных сточных вод, активного ила
и гранулированного ила) и их концентраций отчет-
ливо выделяются различные ре ли мы осаждения.
В этом разделе представлен обзор различных режи-
мов осаждения которым может подвергаться жид-
кая суспензия с присутствующими частицами, эти
режимы соотносятся с особенностями процесса
осаждения наблюдаемыми в ВО, ПО и реакторах
с граиулированнымилом
Характер седиментации суспензии (например, ила
из вторичного отстойника неочищенных сточных в од
или гранулированного ила) определяется ее концен-
трацией и склонностью к флокуляции Выделяется
4 зоны (рис 6.1): седиментация отдельный несфлоку-
лированных частиц (зона I), седиментация сфлокупи-
рованных частиц (зона II), зонная (замедленная) седи-
ментация (зона III) и уплотнение (зона IV)
Высокая
концентрация
Низкая
концентрация
о
Весокис:
Низкие:
отдельные частицы
хлопья
Связи между частицами
Рисунок 6.1. Режимы седиментации (Brama et al, 1997)
©ЭленаТорфс,ИнгмаpHипенс,МариК.Х.Винклер,Питер А. Ванролла ем, СофиБалмэнс,Ильза И Смегц,2020
©Томский государствен-! ьй арлгтеиурно-строите льюи университет (перев i д, о фирм ление), 2020
of 346
244
При низких концентрациях (зоны 1 и II) частицы
полностью диспергированы, между ними нет физиче-
ского контакта, и концентрация частиц обычно слиш-
ком низкая, чтобы они могли оказывать влияние на
характер осаждения друг друга Каждая частица осе-
дает со своей характерной предельной скоростью,
которая зависит от индивидуальных свойств частиц,
таких как форма, размер, пористость и плотность.
Если отдельные частицы не проявляют склонности
к флокуляции (например, гранулированный ил), то
этот режим называется седиментацией отдельных
несфликулированных частиц (зона I). Тем не менее
некоторые суспензии (среди которых твердые части-
цы неочищенных сточньсг вод и хлопья активного
ила) имеют естественную тенденцию к флокуляции
даже при низких концентрациях (Ekama et al., 1997).
В результате последующих процессов столкновения
и соединения образуются крупные хлопья вызываю-
щие изменение скорости их осаждения во времени
Этот режим называется седиментацией сфлокулиро
ванных частиц Важно отметить, что во время седи-
ментации с флокулированных частиц образовавшиеся
хлопья будут по-прежнему оседать с собственной
конечной скоростью. Следовательно, динамика оса-
ждения при обоих режимах в целом одинакова Раз-
ница заключается в том что для седиментации сфло-
кулиро ванных частиц дополнительный процесс фло-
куляции происходит одновременно с процессом
осаждения который изменяет индивидуальные свой-
ства частиц и, следовательно, их предельную ско-
рость оседания.
Переход от зоны II к зоне осаждения (зона III)
происходит при превышении концентрации вещества
в резервуаре выше пороговой, при которой частицы
больше не оседают независимо друг от друга. Как
видно из рис б 1, пороговая концентрация зависит от
флокуляционного состояния ила Для ила из вторич-
ного отстойника переход обычно происходит при
концентрациях взвешенных веществ 600-700 мг/л,
тогда как для гранулированного ила пороговая кон-
центрация мсжет доходить до 1600-5500 мг/л (в за-
висимости от состояния гранулирования). Выше это-
го порога каждой частице, мешают другие частицы,
сила взаимодействия частиц достаточно высока, что
бы тянуть каждую частицу с одинаковой скоростью,
независимо от размера и плотности (Mancell-Egal a et
al, 2016) Другими словами, частицы оседают вместе
в виде зоны, поэтому такой режим также носит
название зонной седиментации. При данном режиме
образуется четкая граница раздела между прозрачной
надосадочной жидкостью и оседающими частицами
Когда концентрация твердых веществ еще больше
превышает критическую концентрацию (5-10 г/л),
характер осаждения частиц изменяется на уплотнение
или сгущение (зона IV) Точная концентрация при
которой осуществляется переход, безусловно, зависит
от состояния флокуляции частиц (De Clercq et al,
2008) При этих повышенных концентрациях твердые
вещества вступают в физический контакт друг с дру-
гом и подвергаются уплотнению из-за веса вышеле-
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
жащих частиц При таком режиме скорость осажде-
ния будет значительно ниже, чем при зонной седи-
ментации
Активный ил с надлежащим биоценозом демон-
стрирует естественную тенденцию к флокуляции
и, в зависимости от его концентрации, может охва-
тывать всю правую часть рис. 6.1 Следов ательно, во
вторичном отстойнике (ВО) одновременно наблю-
даются различные режимы седиментации Низкие
концентрации в верхних слоях ВО способствуют
дискретной (хлопьевидной) седиментации, в то вре-
мя как концентрации поступающего ила обычно
находятся в диапазоне для замедленной седимента-
ции, а ил внутри взвешенного слоя подвергается
уплотнению Однако специфической характеристи-
кой технологии гранулированного ила является низ
кая склонность гранул к коагуляции при понижен-
ном гидродинамическом смещении (de Kreuk and
van Loosdrecht, 2004), что позволяет расположить их
в левой части рис. 6 1 Эта особенность приводит
к тому, что гранулированный ил осаждается в ре-
жиме седиментации отдельных частиц при концен-
трациях, когда в обычном активном иле наблюдает-
ся зонная седиментация или уплотнение Наконец,
в первичные отстойники п о ступают сточные воды,
содержащие относительно низкую концентрацию
взвешенных веществ (что соотносится с верхней
частью рис. 6 1) Следовательно, основным режи-
мом осаждения в этих резервуарах является дис-
кретная седиментация (зоны 1 и II).
Поскольку в каждом процессе наблюдаются свои
особенности седиментации, для оценки их эффектав-
ности требуются рае личные экспериментальные ме-
тоды В настоящей главе приводится обзор экспери-
ментальных методов анализа седиментации и флоку-
ляции во вторичных отстойниках (разд. 6.2 и 6.3),
реакторах с гранулированным илом (разд 6.4) и пер-
вичных отстойниках (разд 6 5)
6.2.	ИЗМЕРЕНИЕ ОСАЖДАЕМОСТМ ИЛА
ВО ВТОРИЧНЫХ ОТСТОЙНИКАХ
Для определения производительности вторичных
отстойников (ВО) необходимо количественно оце-
нить осаждаемость активного ила в системе В этом
отношении седиментациснные опыты являются
важным источником информации, поскольку они
устраняют гидравлическое влияние входящих и ис-
ходящих потоков на поведение при осаждении По-
этому существует несколько методов, направленных
на определение характеристик осаждаемости актив-
ного ила путем измерения определенных свойств во
время его осаждения в резервуаре
При помощи тестов на осаждаемость можно вы-
полнить несколько типов измерений. Эти измерения
of 346
ТЕСТЫ НА СЕДИМЕНТАЦИЮ
241
варьируются от очень простых экспериментов, даю-
щих приближенные показатели общей осаждаемо ста
образца (разд 6.2.1), до более трудоемких экспери-
ментов, где измеряется удельная скорость осаждения
(разд 6.2 2) или даже определяется соотношение
между скоростью осаждения и концентрацией ила
(равд 6.2.3). Также в разд 6 2 4 приведены некоторые
полезные рекомендации, которые следует учитывать
при проведении экспериментов по определению оса-
ждаемо ста, а в равд б 2.5 дан обзор последних разра-
боток в сфере опытов такого типа.
6.2.1 Параметры осаждаем ости ила
6.21.1. Цель и применение
Для количественной оценки осаждаемости образца
активного ила был разработан ряд параметров. Эта
параметры осаждаемо ста ила (ПОИ) основаны на
определении объема, занимаемого илом после опре-
деленного периода отстаивания Среди них наиболее
известным является иловый индекс (ИИ). Известно
о ряде проблем, связанных с использованием ИИ для
определения осаждаемости ила (Mohlman, 1934; Ечск
and Vesihnd, 1969; Ekama et al., 1997), наиболее зна-
чимой из которых является его зависимость от кон-
центрации ила. В частности, при более высоких кон-
центрациях измеренные значения ИИ метут значи-
тельно отличаться от образцов ила с различными
концентрациями (Dick and Vesihnd, 1969).
Кроме того, было выявлено, что параметры ци-
линдра также оказывают влияние на результаты из-
мерения ИИ При четком соблюдении рекомендован-
ных условий воздействие таких факторов можно зна-
чительно снизить Таким образом, для получения
более надежных данных было предложено внести
в стандартный тест на измерение ИИ ряд изменений
(Stobbe, 1964; White, 1976, 1975) Ученый Stcbbe
(1964) предло жил использов ать для тестив на опреде-
ление ИИ разбавленный ил и назвал его разбавлен-
ным ИИ (РИР1). Также был предложен удельный ило-
вый индекс в перемешиваемом растворе (УИИПзД
где в ходе отстаивания происходит перемешивание
образца ила (White, 1975, 1976). Хотя каждый из этих
параметров осаждаемости ила подробно описан ни-
же, важно отметить, что использование УИИПз^ от-
личается наиболее дс сто верными результатами
6.2.1.2. Оборудование
а Градуированный цилиндрический резервуар (ми-
нимальный шаг шкапы 50 мл) объемом 1 л (для
ПИ и РИИ) или с размерами, указанными в рабо-
тах White (1975) для УИИП
b Цифровой таймер, отображающий точное время
в секундах
с. Образец возвратного ила вторичного отстойника
или иловая смесь, поступающая во вторичный от-
стойник. Образец последнего можно отобрать из
биореактор а или из распре делительной камеры
d Очищенные сточные веды с тех же сооружений
(при необходимости разбавления).
е. Оборудование для определения взвешенных ве-
ществ (ВЕЦ - в соответствии с методом 2540 D,
описанным в AFHA et al, 2012
f. Мешалка для теста на УИИП.
6.213 Иловый индекс (ИИ)
Иловый индекс (ИИ) определяется как объем (в мп),
занимаемый 1 г ила после 3 0-мину таого отстаивания
без перемешивания в цилиндре 1 л (Mohlman, 1934)
• Протокол
1	Измерьте концентрацию образца ила с помощью
теста на определение ВВ согласно методу 2540 D,
описанному е документе «Стандартные методы»
(APHAeftf/, 2012).
2	. Заполните градуированный цилиндр объемом 1 л
илом и оставьте отстаиваться.
3	Через 30 мин зафиксируйте объем, занимаемый
илом в цилиндре (ИО30 в мл,'л)
4	. Вычислите иловый индекс (ИИ), используя фор-
мулу (6.1), где Хвв - измеренная доза ила в об-
разце в г/л:
1Ш = ИОзо	(б 1)
-'вв
• Пример
В данном примере с пределение ИИ выполняется
с использованием образца ила из биореактора
очистных сооружений в г Дестель бергене (Бель-
гия) Доза ила пробы составляет 2,93 г/л.
Градуированный цилиндр наполнили образ-
цом ила и оставили для осаждения Спустя 30 мин
ил занимает о бьем в 290 мл (ИОзо)-
Таким образом иловый индекс данного об-
разца составляет
2,93мл/ л
Такой результат указывает на хорошую спо-
собность ила к осаждению Типичные значения
ИИ для активного ила находятся в диапазоне
50^400 мл/г, где 50 мл/г свидетельствуют об
очень хорошей осаждаемости, а 400 мл/г -
о плохих седиментационных свойствах.
6.2.1.4.	Разбавленный иловый индекс
Разбавленный иловый индекс (РИИ) отличается от
стандартного ил о в от о индекса наличием дополни
тельного этапа разбавления перед осаждением
(Stobbe, 1964). Таким образом ил разбавляется сточ-
ными водами до тех пор, пока значение объема осев-
шего ила через 30 мин после начала осаждения
of 346
141
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
не достигнет 150-250 мл/л Обратите внимание, что
д л я р азб ЭЕ лени я в с ег д а с ле д ует и сп о л ьз о в ать сто иные
воды (не прошедшие химическое обеззараживание),
отобранные с тех же очистных сооружений, что
и проба ила, чтобы снизить вероятность попадания
по сторонних веществ, влияющих на осаждаемость
• Процедура
1	Разбавляйте образец ила сточными ьодами, пока
значение объема осевшего ила через 30 мин от-
стаивания не будет составлять 150-250 мл/л
2	. Выполните шаги 1-3, опис анные для проведения
стандартного теста на определение ИИ
3	Вычислите РИИ, используя формулу (б 1), где
Хвв- доза ила в разбавленном образце в г/л.
Преимущество РИИ состоит в том, что он не за-
висит от концентр алии ила, и это позволяет прово-
дить последовательное сравнение осаждаемссти
ила, взятого из различных очистных сооружений,
с активным илом
6.2.1.5.	Удельный иловый индекс
в перемешиваемом растворе
Удельный иловый индекс в перемешиваемом рас-
творе (УИИПз^) был представлен ученым White
(1975, 1976), который обнаружил, что перемешива-
ние пробы во время осаждения уменьшает воздей-
ствие стенок сосуда и других мешающих факторов,
создавая тем самым условия, приближенные к про-
цессам, протекающим во взвешенном слое ила в ВО
УИИП315 определяется путем проведения теста
на ИИ при дозе ила 3,5 г/л при осторожном его пе-
ремешивании со скоростью около 1 об/мин Для
определения УИИГЬ^ концентрацию ила измеряют
с помощью теста на ВВ. а затем разбавляют сточ-
ными водами до концентрации 3,5 г/л В некоторых
случая:: может потребоваться конивнтрирсвание
ила, если его деза ниже 3,5 г/л, а отбор проб воз-
вратного активного ила невозможен
По сравнению с РИИ, У И ИП3^ обладает дополни-
тельным преимуществом, заключающимся в том что
он не только не зависит от концентрации, но и прояв-
ляет относительную нечувствительность к размерам
цилиндра для осаждения при условии, что он
не меньше размеров, указ энных в работе White
(1976), т. е отношение глубины к диаметру от 5:1 до
6:1 и объем более 4 л Поскольку измерение выпол-
няется в большем резервуаре, УИИП315 не может быть
напрямую, рассчитан из формулы (6 1), но объем кон-
кретного цилиндра необходимо снизить до эквива-
лентного, т е до 1 л Это можно осуществить путем
выражения, используя формулу (6 2), объема ила
осевшего через 30 мин после начала осаждения, как
доли объема цилиндра (£ио) и умножения этой доли
на 1000 мл дня получения эквивалентного 1 л пере-
мешиваемого осажденного объема УИНПзо
УШШ30 = 1ИО 1000.	(6.2)
Это значение можно использовать в форму-
ле (6 1) для расчета УИНП3;. при Хвв = 3,5 г/л
Несмотря на то, что выполнение тестов на
УНИПз^ сложнее, чем РИИ из-за необходимого
специального оборудования для перемешивания, он
обеспечивает наиболее достоверные результаты
(Ekamaetal., 1997, Leeetcz/., 1983).
• Процедура
1	Измерьте концентрацию- образца ила с помощью
теста на определение ВВ согласно глет еду 2540 D,
описанному в «Стандартных методах» (АРНА et
al, 2012)
2	. Доведите дозу ила в пробе до 3,5 г/л
3	. Заполните раствор ом градуированный цилиндр
с минимальными размерами, указанными White
(1976).
4	Через 30 мин осаждения в течение которого
образец перемешивают со скоростью 1 об/мин,
определите объем, занимаемый илом в градуи-
рованном цилиндре, и рассчитайте УИИП3о (6 2)
5	Рассчитайте УИИПзд, используя формулу (6 1),
при ИО30 = УИИПз) и Хвв =3,5 г/л
6.2.2. Кривая осаждения
и скорость зонного осаждения
6.2.2.1. Цель и применение
Представленные выше параметры седиментации ила
обеспечивают упрощенные измерения общей оса-
ждаемости. Однако стоит отметить, что они пред-
ставляют лишь мгновенную фиксацию характера
осаждения. В действительности объем образца ила
после 30 мин отстаивания будет зависеть как от ха-
рактера его седиментации, таг: и от поведения при
уплотнении, на которые воздействует ряд факторов,
таких как состав активного ила (например, популя-
ция нитчатых организмов), распределение размеров
хлопьев, свойства поверхности, реология и т д
Следовательно, два образца ила с различной оса-
ждаемо стъю могут показать одинаковые значения
параметров седиментации
Более подробные данные о процессе седимента-
ции образца ила можно получить при помощи кри-
вой осаждения которая позволяет исследовать оса-
ждения ила в различные моменты времени
Такие кривые могут использоваться для дости-
жения нескольких целей Они могут применяться
либо для качественной оценки эксплуатационных
или сезонных изменений в процессе осаждения,
либо для количественного определения производи
тельности вторичного отстойника В первом случае
можно применять градуированный цилиндр (напри-
of 346
ТЕСТЫ НА СЕДИМЕНТАЦИЮ
24?
мер, изображенный на рис 6 2). Размеры цилиндра
должны выбираться из условия предотвращения
возникновения пристеночного эффекта при седи-
ментации Более подробная информация об опти-
мальной форме и размере резервуаров для осажде-
ния представлена в разд 6 2 4 1
Рисунок 6.2. Фотографа цшиндра для осаждения в разные моменты
времени с указанием гранщы раздела фаз ил-вода (фото Е. Torfs)
6.222.	Оборудование
Для выполнения данного теста потребуется следу-
ющее оборудование
а. Градуированный цилиндр (с минимальным ша-
гом шкалы 5 О мл)
h Цифровой таймер, отображающий точное время
в секундах
с. Образец возвратного ила вторичного отстойника
или иловая смесь, поступающая во вторичный от-
стойник. Образец последнего можно отобрать из
биореактор а или из распределительной камеры
d Стандартный набор оборудования для выполне-
ниятестов на определение ВВ (АРНА et al, 2012)
е Устройство для п ере меши вания в случае исполь-
зования результатов для количественного анали-
за пропускной способности ВО
6.223.	Методика проведения эксперимента
Для получения кривой осаждения необходимо за-
полнить цилиндр пробой ила и запустить таймер для
отслеживания продолжительности эксперимента
В процессе седиментации измеряется положение
границы раздела фаз ил - вода в р эзные промежутки
времени Иллюстрация данного процесса приведена
на рис. 6.2, где положение границы раздела фаз ил -
вода обозначено красной стрелкой
В результате фиксации высоты границы раздела
фаз на нескольких временных интервалах мы полу-
чаем кривую с изменением высоты слоя ила во вре-
мени Стандартное время измерения для построения
кривой осаждения составляет 0, 0,5, 1, 2, 3, 4, 5, 10,
15, 20, 30 и 45 мин, но оно может быть адаппгрова-
но в зависимости от динамики осаждения исследуе-
мой пробы ила (более подробно об этом читайте
в разд 6 2 4). В начале испытания граница раздела
ф<& ил-вода обычно измеряется чаще, поскольку
ил оседает относительно быстро Далее частота из-
мерения сокращается ввиду замедления снижения
гр анииы р азд ела ф аз
• Процедура
1	. Приведите пробу ила в однородное состояние
Пробу не рекомендуется активно встряхивать,
т. к. это может повредить ил и привести к изме-
нениям седиментационных свойств
2	. Медленно и непрерывно внесите пробу ила
в цилиндр, чтобы не нарушитъ структуру ила
и избежать повторного его осаждения
3	Запустите таймер после заполнения цилиндра.
4	Измерьте границу раздела фаз ил - вода через
следующие временные промежутки. 0, 0,5, 1, 2,
3, 4, 5, 10, 15, 20, 30 и 45 мин.
• Пример
Измерения кривой осаждения производятся
с использованием обргеца ила из биореактора
очистных сооружений в г Дестельбергене (Бель-
гия). Измеренная концентрация в образце состав-
ляет 2,93 г/л Измеренные высоты границы разде-
ла фаз ил - вода. (т. е высота слоя осевшего ила)
в разные моменты времени осаждения пр ед став-
лены в табл. 6 1, а кривая показана на рис. 6 3
Таблица 6.1 Измеренная высота слоя осеишепо ила (ВСОИ)
во время единичного теста на осаздние
Время	ВСОИ (м)
0	0,250
0,5	0,247
1	0,244
2	0,238
Э	0,206
4	0,184
5	0,164
10	0,122
15	0,106
20	0,098
ЭО	0,088
45	0,081
of 346
241
Рисунок 6.1 Полученная кривая осаждения
6.2.24 Интерпретация кривой осаждения
Обычно е кривой осаждения наблюдаются 4 раз-
личные фазы Каждая из них обозначает изменение
характера седиментации на границе раздела фаз ил -
вода На рис 6.4 изображено изменение высоты
осажденного илового слоя во времени в ходе теста
на осаждение с присутствием четырех фаз. Важно
отметить, что кривая осаждения обеспечивает дан-
ные о характере изменения только на границе разде-
ла фаз ил - вода. В любой конкретный момент вре-
мени характер седиментации на равных глубинах
цилиндров в зависимости от концентр’аций в задан-
ной точке может отличаться от осаждения, наблю-
даемого на гр анице раздела.
Фаза флокуляции
(а)
Фаза зонного осаждения
(6) Переходная фаза
(в>
Фаза уплотнения
Время
Рисунок6.4. Изменение высоты слоя осевшего ила во времени с выде-
лением четырех фаз (Rushton etal., 2000)
На рис 6.5 представлено распределение обла-
стей осаждения по глубине цилиндра в разное время
в ходе эксперимента по осаждению
Рисунок6.5. Хронология теста на осаждение (Ekama etal., 1997)
Практически сразу после начала эксперимента
по ходу роста глубины сформировались четыре об-
ласти. Самая верхняя (рис 6.5, область А) состоит
из надиловой жидкости Под областью А сформиро-
вались области Б, В и Г, которые соответствуют
зонному осажденик (Б), переходу от осаждения
куплотненик (В) и уплотнению (Г) (Ekama et al,
1997) Граница раздела фаз ил - вода обозначена
красной стрелкой Следовательно, фазы, зафиксиро-
ванные на кривой осаждения, проходят при пересе-
чении гр аницы р аздела фаз ил - вода через эти зоны
седиментации
С начала испытания до точки (а) на рис. 6 4 про-
исходит флокуляция хлопков активного ила с обра-
зованием хлопьев и видимой границы раздела фаз
ил - вода На этом этапе активный ил восстанавли-
вается после турбулентного процесса заполнения
цилиндр а.
Во время фазы зонного осаждения, которая начи-
нается в точке (а) и заканчивается в точке (б) на
рис. 6.4, граница расположена в зоне осаждения (об-
ласть Б) Данная фаза характеризуется четким линей-
ным спадем на кривой. Равновесие между гравитаци-
онными силами, вызывающими осаждение частиц,
и силой гидравлического трения, препятствующей
этому движению, обеспечивает одинаковую скорость
осаждения для всех частиц в области. Если в цилин-
дре не происходит перемешивание, то скорость,
с которой граница раздела фаз перемещается вниз,
называется скоростью зонного осаждения (v30) при
заданной концентрации ила на входе Если размеры
и условия для испытания были заданы таким обра-
зом, чтобы избежать влияния стенок (разд. 6.2.4.1), то
измеренная скорость осаждения соответствует скоро-
сти зонного осаждения в реальном ВО
Переходная фаза начинается (точка (б)), когда
слой ила достигает переходного слоя (область С)
Переходный слой представляет собой слой постоян-
ной толщины и состоит из частиц, поступающих из
уменьшающегося слоя зонного осаждения и частиц,
поступающих из увеличивающегося слоя уплотне-
of 346
ТЕСТЫ НА СЕДИМЕНТАЦИЮ
241
ния Хота во время этой фазы отмечаются те же ха-
рактеристики, что и в режиме зонного осаждения
скорость зсаждения уменьшается поскольку гради-
ент концентрации увеличивается с глубиной Пере-
ходная фаз а заканчивается когда слой ила достигает
слоя уплотнения
Последняя фаза начинается в точке (в) и называ-
ется уплотнением Время начала данной фазы,
называемое точкой сжатия определить довольно
трудно Во время згой фазы частицы подвергаются
уплотнению, в результате чего увеличивается гра-
диент концентрации, а также уменьшается скорость
осаждения.
6.2.2.5. Измерение скорости зонного осаждения
При небольших концентрациях (приблизительно от
1 до б г/л) ил будет первоначально осаждаться в со-
ответствии с режимом зонного осаждения Наклон
линейной части кривой осаждения соответствует
скорости зонного осаждения узи
• Пример
Скорость зонного осаждения рас считывается пу-
тем определения самого крутого наклона между
тремя последовательными точками данных
('можно выполнить в любом программном обес-
печении). На рис. 6. с приведен пример на основе
данных теста на осаждение с рис б 3, в резуль
тате получаем скорость осаждения 1,374 м/ч
Рисунок 6.6. Расчет наиболее крутых наклонов кривой осаждения при
концентрации?^ rtn
6.2.3. Взаимосвязь V30-X
6.2.3.1. Цель и применение
Концентрация в области зонного осаждения являет-
ся равномерной и равна начальной концентрации
твердых веществ в жидкости Вычисляя наклоны
линейной части кривых для различных начальных
концентраций, можно определить скорость осажде-
ния в зависимости от концентрации взвешенных
веществ Соотношение между скоростью зонного
осаждения и концентрацией имеет особое значение
при проектировании вторичных отстойников, по-
скольку оно определяет величину предельного по-
тока и, следовательно, площадь поверхности ВО.
Как указывалось выше, для использования соотно-
шения Vso-X в количественных расчетах, гаких как
определение площади поверхности ВО, размеры
и условия испытания должны быть установлены
в соответствии со специфик алиями, приведенными
в разд б 2 4 1.
6 2.32. Оборудование
Для выполнения данного теста потребуется следу-
ющее оборудование
а Градуированный цилиндр (с минимальным ша-
гом шкапы 50 мл).
b Цифровой таймер, отображающий точное время
в секундах.
с. Про ба возе ратного и ла вторичного отстойника,
d Очищенные сточные воды с очистной станции
(для разбавления).
е. Стандартный набор оборудования для проведе-
ния тестов на ВБ (АРНа et al, 2012).
f Устройство для перемешивания в случае исполь-
зования результатов для количественного ан ал и 
запропускной способности ВО
6.2.33. Методика проведения эксперимента
Чтобы получить различные начальные концентра-
ции для экспериментов, пробу возвратного ила из
ВО разбавляют сточными водами, взятыми на той
же очистной станции Следовательно, серия разбав 
ления производится с использованием 100, 80, 60,
50, 40 и 20% ила, соответственно. Например, при
40%-м разбавлении в 0,8 л ила из возвратного пото-
ка добавляют 1,2 л лчищенных сточных вод Для
каждого разбавления кривая получается в соответ-
ствии с пошаговой методикой из разд 6.2.2.3, а ско-
рость зонного осаждения рассчитывается по накло-
ну линейной части крив ой
Чтобы получить достоверные результаты отно-
шения V30-X, важно иметь точные данные начальной
концентрации (дозы) в каждом эксперименте. Кон-
центрации в ряд? разбавлений часто определяются
путем измерения дозы ила в возвратном потоке
и последующего расчета концентрации в разбавлен-
ных пробах с учетом того, что содержанием ВБ
в очищенных сточных водах можно пренебречь Тем
не менее такая процедура сопряжена с возникнове-
нием ошибок в случае неполного смешивания образ-
ца ила и разбавляемой воды при наполнении емко-
сти Отдельные из мер ения В В при каждом разбавле-
нии являются более надежным подходом Этого
можно достичь путем смешивания содержимого ем-
кости в конце каждого экспериментаи последующе-
of 346
но
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
го отбора пробы для измерения ВВ Такой подход
требует дополнительных усилий для выполнения
большого количества тестов на BE, однако он обес-
печивает надежное измерение концентрации в сме-
шанной пробе
• Процедура
1	. Выполните шаг 1 из методики измерения кривых
с использованием возвратного ила.
2	. Смешайте определенный объем ила с очищен-
ными сточными в одами до необходимс го уровня
разбавления
3	Выполните шаги 2-4 из методики по построе-
нию кривых
4	Спустя 45 мин после начала осаждения переме-
шайте образец в цилиндре и возьмите пробу для
определения концентрации ила (ВВ)
• Пример
Отобраны образцы возвратного ила и счищенных
сточных в зд на очистных сооружениях г Дестель-
берген (Бельгия) Граница раздела фаз ил - веда
замерялась при осаждении проб с различными
начальными концентрациями (табл 6 2). Получен-
ные кр ивы е о с ажд ени я пр еде тав л ены н а р и с 6 7
Скорости зонного осаждения для данных с рис 6.7
рассчитываются путем определения самого крутого
наклона среди трех последовательных точек данных
(рис. 6.8, дг) Полученные скорости представлены на
рис. 6.8, б и в габл 6 3.
Скорость снижается при росте концентраций,
т. к. увеличивается величина сопротивления частиц
осаждению. Следует отметить, что для концентра-
ций 5,46 и 6,83 г/л становится все труднее опреде-
лить самый крутой наклон, а достоверность этих
кривых для измерения зонного осаждения может
быть спорной П  др о бн ая ин ф ор мация пред став лен а
в разд б 2.4 3
Таблица 6.2. Измеренная высота слоя исевшепо ила (м)
пр и е го р азличн ых н ача льн ых ко нце нтр ациях
Время (мин)	1,37 гЛ1	2,37 г/л	3,42 г/л	4,10 г/л	5,46 ГЙ1	638 г/л
0	0,248	0,248	0,248	0,248	0,248	0248
0,5	0,243	0,244	0.246	0,248	0,247	0.248
1	0,215	0.236	0.241	0.247	0,246	0248
2	0,107	0,198	0,214	0,244	0,245	0248
3	0,074	0,163	0,186	0,242	0,243	0247
4	0,004	0,144	0,165	0,239	0,243	0246
5	0,059	0,130	0.149	0,234	0,241	0245
10	0,040	0,102	0,115	0,195	0,234	0241
15	0.041	0.091	0,102	0,172	0,227	0239
20	0,038	0,083	0.092	0,156	0,219	0236
30	0,033	0,073	0.083	0,132	0,205	0231
45	0,031	0,064	0.074	0,114	0,182	0223
Рйс у нок 6.7. Кривые оса жден ия г. ри разлж ных на ча пн ых ко нце-н тр а дня х
Рисунок 6.8. Осаждение ила пр и различных начальных ко нце нтр ациях ВВ с выделение м максимального уклона каждой кривой (а) Максимальный уклон
соответствует измерению скоростизонного осаждения (6)
0-*-
О
Концентрация ила (г/л)
of 346
ТЕСТЫ НА СЕДИМЕНТАЦИЮ
2»
Таблица 6.1 Измеренные скорости зонного осаждения
для р а зличн ых н а ча льн ых ко н ц? и то а щ и
Концентрация г/л	V3O(MW|
	4.39
2,73	2.01
3,42	1,63
4,10	046
5,46	0.09
6дЗ	0,05
623.4 О поедал ение параметров зонного осаждения
Математически связь между концентрацией ила
и скоростью зонного осаждения можно описать при
помощи экспоненциальной функции затухания (6 3)
В этой формуле Узо представляет скорость замедлен-
ного осаждения ила, Vo - максимальную скорость
зонного осаждения, ХВБ - концентрацию ВВ ила, rv -
параметр модели (Vesihnd, 1968). Параметры Vq и гу
вэтой функции предоставляют информацию об оса-
ждаемо сти ила и часто используются при расчете ВО.
Более подробную информацию о проектировании
можно найти в работах Ekama etal. (1997).
V3o(x)-v0 <IvXbl	(6 3)
Параметры Vo и rv можно определить с помо
щью экспериментальных данных путем минимиза-
ции суммы квадратов ошибок (СКО) в формуле
(6 4). В этом уравнении N - это число точек данных;
Угод- измеренная скорость зонного осаждения при
концентрации i, a v3Qд — соответствующий прогноз
по функции Весилинда (1968) для определенного
набор а параметров [Very],
N
CKO = S^o,i-^o,i(vC1rv))2.	(6 4)
i=l
Оценка параметров зонного осаждения и расчет
достоверных интервалов для этих сценок можно
выполнить в соответствии с описанием в гл. 5 Ми-
нимизация суммы квадратов ошибок из форму-
лы (6 4) позволит более точно подобрать скорости
(например, при низких концентрациях). Для прида-
ния одинакового влияния всем измеренным скоро-
стям осаждения, можно выполнить логарифмиче-
ское приближение
• Пример
В табл б 4 представлены начальные значения пара-
метров, оптимальные значения после оптимизации
и 95%-ые доверительные интервалы для значений из
табл 6 4 Результаты моделирования калиброван-
ных функций и точек экспериментальных данных
показ аны на рис. 6.9
Таблице 6.4. Начальные значения, оптимальные значения
и доверительные интервалы определенных пара метр-ов
доч функции осаждения
Параметр	Начальное значение	Оптимальное значение	Доверительный интервал
V|(MA)	9,647	10,603	± V6S
Ги(лЛ)	0,488	0,634	±0038
Ригунок 6.9. Скорость осаадния как фикция дозы ила Красными
точками отмечены значения измерений скоростей осаадния, а лини-
ей - результаты вычисления этих скоростей по me калибр о вил функцгм,
согласно описанию Весилиад (1968)
6.2.3.5.	Калибровка с использованием
эмпирических зависимостей
на основе параметров осаждаемости ила
Поскольку измерение кривых осаждения занимает
гораздо больше времени, чем измерение простых
параметров осаждаемости ила было разработано
несколько эмпирических уравнений, которые связы-
вают параметры осаждения Vu и гу с простыми из-
мерениями параметров осаждаемости (Harte) and
PopeL 1992; Ко opman and Cadee, 1983, Pi tman, 1984;
Daigger and Roper, 1985). Примеры таких эмпириче-
ских уравнений и полученных параметров представ-
лены в табл. 6 5
Таблица 6.5. Расчетные значения Vo (м/Ч) и гу(лЛ) при помощи эмпирических зависимостей на основе параметров; осаждаемости ила
Источник	Уравнение	Значение параметра	Ne уравнения
Hartel и Popel (1992)	Vi= 17,4е<'1™’	Vi = 9,647	(6 5)
	ги=-0)9 8Э4е*"««и+1,043	гм= 0,488	(6 6)
Коортап и Cadee (198Э)	In(Vi) = 2)605-0,00365 РИИ	Vi = 9,993	(6 7)
	Ги= 0,249 *0)002191 РИИ	ги= 0,431	(6.8)
Pitman (1984)	V.0 = 67>9 е-0Л167ИИП3 «V	Vi = 5,669	(6 9)
	ги= 088-0 ,Э931од (Vi/tu)	Ги= 0,446	(610)
of 346
2»
На рис. 6 10 показано, что параметры осаждения,
рассчитанные по эмпирическим уравнениям, могут
отличаться от результатов измерения из табл, б 4
Это может объясняться тещ что илы с аналитичным
иловым индексом могут проявлять различный ха-
рактер осаждения в зависимости от свойств ила
Кроме того, при использовании эмпирических урав-
нений два параметра оцениваются на основе только
одной точки данных Таким образом, параметры
осаждаемогти ила не обеспечивают достаточной
информации для описания характера осаждения при
различных концентрациях ила Поэтому метод эм-
пирических зависимостей, основанных на парамет-
рах осаждаемогти ила. не дает точной оценки пара-
метров зонного осаждения в функциях осаждения,
и его следует избегать
о г 4	6	8	10
Доза ила (г/л)
Рисунок & 10. Зависимость скорости оса ад ния от дозы ила фасные
точки - измеренные значения скоростей осаждения, а лтии - значения
этих скоростей, рассчитанные пи функции Весилтда (1986) со значени-
ями пара метров, полученными из а мп рр ических уравнений
6.2.4.	Рекомендации для выполнения тестов
на седиментацию
6.2.4.1 Форма и размеры емкости
Для выполнения тестов на седиментацию рекоменду-
ется использовать емкости цилиндрической формы.
В конической посуде, такой как воронка (конус)
Имхоффа, невозможно измерить ни одну область
зонного осаждения поскольку уменьшение ширины
поперечного сечения неизбежно приведет к возник-
новению градиента концентрации Когда определяе-
мые параметры зонного осаждения используются д.чя
определения предельной гидравлической нагрузки
и площади поверхности вторичного отстойника, сле-
дует избегать любого воздействия емкости на харак-
тер осаждения (так’ называемые пристеночные эф-
фекты). Для этого следует использовать цилиндр
диаметром не менее 100 мм и глубиной 1 м, а также
обеспечить осторожное перемешивание (1 об/мин)
жидкости во время испытания.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
6.2.42.	Содержание и транспортировка проб
Стоит избегать транспортировки проб на длинные рас-
стояния и их длительного хранения Взбалтывание об-
разцов в ходе транспортировки и биологические про-
цессы во время хранения могут оказать значительное
воздействие на характер последующего осаждения
По возможности рекомендуется выполнять измерения
на очистных сооружениях сразу после отборапроб
6.2.43.	Диапазон концентраций
Зонная седиментация обычно наблюдается при кон-
центрация:: ила от 1 до б г/л. Однако эти границы
зависят от состояния флокуляции ила и могут отли-
чаться на разных очистных сооружения:: Соответ-
ственно, всегда следует проводить визуальною про-
верку того, находятся ли полученные кривые осажде-
ния в области зонного осаждения При низких
начальных дозах становится все сложнее отслеживать
границы раздела фаз ила и воды, т. к ил переходит
в режим седиментации отдельных частиц Если чет-
кой границы не наблюдается не следует включать
такие дозы в анализ. С другой стороны, при высоки::
концентрациях ил подвергается уплотнению Если
начальная концентрация является достаточной для
возникновения уплотнения в самом начале экспери-
мента. полученная кривая не будет отображать четко-
го линейного спуска Если кривая не имеет линейного
подъема, такую высокую концентрацию также
не следует рас сматривать в ходе анализа.
6.2.44.	Частота измерений
Время измерений и серии разбавлений, описанные
вразд. 6.2 2 и б 2.3, можно считать минимальным
набором измерений для получения кривой Также
можно выполнить дополнительные измерения и раз-
бавления в зависимости от условий и требований экс-
перимента Например, если граница раздела фаз ила
и воды показывает резкое снижение на начальной ста-
дии, то дополнительные измерения могут быть полез-
ны в течение первых 2 мин исследования пробы. От-
слеживать границу раздела можно в автоматическом
режиме при наличии специализированного оборудова-
ния и соответствующего опыта (Vanderhas?elt and
Vanrolleghern, 2000) В зависимости от концентрации
образца возвратного ила стандартные серии разбавле-
ний (100, 80, 60, 50, 40 и 20 %) могут не обеспечивать
достаточного охвата диапазона концентраций для зон-
ного осаждения. В таких случаях можно добавить раз-
бавления на 55, 30 % и т д
6.2.5.	Последние достижения
в тестах на седиментацию
При измерении кривой осаждения можно исследо-
вать скорость, с которой граница раздела фаз ил-
of 346
ТЕСТЫ НА СЕДИМЕНТАЦИЮ
2»
вода проходит через различные области осажде-
ния Однако недостатком такого метода является
то. что полученная информация касается только
границы раздела фаз ил - вида. Информация о ха-
рактере осаждения внутри осаждаемого слоя или
о самом формировании такого слоя отсутствует
Также невозможно рассчитать скорость осаждения
на стадии уплотнения. В литературе представлены
передовые методы измерения, позволяющие полу-
чить подробную информацию об изменении пове-
дения ила в зависимости от времени и глубины.
Примеры включают подробные пространственно-
временные измерения концентрации взвешенных
веществ с помощью радиоактивного индикатора
(De Clercq et ai., 2005) и измерения скорости по
всей глубине илового слоя с помощью ультразву-
кового преобразователя (Locatelli et al., 2015). Од-
нако данные методы требуют наличия специализи-
рованного оборудования и не могут применяться
в стандартных условиях
6.3. ИЗМЕРЕНИЕ СТЕПЕНИ
ФЛОКУЛЯЦИИ АКТИВНОГО ИЛА
Как видно из рис б 1, на режим осаждения пробы
ила влияет не только его концентрация, но и его
состояние флокуляции. Следовательно, способ-
ность вторичного отстойника успешно функцио-
нировать в качестве илоотделителя значительно
зависит от способности микроорганизмов к обра-
зованию хлопьевидной биомассы, которая хорошо
оседает и уплотняется, в результате чего образу-
ются прозрачные сточные воды (Das et al, 1993).
Процесс флокуляции направлен на объединение
отдельных хлопьев ила в большие и плотные хло-
пья, которые быстро оседают, и присоединение
отдельных частиц ила, которые обычно не оседа-
ют по отдельности. Если происходит сбой процес-
са флокуляции или разрушение хлопьев, частицы
активного ила не объединяются в флокулы. Из-за
отсутствия достаточной для осаждения массы ча-
стицы ила остаются в надиловой жидкости ВО
и отводятся вместе с очищенными сточными во-
дами, снижая их качество. Нарушения процесса
осаждения могут быть вызваны множеством при-
чин (1) денитрификация в иле, (и) слишком боль-
шая высота ос ажденного илового слоя, (ш) плохая
флокуляция, (iv) плохая гидродинамика Для при-
нятия соответствующих мер важно уметь точно
установить причину сбоя. Большую высоту оса-
жденного слоя и денитрифицированный ил до-
вольно легко определить и скорректировать
(Wahlberg et al, 1 995) Различить проблемы с фло-
куляцией и гидродинамикой сложнее, для этих
целей разработан тест на диспергированные взве-
шенные веще ства/ф л окулированные взвешенные
вещества (ДВВ/ФВВ).
6.3.1.	Тест на ДЕВ/ФББ
6.3.1.1.	Цель и применение
В 1995 г учеными (Wahlberg et al.") была предложена
процедура, позволяющая отличать нарушения флоку-
ляции и гидр .'динамики в рассматриваемом ВО, так
н авыв ае мый тест н а Д В В/Ф В В И сп о льз о в ани е теста
на определение ДВЕ и/или ФЕЕ- доказало свою по-
лезн о сть в н еск ольких и с след ов аниях (1) те ст п о зв о -
ляет оценивать процессы флокуляции и дефлокуля-
ции в каналах подачи (Das et al, 1993, Parker and
Stenquist, 1986, Parker et al, 197j), (и) определять
влияние гидравлических возмущений в аэротенке на
неосаждаемые частицы ила в очищенных сточных
вода:: (Das et al, 1 993, Parker et al, 2000, 1970)
и (in) определять преимущества процесса флокуля-
ции при уменьшении количества взвешенных ве-
ществ в очищенных сточных водах (Parker et al.,
2000; Wahlberg*а/., 1994).
Тест на ДВВ/ФВВ можно разделить на три ча-
сти определение содержания взвешенных веществ
на выходе из отстойника в очищенных сточных во
дах (EBB), тест на диспергированные взвешенные
вещества (ДВВ) и тест на флокулированные взве-
шенные вещества (ФВВ). Тест на ВВВ представляет
собой простое исследование общего содержания
взвешенных веществ в сточных водах после очист-
ки Процедуры выполнения тестов на ДВВ и ФВВ
описаны в разд. б.З 1 3, 6.3 1 4
6.3.12. Оборудование
Для выполнения тестов на ВЕВ, ДВВ и ФВВ необ-
ходимо следующее оборудование
Общве
а Стандартный набор оборудования для проведе-
ния тестов на ВВ (АРНА et ai., 2012).
b Секундомер
Тест на Е: В
а Проба очищенных сточных вод (минимум 0,5 л)
Тест на ДВ:
а Пробоотборник Кеммерера
Ь. Сифон для отбора проб надосадочной жидкости.
Тест на ФВВ
а Прямоугольная емкость объемом не менее 2 л.
Ь. Шесть лопастных мешалок.
с. Проба активного ила (не менее 1,5 л).
6.3.1.3. Тест на ДВВ
Диспергированные взвешенные вещества (ДВВ)
определяются как концентрация В В, оставшихся
в надосадочной жидкости после 30-минутнсго оса-
MULUilldllC ZUUT^
of 346
2 54
ждения (Parker et al, 1970) Таким образом, тест на
ДВВ количественно определяет состояние флокуля-
ции активного ила в момент времени в месте отбора
пробы. Для этого необходим пробоотборник Кемме-
рера для отбора проб и отстаивания, чтобы защи-
тить биологические хлопья в пробе от любого вто-
ричного воздействия флокуляции или разрушения,
вызьанньг: промежуточным этапом переноса.
Пробоотборник Кеммерера представляет собой
чистый контейнер, объемом 4,2 л, диаметром 105 мм
и длиной 600 мм с отверстиями на концах (рис. 6.11).
Пробу отбирают в пробоотборник и осаждают в те-
чение 30 мин, после чего с помощью сифона собира-
ют надосадочную жидкость и анализируют концен-
трацию ВВ в ней (Wahlbergef al., 1995).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
• Процедура
1	Погрузите пробоотборник Кеммерера в нужное
место вторичного отстойника для отбора пробы
ила
2	. Дайте отобранному илу отстояться в течение
30 мин
3	. Через 30 мин возьмите образец надосадочной
жидкости обьемом 500 мп (осторожно, чтобы
не встряхнуть осевший ил)
4	Выполните анализ отобранной надосадочной
жидкости на концентрацию ВВ
• Пример
В своих работа:: Parker ctf al (2000) описали ис-
пользование теста на ДВВ для устранения неис-
правностей вторичного отстойника на КОС Цен-
трального санитарного агентства в округе Марин,
штат Калифорния Данный тест был выполнен
ввиду высоких концентраций ВВ в очищенньс:
сточных водах во время пиксвых нагрузок. Ре-
зультаты анализа представлены в табл 6 б
Табмц 16.6. Полученные значения ДВВ на КОС Центрального
санитарного агентства в округе Марш, штат Калифорния (Parker et а/, 2000)
ДВВ (мг/л) Центральная труба (В'ОД)	ДВВ (мгйп Центральная тр\ба (ВЬГ®Д|	ДВВ (чг/л) Слив 0ЧИИ£ШЫХ сточных вод	ВВВ (мг/л) Слив очиирнных сточных вод
10,4	1Ц0	3,6	8.5
Рисунок 6.11 Пробоотборник Кеммерера с открыть.ми верхним и ниж-
ним затвора ми (фото. Royal Eijkelkamp)
Крупные хлопья осаждаются в течение 30 мин,
тогда как диспергированные частицы, отделенные
от слоя осаждаемого ила, остаются в надосадочной
жидкости
Было показано, что на хорошо спроектированном
и эксплуатируемом ВО концентрации ДВЕ близки
к концентрациям ВВВ (Parker and Stenquist, 1986)
Поэтому большие различия в концентрациях ДВВ
и ВВВ указывают на проблемы с илоразделенпем
В тестах на ДВВ можно использовать образцы, ото-
бранные в различных точках ВО (например, на входе
в ВО, на выходе из центральной (флокуляционной)
камеры или у водослива очищенных сточных вод),
для анализа потенциальных проблем (например!, воз-
никновения флокуляции или разрушения)
Схожие значения ДВВ на входе и выходе из цен-
тральной камеры указывают на то, что флокуляции
в ней не пр с и сходил о Однако заметное снижение
значений ДВВ между выходим из центральной ка-
меры и выходом свидетельствовало о наличии фло-
куляции в отстойнике Это указывает на хорошую
способность ила к флокуляции, но отсутствие
надлежащих условий для флокуляции в центральной
камере, ввиду ее небольшого диаметра
Кроме того, результаты теста на ДЕВ выявили зна-
чительную проблему гидравлических процессов в от-
стойниках Высокая концентрация ВВВ в сравнении
с ДВЕ в очищенных сточных вода:: означает вымыва-
ние осаждаемых частиц через всдослив отстойника
6.3.1.4. Тест на ФВВ
В 1995 г. ученые (Wahlberg et al.) разработали до-
полнительный к тесту для исследования ДВВ тест
на флокулированные взвешенные вещества (ФВВ)
В то время как тест на ДВВ оценивает состояние
флокуляции пробы в определенном месте ВО в кон-
кретный момент времени, тест на ФВВ количе-
ственно определяет потенциал флокуляции пробы
активного ила путем его флокуляции в идеальных
условия:: до осаждения
Для этого теста пробу активного ила отбирают
в прямоугольную емкос ть для флокуляции (мини-
MULUilldUC ^.пт.
of 346
ТЕСТЫ НА СЕДИМЕНТАЦИЮ
мальный объем сосуда 2 л) Объем пробы должен
составлять не менее 1,5 л. Образец осторожно пере-
мешивают в течение 30 мин со скоростью 50 об/мин
(рис. 6.12), после чего ему дают отстоягьсяв течение
30 мин и измеряют концентрацию в надосадочной
жидкости Флокуляция интенсифицируется за счет
перемешивания а осаждение выполняется в идеаль-
ной емкости (без гидравлических помех). Таким об-
разом. полученное значение ФВВ считается мини
мально возможным значением ВВВ
Рисунок 6.12. Экспериментальная установка для выполнения тестов на
ФВВ Проба активного ила пере вшивается в течение 30 мт в прямо-
угольной емкости для фпокуляци-i (фото Е Torts)
Концентрация ФЕВ в аэротенке и вторичном от-
стойнике будет одинаковой, т. к она измеряется
в условиях оптимальной флокуляции и идеального
осаждения. Поэтому образец активного ила для те-
ста на ФВВ можно отбирать в любом месте от аэро-
тенка до вторичного отстойника.
• Процедура
1	. Отберите пробу активного ила объемом 1,5 л на
очистных сооружениях
2	. Поместите пробу в прямоугольную емкость для
флокуляции объемом 2 л.
1Н
3	Перемешивайте в течение 30 мин со скоростью
50 об/мин
4	Прекратите перемешивание и оставьте пр обу для
осаждения на 30 мин
5	. Через 30 мин возьмите 500 мп надосадочной жид-
кости (осторожно, не встряхните осевший ил)
6	Выполните анализ кониентрации ВВ в отобран-
ном ибргеценадосадочной жидкости.
6	.315 Интерпретация тестоь на ДВВ/ФЯР
Надежно функционирующий вторичный отстойник
обеспечивает надлежащие условия для флокуляции,
чтобы объединять в хлопья небольшие диспергиро-
ванные частицы, которые не имеют достаточной мас-
сы для осаждения в ВО. Сбои в работе вторичного
отстойника, связанные с флокуляцией, приведут
к высоким концентрациям ВВ в очищенных сточных
водах Диспергированные взвешенные вещества воз-
никаютв результате трех возможных процессов
i. их флокуляция предотвращается поверхност-
ными химическими реакциями (би слога чес кая
проблема);
п. сни не объединяй: тся в хлопья из-за недоста-
точного времени для флокуляции (физическая
проблема),
iii флокулы распадаются на частицы в результате
чрезмерной турбулентности (гидравлическая
проблема).
Тест на ДВВ/ФВВ позволяет выявлять эти раз-
личные сценарии для принятия соответствующих
корректирующих мер.
Типичный тест на ДВВ/ФВВ состоит из измере-
ния четырех пгр аметров концентр ацияв очищенных
сточных водах (ВВВ), концентр ация ДЕВ на входе во
ВО (ДВЕцД концентрация ДВВ у водослива ВО
(ДВВБ1К) и концентрация ФВВ При наличии цен-
тральной (флокуляиионной) камеры ДВВШ. следует
измерять после прохождения этого этапа Предпола
гая, что исследуемая система борется с высокими
концентрациями ВВ в очищенных сточных водах,
т. к. тесты ДВВ/ФВВ обычно выполняются в случае
возникновения проблем с и лор азделением можно
выявить четыре сценария Матрица поиска наруше-
ний илор азделения по тестам ДВВ/ФВВ, демонстри-
рующая причины низких показателей при различных
условиях тестирования приведена в табл о 7
(Кinnear, 2000).
Таблиц 6.7. Матр мр поиска на рушений п о теста м Др &ФВ В (Юпп ear, 2000)
Высокий уровеньВВВ и	СЕВЕ	
	Высокий	Низкии
Высокий	Биологическая сроку	Физическая флокупя-
дев	ляция	ция
НИЗ КИИ	Невозможно	Гидравлик
Различные результаты выполнения тестов можно
интерпретировать следующим образом
of 346
Hl
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Высоли ДВВа - НИЗМ1Й ФВВ
Данный сценарий указывает на слабую флокуляции?
во втсричном отстойнике, несмотря нахорошие фло-
куляциинные свойства активного ила. Либо активный
ил не получает достаточного времени для флокуля-
ции, либо происходит значительное разрушение хло-
пьев до осаждения (например, из-за чрезмерного воз-
действия во время транспортировки) Недостаточное
осветление может способствовать возникновению
проблемы с физической флокуляцией, которая может
быть решена либо путем устранения причины разру-
шения либо путем включения дополнительной ста-
дии флокуляции перед осаждением
Высою*1 ДВВе>-высоки ФВВ
Как и в случае с высоким уровнем ДВВег и низким
уровнем ФВВ, такие показатели указывают на сла-
бую флокуляцию, во вторичном отстойнике. Однако
даже при идеальных условиях флокуляции, обеспе-
чиваемых при помощи теста на ФВВ, улучшить
илоразделение не удастся. Следовательно, дополни-
тельная флокуляция не улучшит осветление, и про-
блема, скорее всего, имеет биологическую- прирсду,
что приводит к образованию осадка с плохими фло-
куляционными свойствами Модификация вторич-
ного отстойника не решит данную, проблему, вни-
мание следует направить на предыдущие стадии до
попаданияв ВО.
Hhswih ДВЕ с. - hmshim ФЕЕ
Низкий уровень ДБВЕХговорит о хорошем флокуля-
ционном состоянии поступающего активного ила.
Поскольку ДВВ1Х уже находится в том же диапа-
зоне, что и концентрация ФВВ, дальнейшая флоку-
ляция не улучшит рабочие параметры ВО, и про-
блема, скорее всего, является гидравлической
(например, из-за малого времени пребывания) До-
полнительным подтверждением может послужить
сравнение концентрации ДВВ1ЫХ и ВВВ; если кон-
центрация ДВЕщ^; значительно ниже концентрации
В В В, это указывает на гидравлическое вымывание
осаждаемых твердых частиц от илового слоя Чтобы
улучшить илор аз деление в этом случае, необходимо
изучить гидродинамику резервуара с помощью те-
стов с применением красителя и/или 2-3D модели-
рования расчетной динамики потоков
Низмш ДВВа - высотй Ф7.
Такое сочетание теоретически невозможно При его
возникновении тест необходимо провести повторно
• Пример
Тест на ДВВ/ФВВ использовался для оценки
эффективности существующих отстойников до
модернизации сооружений в Грили, штат Коло-
радо (Brischke et al., 1997, Parker et al, 2000).
Тест на ДВВ был выполнен в двух точках - на
входе во вторичный отстойник и на выходе из
него (у водослива очищенных сточных вод) Ре-
зультаты измерений ДВВ, ФВВ и ВВВ приведе-
ны в табл 6 8
Табмца 6.8. Результаты измерений ДВВ, ФВВ и ВВВ			
на очистных сооружениях в Грили, штат Кс-лора до (Etischke et al, 1997)			
ДВВкг	ДВВяк	Фее	ВВВ
(мг/л)	(мг/л)	(МГЙ1)	(мг/л)
29,2	22J0	8,2	25,5
Высокие значения ДВВ как на входе, так и у во-
дослива указывают на отсутствие флокуляции
в резервуаре Гораздо более низкое значение ФВВ
означает, что ил обладает высокой способностью
к флокуляции, но не имеет соответствующих усло-
вий для ее протекания в резервуаре. Таким образом,
высокие концентрации ВВВ могут быть отнесены
к физической проблеме флокуляции, котирую мож-
но решить путем физического усовершенствования
резервуара для обеспечения подходящих условий
флокуляции В данном случае такая проблема была
решена путем модернизации центральной камеры
отстойника.
6.3.2.	Рекомендации
6.3.2.1.	Условия флокуляции
Надлежащее выполнение теста на ФВВ требует
наличия идеальных условий флокуляции. Поэтому
важно использовать прямоугольную емкость для
флокуляпии, это позволит избежать образования
вихревой воронки bg время перемешивания К тому
же необходимо убедиться что проба ила идеально
перемешана (т. е застойные зоны отсутствуют как
на дне, таки на поверхности)
6.3.22.	Влияние температуры
Объем пробы для теста на ФЕВ относительно неве-
лик по сравнению с объемом пробоотборника Кем-
мерера Поэтому следует принять некоторые меры
предосторожности, чтобы гарантировать, что они
не подвергнутся существенным изменениям темпера-
туры в течение 1 ч проведения испытания. Например,
тест не следует проводить под воздействием прямых
солнечных лучей
6.3.2.3.	Пробы надосадочной жидкости
Независимо от конкретной методики отбора проб
надосадочной жидкости, следует проявлять осто-
рожность, чтобы не отобрать какие-либо плаваю-
щие на поверхности или осевшие на дно частицы,
т к. это мижет серьезно повлиять на результаты
измерений. Кроме того, поскольку концентрация
в очищенных сточных водах и в надосздочной
жидкости, как правило, очень низкая объемпробы
для теста на ВВ должен быть достаточно большим
(±5 0 С мл)
of 346
ТЕСТЫ НА СЕДИМЕНТАЦИЮ
6.3.3.	Последние достижения
в измерении состояния флокуляции
Из вышесказанного становится ясно, что «хорошая
био флокуляция» активного ила является необходи-
мым условием для «хорошего осаждения» и высокого
качества очищенных сточных вод Но как опреде-
лить, обладают ли хлопья ила надлежащими флоку-
ляционными свойствами9 Хлопья активного ила со-
стоят из (1) нитчатых организмов (основы), к кото-
рым могут прикрепляться (й) микроколонии (т. е
скопления микроорганизмов), затем это объединение
микроорганизме! включается в матрицу (iii) внекле-
точных полимерных веществ (рис б 13). Отсутствие
баланса одного из этих компонентов относительно
других может привести к пр о б ле магл
Рисунок 6.13. Структурный состав флокулы активного ила мроколо-
нии прикрепляются к нитчатым бактериям, которые образуют основу
флокулы, в то время как внеклеточные полимерные вещества состав-
ляют встраиваемую матрицу (Meisen el al, 2012)
Одной из наиболее распространенных проблем
седиментации является проблема нитчатого вспуха-
ния, при котором преобладают нитчатые организмы,
под их воздействием структура хлопьев становится
очень открытой и удерживает много воды Такие
нити могут даже переплетаться с другими выступа-
ющими нитями, образуя сеть, которая препятствует
осаждению ила И наоборот, при нехватке нитей для
формирования основы флокулы наблюдаются так
называемые точечные хлопья Это небольшие скоп
ления микроорганизмов, которые плохо оседают
Следовательно, флокула с хорошими свойствами
осаждения должна быть плотной (не открытой)
и достаточно большой.
Такие характеристики активного ила можно ко-
личественно измерить при помощи микроскопиро-
вания. Изменения среднего размера хлопьев, длины
нити, округлости хлопьев, фрактальной размерности
хлопьев и т д могут дать много информации о ха-
рактере осаждения ила. Одновременно с этим неко-
торые исследовательские группы занимались разра-
боткой специального Пи для анализа изображений,
чтобы получить данную, информацию- (Amaral and
Ferreira, 2005, Da Motta et al, 2001a, 2001b, Jennee et
al., 2004. van Dierdonck et al., 2013), также доступно
2il
бесплатное программное обеспечение (такое, как
Im age J или FIJI (http ://fiji sc/Fiji)) для выполнения
базового анализа Подробный обзор всех доступных
в настоящее время средств для анализа изображений
содержится в специальной литературе (Mesquita et
al, 2013). Для микроскопического мониторинга,
который больше направлен на выявление конкрет-
ных присутствующих микробных сообществ, также
может быть интересна флуоресцентная гибридиза-
ция in situ (FISH)1; в таком случае можно обратиться
к руководству по FISH для биологической счистки
сточных вид (Nielsen et al., 20С9).
Наряд? с анализом изображений мг жно упомянуть
три дополнительных инструмента моните.ринга, свя-
занных с био флокуляцией, которые в большей степе-
ни сосредоточены на силах, удерживающих компо-
ненты хлопьев вместе. С одной стороны, при глобаль-
ном измерении прочности хлопьев (Mikkelsen and
Keiding, 2002) сравнивается мутность надо садочной
жидкости до и после встряхивания пробы ила Мень-
шая мутнссть после встряхивания указывает на более
развитые свойства биофлокуляпии С другой стороны,
можно также измерить относительную гидрофобность
и поверхностный заряд Относительная гидрофоб-
ность связана с гидрофобным взаимодействием кото-
рое играет важную роль в поддержании агрегирован-
ного состояния хлопьев Значение, полученное при
таком анализе (например, тест MATH, описанный
авторами Chang arid Lee, 1998), оценивающем склон-
ность к микробной адгезии к углеводородам,
не должно приниматься как абсолютное, но может
быть интересно в отношении обнаружения изменений
за конкретный период Поверхностный заряд связан
с электростатическими силами, при более нейтраль-
ной поверхности активного ила происходит меньшее
отталкивание агрегированных частиц, что приводит
к улучшению коагуляции и флокуляции. Измерения
поверхностного заряда основаны на методике колло-
идного титрования (Kawarnura and Tanaka, 196о;
Kawamuraet al., 1967, M organ et al, 1990)
6.4. ИЗМЕРЕНИЕ ОСАЖДАЕМОСТИ
ГРАНУЛИРОВАННОГО ИЛА
6.4.1.	Цель и применение
За последние годы были разработаны новые техноло-
гии для отделения ила от очищенных сточных вод Од-
на из та).их технологий предполагает использование
аэробного гранулированного ила. Аэробные гранулы
представляют собой сферические биопленки обычно
с коэффициентом формьг 0.7-0,8 (Beun et al., 2002).
В то время как для традиционного активного ила ха-
рактерны скорости осажденияниже 5 Wh (Vanderhasselt
1 FISH - Fluotescence in situ hybridization.
of 346
Hl
and Vanroll eghem, 2000), гранулированный ил осажда-
ется -значительно быстрее со скоростями осаждения
в диапазоне от 10 до 100 м/ч (Bassin et al, 2012; Etterer
and Wilderer, 2001, Winkler a/., 2012, 201 1a).
Кроме того, гранулы имеют низкую склонность
к флокуляции, поэтому характер их осаждения соот-
ветствует дальней левой части рис и 1 Таким обра-
зом, гранулы будут осаждаться по отдельности даже
при более высоких концентрациях (практически без
режима зонной седиментации и уплотнения) и сразу
образовывать плотный слой ила Поэтому иловый
индекс после 5 мин осаждения будет практически
равен значению илового индекса, измеренного по-
сле 30 мин осаждения Традиционные значения ило-
вого индекса для гранулированного ила обычно ни-
же 30 мл/г /de Kreuk and van. Loosdrecht, 2004, Liu et
al , 2005, Liu and Tay, 2007, Tay^M/., 2004).
Гранулированный ил получают в SERpeaKTO-
рах1 *, поскольку эти системы удовлетворяют ряду
специфических требований для образования гранул,
режим чередования «питания» и «голодания» для
селекции подход, пцих микроорганизмов (Eeun et al,
1999), короткое время осаждения для обеспечения
удержания гранулированной биомассы и вымывание
хлопьевидной биомассы (Qin et al, 2004) и доста-
точная сила сдвига для обеспечения оптимальной
физической целостности гранул (Тауе.'л/., 2001)
Одним из ключевых параметров для отбора гра-
нулированного ила является скорость осаждения
При использовании режима краткосрочного осажде-
ния в SBR отбираются только большие соединения
биомассы, которые хорошо оседают, а хлопьевидный
ил вымывается (Beun et al, 2000) Параметры, опре-
деляющие скорость осаждения частиц и, в свою оче-
редь, вымывание биомассы, имеют решающее значе-
ние для технологии гранулированного ила. Баланс
сил для седиментации сферической частицы зависит
от плавучести, силы тяжести и силы сопротивления
(Giancoh, 1995). Из этого соотношения на скорость
осаждения влияют вязкость воды, размер и форма
частиц, а также разница между плотностью воды
и частиц Следовательно, скорость осаждения гранул
зависит от плотности и размера частип, где увеличе-
ние диаметра оказывает более сильное влияние на
скорость осаждения (Winkler et al., 2012, 201 1а)
В связи с этим в данном разделе представлен способ
измерения плотности и размера гранул, а также про-
цедура расчета теоретической скорости осаждения
гранул в различных температурных условиях.
6.4.2.	Оборудование
Для выполнения тестов с гранулированным илом
потребуется следующий набор эборудования.
1 SBR - Sequencing batch reactoi / Реактор периодического
дейстъия
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
а пикнометр,
h микровесы;
с. сита или микроскоп с анализатором изображения
6.4,3.	Измерение плотности
Значения плотности, зафиксированные в ходе иссле-
дований, находятся в промежутке 1036-1048 кг/м
(Etterer and Wilderer, 2001) и сопоставимы со значе-
ниями плотности традиционного активного ила
1020-1060 кг/м (Andreadakis, 1993, Dammel and
Schroeder, 1991). Однако внутри ядра гранул могут
образовываться осадки (Lee and Chen, 2015, Manas
et al., 2012), что значительно увеличивает плотность
гранул до 1300 кг/м* (Juang е! al., 2010, Winkler et
al, 2013)
Удельную плотность биомассы можно измерить
с по мощью пикнометра (рис. 6 14) Пикнометр
представляет собой простую недорогую стеклянную
колбу с четко откалиброванным объемом Он за-
крывается при помощи стеклянной пробки, которая
служит клапаном, а также содержит небольшой паз,
через который излишняя вода вытесняется при за-
крытии. Пикнометр имеет известный объемУ
Рисунок 6.14. Изо (ране нии пикнометра (фо го Е. Torts)
• Процедура
1	Из мер ьте веспикно метр а (з акр' ьгго го с теклянн о й
пробкой) в полностью сухом СОСТОЯНИИ (то).
2	. Заполните пикнометр водой и повторно измерьте
его вес (тт) Важно тщательно высушить пикно-
метр перед взвешиванием, чтобы удалить всю
лишнюю влагу с внешних стенок прибора
3	Вычислите массу воды в пикнометре (панао):
гаН2О = П1т “ гпо	(6 5)
4	Измерьте вес образца гранул, плотность которо-
го будет определяться (тД
5	Поместите пробу гранул в пикнометр и измерьте
общий вес пикнометра с гранулами (trio + ms)
6	. Заполните пикнометр (содержащий образцы
гранул) водой и снова измерьте его массу (mTS)
AULuilldTK ZOO
of 346
ТЕСТЫ НА СЕДИМЕНТАЦИЮ
2»
Как и в шаге 2, убедитесь, что пикнометр пца-
тельно высушен перед взвешиванием
7	. Вычислите вес добавленной воды (тнаоХ
тН2О = тт?-mo-ms 	О56)
8	. Определите объем добавленной воды (У’нзо),
и сп ользуя ур авн ение
V^=—	(Ь7)
РН2О
9	. Вычислите обьем измеренные гранул V5 как
разность объема воды, заполняющей пустой
пикнометр (V), и предварительно определенного
обьемаводы (У’нзо)
Ч = V~Yb = тн2° ~т'ню .	(6.8)
РН2О
10	Наконец, вычислите плотность гранул р5
II1S
Ч
(б 9)
• Пример
Для определения плотности пробы гранулиро-
ванного ила использовался пикнометр объемом
(V) 0,1 л Результаты всех измерений и вычисле-
ний указаны в табл. 6.9 (плотность воды, Рнзо>
при 20 °C - 998 г/л)
Таблиц» 6.9. Вычисление плотности образца гранулирован нопс- ила
Параметр	Символ	Процедура	Значение
hAacca ггустогс’ пикнометра (г)	tri	Измеренная	54;51
Масса пикнометра с водой irj	Шт	Измеренная	153.70
бЛасса воды ГП	ггно	Вычисленная	99,19
Масса гранул [г)	in,	Измеренная	1956
Масса пикнометра, воды	mis	Измеренная	154,55
игранул			
Масса добавленной воды (Г)	Who	Вычисленная	80.48
Объем добавленной воды (л)	'mo	Вычисленная	0.08
Объем гранул (л)	Vs	Вычисленная	0.02
Плотность гранул (г/л)	PS	Вычисленная	1010,40
6А4. Определение размера гранул биомассы
Хотя единого мнения о минимальном диаметре нет
(Bathe et al., 2005), для определения минимального
размера гранулированной биомассы использовались
сита диаметр ом 0,2 мм (Bin et al, 2011; de Kreuk,
2006; Li et al., 2009). Наибольший зафиксированный
диаметр составляет 16 мм (Zheng et al., 2006), но
обычно его значения находятся в диапазоне 0,5-3 мм
(de Kreuk and van Loosdrecht, 2304. Shi et al, 2009;
Winkler et al., 2011b). Распределение размеров можно
измерить при помощи стандартного просеивания или
ан ализ а гор а из о бр ажения
6.4.4.1. Просеивание
Размер гранул можно определить с помощью сит
с различным размером ячейки Для просеивания
можно использовать сита с отверстиями размером 2,
1, 0,5 и 0,3 мм что позволяет охватить наиболее
распространенный диапазон размеров гранул
• Процедура
1	Измерьте общую массу образца во влажном со-
стоянии
2	Поместите сита вертикально одно над дрчгим
в порядке увеличения размеров пор (от нижнего
к верхнему) таким образом, чтобы сит о с самы-
ми крупными отверстиями оказалось сверху
(рис. б 15).
3	. Налейте гранулированный ил на сита.
4	Промойте каждое сито в порядке их расположе-
ния, чтобы гранулы могли переместиться от од-
ного сита к следующему.
5	Отфильтруйте жидкость (которая просочилась
через все сита) для того, чтобы собрать частицы
мельче 0,3 мм.
б	. Выполните обратную промывку каждого сита,
чтобы сохранить каждую гранулу в отдельном
сосуде
7	Определите вес во влажном состоянии, а также
при необходимости в сухом состоянии (ВВ), со-
став золы и летучие взвешенные вещества (ЛВВ)
каждой фракции, в результате чего получите
теоретическую долю каждой размерной катего-
рии (Lagunas al., 1999)
Рисунок6.15. СИга с различным размеромячейки (фото Heldmaster)
6.4.42. Анализатор изображений
Размер гранул можно также измерить с помощью
анализатора изображений, используя усредненную
расчетную площадь поверхности гранул Для данного
измерения образец переносится в чашку Петри
и помещается под стерео микро скоп с заданным уве-
личением (например, увеличение ><7,5) Анализ каж-
of 346
2(0
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
дог о изображения фиксируется с помощью анализа-
тора Чашку Петри необходимо повернуть несколько
раз, чтобы измерить различные гранулы На рынке
сегодня представлены различные анализаторы изоб-
ражений, отличающиеся требованиям! к обращению
Пример распределения гранул по размеру, получен-
ный данным мето дом, представлен нарис. б. 1 б
Диаметр (мм)
Рисунок 6.16. Распределение частиц по размеру в реакторе с гранули-
рованным или м
температуре, что приводит к снижению вязкости
в два раза, если сравнивать 10 и 40 °C (Podolsky,
2000) В специальной литературе можно найти
таблицу значений плотности и вязкости воды
при различных температурах.
• Пример
Пример расчета скорости осаждения частицы
диаметром 0,4 мм и плотностью частиц 1 010 кт/м3
при равных температурах приведен в табл б 10
и изображен нарис. 6.17 Обратите внимание, что
условие, при котором число Рейнольдса меньше
или равно 1, встречалось не для всех значений
температуры Выводы по данному вопросу будут
описаны ниже
Таблица 6.Ю. Скорости оса идения гранугы дм-йметр-* м0,4 мм
и п го тио стою частиц 1010 кг/м4 пр и ра зтмчн ых то мпе ра тура х
т	"С	5	10	15	20	25	30	35	40
v„	м!/с	1,5еЛ6	1,Зе-06	1,1е- 06	1,0е- 06	9,Се- 01	8,2е- 0?	?,4е- 0?	6,6е- 0?
	иМ	1000	1000	999	998	997	996	994	992
Re	-	0,2	о;	о;	0,4	015	0,7	1.0	1,5
Уз	м/ч	2,1	2j5	3J0	3,6	4;	5,5	6,8	8,7
6.4.5.	Вычисление скоро спи осаждения гранул
•	Процедура
Измеренную среднюю плотность и диаметр гра-
нул можно использовать для расчета теоретиче-
ской скорости осаждения. Закон Стокса может
использоваться для расчета скорости осаждения
частиц, для которых числа Рейнольдса меньше
или равны 1
j2
Vs=l_Pp_£y.i (6.10)
18 pw vw
Числа Рейнольдса можно вычислить с помо-
щью следующего уравнения
Ке = ^-^,	(6.11)
где vf - скорость осаждения одной гранулы (м/с);
dp - диаметр гранулы (м); рр - плотность части-
цы (кг/м3); р^-плотность жидкости (кг/м3); g-
ускорение свободного падения 1^,81 м/с2); vw -
кине матич еская вязкость воды (м/с); Вер - число
Рейнольдса частицы
Плотность и вязкость среды зависят от тем-
пературы и растворенных веществ в воде При
повышении температуры вязкость и плотность
виды снижаются При высокой температуре мо-
лекулы воды более подвижны, чем при низкой
О 4-----I----1------.-----I-----1------1----1------1
О	5	10	15	20	25	ТО	35	40
Температура (*С)
Кюунокб.17. Вычисленные значения скоростей осатодения при раз лич-
ных температурах для гранул диаметром 0.4 мм и плотностью 1010 кг/м3
Пример нарис. 6.17 показывает, что скорость
осаждения небольшой гранулы диаметром
0,4 мми плотностью 1010 кг/м’ варьируется от 2
до 9 м^ч при температуре от 5 до 40 °C (.Winkler
ei al, 2012). Поэтому при низких температурах
отделение малых и легких гранул от хлопьев ила
(с хар актерной скоростью осаждения ниже 5 м/ч)
может быть затруднено Предыдущие экспери-
ментальные исследования доказали, что процесс
запуска при низких температурах проходит
сложнее, к тому же все микробиологичекие про-
цессы идут медленнее при низких температурах
(Brdjanovic et al., 1997, Ketrunen and Rintala,
1997; Lettinga et al, 2001), таким образом еще
больше замедляя гранулирование Увеличение
of 346
ТЕСТЫ НА СЕДИМЕНТАЦИЮ
плотное™ или диаметра гранул значительно по-
высит скорость осаждения и тем самым облегчит
их отделение
•	Пример
Рассчитанные скорости тсаждения для частицы
с таким же диаметром (0.4 мм), но более высо-
кой плотностью (1050 кг/м3) при различных тем-
пературах показаны в табл 6.11 и на рис и 18
Для более крупных и плотных частиц числа Рей-
нольдс а превышают 1. Для этих частиц теорети-
ческие скорости осаждения, рассчитанные по за-
кону Стокса, будут отклоняться от истинных
скоростей осаждения Для большинства приме-
нений такие погрешности (< 10 %) допустимы,
и закон С токса является хорошим средством ап-
проксимации Белее точные вычисления скоро-
стей осаждения возможны, но требуют усовер-
шенствованных методов вычисления включая
и терационную процедуру по определению числа
Рейнольдса. Примеры применения данною пед
хода можно найти в работах Winkler et jI (2012)
Таблица 6.11 QiopuCTM осаждения гранулы диаметр--м U.4 мм
и плотностью частиц 1С50 кг'м3 при различных температурах
1	’С	5	10	15	20	25	Эи	35	40
ч.	МУС	1,5еЛ6	1,3е-«6	1,1е-06	1,0е-06	9,4е-07	8,?е-07	7,4е-07	6,6е-07
	кг«!	1000	1000	999	998	997	996	994	992
№	-	0,8	1,0	1,4	1,7	2,1	2,8	3,6	4,7
	мА(	10,7	12,1	14,0	15,8	17,7	20)9	23,9	27,9
• Плотные гранулы
• Ле-кие гранулы
35-
30
5 25
Iм
2 ,5
л
О
I 10
5
О
и

-I------ —t-------------1-------------------।-----------।----------1--------1
5 Ю 15	2(1	25 (О 35	40
Температура (’С)
Рисунок Ы 6. Рассчитанные скорости осаждения при раэтичных темпе-
ратурах для частиц легкого (1010 кг/м3) и плотного (1050 кг/м3) гранула
рованного ипз с диаметром частиц 0.4 мм
6.4.6.	Рекомендации
6.4.6.1,	Проверка достоверности результатов
Рассчитанные скорости осаждения (разд 6 4 5) мо-
гут быть экспериментально подтверждены путем
проведения простых испытаний осаждения с грану-
лами, собранными из сит с различными размерами
111
пор (разд 6 4 4). Гранулы различных размерных
фракиий помещаются в сам реактор или в цилиндр,
далее замеряется время в течение которого гранула
достигает дна реактора, чгобы выразить скорость ее
осаждения в метрах в час
6.462. Применение для хлопьевидного ила
Экспериментальные методы, описанные в разд 64 3
и 6.4 4, могут также применяться к активному илу
во вторичных отстойниках (особенно в их верхнем
слое, где, как известно, происходит дискретная се-
диментация сф л окулированных частиц). Однако
данные методы в настоящее время не очень распро-
странены, пэскольку высокий потенциал флокуля-
ции ила приводит к тому, что внимание в основном
направлено на зонную седиментацию (как домини-
рующий режим для концентрации активного ила,
поступающего в ВО, используется в основном для
определения производительно ста и проектирования
ВО). С другой стороны, для гранулированного ила
определяющей является седиментация отдельных
частиц, что приводит к смещению фокуса на изме-
рение размера и плетне ста
6.5. ИЗМЕРЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
СКОРОСТИ ОСАЖДЕНИЯ
В ПЕРВИЧНОМ ОТСТОЙНИКЕ
6.5.1. Введение
Первичные отстойники (ПО) используются для пред-
варительной обработки на очистных сооружениях
Проведенные с начала 1970 гт исследования город-
ских сточных вод показали, что многие загрязняю-
щие вещества встречаются в форме частиц Более
того, частицы, транс портируемые в суспензии, также
оказались легко осаждаемыми, несмотря на их отно-
сительно небольшой размер (от 30 ди 40 мкм). Сле-
довательно, гравитационное осаждение в ПО может
служить ценным инструментом для отделения круп-
ных осаждаемых частиц из поступающих сточных
вод перед дальнейшей биологической очисткой.
Поскольку концентрации твердых частиц в не-
очищенных сточных водах являются относительно
низкими пи сравнению с концентрациями ила во
вторичном отстойнике, режим осаждения в первич-
ном отстойнике имеет дискретный (не флокуляцион-
ный и не хлопьевидный) характер, и скорость оса-
ждения зависит от индивидуальных свойств частиц
Учитывая разнообразие плотностей, форм и разме-
ров взвешенных частиц в сточных водах (имейте
в ейду закон Стокса), вычисление скорости осажде-
ния различных частиц через измерение размера
и плотности является сложной задачей и занимает
of 346
ill
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
много временн Поэтому в данном разделе представ-
лен метод прямого измерения распределения скоро-
стей осаэдения в характерных пробах сточных вод
Такое измерение можно выполнять с использовани-
ем методики ViCAs, разработанной учеными Chebbo
и Grnmaire (20 П 9). Методика ViCAs (‘Vitesse de
Chute en Assainissement’, что в переводе с француз-
ского означает «скорость осаждения в канализацию;)
представляет собой тест по измерению скорости
осаждения чагтиц в цилиндре при статических усло-
виях. Тест дает представление о поведении частиц,
присутствующих в пробе сточных вод, чтобы полу-
чить данные об их составе Сам тест может служить
источником важной информации в различных сфе-
рах. Е первичных отстойниках результаты экспери-
ментов ViCAs можно использовать в качестве вход-
ных данных для моделей первичного отстаивания
(Bachis et al., 2015) или для изучения влияния дози-
рования реагентов на распределение скорости оса-
ждения с целью увеличения эффективности предва-
рительной очистки реагентным методом (CEFT1 2).
Кроме того, эксперименты ViCAs могут применяться
при проектировании канализационных накопитель-
ных резервуаров, где данные о распределении скоро-
сти осаждения можно использовать для определения
оптимального времени гидравлической продолжи-
тельности пребывания (HF.T”i и соответствующего
снижения натр'узки на очистные сооружения.
осевшие в течение заданного периода времени, из-
влекаются со дна колонны отстаивания в чашках
Рисунок 6.20. Г|эи1цип огородной суспензии
Таким образом, их масса извлекается из чашек,
что позволяет определить динамику увеличения
массы M(t) осажденных частиц в зависимости от
времени t (рис. 6 21).
и 1бое
а- 1-лоо • *
<г *
х 1200 ,
& 1000
? I»
* 6ОС
S 600
г 400
с
6.5.2. Основной принцип
О 100	300	500	700	900 1100 1300 1500
Время осаждения (мин)
В рамках теста ViCAs выполняется осаждение про-
бы в лабораторной колонне ViCAs (рис. 6 19).
Рисунок 6 19. Оборудование для еыполнения теста MCAs (фото
Chebbo and Gtomaire, 2009)
Методика ViCAs основана на принципе использо-
вания ''днородных суспензий (рис 6.20) В начале
измерения частицы равномерно распределены по
всей высоте седиментации Далее предполагается, что
частицы осаждаются независимо друг от друг я без
образования соединений и без разделения Частицы,
1 CEPT -Chemically enhanced prim ary ire atm ent.
2 HRT-Hydraulic retention time
Рисунок 6.21. Динамика увелтения массы оса ад иных частщ в зави-
симости от в ре мен и
На практике накопительная кривая массы оса-
жденных частиц состоит из и-но го числа точек
(7<п<12), соответствующих п-ному количеству
образцов с различным временем осаждения.
Измерения массы осажденных веществ как
функции от времени позволяют рассчитать распре-
деление скорости осаждения f(vs). На рис 6.22
изображен пример кривой распределения скоростей
осаждения для пробы стандартных сточных вод
Рисунок 6.22. Кривая распределения скоростей осаждения t(vs) для
пробы типичных сгонных вод
rtULuilldlK
of 346
ТЕСТЫ НА СЕДИМЕНТАЦИЮ
2H
6.5.3. Отбор и хранение проб
Тест можно выполнять с использованием составной
пробы или путем смешивания нескольких проб
с аналогичным составом (например, отобрать 5 бу-
тылок по 1 л в течение 10 мин). Во время отбора
проб взвешенные частицы, которые могут мешать
выполнению теста удаляются, и при необходимости
пробу можно пропустить через грубый фильтр, что
не влияет на ее состав Анализ следует выполнить
в течение максимум 24 ч после отбора, чтобы избе-
жать флокуляции Если начальная концентрация
превышает 10U0 мг/л, пробу необходимо разбавить
Для этого ее делят на две части - 5 и 15л Затем 15 л
пробы осаждают в течение 24 ч, после чего надо са-
дочную жидкость используют для разбавления.
6.5.4. Оборудование
Для выполнения теста Vi С As потребуется следую-
щее оборудование:
1.	Специальная колонна ViCAs с подставкой
и двумя чашками
2	Р езин о в ая л ента для з акр епл ения колонны.
3	Т ай мер (для из мер ени я вр е мен ных инт ер в ал о в).
4.	Лабораторный стакан объемом5 л.
5.	Лопаточка (для перемешивания).
6	Вакуумный насос
7.	Пластиковая соединительная трубка.
8.	Фильтрационная колба Эрленмейера объемом
1000 мл для создания вакуумного буфера и за-
щиты насоса
На рис. о 23 представлен готовый к использова-
нию набор оборудования для теста ViCAs с систе-
мой для н апслнения
Рисунок 6.23. Установка У САз с оборудованием для наполнения (фото
Gromaire M.C and Chebbo G, руководство no ViCAs)
6.5.5.	Методика теста
Анализируемая проба помещается в камеру (см
рис б 19) и быстро всасывается за счет вакуума
внутри колонны Затем ее поддерживают в вакууме
в течение всего периода испытания т. е. проба «ви-
сит в колонне». Частицы, осевшие в течение опре-
деленных периодов времени At, собираются в чаш-
ках, помещенных под колонной, чашки и колонна
имеют одинаковый диаметр Чашки сначала напол-
няются водопроводной ведой, а затем каждая по
очереди погружается в камеру для проб и помеща-
ется под колонну. В конце каждого определенного
периода At содержимое чашек фильтруется и изме-
ряется общее количество извлеченных взвешенных
веществ (ВВ) и летучих взвешенных веществ (ЛВВ)
•	Подготовка проб
а Доведите пробы до однородности при помощи
лопаточки и налейте 5 л в подходящий лабора-
торный стакан
b Снова перемешайте и возьмите пробу объемом
500 мл, которая будет использоваться для опре-
деления н анальной концентрации ВВ в колонне
•	Заполнение колонны
а Перемешайте пробу объемом 4,5 л перед тем
как быстро налить ее в емкость для пробы
(рис. 6.24, г?)
b Втяните за счет вакуума жидкость в колонку
(в течение 2-5 с) и закройте клапан на четверть
оборота (рис. 6.24,5).
с. Выключите вакуумный насос.
Рисунок 6.24. Запогиение емкости пробой (а) и закрытие клапана для
поддержания вакуума (б) (фото Gromaire М С and Chebbo G., руковод-
ство по ViCAs)
Важно отметить, что
а Стадия заполнения требует определенной сно-
ровки, т к действие необходимо выполнять
очень быстро
b Для более успешного выполнения теста реко-
мендуется иметь двух операторов.
с. Недостаточный объем пробы или слишком мед
ленное закрывание клапана может привести
к проникновению воздуха в колонну Тогда при
дется повторить действия по наполнению снова.
d Необходимо использовать защитный прибор,
такой как бутыль Вульфа
of 346
114
•	Начало теста на осаждение
а Сразу после закрытия клапана на четверть обо-
рота вставьте первую чашку под колонну: осто-
рожно поместите чашку в емкость для проб
и сдвиньте ее под основание колонны
h Запустите таймер и отсоедините насосное обо-
рудование.
с Используйте кусок клейкой ленты для измерения
высоты виды в колонне в конце теста (из-за за-
мены чашек может наблюдаться изменение вы-
соты воды.)
•	Зак на чашек
а За 10 с до замены осторожно поместите чашку,
наполненную водой, в углубление (рис 6.25)
b Осторожно замените чашки и вытащите старую
чашку (рис. о 26)
Рисунок 6.25. Установка новой чашки, заполненной водой (фото:
Gromaire МС.and Chebbo G .руководство по VICAs)
Рисунок 626 Установка новой чашки под колонну (фото Gromaire M.C
and Chebbo G., руководство no Vi CAs)
Важно отметить, что
а. При выполнении полного анализа замена всех
8 чашек происходит на стметке 2, 6, 14, 30 мин.
1, 2, 4 ч и после 22 ч.
b Этот шаг сложен, т к. потеря содержимого из
чашки недопустима, и нужно минимизировать
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
любую турбулентность, вызванную перемеще-
ниемчашекпод колонной
•	Ощеделеые конечной юн цен грации
Конечная концентрация в колонне определяется
с помощью анализа содержания всего ее объема
Этот шаг позволяет выполнить проверку массо-
вого баланса, который необходим для определе-
ния достоверности теста.
а После взятия последней пробы закройте коней
колонны заглушкой, выньте колонну из держа-
теля и вылейте ее содержимое в емкость объе-
мом 5 л
b Тщательно перемешайте содержимое и возьмите
образец объемом 500 мл для определения конеч-
ной концентрации В В.
•	Анализ ER и ЛВВ
Начальная и конечная концентрации В В и ЛВВ,
а также их содержание в чашке измеряются соглас-
но методам 2540 D и 2540 Е, описанным в докумен-
те «Стандартные методы» (АРНАet al., 2012)
6.5.6.	Вычисления
и представление результате=
6,56.1. Проверка массового баланса
Расчет массового баланса выполняется для оценки
потерь (или прироста) частиц в ходе эксперимента
и, следовательно, для оценки качеств а измерения
Процент погрешности массового баланса Е (%)
можно вычислить следующим обр азом
Е = ^^М<х+3^ч) ,	(6 12)
^нач
где Мн&ч - начальная масса в колонне (мг); Мкон^ -
конечная масса в колонне (мг), Мос - сумма масс,
полученных из чашек (мг).
65 6.2. Расчет распределения скоростей осаждений
Теоретический анализ (Chebbo and Bachoc, 1992;
Chancellor et al, 1998) показывает, что совокупную
кривую M(t) можно з аписать так:
(W)
где M(t) - накопленная масса осевших на дно колон-
ны частиц в промежуток времени между t = 0 и t,
S(t) - масса чаыиц, осажденных в период между t - 0
и1, скорость осаждения которых выше, чем H/t, где
dM(t)
Н- высота жидкости в колонне, t——— - масса
d(t)
частиц, осевших на момент времени t и имеющих
of 346
ТЕСТЫ НА СЕДИМЕНТАЦИЮ
2И
скорость осаждения ниже H/t (и поэтому находящий-
ся изначально вводной колонне на высоте ниже Н)
Из этого следует
Чтобы получить распределение скорости осажде-
ния пробы, необходимо определить кривую S(t), кото-
рая впоследствии может преобразоваться в распреде-
ление общей скороста ос аждения f(vs) (см рис 6.22).
/
f(vf) = 100 1-
X
s(t)
+ ^kcich >
npHVs = -у (6.16)
На практике непрерывная функция M(t) числен
но соответствует измеренным значениям M(ti),
азатем используется для аналитического решения
уравнения (6 20)
Для расчета M(t) можно использовать следую-
щее выражение
M(t)------(6.14)
1+1 - I
где b, c, d - три численных параметра, которые
можно определить методом наименьших квадра-
тов Необходимо соблюдать следующие ограниче-
ния 0 < b < Мтач, с >0 и 0 < d< 1 Пример постро
ения сглаживающей кривой по точкам приведен на
рис 6 27
6 5 6.3 Рекомендации
•	Обработка
С помощью тщательной обработки данных можно
достичь погрешности массового баланса менее
10 %. При погрешноста выше 15 % результаты
ан зли з a Vi С As счит аю тс я н е дей с твительнь тми
•	Частота отбора гроб
Время отбора проб - это время, которое обычно
используется для фракционирования ВВ пробы.
Интервалы могут изменяться в зависимости от
объекта и пробы. Также пользователь может ме-
нять At, при этом должно сохраняться мини-
мальное и максимальное количество интерва-
лов-7и 15, соответственно
1600
х 1400
ф
|	1200
1000
1а.	,
х X 600
X i 600
<3
400
3
I 200
О 100	300	500	700	900	1100	1300 1500
Время осаждения (мин)
• Ьосг^юизводиность
Для подтверждения результатов конкретного теста
ViCAs можно использовать тесты на воспроизво-
димость. Успех теста зависит от тщательности вы-
полнения методики и аккуратности обращения
с оборудованием Особое внимание следует уде-
лять смене чашек под колонной и фильтрации
осажденных масс. На рис. 6.28 показаны результа-
ты теста на воспроизводимостъ для сточных вод
после первичного отстойника очистных сооруже-
ний в Квебек-Эст.
Рисунок 6.27. Глинер стаэдающей кривой для накопитетънопо ряда
масс осажденных В В
Сглаживающую кривую M(t) можно использо-
вать для вычисления S(t):
Рисунок 6.28. Те ст на Еосприизводимистъ анализа УСА
юо
90
80
70
60
50
40
30
20
10
О
Список литературы
Amaral, A and Ferrena, Е (2005) Activated sludge monitoring
of a wastewater treatment plant using image analysis and
partial least squares recession. AxiJ Chim Л.та., 544
246-253
Andreadakis, AD (1993). Density of activated sludge solids
«Safer Jfes 27 1707-1714
Bachin G., Maruejould, T., Tik, S., Amerlinck, Y. Melcet, H ,
Nopens, I., Lessard P and Vanrolle^iem, P.A (2015)
of 346
Hl
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Modelling and characterisation of pnmary settlers in view of
whole plant and resource recovery modelling И’л &г. Tech ,
72 2251-2261.
Bassin, J P , Wink let, M.-KH , Kleerebezem, R, Dezottr, M and
van Loosdrecht, M.C M. (2012). Improved phosphate removal
by selective sludge discharge in aerobic g anular sludge
ieactors. Biotechnol Eioeng, 109 1919-1928
Bathe, S., de Kreuk, M.K., McSwain. B.S., Schwarzenbeck, N
and (2005) Discussion Outcomes. Aerobic Granular Sludge
IWAPublishing ISBN 9781843395096.
Beun, J J., Hendriks, A., van Loosdrecht, M С M , Morgenrcth, E ,
Wilderer, P A. and Heijnen J J. (1999). Aerobic ganulation
in a se quenci ng bate h r e actor. Wider Re:, 33 2 283-2290
Beun, J.J., van Loosdrecht, M C.M and Heijnen J-J i2002)
Aeiobic granulation in a sequencing batch airlift reactor
Water Res,36.702-712.
Beun JJ, van Loosdrecht, M.CM and Heijnen JJ (2000)
Aerobic granulation. Water Sci. Techno!, 41 41-48
Bin 2., Zhe, C, Zhigang Q., Mm, J., Zhiqiang C., Zhaoli, C.,
Junwen L., Xuan, W. and Jingfeng W (2011), Dynamic and
distribution of ammonia-oxidizing bactena communities
during sludge granulation in an anaerobic-aetobic sequencing
batch reactor Water Res , 45'6207-6216
Bidjano'ac, D., van Loosdrecht, MC.M, Hooijmans, C.M,
Alaerts, G.J and Heijnen J J (199?) Temperature effects on
physiology of biologcal phosphorus removal J Environ
Eng, 123. 144-153
Buschke, К, Wahlberg W, Dingeman, T and Schump, D
(1997) Performance quantified: the impact of final claiifiet
performance on effluent quality. Procs. 70th Anrval WEF
Conference and Exposition 237-244.
Chanceb.er, J., Chebbo, G and Lucas-Aiguier. E (1998)
Estimation of settling velocities Water ffes., 32 :3461 —3471.
Chang I and Lee, C. (1998Y Membrane filtration characteristics
in membrane-coupled activated sludge system - the effect of
physiological states of activated sludge on membrane fouling
De: id motion .120 221 -233.
Chebbo, G and Bachoc, A. (1992) Characterization of suspended
solids in urban wet weather discharges Wat SH. Tech., 25
171-179
Chebbo, G and Gromaire, M.-C (2009) VICAS - An Operating
protocol to measure the distributions of suspended solid
settling velocities within urban drainage samples J Environ
Eng,135:768-775.
da Motta, M., Pons, M and Roche, N. (2001a) Automated
monitoring of activated sludge in a pilot plant using image
analysis Water Sci Technol, 43 : 91 -96
da Motta, M., Pons, M., Roche, N and Vivier, H (2001b).
Characterization of activated sludge by automated image
analysis Bloc hem Eng. J, 9 165-173
Daiger, G.T and Roper, E.T. (1985). The relationship between
SVI and activated-sludge settling characteristics J Water
Poll Control Fed, 57 859-866
Dammel, E E. and Schroeder, E.D (1991). Density of activated
sludge solids Scanning, 25 841 -846
Das, D., Keinath, T.M., Parker, D and Wahlberg E.J (1993). Floc
breakup in activated sludge plants Water Environ. Res, 65
138-145
DeClercq J., Jacobg F., Kinneat, D.J., Nopens, I., Dierckx, R.A,
Defiancq J and Vanrolleghem, PA (2005). Detailed
spatio-temporal solids concentration profiling during batch
settling of activated sludge using a tadiotracet. Water Res,
39 2125-2135.
De Clercq, J., N opens, I., Defiancq J and Vanroll e^vm, PA.
(2008). Extending and calibrating a mechanistic hindered and
compression settling model for activated sludge using in- depth
batch experiments Water Res., 42 781-791
de Kreuk, M.K., (2006) Aerobic Granular Sludge Scaling up
a new technology T U Delft
de Kreuk, MК and van Loosdrecht, M.C.M (2004) Selection of
slow g owing organisms as a means foi improving aeiobic
g anular sludge stability. Water Sci Technol., 49
Dick, RL, Vesihnd, PA, (1969). The Sludge Volume Index-
What is it? J. WPCF, 41 1285-1291.
Eaton, A.D, Clescen. L.S and Greenberg A.E Q995) Standard
Methods fot Ex amination of Water & Waste water, 19th edition
American Public Health Association, Washington, DC.
Ekama, G.A., Barnard, J.L., Gunthert, FW, Krebs, P ,
McCoiquodale, J A and Parker, D S (1997) Secondary
Settling Tanks: Theoiy, Modelling Design and Operation
International Association on Water Quality
Etterer, T and Wilderer, P.A. (2001) Geneiation and properties of
aerobic ganular sludge. Water Sci. Technol, 43 19-26.
Giancoli, D C. (1995). Physics. Principles with applications. New
Jeisey Prentice Hall ISEN 9780130606204
H artel, L. andPopel, H J (1992). A dynamic secondary clarifier
mcdel including processes of sludge thickening Wider Sci
Technol, 25 267-284.
Jennee, R, Banodda, E, Smets, I and van Impe, J (2004)
Monitoring activated sludge settling properties using image
analysis Water Sci. Technol, 50:285.
Juang Y.-C, Sunil, S A, Lee, D.J. and Tay, J H (2010). Stable
aerobic granules for continuous-flow reactors Precipitating
calcium and non salts in gonular inteiiots Bioresour
Technol, 101 -8051-8057
Kawamura, S., Hanna Jr, G.P and Shumate, K.S (1967)
AppEcation of colloid titration technique to flocculation
control Waer Work Assoc., 59 1003-1013
Kawamura, S. and Tanaka, Y. (1966). Application of colloid titration
technique to coagulant dosage control Water Sew Work
Kedunen, R.H. and Rintala, J.A. (1997). The effect of low
temperature and adaptation on the methanogenic activity of
biomass Appl Microbiol Biotechnol. 48 570-576
Kinnear. D.J (2000). Evaluating Secondary Clarifiei Performance
and Capacity, in: Proceedings of the 2000 Florida Water
ResourcesC onference, Tampa, FL
К сорт an, В. and Cadee;, K. (1983). Prediction of thickening
capacity using diluted sludge volume index. Water Environ
Res., 17 1427-1431
Lee, D-J and Chen, Y-Y. (2015). Magnesium carbonate
precipitate strengthened aerobic ganules. Bioresour Technol,
183 136-140
Lee, S.-E., Koopman, B., Bode, H and Jenkins, D (1983)
Evaluation of alternative sludge settle ability indices. Water
Res., 17 1421-1426
Lettmga, G, Rebac, S and Zeeman, G (2001). Challenge of
psychiophilic anaerobic wastewatei treatment Trends
Biotechnol., 19 363-370
Li, X.-M , Liu, Q Q , Yang Q , Guo, L, Zeng G.M., Hu, J M and
Zheng W (2009). Enhanced aeiobic sludge granulation in
sequencing batch reactoi by Mg" augmeniation Bioresour.
Technol ,100:64-67
Liu, Q.S., Liq Y., Tay S., Show'. K, Ivanov, V., Benjamin, M
and Tay JH (2005) Startup ofPiloLScale Aetobic Granular
Sludge Reactor by Stored Granules. Suvfion Technol, 26
1363-1370
Liu, Y -Q ind Tay, J.-H (2007). Cultivation of aerobic granules
in a bubble column and an airlift reactor with divided draft
tubes at low' aeration rate Bloc hem Eng J, 34 1-7
Locatelli, F, Francois, P., Laurent, J., Lawniczak, F, Dufiesne,
M., V azquez, J and В ekkour, K. (2015) Detailed velocity and
concentration profiles measurement during activated sludge
batch settling using an ultrasonic transducer. Septs: Sri
Technol, 50 1059-1065
Manas, A, Pocquet, M, Biscans, В arid Spetandrc, M (2012)
Parameters influencing calcrum phosphate pi ecipitation in
gariulat sludge sequencing batch reactor Chem. Eng Sci, 77
165-175.
Mance 11-Egala, W., Kinnear, D. Jones, K., De Clippeteir, H,
Takac§ 1 and Murthy, S (2016) Limit of Stokesian settling
concentration chaiactenzes sludge settling velocity Water
Res. 90:100-110.
Mesquita, DP , Amaral, A.L and Feireira, E C (2013) Activated
sludge char actenzation throu^» microscopy: a review on
of 346
ТЕСТЫ НА СЕДИМЕНТАЦИЮ
НТ
quantitative image analysis and chemometric techniques.
Anal Chim Acta. 802:14—28.
Milielsen, L.H and Keiding K. (2002). The shear sensitivity of
activated sludge an evaluation of the possibility for
a standardised floc strength test. Water Res., 36:2931-2940
Mohlman, FM (1934). The Sludge Index •S'ewage Work. J., 6
119-122
Morgan, J.W, Foister, C F and Edison, L. (1990). A comparative
study of the nature of biopolymers extracted from anaerobrc
and activated sludges. Water Res., 24 743-750.
Nielses P.H., Daimsi H and Lemmer, H. (2009). FISH Handbook
for Biologcal Wastewater Treatment Identification and
quantification of microorganisms in activated sludge and
biofilms by FISH IWAPublishing ISBN 9781843392316
Nielsen, PH., Saunders, A.M, Hansen, AA, Larsen. P and
Nielsen, J.L. (2012). Microbial communities involved in
enhanced biological phosphorus removal fiom wastewater -
a model system in ercrironmental biotechnology Cur Opin
Eiotech-ioi., 23 452-459
Parker, DS., Kaufman WJ and Jenkins, D. (1970)
Characteristics of biological flocs tn turbulent regimes, SERL
Report No. 70-5 University of C aliform a, Berkeley, CA.
Parker, D.S. and Stenquist, RJ (1986) Flocculator-Clanfiet
performance J. Water Poliut. ConPol Fed, 58.214—219.
Parker, D.S., Wahlberg E J and Gerges^ H Z. (2000). Improving
secondaty clarifier performance and capacity using a structured
diagnostics approach Waler Sbi Tecknol. 41 201-208
Pitman AR (1984), Settling of nutrient removal activated
sludges Water Sci. Techno!, 17 493-504.
Podolsky, RD (2000). Temperature arid water viscosity
Physiological versus mechanical effects on suspension
feeding Science. 265 100—103.
Qin L., Liu Y andTay, J.-H (2004) Effect of settling time on
aerobic g'ar.ulahon in sequencing batch reactor Eiochem
Eng J, 21 47-52.
Shi, X-Y, Yu H.-Q, Sun Y-J and Huang X (2009)
Chatactensties of aeiobic granules rich in autotrophic
ammonium-oxidizing bacteria in a sequencing batch reactor
Chem Eng J., 147 102-109
Stobbe, C.T. (1964). Uber das V erhalten des belebten Schlammes
m aufsteigender Wasserbewegung Technischen Hochschule
Hamovei
Tay J, Pan S., He, Y and Tay, S (2004) Effect of Organic
Loading Rate on Aerobic Granulation I: Reactor
Performance J. Environ. Eng-ASCE13Q: 1094-1101
Tay, J H, Liu, Q-S and Liu, Y (2001). The effects of shear
force on the format on structure and metabolism of aerobic
granules AppI Microbiol Biotechno!., 57.227-233.
V an Dierdonck, J., denBroeck, R., Vansant, A., vanlmpe, J and
Smets, I, (2013) Microscopic image analysis veisus sludge
volume index to monitor activated sludge bioflocrulation-
a case study Sep Sci. Techno!., 48 1433—1441
V anderhasse 11, A and Vamolle^aem, P.A. (2000). Estimation of
sludge sedimentation parameteis from single batch settling
curves Water Res., 34 395—406
Vesilind, P.A. (1968). Design of prototype thickeners fiom batch
settling tests Water Stw. Work, 115:302-307.
Wahlberg EJ, Keinath T.M and Parker, D.S (1994) Influence
of activated sludge flocculation time on secondary
clarification Water Environ. Res., 66 779—786
Wahlberg E.J., Merrill, D T. and Parker, D.S (1995). Troubleshooting
activated sludge secondaty clatifiet performance using simple
dragiostic tests. Procs. 68th	Conference and
Exposition : 435 -444.
White, M J D (1976). Design and control of secondary settling
tanks Water PoHut ConPoi, 74:459—467.
White, M.J.D (1975) Settling of activated sludge Technical
Resort TRil Water ResearchCentre, Fngland
Winkler, M.K., Kleetebezetti, R., Strous, M., Chandran, K. arid
van Loosdrecht, MC.M, (2013). Factors influencing the
density of aerobic g anular sludge. App! Microbiol
Biotechnol, 97 7459-7468.
Wihklet, MK.H , Bassin JP., Kleetebezem, R, de Bruin, L MM,
van den Brand, TPH and van Lc osdtechi M.C.M., (2011a).
Selective sludg removal in a segegated aerobic granular
biomass system as a strategy to control P AO-GAO competition
at hi^i temperatures Water Res, 45 3291—3299
Winkler, MK.H., Kleetebezem, R, Kuenen, JG, Yang, J.J
and van Loosdrecht, M.C M, (2011b) Segregation of
Biomass m Cyclic Anaerobic/Aerobic Gianular Sludge
Allows the E nrichment of Anaerobic Ammonium Oxidizing
Bacteria at Low Temperatures. Environ. Sci Technol 45:
7330-7337
Winkler, MKH, Bassin, JP., Kleetebezem, R, van der Lans
R G.J.M. and van Loosdrecht, MC.M (2012) Temperature
and salt effects on settling velocity m g anular sludge
technologr Water Res., 46 3897-3902
Zheng Y-M, Yu H.Q., Liu, S.H and Lm X.Z (2006)
Formation and instability of aerobic ganules under hig)i
organic loading conditions Chemosphere, 63 1791-1800.
Л1ЖПТ1ЛК zcn
of 346
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ Ь/ЕТОДО Б ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Пример гранулировано го ила (фото Beun ef а/., 19 99)
of 346
7
МИКРОСКОПИЯ
Авторы,
Jeppe L. Nielsen
Robert J Seviour
Per H. Nielsen
Редактор.
Jin Wanner
Редактор русскоязычного текста
Вдовина Татьяна Владимировна
7.1.	ВВЕДЕНИЕ
Одним из широко применяемых методов исследова-
ния микробиологических характеристик активного
ила является микроскопия. Благо дер я ей мы можем
познать скрытый мир микробов, недоступный для
изучения невооруженным глазом В данной главе
описаны протоколы микроскопического исследова-
ния образцов активного ила, В них входят техники
окрашивания которые дают представление об огром-
ном таксономическом и функциональном: разнообра-
зии микробов активного ила. Методы прямого
наблюдения и окрашивания позволяют различать
популяции бактерия грибов и простейших Для эф-
фективного изучения этих организмов необходимо
корректное применение светового микроскопа, что
позволяет выявлять, отличия в их форме и размере
и распознавать клеточные структуры Существует
ряд производителей, изготавливающих световые
микр и скопы со стандартными рабочими характери-
стиками Однако применение более сложных методов
и технологий световой микроскопии помогает полу-
чить более качественные и информативные данные
В настоящей главе рассмотрены базовые пр ин
ципы работы простых и более сложных световых
(флуоресцентных) микроскопов, а также методоло-
гии техник окрашивания и интерпретации данных.
Приведенные ниже процедуры эксперименталь-
ных и с сл е до в аний служ ат удо бным р уко в о д ств о м дл я
описания исследований клеточной морфологии, тех-
ник окр ашив ания (н апр и мер, окр аск а 4', б -ди амидин о -
2-фенилиндол дигидрохлорид (DAPI), окраска по
Нейссеру, по Граму, нильским синим) для определе-
ния жизнеспособности клеток и выявления внутри-
клеточного накопления запасных веществ, включая
п о ли-[3-гидр окси алканоаты (ПГА) и гранулы поли-
фосфата, а также vs situ идентификации определен-
ных микробных популяций методом флуоресцентной
in situ гибридизации (FISH) Комбинации этих техник
представляют собой мощные инструменты для выяв-
ления метаболических особенностей клеток на
уровне одной клетки Совместить, метод FISH и тех-
ники окрашивания часто бывает проблематично, по
этому для получения точной и однозначной инфор-
мации необходимо четкое планирование. В данной
главе описываются основные принципы проведения
стандартных процедур исследований
7.2.	СВЕТОВОЙ МИКРОСКОП
Микроскоп предназначен для обеспечения достаточ-
ного увеличения чтобы различать исследуемые объ-
екты. Наиболее часто используются светпопольные
микроскопы, которые проецируют сфокусированный
луч света на изображение на предметном стекле
На сегодняшний день почти все микрс скопы являют-
ся (i) бинокулярными (рис. 7.1), где для просмотра
используются оба глаза, что делает длительное изу-
чение объектов менее утомительным и (и) составны
ми, где для достижения требуемого разрешения ис-
пользуется несколько (более одной) системы линз
Линзы окуляра и обьектива обеспечивают разре-
шающую и увеличительную способность микроскопа,
вто время как система линз конденсора фокусирует
лучи от источника света на образец (рис. 7 2), макси-
мально повышая разрешение системы за счет увел и-
© И нпп е Л Н ильсе н, Роберт Дж Севиор, П ер X. Н и л ьсен, 202 0
©Томский государствен ьм аржтекцрнигтроительн.1и университет (перев i д, оформление), 2020
of 346
170
LUrridUC Z.UUI v
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
чения числовой апертуры или светозахватывающей
способности линз объектива Положение конденсора
имеет принципиальное значение для оптимизации
работы микроскопа, поэтому он должен обеспечивать
пучок световых лучей, способный заполнить аперту-
ру линз объектива Разрешающая способность отра-
жает возможность микроскопа раздельно распозна-
вать два близко расположенных друг к другу обьекта.
В случае, если расстояние между такими объектами
меньше, чем расстояние разрешения, изображение
будет нечетким.
Фактический размер, размер изображения и уве-
личение связаны следующим образом
Размер изображения -
= Фактический размер Увеличение (7.1)
Расстояние между двумя четко различимыми
объектами определяется как разрешение d и зависит
от числовой апертуры (ЧА) и длины волны света (X):
1,22Д
и sin а
или
1,22%
онденс
(7 2)
—-	(«ацы
Ипртм- демге.
cicra дл* гимм^его
ил-	>
rwv.4*-w '-руйой И ГОИ*JW фмугнрмги
где X - длина волны света, а равно половине угла
расходимости объектива, п - показатель преломле-
ния иммерсионной среды, используемой для линзы
объектива
При наибольшем увсличении (100*) ввиду низ-
кой светозахватьвающей способности (высокой ЧА)
необходимо повышать показатель преломления
(ПП) среды между образы ом и линзой объектива
В световых микроскопах наивысшее разрешение
достигается при совпадении апертурного угла кон-
денсор а и объектива
Рисунок 7.1. Составной микроскоп
Рисунок 7.2. Ход луча света б микроскопе, иллюстрирующим принцип
р а боты чис лс во й а пе р тур ы и кон ден со ро в
Линзы, расположенные в воздухе, не могут
иметь ЧА выше 0.65, тогда как при помещении
в воду или иные среды, такие как масло, ЧА линзы
объектива теоретически может достигать значений
около 1,515, в этом случае разрешение микроскопа
будет примерно равно 0,2 мкм, что позволяет рас-
сматривать или изучать бактерии, но не вирусы
Исключить отражения и потерю интенсивности
освещения можно с пч мощью использования им-
мерсионного масла с ПП, совпадающим с ПП стекла
линзы. ЧА объектива также частично зависит от
степени коррекции любой оптической аберрации
Объективы с высокой степенью коррекции облада-
ют значительно большей ЧА при соответствующем
увеличении (табл. 7 1).
Таблица 7.1 Гримеры бъективов и их числовой апертуры (ЧА)
и оптической коррекции
Увеличение	Я4)иМЗГ (ЧД)	Флюорит (ЧА)	Аловой л (ЧА)
2х	0,60	0JJ8	0,10
4х	о.ю	0,13	0,20
10х	0,25	озо	0,45
20х	0,40	050	0,75
40х	0,65	0,75	0J95
40х (Масло)	н Д	130	1,40
63х	0,75	0J95	005
бЭх(масло)	н д.	Ы0	1,40
ЮОх(масло)	1.25	Ы0	1,40
of 346
МИКРОСКОПИЯ
171
7.2.1.	Стандартное применение
светового микроскопа
Для получения изображений высокого качества
микроскоп необходимо установить и использовать
надлежащим 'бразом. Для установки микроскопа
рекомендуется описанный ниже алгоритм. Опытные
пользователи могут пропустить некоторые шаги,
т к. ранее они уже могли ознакомиться с устрой-
ством микроскопа и исследуемыми образцами
Микроскопы - точная и чувствительная техника, ее
ремонт обходится дорого. Поэтому они требуют
аккуратного обращения и технического обслужива-
ния Необходимо учесть следующие рекомендации
при работе с микроскопом:
•	Избегайте больших перепадов температур, хра-
ните оборудование в темном прохладном месте,
защищенном от пыли. Всегда накрывайте неис-
пользуемый микроскоп от пыли
	Очищайте линзы с помощью специальной ткани
Не вытирайте линзы сухой тканью, т к. это мо-
жет привести к образованию царапин Начинайте
очистку отпили и загрязнений с использования
оптического пылеочистителя под давлением.
•	Следите за те ад чтобы остатки иммерсионного
масла не попали на другие окуляры или чистые
объективы Используйте промышленный очи-
ститель или раствиритель (например, 70%-й эти-
ловый спирт - ЕЮН) для очищения от масла или
жира. Не рекомендуется заполнять или поме-
щать растворитель прямо на линзу, всегда ис-
пользуйте специальную тканевую салфетку.
•	Всегда содержите микроскоп в чистоте
•	Объективы, погружаемые в масло, необходимо
очищать сразу п?сле использования с помощью
специальной салфетки В противном случае мас-
ло может засохнуть, тогда потребуется примене-
ние специальной очищающей жидкости Не ис-
пользуйте сильные растворители (например,
спирт), они могут повредить линзу
7.2.2.	Объектив малого увеличения
При первой настройке микроскопа для оптимальной
работы всегда следует начинать с использования ма-
лого увеличения, например, 10-кратного или меньше
Окуляры н встраиваются таким о бра; о ад чтобы можно
было смстреть обоими глазами Далее выполняют
следующие шаги
•	Сместите предметный столик вниз и установите
приготовленное предметное стекло, чтобы обра-
зец располагался по центру в пучке света, про-
шедшего через конденсор.
•	Опустите линзу обьектива до ее расположения
в нескольких миллиметрах от поверхности пред-
метного стекла Смотрите сквозь окуляры и осто-
рожно поворачивайте ручку грубой настройки
фокуса, пока не появится изображение; затем
настройте четкость изображения с помощью руч-
ки тонкой настройки фокуса.
•	Настройте ирисовую диафрагму для получения
оптимального контраста четкого изображения
Вынув окуляр, убедитесь, что примерно от 2/3 до
\ задней линзы заполнено светом. В противном
случае настройте положение конденсора до чет-
кой фокусировки ирисовой диафрагмы, при
необходимости перенастройте ирисовую диа-
фрагму, пока она не совпадет с кругом света
Наилучшее разрешение получается при макси-
мальном подъеме конденсора.
•	Снова установите окуляр и изучите приготов-
ленный образец с помощью тонкой настройки
фокуса и механически настраиваемого предмет-
ного столика.
7.2,3.	Объективы большого увеличения
В микроскопах высокого качества объективы долж-
ны быть пар фокальными, это означает, чтс у всех
объективов очень схожие настройки фокуса
•	Переключи те револьверную головку к объективу
наибольшего увеличения затем выполните тон-
кую настройку, чтобы повысить резкость изоб-
ражения.
•	Выполните настройку ирисовой диафрагмы,
чтобы увеличить освещенность и оптимизиро-
вать контраст, затем повторно изучите образец.
7.2.4.	Иммерсионным объектив
Уточните необходимую среду, предназначенную
для объектива с высокой степенью увеличения
(обычно она обозначается на объективе в виде чер-
ного (масло) или голу боги (вода) круга). Поместите
небольшую каплю иммерсионного масла или воды
(диаметром < 2 см) на предметное стекло при уста-
новке линзы объектива на место. Пространсгво
между предметным стеклом и линзой должно быть
заполнено иммерсионной средой.
Некоторые микроскопы оснащены только объ-
ективами водной или масляной иммерсии Для ис-
пользования таких объективов добавьте неболь-
шую каплю нужной среды на предметное стекло
и медленно опустите линзу до соприкосновения со
средой, при этом произойдет явное изменение све-
тового пучка Затем выполните тонкую настройку,
наблюдая в линзы окуляров, пока изображение
не станет четким В случае неудачи повторите весь
процесс. Используйте только указанные среды
Иными словами, не переключайте объективы мас-
ляной иммерсии на объективы водной или воздуш-
ной иммерсии или на какие-либо иные комбина-
ции Очистите и высушите предметное стекло пе-
ред сменой объектива.
of 346
111
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
7.25.	Важные замечания
При выполнении микроскопических исследований
следует учесть следующие замечания:
•	При увеличении объекта, превышающего разре-
шающую способность микроскопа, наблюдаются
бесполезные увеличения Опта мал ьная степень
увеличения обычно достигается при 500-1000-
кратной ЧА объектива. Следовательно, если
в объективе не предусмотрено достаточное раз-
решение, не используйте окуляры с высоким до-
п пл нительным ув елич ен и е м. Н апр и мер
бЗх (объектив)  12,5х (окуляр) =787,5
•	При достижении нужного фокуса конденсора
в дальнейшей его настройке нет необходимости.
•	Ирисовую диафрагму необходимо раскрыть та-
ким образом, чтобы пучок света совпадал с ЧА
объектива, поэтому ее необходимо настраивать
каждый раз при смене объектива.
•	Пользователи с небольшим опытом обычно
смстрят в окуляры одним гл азом, однако следует
держать открытыми оба глаза. Этот навык при-
ходит с пр актикой.
•	Пузырьки воздуха могут значительно снизить
качество изображения при использовании иммер-
сионных линз. Их можно обнаружить, если убрать
окуляр и осмо греть заднюю фокальную плоскость
объектива через тубус микроскопа При обнару-
жении пузырьков аккуратно отодвиньте покров-
ное стекло или очистите линзы объектива и пред-
мете е стекло и нанесите масло повторно
•	Грязь или засохшее масло на передней поверх-
ности линзы объектива (или на предметном
стекле от предыдущего исследования) могут вы-
звать размытие изображения вследствие нежела-
тельного рассеивания света Очистите линзу
с помощью специальной тканевой салфетки
•	Неравномерность фокусировки в поле зрения или
трудности с получением четью го изображения мо-
гут быть вызваны расположением предметного
стекла на столике Убедитесь, что предметное
стекло расположено надлежащим образом
•	Проблемы с фокусировкой могут быть вызваны
прилипанием покровного сгекла к линзе объекта
ва Закрепите покровное стекло зажимами, клеем
или скотчем
•	Выберите правильную толщину покроьногс стек-
ла В обьективах большинства биологических
микроскопов используются покровные стекла
№ 1 5 (толщиной 0,17 мм) Уточните эту инфор-
мацию у производите ля по кровных стекол
•	Используйте правильное иммерсионное масло
и избегайте смешивания масел с разными ПП
Обычно масло с ПП 1,515 применяется для объ-
ективов с ЧА более 0,95 Эту информацию также
следует уточнить у производителя.
•	Пузырьки воздуха могут образовывать тени или
нечеткие области в поле зрения Обычно их
устраняют путем поднятия и перефокусировки
объектива или проверки количества иммерсион-
ной среды (ее должне быть достаточно) между
объектив ом и покровным стеклом. Если помехи
остаются, уберите и очистите предметное стекло
и объектив
•	Причиной недостаточней освещенности может
быть неверная настройка конденсора или некор-
ректное раскрытие диафрагмы.
7.2.6.	Светлопольное
и темнопольное освещение
Принцип работы светового микроскопа основан на
прело млении и рассеивании света, проходящего от
источника через образец и попадающего в линзы
окуляра. Вариации ПП компонентов в исследуемом
образце позволяют получать изображения на основе
контраста, пропускания и отражения.
Эффективное изображение с высоким разреше-
нием и контролем контраста и глубины получают
при помощи регулировки микроскопа для оптими-
зации яркости и освещения изображения (освещение
по Келлеру)
В световой микроскопии наиболее распростра-
ненной техникой является светлоп 1льное освещение
Эта техника подходит для объектов с высокой степе-
нью естественного поглощения, таких как клетки
растений и пигментированные клетки Однако боль-
шинство клеток бактерий малы и при светлопольном
освещении отображаются как прозрачные объекты,
не имея достаточного контраста Скорректировать
это можно с помощью окрашивания. На сегодняшний
день большинство микробиологических исследова-
ний с использованием методов окрашивания (по Гра-
му, по Нейссеру и пр.) выполняются с применением
светлопольной микроскопии
Ф азов о-контрастаая микроскопия является мето-
дом оптической микроскопии, который преобразует
фазовые колебания света, проходящего сквозь про-
зрачный образец, в изменения яркости изображения
Этот метод дает возможность исследовать образцы
с низким контрастом и подходит для изучения не-
окрашенных образцов и живых клеток. Такие типы
образцов имеют очень низкие перепады поглощения
в сравнении с окружающей их средой. Эта перепады
в показателе преломления невозможно выявить
с помощью метода светлопольной микроскопии
В фазово-контрастной микроскопии кольцевая диа-
фрагма апдэтуры конденсора генерирует пучок света
нулевого порадка, который проецируется на заднюю
фокальную плоскость объектива Фазовое кольцо
линзы объектива поглощает нерассеянный свет
инемного смещает длину волны, тем самым повышая
контраст Такой подход наилучшим образом работает
для относительно тонких образцов (< 5 мкм) Для
фаз о в о-контраста ой микроскопии необходимо ис-
MULUilldUC ^.пт.
of 346
МИКРОСКОПИЯ
171
пользовать указанные объективы совместно с отрегу-
л ир о в аннт тми ф аз о выми кольц ами
7.2.7.	Флуоресцентная микроскопия
Некоторые молекулы в своем составе имеют флуор о -
про мы. которые способны поглощать фотоны из све-
та, обладающие особой энергией, и переходить
в «возбужденное» состояние Такое состояние длится
приблизительно 10'7 с и завершается выделением
фотонов с более низким уровнем энергии и, соответ-
ственно, с большей длиной волны Данные флуор о-
хромы существуют в виде компонентов естественных
соединений, распространенных в природе (например,
пигменты, такие как хлорофиллы, витамины и пр.).
Однако в современной практике широко применяют-
ся новые химически синтезируемые соединения
с высоким коэффициентом экстинкции, позволяющие
помечать био молекулы и окрашивать ткани и клетки
дл я их ид ен ги ф икации Разн о о бр ази е таких ф луо р е с -
центных маркеров, красителей и меток для би о моле-
кул, а также динамических красителей для оценки
химических условий (pH, концентрации Са2+, кисло-
рода ит д ) сегодня быстро растет (табл 7 2)
Таблица 7.2. Красители, применяемые в мшро сто пгм сломых шире бных систем
Краситель	Синоним или химичесюе название	Назначение	Химическая формула	В о зб ускден и е Л1с пут кзние
DMPI	4',6- ди ами д то - 2- фенили н до л дигидрохлорид	Прон к* актции в клетку ДНК связыганлции кт аситель, п р е дп очгите л i ныи для ДН К, богатой аденином и тимином	C>H«Ns-2HQ	Аял -359 нм, Лжп~461 нм, Атб 340 нм, \п,48б нм (только 0 API), 364 нм Am 454 НМ (D API -ДНК- комплекс 100 ммоль NaCl, 10 ммоль ЗДТА, 10 ммоль Трис, pH 7)
ПриПИДИЙ ЙОДИД	2,7-ди амино 3-фенил-10 (диэти л ами нопро п и л )-йо дид фенантридиим егиодид	Непропускаемьй мембраной флуорес- центный краситель для опрастывания нуклеиновой кислоты	QiH^#2l	Ашь 5Э6 нм. Д<т Ы7 нм (красный)
Кальки флюор	Кальки флюор белый	Флуо ресценте ьй зонд, чувствительный к ионам Са!’, флуорохром.избирательно связывающей альгинат целлюлозу и хитин в клеточных стенках	ClHaMtOiSi	355 НМ, Дет 433 нм
Красном Нил	9-(диателани но)-бН б енз о [а] феноксазин б-он	Липофильная окраска	QjHtNiO!	W552 нм Ат 636 нм
Сйнии НИЛ	Нил голую и, НИЛ синий сульфит	11ипофильныи краситель для детекции нейтральных жиров	CiiHnNiO-480*	630 нм, Аш| 665 нм
ДлФДА	2',7' дихлор флуоресцин диацетзт	Прон № аюции в клетку флуорогенньй зонд для детекции активных форм кислоподз и сюда азота (ЬР)	ОЛrfCliOi	Ли«504 нм Ат 524 нм
Хе>стЭЗЭ42	Бисбогеимид	Липофильныи флуоресцентный краситель для маркировки ДНК, A/F-специфичный ДНК-пиандс малой бороздкой	QiHnNiO-ЭНа	Л«в5 < Э80 ни, \п, 450-495 нм
Конго красный	C.I. конгорот	Краситель для обнарутония амилоидов	QlHaNfOiSj^Na	н д.
Кристаллический фиолетовьй	Генцианивьм фиолетовый; Геюаметилпарарозанилин хлорид	Компонент окраски по Граму, позволяю- Щ1Й различать грамположительные и трамотрицаге льные бактерии	QsHiiNi-CI	н Д.
Судан чертыиВ	Судан черный 3; жировой черный НВ	Жирорастворимый диазокраситель, ис- пользуем ьй для окрашвания нейтраль- ныхтрнглицеридев и липидов	СнНя№	Лявс -696-605 нм, окраска сине-черная
Нейтральный красный	Сбытый красный 5, нейтральный красный	Витальный краситель, используемый в качестве индикатора и для б иологического окраимвания	C.HnN/CI	н Д.
BCECF-AM	СПиро (изобензо фрат-1 (ЭН), 9'-(9Н)ксантен) 2',7'- дипропановаякис лота	Принжзкщии флуоресцентной индикатор для измерения цитоплазматического pH	Оиесь CsiH «О и, СиНцО» и CiHsiOf	Ляп; 505 нм, Л.т520 нм
Оранжевьм акридин	Э.б-бис [диметел амино) акридин	Флуо рес центе ьи краситель, связываощий нуклеиновые кислоты и взаимодействую щте сДОКи РНК	CnHiNs	В случае связи с ДНК, он имеет зеле- ную флуоресценцию (A«, = 525 нм), в случае связи с РНК - красную флуо- ресценцию (Лжп - ~650 нм).
Фаллиидин-TRITC	Фаллиидин- тетраметилг одамин В изотио- цианат	Флуоресцентной краситель для определе- ния фипаментнегоакгима	GiHuN«OfS*	Ля* 540-545 нм, А«,570-573 нм
Ьий его имид	Хект 3 ЭЭ42 тригидроклорид	AZT-слеци фичныи ДН К лиганд с мал ой бороздюй, елрокп применяемый флуо рп- хром для визуализации клеточной ДНК	QiHnNiO-ЭНа	350 нм, Лют 461 нм
Флузр есцеин изотиоцианат	ПТС. флуоресцеин б-изтпиоциатаг	Аминореактивный ре тент для мечения нуклестидов и белксв с помощ,ю Я ТС	СЖ,7Ш	Ли* 492 нм, Л.т518нм
of 346
174
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Окончание таил.7.2
Краситель	Синоним или химичесюе название	Назначение	Химическая формула	ВозбуждениеМспускание
Родамин В №стиоцианат	48ITC	Фпуоресцеггньй зонд для мечения нук- леотидов и белков	QuHsiCINsOiS	JW543 нм. 580 нм
Судан IV	.ч ло-красны,. жи рораствори- мыйпонсо R	Окрапмвание тригл щеридов. липидов и липопротеинов	CMiNtf	н Д.
Сафранин	Нейтральней красный 2	Окрапмвание грамлриц зтельных бактерий	СнНяЖ	Н.Д.
1Д6Д- пиретеграиупьфинсвая кислота, тетранатр иевая соль	Тетра натрии 1,3 Д8- ирентет- расульфонзт, HPTS	Флуоресцентный зонд и индикатор pH	C<HiOfSr4Na	454 нм, Лкл 511 нм
6-циано-2,3-ди-(п-толил) тетразолий хлорид	СТС	Витальное окрапмвание	CtHwJIN	?w490 HMAm 630 HM
Флуоресцентные молекулы имеют очень специ-
фические длины волн поглощения и испускания
('высокая степень специфичности) и подчиняются
закону Ламберта - Бера, что делает возможным их
количественное определение при широком спектре
физиологических и физических условий. Примене-
ние необходимого источника света и фильтров для
выявления различий между кратковолновым воз-
буждением и длинноволновым испусканием света
обеспечивает высоко селективные условия для визу-
ализации отдельной флуоресцентной молекулы
с низкой интерференцией Большинство флуорес-
центных микроскопов оснащены эпиподсветкой
и встроенными специальными дихроичными зерка-
лами и.ли хроматическими расщепителями луча, что
позволяет отделить требующийся флуоресцентный
свет от любого непоглощенного преломления света
возбуждения или света пропускания не исходящего
от применяемого флуорохрома Флуоресцентные
микроскопы можно легко комбинировать с другими
методами микроскопии, включая фазово-контраст-
ную микроскопию
Для всех световых микроскопов этап настройки
(освещение по Келлеру) является наиболее важным
этапом для получения оптимального разрешения
Рекомендуется выполнить следующие шаги
•	Сосредоточьте и сфокусируйте источник света,
например, удалив рассеиватель света (при воз-
можности). Затем без применения конденсора
спроецируйте свет на кусок бумаги, помещен-
ный в держатель конденсор а Заполните круглую
область изображением источника света.
•	Настройте ирисовую диафрагму, расположен-
ную олиже всего к источнику света (полевую
диафрагму), пока не увидите резкую границу
•	Настройте фокус при помощи ручки фокусиров-
ки конденсора. В фокусе должны сказаться и об-
разец, и ирисовая диафрагма
•	Поместите в центр изображение полевой диа-
фрагмы используя регуляторы центровки кон-
денсора (обычно они расположены на самом
конденсоре).
•	Откройте полевую диафрагму, чтобы границы
оказались за пределами поля видимости
•	Отрегулируйте контраст изображения в зависи-
мости от образца путем настройки ирисовой
диафрагмы конденсора. Не используйте данную
ап ер тур удляконтроля интен с ивн о сти св ета
•	Скорректируйте интенсивность освещения с по-
мощью реостата осветителя или используя ней-
тральные фильтры (дляцветной фотографии).
Контраст образца в корректном микро скопе
с освещением по Келлеру до с пи ается путем настрой-
ки диафрагмы конденсора Интенсивность освещения
изменяется с помощью корректировки напряжения
источника освещения или с помощью установки
нейтральных фильтров перед осветителем.
7.2.8.	Конфокальная лазерная
сканирующая микроскопия
Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия
(К Л СМ) широко применяется среди ученых экологов -
мпкробиологсв благодаря высокому качеству изобра-
жения. Повышение качества изображения обусловле-
но заменой источника освещения используемого
в эпи флуоресцентной микроскопии, на лазеры име-
ющие значительно более высокую интенсивность на
единицу площади. Это позволяет применять так назы-
ваемые точечные отверстия которые предотвращают
попадание света, полученного из расфокусированных
источников, в фотоумножители (рис. 7 3) Таким об-
разом обеспечивается менее размытое изображение
и возможность производить оптическое секциониро-
вание Оборудование для КП СМ считается специали-
зированным, для работы с ним требуются об,тченные
специалисты, что не является предметом рассмотре-
ния в настоящей главе.
7.3. МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ
Б системах активного ила большинство бактерий,
отвечающих за удаление загрязнителей (например,
of 346
МИКРОСКОПИЯ
17i
углерода, азота и фосфора), находятся в составе
флокул и способствуют осаждению и отделению
очищенных стоков Процесс образования флокул
является результатом атрет ации компонентов сточ-
ных вод и активного выделения «флокулообразую-
щими бактериями» внеклеточного полимерного
вещества (ВПВ). Флокулы состоят из бактерий,
которые часто объединяются в микроколонии орга-
нических и неорганических частиц, а также из нит-
чатых бактерий, которые обеспечивают базу или
матричную основу флокул, вокруг которых группи
руются микроорганизмы
а
Фотодетектор
Отверстие
Расщепитель луча
Линза объектива
Образец
Рисунок 7.3, Принцип конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (а), кзобраяения (6) и !<?) демонстрируют один и тот ле образец после флуо-
ресцентной.insitu гибридизации (FISH), визуализированный с помощью флуоресцентной микроскопии и конфокальной лазерной сканирующей мжроско-
пкм. соответственно (изобранениз J.L Nelsen)
Свойства осаждения и уплотнения активного ила
напрямую связаны с размером и структурой флокул
и зависят от их химических, физических и биологи-
ческих характеристик. Наличие и обилие нитчатых
бактерий особенно важно для хорошего осаждения
ила. Нарушение баланса между флокул о образующи-
ми и нитч атыми бактериям!! мо жет привести к вспу-
ханию ила в местах образования мостиков между
флокулами или диспергированного роста (точечные
флокулы, которые появляются из-за слишком малого
количества флокулообразующих бактерий). Причи-
ной нитчатого вспухания ила также может быть обра-
зование больших, открытых флокул или флокул не-
правильной формы. Избыточное количество (опреде-
ленных) флокуло образующих бактерий приводит
к чрезмерному образованию гидрофобных ВПВ, ко-
торые могут привести к образованию слабых или
всплывающих флокул (так называемое ззоглепное
вспухание) (Eikelboorn, 2U00, Jenkins et al., 2004).
Таким образом, морфологические исследования
выполненные отдельно или совместно с химическими
анализами (ВПВ, ионы и пр.) и физическими измере-
ниями (свойства осаждения уплотнение) иля могут
выявить важную информацию об эксплуатации
и техническом обслуживании очистных сооружений
Рекомендуется комбинировать данные, полученные
в результате микроскопических исследований и по-
средством прямого наблюдения такие как цвет ило-
вой смеси (акгивного ила), процент поверхности
аэротенка, покрытой пеной, глубина илового слоя во
вторичном отстойнике, тип материала плавающего
на поверхности воды в отстойнике (шипучий с пу-
зырьками или жирный и липкий и пр ).
Общая микроскопическая характеристика флокул
включает в себя ^писание их размера, формы и об-
щей структуры, выявление органических волокон
и неорганических частиц или отдельных кл его к,
атакже распознавание различных морфотипов нитча-
тых бактерий и их количества. Более подробную ин-
формацию о микроскопической хар актер и с тике ак-
тивного ила можно найти в трудах Eikelboorn (2000),
Jenkins et al (2004) и Se^iour arid Nielsen (2010).
7.3.1,	Микроскопическое определение
нитчатых микроорганизмов
Для однозначной и точной идентификации нитча-
тых бактерий важно подобрать подходящие меры
контроля за вспуханием ила (Nielsen et al., 2009;
Seviour and Nielsen, 2010) Для точной идентифика-
ции необходимо применение молекулярных ин
струментоЕ, включая FISH и ампликонное секвени
рование IdS рРНК (см гл 8). Некоторые морфоти-
пы нитчатых бактерий в активном иле можно
of 346
171
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
охарактеризовать и экспериментально определить,
опираясь на научные труды Eikelboom (2000)
и Jenkins et а! (2004). Однако на сегодняшний день
ясно, что выполнить адекватную характеризацию
нитчатых микроорганизмов таким образом невоз-
можно В данном случае рекомендуется совместно
с молекулярными методами применять микроско-
пию, что позволит произвести идентификацию этих
и других бактерий in suu, а также ограничить мор-
фологические исследования предварительными ха-
рактеристиками и, при необходимости, подтвердить
результаты молекулярного анализа. Поскольку су-
ществует давняя традиция микроскопического ис-
следования морфологии и «идентификации» нитча-
тых бактерий в активном иле, особенно в промыш-
ленных стоках, и поскольку этот подход все еще
находит широкое при тлен ение, в настоящей главе
представлено подробное описание этих методов
• Характеристика нитчатых бактерий основана на
анализе их морфологических особенностей, ре-
акции на окрашивание по Граму и Нейссеру, фи-
зиологических особенностей, таких как накопле-
ние гранул внутриклеточной элементарной серы.
Для идентификации видов нитчатых микр о орга-
низмов в труде Eikelboom (2000) произведена
оценка их 11 свойств
• форма и длина жгутика,
• форма клеток,
•	ди аметр жгутика,
•	подвижность и скольжение;
•	сопутствующий рост других бактерий,
•	разветвленность,
•	септа между соединенными клетками (видимая
или невидимая),
•	н аличи е к ап сулы,
•	гранулы запасных веществ (особенно серы);
•	окрашивание по Граму,
•	окрашивание по Нейссеру
Микроскопия применялась для оценки обилия
нитчатых бактерий в активном иле и их непосред-
ственного влияния на свойства осаждения Для раз-
деления на уровни применялся так называемый ин-
декс нитчатых (FI) - эффективный полуколичествен-
ный показатель. Его значения варьируются от 0
(отсутствие нитчатых) до 5 (чрезмерное количество
нитчатых) (рис 74) Такая сценка довольно надежна
и проста в выполнении фаза в о-контрастным методом
при небольшом увеличении (10х). В труде Eikelboom
(2000) рекомендуется выполнять такие измерения
регулярно (каждые 1-2 недели) или при обнаружении
изменений в о сая:дении ила
Рисунок 7.4. Индексы, отрастающие налжие и количестве нитчатых бактерий (фото Eikelboom, ZUOU, предоставлены издательством I'UU'A Publishing)
7.3.2.	Идентификация одноклеточных
и многоклеточных организмов
Микробные сообщества в активном иле кроме прока-
риотов представлены бактер и рядными и хищными
простейшими и многоклеточными организмами. Они
важны для формирования состава микробного сооб-
щества ила и повышения качества счищенных стоков.
а также широко применяются для оценки производи-
тельности очистных сооружений Их экологическая
важность состоитв том, чти' они питаются связанны-
ми с хлопьями и свободно плавающими бактериями,
снижая мутность конечной жидкой фазы. Среди про-
стейших выделяют жгутиконосцев, амеб, свободно-
плавающих и ползающих инфузорий, прикрепленных
инфузорий, тогда как многоклеточные включают
в себя такие организмы, как коловратки, круглые
MULUi I IdllC ^.пт.
of 346
МИКРОСКОПИЯ
17?
и малощетинковые черви Описание одноклеточной
и многоклеточной фауны может подсказать причины
плохой работы очистных сооружений и часто корре-
лирует сих физико-химическими параметрами
В табл 7 3 собраны обобщения нередко приме-
няемые при прогнозировании функционирования
КОС и качества очищенных стоков. Однако их сле-
дует применять с осторожностью (Sevtour and
Nielsen. 2010). Частые исследования наличия про-
стейших можно использовать для получения ин-
формации о недостаточной или чрезмерной загрузке
КОС, достаточной степени аэрации, гидравлической
продолжительности пребыв ания ила и пр
Таблица 7.1 Обобщенная информация о наличии и численности простейших и многоклеточных организмов для оценку! производительности
очистных сооружений
ЬАшриирганизм	Характеристика	Примеры	Показатели переизбытка	Проявление на КОС
Жгутиконосцы	Об нарываются в б олыхмх количествах в процессе восстзтовления после сброса токсичных стоков или низкой концентрации растворенного кислорода (РК)	-	Высокая нагрузка по органиче- стям веществам	Н изкая про и: во дительность
Амебы	Об нарываются в большом количестве в пусковой период и в процессе восстанов- ления	-	Высокая нагрузка по органиче стям веществам	Нестабильная работа
Свободноплавающие инфузории	Наблюдается при юрошеч фпокулообразо- вании	Euplotes, Aspidisca	Высокая нагрузка по органиче- ски веществам	Высокая производ ят ельность КОС
Прикрепленные инфузории	Об нарываются при низкой концентрации растворенного кислорода или токсичности стоков, стебельковые инфузории будут отбрасывать стебельки	Vortcella	Низкая нагрузка пи upi а те- стям веществам	Высокая производит ельнистъ КОС
Пол зающге инфузории	-	-	-	Высокая производительность КОС
Коловратки	Требуется высокий уровень растворенного кислорода	Euchlarns	Низкая нагрузка по орг л те- стям веществам	Высокая производитель носп КОС
Выагие беспозвоночные	-	Круглые и кольчатые черви, тиюходки	Н изкэя нагрузка по орг .эн те стям веществам	Высокое содержание аммония, т. к тиюходки и кольчатые черви чувствительны к его токсичности
Более специфичные биоиндикаторы работы
очистных сооружений можно определить, приме-
няя повышенное таксономическое разрешение
Однако это требует больших временных затрат,
высокой степени подготовки и опыта К тому же
важность некоторых простейших в качестве пока-
зателей работы КОС пека не установлена В недав-
них исследованиях для идентификации однокле-
точных применен метод FISH (Xiaetal et al, 2014),
но ввиду практических сложностей на сегодняш-
ний день опубликовано лишь небольшое количе-
ство FISH-зондов. Такие виды простейших, как
Vbrticellapicia, используются в качестве показате-
лей низкой нагрузки ила органическими вещества-
ми, a Portice! la microstoma и Opercularia coarc tat а
указывают на высокую нагрузку органическими
веществами (Madoni, 1994). Другие исследования
предполагают, что Агше/ст tuberosa, Zoothamnium
и Euplotes sp .являются достоверными показателями
высокого качества очищенных стоков и, соответ-
ственно, высокой эффективности КОС (Salvado et
al, 19Q5)
7.4. МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБ
АКТИВНОГО ИЛА
7.4.1.	Подготовка образца активного ила
При выполнении светового микроскопического ис-
следования применяются два подхода (i) преп^аты
живых клеток подходят для исследования характери-
стик ила, таких как структура флокул, морфология
жгутиков, идентификация одноклеточных и много-
клеточных организмов, и (и) фиксированные мазки
для икр ашив ания
Для приготовления препаратов живых клеток на
предметное стекло добавляется капля (диаметром
около 1 см) свежего активного ила, затем сверху на
каплю осторожно помещается покровное стекло
Если капля слишком большая настроить фокус на
of 346
171
образец может быть довольно сложно, также по
кровное стекло может сместиться, тогда образец
растечется вокруг него и может загрязнить микро-
скоп В случае, если капля окажется слишком ма-
ленькой, в образце будут присутствовать пузырьки
воздуха и он засохнет раньше времени Запечатав
края покровного стекла с помощью лака для ногтей
или вазелина можно снизить эти негативные эф-
фекты Предметное стекло готово к исследованию
В случае приготовления фиксированных мазков
биомасса неподвижна но есть вероятность сниже-
ния контраста изображения На предметное стекло
наносится толстый слой образца который затем
распределяется с помощью пипетки Мазок высу-
шивается при комнатной температуре Термическая
фиксация путем проведения предметного стекла
через пламя в случае образцов активного ила обыч-
но необязательна поскольку может привести к по-
вреждению образца.
Гидрофобные поверхности, появляющиеся на
предметном сгекле от остатков парафина, использу-
емого в процессе секционирования образцов, часто
создают проблемы, т к могут привести к неравно-
мерному высыханию мазка.
В связи с этим перед использованием стекла
необходимо его обезжирить Рекомендуется обрабо-
тать стекло кислотой и покрыть желатином или поли-
L- лизин ом Очищенные кислотой стала оставляют
в нагретом до 60 °C 1 М растворе НС1 на ночь, затем
промывают в дистиллированной воде (dHjO) и затем
в 95%-м растворе этансла, после чего высушивают
Для обеспечения более надежного сцепления погру-
жают стекла в 0,5%-й (маесо объемный процент)
раствор желатина на 5 мин при температуре 70 °C
Также можно опустить счищенные кислотой стекла
в 0,01%-й раствор поли-L-лизин а на 5 мин при ком-
натной температуре После этого стекла высушива-
ются в вертикальном положении в обеспыленной
среде. Фиксация образца при повышенной темпера-
туре (40-60 °C) улучшает сцепление с покрытыми
желатиномили поли-L- лизин ом стеклами.
При прямом нанесении образца активного ила на
стекло пространственная структура флокул обычно
сохраняется Однако легкая гомогенизация флекул
перед иммобилизацией образца с последующей окрас-
кой часто способствует лучшей визуализации пред-
ставляющих интерес клеточных структур Ее можно
обеспечить, аккуратно потерев друг о друга два пред-
метных стекла с 20 мкл образца, или с помощью тка-
невого гомогенизатора, что более эффективно
С помощью процедуры крио-секционирования
молио обеспечить высокое разрешение образца,
не нарушая его про стр ан ственную орт анизацию
Данная процедура включает в себя погружение об-
разца в парафин или в полимеризационную смолу
(например. Tissue-Тек О.С Т ) Погружение в парафин
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
обычно обеспечивает получение кусочков неповре-
жденной ткани, но требует натр ев а образца и очистки
от воска ксиленом, тогда как холодная полимериза-
ционная смола применяется при комнатной темпера-
туре и не требует дополнительной химической обра-
ботки Процедура простого крио-секционирования
предполагает смешивание образца активного ила
(или биопленки) и материала вклинения (Tissue-Тек
О С Т ) в крышке пробирки Эппендорфа. После про-
никновения материала в образец при температуре
4 °C в течение ночи его помещают в жидкий азот
Секционирование на срезы толщиной 5-20 мкм вы-
полняется с помощью криотома при температуре-
20 °C Срезы необходимо немедленно поместить на
предметное стекло (при комнатной температуре), где
ини размораживаются и высыхают в течение 3 ч. По-
сле этого можно приступать к процедуре окрашива-
ния образцов
7.4.2.	Окрашивание по Г раму
Окрашивание по Граму представляет собой диффе
ренциальное окрашивание для различения двух
ключевых групп бактерий, гр амп о ложи тельных кле-
ток (окрашиваются фиолетовым цветом) и грамот-
рицательных клеток (окрашиваются красным иве-
тсм) (рис 7 5).
Рисунок 7.5. Примеры тигкнноп) окрашшзния образцов активного ила
пи Граму (а) и Нейлер у (6) (фото В McIlroy)
of 346
МИКРОСКОПИЯ
17J
7.4.2.1.	Реагенты и растворы для окрашивания
по Граму
•	Раствор кристаллического фиолетового
Исходный раствор кристаллического фиолетового
(раствор А): растворите 20 г красителя кристалли-
ческого фиолетового (85%-й раствор красителя)
в 100 мл 95%-го этанола Отфильтруйте образец
Исходный раствор оксалата (раствор Б): рас-
творите 1 г оксалата аммг.нияв 100 мп воды Рабо-
чий раствор: разбавьте раствор А (Г 10) в растворе
Б Рабочий раствор можно хранить при комнатной
температуре до одного года в темном месте
•	Раствор йода го Гра рту
Растворите 1 г кристаллического йода и 2 г йо-
дида калия в 5 мл воды Затем добавьте 240 мл
дистиллированной воды и 60 мл 5%-го (массо-
объемный процент) раствора двууглекислого
натрия. Тщательно перемешайте Раствор можно
хранить при кимнагной температуре ди одного
года в темном месте
•	Контр-Рф а с иге ль
Смешайте 2,5 г сафранина-О и 100 мл 95%-го
этанола Раствор можно хранить до одного года
при комнатной температуре
•	Деколоризируюнци раствор
Смешайте равные объемы 95%-го этанола и аце-
тона. Раствор можно хранить до одного года при
комнатной температуре
Готовые к употреблению наборы для окра-
шивания по Граму на сегодняшний день предла-
гает целый ряд производителей
7.4.2.2.	Процедура
а Приготовьте фиксированный мазок, желательно,
чтобы в результате описанных выше процедур
получился mg но слой клеток
b Нанесите на образец раствор кристаллического
фиолетового и оставьте на 30 с
с Осторожно смойте краситель проточной водо-
проводной водой в течение примерно 5 с. Стрях-
ните лишнюю воду
d Нанесите на мазок раствор й ща на 1 мин
е Осторожно смойте краситель проточной водой
приблизительно в течение 5 с. Стряхните лиш-
нюю воду
f Обесцветьте образец при помощи обесцвечива
теля, медленно добаЕляя капли раствора на слег-
ка икрашенный край мазка. Раствор должен мед-
ленно растечься по образцу Продолжайте^ пока
из образца не вымоется весь краситель (избы-
точное обесцвечивание приведет к обесцвечива-
нию грамположительных клеток, а в результате
недостаточного обесцвечивания можно получить
ложные гр амп о ложи тельные клетки, ложные ре-
акции при окрашивании по Граму наблюдаются
также в законсервированных и голодных образ-
цам когда ip амп о л о житель ные клетки окраши-
ваются как грамотрицательные).
g Осторожно смойте краситель проточной водой
в: течение 5 с Стряхните лишнюю воду.
И. Нанесите на стекло кинтр-краситель (сафранин)
на30 с
1 Осторожно смойте краситель проточной водой
в течение 5 с. Стряхните лишнюю воду
Хорошо подготовленный мазок должен быть еле
заметен при рассмотрении невооруженным глазом
Добавив г центр каплю иммерсионного масла, изучите
образец с использованием 10их светлопольного объек-
тива Не используйте покровное сгекло Стекло с об-
разцом окрашенным по Граму, можно хранить бес-
срочно при комнатной температуре в темноте. Грам-
поло жительные клетки окрашиваются фиолетовым
цветом а грамотрицательные - красным. Цвет может
меняться от синего до почти черного Контраст можно
повысить при помощи синего фильтра. Некоторые
клетки могут иметь промежуточный вид или неравно-
мерную окраску, ихнавываютграмвариабельными
Проблему больших флокул и слишком плотных
мазков можно решить с помощью разбавления или
осторожной гомогенизации Гексидиум йодид (HI)
является флуоресцентным красителем позволяю-
щим определить статус культуры по Граму путем
его дифференциальной абсорбции через клеточные
стенки бактерий (Haugland, 1999)
7.4.3.	Окрашивание по Нейссеру
Окрашивание по Нейссеру используется для выявле
ния присутствия метахро магических гранул, так назы-
ваемых полярных телец Бабеша - Эрнста, в клетка::
бактерий (рис. 7 6). При определенном значении pH
метиленовый синий и кристаллический фиолетовый
будут связываться с этими полярными тельцами (тель-
цами волютина, включая поли-Р), но не с остальной
бактериальной клеткой. Полярные тельца визуализи-
руются как темные точки Окрашивание по методу
Ней сс ер а основывается на связывании красителя при
высоком уровне pH с отрицательно заряженными ча-
стицами в клеточных стенках или гранулах Метод
полезен для обнаружения нитчатых бактерий внутри
флокул и для окрашивания фосфатаккумулирующи::
бактерий (ФаБ), отвечающих за улучшенное биологи-
ческое удаление фосфора (УБУФ).
7.4.3.1.	Реагенты и растворы для окрашивания
по Нейссеру
•	Раствор метиленового синего
Растворите 0,1 г метиленового синего в 100 мл ди-
стиллированной воды. Добавьте 5 мл 9 б %-го эта-
of 346
НО
но ла и 5 мл ледяной (безводной) уксусной та сло-
ты Отфильтруйте образец
•	Раствор кфмиэлличесюго фиолетового
Растворите 0,33 г кристаллического фиолетового
в 100 мл дистиллированной воды и 3,3 мл
96%-го этанола. Отфильтруйте образец
•	Раствор ко нтр-цта сите ля
Смешайте 33,3 ми 1%-го раствора хризоидина со
100 мп дистиллированной воды В качестве аль-
тернативы можно использовать 0,2%-й раствор
Бисмарк коричневый
•	Рабочий раствор
Приготовьте свежую смесь, состоящую из двух
частей раствора метиленового синего и одной
части раствор а кристаллического фиолетового
Готовые к использованию наборы для окра-
шивания по методу Нейссера предлагают не-
сколько производителей
7.4 3.2. Процедура
а. Приготовьте фиксированный мазок, следуя про-
цедуре, описанной выше
b Нанесите на образец свежеприготовленный ра-
бочий раствор и оставьте на 15 с.
с. Осторожно смойте краситель проточной водой
с обеих сторон стекла.
d Нанесите на образец раствор контр-красителя
и оставьте на 1 мин
е Осторожно смойте краситель проточной водой
с обеих сторон стекла
f Высушите стекло на Еоздухе или воспользуйтесь
фильтровальной бумагой.
g Изучите образец под микроскопом с применени
ем иммерсионного масла в светлом поле без по-
кровного стекла.
Правильно подготовленный мазок должен быть
едва заметен невооруженным глазом Предметное
стекло с образцом, окрашенным по Нейссеру, мож-
но хранить бессрочно при комнатной температуре
в темноте.
Нейссер-положительные клетки окрашиваются
синим/серым или фиолетовым а Нейссер-отри-
цательные - желтым или коричневатым. Часто
окрашиваются также внеклеточные капсулы и мате-
пиал капсул полисахаридов Ней с с ер-отрицательные
клетки имеют низкий контраст, и увидеть их может
бьпь сложно
7.4.4.	Окрашивание с помощью DAPI
DAPI является красителем для нуклеиновый кислоты,
преимущественно для двухцепочечной ДНК, которая
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
после окрашивания дает синюю флуоресценцию Пп-
видимому, его сродство связано с кластерами, бога-
тыми аденином и тимином (AT), DAFI связывается,
в частности, с малой бороздкой двойной спирали
ДНК, где естественная флуоресценция усаливается
из-за вытеснения молекул воды как из ПАРЕ так и из
малой бороздки ДНК (Trotta and Pact 1998) DAPI
также связывается с РНК, хотя и в другом режиме
связывания, который может включать AU-селек-
тивную интеркаляцив? (Tanious etal., 1992) Исследо-
вания показывают, что другие молекулы, включая
полифосфаты, абсорбируют красите.ль DAPI, при этом
выделяется свет с длиной волны, соответствующей
желтому диапазону Методика применения DAP1 за-
висит от протокола тестирования и от используемой
концентрации. Клетки, содержащие полифосфагы
в концентрациях, превышающих 400 мкмоль/г сухого
вещества межно визуализировать с помощью приме-
нения DAPI в концентр-ациях не менее 5-50 мкг/мл
При более высоких концентрациях Е>аР1 также свя-
зывается и флуоресцирует с иными составляющими
клетки, например, с липидами При более низких кон-
центр ациях синяя флуоресценция возникает в первую
очередь при связывании с ДНК. Чаще всего исполь-
зуются две формы красителя DAPI-ди гидрохлорид
и более растворимая в воде форма DAFI-дилактат.
7.4.4.1.	Реагенты и растворы для окрашивания
с помощью DAPI
• Исходный раствор DAPI
Приготовьте исходный раствор DAPI с концен-
трацией 5 мг/мл, растворив краситель в дистилли-
рованной виде (dH2O) или диметилформамиде
(ДМФ) Для полного растворения DAPI в диме-
тил формамиде может потребоваться некоторое
время и тиграя обработка ультразвуком Исполь-
зование других растворителей (например, фос-
фатно-солевого буфера (ФСБ)) проблематично
ввиду плохой растворимости Длительное хране-
ние исходного раствора DAPI возможно в случае
предварительного разделения на аликвоты и уста-
новления температуры на уровне -20 °C Для не-
продолжительного хранения раствора достаточно
исключить попадание прямых свете вьет лучей
и обеспечить температуру хранения 4 °C.
7.4.42. Процедура
Контр-окрашивание с помощью DAPI можно выпол-
нять непосредственно с препаратами живых клеток
или с фиксированными мазками, как описано выше
а Для пр еп ар ато в живых к лето к (су сп ендир о в энньет
образцов), смешайте исходный раствор DAPI до
конечной концентрации 1 мкг/мл непосредствен-
но в небольшом объеме образца. Оставьте образец
для проникновения и закрепления красителя при
комнатной температуре на время от 5 до 30 мин
(в зависимости от природы образца). Защитите
образец от попадания прямых лучей. Удалите из-
of 346
МИКРОСКОПИЯ
2 И
лишки красителя посредством центрифугирова-
ния и промойте образец стерильной водой для
минимизации фоновой флуоресценции
b Для фиксированных образцов добавьте в мазок
раствор DaPI в количестве 1 мкг/мл Оставьте об-
разец для проникновения красителя и протекания
реакции при комнатной температуре на время от 5
ди 30 мин в зависимости от природы образца
Обеспечьте защиту от прямых солнечных лучей
Удалите излишки красителя DAPI при поме щи
центрифугирования и промойте большим количе-
ством стерильной воды для максимального сни-
жения фоновой флуоресценции Фиксируйте сус-
пендированные клетки (образцы) в соответствии
с описанной выше процедурой подготовки маз-
ков Оставьте для высыхания Стекло с образцом,
окрашенным с помощью DAPI, можно хранить
бессрочно при температуре -20 °C Добавьте на
стекле с образцом каплю специального средства
от выцветания (Citifluor, Vectashield или их
смесь) Поместите сверху покровное стекло
и изучите образец под эпи-флуоресцентным мик-
роскопом Максимальное значение возбуждения
DAPI, соединившегося с двухцепочечной ДНК,
составляет 358 нв^ а максимальное значения из-
лучения- 461 нм
7-4.5. Окрашивание СТС
5-циано-2,3-дитолил тетразолиум хлорид (СТС) -
окислительно-восстановительный краситель, кото-
рый образует флуоресцирующие формазановые
кристаллы (CTF) в восстановительных средах, таких
как активные дышащие клетки с активным транс-
портом электронов. Формазан откладывается внут-
риклеточно в виде крупных кристаллов и поэтому
может использоваться в качестве клеточного окис-
лительно-восстановительного индикатора Несмотря
на описание его как неспецифического индикатора,
его ценность состоите тоад что он быстро указывает
на наличие активности нитчатых бактерий в образ-
цах активного ила. Преимуществом окрашивания
СТС является то, что обычно не требуется какой-
либо стадии промывки образца, т к. невоостанов
ленный СТС не поглощает свет с длиной волны вы-
ше 4110 нм
1А 5.1. Реагенты и растворы для окрашивания СТС
• 1 % (об/об.) водный раствор СТС (5-циано-2,3-
дитолил тетр аволиум хлорид)
7.45.2. Процедура
а. В тестовую пробирку с 2 мл пр ?бы активного ила
добавьте 200 мкл раствора с концентрацией
50 ммоль Оставьте пробу для инкубации на 1 —4 ч
при комнатной температуре при умеренном пере-
мешивании
b Окрашенные клетки можно визуализировать
с помощью черных поликарбонатами мембран
сразмеромпор 0,2 мкм. или просто добавив не-
большую- каплю на предметное стекло микро-
скопа и дав ей высохнуть
с. Мембраны высушивают и с использованием им-
мерсионного масла помещают на предметное
стекло Изучите пробу под микроскопом при
возбуждении 4 50 нм и испускании 630 нм
d Клетки, содержащие формазан, являются относи-
тельно стабильными и при необходимости могут
хр анитьсяпри температуре 4 °C несколько дней.
7.5.	ФЛУОРЕСЦЕНТНАЯ in situ
ГИБРИДИЗАЦИЯ (FISH)
Гибридизация флу ope сцен та с-окрашенных олиго-
нуклеотидов ДНК позволила визуализировать от-
дельные микробные тле тки в сложных средах и вы
полнить их идентификацию in situ С помощью дан-
ной методики можно получить важную информацию
для составления количественного учета интересую-
щих микробных групп и их пространственной орга-
низации в образце. Различие между культивируемы-
ми клетками и клетками, пока не поддающимися
культивированию, не устанавливается.
FlSH-метод, подробно описанный в справочной
литературе (Nielsen, 2009), с снов ан на принципе
гибридизации флуоресцентно-меченых ДНК-зондов
с целевыми участками рибосомальных РНК в изуча-
емых клетках с проницаемой мембраной (рис 7 6)
Зонды представляют собой небольшие участки
ДНК, разработанные для гибридизации со специфи
чески ми комплементарными им последовательно-
стями в структурах рибосомальньк РНК в метабо-
лически активных исследуемых клетках Одно из
преимуществ FISH метода заключается в возможно-
сти создания зонда для узкой филогенетической
группы (вплоть до уровня вида) или же для предста-
вителей целого филума бактерий или любой другой
высшей филогенетической иерархический группы
Гибридизации с используемым ДНК-зондом подда-
ются только клетки с определенной целевой по сле-
де в агельн остью гена 16S рРНК, а т к отдельная
клетка содержит множество рибосом, для ее микро-
скопического обнаружения генерируется достаточ-
ный флуоресцентный сигнал
Несмотря на широкое применений FISH-метода
в микробиологии, были выявлены некоторые его
ограничения Активный ил обычно характеризует-
ся высоким уровнем метаболической активности,
что приводит к большому количеству клеточных
рибосом и сильным флуоресцентным сигналам,
однако некоторые клетки могут излучать флуорес-
центный сигнал на детектируемом уровне по не-
of 346
LUrridUC Z.UUI v
HI
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
скольким причинам Слабые сигналы отчасти мож-
но компенсировать использованием флуор охр омов
с более высокими коэффициентами поглощения
или энзимов., усиливающих интенсивность сигнала
(Card-FISH, подробную информацию об этом
можно найти в труде Pernthaler and Pernthaler,
2007), а также при помощи использования множе-
ства меченых зондов (DOPE-FISH, Stoecker et al.,
2010). В некоторых случаях FISH-метод имеет
ограничения в виде проникновения зонда сквозь
стенку/ме мбрану внутрь целевой клетки, в резуль-
тате чего получается ложно о тр иц ател ьный резуль-
тат, что часто наблюдается у вызывающих пенс-
образование бактерий группы Му col ata (Seviour
and Nielsen, 2010). Поэтому очень важна некоторая
предварительная пермеабилизация клеток. Также
клетки не будут флуоресцировать, если зонд со-
здан для взаимодействия с недоступным участком
рРНК, ь таком случае требуется разработка и при-
менение вспомогательных зондов (Fuchs et al.,
2000) Еще одной проблемой, встречающейся
в образцах активного ила, является их автофлуо-
ресценция Методологические недостатки и труд-
ности FISH-метода отражены в справочной литера-
туре (Moter and Gob el, 2000) Важные факторы,
влияющие на чувствительность и качество FISH-
Фиксиропанные образцы ила Обработка ферментом
метода, описаны учеными Bouvier и Del Giorgio
(2003). Ключевые аспекты можно сформулировать
следующим збр азом
•	Авто флуоресценция естественно флуоресциру-
ющих соединений в клетках или образце.
•	Последовательность зонда (энергия связи, само-
компле мен тар несть и т д.)
•	Концентр ация зс нда
•	Тип зонда
•	Микроорганизм (природа мембраны может ока-
зывать влияние на проницаемость и способство-
вать лизису клеток)
•	Целевой участок рРНК (доступ может быть за-
трудн ен)
•	Процедура фиксации (может привести к химиче-
ским изменениям в клегках/образие).
•	Наличие дезоксирибонуклеаз (ДНКаз) или пе-
роксидаз (для Card-FISH метода).
•	Время гибридизации.
•	Температура.
•	Концентрация соли
•	Концентрация формамида.
•	Время промывки
•	Феномены адсорбции
Флуоресцентно меченый
олигонуклеотидный зонд
Гибридизация
Микроскопическое исследование	Процедура отмывки
Рисунок 7.6. Схематичное изображение процедуры FISH
Информацию о последовательности зонда и усло-
виях пр отек ан ияре акции можно найти в специальной
литературе и в базе данных «prob eBase» (Loy et al.,
2003), а также дополнить ее множественными флуо-
р охр омами В целом хорошо работают такие флуоро-
хромы, как СуЗ, Су5, FLUOS, TAMRA и различные
варианты красителя Alexa, который обеспечивает
устойчивую окраску и высокую интенсивность сиг
налов, сохраняя проницаемость мембран Услугу
индивидуального синтеза о л иго нуклеотид ных зондов
с флуор охр омами или без них можно приобрести
у множеств а интернет поставщиков
Процедуру флуоресцентной situ гибридизации
необходимо оптимизировать для каждого зонда-об-
разца с применением эмпирического подхода.
MUlUi I IdllC ZUUT^
of 346
МИКРОСКОПИЯ
7.5.1.	Реагенты и растворы
для флуоресцентной in situ гибридизации
•	Фиксатор (I %-й парафор ма льдеги д, П ФА)
для гра потри нательных mi сток
Смешайте 4 г ПФА с 30 мл dHjO при 60 °C, до-
бавьте каплю 2 N NaOH для более легкого раство-
рения (работайте в вытяжном шкафу); добавьте
16,6 мп 3 х ФСБ (см ниже) Доведите объем до
50 мл с помощью dHiO Пропустите раствор через
поликар б он атный фильтр с диаметр ?мпор 0.22 нм
чтобы избавиться отчастиц Использовать можно
только свежий раствор, но его можно хранип.
в течение нескольких дней в холодильнике или
в аликвотах пр и температуре-2 0 °C
•	Лизоциндля щеточной гернеэбилизацим
Растворите лизоцим до конечной концентра-
ции 10 мг/мл (~360 000 ед/мл) в 0,05 М ЭДТА
0,1 М’1 трис-НС1 (pH 8,0). Готовьте свежий
раствор по мере необходимости и храните его
на льду, его также можно хранить в аликвотах
при температуре -20 °C
•	Протеиназа К для щеточной прмеабилизации
Растворите протеиназу К (из Triiirachiim album)
ди концентрации 20 000 ед/мл в буфере трис-
ЭДТА (0,01 М ЭДТА 0,1 М’1 трис-НС1, pH 8,0)
Готовьте свежий раствор по мере необходимости
и храните его на льду, его также можно хранить
в аликвотах при температуре -20 °C.
•	1 х фосфатно-солевой буфер (1 х ФСБ)
Смешайте 0,1 М NaH;PO+ с 0,1 М Na2HPO4 до до-
стижения pH 7,4 Смешайте 22,8 г NaCl с 300 мл
такого фосфатного раствора и добавьте dHjO до
получения объема 1000 мп Пр о стерилизуйте
в автоклаве и храните при комнатной температуре
•	Буфер трис-ЭДТА
0,01 М ЭДТА 0,1 М трис-НС1, pH 8,0 Стерили-
зуйте раствор фильтрованием и храните при
температуре 4 °C
•	1 мтрис-на.рн io
Растворите 121,1 г раствора трис в 300 мл dHjO,
добавьте 42 мл концентрированной соляной кис-
лоты НС1, остудите, затем отрегулируйте pH
и доведите объем жидкости до 1 л с помощью
dHjO. Про стерилизуйте в автоклаве и храните
при комнатной температуре.
• 5 М NaCl
Растворите 292,2 г NaCl в 800 мл dHaO, доведите
обьем жидкости до 1 л с помощью dHjO Стери-
лизуйте раствор при помощи фильтрования
и храните при комнатной температуре
211
•	Стерильная дистиллированная На) *dH/J)
Пр о стерилизуйте в автоклаве фильтрованную
dH2O
•	10%-й доде цилсульфат натрия
Нагрейте 50 г додецилсульфата натрия (каче-
ство для электрофореза) в 40 П мл dHiO до 70 °C,
отрегулируйте pH концентрированной соляной
кислоты до 7,2 и доведите общий объем раствора
до 500 мл, стерилизация не требуется. Храните
при комнатной температуре.
•	о,5М-эдтд
Растворите 13,6 г ЭДТА в 80 мл dHaO, отрегули
руйте pH до 8,0 (понадобится около 2 г гранул
NaOH), доведите обьем раствора до 100 мл при
помощи dHjO. Стерилизуйте раствор фильтро
ваниеми храните при температуре 4 °C.
7.5.2.	Процедура
а Отбор проб Отбирают свежие пробы и сразу
фиксируют в соответствии с описанием, приве-
денным ниже (возможно их хранение при темпе-
ратуре 4 °C в течение 2-3 дней без воздействия
на клетки)
Ь. Фиксация Если целевая популяция неизвестна
фиксируются и грамотрицательные, и грампо-
ло жительные клетки
i. Гр амп о л о жительные клетки смешайте рав-
ные объемы активного ила (иловой смеси)
и 96%-й этанол Храните раствор в моро-
зильной камере (-20 °C).
ii Грамотрицательные клетки центрифугируй-
те 5 мл пробы в течение 8 мин скорость пе-
ремешивания 3400 х g Удалите супернатант
и вместо него добавьте колодный 4%-й рас-
твор ФГА/ФСБ Клеточную суспензию фик-
сируют в течение 3 ч при температуре °C
Центрифугируйте суспензию в течение 8 мин
со скоростью 3400 х g После удалите супер-
натант (ФТА) и утилизируйте его надлежа-
щим образом Добавьте 5 мл холодной водо-
проводной воды и центрифугируйте в тече-
ние 8 мин со скоростью 3400 х g Удалите
супернатант. Выполните данный шаг повтор-
но Добавьте 5 мл холодной стерильной
фильтрованной водопроводной воды и пере-
мешайте Теперь образец готов к процедуре
флуоресцентной insitu гибридизации
Фиксированный образец можно хранить при
температуре -20 °C в течение нескольких меся-
цев Перед использованием следует проделать
следующие действия: центрифугируйте в тече-
ние 8 мин со скоростью 3400 х g Удалите су-
пернатант и вместо него добавьте холодный рас-
те ор Ф С Б/з таловый спирт в пропорции 1 1 Если
образец выдерживался в таком растворе, егс
of 346
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
214
необходимо промыть и ресуспендироЕатъ в во-
допроводной воде перед иммобилизацией
с. И ммо би ли з ан ия н а п р ед метн ых стекла х. Р асп р е-
делите 15 мкл образца на пскровним стекле или
поместите в каждую лунку предметного стекла
с тефлоновым покрытием. Равномерно распре-
делите жидкость при помощи кончика пипетки
Оставьте образцы в вытяжном шкафу до пслниго
высыхания (15-30 мин) Высыхание при темпе
ратуре 46 °C обеспечивает разбавленным образ-
цам более высокую степень сцепления с поверх-
ностью предметного стекла, чем когда они вы-
сыхаю I при комнатной температуре
d Обезвоживание Удалите воду с предметных
стекол при помощи этанола, постепенно повы-
шая его концентрацию следующим образом:
3 глин в 50%-ом растворе этанола затем 3 глин
в 80%-ом и 3 мин в 96%-ом растворе. Этанол
можно использовать несколько раз, поэтому его
можно хранить в вытяжном шкафу Обеспечьте
полное высыхание предметных стекол на возду-
хе перед гибридизацией с генными зондами Об-
разцы, окрашенные с применением красителя
DAPI, не нужно обезвоживать, т. к. они быстро
теряют окраску п эд воздействием этанола
е Пермеабилизация Некоторым клеткам (напри-
мер, Мус о lata) необходима предварительная об-
работка для обеспечения пермеабилизации кле-
точных стенок или мембран Нан лучшим обра-
зом этого можно достичь ферментативным
путем при помощи лизоцима и протеиназы К,
а также химически (посредством обработки сла-
бой кислотой) Такие параметры, как тип фер-
мента. его концентрация и инкубационные усло-
вия, зависят от природы образцов и клеток
и подбираются для каждого образца отдельно
Однако большое количество образцов активного
ила может подвергаться FISH-методу с исполь-
зованием зондов и без химической или фермен-
тативной пермеабилизации или мягкой обработ-
ки При необходимости могут применяться сле-
дующие подробно описанные процедуры:
г Пермеабилизации l лизоцимом
-	Добавьте 111-15 мкл холодного лизоцима
(36 000-369 000 ед/мл) к образцу на предмет
ном стекле или в лунке. Поместите предмет-
ное стекло горизонтально в полиэтиленовую
пробирку объемом 50 мл, в которой содер-
жится фильтровальная бумага, пропитанная
2 мл dH2O
Оставьте стекло для инкубации на 10-60 мин
в зависимости от природы клеток при 37 °C.
-	Промойте предметное стекло 3 раза в dH2O
и один раз в абсолютном этаноле, затем
оставьте до полного высыхания. Данное пред-
мете е стекло можно хранить при температу-
ре -20 °C в течение нескольких месяцев
и П ер ме аби ли з ация с пр отеин аз ой К
-	Нанесите 10-15 мкл холодной протеиназы К
(2000-20 000 ед/мл) на стекло или в каждую
лунку и переместите в полиэтиленовую про-
бирку объемом 50 мл со смоченной фильтро-
вальной бумагой Оставьте для инкубации на
20-6С мин при температуре 37 °C
-	Промойте предметное стекло 3 раза в dH2O
и один раз в абсолютном этаноле, затем
оставьте до полного высыхания.
-	Данное предметное стекле можно хранить
при температуре -20 °C в течение нескольких
месяцев
iii. Пермеабилизация мягким кислотным гидро-
лизом
-	Погрузите предметные стекла с обезвожен-
ными клетками в соляную кислоту (1 М НС1)
при температуре 37 °C на 30 мин
-	Промойте стекла в dH2O, затем в абсолютном
этаноле и оставьте до полного высыхания
f Гибридизация Для оптимальной гибридизации
флуоресцирующих олигонуклеопгдных зондов
при рассмотрении каждой новой системы необ-
ходимо учитывать все факторы, влияющие на
успех и результат применения подхода
1	Приготовьте буферы для гибридизации
(табл 7 4.) в соответствии с необходимыми
условиями жесткости для каждого нуклео-
тидного зонда, информация о которых со-
держится в базе данных «probeBase» (Loyetal
et al., 2003) При отсутствии достаточных ис-
пытаний зонда такие условия необходимо
будет подобрать для каждого нового зонда
опытным путем
Таблица 7.4. Гибридизационный буфер (46 ’С) для процедуры FISH
Формамид %	Формамид мкл	dHiO мкл	5МГЙО мкл	1 МТрис.НС1 мкл	10% додецил сульфат мкл
0	0	1600	360	40	2
6	100	1500	360	40	2
10	200	140U	360	40	2
15	300	1300	360	4U	2
20	400	1200	360	40	2
25	500	1100	360	40	2
30	600	1000	360	40	2
35	700	900	360	40	2
40	800	300	360	40	2
45	900	700	360	40	2
50	1000	600	360	40	2
60	1200	400	360	40	2
65	1300	300	360	40	2
70	1400	200	360	40	2
ii	. Поместите 8 мкл гибридизационного буфера
на предметное стекло так, чтобы он занимал
площадь 1-2 см2, или в каждую лунку, если
предметное стекло с тефлоновым покрытием
имеет одну или несколько лунок.
in Добавьте 1 мкл зонда каждого исследуемого
гена (концентрации 50 нг/мкл) и осторожно
перемешайте (избегая контакта с образцом)
с гибридизационным буфером (для работы
MULUi IldUC ZOO
of 346
МИКРОСКОПИЯ
2И
с зондами необходимо использовать стериль-
ные пипетки) В случае дальнейшего добав-
ления зондов в ту же лунку порядок не имеет
значения. Следует использовать эквимоляр-
ные концентрации каждого зонда. Поместите
стекло горизонтально в пробирку Greiner
объемом 50 мл с кусочком фильтровальной
бумаги, смоченной 1-2 мл того же гибриди-
зационного буфера Поместите пробирку
в гибридизационную камеру с температурой
46 °C на полтора часа.
g Промывка
i. Приготовьте 50 мл моющего буфера (табл. 7.5),
перед промывкой нагрейте его на водяной
бане до 48 °C
Таблица 7.5 Промывочный б/фер (48 °C) для проще дуры FISH
Формамид %	1 МТрисЛЧС! (pH &J0) мкл	10 % ДрДеЦИЛ сульфит мкл	5 MNaCI мкл	0,5МЭД1А мкл
и	1000	50	9000	0
6	1000	50	6300	0
10	1000	50	4500	0
15	1000	50	3100	0
20	1000	50	2150	500
25	1000	50	1496	500
30	1000	50	1020	500
35	1000	50	700	500
40	1000	50	460	500
45	1000	50	3U0	500
50	1000	50	180	500
55	1000	50	100	500
и После гибридизации осторожно выньте
предметное стекло из пробирки Greiner при
помощи пинцета.
in Налейте несколько миллилитр с в подогретого
моющего буф ера на стекло (внимание: избегай-
те попадания непосредственно на образец,) для
удален ия избыточно го раствор азо нда из лунок
14 Поместите стекло в пробирку Greiner объемом
50 мп с подогретым до 48 °C моющим буфе-
ром на 15 мин на водяную баню с температу-
рой 48 °C для удаления несвязавшихся зондов
у. Снова осторожно извлеките стекла при по-
мощи пинцета. Промойте холодной ЙН;О,
погружая стекло в хи мт чес кий стакан для
удаления кристаллизовавшегося NaCl.
Vi Оставьте до полного высыхания.
h М икр о ско пия (з пи ф луор е сц енци я и ко к ф ок альн ая
лазерная сканирующая микроскопия (КЛСМ))
Теперь высушенные стекла можно изучить при
помощи микроскопа
i. Поместите небольшую каплю защитной сре-
ды Сitifluor (или Vectashield, или их смесь) на
предметные стекла и накройте их покровным
стеклом Перед выполнением микроскопии
убедитесь, что Сitifluor распределен по всем
лункам
ii. Если анализ предметных стекол выполняется
не в день гибридизации, их можно хранить
при температуре -20 °C несколько недель,
при этом сила флуоресцентного сигнала
практически не изменится.
7.6.	ТЕХНИКИ КОМБИНИРОВАННОГО
ОКРАШИВАНИЯ
Для лучшего понимания взаимосвязей между иден-
тификацией бактерий и их функциями применяются
различные смешанные техники Такой подход явля-
ется очень эффективным и обеспечивает получение
экофизиологической информации на уровне отдель-
ной клетки сложных сообществ Эти техники позво-
ляют обнаружить такие накопленные внутриклеточ-
ные соединения, как. пслиф эсф аты и ПГА в интере-
сующих популяциях, а также помогают выявить,
какие организмы ответственны за химические пре-
образования в различных процессах, например,
в улучшенном биологическом удалении фосф эра.
Сих помощью можно также определять клетки,
способные синтезировать внеклеточные ферменты,
или клетки с гидрофобной поверхностью, что явля-
ется важным свойством связанным с ценообразова-
нием (табл.7 б)
Таблица 7.6. Техники окрашивания, которые молото комбинировать
для связи щцентификащти клеток с их функцией
Идвнтмф1кация Поглощение с страта	FISH, Грам Микроавторадисграфгя	Источник Neryctilo era/, 2015
Сеойств а поверхности	Адгезия микрос фер к клетке	Nelsen я а/, 2001
Компоненты повер шести	Лекгты, антитела	Efockein-ram етэ!., 2002
За о ферментативная активность	Ферм енг-связанная флуоресценция	Nelsen И а,2002,2010а Kragelundet еГ-э/., 2007 van Orrtnen Klueckeand and Geesey, 1999
Продукты внутреннего накопления	ПГА. поли ера фаты, сера	Nelsen 3 a/., 2010b
Большинство бактерий в сложных смешанных
природных сообществах, таких как бактерии актив-
ного ила, не могут быть изолированы и выращены
в чистой культуре, и даже их получение в лаборато-
рии н ак о пительных культур может изменить селек-
тивные природные биотические и абиотические
параметры. Поэтому необходимо изучить их функ-
ции непосредственно в их естественной среде Мно-
гие псдобные исследования были выполнены с при
менением комбинированных меги дик, описанных
выше, в надежде, что другие ученые применят их
в своих работах (например, Nielsen et al., 2010 a,b)
Ниже приведен пример использования FISH-
метода в комбинации с (i) DAPI и (и) ПГА-
of 346
ЭКС ПЕРИ МЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Hl
окрашиванием для выявления или идентификации
бактерий, способных накапливать пплифосфаты
(ФАБ), и бактерий, аккумулирующих большое коли-
чество биопластиков в виде ПГА в системах актив-
ного ила, предназначенных для микробиологического
удаления фосфора Такие данные обеспечивают более
глубокое понимание сложной микробиологии про-
цесса (например, как ФАЕ могут оказаться более эф-
фективными, чем другие организмы), что необходимо
для разработки обоснованного механизма оптимиза-
ции систем очистных сооружений с технологией
улучшенного биологического удаления фосфора.
Примечательно, что большинство ФАЕ никогда не
были изолированы в чистые культуры, а изучались
либо в составе накопительных культур, либо в нату-
ральных системах
С помощью окрашивания DAPI можно опреде-
лить все бактерии благодаря его неспецифическому
связыванию с ДНК Однако известно, что в случаях
применения в повышенных концентрация:: DAPI
также окрашивает гранулы внеклеточного полифэс-
фата в клетках бактерий. Флуоресцентный спектр
комплексов DAPI-ДНК имеет максимальное значе-
ние флуоресцентного излучения на уровне 450 нм
(синий), тогдакакв комплексах E'API-полифосфаты
наблюдается так называемый батохромный сдвиг
с излучениям! около 525-550 нм (зелено-желтый)
В то время как ДНК обычно окрашивается рабочими
растворами, содержащими DAPI в концентрации
1 мкг/мл, определение поли фосфатов происходит
при инкубации клеток с использованием концентра-
ции 50 мкг/мл
7.6.1.	Окрашивание методом FISH
с применением красителя DAPI
7.6.1.1.	Реагенты и растворы для окрашивания DAPI
•	Исходный раствор CAP) и хранение (см разд 7 4 4 1)
•	Реагенты.исшльзуе1Ъ1е для нетода FISH (см разд. 7.5.1)
7.61.2. Процедура
а. Выполните процедуру флуоресцентной w situ
гибридизации, как описано выше, с использова-
нием FISH-зондов для выявления ФАЕ, обеспе-
чив подходящие условия для фиксации иммоби-
лизации и гибридизации зондов
b После инкубации в темноте в течение 30 мин
при комнатной температуре (для отдельных об-
разцов может потребоваться более длительное
окрашивание) удалите излишки красителя DaPI
при помощи центрифугирования и последующей
промывки в большом количестве стерильной во-
ды до достижения минимального уровня фоно-
вой флуор еспенп ии
с. Оставьте до полного высыхания. Предметное
стекло с образцом, окрашенным методом FISH-
E’aPI, может храниться при температуре -20 °C
в течение длительного срока
d Нанесите каплю средства от выцветания (Citifluor,
Vectashield или их смесь) непосредственно на об-
разец Поместите сверху покровное стекло и изу-
чите под эпи флуоресцентным микроскопом Мак-
симальная длина волны возбуждения для двухце-
почечных ДНК, окрашенных DAPE составляет
358 ни для поли фо с фатов - 525-550 нм Макси-
мальнее и спуск .чн и е составляет 461 нм
Набор фильтров с полосой пропускания 350 нм
и длинноволновой пропускающий фильтр (500 нм)
скомбинированы с подходящим дихроическим зер-
калом (см. рекомендации производителя)
Наи лучшие результаты совместного применения
FlSH-метсда и DAPI-окрашивания полифосфатов
получают при мечении зондов красителями, прояв-
ляющими красный сдвиг, такими как СуЗ для FISH
(рис 7 7)
7.6.2.	Окрашивание FISH-ПГА
7.6.2.1.	Реагенты и растворы для окрашивания ПГА
• Реагенты, используеше для окраинвания ПГА
1	1 % (об/об.) водный раствор красителя
NileBlue.
• Реагенты для пето да FISH (см разд 7 5 1)
7 6.22. Процедура
а Разбавьте свежесобранный активный ил водой
примерно до концентрации 1 г ВВ/л, поместите
20 мкл пробы на покрытое желатином предмет-
ное стекло Оставьте для высыхания Для повы-
шения разрешения можно применить гомогени-
зацию ила
b Окрасьте образец, погрузив предметное стекло
в 1%-й водный раствор красителя NileBlue (по-
догретого до 55 °C) на 10 мин
с. Удалите избыточный краситель, осторожно про-
мыв стекло dHjO при комнатной температуре
d Промойте отлаженные клетки в течение 1 мин
в 8%-й уксусной кислоте.
е Удалите остатки кислоты, осторожно промыв
стекло dHjO
f.	Высушите предметное стекло
g.	Добавьте каплю dH2O на стекло и изучите при
пемощи эпифлуоресцентного микроскопа (с дли-
ной волны возмущения 630 нм) Положительная
реакция при окрашивании ПГА проявится по-
средством наличия флуоресцирующих гранул
ПГА внутри клетки и будет хорошо отличима от
неокр ашенньг: клеток
h.	Зафиксируйте интересующие фрагменты при
помощи камеры с прибором с зарядовой связью
АЦШПТЛК 2ХП
of 346
МИКРОСКОПИЯ
217
(ПЗС) или лазерного сканирующего микроскопа
и сохраните координаты данного фрагмента на
микрометре столика микроскопа Также можно
отметал расположение светового пучка каран-
дашом сбоку на предметном стекле
1 Уберите стекло с предметного столика и оставь-
те до высыхания.
j. Зафиксируйте образец непосредственно на пред-
метном стекле с помощью ПФАили этанола, за-
тем выполните шаг пермеабилизации, описан-
ный под процедурой FISH Оставьте стекло для
высыхания
к Процедура FISH выполняется в соответствии с опи-
санием в разд 7.5 Для четкого различения флуо-
ресцентных сигналов от ПГА и флуоресцентной in
situ гибридизации необходимо использовать зонды
олигонуклеошдов с сильным флуор охр оызм, отли-
чимым от спектра излучения ПГА (FLUOS, Суб).
1 Переместите координаты области, где были по-
лучены изображения ПГА на предметный сто-
лик микроскопа и оцените сигнал FISH Получи-
те изображения до и после применения FISH
и оцените идентичность клеток с положительно
окрашенными ПГА
Рисунок 7.7. Совместное использование окрашивания D4PI (синий' для полифосфатов (яелтый) и FISH (красный) для вдентифшацтиклеток. Изобра-
жение (а) и К'Обраяения (б) и (г), (д)и (е)отображают1-д1 и то же поле зрения, соответственно
Окрашивание ПГА можно проводил с образца-
ми, зафиксированными ПФ А или этанолом, но сле-
дует избегать непосредственной фиксации на стекло
между окрашиванием ПГА и процедурой FISH
Список литературы
Bouvier, Т., Del Giorgio. РА. (2003) Factors influencing the
detection of bacterial cells using fluorescence in situ
hybridization (FISH) A quantitative review of published
reports. FEMS Microbiol Ecol., 44(1)- 3-15.
Bockelmann, U., Manz, W, Neu, T.R and Szewzyk, U y2002j.
Investigation of lotic microbial aggregates by a combined
technique of fluorescent in situhybndization and lectinbinding
analysis Jouryid of Microbio log cal Methods, 49.75-87
Fikelboom, D H (2000) Process control of activated sludge plants
by micioscopic investigation. IWA Publishing London, UK..
ISEN 1900222302
Eikelboom, D H (2006). Identific ation and 'ontrol of filamentous
microorganisms in industrial wastewatei treatment plants.
IWA Publishing London, UK. ISBN 1843390965
Fuchs, E.M., Glockner, F.O., Wulf, J. and Amann, R (2030).
Unlabelled helper oligonucleotides increase the in situ
of 346

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
accessibility to 16S rRNA. of fluorescently labelled
oligonucleotide probes.	and Emnro’Wienta/
Aerobiology. 66(B): 3603-3607.
Hau^and, RP (1999) Molecular probes. Handbook of
fluorescent probes and research chemic als, 7th ed Molecular
Probes, Eugene, Oregon, US. ISDN 0965224007.
Jenkins, D, Richard. MG and Daiggei, G T (2004) Manual on
the causes and control of activated sludge bullring fo art, trig
andothet solids separation pioblems 3td ed I Wa Publishing
London. UK. ISEN9781566706476
Kragelund C., Remesova, Z., Nielsen, J L., Thomsen TR , Eales,
KL, Seviour, RJ, Wanner, J md Nielsen, PH (20071.
Ecophysiologr of mycolrc acid containing Actinobacteria
(Mycolata) inactivated sludge foams. FEMS Microbiol Ecol,
61:174-184
Lopez-Vazquez, CM., Hooijman^ CM, Brdjanovic. D.,
Gijzen,H J., vanLoosdrecht, MCM (2008) Factors affecting
the microbial populations at full-scale Enhanced Biological
Phosphorus Removal (EBPR) wastewater treatment plants in
The Netherlands Water Res , 42(10-11): 2349-60
Loy, A., Hom, M, and Wagiet. M (2003) prob eBase an online
resource fot rRNA-targeted ohgonucleotide probes Nucleic
Acids R esearch, 31(1) 514-516
Mot er, A. andGobel, U.B. (2000). Fluorescence tn situ hybridization
(FISHj for direct visualization of microoi ganisms Journal
of Mi crobiological Methods, 41 85-112
Nietyclilo, M, Nielsen, J L and Nielsen, P H. (2015). Studies of
the ecophysiology of single cells in microbial communities
by (quantitative) mici oautoradrog aphy and fluorescence in
situ hybridization (MAR FISH). In Hydrocarbon and lipid
microbiology protocols, McGemty et al feds’), Springer
Protocols Handbooks, Springer-Verlag Berlin Heidelberg
Germany ISBN 9783662451793
Nielsen PH., Kragelund, C, Seviour, RJ and Nielsen, J L
(2009). Identity and ecophysiolog'- of filamentous bacteria in
activated sludge FEMS Mic Review., 33(6) 969-998
Nielsen J.L. (2009). Protocol for Fluorescence in situ
Hybridization (FISH) with iRNA-iatgeted oligonucleotides
In FISH Handbook for biological wastewater treatment,
Identification and quantification of microorganisms in
activated sludge and biofilms by FISH Nielsen, P H ,
Darms,H and L emm er, H. (Eds) ISBN 9781 843392316
Nielsen JL, Mikkelse, L H arid Nielsen PH. (2001) In situ
detection of cell surface hydrophobicity of probe-defined
bacteria tn activated sludge Wtser Sci. Tech, 43 97-133.
Nielsen JL, Kragelund, C. and Nielsen TH f2010a).
Ecophysiolcgical analysis of microorganisms in complex
microbial systems by combi nation of fluorescence in situ
hybridization with extracellular staining techniques In Methods
in Molecular Biology. Bioremediation Humana Press Inc
Cummings S (Ed). 599 117-128 ISBN 9780444010827
Nielsen J L, Kragelund C. and Nielsen P H. (2010 b). Combination
of fluorescence in situ hybridization with staining techniques for
cell viability and accumulation of PH A and polyp in
microoi ganisms in complex microbial systems. In Methods in
Molecular Biology Bioremediation Humana Press Inc
Cummings S. (Ed). 599 103-116 ISBN 9730444010827
Nielsen PH , Rosiev, P.. Dueholm, T.E and Nielsen JL (2002).
Microthnx parvicella, a qaecialized lipid consumer in anaerobic-
aerobic activat ed sludge plants Water Sci Technol, 46 73-80
Pemthalei, A. and Peinthaler, J (2007) Fluorescence m situ
hybridization for the identification of environmental microbes
Methods in Molecular Biology, vol. 353: Protocols fot nucleic
acid analysis bynonradicactive probes. 2nd ed Hilarю E and
Mackay J. (Eds) Humana Press Inc, Totowa, NJ ISBN
9780444010827.'
Salvado, H. Gracia, MP., Amigo, J M (1995), Capability of
ciliated protozoa as indicators of effluent quality in activated
sludge plants, Wat Res.,29:1041—1050.
Seviour, RJ and Nielsen TH (2010) Microbial ecologr of
activated sludgp Seviour, R.J and Nielsen. P H (Eds). IWA
publishing London UK. ISBN 9781843390329.
Stoecker, K, Dotmnget, C, Daims, H and Wagner, M f2010)
Double labelling of oligonucleotide probes for fluorescence in
situ hybndization (DOPE FISH) improves signal intensity and
increases rRNA. accessibility. Applied and Envirormertd
Microbiology 76(3) 922-926.
Ttotta, E and Paci, M (1998) Solution structure of DAPI
selectively bound in the minor g'oave of a DNA TT
mismatch- containing site NMR and molecular dynamics
studies Nucleic Acids Ret, 26(20) 4706-4713.
van Ommen Kloecke, F, and Geesey, GG. (1999) Localization
and identification of populations of phosphatase-active
bacterial cells associated with activated sludge flocs Mcrob
Ecol., 38:201-214.
Xia, ¥., Kong Y.H, Seviour, R., Fotster, R.J., Kisidayova, S and
McAllister, TA (2014) Fluorescence in situ hybridization
probing of protozoal Entodiruum spp and their methanogenic
colonizers in the rumen of cattle fed alfalfa hay or triticale
straw Journd of Applied Microbiology. 116:14-22.
of 346
8
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
Авторы,
Soren М. Karst
Mads Albertsen
Rasmus H. Kirkegaard
Morten S. Dueholm
Per H. Nielsen
Редактор:
Holger Daims
Редактор русскоязы много текст a
Першина Александра Геннадtевна
8.1.	ВВЕДЕНИЕ
В сфере очистки сточных вод молекулярные методы
могут применяться для быстрой и не требующей
больших вложений идентификации исследуемых мик-
роорганизмов В некоторых случаях даже существует
возможность установить связь между идентификацией
функции, но зачастую это приводит к неожиданным
результатам. Недавний пример показал, что разнообра-
зие некоторых нигрификаторов, физиология которых
считалась простой и детально описанной, на сего-
дняшний день гораздо шире, чем было известно ранее
(E'aims et al, 2015) Функция микроорганизмов касает-
ся как их физиологии (гетеротрофы, нитрификагоры,
микроорганизмы, используемые для ферментации
и т д), так и их морфологии (нитчатые или однокле-
точные) и имеет большее значение для общего влия-
ния, которое они оказывают на системы сточных вод
Зная идентификационные характеристики и функцию
микроорганизмов, можно регулировать их представ-
ленность для обеспечения оптимальной производи-
тельности КОС, например, убедиться в наличии нит-
рифик.аторов или удалении нитчатых видов, способ-
ствующих п ено образованию
Молекулярная идентификация микроорганизмов
обычно выполняется па основе гена 16S рРНК. Од-
нако в некоторых случаях применяют секвенирова-
ние функциональных генов, например, генов, коди-
рующих фермент аммоний монооксигеназу (AMО)
для окислителей аммония (Rotthauwe et al, 1997,
Okano etal 2004), т к. они обеспечивают более вы-
сокое филогенетическое разрешение, что может
быть полезно при выполнении исследований на мо-
лекулярно м ур ов н е
Наиболее распространенными методами иденти-
фикации, применяемыми в сфере очистки сточных
вод, являются количественная полимеразная цепная
реакция (ПЦР) в реальном времени, библиотека генов
и методы фингерпринтинга такие как градиентный
гель-электрофорез в денатурирующих условиях
(DGGE, Muyzer, 1999) или анализ полиморфизма
длин терминально-меченных ре стр итоги о иных фр аг
ментов (T-RFLP) (Marsh, 1999, Marzorati et al., 2008)
Стоит отметить, что методы фингерпринтинга редко
используются в настоящее время, т к их применение
зачастую требует больших усилий и обеспечивает
меньше данных в сравнении с другими методами,
основанными на высокопроизводительном секвени-
ровании В связи с этим на сегодняшний день исполь-
зование метода фингерпринтинга не рекомендуется.
Высокопроизводительное секвенирование можно
применять в метагеномике или метатранскриптомике,
где секвенируются все ДНК или экспрессируемые
гены (мГНК) определенного сообщества. Однако
в настоящей монографии такие методы не позицио-
нируются для широкого применения т к для этого
требуются специальные знания и навыки в области
молекулярной биологии и био информатики
Для проведения рутинных анализов микробных
сообществ рекомендуется применять метод ампли
© Серен Карст, Мзде Альбертсен, Расмус X Кьеркегор, Мортен С Дувльхильм, Пер X Нильсен, 202и
©Томский государственны! аржтекцрно-строите льгыи университет (перев । д ч фирм лоние), 2020
of 346
ISO
конного секвенирования который будет подробно
описан ниже. С помощью этого метода можно полу-
чить информацию о еидсвом составе микробов
и оценить их относительную представленность. Од-
ной из первый платформ для высокопроизводитель-
ного ампликонного секвенирования (также извест-
ной как метод лир о секвенирования) был прибор
Roche 454 С 2016 г эта платформа вышла из упо-
требления, и в настоящее время наиболее распро-
страненной на рынке платформой для секвенирова-
ния ампликонов является Illumina. Она позволяет
просто, быстро и дешево, в сравнении с другими
методами, провести анализ сотен образцов
Идентификация микроорганизмов обычно вы-
полняется методом сравнения неизвестных после-
довательностей с известным эталонным набором
с определенной таксономией Исследования пред-
ставленные в данной главе, рекомендуется прово-
дить с использованием базы данных MiDAS
(midasfieldguide org), которая содержит информа-
цию о микроорганизмах, характерных для сферы
очистки сточных вод. В нее включены общеупо-
требимые или предполагаемые названия таксонов
на уровне родя которые могут быть использованы
в качестве общепринятых учеными, работающими
в данной области В базе данных MiDAS также
можно найти всю доступную информацию о функ-
циональном потенциале 150 наиболее распростра-
ненных микроорганизмов, встречающихся в сточ-
ных вода:: на очистных сооружениях Дании и, воз-
можно, других стран (McIlroy el al., 2015)
Ниже подробно рассмотрены современные мето-
ды, которые применяются в микробиологии сточ-
ных вод сегодня и будут актуальными в течение
ближайших нескольких лет выделение ДНК, коли-
чественные ПЦР и ампликонное секвенирование.
8.2.	ВЫДЕЛЕНИЕ ДНК
8.2.1.	Общая информация
Оптимизированный и стандартизированный прото-
кол выделения ДНК является важным этапом любо-
го анализа состава микроорганизмов методом се-
квенирования ДНК. Это связано с тем. что микробы
сильно различаются по степени устойчивости к раз-
ным методам лизирования (Thomas et ai., 2012;
Guillen-Mavar го et al, 2015) Поэтому при использо-
вании нестимизированного протокола для выделе-
ния ДНК рассчитан ное в результате анализа количе-
ство микроорганизмов, чьи стенки клеток плохо
поддаются лизису, будет заниженным (Ballet et al,
1991; Filippidou et ai., 2015). Кроме того, образцы
активного ила содержат различные химические ве-
ществя которые отрицательно сказываются на эф-
фективности некоторых методов из-за ингибирова-
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
ния (Guo and Zhang, 2013). Таким образом, метод
выделения ДНК должен стабильно работать в при-
сутствии потенциальных ингибиторов, сс держа-
щихся в активном иле. Однако, несмотря на значи-
тельные усилия ученых по разработке различных
протоколов для выделения ДНК. едва ли когда-либс
удастся разработать идеальный протокол. Ошибки
при выделении ДНК можно только минимизировать,
но не исключить (Guo and Zhang, 2013, Albertsen et
al, 2015). В данном разделе представлен краткий
обзор этапов выделения ДНК и общие рекоменда-
ции по работе с активным ил им Кроме того, описа-
на оптимизированная процедура для выделения
ДНК из активного ила на основе протокола разра-
ботанного Alb ens en et al. (2015).
8.2.2.	Отбор проб
Обеспечение репрезентативногти пробы активного
иля отобранной из резервуара КОС или из лабора-
торного реактор я имеет ключевое значение. Для
крупномасштабных систем рекомендуется отбирать
пробы большего объема (1 л) из резервуаров с хоро-
шо перемешанным составом, затем гомогенизировать
их и отбирать. 3 аликвоты по 2 мл. которые можно
легко заморозить и хранить в течение нескольких лет
при температуре -20 °C до выполнения анализа
Предпочтительно также хранить биологические ре-
плики, чтобы иметь возможность проанализировать
отклонения в пробах, а также использовать в качестве
источника биомассы на случай нештатных ситуаций
Важно минимизировать промежуток времени между
отбором проб и заморозкой, т. к. изменение условий
по сравнению с условиями исходной среды может
спровоцировать преимущественный реет некоторых
видов, что сделает пробу непригодной для сравни-
тельного анализа (Guo and Zhang, 2013) Желательно
производить отбор проб с достаточной частотой,
например еженедельно, а пробы хранить в заморо-
женном ьиде в биобанке для последующего исполь-
зования Поскольку количество проб быстро увели-
чивается важным моментом является четкая марки-
ровка каждой пробы и ведение учета с указанием их
идентификационного но мер я даты отборя соответ-
ствующих химических анализов, а также иной до-
полнительной информации, которая может быть по-
лезной для дальнейшего исследования состава мик-
роорганизмов
8.2.3.	Выделение ДНК
Выделение ДНК предполагает выполнение несколь-
ких общих шагов, которые можно изменять или
комбинировать с применением различных готовых
наборов в зависимости ат исследуемых организмов,
типа окружающей среды (из которой производился
отбор пробы) и цели выделения ДНК Такие стан-
дартные шаги включают в себя разрушение и лизис
illdLIC Z.UUI
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
клеток, осаждение белков, удаление химических
реагентов, элюирование ДНК (рис. 8.1).
отбор пробы
Удаление
оежа
Рис у нок 8.1. Осн ое ны е ша m о ри вы де ле н ум ДНК
3.2.3.1. Лизис клеток
Для лизиса клеток и последующего выделения ДНК
разработано тян о же отв о методов. Одни предусматри-
вают использование химических веществ для разру-
шения клеток, другие - ферментативную деградацию
структур клетки, также используется физическое
воздействие, такое как чередование заморозки и от-
таивания или механическое воздействие, например,
ультразвук или воздействие шариками (bead beantig)
(Bollet st о/, 1991; Tsai and Olson, 1991; Zhou st al,
1996). Были разработаны готовые наборы, в которых
используются комбинации указанных стратегий, оп-
тимизированные с учетом различных клеток и типов
проб Сложная природа активного ила может снижать
эффективность некоторых из этих подходов ввиду
различных видов ингибирования (Tullis and Rubin,
19 ГО) Однако метод механического лизиса доказал
свою стабильность и устойчивость к ингибированию
(Salonen el al, 2010, Guo and Zh ang, 2013, Albertsen et
al, 2015) Лизис клеток часто выполняется в раство-
рах с использованием детергентов и сурфактантов,
которые способствуют разрушению составляющих
клеточных мембран, таких как липидьь и их удале-
нию в ходе последующего центрифугирования
При изменении любых параметров в ходе вы-
полнения лизиса клеток важно проследить, какой
эффект эти изменения окажут на выход и целост-
ность выделенной ДНК Увеличение интенсивности
или продолжительности некоторых шагов вероятно
приведет к росту выхода до определенного уровня
насыщения. Однако при увеличении продолжитель-
ности и интенсивности может произойти разделение
ДНК, также количество проб, обработанных за от-
веденный промежуток времени, будет меньше
(Bollet etal, 1991, Burgmann et al, 2001).
8.232 Ингибирование нуклеаз и удаление бел ко 
Клетки микроорганизмов содержат многочисленные
ферменты, катализирующие деградацию ДНК (нук-
леазы), поэтому принципиальное значение имеет их
удаление или ингибиров ание ср-азу после лизиса кле-
1J1
ток. Общепринятым методом для удаления нуклеаз
служит добавление протеаз, которые способствуют
деградации белков, включая нуклеазы Далее за счет
повышения концентрации соли белки преципитару-
ются Преципитат затем можно удалить с помощью
центриф\тирпвания при этом ДНК остается в рас-
творе, а белки - в осадке (Miller et al., 1999).
8.2.3.3. Очистка
Наряду с ДНК выделяется еще один тип нуклеино-
вой кислоты, которая также с:держится в клетке, -
РНК. Молекулы РНК зачастую удаляются при по-
мощи добавления фермента рибонуклеазы (РНКа-
зы), который расщепляет РНК. не оказывая при этом
воздействия на ДНК (Miller et al, 1999). Следую-
щим важным шагом является удаление ненужных
селей, детергентов, белков и реагентов, используе-
мых в процессе лизиса клеток Такая очистка обыч-
но выполняется за счет преципитации ДНК этано-
лом, в котором ДНК не растворима, с последующим
осаждением преципитата ДНК при помощи центри-
фугирования (Bollet et al., 1991) ДНК промывают,
заменив супернатант свежим этанолом. Альтерна-
тивным методом является адсорбция ДНК на филь-
тре или силикагеле, что позволяет выполнить даль
нейшие шаги пс промывке и последующей элюции
с по мощью изме нения кони ентр алии соли
8.2.34. Элюирование и хранение
После отделения ДНК от других составляющих клет-
ки и реагентов, использованных при выделении, эта-
нол мижно удалить при помощи испарения а ДНК
растворить в воде, не содержащей ДНКаз, или в бу-
ферном рагтворе, таком как Трис ЭДТА (ТЕ) (Miller
et al., 1999). Очищенную ДНК можно заморозить
и хранить в течение нескольких лет или в холодиль-
нике в течение нескольких недель
8.2.4. Количественное определение
концентрации и целостность
В зависимости от техн о ло гаи выделения ДНК важно
определить ее количество и убедиться что она
не слишком фр аг мен тир с в ан а Наиболее подходящим
для количественного определения ДНК является ме-
тод на основе флуоресценции, который позволяет
различать ДНК и РНК, например, с использованием
наборов Qubit dsDNA. Такие наборы позволяют вы-
полнить точную количественную оценку ДНК при
очень низких концентрациях, необходимых для
большинства методов, в основе которых лежит се-
квенирование (Singer et al, 1997). Однако с помощью
популярной системы Nanodrop, основанной на спек-
трофотометрии, можно получить достоверные оценки
для более высоких концентраций ДНК (> 20 нг/мкл)
при условии, что ДНК достаточно чистая Спектр,
MULUilldUC _ППГ
of 346
252
записанный с помощью данной системы, также обес-
печивает дополнительную информацию о чистоте
ДНК на основании данных о соотношении интенсив-
ности пиксв при заданных длинах волн, что позволя-
ет делать вывод о присутствии различных контами-
нирующих примесей На основе данной информации
можно судить о необходимости выполнения даль-
нейших шагов по очистке (Wil finger et al., 1997)
Распределение фрагментов ДНК по размеру
можно оценить, используя классический г ель-элек-
трофорез (McMaster and Carmichael, 1977), а также
более новые и быстрые методы с более высокой
чувствительностью, применяемые в таких специа-
лизированных и полностью автоматизированных
системах капиллярного электрофореза, как «Ьюana-
lyzer» или «tape-station» (Panaro et al., 2000;
Padmanaban etal, 2013)
Определение размеров основывается на том, что
более длинные фрагменты ДНК под действием
электрического поля будут двигаться в геле медлен-
нее, чем более короткие фрагменты Сравнивая рас-
стояние, пройденное выделенной ДНК с расстояни-
ем фрагмента известного размера (маркер длин),
можно оценить распределение фрагментов ДНК
с различными длинами (McMaster arid Carmichael,
1977). Для некоторых ran о в молекулярного анализа
точное определение длины и концентрации ДНК
является критически важным.
8.2.5.	Оптимизированное выделение ДНК
из активного ила сточных вод
Данная методика поясняет процедуру выделения
ДНК из активного ила канализационных очистных
сооружений. В основе методики лежит использова-
ние набора FastBNA™ SPIN Kit для исследования
почвы (MP Biomedicals™) с некоторыми модифика-
циями, в частности, они касаются рационализации
процессов и обеспечения более длительного воздей-
ствия шариков (bead beating), которые были пред-
ложены в работе Albertsen et al. (2015).
Ключевым в процедуре выделения ДНК является
единообразие, поэтому необходимо четко придер-
живаться описанной методики Если будет принято
решение отклониться от методики это следует де-
лать последовательно, т е. для всех проб на протя-
жении всего эксперимента.
8.2.5.1.	Материалы
Для выделения ДНК потребуются следующие мате-
риалы.
•	Набор для выделения ДНК из почвы FastDNA™
SPIN Kit (MP Bio medicals™)
•	Прибор FastPrep-24 (MP Biomedicals™).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
•	Микроцентрифуга (предпочтительно с системой
охлаждения)
•	Спин-колонки (не содержащие ДНКазу), объе-
мом 1,5 мл
•	Пробирки типа «Falcon», 15 мл
•	Лед
•	Этанол
•	Автоматические пипетки (объемом от 1 мкл дс
1000 мкл).
•	Наконечники для автоматических пипеток без
ДНКазы (10, 300 и 1000 мкл).
•	Вода, не содержащая нуклеазу HjO (Qiagen).
•	П ер мэн ентнь гй март ер (устойчивый к з амо р озке)
•	Принтер дляпечага зтикеток(опционально).
•	СИЗ. халат, защитные очки, перчатки
8.2.52. Выделение ДНК
Общее время, необходимое для выделения ДНК из
пробы, составляет около 4 ч.
1	Отбор пробы
а Целевой объем 5ТО мкл
b Целевое значение содержания взвешенных
веществ (ЕВ): 2 мг
Важно! Никогда не центрифугируйте пробу, что-
бы повысить концентрацию!
2.	Подготовьте и промаркируйте пробирки для все-
го эксперимента (отдельно для каждой пробы):
а 1 х пробирка с лизирующей матрицей Е
b 1 х SPIN™ фильтр (из набора)
с. 1 х пр о бирка для сбора (из набора).
d 3 х спин-колонки (не содержащие ДНКаз),
объемом 1,5 мл
е 1 х пробирка тип a «Falcon», обьемзм 15 мл
3.	Разморозьте аликвоту пробы при комнатной тем-
пературе ихр анитенальду до использования.
4.	Добавьте 480 мкл натрий фосфатного буфера
фосфатно-солевой буферный раствор PBS (pH 8,0)
и 120 мкл МТ буфера в каждую пробирку с лизи-
рующей матрицей Е
5	Добавьте 250 мкл PPS раствора для осаждения
белков в одну спин-колонку объемом: 1,5 мл для
каждой пробы
о Ресуспендируйте связывающую матрицу и до-
бавьте по 1 мл в каждую из пробирок типа «Fal-
con» объемом 15 мл.
• Го1югешзацм с использованием шариков (Bead-beating)
1	Перед использог анием смешайте пробу, напри
мер, при помощи вор текс а.
2	. Перенесите пробу, равную по объему 2 мг ВВ1,
в пробирку с лизирующей матрицей Е и добавьте
фосфатно-солевой буферный раствор до общего
объема 500 мкл
1 С’бычно допускается 1--4 мг общих ЕВ
’’ Используйте наконечник пипетки с большим отьерстием
чтобы захь атить также крупные гранулы
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
3	Выполните процедуру гомогенизации «bead-
heating» в приборе FastFrep-24
а Время 4x40 с
Ь. Скорость б м/с
с Адаптер пользовательский
d Важно! Загружать пробирки необходимо в рав-
новесном положении Может потребоваться
пробиркадляур авн о в еши в ания.
е Важно! Между каждым 40-секундным интер-
валом пробы необходимо охлаждать на льду
в течение 2 мин.
• Осаждение белков и г^иьреппение ДНКк матрице
1 Центрифугируйте пробы со скоростью > 10 000 х g
в течение 10 мин и предпочтительна при темпера-
туре 4 °C.
2	Перенесите супернатант в спин-колонки объе-
мом 1,5 мл с РРЯ-раствором для осаждения бел-
ков и встряхните вручную 10 раз.
3	. Важно! Держите колонки на льду до тех пор, пока
все пробы не будут обработаны
4	Центрифугируйте колонки со скоростью 14 000 * g
в течение 5 мин для осаждения преципи тэта
5	. Перенесите супернатант в пробирку объемом
15 мл с раствор ом связывающей матрицы.
б Переворачивайте пробирку вручную в течение
2 мин, это позволит ДНК прикрепиться к матрице
7.	Поместите колонки в штатив на 3-5 мин (или до
момента, пока раствор не просветлеет; для оса-
ждения силикагелевой матрицы.
8.	Осторожно удалите до 2x750 мкл супернатанта,
чтобы не задеть осажденную матрицу
9.	Ресуспендируйте связывающую матрицу в остав-
шемся супернатанте
• Отшвка и элюирова же ДНК
1	Перенесите примерно 750 мкл раствора в SPIN™
фильтр и центрифугируйте на скорости 14 000 х g
в течение 1 мин1 2
2	. Удалитежидиость из пробирки для сбора.
3	Важно! Убедитесь, что к концентрированному про-
мывочному раствору SEWS-М добавлен этанол
4	Добавьте 500 мкл подготовленного SEWS-M
раствора и осторожно ресуспендируйте уплот-
ненный осадок с помощью подачи жидкости из
наконечника пипетки или размешав раствор
наконечником.
5	. Центрифугируйте со скоростью 14 000 xgB те-
чение минуты
б Удалите жидкость из пробирки для сбора и ис-
пользуйте ее повторно.
7	. Центрифугируйте со скоростью 14 000 х g в те-
чение 2 мин, чтобы «высушить» матрицу и уда-
лить остатки промывочного раствора
8	Замените пробирку для сборанансвую "
9	Оставьте SPIN114 фильтр с открытой крышкой для
высыхания при комнатной температуре на 5 мин
1 Если объем про бы превышает 750 мл, повторите данный шаг
2 Новая пробирка предназначена для/ранения пробы, поэтому
убедитесь, что на ней есть соответствующая марисровг.а.
211
10	Ос тор о ли о ресуспендируйте связывающую мат-
рицу (над SPIN™ фильтром) в 60 мкл раствора
DES (апир а генная в^ да без ДНКазы). С помощью
кончика пи легки перемешайте матрицу до жидко-
го состояния. Следите за тем, чтобы не повредить
фильтр.
И. Центрифугируйте со скоростью 14 000 х g р те-
чение минуты, чтобы перенести элюированную
ДНК в чистую пробирку для сбора Удалите
SPIN фильтр
12 Сделайте на пробирке соответствующую марки
ровку, используя либо напечатанную этикетку,
либо устойчивый к заморозке маркер
13. Важно! Температура хранения ДНК дол мша со-
ставлять -20 °C при краткосрочном и -20 °С-
пр и д о л го ср о чн о м хр ан ении
8.3.	КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ПЦР
Б РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ
8.3.1.	Общая информация
Несмотря на то, что высокопроизводительные мето-
ды, такие как метаген с иное и ампликонное секве-
нирование (см разд 8.4), кардинально изменили
наш способ изучения микробных сообществ, метод
количественной ПЦР в реальном времени на сего-
дняшний день остается наиболее чувствительным
методом количественного определения конкретных
видов ДНК Также, при оптимальных условия:: он
позволяет выявить одну молекулу целевой ДНК
в анализируемой пробе, хотя достичь таких условий
для проб, отобранных из окружай щей среды, удает-
ся редко из-за присутствия веществ, ингибирующих
ПЦР Более того, количественную ПЦР можно ис-
пользовать для конвертации данных об относитель-
ной представленности, полученных при ампликон-
ном секвенировании, в абсолютные значения хотя
такая потребность возникает редко
В система:: очистки сточных вед количественную
ПЦР можно применять для оценки общего содержа-
ния бактерий (Horz et al., 2005) или для определения
количества бактерий, принадлежащих к определен-
нымтаксономическимгруппам (Matsudae/ al., 2007),
используя праймеры к константным и вариабельным
участкам генов РНК (16S или 23S), соответственно
Данный метод также можно применять для оценки
содержания бактерий, принадлежащих к определен-
ным функциональным группам, таким как ни три фи-
кагоры и пи полифосф атаккумулирующие бактерии,
при помощи праймеров к определенным функцио-
нальным генам (Ge et al., 2015) Ксличестьенн ая ПЦР
является полезным инструментом для определения
судьбы отдельных штаммов, используемых при
био аугментации Для этих целей используются прай-
меры, специфические к уникальным последователь-
ностям в геноме (Dueholm et al., 2015). Более того,
г паи с доит®
of 346
214
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
с помощью количественной ГЩРв реальном времени
можно отслеживать распространение генов устойчи-
вости к антибиотикам (Volkmann et al, 2004) и ин-
фекционных вирусов (Kitajnna et al., 2014). Сочетая
мегод количественной ПЦР с обратной транскрипци
ей (ОТ-ПЦПРВ), можно количественно определить
активность (частоту инициации транскрипции) от-
дельных генов (Nolan etal., 2006), иднако данная гема
не раскрывается в настоящей главе Количественная
ПЦР представляет собой усовершенствованный клас-
сический метод ПЦР (см раьд 8 4.3) (Saiki et al.,
1985), в ходе которого продукты ПЦР выявляются на
каждом цикле ПЦР (рис. 8.2) В основе данного мето-
да лежит следующий факт при ПЦР целевая после-
довательность удваивается в каждом цикле амплифи-
кации до тех пор, пока в среде не произойдет исто-
щение одного или более реагентов (Kubista et al,
2006) Цикл ПЦР, в котором детектируется продукт,
называется пороговым циклом (Cq), и он зависит от
количественного содержания целевой последова-
тельности в исходной пробе (Brzoska and Hassan,
2014). В основе наиболее распространенных техноло-
гий количественной ПЦР лежит использование флуо-
ресцентных репортеров, которые позволяют выявлять
продукты ПЦР в режиме реального времени при про-
ведении реакции в термоциклере, оснащенном флуо-
ресцентным детектором (Brzoska and Hassan, 2014)
Для выявления продуктов ПЦР широко применяются
два раз личных химических принципа, каждый из
которых имеет свои преимущества и недостатки
(табл. 8.1). В основе первого лежит окрашивание
нуклеиновой кислоты с помощью красителя SYBR
Green I, который флуоресцирует при встраивании в
двухцепочечную ДНК (дцДНК) (рис. 8.3, a) (Zipper et
al, 20U4). Второй метод основан на использовании
одн оцеп очечного гидролизуемого ДНК-зонда, со-
держащего флуор оф ср на 5'конце и молекулу - гаси-
тель на 3'конце (рис 8.3, б) (Hollande/al., 1991).
Рисунок 8.2. Кривые а1мплификации количественной ПЦР. В верхней части рисунка изображены стандартные кргвые амплифийцрм, а в нижней части -
данные, отображенные на логарифмической шпале Значение Cq определяется в цикле количественной ПЦР, где кр tea я амплифтации пересекает
порнговую линию, которая обозначает область, где синал флуюресцрнцри значительно превышает уровень шуга Расположение пороговой линии
можно определить вручную по кривой амплификации на логарифмической шкале (см. н им юю часть рисунка), но чаще всего его вычисляют при помощи
программного обеспечения для количественной ПЦР Гример приведен для оранже вой кривой а мп лифтами
Таблиц» 8.1. Сравнение мегодрЕ выявления продуктов ПЦР с помощью красителя SYBR Green I и гидролизуемого зонда
SYBR Green 1		Гидролизуемый зонд
СПеци «фичностъ	Вытгляет все ампли фчциров энные двухцепочечные ДНК, включая неспеци фиче!жие продукты реакции	Выявляет только неспеци фжеские продукты реащии
Чувствительность	Зависит от качества матрицы, структуры праймера и оптимизации	1-10 копий
Преимущества	может вы<вл ять амплифиыцию любой последовательности двужуепо- чечной ДНК Зонд не требуется, что упрощает постановку резней и сокращает экс- плуатационные затраты К одной ампли фщированной молекуле могут прикрепиться несколько красителей, что повышает чувсгвмтелоносгь для выявления продуктов амплификации Относительно невысокая стоил ость праймеров	Для получения флуоресцентного сигнала необходима специ фическая гибридизация между зондом и мишенью что значительно снижает щм и лажнсположитвльные синапы Зонды можно маркировать различными репортерными красителями Гл то даря зтсм у можно проводить мультиплексную количественную ПЦР в одной пробирке Обработка данныкпосле ПЦР не требуется, что позволяет снизить трудозатраты и расходы на материалы
Недостатки	Ввидутого, что краситель SYBRGreen 1 связывается с любой двуцепо- чечнои ДНК (включая неспецифиюские последовательности двухцепо- чечных ДН KI, могут воз никзтъ ложнопс। п ожительнь ie сигналы. Не может применяться для мультиплексной количественной ПЦ' (когда одновременно используется бол ее чем одна пара праймеров)	Для каждой унжалоной последовательности-мишени необходимо синте- зировать новей ЗОНД (относительно высокая стоимость маркированного зонда
AULurrIdTTC
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
Ш
Праймер
j" Матрица
0 SYBR green I
в свободном
растворе
• SYBR green I:
соединение
СДцДНК
Отжиг
5'
3'
Рисунок 8.1 Механизмы работы стандартных репортеров, обычно применяемых в количественной ПЦР
а - анатмз с использованием красителя SYBR Green I. Флуоресцентный репортер SYBR Green I представляет собой а сим местный цгяниг с двумя
ароматическими сите магм В растворе флуоресценция в красителе SYBR Qeen I почти отсутствует из-за вибраций в которые вовлечены обе арома-
тические системы, что преобразует ан ер rw возбуждения электронов в тепло, которое рассеивается в окружающем растворителе. Однако при взаимо-
действии красителя SYBR Green I с двухцрпочечной ДНК виЕраци- ограничиваются, и асимметричный цианин приобретает сильную флуоресценцию
(Nygren etal 1998). Таким образом, краситель SYBR Green I отражает общее содержание дцДНК; б-анализ с использованием гидролизуемого зонда,
[цдрошзуе мый зонд содержит флуоресцентный краситель-репортер на 5' конце и гаситель на 3 конце, который сильно сокращает флуоресценцию-
репортера свободного зонда за счет резонансного переноса энергии флуоресценции (FRET) Зонд итгигается на кодирующую цепочку между участка ми
связывания прямого и обратного праймера Входе каждого этапа элонгации полимераза ДНКотщепляеткрасигегъ-репортер отзонда Г|эи отделенииот
гаситсля краситель-репортер испускает характерную флуоресцентно (Holland et al., 1991). Данная флуоресценция соответственно отражает общее
количество амплификаций мишени
Свободные зонды не флуоресцируют, т. к. бли-
зость флуорофора и гасителя приводит к передаче
энергии от флуорофора к гасителю за счет резо-
нансного переноса энергии флуоресценции (FRET)
(Holland ei al, 1991) На стадии отжига зонды при-
крепляются к сегменту ДНК между секвенируемы-
ми праймерами и затем гидролизуются в ходе элон-
гации за счет 5' 3'-экзо нуклеазной активности ДНК
полимеразы Это позволяет освободить флуор о фор
от гасителя и приводит к появлению флуоресцент-
ного сигнала (Holland е/ al, 1991). Другие, реже ис-
пользуемые, техники рассмотрены в обзоре (Kutista
et al, 2006).
Перед началом исследования методом количе-
ственной ПЦР рек о мен дуется из учить руководство,
в котором описаны основные требования к мини-
мальней сообщаемой информации, необходимой
для публикации результатов эксперимента количе-
ственной ПЦР ь реальном времени (MIQE) (Bustin
et al, 2009). Цель данного раздела - познакомить
читателей с теоретическими основами количе-
ственной ПЦР и дать детальную информацию по
адаптации методов количественной ПЦР. описан-
ных е исследованиях по сточным водам. Особое
внимание уделяется использованию необходимых
контрольных образцов и особенностям в интерпре-
тации данных
8.3.2.	Материалы
•	Праймеры
В табл. 8.2 содержится описание наиболее рас-
пространенных методов анализа количественной
ПЦР, применяемых в сфере очистки сточных
вод Праймеры и зонды необходимо заказывать
в концентрации 100 мкм в виде обессоленных
и очищенных методом ВЭЖХ стоковых раство-
ров, соответственно Для большинства случаев
псдойдут зснды с комбинацией репортера 6-
FaM на 5' конце и гасителя ТАМВАна З1 конце
Однако можно обеспечить более высокую чув
ствительность, заменив TAMRA на нефлуорес-
центный гаситель, такой как black hole quencher-
1 (BHQ-1) от компании Biosearch Technologies
(США). Разработка новых методов анализа ко-
личественной ПЦР требует специальных навы-
ков в сфере биоинформатики ине описана
в данной главе. Инструкции по индивидуальной
разработке анализа методом количественной
ПЦР можно найти в следующей научной литера-
туре (Basu, 2015, Brzoska and Hassan, 2014).
•	Термо дилеры для проведения ПЦР в реальном време №
На сегодняшний день существует большое коли-
чество производителей термоциклеров для прове-
of 346
1I I	ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
дения ПЦР в режиме реального времени, включая	(Швейцария) В частности, был описан положи-
компании Agilent Technologies (США), Applied	тельный опыт применения системы ко лич есть ен-
Biosystems Inc. (США), Bio-Rad (США), Eppendorf	ной ПЦР в реальней времени Agilent Мх3005Р
International (Германия) и Roche Applied Science	производств а компании Agilent Technologies.
Таблица 8.2. Примеры наиболее распространенных гиди анализа количественной ПЦР в сфере чистки сточных вод
№шен> и химический принцип1	Описание	Ссылка
Болышнство бактер ж (ГЗ)	Разраб оган и оценен универе альный метод анал иза кол ичественно й П ЦТ для ампл и ерикзции гена 16S	(Nad ka m i в! al, 20 0 2) рРН К домена бактерии Метод поз воляег кол и че ствен но о пре делить э баре содержание 6 эоерии в п р об е
Болышнство археи (ГЗ)	Оценена возможность использ ования нескольких праймеров к гену 16S рРН К домена а рхеи и ба кгерии.	(Wa ng an d I j an. Сое ци фические праймеры позво ляют опреде лиге относительное соде ржание археи и бактерий	2009) в м икробном сообществе различных сред обитания
Ьопышнство грибов (ГЗ)	С помощью метод а компьютерного модел и ров ания in alico был разр аботан и оценен в уело виях л аборатор  (|_щ et al, 2012) нот эксперимента in utro универсальный метод количественной ПЦЦ основанном на амплификации гена 18S рРНК гриб ов. Метод позволяет количественно э пр еде л иг ь общее содержание гр ибов е гр об е
Отдельные штаммы (ГЗ)	Общая методика р $ работки штамм -специ фмческой количественной ПЦР был а представлена и гр именена (Doe h ol то et al., 2015) для анализа количественной ПЦР штамма PseuAvncvac mewtetti SB3074 для биоэументации Диализ был использован впоследствии для оценки персистенции штамма в активном иле
Нюрифи-ация (ГЗ)	Был р азраб дан метод количестве что и П LR для а л t фа -субъединищ! ген а ам монии-монооксигеназы	((ka п о et а!, 2 00 4) (атоД). которая является ключевым ферментом при окислении аммония аммонииокисляющгми бактериями (ЛОБ), детый анализ был использован для оценки размера популяции ДОБ в образцахпочеы
Восстановление нитрата (8G)	Был разработан и прим ен ен метод кол ичественной П ЦР для опреде ления относ игольного содержания	(Eh et al, 20 0 7) мембран связанной (пемЗ) и периплазмапнеской (лэр4) протобакгериальной нитрагрезуктазы в различиях
	средах
Аназробное окисление аммония (анаммокс) (SG)	Был разработан метод количестве то й П1R на ген 168 рРНК всех известных бактерий, осушрствляющгх	(Hum bed el al, 2012) анаэробное окисление аммония (анаммскс), и затем применен для огредепения их содержания в почвах заболоченных участков
Разложение ароматических углеводородов (ГЗ)	Был разработан метод количестве то й П Lp на ген tes/) кодирующий а л ьфв-субъ е ди ни цу б ензилсущинаг-	(В? Не г et al, 2 00 2i синтазы-основного фермента, катализирующего анаэробное разлто+ениетолузла и гсилэла Данный мегодбыл применен в исследовании влияния утечек газохола иг подземных резервуаров-хранилищ на жизне деятельное местных тол уолразралагэющгх банте пий
Усгойчиеостъ к антибиотикам (ГС)	Разраб оганы мето ды количествен ной П Lf на гены устойчивости к антибиотикам салД атрс и meefl,	(\h Ikm an n et al. которые связаны, соответственно, с ванкомицинорезистентными энтерококками (VFE1 Ь-лактам-	2004) резистентными штаммами Едегсйасдейсеае, и метигдгллин-резистентнычи &эр!уто<хса/$aureus(МРЗС), соответственно. Исследовагия истольз вались для выявления геноЕ резистентности в городских сгочгых водах и стоках медицинских учреждений
Вирусы, передаваемые через воду(ГЗ)	анализ кол шественной П ЦР применялся для опре деления относите льните содержания 11 различных	(Kitaji ma et al, 2 014) вирусов в очищзнныхи неочищенных сточных водах двух очистных соор умении
1SG SYBR Green I; ГЗ. Гидролизуемый зинд
•	Реагенты для количественна) ПЦР
Современный рынок предлагает большое коли-
чество готовых наборов для количественной
ПЦР Выл получен положительный опыт при ис-
пользовании набора реагентов Brilliant III Ultra-
Fast SYBR Green qPCR Master Mix от компании
Agilent Technologies для анализа на основе кра-
сителя SYBR Green I, а также набора EXPRESS
qPCR Supermix от компании Life Technologies
(США) для анализа с применением гидролизуе-
мого зонда.
•	Обе рудова ние для из пере шя ко н центра i|i)i ДНК
Для определения концентрации ДНК авторы ре-
комендуют использовать флуорометр Qubit про
изводства Life Technologies (США) или подоб-
ные методы с применением зондов Также мож-
но использовать спектрофотометр NanoDrop от
комп ании Thermo Scientific (США), однако стоит
учесть, что данный метод является более чув-
ствительным к наличию примесей в пробе (см
разд 8.2 4).
8.3.3.	Методы
• Подгот овка ста ндартов коли чес тве ином ПЦР
Абсолютная концентрация целевой последова-
тельности ДНК определяется сравнением значе-
ния С4 в пробе с серией разведенных стандартов
с известными концентрациями целевой ДНК
(ампликона) (рис 8.4).
Стандарт может быть изготовлен из геномной
ДНК, плазмиды или продуктов ПЦР. Хотя продук-
ты ПЦР целевой последовательности легко полу-
чить при помс'щи ПЦР с использованием прайме
ров для количественной ПЦР, зачастую в результа-
те получают серию разведенных стандартов
невысокого качества, т. к. ввиду малого размера
довольно сложно получать воспроизводимые раз-
ведения. Для выполнения рутинного анализа коли-
чественной ПЦР' авторы рекомендуют использо-
вать линеаризованные плазмиды, содержащие ам-
пликон Линеаризация важна, т к кольцевая
MULUilldUC
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
плазмидная ДНК в суп ер-скрученной ферме может
подавлять амплификацию ПЦР (Hou et al., 2010)
Стандарты для количественной ПЦР на основе ли-
неаризованных плазмид ми жни легко приготовить,
следуя инструкции ниже Наборы и ферменты
необходимо использовать согласно рекомендациям
производи теля если не указано иное
Рисунок 8.4. Сценка эффективности амплификации по наклону линей-
но й р е гр есс ии в се рии ра зве де н ны х стан дар то в
1.	Амплифицируйте последовательность мишень,
используя праймеры для количественной ПЦР
и стандартную Taq ДНК-поли мер азу
2.	Клонируйте продукт ПЦР в плазмиду pCR4-
ТОРО, используя набор для клонирования ТОРО
ТД предназначенный для секвенирования, и клет-
ки Е сой штамм One Shot ТОРЮ (производства
компании Life Technologies, США).
3.	Внесите б 10 мл среды LB, содержащей 50 мкт/мл
кэнамицина, позитивный клон и выращивайте
культуру в течение ночи (37 °C, 200 об/мин).
4	Выделите плазмиду, используя набор QlAprep
Spin Miniprep Kit производства Qiagen (США).
5	Выполните линеаризацию плавмид с помощью
ферментов FastDigest Seal или FastDigest SspI
(производитель Thermo Scientific, США).
б.	Используйте набор QIAEX II Suspension kit от
компании Qiagen (США) для очистки линеаризо-
ванных плазмид
7	Определите концентрацию ДНК с помощью флу-
орометра Qub it или сп ектр о ф ото метр a N апо Его р
8.	Рассчитайте молекулярный вес линеаризованной
плазмиды со вставкой, используя формулу
MW = окончательный размер плазмиды
в парах оснований х 607,4 г/моль
9	Рассчитайте содержание целевой последователь-
ности в пробе по формуле:
Копии целевой последовательности в 1 мкл =
= концен грация в нг/мкл х 10’9 х 6,022 х 1023/ MW
1J7
10	Разбавьте стоковый раствор ампликона до 10
копий в 1 мкл, используя 10 мМ трис-буфера.
pH 8,5
11	Приготовьте серию 10-кратных разведений от
10 до 101 копий в 1 мкл, используя 10 мМ грис-
буфер, pH 8,5 Используя новый наконечник пи-
петки. перемешивайте на вертексе пробу после
каждого разведения
12	Перенесите по 100 мкл стандартов в стрип из
8 пробирок для ПЦР объемом по 200 мкл и хра-
ните при температуре -18 °C до моментаиспсль
зов ания
• Подготовка гроб
1	Выделите ДНК из пробы, как: описано в пара-
графе «Выделение ДНК» разд 8.2.5.
2	Определите концентрацию ДНК с помощью флу-
ориметра Qubit или спектр о фотометр a Nano Drop
• Поста новю реакции юл и чес тве ином ПЦР
1	Подготовьте мастер микс для количественной
ПЦР в соответствии с методикой, прилагающейся
к набору для проведения количественной ПЦР
Обычно мастер-микс готовят таким образом что-
бы он подходил для образцов объемом 5 мкл
2	Загрузите мастер-микс в планшет для проведе-
ния количественной ПЦР
3	. Центрифугируйте планшет со скоростью 2200 х g
в течение 5 глин
4	Добавьте стандарты из серии разведений в дублях
В; лунки двух первых колонок планшета для ПЦР.
5	. Внесите образцы в дублях в лунки планшета для
ПЦР
б Добавьте в планшет соответствующие виды кон-
тролей, описанные ниже
а Безматри чн ый контрол ь Д л я пр и го товл ени я
без матричного контроля вместо матрицы
ДНК используется вода без нуклеазы. Он
служит ебщим контролем контаминации
нуклеиновыми кислотами. При использова-
нии метода детектирования на основе SYBR
Green он также является важным контролем
формирования димеров праймеров
Ь Неамплифи^ируемый контроль Он изготав-
ливается без ДНК полимеразы и выполняет
функцию контроля фоновой флуоресценции,
которая не является продуктом ПЦР. Такая
флуореспенция обычно возникает по при-
чине использования частично разло ливших-
ся гидролизуемых зондов Поэтому приме-
нение неамплифицируемого контроля в ана-
лизе с SYBR Green не требуется.
с. Контрола разведенных проб. Они использу-
ются для определения наличия в пробе икги
бигор св ПЦР. Это важно в случае, если из
разведенной пробы получается значительно
большее количество копий, чем из неразве-
данной пробы после коррекции с учетом ко-
эф фициента разв едения.
d Пробы с добавлением ампликона. В выбран
ные пробы добавляют известную высокую
of 346
lit
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
концентрацию ампликона, после чего они
выполняют функцию контрол ей наличия ин-
гибиторов ПЦР
7	. Центрифугируйте планшет со скоростью 2200 х g
в течение 5 мин
8	Выполните процедуру количественной ПЦР
в соответствии с описанием методики, прилага-
ющейся к набору для количественной ПЦР За-
дайте температуру отжига и время элонгации
в соответствии с описанием анализа
9	При использовании метода анализа на базе
S VBR Green по завершении процедуры количе-
ственной ПЦР проанализируйте кривые плавле-
ния С помощью данного анализа можно опреде-
лить формирование димеров праймеров и обра-
зование неспецифических продуктов Оба будут
иметь вид дополнительных пиков на графиках
первых производных кривы:: плавления. Темпе-
ратуры плавления димеров праймеров значи-
тельно ниже, чем температура плавления целе
в ого продукта (ампликона)
10	При первом применении нового метода анализа
количественной ПЦР всегда рекомендуется ва-
лидировать корректность анализа. Для этого
очистите полученный продукт ПЦР и отправьте
небольшую аликвоту прямого или обратного
праймера в фирму, выполняющую секвенир с ва-
нне по Сэнгеру На основании данных секвени-
рования подтвердите, что амплифицированный
продукт действительно соответствует целевой
последовательности Очищенный продукт также
можно проанализировать методом г ель-электро-
фореза в агарозном геле Должна наблюдаться
одна полоса ожидаемой длины.
8.3.4.	Обработка данных
•	Огределение шсла ноши образца
Большинство амплификаторов в режиме реаль-
ного времени обрабатывают данные автоматиче-
ски и определяют количество копий для каждой
пробы Однако количество копий также можно
вычислить вручную, сравнив значения Cq в про-
бе и в серии разведенных стандартов Для этого
постройте график зависимости значений Cq в се-
рии разведенных стандартов от логарифма (logio)
содержания целевой последовательности и вы
полните линейную регрессию. Полученное урав-
нение затем можно использовать для определе-
ния содержания целевой последовательности на
основе значений Cqnpo6 (рис. 8 4).
•	Оце неэффективности ПЦР
Эффективность ПЦР отражает, насколько реаль-
ная амплификация отклоняется от идеальной,
в которой концентрация ампликона удваивается
после каждого цикла ПЦР Эффективность ПЦР
ниже 90% может указывать на не опта мяльный
дизайн зонда или праймеров, наличие ингибито-
ров ПЦР или неточное дозирование пипеткой
проб или реагентов, тогда как при эффективно-
сти выше 1G0 % причиной всегда является не-
точное дозирование при помощи пипетки В ру-
ководстве к проведению анализа указано, что
для проб, отобранных из природной среды, эф-
фективность ПЦР должна находиться в проме-
жутке между 80 и 115 % (Zhang and Fang, 2006).
Эффективность ПЦР можно определить, по
наклону линейной регрессии серии разведенных
стандартов, описанной выше (8.1) (Rasmussen,
2001)
Рассчитанная эффективность предполагает,
что все стандарты и пробы имеют одинаковую
эффективность амплификации (Souaze et al,
1996) Это можно подтвердить при помощи кэн
тролей разведенных проб или пробы с добавле-
нием ампликона, описанных выше
-1
Эффективность = Юкакиак-1 (8 1)
8.3.5.	Получение данных и их интерпретация
Конечные результаты анализа ПЦР представляют
собой список значений содержания последователь-
ностей-мишеней для каждой пробы, иднако есть ряд
важных моментов, которые необходимо учитывать
при выполнении анализа данных и которые могут
значительно повлиять на выводы (Kim etal, 2U13).
•	О ииб ю< три выделе ши ну шеи новых юс лот
Пробы из систем очистки сточных вод содержат
большое разнообразие микроорганизмов с самы-
ми различными структурами стенок клеток
(Saunders et al., 2015). Одни подвергаются лизису
проще, другие - сложнее. Следовательно, встре-
чаются значительные ошибки, обусловленные
выбором процедуры выделения нуклеиновой кис-
ло ты (Albertsen et al, 2015) Поэтому выполнить
сравнение абсолютных значений из рас-личных
исследовании может быть довольно трудно. Ис-
пользование методики выделения ДНК, описан-
ной в разд. 8 2.5.2, обеспечивает получение ре
зультатов, сопоставимы-: с данными количествен-
ного FISH-анализапроб из очистных сооружений
•	Ои»бю1 г₽н выделе ши ну шеи новых юс лот
Пробы из систем очистки сточных вод содержат
большое разнообразие микроорганизмов с самы-
ми различными структурами стенок клеток
(Saunders et al., 2015). Одни подвергаются лизису
проще, другие - сложнее. Следовательно, встре-
чаются значительные ошибки, обусловленные
выбором процедуры выделения нуклеиновой кис-
лоты (Albertsen et al, 2015) Поэтому выполнить
сравнение абсолютных значений из рав личных
MULUilldUC ^.пт.
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
2JJ
исследований может быть довольно трудно Ис-
пользование методики выделения ДНК, описан-
ной в разд. 8 2.5.2, обеспечивает получение ре-
зультатов, сопоставимьс: с данными количествен-
ного FISH анализа проб из очистных сооружений
•	Качество ДНК-матрицы
В пробах, отобранных из естественной среды,
например, из систем очистки сточных вод часто
содержатся соединения, оказывающие негатив-
ное воздействие на амплификацию (Bessetti,
2007). Это могут быть гуминовые кислоты, тя-
желые металлы, полисахариды, фенольные со-
единения или мочевина. Такие ингибиторы
можно удалить, очистив пробы с помощью ад-
сорбентов, химической промывки или геля
(Schnewer et al., 2011). При этом всегда важно
оценивать удаление ингибиторов эмпирически,
как описано в разд. 8 3.3 (Stults et al, 2001).
•	Особенность а на виза количественной ПЦР
с универсальным грай мерам
Мишенями ан ализа количественной ПЦР в сфе-
ре очистки сточных вод чаще являются микр об-
ные группы, чем отдельные виды или штаммы.
Поэтому при выполнении анализа используются
общие праймеры и зонды, разработанные на ос-
нове известных данный о вырожденных после-
довательностях-мишенях. Однако эти данные
не всегда могу отражать реальную картину,
приводя к недооценке пли переоценке содержа-
ния по следовательно сти-мишени При исполь-
зовании вырожденных праймеров появляется
и другая проблема Если в микробном сообще-
стве преобладают специфические организмы, то
идеально подходящий для них праймер быстро
истощится, тогда как праймеры для менее мно-
гочисленных организмов будут присутствовать
дольше Следовательно, при амплификации бу-
дут наблюдаться смещения в сторону малочис-
ленных организмов, что приведет к заниженной
оценке наличия по следовательно сти-мишени
Наконец, эффективность ампли фи калии может
отличаться для каждого организма ввиду разли-
чий в содержании ГЦ-пар (Kim st al, 2013).
•	Анплифииция внеклеточной ДНК(екДНК)
В основе биологических процессов, таких как
очистка сточных вод лежит активная популяция
микроорганизмов Однако количественная ПЦР
не способна различать ДНК живых бактерий
и внеклеточные ДНК (вкДНК) мертвых или лизи-
рованных клеток Поскольку пробы сточных вод
содержат значительное количество вкДНК, дан-
ные могут быть искажены (Domini ak et al, 2011)
Поэтому данный фактор следует учитывать при
интерпретации результатов количественной ПЦР
•	Вариация «ела копи ге нов
В геномах микробов наблюдается большая вари-
ация числа копий генов, имеющих важное зна-
чение сточки зрения метаболизма, таких как 16S
pFHK (Vetrovsky and Baldnan, 2013). Если число
копий неизвестно, это может привести к ошиб-
кам при количественном определении специфи-
ческих бактерий Кроме того, число целых гено-
мов на клетку может варьироваться в зависимо-
сти от параметров роста бактерий (Ludwig and
Schleifer, 2000). Для выявления относительного
содержания спепифических видов бактерий ре-
комендуется использовать данные ампликонного
секвенирования гена 1 бS рРНК (см. разд 8.4).
8.3.6.	Выявление и устранение ошибок
•	F! гробе грисутству ют ингибиторы ПЦР
Существует три способа избежать воздействия
ингибиторов ПЦР Наиболее простым вариантом
ЯЕЛяется разведение проб. Ингибиторы ПЦР ак-
тигны только при достижении определенной кон-
центрации. Однако разведение проб также приве-
детк снижению сигнала, что сделает анализ менее
чувствительным Вторым способом может быть
дополнительная счистка ДНК Для этого необхо-
дима концентрированная проба, т. к в процессе
очистки всегда происходит потеря материала.
Крупномасштабную процедуру очистки проб
можно выполнять в 9б-лунсчных планшетах для
ПЦР с использованием наборов для очистки на
основе магнитных шариков Третий и последний
способ предусматривает очистку ДНК от пробы
с помощью другого набора, с пшмизиров энного
для конкретного ингибитора
•	Неоптимальныи дизайн гр аи гк ров или зонда
При выполнении анализа количественной ПЦР
недопустимо использовать некачественные прай-
меры или зонды Рекомендуется разработать но-
вые праймеры и набор зондов и оценить их эф-
фективность Руководство по выполнению данно-
го шага описано несколькими авторами (Basu,
2015, Brzoska and Hassan, 2014).
•	Неточное дозирование гробы или реагентов гипетюй
Неточная калибровка пипеток негативно сказы-
вается на анализе количественной ПЦР Поэтому
рекомендуется иметь специализированный набор
пипеток для ПЦР и выполнять их регулярную
проверку, а также использовать многоканальные
пипетки, т. к. это упрощает процесс дозирования
пробы Наконец, перед выполнением количе-
ственной ПЦР полезно пересмотреть применяе-
мый способ пипетирования.
8.3.7.	Пример
Ускоренной деградации специфических загрязните-
лей можно добиться с помощью добавления в ак-
тивный ил КОС штаммов с катаболической актив -
of 346
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
100
н остью (El Fantroussi and Agathos, 200^). Такой про-
цесс называется би о аугментацией Для успешной
би э аугментации необходима интродукция штаммов,
способных успешно расти и размножаться в новой
среде (Thompson et al., 2005). Количественную ПЦР
мгжно использовать для in situ оценки жизнестой-
кости штаммов для био аугментации Штамм-
ипецифический анализ методом количественной
ПЦР можно разработать, на основе уникальной ге-
номной последовательности таких штаммов; Чис-
ленность данных штаммов определяется с помощью
выделения ДНК из активного ила в различные мо-
менты времени после их добавления (Dueholm et al,
2015) Здесь представлен пример использования
количественной ПЦР для о цента персистенции
штаммов Pseudomonas monteilti SB3078 и SB3101,
которые используются для деградации ароматиче-
ских углеводородов (Dueholm et а!, 2014, 2015).
8.37.1 Пробы
Штамм Р monteihi SB3078 или SB3101 интродуци-
руют в 100 мл свежего активного ила, полученного
с очистных сооружений Ольборг Ист (Aalborg East
WWTP) в концентрации 1 % на основе количества
клеток. По приблизительной оценке и содержание
взвешенных веществ (ВВ), равное 1 г/л (активный
ил), и оптическая плотность OD6airra = l (чистая
культура Pseudomonas') соответствуют приблизи-
тельно 10J клеток на мл, как ранее было показано
в исследованиях (Fralund et al., 1996). Добавляют
бензол до концентрации 10 мкг/мл Пробирки для
культивирования герметично закрывают бутиловы
ми резиновыми пробками и инкубируют при 25 °C,
150 об/мин в течение 4 сут Каждые 12 ч пробирки
открывают на 30 мин для испарения следов бензола
и осаждения частиц ила 50 мл выделившейся воды
затем заменяют на 50 мл первично осажденных
сточных вод, моделируя время гидравлического
пребывания в течение 24 ч. Затем отбирают пробы
для выделения ДНК и реинтродуцируют бензол до
концентрации 10 мкг/мл После этого пробирки
герметично закрывают, и инкубация продолжается
(Dueholm et al, 2015). Выделение ДНК выполняют
согласно описанию из разд 8.2
8.37.2. Постановка количественной ПЦР
1	Приготовьте мастер-микс для количественной
ПЦР в соответствии с описанием, приведенным
ниже Используются праймеры и зонды к генам
SB3078 и SB3101
Компонент	Конечная концен- трация	На каждую реакцию (20 мкл)	100 к реакции
EXPRESS qPCR Supprrrix	1х	Юмкл	1000 мкс
ROX (25 ммоль)	50 нмоль	0,04 мкл	4 мкл
Окончание габлиц-i
Компонент	Конечная концен- трация	Н а каждую реакцию (20 мкл)	100 х реакции
Прямой праймер (100 мкл)	500 нмоль	0,10 мкл	Юмкл
Обратный праймер (100 мкл)	^00 нмоль	0,10 мкл	Юмкл
[идролизуемыи зонд (100 ммоль)	200 нмоль	0,04 мкл	4 мкл
Вода, обработанная дилмлпирокагоонзтом (DEPC)	-	4,72 мкл	472 мкл
Обьем	-	15 мкл	-
2	Поместите мастер-миксы в планшет для количе-
ственной ПЦР и добавьте 5 мкл проб и контро-
лей (см выше)
3	. Центрифугируйте планшет со скоростью 220G х g
в; течение 5 мин
4	Выполните количественную ПЦР по программе.
-	при 50 °C в течение 2 мин (инкубация с ура-
цил-ДНК-глюко зил аз а (УД Г));
-	при 95 °C в течение 2 мин,
-	45 циклов при 95 °C в течение 15 с, при
60 °C в течение 1 мин
8.373. Результаты
В начале исследования была проведена оценка эф
фективности амплификации Был построен график
зависимости значений Cq для серии разведенных
стандартов от логарифма числа копий и затем вы-
полнена линейная регрессия Получилось следую-
щее эмпирическое уравнение.
у=-3,349 • х + 39,80, R2 = 1.
Эффективность вычислена на основе наклона
Эффективность - ю('1*икп°н) щ	= 939 %
Полученный результат находился в диапазоне
приемлемых значений для проб из естественной
среды, т е. 80-115 % (Zhang and Fang, 2006)
Затем была выполнена оценка контр о лей. Без ма-
тричный контроль и неамп ли фи циров энный кон
троль не амплифицировались в ходе 45 циклов Это
подтверждает, соответственно, отсутствие ампли
фицируемых загрязнителей в реагентах и стабиль-
ность зондов Также был вылолнен анализ пробы,
содержащей выделенную из неочищенных сточных
вод ДНК Данный контроль также не амплифициро-
вался. подтверждая специфичность анализа ко личе
ственной ПЦР Наконец, была изучена амплифика-
ция нескольких разведенных проб Результаты ока-
зались схожими с данными, полученными для
неразведенных проб, указывая на отсутствие значи
тельного воздействия ингибиторов Кроме того, ис-
пользованы эк сп ери ментальны сданные (рис 8.5)
MULUilldUC
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
ПИ
Рисунок8.5. ЖизнеспособностьP люлЫ'5В30 76 и SB3101 в активном
иле из реактора периодического действия Относительное сидертание
штаимоЕ для био аугментами было определено при помощи шта им-
ел ешфической количественной ПЦР Цанные модели оюния показали
теоретический спад количества клеток, который мояно будет наблюдать
при отсутствии прироста и если бы все клетки для био а утаен та цри были
свободноплавающими Объем, занимаемый твердым материалом, был
вычислен на основании индекса объема разведенного ила, затем на
основании этих данных и параметра времени титра в личе ско го пребыва-
ния была рассчитана скорость вымывания свободноплавающих клеток
Анализ количественной ПЦР показал, что при-
близительно 90 % интродуцированных штаммов для
би о аугментации были потеряны в течение первых
24 ч. Возможной причиной этого является удаление
таких клеток с выделившейся водой, т. к каждые
12 ч ее заменяют свежими сточными водами
Оставшиеся клетки для би о аугментации стабилизи-
ровались в иле и оказались способны выжить в те-
чение эксперимента (4 сут) Кроме того, в ходе ана-
лиза выяснилось, что в условиях активного ила
штамм SB3078 оказался более жизнеспособным, чем
шгаммЗВЗЮ1.
8.4.	АМПЛИКОННОЕ СЕКВЕНИРОВАНИЕ
8.4.1.	Общая информация
Первым шагом для понимания как бактерии актив-
ного ила влияют на производительность очистных
сооружений, .является изучение бактериального со-
общества Сюда входит идентификация бактерий,
определение их количественного содержания и их
деятельности Благодаря достижениям в области
секвенирования ДНК стала возможна идентифика-
ция бактерий с высоким разрешением и производи-
тельностью при помощи пр о чтения генов 16S рибо-
сомной РНК (рРНК) бактерий, выполняющих функ-
цию «отпечатков пальцев»
Такой подход носит название «ампликонное се-
квенирование 16S рРНК» и состоит из ряда шагов,
изображенных на рис. 8 б Первым шагом является
выделение ДНК Он предусматривает выделение
и очистку геномной ДНК всех бактерий, присут-
ствующих в пробе (см разд 8.2) После этого гены
16S рРНК амплифицируют для секвенирования
с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР)
Затем выполняется прочтение ампликонов гена 16S
рРНК, или «секвенированной ДНК», при помощи
секвенаторов нового поколения
Огл ’ пцр
дня
МССАТТОЛССаОА ЛИДДЛ TICAUCJHJA
*TCGATrGM:CAG*CCGATCAOCCCCTA
ecGATGAfiCCOSTA TGA(F*GAT*GCAO
atcqatt<>cc^42acccatgacx:ocgta
ATC&ATXMTAGA
ТАГЛТДСУДС ОСйМОАОССОаТА
ATCUAl'TOACtXJA
АГСОАГ 5AELAGA ДТОСАП ЬАССЛиА
Клотер™»™	6
CCGATUAGCCCBTA ТОдвТЛОАТЛЮСЛО
АПЗДЛМОСАОАСС&тЗДККДОТА	VfC	OCCMCMSCCOGtA Д
ATCG*TTGACC*GA
TGAGTAflAXAGCAG CCGATGAGCCCG”*
TGAGTAGATAGCAG 2
NitrosfMa
классификация
Функциональном
Accumulibacicr «лассифихоци*
Уда «ние N
Удаление Р
Gordonia
Вспухание
Рисунок 8.6L Обзор основных шагов анализа микробныхсообществ при по мзщи секвенирования амплигона 16 SpPHK
Результатом являются последовательности всех
генов 16S рРНК в пробе Такие последовательности
затем кластеризуют в группы принадлежащие к од-
ному виду, и считают относительное число генов 16S
рРНК, принадлежащих каждой группе Каждая груп-
па видов идентифицируется на основе «Таксономи-
ческой классификации» путем сравнения репрезента-
тивной последовательности гена 16S рРНК каждой
группы с базой данных известных бактерий
В результате получается таблица, содержащая
название каждого ьида в пробе и его относительное
of 346
1И
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
содержание (представленность) Такая таблица явля-
ется основой для визуализации и анализа бактериаль-
ного сообщества. Названия видов также можно ис-
пользовать для подключения функциональной ин-
формации из специальной литературы или открытых
баз данных, таких как MiDAS, rmdasfieldgiude org
(McIlroy et al., 20151 например, о том, что идентифи-
цированные виды известны как пен о образующие или
нитрификаторы
Все шаги метода секвенирования ампликона гена
16S рРНК будут подробно описаны в разд. 8.4 2-8 4.7.
В основе описаний лежит использов ание для секвени
рования ампликона 16S рРНК платформы для секве-
нирования Illurrjina. иднако ключевая идея является
универсальной для всех платформ
8.4.2.	Ген 16S рРНК
как филогенетическим маркер
Маркерные филогенетические гены кодируют клю-
чевую функцию, которая объединяет все изучаемые
организмы, не подвергавшиеся горизонтальному пе-
реносу генов Кроме того, маркерные гены должны
одновременно быть в значительной степени эволю-
ционно консервативными и иметь вариативные пози-
ции в нуклеотидной последовательности Консерва-
тивные участки обеспечивают возможность проана-
лизировать ген с помощью ПЦР Они необходи-
мы для корректного филогенетического анализа,
тогда как вариативные участки позволяют выделять
различные организмы и исследовать их ридство
(филогению).
Рибосомные гены вошли в использование для
целей филогенетического анализа с тех пор, как
ученые Карл Везе и Джордж Э. Фокс применили их
для того, чтобы различить три царства живой при
роды в 1977 г (Woese and Fox, 19'77; Расе et al,
2012). На сегодняшний день ген 16S рРНК является
наиболее применяемым в качестве филогенетиче-
ского маркерного гена в исследованиях разнообра-
зия бактерий
Ген 16S рРНК кодирует часть РНК которая со-
ставляет функциональную часть рибосомы бакте-
рии Рибосомы появились на ранней стадии эволю-
ции и представляют со бой фабрики по производству
белка всех клеточных форм жизни. Консервативные
участки играют ключевую роль в формировании
корректной структуры рибо сомы и ее функциониро-
вании, что означает, что большинство мутаций
в данных участках подвергается строгому отбору
Вариабельные участки обладают большей свободой
к изменениям, здесь мутации встречаются гораздо
чаще (Madigan arid Martinko, 2006). Поэтому ген 16S
рРНК содержит несколько консервативных обла-
стей, разделенных вариативными участками, кото-
рые называются вариабельными регионами 1-9
(V1-V9) (Aslielford etal, 2005), рис 8 7
Наложение основания в гене 16S рРНК
Рис у нон 8.7. Бар избе л ьн ость п ос ле до ва те льн о сте й пе на 16 S р PH К (на ос но ва ним Ash е If ord ef а/, 2 00 5)
Мишенью может быть как ген 16S рРНК цели
ком таки его отделение участки, благодаря чему он
служит превосходным маркером и обеспечивает
некоторую техническую гибкость. Этот ген исполь
зовали в качестве маркера в течение многих лет,
и сегодня накопленные знания собраны в обширные
базы данных, которые применяются при сравнении
данных о гене 16S рРНК и выявлении филогенети-
ческого родства с новыми генами 16S рРНК, чтобы
затем отнести их к определенной группе в таксоно-
мии бактерий. Обычно на основании последова-
тельности гена 16S рРНК можно определить таксо-
номию бактерий дс уровня вида Благодаря своему
широкому распространению и разрешению, а также
ресурсам баз данных ген 16S рРНК стал наиболее
предпочтительным маркерным геном для анализа
сообществ бактерий
Применяются и другие маркерные гены, однако
гораздо реже и обычно для получения более высо-
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
кого филогенетического разрешения, например, на
уровне штаммов Для таких генов характерна по-
вышенная вариативность их последовательностей,
что обеспечивает более высокое филогенетическое
разрешение Однако это также означает, что они
характерны только для специфических подгрупп
бактерий. Примерами таких генов служат ат о А,
мишенью которого являются аммоний окисляющие
организмы (АОО), итсгА в метаногенах, см так-
же разд 8.3 о количественной ПЦР Принципы для
анализа гена 16S рРНК и других маркерных генов
схожи, хотя гены, кодирующие белки, такие как
агпоА, также можно анализировать на уровне по-
следовательности аминокислот. Для уровня штам-
мов также необходимы нуклеотидные последова-
тельности, при этом их необходимо выровнять по
кодонам на основе аминокислотного выравнивания
(Juretschkc etal., 2000)
8,4.3.	Амплификация ПЦР
Первым шагом в процессе секвенирования амплико-
на гена 16 S рРНК является амплификация этих генов
с помощью ПЦР
101
8.4.3.1.	Реакция ПЦР
Процедур'а ПЦР применяется для селективной ампли-
фикации гена 16S рРНК из всей геномной ДНК, коли-
чество материала достаточно^ поэтому его целесооб-
разно проанализировать с помощью секвенирования
ДНК (рис 8 8). В ПЦР для копирования ДНК исполь-
зуется термостабильная полимераза На первом этапе
процесса амплификации полимераза копирует ДНК,
используя маленькие фрагменты синтетической ДНК
(15-25 пар оснований), называемые пр. ай мерами Для
выполнения анализа генов 16S рРНК праймеры кон-
струируются таким образом, чтобы выборочно связы-
ваться с консервативным участком гена 16S рРНК, что
делает возможным селективную амплификацию
участков, находящихся между ними Во время ПЦР
для амплификации используются циклы нагревания
и охлаждения Сначала происходит денатурация
дпДНК под воздействием нагревания в результате
чего цепочки отделяются друг от друга. Затем реакция
охлаждается, в ходе чего происходит отжиг праймеров
на целевые участки в ДНК Далее температур'а снова
повышается чтобы обеспечить оптимальные условия
для активности полимеразы, которая начинает копиро-
вать ген 16S р РНК за счет удлин ения пр аймер а
Геномная ДНК
Ген 165 рРНК
ПЦР
Секвенирование
Обратный
адаптер
Прочтение 1	Индекс 1
Индекс 2	Прочтение 2
Рисунок 8.8. Основные шаги а мп лиф Uta цчи методом ПЦР исеквенцтований пена 16S рРНК Серым цветом изображена геномная ДНК гопизым - ген
1GS рРНК. Цветные части адаптеров и праймеров представляют различные функциональные последовательности, описанные в разд. 8.411. Стрелками
обозначено направление зло нпа цинке ив ениро ван иг
of 346
За один цикл производится две копии гена 16S
рРНК из одной исходной молекулы, эти копии затем
могут самостоятельно функционировать как матри-
цы. В ходе ПЦР циклы повторяют 25-35 раз, в ре-
зультате чего происходит экспоненциальная ампли
фикация гена 16S рРНК Продукт, получаемый
в результате копирования гена в ходе амплификации
ПЦР, называется «ампликон», отсюда название «се-
квенирование ампликона гена 16S рРНК». Кроме
праймеров, ДНК и полимеразы реакция содержит
нуклеотиды, встраивающиеся в новые ДНК, буфер
и прочие добавки (соли Mg‘+ и т д ), которые обес-
печивают оптимальные условия для отжига прайме-
ров и активности птлимеразы Подробное рассмот-
рение принципов, на которых основана реакция
ПЦР, можно найти в научном труде Green and
Sambrook (2012)
Еще одна важная роль ПЦР - обеспечение после-
дующего секвенирования ампликонов 16S рРНК. Это
происходит путем прикрепления адаптера для секве-
нирования к концу праймера, используемого в ПЦР
Таким образов адаптеры несут все образующиеся
ампликоны IbSpPHK Адаптер состиитиз синтетиче-
ской последовательности ДНК (около 50 пар основа-
ний), в который входят различные функциональные
участки (см разд 8 4 11). Такие участки позволяют
входе секвенирования «улавливать» ампликоны 16S
рРНК, переходить к их прочтению и распознавать, из
какой пробы произошел тот или иной ампликон 16S
рРНК Последняя процедура носит название «барко-
дирование» или «индексирование ампликонов». Идея
заключается в присваивании всем ампликонам 16S
рРНК. полученным из одной пробы, одинакового
кода Благодаря этому появляется возможность сме-
шивать (мультиплексировать) и прочитывать боль-
шое количество различных проб параллельно в одном
раунде секвенирования ДНК и при этом разделять
данные по конкретным пробам (демультиплексиро-
вать) (Illumina Inc , 2 015, С ар oraso et al., 2010).
Конечным пр : дуктом после выполнения ПЦР яв-
ляется библиотека ампликонов 16S рРНК. Суще-
ствуют различные стратегии при составлении таких
библиотек, но ключевой принцип един В стратега и,
и пи с ан ной выше, амплификация и прикрепление
адаптеров выполняется в ходе одного шага, тогда как
другие стратегии предусматривают для этого две
отдельные ПЦР. Данные стратегии имеют преимуще-
ства и недостатки, связанные с затратами, временем
и требованиями к секвенированию В настоящее вре-
мя целесообразно секвенирование только длинных
фрагментов гена 16S рРНК с использов ани ем страте-
гии, списанной выше. Сюда включены фрагменты
VI -3, наиболее часто использующиеся для секвени-
рования активного ила (Albertsen et al., 2015).
8.4.12. Отклонения в ПЦР
На этапе выполнения ПЦР могут возникать различ-
ные ошибки, что будет оказывать влияние на конеч-
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
ную структуру сообщества Ошибки праймеров яв-
ляются одними из наиболее значительных, следую-
щий раздел будет посвящен данной теме (Albertsen et
al., 2015). ПЦР-дрифт - это отклонения вызванные
случайными событиями в первых циклах ПЦР, когда
в процесс репликации вовлечено относительно не-
большое количество молекул, или же различиями
в обращении с пробами/реагентами (ошибки пипети-
рования, положение лунки в амплификагоре и т. д)
Опибки селекции в ПЦР происходят из-за неодина-
ковой эффективности амплификации ровных матриц,
что вызвано физическими свойствами нуклеотидной
последовательнос ти гена 16S рРНК (Polz et al, 1998;
Kennedy et al, 2014). Для снижения влияния дрифта
ПЦР и ПЦР-селекции выполняются параллельные
реакции ПЦР с минимальным числом циклов и коли-
чеством матрицы ДНК около 10 нг. Р большинстве
стандартных методик ампликонного секвенирования
данные параметры оптимизированы.
8.4.33. Выбор праймера
Как было сказано выше, праймеры для ПЦР ком-
плементарны консервативным участкам гена 16S
рРНК. Однако полностью исключить вариабель-
ность в «консервативном!) участке гена 16S рРНК
невозможно Поэтому праймеры совпадают с одни
ми бактериями лучше, чем с другими, а с некоторы-
ми не совпадают совсем (Klindworth et al, 2013).
Вследствие этого возникает значи тельное смещение
праймера относительно всего анализа, что важнс
учитыв ать
В идеале при выполнении анализа гена 16S
рРНК следует секвенир эвагь весь ген целиком (при
близителЕно 1600 пар оснований), таким образом
можно получить максимальное разрешение. Однако
ввиду ограничений техн о лога и секвенирования
Illumina на сегодняшний день возможно секвениро-
вание только фрагментов гена 16S рРНК, содержа-
щих до 550 пар оснований
В результате смещения праймера и ограничений
по длине прочтений было разработано большое ко-
личество наборов праймеров, мишенями которых
являются вариабельные участки гена 16S рРНК бак-
терий. Наиболее распространены наборы праймеров
к участкам Vl-3, V4 и V3-4 (Albertsen et al, 2015).
Для праймер нВ характерны различные смещения,
поэтому при выборе определенного набора необхо-
димо учи гыв ать несколько моментов
а Набор праймеров должен наилучшим образом
подходить для бактерии, которая представляет
наибольший научный интерес в исследовании
Хотя представление о смещении праймера мож-
но получить с помощью моделирования in silica
(Klindworth et al, 2013), всегда рекомендуется
выполнить тестовое секвенирование с данными
праймерами
b Набор праймеров, используемый в вашем иссле-
доьании, должен быть идентичным набору, ис-
MUlUi I IdllC ZUUT^
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
пользованному в исследовании, с которым пла-
нируется выполнить сравнение При составлении
бааы данных M1DAS, которая включает в себя
все существующие на сегодняшний день знания
о бактериях, играющих важную риль в процессах
активного ила, используют праймеры к региону
Vl-З Причиной этого стали высокое разрешение
и хорошее покрытие бактерий, отвечающих за
ключевые процессы в сообществе активного ила
(Albertsen et al., 2015)
При исследовании проб, отобранных из специфи
ческих систем активного ила, рекомендуется проте-
стировать другие праймеры. К примеру, наиболее
распространенные бактерии анаммокс не очень хо-
рошо секвенируюгся с праймерами к участку VI-3,
для таких исследований лучше использовать набор
праймеров к участку V4 (Laureni et al, 2015. Gilberts
al., 2014). Кроме того, можно разработать новые
праймеры, однако обычно такой вариант не рекомен-
дуется, т. к. для данной процедуры требуются экс-
пертные знания экосистем и филогении микробов,
а также значительное количество лабораторного вре-
мени для оптимизации и валидации праймеров.
8.4.4. Секвенирование ДНК
3.4 4.1 Платформа для секвенирования
После подготовки библиотек ампликонов гена 16S
pF НК существуют различные опции секвенирования
ДНК Однако каждый метод предлагает существен-
но отличающиеся стратегии секвенирования, что
означает, чтс полученные данные подойдут для р аз-
личных целей и потребностей В случае с секвени-
рованием ампликона гена 16S рРНК наиболее важ-
ными критериями являются длина секвенирования
(> 200 пар оснований), качество секвенирования
(< 1 % ошибок), выход данных (> 10 000 прочтений
на пробу), время оборота, затраты и простота приго-
товления библиотеки На начало 2016 г. предпочти-
тельным методом была платформа Illumina MiSeq,
которая учитывает все перечисленные критерии.
Платформа Illumina MiSeq позволяет анализировать
до 400 библиотек ампликонов гена 16S рРНК
(50 000 прочтений на пробу) за 1 раунд секвениро-
вания (56 ч) Сейчас MiSeq может секвенировать
301 пару оснований с каждого конца ампликона 16S
рРНК. Такой пр'цесс называется секвенированием
парных прочтений (РЕ), а каждая из п .-следователь-
ностей 301 пары оснований - прочтением. В ходе
обработки данных два прочтения соединяются за
счет перекрывающихся концов, что позволяет обес-
печить максимальную длину прочтения приблизи-
тельно в 550 пар оснований. Для более специфиче-
ского использования, которое требует большей дли-
ны прочтения или сокращения времени одного
прочтения, более подходящими будут другие плат-
формы, например, Pacbio RS II (Pacific Bio sciences),
J0i
Ion Proton System (Thermo Fisher Scientific Inc) или
MinlON (Oxford Hanopcre Technologies) Стоит учи-
тывать, что для разных платформ применяются раз-
ные методики подготовки библиотеки.
8.4 42. Г лубина секвенирования
Чтобы получить ответы на все вопросы, поставлен-
ные в плане исследования, при выполнении ампли-
конного секвенирования важно иметь примерное
представление о необходимой глубине секвенирова-
ния (числе прочтений на пробу). В ходе общего ана-
лиза сообщества бактерий, направленного на участок
VI-3 гена 16S рРНК активного ила. обычно выполня-
ется 50 С G0 первичных парных прочтений на пробу
Это можно объяснить гем, чтс зачастую сравнивают
очень схожие сообщества, поэтому важно получить
точные оценки количественного содержания отдель
ных членов сообщества Согласно провезенному пра-
вилу должно быть не менее 100 прочтений длякаждой
исследуемой бактерии При меньшем количестве про-
чтений конечные результаты становятся очень не-
определенными ввиду отклонений, вызванных биоло-
гическими и техническими причинами (Albertsen et
al, 2015) При необходимости обеспечить более вы-
сокое разрешение рекомендуется включить, большее
число биологических псвтсров Если данный вариант
не подходит, можно также применить более глубокое
секвенирование В активном иле содержатся тысячи
различных бактерий, 100 наиболее важных из них
составляют более 70 % от общего к о личе ств енн эго
содержания сообщества (Saunders et al., 2015).
В среднем каждый из этих 100 видов составляет
>0,5 % от общего числа сообщества. Чтобы получить
> 100 пречтений для каждого вида, необходимы по
крайней мере 20 000 биоинформагически обработан-
ных прочтений на пробу, или > 30 000 первичных
парных прочтений, в зависимое™ от качества секве-
нирования. Стоит отметить, что расходы на секвени-
рование -не самая большая часть затрат в ходе ана-
лиза, поэтому рекомендуется выполнять достаточное
количество прочтений при секвенировании
8.4.5. Биоинформатическая обработка данных
8.4 5.1. Доступн ые ин ст румент ы
На сегодняшний день не существует четко опреде-
ленной процедуры по обработке данных секвенирова-
ния гена 16S рРНК, и ввиду быстрого развития данной
сферы вряд ли она появится в ближайшее время Од-
нако общая идея остается той же, что на рис 8 9
Многие научные группы разрабатывают индивиду-
альные схемы действий и код для обработки данных,
тогда как другие создали комплексные программные
пакеты, которые позволяют почти полностью автома-
тизировать процесс. Наиболее известными являются
QIIME (Capcraso et al, 2010), Mothur (Schloss et al.,
of 346
JOI
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
2 О О Ч) и UPAP.SE (Edgar, 2013) Данные программ
ные продукты и их версии имеют различные
настройки и основополагающие допущения, поэто-
му результаты будут отличаться, даже при анализе
одних и тех же данных секвенирования По этой
причине не следует сравнивать данные, полученные
при использовании различных программных ком-
плексов или версий Обычно рекомендуется ан ал и
зировать все данные из одного эксперимента в од-
ном выбранном пакете программ и за один раз,
апри добавлении данных или изменении настроек -
выполнить весь анализ повторно. Далее в разделе
собраны основные наблюдения относительно био-
ин фор магической обработки данных.
ОТЕ	А	В	Удаление °ТЕ	А	В
=	23	J	химер =	}	*
--------- 3	О	  3	о
--------	1	о
Таксономическая классификация
ОТЕ Л В
2
3
3
1
8
О
Accumulibacter
Gordonia
ОТЕ
Рисунок 8.9. Основные шаги бии w форма теме сю го анализа данных гена 16 S рРНК. гилученных с платформы Illumina MSeq Цветами обозначены
последовательности, степень иденттяности которыхсоставляет > 97 % Буквы Аи В обозначают пробу, ио ко торой взята последовательность
8.4.5.2. Первичные данные
В результате использования секвенатора Шипя па
MiSeq получают два файла для каждой пробы Каж-
дая пар а файлов содержит все Прочтения 1 для пар-
ных прочтений в первом файле и все Прочтения 2 -
во втором. Тип файлов - fastq (fastq или fq), они
представляют собой простые текстовые файлы
с особыми правилами представления информации
о последовательности (рис. 8.10).
Каждое прочтение в файле fastq занимает
4 строчки (i) идентификационный номер конкрет-
ного прочтения, начинающийся на «@», (ii) первич-
ная буквенная последовательность конкретного
прочтения (iii) «+» для ввода поля с описанием но
зачастую оно пустое и (iv) Phred - показатель каче-
ства идентификации нуклеотидов, обозначаемый
буквами ASCII для каждого основания в прочтении
(Cock et al., 2010).
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
(0X00878:94:000000000-AGD1E:1:1101:18594:12300 1:N:0:19
ATAGTACGTACGGTGTGCCAGCAGCCGCGGTAATCGGGTACGTACGTCGATCCGTA
+
CCCCCGGGGGGGGEFGGGGGGGFGCCFGEFGGGGGFGGFDGGGGGGGGDFCFCCDF
@№00878;941000000000-AGDIE:1:1101:5140:12419 1:N:0:19
GACGAACGCTGGCGGCGTGCCTAATACATGCAAGTCGAACGAACGGATAAAGAGCT
+
CCCCCGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGFFGG
@№00878:94:000000000-AGD1E:1:1101:4381:16236 1:N:0:19
GACGAACGCTGGCGGCGTGCCTAATACATGCAAGTCGAGCGAGCGGAACTAACAGA
+
CCCCCGGGGGGCGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGGEGGGGGGGG
Рисунок 8. IQ. Гфимер файла fastq с тремя прочтен ия ми Почтения сокращены для удобства
0.45.3 Показатели качества и фильтрация
Показатель качества по шкале F'hred отражает степень
вероятности того, что конкретное основание содер-
жит ошибку (Q10 = 10 %, Q20 = 1 % и Q30 = 0,1 %)
(Cock et al., 2010). Для секвенирования ампликона
гена 16S рРНК предпочтительным показателем каче-
ства является Q20 и выше Оценку качества можно
выполнить с помощью графика показателей качества
Phred и частоты ошибок во внутренних стандартах
Для парного секвенирования 2x301 пар оснований на
основе библиотек ампликонов MiSeq высокого каче-
MULUilldUC ^.пт.
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
107
ства средним, как правило, является уровень качества
Q30 для первых 250 пар оснований Прочтения 1
и 200 пар оснований для Прочтения 2, далее качество
прочтений обычно снижается (рис 8.11). Если уро-
вень качества для большинства прочтений ниже Q20,
скорее всего, произошла ошибка в процессе секвени-
рования. Данные с низким качеством удаляются
с по мощью тримминга и фильтрации Зачастую, если
качество для длинных участков последовательности
ниже Q20, такие участки обрезают с 3’ конца При
секвенировании ампликонов участка VI-3 гена 16S
рРНК прочтения с количеством пар оснований < 275
после тримминга не рассматриваются, т. к. они
н е п о дх од ят дл я о бь е д ин ения.
Показатели качества по всем основаниям (формат Sanger/lllumina 1 9 encoding)
Положение прочтения (пар оснований)
Рисунок 8.11. Пример показателей качества Phred для секвенирования парных прочтений в 2 х 3и1 пар оснований библиотек а мп/икон а 16 S для участ-
ка VI-3 с помощвю Illumina И Seq Слева - типичный графит для Почтения 1, а справа - для Почтения 2 Положение прочтения отображено на графи-
ке по оси Phred Стяя линия обозначает среднею скорость, а коробчатые диаграммы визуализируют распределение показателя 3₽ лен а я зона отража-
етвысокий уровень качества, желтая зона - достаточный уровень качества и красная зона - низкий уровень. Уровень качества снижается к концу про-
чтения. Обзор уровня качества выполнен с помощью программного комплекса FastQC vd 113
8.4.5.4. Объединение парных прочтений
После фильтрации по качеству парные прочтения
в оставшихся высококачественных данных объединя-
ются в одну непрерывную последовательность гена
16S рРНК длиной 250-550 пар оснований в зависимо-
сти от вариабельных участков-мишеней Пссле филь-
трации и обьединения обычно остается около 70 %
прочтений в зависимости от качества выполнения кон-
кретного раунда секвенирования. Особое внимание
требуется при выполнении объединения, т к. на дан-
ном этапе могут возникнуть значительные смещения.
Длина вариабельных участков отличается у равных
видов, например, участок Vl-З гена 16S рРНК может
включать от 425 ди 525 пар оснований При низком
качестве парные прочтения длиной в 2x300 пар осно-
ваний могут быть урезаны до 2x245 пар оснований
(490 пар оснований), такая длина является недоста-
точной для объединения пар прочтений у видов
с большей протяженностью участка VI 3. Пары про-
чтений, которые не используют для объединения
всегда удаляются таким обравом возникает смеще-
ние Предотвратить такой результат можно, удалив
все прочтения < 275 пар оснований до объединения
как упоминалось выше
3.4.5.5. Кластеризация ОТЕ
Предварительно обработанные данные далее группи-
руются на основе идентичности последовательно-
стей Такие группы называют опер ационными таксо-
номическими единицами (ОТЕ), а процесс группиро-
вания-кластеризацией ОТЕ В каждой труппе может
возникнуть вариативность из за наличия тесно свя-
занных штаммов или возникновения сшибок- секве-
нироЕ ания (Huse et al., 2010). Даже при очень низком
уровне ошибок, 0,1 % на основание, вероятность воз-
никновения идеального прочтения в 500 пар основа-
ний составляет всего 61 % (0,999500). Поскольку
для сшибок секь-енирования характерно случайное
распределение, то в результате секвенирования
1000 прочтений одного гена 16S рРНК получается
(1 - 0,61)1000 = 390 различных прочтений Чтобы
избежать такого большого разнообразия прочтения
группируются на основе сходства в ОТЕ При вы-
полнении ан ализ а участков гена 16S рРНК у бакте-
рий критерием кластеризации является 97%-я иден-
тичность последовательностей, что очень приблизи-
тельно переносится на уровень вида в зависимости
от того, какой вариабельный регион используется.
Важно понимать, что означает часто упоминаемый
97%-й порог идентичности Критерий 97% приме-
няется к полноразмерным последовательностям гена
16S рРНК и означает, что последовательности, име-
ющие уровень сходства ниже 97%, принадлежат
другим видам. Критерий не используется в обрат-
ном направлении, т е. последовательности с 97%-м
сходством и выше не обязательно принадлежат
коднэму виду (Jandaaf al., 2007). В зависимости от
выбора алгоритма кластеризации получившиеся
ОТЕ будут отличаться (Edgar, 2013, Flynn et al.,
of 346
101
2015) Несмотря на популярность применения еди-
ного порога для определения ОТЕ, в настоящее
время есть несколько алгоритмов, которые исполь-
зуют профиль ошибок для применения переменных
порогов кластеризации, что обеспечивает макси-
мальное разрешение (Mahe et al., 2014) После кла-
стеризации подсчитывают число прочтений, при-
надлежащих к каждой ОТЕ, и выбирают репрезен-
тативную последовательность из кластера ОТЕ
Обычно это наиболее часто встречающееся прочте-
ние в кластере
S.4.5.6 Выявление и удаление химер
В ходе ПЦР будут возникать химерические последо-
вательности, которые представляют собой искус-
ственные последовательности, состоящие из множе-
ства различных генов 16S рРНК Химеры возникают,
когда два неполностью синтезированных фрагмента
гена 16S рРНК гибридизируются и происходит их
элонгация с помощью полимеразы. Химеры могут
искусственно увеличить разнообразие пробы, поэто-
му их необходимо выявлять и удалять в ходе биоин-
формагического анализа данных (Quince et al, 2011,
Edgar, 2013).
8.45.7 Таксономическая классификация
Последовательности, представляющие ОТЕ гена 1 бS
рРНК проходят таксономическую классификацию
путем сравнения их с базой данных существующих
последовательностей Такая классификация в высо-
кой степени зависит от применяемого алгоритма
и базы данных Существует три большие, универ-
сальные и наиболее распространенные базы данных
SILVA (Quast et al, 2013), RDP (Cole et al. 2014)
и Greengenes (McDonald et al., 2012); все три пред-
принимают попытку охватить всех известных на
сегодняшний день микробов. Однако, учитывая их
широь-ий охват, их не. рекомендуется использовать
для специфических экосистем База данных MiDAS
является в ер си ей базы данных SILVA, которую кор-
ректируют и дополняют эксперты и которая содер-
жит названия на уровне рода наиболее представлен-
ных видов микроорганизмов экосистемы активного
ила (McIlroy et al., 2015). Названия важны, т. к. бла-
годаря им можно установить связь с другими иссле-
дованиями и научной литературой, где можно найти
функциональную ин фор малию
Алгоритм для сравнения ОТЕ с базой данных
может предусматривать различные стратегии клас-
сификации. Некоторые из общепринятых алгорит-
мов используют разные версии подхода наименьше-
го общего предка (LCA) (Pruesse et al, 2012). Дан-
ный подход учитывает, что последовательно:ть
ОТЕ может иметь сходство с о дней или нескольки-
ми последовательностями из базы данных В таком
случае алгоритм выбирает более общую таксоно-
мию для ОТЕ и по следовательно ста из базы данных
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
8.4.55. Таблица ОТЕ
Конечным результатом бисин форматической обра-
ботки данных является таблица ОТЕ Строки табли-
цы отражают различные ОТЕ, а столбцы - каждую
пробу в анализе В ячейки таблицы записывают
число соответствующих ОТЕ в соответствующих
пробах. Каждая ОТЕ также имеет таксон’мическую
классификацию Классификация обычно представ-
ляет собой строку текста с разделением (с помощью
запятой или подобным образом), содержащую клас-
сификацию на каждом таксономическом разряде
(царство, тип, класс, порядок, семейство, род и вид)
Отсутствие классификации на каком либо разряде
означает невозможность выполнения точной клас-
сификации на данных уровня:: Кроме того, в итоге
создается файл в формате fasta с последовательно-
стями ДНК референсных ОТЕ
8.4.6. Анализ данных
8.4.6.1. Определен ие цел и ан ал иза дан ных
Теоретические возможности анализа даянье: секвени-
рования ампликонов гена 16S рРНК довольно широ-
ки Однако реальный масштаб анализа определяется
планом эксперимента и вариативностью получаемых
данных Е связи с этим настоятельно рекомендуется
провести предварительное исследование, и елью кото-
рого будет определение вариабельности внутри изу-
чаемого типа проб Выполнив секвенирование не-
скольких биологических реплик, можно принять
обоснованное решение относительно плана экспери-
мента и необходимых повторов, чтобы получить отве-
ты на по ставленные вопросы
В дальнейших разделах приведены примеры
различного типа анализа данных со ссылками на
авторитетные исследования, которые также могут
служить вдохновением Для знакомства с более спе-
цифическими экспериментами на основе данных
рекомендуется изучить онлайн-документацию таких
инструментов, как QIIME (Carporaso et al, 2010),
Mothur (Schloss et al, 2009), PhyloSeq (McMurdie and
Holmes, 2013), vegan (Oksanen et al., 2015) и ampvis
(Albertsen et al., 2015).
8.462 Валидация данных и проверка пригодности
Перед тем как приступить к основному анализу,
рекомендуется выполнить небольшой предвари-
тельный анализ, чтобы подтвердить корректность
данных и выявить возможные ошибки в их обработ-
ке Это имеет ? с обую важность в случаях, когда
секвенирование и биоин фор магическую обработку
данных выполняла сторонняя организация Алго-
ритм, в основе которого лежит ампликон, включает
множество шагов, где могут возникать ошибки
MULUilldUC
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
Обычно это некорректное смешивание проб, пере-
крестное загрязнение, неверная биоинф ормагиче-
ская обработка данных или низкое качество секве-
нирования Зачастую их можно легко обнаружить
при анализе данных методами общей статистики
и с помощью анализа обзорных графиков
Для всех проб необходимо рассмотреть число
первичных прочтений до и после биоинформагиче-
ского анализа Если у пробы в целом меньше прочте-
ний, это может означать, что возникли некоторые
неточности при формировании библиотеки. Потеря
большого количества прочтений при анализе может
указывать на низкое качество данных. Ошибки в ре-
зультате смешивания проб можно обнаружить путем
построения графиков, полученных в результате при-
менения анализа методом главных компонент (PCА),
основанном на числе ОТЕ для всех проб. На РСА-
графиках пробы со схожими микробными сообще-
ствами будут образовывать кластеры. Таким образом,
рекомендуется применять общие принципы и визу-
альный анализ, чтобы сделать заключение о том,
группируются ли образцы, как ожидалось. Например,
группируются ли реплики
После выполнения проверки пригодности дан-
ных рекомендуется также проверить, является ли
число секвениров энных прочтений до статочным для
о хе ат а в ыяв ленного разнообразия в пробе Для этого
мсжно выполнить анализ разрежения, в результате
которого создается кривая, отражающая число вы-
явленных ОТЕ при различной глубине секвенирова-
ния образцов
Кривая должна сгладиться по мере увеличения
глубины секвенирования (рис. 8 12), что означает,
что анализ охватывает большинство присутствую-
щих в пр о бе видов (Schloss arid Han deism an, 2005).
Рисунок 8.12. Оценка эффективности секвенирования с помощью
кривых разрежения Красная линия обозначает, что результатом каждо-
го нового прочтения является идентифжацчя новой ОТЕ Зеленая
линия означает, что выявление новых ОТЕ снижается по хода процеду-
ры секвенирования По эт му образец в зеленой пробе является репре-
зентативным
ПИ
8.4.63. Сообщества или отдельные виды?
Анализируемую единицу, или перспективу, можно
грубо разделить на две категории: сообщества
и отдельные виды. В анализе сообществ параметром
для сравнения является наличие общих различий
в структуре сообщества или разнообразия в пробах,
тсгда как анализ отдельных видов направлен на по-
нимание роли и воздействия таких видов в системе.
•	Рассмотрение сообществ
Анализ сообществ можно разделить на анализ
альфа-разнообразия (в пределах одного образца)
или бета-разнообразия (между различными про-
бами) Анализ альф а-разнообразия часто исполь-
зуется для изучения влиянияконкр етной обработ-
ки на количество различных изучаемых видов
(богатство) или на равномерность представление
сти видов в пробе. Для сравнения проб в каждой
из них вычисляется одна кенкр етная метрика ко-
торую затем можно сравнить во всех пробах
(Magurran, 2004; Lozupone and Knight, 2008).
Анализ бета-ра?нообразия позволяет срав-
нить общее разнообразие среди образцов либо
в ьиде количества общих видов, либо в виде ко-
личества общего филогенетического разнообра-
зия (Lozupone and Knight, 2008)
•	Рассмотрение видов
Несмотря на существование множества очень
сложных видов статистического анализа, приме-
нимых к данным секвенирования ампликонов ге-
на 1 бS рРНК, большая их часть направлена лишь
на выявление наиболее распространенных бакте-
рий и их связи с функциональной информацией,
т. е. вычисление содержания в пробе ни три фи ка-
горов или нитчатых бактерий (рис. 8 13). Если для
определения таксономической принадлежности
используется база данных MiDAS ^McIlroy et al.,
2015), то для ручного поиска функциональной
информации о конкретных видах, связанных
с активным илом, мгжнэ использовать справоч-
ник MiDAS Field Guide (midasfieldgui de org)
Кроме того, с помощью программного пакета
amp vis R (Albertsen et al, 2015) можно непосред
гтвенно связать данные ампликонного секвени
рования loS рРНК с функциональной информа-
цией в справочнике MiDAS Field Guide
8.4 6 4 Выявление основных и переходных видов
При изучении специфических систем часто предме-
том интереса является выявление в них видов, иг-
рающих ключевую роль в процессе, или тех, кото-
рые могут стать причиной возникновения проблем
Отправной точкой такого анализа является иденти-
фикация основных и временно присутствующих
видов (Gnme, 1998; Gibson et al., 1999) Для этого
анализа требуется большое количество проб, его
of 346
ио
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
можно выполнять в рамках одного КОС (временные
ряды) или на различных КОС
В классическом определении основными видами
являются те, чт о присутствуют во всех исследуемых
пробах (Saunders si а!., 2015) Однако, учитывая вы-
сокую чувствительность подхода секвенирования
ампликонов 16S рРНК, сюда также относится боль-
шое количество видов, содержание которых в пробе
невысокое Такие виды присутствуют во всех про-
бах, но предположительно не оказывают сильного
влияния на ключевой процесс экосистемы Поэтому
часто используется более практичное определение
основного многочисленного сообщества, согласно
которому бактерия определяется как распростра-
ненная, если в 8 из 10 проб она включена в группу
наиболее распространенных видов, составляющих
80 % сообщества (Saunders si al, 2015) Для систем
с высокой степенью засева из неочищенных сточ-
ных вод также может оказаться полезным изучить,
поступают ли основные организмы с входящими
сточными водами, или они активно растут Для ра-
циональн'|й оценки потребуется анализ бактериаль-
ного состава неочищенных сточных вод и активного
ила в сочетании с массовым балансом системы
(Saunders sial, 2015).
Рисунок 8.13. Сочетание численности видов и функциональной информацш является начальной точкой для большинство видов анализа Рисунок
сделан в ход* использования программного пакета anipvis R (Albertsen el а/, 2015), который напрямую связывает названия родов с функциональной
инфор мацией из справочника MiDAS Reid Guide (wwmidasfieldguide org)
8.46.5. Исследовательский анализ
с помощью многомерной статистики
Наборы данных, полученные при секвенировании
ампликона 16S рРНК, могут быть чрезвычайно объ-
емными, и даже для 10 проб (с тысячами видов в каж-
дой) получить обзор данных для выявления интере-
сующих паттернов довольно трудно Поэтому часто
применяются различные разновидности методов ор-
динации, например, метод главных компонент (PCА)
Такие методы позволяют выполнять наглядную груп-
пировку проб в соответствии со схожестью микроб-
ных сообществ и выявлять, какие виды отвечают за
группировку, наблюдаемую в пробе (рис 8 14)
Исследовательские графики, где пробы окраше-
ны в соответствии с различными переменными сре-
ды, являются хорошим начальным инструментом,
который рекомендуется применять до формальной
проверки статистической гипотезы Однако точный
выбор метода ординации и трансформации данных
в высокой степени зависит от поставленной задачи,
количества проб и распределения содержания мик-
роорганизмов Поэтому для понимания применения
различных методов рекомендуется изучить исследо-
вания (Legendre and Gallagher, 2001, Ramette, 2007;
Zuur si al., 2007)
Рисунок 8.14. Исследовательский анализ методом главных компонент
(РСА). Пробы сгруппкровавы пи пяти КОС, находящихся в Дании Гра-
фик составлено программном пакете ampuls R (Albertsen е/а/, 2015)
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
8.4.6 6 Корреляционный анализ
Еще одной возможностью при анализе данных ампли-
конного секвенирования гена 16S рРНК является вы-
явление корреляций между раз личными видами или
между видами и факторами среды. Встречаются ли
определенные виды организмов совместно, существу-
ют ли ключевые виды, необходимые для функциони-
рования экосистемы, связан с ли содержание опреде-
ленных видов с факторами среды, такими как темпера-
тур'а? В связи с количеством возможных корреляций
результаты зачастую отображаются в виде графиков,
отражающих положительные или отрицательные кор-
реляции между видами и переменными параметров
среды ('Fatist et al., 2012; 2015). Однако ь корреляцион-
ном анализе данных ампликонного секвенирования
гена 16S рРНК существует много пшдводных камней
и ситуаций выбора. Например, корреляционный ана-
лиз часто применяется для анализа данных серии вре-
менньк точек, и корреляции могут быть отложенными
во времени. Случайное повышение концентрации ам
мония может привести к росту численности нитрифи-
каторов в течение нескольких недель
8.4 6.7. влияние обработок на отдельные виды
Чтобы выполнить статистическую опенку влияния
специфической обработки на отдельные виды, было
разработано несколько статистических методов, учи-
тывающих характер количественных данных ампли-
конного секвенирования Большинство методов были
скорректированы или напрямую заимствованы из
статистических методов, предназначенных для ана-
лиза данных экспрессии генов (секвенирование мРНК
(mRNAseq)) (Robinson е/а/., 2010, Love et al., 2014)
8.4.7.	Общие наблюдения
8.4.7.1.	Относительный Mei од анализа
Ваяло отметить, что анализ микробного сообщества
с использованием секвенирования ампликонов гена
16S рРНК является относительным методом анали-
за. Это означает, что количество прочтений, пред-
ставляющих отдельные виды, выражается в процен
тах от общего количества. Поэтому связь между
процентным соотношением и абсолютным количе-
ством клеток отсутствует При необходимости та-
кую связь можно установить при помощи количе-
ственной ПЦР (см. разд 8.3).
8.4.7.2.	Отклонения в числе копий
Хотя ген 16S рРНК является универсальным для
бактерий, различные виды могут иметь от одной до
пятнадцати и более копий данного гена в своем ге-
номе (Farrelly et al, 1995; Angly et al, 2014). Следо-
вательно, содержание бактерий с десятью копиями
Л1
гена 1 бS рРНК окажется в десять раз выше, чем со-
держание бакт^зий с одной копией этого гена, при
условии присутствия равного количества клеток.
Кроме того, некоторые бактерии имеют более одной
копии своего генома, что приведет к дальнейшим
погрешностями в оценке их содержания (Mendell et
al., 2008. Pecoraro etal., 2011) Поэтому процентные
соотношения полученные на основе данных ампли-
конного секвенирования гена 16S рРНК, правильнее
называть не «содержание», а «число прочтений»,
т. к. последнее учитывает неизбежные погрешности
8.4.7.3.	Смещение праймера
Как уже отмечалось выше, выбор праймера и уело
вия проведения ПЦР оказывают большое влияние на
исследуемое микробное сообщество. «Универсаль-
ные» праймеры разрабатываются путем сравнения
последовательности консервативных участков генов
16S рРНК тысяч различных бактерий, затем выраба-
тывается консенсусная последовательность, охваты-
вающая большинство бактерий Однако невозможно
создать праймер, одинаково хорошо охватывающий
все бактерии Кроме того, смещения зачастую спе-
цифичны на уровне таксона, это означает, что целые
таксономические группы представлены не полно-
стью или не представлены совсем. Многие нсвые
канди датные виды, которые открывают при помощи
использования методов, не зависящих от праймеров,
таких как метагеномика, демонстрируют значитель-
ные отклонения в консервативных участках связы-
вания с праймером или даже большие вставки в сам
ген 16S рРНК, что стало основной причиной незна-
ния человека об их существовании на протяжении
десятилетий (Brown etal, 2015)
8.4.7.4.	Стандартизация
Было предпринято немало попыток исключить вы-
шеописанные ошибки, нс в случае комплексных
систем, к которым относится активный ил, вероят-
но, добиться этого так и не удастся. К тому же очень
сложно констатировать исключение ошибки ввиду
сложности выполнения надлежащего контроля
На первый взгляд, указанное обстоятельство подры-
вает доверие к данному методу анализа Однако оно
лишь налагает некоторые ограничения на крут во-
просов, ответы на которые нами будут получены,
а также на составление плана экспериментов.
Главный вывод настоящего раздела состоит
в том что если ошибки одинаковы для всех анали-
зируемых проб, то секвенирование ампликона гена
16S рРНК является очень мощным инструментом
для относительных сравнений и наблюдений нали
чия или отсутствия конкретных бактерий Чтобы
обеспечить данное условие, необходимо выполнить
абсолютно одинаковую обработку всех проб, участ-
вующих в эксперименте Желательно применять
идентичные методики при отборе и хранении проб,
of 346
112
выделении ДНК, подготовке библиотеки для секве-
нирования и обработке данных
8.47.5 Влияние метода
Несмотря на некоторые ограничения секвенирование
ампликона гена 16S рРНК на сегодняшний день явля
ется одним из основных ин стр "ментов микр о экс ло-
гин Среди ключевых причин - высокое разрешение
и производительность, другие методы значительно
отстают по этим двум показателям. В 2010 г стан-
дартными методиками были денатурирующий гради-
ентный гель-электр о форез (DGGE) и библиотеки кло-
нов, дополненные методом FISH для идентификации
и количественного определения ш siiz. Большое ис-
следование по меркам того времени включало в себя
100-1000 последовательностей гена 16S рРНК, разби-
тых на 10 проб Сегодня в рамках той же стоимости
можно проанализировать сотни проб с тысячами про-
чтений в каждой всего за неделю Однако это обстоя-
тельство также диктует новые требования касающие-
ся наличия у экологов-микробиологов специальных
навыков д.ля выполнения столь сложных эксперимен-
тов и обработки огромного ко личе ства данных
8.4.8.	Методика: получение библиотеки
для ампликонного секвенирования региона
V1 -3 гена 16S рРНК на платформе Illumina
Данная методика описывает процедур'и составления
библиотек для секвенирования ампликонов гена 16S
рРНК вариабельных регионов 1-3 данного гена
у бактерий с помощью платформы Illumina. Библи.те-
ки подходят для секвенирования в системе Illumina
MiSeq с использованием наборов реагентов на
б 00 циклов. Общее время необходимое на выполнение
данной процедуры, с оставляет приблизите ль но 10 ч.
8.4.8.1.	Оборудование
•	Спектрометр AND-1000 (компания Thermo Sci-
entific) или подобные спектрометры в УФ и ви
димой области для измерения концентрации
ДНК и оценки ее чистоты.
•	Руководство пользователя для спектрофотомет-
ра Nano drop (компания Nano Drop Technologies
Inc., 2007).
•	Флуорометр Qubir 2.0 (компания Life Technologies),
Infinite Ml000 PRO (Tecan) или подобный прибор
для печного измерения концентрации ДНК с ис-
пользованием флуоресцентных красителей
•	Руководство по использованию наборов для ана-
лиза Qubit assay (Thermo Scientific 2015a, 2015b).
•	Стандартный амплификатор для ПЦР с нагрева-
емой крышкой.
•	Магнитный штатив для 9б-луночных планшетов
для счистки ДНК, например, MagneSphere®
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Technology Magnetic Separation Stand (Promega)
или Magnetic Stand-96 (AM 10027, Ambion)
•	Оборудование для автоматизированного гель-
электрофорез a Таре station 2200 (Agilent) для
контроля качества библиотек’ секвенирования.
Также можно использовать стандартное обору-
дование для гель-электроф ореза (Green and Sam-
brook, 2012).
•	Инструкпии по применению установки Tapesta-
tion 2200 (Agilent Technologies, 2012, 2013, 2015)
•	Пипетки (объемом от 1 до 1 000 мкл).
8.4 d2. Материалы
Це н триеру га -вортекс дл я ПЦР-пла ншетов
•	Наконечники для дозаторов, свободные от
ДНКаз (10, 300 и 1000 мкл]
•	Пробирки, свободные от ДНКаз, объемом 1,5 мл
•	Тонкостенные прозрачные пробирки для ПЦР
(свободные от ДНКаз) обьемом500 мкл
•	96-луночные планшеты для ПЦР (#82006-664,
VWR).
•	С тр ип о в аннь ie крышки для П Ц Р -п л анш ет ов.
•	Микропланшеты для ПЦР OptiPlate-96 Black
(компания Perkin Elmer)
•	Н2О, не содержащая нуклеаз (Qiagen)
•	Флуоресцентные ДНК-связывающие красители,
например, наборы для анализа дцДНК Qubit
dsDNA HS assay kit, Quant-iT dsE^NA assay kit
с широким диапазоном или Quant-iT dsDNA as-
say kit с высокой чувствительностью (наборы
производства кс мпании Life Technologies).
•	Набор Platinum Taq DNA Polymerase High Fideli-
ty kit (Life Technologies)
•	Смесь dNTP
•	Смеси адаптеров к участкам VI-3 гена 16S рРНК
для б арке дир о вания (по 5 ммоль каждого прямо
гои обратного адаптера), см. разд 8 4 11.
•	Набор реагентов для очистки ДНК Agencourt
AM Pure ХР (Beckman Coulter).
•	Этанол, 99 %.
•	Система автоматизированного электрофореза
D1000 Sere entape (Agilent) и микр о чипы Genomic
DNA Screentapes Также можно использовать ре-
агенты д.ля стандартного гель-электр о фореза
(Green and Sambrook, 2012).
8.4.83.	Процедура
• Ко игре ль качества образцов ДНК и разводе те (1,1 ч)
В данном разделе выполняется контроль каче-
ства выделенной геномной ДНК с последующим
ее разведением до концентрации, подходящей
для ПЦР Для получения более подробной ин-
формации см разд 8.4 9 «Интерпретация и вы-
явление ошибок»
1 Измерение концентрации ДНК с помощью флу-
оресценции
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
ш
а. Используйте наборы для анализа дцДНК
Qubit dsDNA BR assay Quant-iT dsE'NA broad
range assay с широким диапазоном в соответ-
ствии с рекомендуемой производителем про-
цедурой
b Используйте 2 мкл каждой про бы на р еакцию
с. Выполните по измерению для каждой пробы
2	. Выполните проверку качества в УФ и видимой
области (опционально):
а Используйте спектрофотометр N ano drop 1 ООП
в ссответс твии с рекомендуемой производи-
телем процедурой (Nanodrop Technologies
Inc, 2007)
b При большом количестве проб рассмотрите
возможность анализа нескольких случайно
выбранных проб (например, 8 из 96).
с.	Запустите прибор и обнулите его, используя
буфер, который применялся для разведения
проб
d.	На одно измерение используйте 2 мкл.
е.	Вып олните одн о из мер ени е для кажд ой пр о бы
3	Гель-электрофорез (опционально):
а Используйте установку Tapestation 2200 в со-
ответствии с рекомендуемой производителем
пр оцедурой
b Используйте микрочип для геномной ДНК
Genomic DNA Screentapes с референсным
мар кер о м длины ДНК.
с Выполните одно измерение на пробу
d При большом количестве проб рассмотрите
возможность измерения нескольких, случай-
но отобранных проб (например, 7 из 96 +
+ 1 маркер длины ДНК)
4	Разведение образца:
а.	На основе измерений концентрации ДНК
с помощью флуоресценции вычислите коли-
чество воды, свободной от нуклеаз, необхо-
димое для каждей пробы, чтобы развести ее
до концентрации 5 нг/мкл. Примените сле-
дующую формулу
V С
пробы пробы .
~	пробы —
-гонеч
б МКЛ пробы	/о
= VHjO -------д.- — - 5МКЛ = VH;O • (S 2)
мкл
b.	Поместите 5 мкл пробы в пустую лунку 96-
луночного планшета для ПЦР
с.	Разведите пробу, используя вычисленное ко-
личество воды, свободной огнуклеаз
Важно! При концентрации пробы 5 нг/мкл
и ниже, используйте пробу в неразбавленном
виде или не используйте образец Если для
разведения требуется > 150 мкл воды без
нуклеаз, возможно, потребуется предвари-
тельное разведение
d Повторите процедуру для всех проб
е 3 акр о йте п л ан ш ет ко пп ачками
Важно! Разг-еденные пробы могут храниться
при температуре -20 °C по меньшей мере
в течение месяца.
• Библиотека ПЦР |! ч)
Данный раздел касается подготовки к созданию
библиотек для секвенирс ьания с пс мощью ампли-
фикации методом ПЦР. На входе матрицей явля-
ется геномная ДНК (5 нт/мкп), а на выходе полу-
чаем ампликоны участков Vl-З гена 16S рРНК
размером приблизительно 614 пар оснований
1 Подготовка.
а ПЦР-реакции для библиотеки выполняются
в двух повтора:: для каждой пробы.
b Не забудьте добавить :трицательный кон-
троль (HjO без нуклеаз) и положительный
контроль (ДНК микробного сообщества, ко-
торая амплифицируется в ходе реакции ПЦР
на 16S рРНК).
с. Запишите, к каким пробам прикрепляются адап-
теры участка VI 3 с уникальными баркодами
2. Миксы для реакции ПЦР
а Подготовьте мастер-микс (пробы + контроли) х
х 2 + 3. Приготовьте мастер-микс с запасом для
компенсации потерь при пипетировании
b Для приготовления мастер-микса добавьте
реаген ты в указанной последовательности
с. Поместите 13 мкл мастер-микса в лунки 96-
луночного планшета для ПЦР
d Добавьте 10 мкл адаптера соответствующего
участкам VI-3 гена 16S рРНК с баркодами
(1 ммоль), в каждую лунку и перемешайте
пипе тир о в ани ем до 10 раз Конечная концен-
трация адаптера составляет 400 нмоль
Важно! Ввхсокий риск смешения проб и адап-
теров
е. Добавьте 2 мкл матричной ДНК (всего 10 нг
ДНК) и перемешайте пипетированием Ко-
нечный о бьем составляет 25 мкл
Важно! Высокий риск перемешивания проб.
f Закройте 96-луночный планшет колпачками
Центрифугируйте планшет, чтобы осадить
микс для ПЦР на дни лунок планшета
Реагенты	Конечная концентоа- ция ь реакции 25 мкл	Обьем (мкл) на 1 гхп
Вода без н\клеззы	-	7,65
*10 бустер Flainum High	х1	2,5
Fldeltv	-	-
dNTP (5 ммоль)	400 ммоль	2
Mg 304(50 ммоль)	1,5 ммоль	0,75
ДНК-полимер a a Platinum	0,02 ед /мкл	0,1
Hiifi Fidelity(5 едЛисл)	-	•
Общий объем	-	13
3 Запустите реакцию ПЦР
а Задайте на амплификаторе следующую про-
грамму
of 346
114
Шаг	Температура	Время
Денатурация	95 "С	2 мин
	30 ЦИКЛОВ	-
Денатурация	95 °C	20с
стаиг	56 °C	30с
Амплификация	72 °C	60с
Амплификация	72 °C	5 мин
хранение	4 °C	Бессрочно
b После завершения реакции ПЦР выполните
центрифугирование реакционной смеси ПЦР
снова
с. Снимите колпачки и объедините повторные
реакции ПЦР для каждой отдельной пробы.
Конечный объемсосгавляет 50 мкл
d После завершения реакции ПЦР пробы име-
ют название «библиотеки для секвенирова-
ния» или «короткие библиотеки».
Важно! Библиотеки можно хранить при темпера-
туре-20 °C по крайней мере в течение месяца
• Очистк библиотем (2 ч)
Данный раздел посвящен очистке реакций ПЦР.
Основной целью такой процедуры .является уда-
ление остатков реагентов и возможных коротких
цепочек (< 20 пар оснований') неспецифических
продуктов ПЦР. Результатом являются чистые
библиотеки для секвенирования, состоящие ис-
ключительно из ампликонов гена 16S рРНК
(около 614 пар оснований).
1.	Псдготовка.
а.	Осторожно встряхните флакон Agencourt
AMPure ХР, чтобы ресуспендироватъ шари-
ки, удалите необходимый объем 40 мкл ша-
риков х [п(проб) + 3] и оставьте для прогре-
вания до комнатной температуры.
Ь.	Приготовьте свежий раствор 80 % этанола,
поместив 20 мл этанола (99 %) в пробирки
типа Greiner (или Falcon) объемом 50 мл
и добавьте 5 мл воды, свободной от нуклеаз
Переверните пробирку несколько раз для пе-
ремешивания
2.	С вяжи те би бл и о теки с ш ари ками
а.	Перенесите по 40 мкл раствора с шариками
в каждую лунку в новый 96-луночный план-
шет для ПЦРв соответствии счисломпроб.
Ь.	Добавьте 50 мкл библиотеки в каждую лунку
стариками и 10 раз перемешайте пипетиро-
ванием
Важно! Необходимо обеспечить соотношение
шариков и пробы 4 5 Если по какой-то при-
чине объем пробы меньше или больше
50 мкл, возьмите соответствующий ..|бъем
шариков
с Инкубируйте при комнатной температуре
в течение 5 мин
3.	Отмойте связанные библиотеки:
а.	Поместите 9б-луночный планшет- на магнит-
ный штатив и дождитесь, пока жидкость ста-
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
нет прозрачной (2-4 мин). При выполнении
всех последующих шагов планшет должен
находиться на магни гно м штатив е
Ь.	Соберите и удалите как можно больше жид-
кости при помощи пипетки
Важно! Будьте осторожны и не захватите ша-
рики (коричневые гранулы)
с.	Промойте шарики 200 мкл этанола (80 %),
осторожно внесите этанол сверху на шарики
пипеткой Оставьте на 30 с и затем удалите
жидкость
d Повторите последний шаг (3 с)
е.	Убедитесь в том, чтс после промывки не оста-
лось излишней жидкости Если она все же при-
сутствует, удалите ее пипеткой объемом 10 мкл
f Высушите планшеты в течение 7 мин
Важно1 Избегайте пересыхания в результате
нагревания или длительного высушивания,
т. к это затрудняет элюирование ДНК
4	Выполни те элю ир об ани е би бли отеки
а Снимите 9б-лунсчный ПЦР-планшет с вы-
сушенным! шариками с магнитного ш гатив а
b Добавьте 33 мкл воды, свободной ст нуклеаз,
и перемешайте пипеткой 10 раз, чтобы ре-
су спендир овать шарики
с. Выполните инкубацию при комнатной тем-
пературе в течение 2 мин
d Поместите 9б-луночный планшет обратно на
магнитный штатив и дождитесь, пока жид-
кость станет прозрачной (1-2 мин;
е. Поместите 30 мьл в пустую лунку нового 96-
луночного планшета для ПЦР
Важно! Будьте осторожны и не захватите шарики
Важно! Очищенные библиотеки можно хранить
при температуре -20 °C по крайней мере пол-
года (разд. «Хранение и транспортировка};
ниже).
• Контроль качества библ йоте к» (1,i ч)
Ниже приведено описание измерения концен-
трации ДНК в очищенных библиотеках и после-
дующего контроля качества с помощью г ель-
электрофор еза. Необходимо подтвердить, что
в библиотеках присутствует только ампликон-
мишень гена 16 S рРНК.
1 Измерение концентрации ДНК с помощью флу-
оресценции
а Используйте наборы для анализа дцДНК
Qubit dsDNA High sensitivity assay или Quant-
iT dsDNA High sensitivity assay с высокой
чувствительностью в соответствии с реко-
мендуемой производителем пр эцедурой.
Ь. На одну реакцию используйте 2 мкл каждой
пробы
с. Выло лни те одно измер ени е д ля кажд ой пр о бы
2 Гель-электрофорез
а Используйте Tapestation 2200 в соответствии
с р ек о менду е мо й пр о изв о дителе м пр оц е д ур ой
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
I1i
b Используйте систему автоматизированного
электрофореза D1 ООО Screentape с референс-
ным маркером длины ДНК.
с. Вып и лните и дн о из мер ени е для кажд ой пр о бы.
d При большим количестве проб рассмотрите
возможность анализа нескольких случайно
выбранных проб (например. 15 из 96).
Всегда включайте в анализ положительные
и отрицательные контр о ли
• Объе ди не ние биб л иотек (2 ч)
Дано описание процедуры объединения всех
библиотек Целью объединения является полу-
чение конечной единой пробы, содержащей эк-
вимолярные к он центр, ап ии (с одинаковым коли-
чеством молекул) каждой библиотеки Объемы
рассчитываются на основе концентраций ДНК
библиотек по луч енных р ан е е.
1	Вь пиелите необходимый о бьем кая: дого образца:
а. Библиотеки, имеющие концентрацию ниже
1 нг/л, следует исключить (удалить или про-
вести повторную ПЦР).
b Определите пробу с наименьшей концентра-
цией и умножьте эту концентрацию на 15 мкл
(например, 1 нг/мкл х 15 мкл = 15 нг) Такое
количество требуется от каждой библиотеки
с Вычислите необходимый объем, чтобы по-
лучить одинаковое количество каждой биб-
лиотеки
d Если от некоторых библиотек требуется ме-
нее 1 мкл, рассмотрите возможность разведе-
ния библиотек и повторного вычисления не-
обходимого объема.
2	О бь един ите би бли о т еки
а.	Возьми те новую пробирку (1,5 мл)
Ь.	Перенесите в нее необходимый (в соответ-
ствии с вычислениями) объем каждой пробы
с После добавления всех проб хорошо пере-
мешайте
3	. Измерение концентрации ДНК с помощью флу-
оресценции
а Используйте наборы для анализа дцДНК
Qubit dsDNA High sensitivity assay в соответ-
ствии с рекомендуемой производителем про-
цедурой
Ь. На одну реакцию используйте 2 мкл библио-
течного пула
с Выполните измерения в грех повторах
d Вычислите среднюю концентрацию На ос-
нове этой концентрации найдите нано моляр-
ную концентрацию по следующей формуле
г
ЮТС'ЛЬ
Скт/мкл юооооо-1"101-
г 7 моль
65С	- 614 пар основании
пар оснований
е. При концентр ации ниже 4 нмоль, сконцентри-
руйте пробу с помощью шизиков (раздел дан-
ной главы по очистке библиотек) Убедитесь,
что соотношение шариков и пробы составляет
4'5 (например, при 100 М1Л общего объема
объединенных проб необходимо 80 мкл рас-
твора для шариков) Обязательно вычислите
количество воды, свободной от нуклеаз, необ-
ходимое для элюирования, чтобы получить
концентрацию 4 нмоль и выше Также следует
предусмотреть потерю до 50 % продукта. Так
если необходим 2х концентрат, то изначаль-
ный пул библиотек обьемом 100 мкл следует
элюировать в 25 мкл воды, свободной от нук-
леаз Повторите измерение концентрации
ДНК в концентр ир о в энном пуле
• Хрзне те и тра нс портмровга
Ниже приведено описание хранения библиотек
и их пула
1	Если пул библиотек планируется отправить на
хранение, его не следует разбавлять ДНК хранит-
ся лучше в концентрированном виде (> 5 нг^мкл).
2.	Для краткосрочного хранения или транспорти-
ровки (< 14 сут) очищенные библиотеки ДНК
мо жно хр анить при комнатной температур е
3.	Для среднесрочного хранения (до года) библио-
теки следует хранить при -20 °C
4.	И при долгосрочном хр анении (более года) биб-
лиотеки следует хранить при -80 °C
8.4.9. Интерпретация и выявление ошибок
8.4 91 Контроль качества ДНК пробы и разведение
Существует три момента, которые нужно учитывать
для ДНК матрицы: (i) количество, (й) качество
и (ш) потенциальные загрязнения Данные характе-
ристики можно изучить с помощью флуоресцентно
го анализа ДНК, спектр - фотометрии в УФ и види-
мой области и гель-злектрофореза
Рекомендованное количество ДНК микробного
сообщества на 1 ПЦР составляет 1-100 нт общей
ДНК, обычно используется 10 нг (приблизительно
2x10’клеток) При использовании большего коли-
чества ДНК возрастает риск амплификации случай-
ных фрагментов ДНК, что гложет ингибировать ре-
акцию ПЦР. Случайные ампликоны представляют
проблему, т к в результате снижается выход секве-
нирования и его качество Низкая концентрация
ДНК повышает риск того, что ПЦР не пройдет
и приводит к усилению отклонений для малочи с-
ленных членов сообщества (Kennedy et al., 2014).
Для измерения концентрации ДНК можно использо-
вать спектре фотометрию в УФ1 и видимой области,
но оценочное значение может быть неопределенным
из-за загрязнений реагентов, а также присутствия
нуклеотидов и РНК Методы, основанные на флуо-
ресценции, всегда являются более предпочтитель-
ными, а спектрофотометрию в УФ и видимой обла-
сти следует использовать в качестве вспомогатель-
ного метода (Li et al, 2014).
of 346
HI
Качество ДНК яе ляется важным критериев т к
оно влияет на эффективное количество ДНК, доступ-
ное для реакции ПЦР Если ДНК в значительней сте-
пени деградирована (большая часть ДНК < 5000 пар
оснований), риск разрушения маркерных генов воз-
растает, ввиду чего они становятся непригодными
для ПЦР (Beers et al., 2006, Wilson et al., 1997).
К загрязнениям, не связанным с ДНК, относятся
химикаты или органические молекулы, попавшие из
исходной пробы (например, гуминовые кислоты
и сложные сахара) или в ходе выделения ДНК
(натрий додецилсульфат (SDS), спирты, хаотр.шные
соли), они мсгут ингибировать реакцию ПЦР и ока-
зывать негативное влияние на эффективность
(Wilson et al, 1997). Спектры чистой ДНК в УФ
и видимой области имеют очень четкую кривую
Аномалии на данной кривой говорят о наличии за-
грязнений, зачастую их выявляют с помощью отно-
шения поглощения при 260 нм и 280 нм (А2 60/2 80)
и отношения при 260 и 230 нм (А260/230). Значение
отношения А2б0/280 чистой ДНК обычно равно
около 1,8, при возникновении значительного отли-
чия (±0,4) можно судить о загрязнении белками или
присутствии остаточных реагентов, таких как спир-
ты, используемые при выделении ДНК. Отношение
А260/230 для чистой ДНК обычно находится в диа-
пазоне 2,0-2,2, значительные отклонения могут
означать присутствие остаточных углеводов или
реагентов для выделения ДНК Метод спектр, с фото-
метрии в УФ и видимой области характеризуется
высокой чувствительностью, поэтому тип буфера
и pH могут влиять на четкость полученных резуль-
татов (Thermo Scientific, 2015).
При изучении бактерий загрязнять ДНК могут
также ДНК других ферм жизни, не являющихся
целью выполняемого анализа, например ДНК эука-
риотических грибов или растений. Присутствие за-
грязнений ДНК снижает эффективное количество
ДНК-мишени в пробе и, соответственно, эффектив-
ность реакции ПЦР (Tebbe et al, 1993) Данный по-
казатель невозможно измерить заранее, но можно
выполнить визуальную’ проверку биомассы до нача-
ла выделения ДНК (например, на наличие видимого
растительного материала).
В случае наличия взвеси из загрязнений реко-
мендуется выполнить тестовую’ ПЦР на нескольких
пробах, чтобы выявить, влияет ли она на результат
Зачастую ПЦР выполняется несмотря на наличие
загрязнений, однако в случае, если реакция не про-
ходит, иногда решением является выполнение ряда
действий по дополнительной очистке. Помните,
рекомендуется использовать такой метод очистки,
который применим для высокомолекулярных ге-
номных ДНК (> 1П 000 пар оснований), например,
набор Agencourt AM Pure ХР с шариками Большин-
ство существующих наборов для очистки на основе
колонок предусмотрены для ДНК < 10 000 пар ос-
нований и поэтому будут удалять геномную ДНК
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
8.4.92. ПЦР библиотеки
При выполнении ПЦР состав мастер-миксов и пара-
метры инкубации будут оказывать влияние на
наблюдаемый состав сообщества в конечных дан-
ных При выполнении исследований принято опти-
мизировать условия ПЦР для увеличения количе-
ства целевых ампликонов-мишеней и снижения ко-
личества нежелательных и случайных продуктов
ПЦР Однако при секвенировании ампликона гена
16S рРНК параметры ПЦР должны быть одинако-
выми для всех проб, участвующих в реакции Для
того чтобы обеспечить согласованность результатов,
рекомендуется применять стандартные условия
проверенных методик Ниже представлен краткий
обзор основных изменений, выполняемых в ходе
оптимизации ПЦР
Концентрация Mg2+ и температура отжига бу-
дут влиять на степень специфичности праймеров
в отношении своих мишеней. В случае очень высо-
ких значений будут наблюдаться ложно отрица-
тельные результаты в стнсшении некоторых видов
Если температура их отжига слишком низкая, зна-
чительно возрастает риск амплификации нецеле-
вых фрагментов ДНК Число циклов ПЦР опреде-
ляет количество получаемого продукта и в боль-
шинстве случаев, когда не проходит ПЦР, это
можно компенсировать увеличением числа выпол-
ненных циклов Однако есть сведения, что с увели-
чением количества циклов ПЦР возникают ошибки
ПЦР-селекцпи (Polz et al, 1998, Kennedy et al,
2014) Кроме того, при выполнении большого чис-
ла циклов происходит истощение праймеров и дру-
гих реагентов, что повышает риск появления химе-
рических продуктов (Qin et al., 2001)
8.4.93. Очистка библиотеки
Процедур.а счистки библиотеки позволяет удалить
остатки реагентов (праймеров, нуклеотидов, поли-
мераз ит д ), а также мелкие (< 200 пар оснований)
или случайные фрагменты ДНК Все эти загрязне-
ния могут влиять на процесс секвенирования ДНК,
при этом либо снижая качестьо данных, либо при-
водя к тому, что реакция не проходит
Техника очистки, применяемая в рассматривае-
мой методике, основана на осаждении ДНК на ма-
ленькие магнитные пластиковые шарики, называе-
мые твердофазными микроносителями с обратимой
иммобилизацией (SPRI) Данный принцип не имеет
широкого описания в научной литературе (DeAngelis
et al., 1995), иднако различные источники содержат
представление некоторых гипотез Благодаря своему
химическому составу ДНК имеет общий отрица-
тельных заряд и легко растворяется в воде, где про-
исходит ее электростатическое взаимодействие
с полярными молекулами воды. Для осаждения ДНК
из раствора используется соль NaCl Происходит
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
формирование ионов натрия Ыат которые нейтрали-
зуют отрицательные заряды ДНК и снижают ее рас-
творимость, повышая таким образом степень оса-
ждения. Концентрирующий агент для осаждения
ДНК, по ли этилен глико ль, повышает эффективную
концентрацию Na+ и значительно увеличивает
нейтрализующий эффект При осаждении ДНК
предпочтительно осаждается на поверхности шари-
ков SPRI Такое предпочтение является неочевид-
ным, т. к. поверхность шариков заряжена отрица-
тельно и, следовательно, должна отталкивать отри-
цательно или нейтрально заряженную ДНК
Существует большое количество дискуссий на дан
ную тевд при отсутствии четкого объяснения дан-
ного феномена, однако некоторые ученые предпола-
гают, чти при взаимодействии ДНК и шариков SPRI
между ними присутствует слой воды или положи-
тельные ионы натрия, которые нейтрализуют шари-
ки Поэтому при смешивании растворенной ДНК
с шариками в растворе, содержащем концентриру-
ющие агенты, происходит осаждение ДНК на шари-
ки Концентрирующий раствор можно удалить,
а шарики с ДНК промыть 80%-м этанолом. Состав
промывочного раствора оптимизируется таким об-
разом, чтобы растворить небольшие загрязнения
такие как соль, нуклеотиды и т. д , но предохранить
ДНК от повторного растворения. После промывки
ДНК снова растворяют в воде без нуклеаз или буфе-
ре, и она готова к использованию.
При добавлении концентрирующего агента или
соли маленькие молекулы ДНК с большей вероят-
ностью останутся в растворе, чем более крупные
Это означает, что маленькие фрагменты ДНК можно
удалить при помощи добавления нужного количе-
ства концентрирующего раствора. Данная методика
предусматривает использование 40 мкл раствора
Agencourt AMPure ХР (шарики + концентрирующий
раствор) на 50 мкл пробы Такое соотношение ша-
риков к пробе (4 5) способствует прикреплению
ДНК > 200 пар оснований к микроносителям, при
этом более мелкие фрагменты остаются в растворе
и затем удаляются. Диспергирование пробы или
раствора шариков необходимо выполнять с осто-
рожностью. При соотношении шарики/проба < 0,5,
ампликон гена 16S рРНК также удаляется Если со-
отношение > 1,0, то надлежащей очистки от загряз-
нений не произойдет
Будьте внимательны и не пересушите шарики
при испарении излишнего этанола. Не нагревайте их
и не сушите слишком долго Если гранулы из шар и
ков будут пересушены (с псявлением многочислен-
ных трещин), выполнение повторного растворения
ДНК будет затруднено, и продукт будет утерян.
Также могут применяться иные методы очист-
ки, например, на основе колонок, такие как набор
для очистки QIAquick PCR Purification Kit (Qiagen)
Общие принципы очистки в данном методе стан-
дартные
S.4.9.4. Контроль качества библиотеки
Измерение концентрации ДНК необходимо для объ-
единения библиотек. Для измерений не требуется
высокая степень точности (допускается ±20 %), по-
этому выполняется только одно измерение.
Для того чтобы убедиться что все загрязнения
ДНК удалены (праймеры и случайно амплифициро-
вэнные ДНК) и присутствуют только ампликоны-
мишени гена 16S рРНК выполняетсягель-электрофо-
рез. Обычно в данной процедуре ввиду ее высокой
стоимости и занимаемому времени используют не-
сколько случайно отобранных проб, на основании
анализа которых делают вывод об успешности очист-
ки. При отборе проб для анализа всегда следует вклю-
чать положительные и отрицательные пробы Также
включайте пробы с низкой концентрацией ДНК (на
основании результатов измерения концентраций) для
выявления присутствия ампликона региона VI-3 гена
1 бS рРНК Если такие продукты отсутствуют, выпол-
ните повторную ПЦР с этими образцами
Средний размер ампликона региона VI-3 гена
16S рРНК составляет 614 пар оснований, однако
у различных видов встречаются вариации размера
в пределах ±100 пар оснований. При использовании
прибора для электрофореза Tapestaticn для микроб-
ных сообществ, включающих множество р as личных
видов, ампликоны обычно выявляются в виде раз-
мытого пика с максимальным значением 614 пар
оснований. Если анализируемое сообщество вклю-
чает лишь несколько членов, на электроферограмме
будут наблюдаться множественные пики от 500 до
700 пар оснований Не должно оставаться фрагтаен-
тсв ДНК менее 300 пар оснований При их наличии
пересмотрите процедуру очистки или выполните ее
повторно Если загрязнения составляют более 1 %
всего количества ДНК в пробе то результаты секве-
нирования будут валидными и повторную процеду-
ру очистки можно опустить Е редких случаях уро-
вень неизвестного контаминирующего фрагмента
составляет более 700 пар оснований При наличии
такого загрязнения постарайтесь выполнить ПЦР
снова При получении подобного результата все же
peKOMeHflvercn выполнить секвенирование библио-
теки С помощью био информатики можно будет
впоследствии отфильтровать загрязнения
При использовании положительной пробы дол
жен получиться чистый продукт с приблизительным
размером 614 пар оснований. В отрицательных про-
бах наблюдается полное отсутствие продукта или
его слабые следы в концентрации < 1 %о от общего
количества ДНК в других пробах. Зачастую полно-
стью исключить загрязнения сложно, при относи-
тельно низком их уровне присутствие загрязнений
допускается Если отрицательный контроль содер-
жит высокий уровень загрязнений, вероятно, все
пробы имеют загрязнения. Пересмотрите свою
установку для ПЦР и выполните реакции ПЦР по-
of 346
HI
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
вторно с теми же пробами, возможно, использовав
новые партии реагентов
8.4.9.5. Объединение библиотек
Выполнение эквимолярного объединения библиоте-
ки обеспечивает присутствие равного количества
данных для каждой пробы в ходе секвенирования.
Ошибки при объединении будут иметь прямое вли-
яние на количество полученных данных При воз-
никновении ошибок в объединении по возможности
начните процедуру сначала
3.4.9.6. Контроль качества объединения и разведение
Измерение концентрации объединенной библиотеки
очень важно, т. к на основе этих данных определя-
ется количество библиотеки, которое необходимо
поместить в секвенатор. Если измеренная кониен-
трация выше фактической, объем данных, получен-
ных в ходе секвенирования, будет меньше При за-
нижении измеренной концентрации относительно
фактической существует риск перегрузки секвена-
тора, что может привести к плохому качеству дан-
ных и даже п зломке прибор а
Поэтому измерение объединенной библиотеки
необходимо выполнить трижды и полученные зна-
чения привести к среднему Убедитесь, что перед
использованием флуориметра выполнена его калиб-
ровка с помощью референсных проб, в которых нет
загрязнений или продуктов деградации
8.4.9.7.	Хранение
ДНК рекомендуют хранить в особо чистой воде или
в буфере ТЕ (pH 7-3) В литературе встречаются
данные о деградации ДНК при длительном хране-
нии в особо чистой воде, причиной которой, воз-
можно, служит неустойчивый баланс pH, учитывая
отсутствие буфера Чистая растворенная ДНК
очень стабильна даже при комнатной температу-
ре, при которой ее можно безопасно хранить или
перевозить в течение короткого времени Для
среднесрочного и долгосрочного хранения реко-
мендуется заморозить ДНК до температуры -20
или -S0 °C. Избегайте повторных циклов заморозки
и разморозки ДНК, т к это приводит к ее деграда-
ции Если пробы необходимо использовать несколь-
ко раз; приготовьте аликвоты.
8.4.10. Методика: секвенирование
ампликонов региона V1-3 гена 16S рРНК
на платформе Illumina
Данная методика включает важные дополнения при
подготовке к секвенированию библиотек амплико-
нов региона VI-3 гена 1 бS рРНК в системе Illumina
MiSeq Для более подробней информации о пошаго-
вой стандартной процедуре обратитесь к руковод-
ству по использованию системы MiSeq (Illumina Inc.
2014b) Время, необходимое на выполнение метод и
ки, составляет около 3,5 ч, а само секвенирование
занимает 56 ч.
8.4.10.1.	Оборудование
Для выполнения методики потребуется следующее
оборудование
•	Си сте ма М i S eq (Illumin а).
•	Микропипетки (объемом от 1 до 1000 мкл).
•	Руководство по использованию системы MiSeq
(Illumina Inc. 2014b)
•	Программное обеспечение Illumina Experimental
Manager vl 9 (illumma.com).
8.4.10.2.	Реагенты
Для выполнения процедуры потребуются следую-
щие реагенты:
•	Лед
•	Набор MiSeq Reagent kit v3 для б00 циклов (Illumi-
na). Включает кар грид ж с реагентами и буфер НТ1.
•	2 М NaOH, химически чистый.
•	Праймеры для секвенирования (Readl, Read2)
и (Index), см разд S 4.11.
•	Наконечники для микропипеток, свободные от
ДНКаз (10, 300 и 1000 мкл)
•	Пробирки, свободные от ДНКаз, объемом 1,5 мл.
•	Вода, свободная от нуклеаз (компания Qiagen).
•	Контрольный образец PhiX control library v3,
10 нмоль (компания Illumina)
•	Этанол, 70 % (химически чистый).
•	Безв орсовыел або раторныес алф етки
•	Салфетки для очистки линз микроскоп а
8.410.3.	Процедура
• Подготовка MiSeq fl ч)
Ниже приведено описание разморозки реагентов,
подготовки прибора MiSeq и протокола анализа
проб
1	. Выполните промывку прибора:
а В соответствии с указаниями руководства
пользователя
2	. Вьшслните перезагрузку прибора MiSeq, чтобы
обновить память
а В разделе «Управление прибором» в управля-
ющем ПО прибора MiSeq нажмите «Переза-
грузка», подождите (может занять до 10 мин).
b Программное обеспечение выполнит запуск
прибора после перезагрузки. После выпол-
нения данного этапа появится «Интерфейс
управления»
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
Л!
3	Разморозьте реагенты
а Поместите картридж с реагентами и буфер
НТ1 б водяную баню при комнатной темпе-
ратуре на 1 ч После разморозки держите реа-
гент и буфер при температуре 4 °C ди мо-
мента использования
Важно! Рав мороженный картридж с реагента-
ми для MiSeq можно хранить при температу-
ре 4 °C в течение недели
Ь. Проверка картриджа с реагентами' переверни-
те картридж десять раз, осмотрите на наличие
осадка, а затем слегка стукните картридж об
стол, чтобы выпустить пузырьки
с Разморозьте праймеры для секвенирования
(Reach, Read2 и Index) и 2 М NaOH при ком-
натной температуре После разморозки поме-
стите праймеры на лед а 2 М NaOH оставьте
до использования при комнатной температуре.
4	Подготовьте протокол анализа:
а. Откройте шаблон Sample Sheet csv в программе
Notepad++ или любом другом простом тексто-
вом редакторе
Важно! Шаблон SampleSheet csv представляет
собой текстовый файл с разделением запя-
тыми (.csv), но его не следует открывать
в программе Microsoft Excel, поскольку про
грамма может нарушить форматирование
b Измените информацию о проекте и пробах
[Заголсв'?к] ФИО выполняющего исследова-
ние, название проекта, название эксперимен-
та, дата, [Данные] пр о ба_ ID, название пробы,
указатель и указатель 2
Важно! Столбцы [Заголовок] химия, [Прочте-
ния] и [Данные] указатель и указатель 2 яв-
ляются ключевыми. Данная информация
имеет серьезное влияние на выполнение про
цедуры Остальную информацию можно из-
менить позже при необходимости
с После заполнения протокола проверьте це-
лостность файла SampleSheet. csv, загрузив его
в программу Experimental Manager (Illumina).
Если файл загружается, то он совместим
с системой MiSeq
d Перенесите файл SampleSheet csv в MiSeq
при помощи флеш-накопителя.
• Подготовь библиотек для секвенирсва ния (1 ч)
Ниже приведено описание процесса денатурации
и разведения библиотек для секвенирования
I Перечень проб
а Контрольная библиотека контрольный обра-
зец. PhiX control library v3, 10 нмоль.
b. Объединенная библиотека (до 400 проб),
> 4 нмоль
с Выполните следующие шаги и для контроль-
ной библиотеки PhiX, и для объединенной
библиотеки.
2 Разморозьте библиотеки и поместите их на лед.
3 Разведите библиотеки для секвенирования до
4 нмоль водой, свободной от нуклеаз
4 Подготовьте раствор 0,1 М NaOH 475 мкл ДНК
Н2О и 25 мкл 2 М NaOH
5	. Выполните денатурацию библиотек для секве-
нирования
а Смешайте 5 мкл библиотеки и 5 мкл 0,1 М
NaOH Конечная концентрация библиотеки
составляет 2 нмоль
b Смешайте раствор пипетированием 10 раз
с. Инкубируйте при комнасной температуре
в течение 5 мин
6	Разбавьте денатурированные библиотеки (2 нмоль)
дс 20 пмоль
а Смешайте 10 мкл денатурированной библиоте-
ки' с 990 мкл предварительно охлажденного бу-
фера НТ1 Концентрация составляет 20 пмоль
7	Смешайте библиотеку PhiX (20 пмоль) с объеди-
ненной библиотекой (20 пмоль) таким образом,
чтобы они составляли, соответственно, 20 и 80 %
конечной смеси.
а Смешайте 120 мкл библиотеки PhiX и 480 мкл
объединенной библиотеки
Ь. По мес гите п случившуюся смесь на лед до ее
использования
Важно! Разведенные библиотеки можно хра-
нить при температуре -20 °C в течение меся-
ца При более длительном хранении может
снижаться концентр ация и, как следсгви е, р е-
зультат секвенирования
• Загрузи гроб и грайркров в картридже рвагт нта г»1
1	Добавление стандартных праймеров для секве-
нирования в картриджи с реагентами
а Лунки, содержащие праймеры
Re ad 1 = лунка 12
Index = лунка 13
Read2 = лунка 14
Важно! Процедура нумерации лунок на карт-
ридже с реагентами может вызывать затруд-
нения Поэтому не торопитесь и убедитесь
в том, что используете нужные лунки.
b Для каждого праймера проколите фольгу, ко-
торой накрыта со ответе твующая лунка, кон-
чиком пипетки объемом 1000 мкл и перенеси-
те 100 мкл содержимого лунки б пробирку.
Добавьте 3,4 мкл соответствующего праймера
и хорошо перемешайте Перенесите раствор
обратно в лунку и смешайте. Повторите
процедуру для всех праймер ов
2	Добавление пробы в картридж с реагентами
а Проколите лунку № 17 кончиком пипетки
и добавьте 600 мкл смеси библиотеки PhiX
и объединенной библиотеки
• Секвенирование (0,i + i I ч)
Ниже описан запуск процедуры секвенирования.
1 В программном обеспечении MiSeq Control
нажмите «Секвенировать» и следуйте пнетрук-
г паи c z.uot’*
of 346
120
циям в Руководстве по использованию системы
MiSeq для подгп то вки/загрузки проточной кюве-
ты. загрузки реагентов в картридж, заполнения
протоколаи запуска цикла секвенирования
2 Ход процедуры можно отслеживать, открыв
папку цикла в программе Sequence Analysis
Viewer и пр ос мотреь цикл.
3.4.104. Интерпретация и выявление ошибок
• Подготовка сметены USeq и нетадангогх
Перед началом секвенирования важно убедиться
в том, что система MiSeq была промыта Пере-
крестное загрязнение между циклами может
представлять проблему Исследования показали,
что от цикла к циклу происходит р всплескивание
проб. Обычно расплескивание не влияет на анализ
ампликонов 16S рРНК активного ила поэтому
выполнение процедуры промывки между цикла
тли «По с лецит новая промывка», установленной по
умолчанию, будет достаточно Однако при работе
с чувствительными пробами рекомендуется вы-
полнить одну или две профилактических промыв-
ки между цшлами и/или специальную промывку
линии отбора пробы Такие промывки более тща-
тельны, при этом происходит разведение остатков
загрязнений Также можно выполнить промывку
согласно инструкции из Руководства по исполь-
зованию системы MiSeq.
Перезагрузка прибора MiSeq помогает переза-
пустить компьютер и снижает риск аварийного
прекращения его работы во время секвенирования.
Разморозку реагентов для MiSeq следует вы-
полнять с осторожностью Качество реагентов
влияет на качество секвенирования особенно
при прочтении 3’ концов Как показывает опыт,
для секвенирования можно использовать реаген-
ты, выдержанные при комнатной температуре
в течение 24 ч, однако при этом успех процеду-
ры не гарантирован
Файл S агар 1 eSheet, csv сообщает прибору
MiSeq, как должен выполняться цикл секвениро-
вания и как демультиплексировать пробы и неко-
торые связанные с ними базовые метаданные.
Протокол анализа метаданных невозможно со-
здать в программе Illumina Experiment Manager,
используя неоригинальные адаптеры и баркоды,
т е заказанные не в компании Illumina Файл
Sample Sheet, csv должен быть создан в простом
текстовом редакторе типа Notepad++ (рис. 8.15).
Шаблон можно найти в сети Интернет или со-
здать собственный с помощью Illumina Experiment
Manager. Более подробную информацию о файле
Sample Sheet csv можно найти в Руководстве
Illumina Inc. (2013).
Ниже поясняется важная информация в фай-
ле SampleSheetcsv
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Хмшя, эмплмон
Настройка ампликона позволяет использо-
вать два индекса (index 1 и index 2)
(Прочте ше)
301
301
Дает команду прибору MiSeq выполнить се-
квенирование парных прочтений, где длина каж-
дого прочтения составляет 300 пар оснований
Цюба JD. название пробы, индекс, индекс 2. огосание
Столбец «Проба_Ю»: идентификационный
номер вашего образца.
Столбец «Названиепробы» название образца
По.лученные данные будут иметь такие же
названия.
Столбец «Индекс»: баркод первого прочтения
ваших проб Впечатайте последовательность
баркода По наличию и длине баркода секвенатор
распознает задачу секвенировать данный баркод
Столбец «Индекс 2»: см описание выше.
Столбец «Описание»: заметки относительно
проб
I Header]
lEMFileversion, 4
Investigate!
Project Name, UHASenoe NOJ R1IK
Experiment Name,J214
Date, S/ll/15
Woikf low,GenarateFASTQ
Application,FASTQ Only
As.'ay, TruSeq HT
Description
ctiwus try, Amplicon
(Reads)
301
3OJ
(St ttlnqs]
(Data]
Sample ID, SampleNafw, index ,intl«-v2 ,t>«3cripti n
L13-CPOJ4,1FSAMP-638O, ACSTGTAC, GAGCTCTC, bV13tr-337
Рисунок 8.15. Гример протокола Файл SampleSheetcsv был открыт
в программе Notepad-»--»- Названия секций обозначены скобка ми Д
• Под* *ставка бмбгосте к для секве трава ни?
На данном этапе происходит денатурация биб-
лиотек для секвенирования (контрольной биб-
лиотеки PhiX и объединенной библиотеки) под
воздействием высокого pH (NaOH) для получе-
ния библиотеки ампликонзв в одноцепочечном
виде Ампликоны в библиотеке должны быть
одно цеп очечными, чтобы прибор MiSeq смог их
улавливать
Очень важен уровень кислотности, при
слишком высоком пли слишком низком pH за-
хват ампликонов библиотеки прекращается Ре-
комендуется использовать химически чистый:
2 М NaOH После денатурации библиотеки раз-
водят Концентрация имеет ключевое значение,
MULCH I IdllC ZUOT
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
121
т к. она непосредственно определяет количество
полученных данных Из 20 пмоль получается
приблизительно 1S-25 млн прочтений. При бо-
лее высокой или низкой концентрации результат
будет пропорционально выше или ниже За пре-
дел ами диапазона 2-25 пмоль существует высо-
кий риск срыва запуска секвенирования После
денатурации библиотеки разводят Концентра-
ция имеет ключевое значение, т к она непо-
средственно определяет количество полученных
данных. Из 20 пмоль получается приблизительно
18-25 млн прочтений. При более высокой или
низкой концентрации результат будет пропорци-
онально выше или ниже За пределами диапазо-
на 2-25 пмоль существует высокий риск срыва
запуска секвенирования.
Контрольная библиотека PhiX используется
для оценки уровня ошибок, а также для калиб-
ровки прибора в ходе секвенирования Это
особенно важно для объединенных библиотек
с низкой сложностью
Низкая сложность означает, что анализируе-
мые последовательности имеют схожий состав
Это может относиться и к библиотекам ампли-
кона 16S рРНК ввиду наличия в гене 16S рРНК
консервативных участков
•	Загрузите гробу и граинеры в картридж для реаге итов
Добавление праймеров для секвенирования
в картридж для реагентов си с темы MiSeq требует-
ся при подготовке библиотек для секвенирования
с помощью неоригин альных адаптеров (не от ком-
пании Illumina). Процесс запускают праймер 1,
праймер 2 и Индекс 1. Если они не присутствуют,
произойдет срыв запуска
•	Сеюе нирова же
Первая статистика появится спустя примерно 4 ч
после начала секвенирования Выход по каждой
пробе можно получить спустя 32 ч, а для полно-
го завершения цикла требуется 56 ч
Плотность кластера отражает оценочный ре-
зультат запуска В результате среднего цикла,
подготовленного в соответствии с описанными
методиками, плотность кластеров составляет от
700 до 1000 К/мм2, откуда получают 17-25 млн
п арных пр очт ений
Кластеры, проходящие фильтры (PF), отра-
жают количество данных, соответствующих базо-
вым требованиям качества Стандартным значе-
нием при секвеиирокании региона Vl-З библио-
тек ампликона гена 16S рРНК является > 90%
Входе секвенирования оно может незначительно
изменяться.
Процент > Q30 обозначает количество осно-
ваний в цикле, ожидаемый уровень качества ко-
торых превышает Q30 В ходе секвенирования
данное значение может претерпевать значитель-
ные и змеи ения. Для праймера 1 средним обычно
является значение >70 %, для праймера 2 оно
обычно > 60 % Данный уровень ошибок обьяс-
няет фактически измеренный уровень ошибок
при секвенировании контрольной библиотеки
PhiX. В ходе процедуры секвенирования система
MiSeq распознает ампликоны библиотеки PhiX
и сравнивает их с референсным геномом PhiX
для выявления и измерения ошибок в секвениро-
вании Проще говоря, уровень качества пред-
ставляет собой теоретический уровень, где сте-
пень ошибок является фактическим качеством
Сопоставленные данные показывают количество
контрольной библиотеки PhiX на весь запуск.
При выполнении вышеописанных методик оно
должно быть близко к 20 %
8.4.11. Дизайн адаптеров Illumina
для секвенирования библиотек ампликонов
гена 16S
Ниже рассматривается дизайн праймеров или адап-
теров, а также функции их различных частей
Для подготовки библиотек ампликонов гена 16S
рРНК используются так называемые адаптеры Они
существуют в виде пар, состоящих из прямого
и обратного адаптера. Каждый едаптер состоит из
части адаптера и части праймера В ходе процедуры
ПЦР части праймера прямого и обратного адаптеров
используются для специфической амплификации
вариабельных регионов 1-3 (VI-3) гена 16S рРНК
(рис. 8 7) Конечные ампликоны библиотеки содер-
жат последовательности региона VI-3 гена 16S
рРНК и часта адаптера Праймеры с названиями 27F
и 534R были взяты из проекта «Микробном Челове-
ка» (ПМЧ, 2010). Части адаптера взяты из исследо-
ваний Capotaso ei ai. (2011; 2012) и руководства
Illumma Inc. (2014 а)
В ходе секвенирования праймеры прикрепля-
ются к адаптерами запускают процесс секвениро-
вания (рис 8.16). Всегс происходит чтение четы-
рех последовательностей: праймер 1 и праймер 2
покрывают участки Vl-З гена 16S рРНК и состав-
ляют последовательности чтений парных концов,
а Индекс и Индекс 2 составляют штрихкодовую
часть, используемую для определения пробы, из
которой произошел ампликон Штрихкодовая часть
непосредственно обрабатывается системой MiSeq
и не входит в выходные данные Адаптеры и прай-
меры представляют собой синтезированные олиго-
нуклеотиды ДНК, их можно заказать у любой
крчпной компании по производству реагентов По-
следовательности соответствующих олигонуклео-
тидов ДНК можно найти на рис 8 17 Различные
части олигонуклеотидов имеют названия и играют
MULUilldUC
of 346
122
определенную роль e подготовке библиотеки и/или
секвенировании Индексная часть адаптеров
(NNNNNNN) отличается в каждой секвенируемой
пробе. Например, при секвенировании 96 проб
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
обычно используется 8 прямых и 12 обратных
адаптеров, каждый из которых имеет уникальный
индекс. Поэтому получим 96 уникальных комби-
наций прямых и обратных адаптеров
Участок V1-3
~	1 ген 16S рРНК
Геномная ДНК
Прямой адаптер:
Обратный адаптер
Праймер:
Индекс:
Индекс 2:
Праймер:
Секвенирование
Праймер Индекс
Индекс 2	Праймер
Рисунок 8.16 Концептуальный обзор олигонуклеотидов, используемых е секвенировании ампликонов гена 1AS. Адаптеры вводятся в процессе ПЦР,
а остальные олигонуклеотиды используются для секвенирования Цветные части адаптеров/Праймероь представляют различные функцноналытые
последовательности
Прямой адаптер
5' IAATGATACGGCGACCACCGAGATCTACAclj NNNNNNNN I GTACGTACGGT f AGAG’l Tl.ATCCTGGCTCAG I 3
Направление
Индекс 2	Мело отжига	Прямой праймер 27F	ПЦР
2‘й номпонвчт	Мосте для отжига	для гена 16$	
уникального	праймеоса для	праймер, мишенью которого	
илрнхкодд проб	СсКЙГМИрО&ЛНИН	яя/ яятся грн J6S и места отмята	
праймеров длп секвенирования
элонгации
Адаптер P7 (Illumina)
Позволяет системе MSeq
осшествлятэ захват ампликонов
Обратный адаптер
5'		| NNhNNNNN।	| ACGTACGTACCCG		3’	
				I ATTACCGCGGCTGCTGG		
	Адаптер Р5 (Illumina) Позпплягт системе M6cq осуществлять заявят ампликонов	Индекс 1 й компонент уникального олрихнада проб	Мело отжига Место для отжига праймеров для секвенирования	Обратный праймер 534R для гена 16S Праймер, мишенью которого халяс’ся гем 16S и места отжига праймеров для секвенирования		Направление элонгации ПЦР
Праймер
5' [gtacgtacggt f AGAGTTTGATCCTGGCTCAG I 3' —-
Начало и
Прикрепляется к месту
для отжига прямого
адаптера
Прикрепляется к праймеру
прямого адаптера
направление
секвенирования
Индекс
5'
CCAGCAGCCGCGGTAAT	(CGGGTACGTACGT ]
з
Прикрепляется к месту
для отжига обратного
адаптера
Прикрепляется к
праймеру обратного
адаптера
Праймер
Начало и
направление
секвенирования
5'|	| ACGTACGTACCCG	ATTACCGCGGCTGCTGG	3'
	Поикретляется и месту ДЛЯ ОТЖИ1 а обратного зддгтера	Приноепляетя к поаймеоу обратного адаптера	
Начало и
направление
секвенирования
Индекс
Праймер не требуется
Рисунок 8.17. Адаптеры и праймеры представляют собой синтезированные олигонуклеотиды ДНК. Г^едставлрны последовательности соответствую-
щих ишпонуклеотидов ДНК Различные части олигонуклеотидов имеют названия и о пр где ленную роль в подготовке библиотеки иАши секвенировании
Индексная часть адаптеров (NNNNNNNN) отлшается в каадрйееквенируемой пробе
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
121
8.5. ПРОЧИЕ МЕТОДЫ
Флуоресцентная т situ гибридизация (FISH) - незави-
симый метод визуализации микроорганизмов с помо-
щь ю ф луо р есц ен та о - меченьп: о лиг о нукп ео ти д ных
зондов для анализа гена 16S рРНК. Сам по себе FISH
является мощным методом анализа микробных сооб-
ществ, кроме того, он служит отличным способом
валидации результатов секвенирования ампликона
Детальное описание метода FISH дано в гл. 7.
Существуют также более совершенные методы,
в основе которых лежит секвенирование, такие как
мегагеномика, ме татр ан скрип гомика и метапро-
теомика, они предусматривают выполнение культу-
рально-независимого анализа функций в микробном
сообществе Данные методы уже входят в употреб-
ление в научном сообществе применительно к си-
стемам активного ила. Однако они довольно слож-
ны, и в ближайшем будущем не прогнозируется их
достаточного развития для широкого применения
Поэтому в данной главе приводится лишь базовый
обзор таких методов
Метагенсмика, или экологическая геномика
(Wooley?/ al, 2010), изучает ДНК всего сообще-
ства, выделенную непосредственно в пробах есте-
ственной среды (рис. 8.18 описывает данный алго-
ритм) Выполняется выделение ДНК сообщества,
затем ее очистка перед секвенированием на плат-
форме Illumina, в результате чего получаются ко-
роткие прочтения Прочтения собираются в про-
грессивно более длинные последовательности -
контиги С их помещью можно получать информа-
цию о таксономии и функции членов сообщества
посредством сравнения данных последовательно-
стей с референсными базами данных К сожале-
нию, стоит отметить, что получаемая информания
сильно искажена. Для надлежащей таксономиче
ской классификации ДНК требуется наличие близ-
кородственных аннотированных геномов в рефе-
ренсных базах данных. На сегодняшний день
в таких базах данных доступно относительно не-
большое количество геномов, поэтому часто полу
ченные классификации ненадежны Еолее тсго,
выполнение детальной функциональной характе-
ристики также осложнено ввиду неполноты баз
данных (Albertsen etal, 2013)
------>
Секвенирование
Прочтение
100-150 пар
оснований
Сборка
------>
Контиги
Поиск в базе
данных
--------►
1000+ пар оснований
Филогенетическая классификация
Кто здесь?
Функциональная классификация
Что они могут?
Бактерия А
Бактерия В
Бактерия X
Рисунок 8.18. Обзор алгоритма метагеномики и потенциальные резугътеты
Ген А
Ген В
ГенХ
Метатранс крип то мик а и метапротеомика описы-
вают полный набор экспрессированных генов
и белков микроорганизмов в пробах из естественной
среды Данные методы редко применяются в анапи
зе систем, связанных с очисткой сточных вод по
нескольким причинам Основной из них является
отсутствие нужных референсны:: геномов, которые
являются обязательным условием надежных иссле-
дований экспрессированных генов и белков Кроме
того, довольно сложно обеспечить достаточную'
эффективность выделения белков (Seifert et al,
2013; Jensen et al., 2014) Технологии микрочип о -
вого анализа считались очень многообещающими
для выполнения таксономического и функцио-
нального анализа сообществ, однако технологии
секвенирования благодаря своему быстрому раз-
витию получили гораздо более широкое распро-
странение
of 346
124
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Список литературы
Agilent Technologies (2012) Agilent 2200 TapeStation User
Manual edition^. Manual Part number G2966-90 001
Agilent Teclinologjes (2C13). Anient DI000 ScreenTape System
Quick Guide edition 10. Manual Fart number G2964-90032
Rev D
Agilent Technologies (2015) Anient Genomic DNA ScreenTape
System Quick Guide edition 6 Manual Part number G2964-
90040 Rev D
Albertsen, M, Karst, SM., Ziegler, AS., Kirkegaard RH and
NieIsen P.H (2015) Back to В asics - The influence of DN A
extraction arid pnnier choice on phylogenetic analysis of
activated sludge communities PLoSONE 10 e0132783.
Albertsen M., Saunders, A.M, Nielsen K.L and Nielsen, PH
(2013): Metagenomes obtained by «deep sequencing-? - what
do they tell about the FBPR communities9 Wat. Sci. Tech, 68
1959-1963
Angly, F.E., Dennis P.G., Skarshewdu, A., V anwonter $retti, I,
Hugenholtz, P and Tyson, G.W. (2014) CopyRi^rtet a rapid
tool for improvingthe accuracy of microbial communityprofiles
through lineage- specific gene copy number correction
Mcrobicme, 2,11
Ashelfotd KE, ChtEhanova, NA, Fty JC, Jones, A.J ard
Weightman, AJ. (2005). At least 1 in 20 16S rRNA sequence
records cun ently held in public reposiionesis estimated to contain
sub st anti al anomalies, Лу/ Environ Microbiol, 71 7724-7736
Basu, C. (2015). PCR pnmei design(New York Hum ana Pr).
Beetg EH Van, Joosse, S.A., Ligfenberg MJ., Fles, R.,
Hcgervorst, F.B.L., Verhoef, S and N edetlof, FM (2006)
A multiplex PCR predictor for eCGH success of FFPE
samples. British J Cancer, 94 333—337
Beller, H.R., Kane, S R, Leger, TC and Alvarez, P J.J (2002)
Areal-time polymerase chain reaction method fot monitoring
anaerobic, hydrocarbon-de jading bacteria based on a catabolic
gene.Environ Sci. <&• Technol., 36.3977-3984
Bessetti, J (2007), An introduction to PCR inlnbitors J Microbiol
Meth, 28 159-167.
Bollet C, Gevaudan M.J , de Lamballerie X., Zandotti C. and de
Micco P (1991). A simple method fa the isolation of
chromosomal DNA from Gram positive or acid-fast bactena
Wucteic Acids Research, 19 1955.
Brown, C.T., Hug LA, Thomas, B.C., Sharon, I., Castelle, C.J.,
Singh, A and Banfield, J F. (2015). Unusual biologr across
a goup comprising more than 15 % of domain Bacteria
Nature, 523 208-211
Bru, D., Sarr, A andPhilippot, L. (,2007). Relative abundances of
pioteobactenal membrane bound and petiplasmic nutate
leductases in selected environments. Appl Environ
Microbiol., 73 :5971-5974
Brzoska, AJ and Hassan, K.A. (2014). Quantitative PCR fa
detection of mRNA and gDN A in environmental isolates. In
Environmental Microbiology, I T Paulsen, and A.J Holtties,
eds. (Totowa, NJ Hum ana Press) 25—42
Burgh ann, H., Pesaro, M., Widmer, F and Zeyer, J. (2001).
A strategy fa optimizing quality and quantity of DNA
extr acted frem soil. J Microbiol Methods, 45:7-20.
Bustin. S.A., Benes, V., Garson, J A, Hellemans, J., Huggett, J.,
Kubista, M, Mueller, R, Nolan, T, Ffaffi MW, Shipley,
G.L et al (2009). The MIQE guidelines, minimum
information for publication of quantitative real-time PCR
experiments Clin Chem., 55:611-622
Caporaso. J.G., Kuczynski, J., Stombaugh, J., Eittrngei. K.,
Bushman, F D., Costello, EK,.. Knight, R. (,2010) QIIME
allows analysis of high-throughput community sequencing
data Nature Methods., 7 335-6
Caporaso, JG, Lauber, C.L, Walters, WA, В erg-Lyons, D,
Huntley, J, Fierer, N, Knight, R (2012). Ultia-ligh-
throughput microbial com manty analysis on the Illumina
HiSeq andMiSeq platforms ISME Journal. 6 :1621-1624.
Caporaso, J G, Laubei, C.L, Walters, W.A., В erg Lyons, D,
Lozupaie, C.A., Turnbaugh P J, .. Kni^it, R (2011)
Global patterns of 16S rRNA diversity at a depth of millions
of sequences per sample. PNAS108. Suppl 1:4516—4522.
Cole, JR, Wang Q, Fish J a, Chai, B, McGaneU, DM,
Sun, Y, Tiedje, J M (2014). Ribosomal Database Project
Data and tools fa high throughput rRNA analysis Nucleic
Acids Research, 42.633 -642
Cock, F J.A , Fields C J, Goto, N , Heuer, M L. and Rice, F M
(2010) The Sanger FASTQ file famat fa sequences with
quality scores, and the Solexa / Illumina FASTQ variants,
Nucleic Acids Research, 38. 1767-1771.
Dairtis, H, Lebedeva, EV, Pjevac, P, Han, P., Herbolc(C.,
Albertsen, M, and Wasner, M. (2015). Complete ntrificatia,
byNifroyira bactena Narare Doi: 10 1038/natuiel6461
DeAngelig MM, Wang, DG . Hawkins TL. (1995). Solid-phase
reversible immobilizatia^ fot the isolation of PCR products
Nucleic Acids Research, 23: 4742-4743
Domimak, D M, Nielsen, J.L. andNielser} F H (2011). Extracellular
DNA is akundaiJ and important fa microcolony sttengfo in
mix ed microbial brafilms. Swircw. Mcvoivol, 13 7Ю-721
Dueholm, M.S., Albertsen, M. D’lmpeng S , Tal% V P., Lewis, D.,
Nielsen P.H. and Nielsen, J.L. (2014). Complete genome
sequences of Pseudomonas monteilii SB3072 and SB 3101, two
benzene, toluene-, and ethylbenzene-degaiing bacteria used
fa bioaugnentation Genome Awiounc., 2.524-14
Dueholm, M.S., Marques, I.G., Karst S.M, D'Im peri o, S., Tale,
V.P , Lewis, D., Nielsen, PH and Nrelsen, J.L. (2015).
Survival and activity of individual bio augmentation strains
Stores Technol, 186 192-199
Edgar, R.C. (2013). UP ARSE, highly accurate OTU sequences
fiom microbial ampliconreads Narure Methods, 10 996-3
El Fantroussi, S and Agathon SN (2005). Is bio augmentation
a feasible strategy for pollutant removal and site remediation?
Curr Opin Microbiol, 8'268-275.
Farrelly V., Rainey F.A. and Stackebiandt, E (1995). Effect of
genome size and trn gene copy number on PCR amplification
of!6S rRNA genes from a mixture ofbactenal species Appt
Environ Microbiol., 67 2798-2801.
Faust, K. andRaes( J (2012). Mia obial interactions from networks
to models Nature Reviews. Mcrobiolog’, 10 538-50
Faust, K., Lahti, L., Gonze, D., de Vos. W.M andRaes,J (2015)
Metagenomics meets time series analysis unraveling
microbial community dynamics. Current Opm Microbiol., 25
56-66
Filippidou, S, Junier, T., Wunderlin, T , Lo, C-C , Li, P-E,
Chain,PS and Jumet, P. (2015) Under-detection of
endospae-faming Firmicutes in metagenomic data Comput
and Structural Biotechnol J, 13:299-306.
Fisher, S., Barry A. and Abreu, J (2011). A scalable, fully
automated process for construction of sequence- ready human
exome targeted cepture libraries Genome Biology. 12. R1
doi 10 1186/gb-2011-12-1-rl
Flynn, JM, Brown, E A., Chain, F J J., Marlsaac, H.J and
Cristescu, M.E (2015). Toward accurate molecular
identification of species in complex environmental samples
testing the petfamance of sequence filtering and clustering
methods Ecol. Evol., 5: 2252-2266
Freund, В , Palmgren, R , Keiding, К and Nielsen, PH (1996)
Extraction of extracellular polymers from activated sludge
using a cation exchange resin Wat Rec ,30 1749-1758.
Ge, S, Wang S , Yang X, Qiu, S, Li, В and Peng Y. (2015)
Detection ofmtufiets and evaluation of partial nrtnfication fa
wastewater treatment Areview Chemosphere, 140'85-92
Gibson D.J , Ely, J.S and Collins. S.L (1999) The core-satellite
species hypothesis provides a theaetical basis fa Gnme’s
classification of dominant, subordinate, and transient species
J. Ecoi.,37 1064-1067.
Gilbert E.M., Agrawal, S., Karst, S.M., Hon, H, Nielsen, PH ,
Lackner S (2014). L ow temperature partialnrtiitatian/anammox
in a moving bed biofilm reacta treating low strength
wastewatet Environ. Sci Technol., 48 8784-8792
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
J2i
Green, MR,, Sambrook, J. (2012). Molecular Cloning
AL aboratory Manual (Fourth Edition) Cold Spring Harbor
Labor atoi у P t e ss. C o! d Spring H arb or, N ew Y otk
Grime, J. (1998) Benefits of plant diversity to ecosystems'
immediate, filter and founder effects. J Ecol, 86 902-910.
Guillen-Navarro, K., Herrera-Lopez, D, Lopez-Chavez* MY,
Cane inc-Gomez, M and Reyes-Reyes, A.L. (2015)
Assessment of methods to recover DNA йот bacteria, fung
and archaea in complex environmental samples Folia
Mcrobiol. 60:551-558
Guo, F and Zhong T. (2013). Biases during DNA extraction of
activated sludge samples revealed by hi^a througl^ut
sequencing Appl Microbiol. Biotechnol, 97 4607-4616
Holland, P M, Abramson R D, Watson, R and Gelfand, D H
(1991). Detection of specific polymerase chain reaction
product by utilizing the 5’—-3’ exonuclease activity of
Thermus aquations DNA polymerase PALdS'SS:7276-7280
Hoiz, HP, Vienna, ME, Gorney B.PFA and Conrads. G.
(2005). Evaluation of universal pi obes and primer sets for
assessing total bacterial load in clime al samples: General
implications and practical use in endodontic antimicrobial
therapy J. Clin. Microbiol. 43 5332-5337.
Ноц Y, Zhang H, Miranda, L and Lin, S. (2010) Serious
overestimation in quantitative per by circular (supercoiled)
plasmid standard Microalgal pena as the model gene PLoS
ONE 5, e9545.
Humbert, S, Zopfi, J and Tarnawski, S.-E. (2012). Abundance of
anammox bacteria in different wetland soils Environ
Microbiol., Rep 4 484-490
Huse, S.M, Welch DM, Mottison, H.G. andSogn, M.L (2010).
honing out the wrinkles in the rare bio q? here throu^i improved
OTU clustering Environ Microbiol., 12 1889-1898.
Illumina Inc (2013) MiSeq Sample Sheet, Quick Reference
Guide, Part« 15028392 Rev J
Illumina Inc. (2014a). Illumrna Customer Sequence Letter.
Oligonucleotide sequences •& 2007-2013 Illumina, Inc 2\11
n^its reserved Derivative woiks created by Illumina
customers are authorized for use with Illumina instruments
and products only All other uses are strictly prohibited
Illumina Inc (2014b) MiSeq System U ser Guide, Part #15027617
Rev О
Illumina, Inc (2015). An Introduction to N exb Generali on
Sequencing Technology www illumina.com.
Janda, J M and Abbott S. L. (2007) Miniteview: 16S rRNA
gene sequencing for bacterral identification in the diagnostic
laboratory Pluses, penis, and pitfalls. J Clin Microbiol 45:
2761-64
Jensen S.H, A Stensballe, P H Nielsen F - A. Herbst (2014).
Metaproteomics Evaluation of protein extraction from
activated sludge Proteomics, 14(21—22) 2535—2539
Hadfield J- (2012). How do SPRI beads work? http//cotege-
nomics.blogjpot dk£G12i04fliow-do- spri-beads-work html.
Hum an Microbiome Project (HMP). (2010). Jump start Consortium
Human Microbrome Project Data Generation Working Group
(2010). 16S 454 Sequencing Protocol HMP Consortium
V e: sion 4 2.2
Jutetschkn S, Purkhold, U., Pomm ererung to, A., Schmid M.C.,
Koops H andWagnet, M (2000) Phytogeny of all re cog jzed
species of ammonia oxidizers based on comparative 16S rRNA
and amoA sequence analysis Implications for molecular
diversity surveys Appl Environ Microbiol, 66 5368-5382
Kim, J., Littu J and Lee; C. (2013). Quantitative real-time PCR
approaches for microbial community studies in wastewater
treatment systems Applications and considerations
Biotechnology Advances, 31 1358-1373.
Kitajrma, M, Iker, B.C., Pepper, IL and Gefba, C.P (2014)
Relative abundance and treatment reduction of viruses dunng
wastewater treatment processes identification of potential viral
indicators. Sei. Total Environ, 488-489 290-296
Klindworth, A., Pruesse, E, Schweer, T, Feplres, J., Quast C,
Нот, M and Glbckner, FO. (2013) Evaluation of general
163 ribosomal RNA gene PCR primers for classical and next
generation sequencing-based diversity studies. Nucleic Acids
Research, 41.
Kubrsta, M, Andrade, J M, Bengtsson M. Forootan A., Jonak.
J., Lind K, Sindelka, R, Sjoback, R, Sjogeen, B,
Strombom, L, et al. (2006) The real-time polymerase chain
reaction AfoJ. Aspects Medicine, 27 95-125
Laurem, M Weissbiodt, D G , Szrvak, I, Robin, О , Nielsen J.L ,
Moigenroth. E, Joss, A. (2015). Activity and growth of
anammox biomass on aerobically pre-treated municipal
wastewater War Res, 80 325-336
Legendre, P and Gaila^ier, E (2001). Ecologically meaningful
transformations for ordination of species data Oecologa, 129
271 —28 0
Li, X., Wu, Y, Zhang L, Cao, Y, Li, Y„ Li, J., . Wi G
(2014) Comparison of three common DNA concentration
measurement methods. Analytical Biochemistry, 451 18-24
Liu, С M, Kachur, S, Dwan, MG., Abtaham, A.G., Aziz, M,
Hsueh, P.-R, Huang Y -T., Busch J.D , Lamit, L.J , Gehting
C.A et al (2012). FungiQuant A broad-coverage fungal
quantit ative real- time PCR assay EMC Microbiol., 12.255.
Love, M.L, Huber, W and Anders, 3 (2014). Moderated
estimation of fold change and dispersion fot RNAseq data
withDFSeq2 Genome. Biology, 15 550.
Lozupone, C.A and Knight, R (2008). Species divergence and the
measurement of microbial diversity FEME Microbiol Rev ,
32 557-578
Ludwig W and Schleifer, K.-H (2000). How quantitative is
quantitative PCR with respect to cell counts S^sr drp1
MrrobioL, 23 556-562.
Madigan M.T. and Mattiriko, JM. (2006). Brock Biology of
Microorganisms. 11 th ed Pearson Education International
ISBN 01319&8939.
Magurtan A. E (2004) Measuring biologcal diversity Oxford,
UK BlackwellF ubhshing
Mahe, F , Regies, T, Quince, C , de V argas, C and Dunthom, M
(2014) Swarm robust and fest clustenng method for
amplicon—based studies Peer J, 1-12
Marsh T.L. (1999). Terminal restriction fiagnent length
polymorphism (T-RFLP): an emergng method fot
characterizing diversity among homologous populations of
amplificationptoducts Chrr Opin Microbiol., 2 323-327
Marzorati, M, Wrttebolle, T, Boon N, Daffonchio, D,
Verstraete., W. (2008). How to get more out of molecular
fingerprints Practical tools for microbial ecology Ruvirox:
MtorottoL, 10 1571-1581.
Matsuda K. Tsuji, H., Asahara, T., Kado, Y andNomoto, К
(2007). Sensitive quantitative detection of commensal bacteria
by rRNAtargeted reverse transcription-PCR Appi Environ
Microbiol ,73 32-39.
McDonald D, Price, MN, Goodrich J., Nawrocki, EP,
DeSantis, T.Z., Probst, A., Hugenholtz, P (2012) An
improved Greengenes taxoiiomy with explicit ranks for
ecological and evolutionary analyses of bacteria and archaea.
IEME Journal, 6 610-618
McIlroy, SJ, Saunders, AM, Albertsen M, Nierychlo,M,
McIlroy, В , Напвец A A, Karst, S.M., Nielsen J.L,
Nielsen PH (2015) MiDAS the field gide to the microbes of
activated sludge Database bai062 dor 10 1093/database/baifl62.
McMaster; G K, Carmichael G G. (1977). Analysis of single- and
double-stranded nucleic acids on polyacrylamide and agarose gls
by using glyoxal and acridine orange FJikS'74 4835—4838.
McMutdie, P.J and Hulmes, S. (2013). Phyioseq. anR package
fot reproducible interactive analysis arid graphics of
mrctobiome census data PloEOne, 8, e&l 217.
MendeU, JE, Clements, K D, Choat J H. arid Angert, E.R (2008).
Extreme polyploidy in a large bacterium P№L!7105 6730-6734
Miller, D.N , Bryant J.E., Madsen, EL., Ghiorse, W.C (1999).
Evaluation and optimization of DNA extraction and
purification procedures for soil and sediment samples. Appl
Environ Microbiol, 65 : 4715-4724
Muyzet, G (1999) DGGE/TGGE a method for identifying genes
from natural eccsystems. Curr Opin Microbiol., 2.317-322.
of 346
121
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Nadkami, МА., Martin, FF. Jacques, NA. and Huntei, N
(2002). Delamination of bacterial load by real-time PCR
using a btoad-tange (universal; ptobe and primers set
Mcrobio/ogy. 148 257-266
Nanodtop Techncloges, Inc. (2007). ND-1000 Spectrophotometer
V 3.3 U sei’s manual, rev 3
Nolan T, Hands, R E and E-istu. S.A (20061 Quantification of
rnRNA using teal-time RT-PCR Nc&ure Protocols, 1 1559-1582
Nygen, J., Svanvik, N. and Kubista, M (1998) The interactions
between the fluorescent dye thiazole orange and DNA
Biopolymers, 46 39-51.
Okano, Y, Hnstova, K R, Leuteneggpr, C.M, Jacksoi% L.E,
Demson, R.F, Gebreyesus, В , Lebauet, D. and Scow, K.M.
(2004) Application of real-time PCR to study effects of
ammonium on population size of ammonia-oxidizing bacteria
in soil. Appl Environ Microbiol., 70:1008—1016
Oksanen, J., Blanchet, GF, Kindt, R, Legendre, P, Minchin,PR.,
O’Hara, RB., Wag-jet, H. (2015). Vegan Community
Ecology Package http //r-forge r-project oigprqjects/vegan/
Pace, N R, Sapp., J and Goldenfrld N. (2012) Phyiogpny and
bevond Scientific, historical, and conceptual significance of
the fust tree of life. PNAS. 109 1011-1018
Padmanaban, A, Inche, A., Gassmann M., Safowstky, R (2013)
High-Thtoutput DNA Sample QC Using the Agleni 22U0
Tapestation System J. Biomol Techn. JET 24 S41
Panaro, N J., Yuen, P K, Sakazume, T, Fortina, P, Kncka, L.J.
and Wilding P (2000;. Evaluation of EiNA fragment sizing
and quantification by the Aglent 2100 bioanalyzer Clinical
Chemistry, 46:1851-1853
Pecoraro, V., Zerulla, K, Lange, C and Soppa, J (2011).
Quantification of ploidy in proteobactena i eve a led the
existence of monoploid, (mero-)oligpploid and polyploid
species PLoS ONE, 6 el6392 doi 10.1371jjoutnal.pone.
0016392
Polz, M.F and Cavanaugh, C.M (1998) Bias in template-to-
product ratios in multitemplate PCR, Appl Environ Microbiol
64(10): 3724-3730
Pruesse, E., Replies, J andGlocknet, F.O. (2012).SINA Accutate
highthtoutput multiple sequence alignment of ribosomal
RN A genes. Bi' obformatics, 2 8(14; 1823—1829
Qiu, X, Wu. L, Huang, H, Donel, P.E.M. C, Palumbo,AV ,
Tiedje, J.M and Zhou, J . (2001) Evaluation of PCR-geneiated
chimera^ mutation^ andheleroduplexes with loS rRNA gene-
based cloning Appl Environ Microbiol., 67(2) 880-887.
Quast, C, Fruesse, E, Yilmaz. P, Getken, J, Schweei, T,
Yarza,P,.. G16ckner,F.O.(20l3; The SILVA ribosomal RN A
gene database project Improved dara processing arid web-based
tools. Nucleic Acids Bexar ch, 41 doi 10.1093/nar/^c si 219
Quince, C, Lanzen, A., Davenpcut, R.J and Tumbaugh, F J
(2011). Removing noise from pyro sequenced amplicons
BMC Bioinformatics, 12.38.
Pruesse, E, Peplies, J and Glocknet, F О (2012) SINA
Accurate high-throughput multiple sequence alignment of
nbosomalRNA genes, Bioinformatics, 28(14): 1823-1829
Ramette, A (2007) Multivariate analyses in microbial ecology
FEMS Microbiol Ecol., 62:142-60
Rasmussen R (2001). Quantification on the Li^itCyclet InRapid
Cycle Real-lime PCR, P D. medS. Meuer, P DC. Wittwer,
arid D.K-I Nakagawara, eds. (Springer Berlin Heidelbeig:.
21-34
Robinson M D, McCarthy, D J and Smyth, G.K. (2010) EdgeR
a Biocunductot package for differential expression analysis of
digital gene expression data Bioinformatics, 26 139—40
Rctthauwe, J.H., Witzel, K.P. and Liesack, W (1997). The
ammonia monooxygenase structural gne artioA as a functional
marker: Molecular fine-scale analysis of natural ammona-
oxidizing populations Appl Environ Microbiol., 63
4704-4712.
Saiki, R.K, Scharf, S, Falocna, F, Muths, K.B, Hom G.T.,
Erlich H.A. and Atnheim, N. (Д985). Enzymatic amplification
of beta globin genomic sequences and restriction site analysis
foi diagnosis of sickle cell anemia. Science, 230 1350-1354.
Salonen A, Nikkila, J, Jalanka-Tuovinen, J, Immonen, О ,
Rajilic-Stojanovia, M, Kekkonen RA, Palva. A., de
Voe,W.M. (2010). Comparative analysis of fecal DNA
extraction methods with phyto genetic microartay effective
recovery ofbacteiial and archaeal DNA using mechanical cell
lysis J Microbiological Methods, 81:127-34.
Saunders, A M , Albertsen M, V oilertsen J and Nielsen P H
(2015) The activated sludge ecosystem contains a core
community of abundant organisms. I SME J, doi 10.1038/
ismej.2015 117
Schloss, P D. and Handelsman J. (2005). Metagpnomics for
studying unculturable microoi ganisms cutting the Gordian
knot Genome Biol. 6:229.
Schloss, P D, Westcott S.L., Ryahin T, Hall, J.R., Hartmann M,
Hollister, E В , Webet, C F (2009). Introducing mothur
open-source, platform-independent community- supported
software fot describing and comparing microbial communities
Appl Environ. Microbiol., 75:7537-41
Schriewer, A., Wehlmann, A. and Wuettz. S. (2011). Improving
qPCR efficiency in environmental samples by selective
removal of humic acids with DAX-8 J. Microbiol Methods
85 16-21
Seifert JF.-A. Herbst, P H Nielsen F T Planes, M Ferret, M and
von Bet gen (2 013) Eioinformatic progess and applications in
metaproteogenomics for bridgng the gap between genomic
sequences and metabolic functions m microbial communities.
Frofeovucs, 13:2786-2804. doi: 10.1002/pmic.201200566.
Singer, VL., Jones, L.J, Yue. ST, Haugland, RP (1997).
Characterization of PicoGreen reagent and development of
a fluoresce nee-based solution assay for double-stranded DNA
quantitation Ara/yfical Biochemistry, 249' 228-238
Smith S, Morin, P.A (2005). Optimal storage conditions for
highly dilute dna eamplee a tole for trehalose as a preserving
agent J Forensic Sci, 50 1131—1108
Souaze, F, Ntodou-Thome, A, Tran, C.Y, Rostene, W and
Forgpz, P (1996), Quantitative RT PCR limits and iccuracy
BioTechniques, 21.280-285
Stults, J R, Snoeyenbos- West, О , Methe, B, Loviey D.R and
Chandler, D P (2001) Application of the 5 fluorogenic
exonuclease assay (taqman) for quantitative ribosomal DNA
and rRNA analysis in sediments Appl. Environ Microbiol
67 2731-2789 '
Tebbe, C.C and Vahjen, W (1993) Interference of humic acids
and DNA extracted directly from soil in detection and
transformation of recombinant DNA fiom bacteria and
ayeastj^pf Environ Microbiol, 59(8) 2657-2665
Thermo Scientific (2015) Assessment of Nucleic Acid Purity,
TO 42-TECHNIC AL BULLETIN, TO 42 Revl/11.
Thermo Scientific (2015a), Qubit dsDNA HS Assay Kits - User
Guide, MAN0002326, P32851, Revision E 0
Thermo Scientific (2015b;, Qubit dsDNA BR Assay Kits - User
Guide, MAN0002325, P32850, Revision. A.O
Thomas, T, Gilbert, J, Meyet, F. (2012). Metagenomics - a guide
from Sampling to data analysis. Microb. inform. Exp 2:3.
10 1186/2042-5783-2-3
Thompson, IP, Van Det Gast, C.J, Cine, L. and Singer, A.C
(2005). Bio augments on fot bioieme citation the challenge of
strain selection Swrcw Microbiol., 7 909-915
Tsai, Y and О Icon, В (1991) Rapid method for direct extraction
ofDNA fiom soil and sediments. Appl Environ. Microbiol,
57 1070-1074
Tullisi R.H , Rubin, H (1980). Calcium protects DNase I fiom
proteinase К a new method for the removal of contaminating
RN ase from DN ase I Analyt. Eiochem , 107 260-264.
Vetrovsky, T arid Baldtian, P. (2013) The variability of the 16S
rRNAS gene in bacterial genomes and its consequences for
bacterial community analyses PLoS ONE 8 e57923
doi 10 1371/journal pone 0057923
Volkmann,H,Schwartz, T, Bischoff,P,Kirchen, S. andObst U
(2004; Detection of clinically relevant- antibiotic-re si stance
genes in municipal wastewater ’using teal-time PCR
(Ta^vlanj. J. Microbiol. Methods, 56.277-286
of 346
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
12?
Wang Y and Qian, P-Y (2009). Conservative ftagnenis in
bacterial 16S rRNA genes and primer design for Ids
nbosomal DNA amplicons in metagenomic studies. FLoS
ONE 4, e7401 doi 10 137 1/journal pone 0007401
Wilfmgei, WW, Mackey, K., Chomczynski, P. (1997) Effect of
pH and ionic strength on the spectrophotometnc assessment of
nucleic acid purity BioTech'iiques, 22 474—476
Wilson, I.G. (1997) Inhibition and facilitation of nucleic acid
amplification-dry/. Environ Microbid, 63(10) 3741-3751
Woese, C.R and Fox, G.E (1977). Phylogenetic shucture of the
prokaryotic domain the primary kingdoms. PNAS, 74
5088 90
Wooley J.C , Godzik, A andFriedbetg I. (20100 Apnmer onmeta-
gnomics PLoSСотри? Bid. 6(2) еЮООбб? doi:l 0.1371/journal
Zhang T and Fang H HP (20061 Applications of real-time
polymerase chain reaction for quantification of microcn gamsms
in envitonmental samples тфу!. Micvofeal. Biaedmd., 70.
281-289
Zhou, J , Bruns, M.A., Tiedje, J.M (1996). DNA recoveiy fiom
soils of divers* composition Ap1 Environ Microbiol.. 62
316-322.
Zipper, H , Brunner. H., Bemhagen, J. and Vitzthum, F (2004).
Investigations on DNA intercalation and surface binding by
SYBR Green I, its structure determination andmethodologcal
implications. Nucl. Aid: fas., 32 el03-el03
Zuur, AF, leno, F.N and Smith GM (2007) Analysing
Ecological Data Springy. New York
MULUilldUC
of 346
121
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
*'• t
of 346
СИМВОЛЫ И СОКРАЩЕНИЯ
Сиявош
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
п
Соцкш*
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ГАЕ
ДНК
ДФАБ
ЛБХПК
МБХПК
ПГ
ПЦР
СРБ
ФАБ
АМХ
АОО
СН4
Гликогенаккумупируюшие бактерии
Ц ез оксириб снуют еинов ая кисл от а
Денитрифицирующие фосфор- тшипспифосф атаке умупир’тцие бактерии
Легко биоразлагаемый ХПК, также известный как легко биоразлагаемая органика
Медленно биоразлагаемый ХПК, также известный как медленно биоразлагаемая органика
П арниковые газы
П ОПИМероЗНаЯ Цепная ре ЗКЦИЯ
Суптфатредуцирующие бактерии, или СР О - супьфатредуцирующие организмы
Фосфор- ипипапифосфатаккумулирущие бактерии
Б актерии анаммокс
Аммонийокиспяющие бактерии
Метан
FISH NjO no2. NO3. NOO	Флуоресцентная :н situ гибридизация Оксид азота Нитрит Нитрат Нитрит окисляющие бактерии
Сиввош
ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ
В АКТИВНОМ ИЛЕ
БПК	Биохимическое потребление кислорода, мгО2йт
БПК3	Биохимическое потребление кислорода после 5 сут, мг О2/п
ДЩв	Денитрификационныйпотенцитлегко биор слагаемогоХПК в сточных водах, мгЫАт
ДП 1гв	Денитрификационныйпотенциал медленно биоразлагаемогоХПК в сточных водах, mtN/п
ПБХПК^	Концентрация легко биоразлагаемого органического вещества, удаленного в ходе теста на активность, мель Сйт или мг ХПК/л
ХПК	Химическое потребление кислорода, тягХПК/л
хпки	Общая концентрацияХПК, попадающего в реактор или систему, мгХПК/л
хпки	0 бщ ая концент рация ХПК на вых оде из ре акт ор а или сист емьд тяг ХПК/л
ХПК„6ш	0 бщая концентрация ХПК, мг ХПК/л
С П	Концентрация органических соединений в ХПК, мг ХПК/л
хпк6ТИ=ии	Концентрация органических соединений в ХПК невыходе из реактора или системы, мг ХПК/л
л	Концентрация образующегося ПГА ьвтраженнаяв ХПК, тяг ХПК/л
ХПКпГА,пл1р	Концентрация потребленного ПГА выраженная в ХПК, мг ХПК/л
XI 1Ксу!ьфида	Концентрация сульфида, выраженнаяв ХПК, тягХПК/л
ХПКвлстр	Концентрация поглощенного биоразлагаемого субстрата, выраженная ь ХПК, мг ХПК/л
ХП У.Вю, .йраз	Концентрация образующейся биомассь^ выраженная в ХПК, мг ХПК/л
ХПК 1117. фаз	Концентрация образующегося в ходе теста на акгивноств гликогена, выраженная в ХПК мг ХПК/л
XITKcLYzratp	Концентрация гликогена, потребляемого в ходе теста на активность, выраженнаяв ХПК, мг ХПК/п
ХПКСЯ.'/дшр	Концентрация поглощенного гликогена, выраженнаяв ХПК, мг ХПК/л
Ч ИСТЫЙ I ^ыатьнкып	Чистая концентрация ортофосфата, выделенного в общий объем жидкости исключительно в результате по- глощения ацетата, мг Р/п
Чистый Г^ЬСЫВЬИЛ.	Чистая концентрация ортофосфата, высвобожденного в объем жидкости после исключения анаэробного высвобождения, миль Р/п или мг Р/л
Ас	Концентрация ацет ат а и уксусной кислоты, мг Ас 6т
Асжж,	Конечная концентр .щия Ас в объеме жидкости На конец теста на акгивноств, С -моль /и или мг С/л
Асм	Н ачальная концентрация Ас в объеме жидкости в начале теста на активность, С-моль/л или мг С/п
Аг	Концентрация Ас, потребленного входе теста на активность, С-моль/п или мг С/л
Ьасо	Распад или скорость эндогенного дье ания аммонийокисляющих бактерии, сут’1
hsc	Р а спад или ст. ор ость эндогенного дье ания нитрит окисляющих бактерий, сут1
346
1:0	ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ сточных вод
с	С одержание ХПК в органическом со единении или суб стрете, гХПКЛлоль органического субстрата или г ХП Ют органического субстрата
Cchi Ccot Ch?s	Концентраты метана в газовой фазе, ч/млн по объему Концентрация углекислого газа в газовой фазе, ч?мпн по объему Концентрация сульфидам газовой фгве, ч<мпнпс объему Концентрация соединения или элемента в газовой фазе или наджидкостном пространстве реактора или системы ч млн по объему
Сц? С 02 СОг Е» Eis F Frn "£ы, F АМХДШ _Nj fcv Fn_nh, Fiih, FiiHJbOj FlITUTiuH FnO2 H+ H2O HjS H£bx НзЗеых HA HPT HS'1 in, ano iHEto 1ЦСИ0 к In tn	Концентрация ев от а в газовой фазе, ч/мпнпо объему Концентрация кислорода в газовой фазе, ч/мпнпо объему У гпекиспый газ Энергия активации биопроцесса, кДж мс ль К Энергия активации биопроцесса потребления общего субстрата S, кДж/моль К. Р асх од газа или соединения, масса/время Расход газа или соединения, поступающего! реаттгор или систему мплъ/ч?1пимг/ч Расход газа или соединения, выходящего из реактора или системы, мспь/ч или мг/ч Максимальная скорость образов ания N2 в тесте на активность ламмокс, ммопв Nг/мин Соотношение ХПК и ЛЕВ органического соединения, мг ХПК/мг ЛВВ 0 к ор ость аммонификации, мп- N'мин Скорость окисления аммония. мг N/мин Сксрость окисления аммония, определяемая на основе скорости титров анияНзО 2, мп-Нтлин Скорость окисления аммония, определяемая на основе скорости титрования NaOH, мг N/мин Скорость скисл ения нитрита в титркметрическомтесте на нитрификацию, мг N/мин Протон Вода СуПЬфИД Концентрация сульфида, попадающего в реактор или систему, мг S/л или мп-ХПК/л К онцентр ация супь фида нагыходеизр еактор а или сист емы, мг S/л или мг ХП К/п Органическая КИСЛОТа Гидравлическая продолжительность пребывания, сут Диссоциированный сульфид Содержание азота в автотрофных нитрифицирующих бактериях, г N/г ЛВВ или г N/гХПК Содержание азота в биомассе или культуре, г N/ЛВВ или г N/гХПК Содержание аз отав обычных гетеротрофных: бактериях, rN/r ЛВВ или rN/r ХПК Скорость восстановления сульфата, нмшь./смг’ сут Н муральный логарифм Максимальная удельная скор-ость поддержания или эндогенного дых ания, мпсса активной биомассы1 ‘время4
tn, n, p	pH- зависимые переменные при вычислении отношения азота к протону в тестах, выполненных методомтитрования
ШТАБ, АГФ, Al	Коэффициент анаэробного поддержания АГФ у ГАБ, маш АТФ/мспьС ч или мг АТФ/мг активной биомассы ч
ШТАБ. АГФ, Ox ХПГАБЛГФЛ:	Коэффициент аэробного поддержания АТФ у ГАЕ, моль АТФ/мопь С ч или мг АТФ/мг активной биомассы ч Коэффициент анаксидного поддержания АТФ уГАБ, моль АТФЛдзлв С ч илимг АТФ/мг активной биомассы ч
ШГАБАг ttiTAKNO,	Скорость анокгидного поддержания ГАБ, моль С/мопь С чили мт С/мг активной биомассыч Сксрость зноксидного эндогенного дыхания ГАБ поНОз. моль N/мюль С-ч илимг ЫОз/мг активной биомассыч
tnTAE.NO,	Скорость аноксиднсго эндогенного дыхания ГАБ noNOs, мпш N/маль С ч илимг NOx/мг активней биомассыч
ШГАБ,01 tnTAH,U, ШФаБ. АГФ, Ах	Скорость аэробного эндогенног: дыханияГАБ, мопьОаДяоль С -чипимг Сумг активной бисыассыч Аэробное поддержание ГАБ, моль С/мюль С -ч или мг С/мг активной биомассы-ч Коэффициент анаэробного поддержания АТФ уФАБ, мош АТФ/мопь С ч илимг АТФ/мг активной биомассы-ч
Л1флБ,АТФ, Ах	Коэффициент аноксидного поддержания АТФ у ФаБ, моль АТФ/мопь С ч илимг АТФ/мг активной биомгассы-ч
ШФлБ, АГФ, Ох	Коэффициент аэробного поддержания АТФ у ФАБ, моль АТФ-'мюпь С ч илимг АТФ/мг активной биомассы ч
тФ АБ, РР_₽О., Ах	Скорость анаэробного эндогенного высвобождения орт оф ос фата уФ АБ. моль Р /мюль С ч илимг Р/мг активней биомассы ч
тф ДЕ, PP_PQ, Sec, Ai	Сксрость вторичного анаэробного высвобождения ортофосфата, моль Р/моль С ч илимг Р/мг активной биомассы ч
тФАБ,РР_1'0..ТДп	Сксрость анаэробного эндогенного высвобождения ортофосфата у ФАБ при температуре Т, мойв Р/моль Сч ИЛИМГ Р/мг активной биомассы ч
ШФАБАс тфДБЛО,	Аноксидное поддержание Ф АБ. мош С^^т^мопь С-ч илимг С^^^/мг активной биомассы ч Сксрость аноксидного эндогенного дыханияФАЕ по NOj, моль N/мопь С-ч илимг NOj/мг активной биомассы-ч
тФдБЛО,	Сксрость зноксидного эндогенного дыхания ФАЕ по NOц, мош N.'mohb Сч илимг NO х/мг активной биот-лас сыч
ШФаБ.^ гофадОх	Скорость аэробного поддержания ФеаБ, моль С /моль С-чипимг С/мг активной биомассы ч ? к ор ость аэр обнегэ энд огеннаг о дых ания Ф АБ, моль О j/мюпь С • ч или мп- О j/mt активной би омас сы ч
MULUilldUC ^.пт.
of 346
СИМВОЛЫ И СОКРАЩЕНИЯ
И1
ttlAT*,Ai
ШАТФ.Ас
тАТФ.Ск
ШАх
Ml
Мн
Мнй,_ц
ПОДО,
подо,
ПОДЦ_Ы1
Мькваю:
mOj
П1&:
тИ'_го.>л
tW_PCU«cJii
tnPP_PQ,.T.An
MW
N
n2
NjH+
Nope6
Ns
Nt
O2
P
P(f)
РцЯ
Рпиис
pKi
pK2
pK,
pKira
PO4-P
Pr
'/1ЛТП-МЪИТ
Pipes
Ps
q
Q
Qec
qrAEJDSKAi
qrARITA.GV. *
ЦГАБ,ПГА_О^. Ct:
qrARnTAjK
qrAE,nTA,CK
qrAKA:J<n
qr/RAr.TAi
qr?RNH_ Jc
qr^-KQ:
СрПКДГлАи
qiKKAi
qnaKjto
Коэффициент анаэробного поддержания АТФ, моль АТФ/мопь С чили мг АТФ/мг активной биомассы ч
Коэффициент аноксидного поддержания АТФ, моль АТФ‘моль С ч иш: мг АТФ/мг активной биомассы ч
Коэффициент аэробного Поддержания АТФ, моль АТФ/мсль С ч или мг АТФ/мг активной биомассы ч
Скорость аноксидного поддержания биомассы моль С/моль С ч или мг С/мг активной биомассы ч
М асса компонента
Масса газообразного азота, выделяемого с помощью денитрификации в ходе манометрических испытаний,
мель N или мг N
Масса азота, конвертируемого в ходе тестана активность анаммокс-бактерий, магл N илимг N
Скорость аноксидного эндогенного дыхания биомассы по NOj, моль N/моль С чили мгNOj/мг ЛВВ ч
Скорость аноксидного эндогенного дыхания биомассы по NO й моль N/моль С чипимг NOх/мг ЛВВ ч
Удельная скорость эндогенной денитрификации биомассы, мг N/r ЛВЕ ч
Масса нитрата и нитрита, добавленных в начале титриметрического теста на денитрификацию,
моль N или мг N
Скорость аэробного эндогенного дьп:ания культуры, моль 02/моль C-чипимг О2/мг активной биомассы ч
Скорость аэробного поддержания биомассы мель C/моль С чили мг С/мг активней биомассы ч
Скорость анаэробного эндогенного высвобождения орг оф ос фата ь биомассе, мель F/мопвС ч
или мг Р/мг активной биомассы ч
Скорость анаэробного высвобождения вторичного ортофосфата в биомассе, моль Р/мсль С ч
илимг Р/мг активной биомассы ч
С к ср ость анаэробного эндогенного высвобождения ортофосфата в биомассе при температуре Т,
мель Р/мопь С чили мг РЛяг активней биомассы- ч
Молеьодтярный вес, г/мопь
Мгли N 2, присутствующего в объеме наджидкостного пространств а в момент времени t, моль
Азот
Газообраоный азот
Г идразин
Концентрация азота, необходимая для роста или синтеза биомассы, мг N/мг ЛВВ
Потребность в азоте для роста или синтеза биомассы. мгИ/мг ЛВВ
Концентрация раствора для титрования в тестах на денитрификацию, мг экв/мп
Молекулярный кислород
Давление, ПаИЛИТОрр
Давление ь наджидкосгном пространстве, измеренное в момент времени t, атм
Атмосферное давление, атм
Максимальное давление входе манометрического теста, атм
Константа диссоциации угольной кислоты
Константа диссоциации бикарбоната
Константа диссоциации
Константа диссоциации аммония
Ортофосфат
Концентрация пропионата и пропионавой кислоты, мель С/л, мг Pt/n, мг ХПК/л
Концентрация ортофосфата, высвобожденного в объем жидкости, моль Р/л илимг Р/л
Концентрация фосфора, необходимая для роста или синтеза биомассы, мг Р/мг ЛВЕ
Потребность в фосфоре для роста или синтеза биомассы, моль Р/мопь С илимг Р/мг ЛЕВ
Максимальная объемная скорость образов аюгя или использования соединения или элемента,
маг с а/объем ьремя
Скорость потока или общая скорость потока при титровании, мп/ч
Расход неочищенных сточных вод, поступающих в реактор или систему, л/сут, м5/сут, мд/мин
Максимальная удельная скорость аэробного поглощения летучих жидких кислот биомассой ГАБ,
мель С/мопь С чипимг ЛЖК/мг активной биомассы-ч
Максимальная удельная скорость аноксидного образов аии гликогена в биомассе Г АБ, моль С/мопь С-ч
илимг С/мг активной биомассы ч
Максимальная удельная скорость аэробного образов ания гликогена в биомассе ГАЕ, моль С/мопь С ч
илимг С/мг активной биомассы ч
Максимальная удельная скорость аноксидного разложения ПГА под в оз действием ГАБ, моль С/моль С ч
илимг САлг активной биомассы ч
Максимальная удельная скорость аэробного разложения ПГА под воздействием ГАБ, моль С/мопь С ч
илимг С4лг активной биомассы ч
Макскмапь ная удельная скорость анаэре бного поглощения ацетата ГАЕ, мзль С/мопь С ч
илимг Ас/мг актиьной биомассы ч
М аксимальная удельная скорость анаэробного поглощения ацетата ГАЕ при температуре Т,
моль С/моль С чипимг Ас/мг актиьной биомассы-ч
Максимальная удельная скорость использования аммония ГАЕ в аэробных условиях для роста биомассы
мель N/мопь С чили мг N/мг активной биомассы ч
Максимальная удельная скорость аэробного роста бигмассыГАБ, моль С/мопь С-ч
илимг С/мг активной биомассы ч
Максимальная удельная скорость анаэробного- обревоьанияПГА, моль С/мопь С ч
илимг ПГА/мг активной биомассы-ч
Максимальная удельная скорость анаэробного поглощения летучих жирных кислот, моль С/мсль С ч
илимг ЛЖК/мг активной биомассы-ч
Максимальная удельная скорость анаэробного поглощения летучих жирных кислот биомассой,
мель С/мопь С чипимг ЛЖК/мг ЛЕЕ ч
of 346
j л
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
qnFA_GV- Ас
qnrA_GV,'Jc
qilTA^x
qlTXCt:
qCPBJTKUAu
qCPRSO^An
Qmr
q$AE_ ПГа_О^,Ск
ЧФаЕДЖМн
q*^BjnA._GV, Ac
qiAEJITAAc
qi-HEJITA.Qc
q*AH,AAn
^ФлБ,А,ТАп
1*^Г,Ас
q*AH№,Ux
q$AE,Ct:
qiARPQ.J'RAc
qiAEJO._PP,Ck
4Ф^Ь?Р_Р0„Й1
qtARPUti
qA.Jai
qA.TAi.
qAMXJIH._№
qABEJIH^NO,
qAMXJIG^H
qADOXH
qBij,Ac
qBu,Qx
qEi-.Qx
QHQc
QU Опасен
Qhaww
Оцущ
Qhq^q,
qil.NH,
QniOH
QbkOHxiw
QniOHjch
QNiOHPH
qNH^Bx>,Ox
Максимальная удельная скорость аноксидного образов ания гликогена культуры, моль С/мопь С ч
илимг С/мг ЛВВ ч
М аксимапьная удельная скорость аэробного о бр аз оь ания гликогена биомассы, моль С/мопь С ч
илимг С/мг ЛЕВ ч
Максимальная удельная скорость аноксидного разложения ПГа биомассы, моль С/мопь С-ч
илимг С/мг ЛЕВ-ч
Максимальная удельная скорость аэробного разложения ПГА биомассу моль С/мопь С ч илимг С/мг ЛЕВ ч
Максимаш ная удельная скорость использования летучих жидких кислот
супьфатредуцирующими бактериями в анаэробных условиях, моль С/мопь С-чипимг ЛЖЮмг ЛВВ ч
Максимальная удельная скорость анаэробного восстановления сульфата супьфатредуцирующих бактерий,
моль З/мопь С чили мг S/мг ЛВЕ ч
Скорость титрования кислоты в процессе выполнения теста на денитрифив ацивэ, мп/мин
М аксимапьная удельная скорость аэробного образования гликогена ФАБ, моль С/мопь С ч
илимг СЛлг активной биомассы ч
Максимальная удельная скорость анаэробного поглощения летучих жирных кислот ФАБ, мош С/мопь С ч
илимг ЛЖК/мг активней биомассы-ч
Максимаш ная удельная скорость аноксидного образов ания гликогена в биомассе ФаБ, мош С/мшь С-ч
илимг С/мг активной биомассы ч
Максимальная удельная скорость ансксиднсго разложения ПГА фэсфатакаумупирующих бактерий,
мель С/мопь С чипимг С Ляг активней биомассы ч
Максимальная удельная скорость аэробного разложения ПГА фосфатаккумупирующих бактерий,
мель С/мопь С чипимг С Ляг актиьней биомассы ч
Максимальная удельная скорость анаэробного поглощения ацетата ФАБ, моль С/моль С-ч
илимг Ас/мг актиьний биомассы ч
М аксимапьная удельная скорость анаэробного поглощения ацетата ФАБ при температуре Т,
мслть С/мопь С-чипимг Ас/мг активной биомассы-ч
Максимальная удельная скорость аноксидного роста биомассы ФАБ, моль С/моль С ч
илимг С Ляг активной биомассы ч
Максимальная удельная скорость использования аммония ФАБ в аэробных условия), для роста биомассь;
моль N/моль С ч или мг N/мг активной биомассы-ч
М аксимаш ная удельная скорость аэробного роста биомассыФАБ, моль С/мопь С-ч
илимг С Ляг активной биомассы ч
М аксимапьная удельная скорость аноксидного образования поли-Р фосфат аккумулирующих бактерий,
мель Р'мопь С чилимг РЛяг активной биомассы ч
Максимальная удельная скорость аэробного поглощения ортофосфата или образоь ания поли-Р
Фосфетаккумулирующих бактерий, ишь Р/моль С ч или мг Р/мг активной биомассы ч
Максимапьнаяудельная скорость анаэробного выделения ортофосфатаФАБ, моль Р/мопьС ч
илимг Р/мг активной биомассы ч
Максимапьная удельная скорость анаэробного поглощения пропионата ФАБ, моль СЛяппь С ч
илимг РгЛк активной биомассы ч
Максимальная удельная скорость анаэробного поглощения ацетата в биомассе, моль С/мопь С ч
илимг Ас/мг ЛЕВ ч
Максимашная удельная скорость анаэробного поглощения ацетата в биомассе при температуре Т,
моль С/мопь С чипимг Ас/мг ЛВВ ц
Максимальная удельная активность бакт-рии анаммокс в биомассе, г N-N; fc ЛВВ суг
или г N-NHt+/r ЛВЕ сут
Максимальная удельная скорость образования нитрата в биомассе в ходе тестов на активность бактерий
анаммокс, мг N /г ЛВВ ч
Максимальная удельная скорость уд апения нигрита в биомассе в х оде тестив на активность
бактерий анаммокс, MrNfr ЛВЕ ч
М аксимапьная удеш ная скорость окисления аммония аммонийокиспяющими бактериями в биомассе,
г N/r ЛВВ суг или! N/r ЛВЕ ч
Максимальная удельная скорость аноксидного роста биомассы, моль С/мопь С ч
илимг С/мг активной биомассы ч
Максимальная удельная скорость аэробного роста биомассы культуры, мель С/мопь С-ч
или мг С /мг активной биомассы ч
Максимашная удельная скорость аэробного роста биомассы, моль С/мопь С-ч
илимг С/мг активной биомассы ч
Р асх од оксигениров энного р есть ор а для титров ания при титро в ании, мп/мин
Конечный фоновый расх од оксигенированного раствора для титрования. мп. мин
Н ачапьный или ф оновый р асх од окстшенир оь анног о р аств ора для титров аьпи, мп/мин
Расход оксигенироь энного раствора для титрования г процессе окисления аммония мп/мин
Р асх од оксигенироь энного раств ара для титрования в х од* окисления нитрита, мп/мин
Удельная скорость аммонификации биимассь^ мг N/r ЛВВ ч
Расход раствора для титрования NaC'H, мп/мин
К онечный фоновый р асх од р асгв ора для титров ания N аОН, мп/мин
Начальный или фоновый расход раствора для титрования NaOH, мл/мин
Скорость титрования раствор a NaOH в процессе окисления аммония, мп/мин
Максимальная удельная скорость использования аммония биомассой в аэробных условиях
дл я ро ста биомассы, моль N миль С ч или мг N/мг ЛВ В ч
MULUilldUC ZAAJ
of 346
СИМВОЛЫ И СОКРАЩЕНИЯ	Ш
qNDQNO^NO,	Максимальная удельная скорость окисления нитрита биомассы аз от окисляющими бактериями, г N/r ЛВВ  суг или мг N/мг ЛВЕ ч
qlTOuJ-TOj_.il О,,Т	М аксимальная удельная скорость испопьзоьания биомассой общего субстрата (S), измеренная при определенной рабочей температуре (Т), г S/r ЛВВ сут
qNO^ qN0._Nj.SB qntK_m<CB qOHCtfnKOK	Максимальная удельная скорость денитрификации биомассы, г N/r ЛВВ сут илимг N/r ЛВВ ч Максимальная удельная скорость денитрификации биомассы по ЛБХПК, мг N/r ЛЕВ ч Максимальная удельная скорость денитрификации биомассы по МБХПК, мг N/r ЛВВ ч Максимальная удельная скорость аэробного удаления органического ь еще ств а обычными гетеротрофными бактериями, ьыраженнаяь ХПК. мг ХПК/мг ЛЕЕ ч
qCffiCUlH.OK	Максимальная удельная скорость использования аммония обычными гетеротрофными бактериями в аэробных условиях для роста биомассы, моль N/мсии С-чипимг N/мг ЛЕВ ч
qpu._PP.A-:	Максимальная удельная скорость аноксидного образования поли-Р биомассы, моль Р/мопь С чили мг Р/мг ЛЕЕ ч
qPG._PP.Qx	Максимаш ная удельная скорость аэробного поглощения ортофосфата или образов ания попи-Р в биомассе, моль Р/моль С чили мг Р/мг ЛВЕ ч
qPP PO„ Ai	М аксимальная удельная скорость анаэробного выделения ортофосфата бисмассы, моль F/мсль С ч илимг Р/мг ЛЕВ ч
q&An	Максимальная удельная скорость анаэробного поглощения пропионата биомассы, моль С/мсль С ч или мг Рг/мг Л В В • ч
t	Максимальная удельная скорость образования или разложения соединения или компонента, масса биомассы'1 время1 или масса актиьной биомассы’1 время1
R ГГАБ.А.АП ОТЖМп	Идеальная или универсальная') газовая постоянная, 8,314 Дж/К мель Максимальная объемная скорость анаэробного поглощения аиетатакультурой ГАБ, моль С/л чипимг Асйгч Максимальная объемная скорость анаэробного пыл ощенил летучих жидких кислот, мель С/п • ч или мг ЛЖК/п ч
MAEAcAn	Максимальная объемная скорость анаэробного поглощения ацетат а культур ой 4 АБ, моль С/п-ч илимг Ас/л ч
ГХПК tAAn IAMXJJH	М аксимальная объемная скорость использованияХПК, мг ХПК/л-мин Максимальная объемная скорость анаэробного поглощения ацетата биомассой; моль Сйт чипимг Асйт-ч М аксимальная объемная скорость использования аммония в процессе выполнения теста на активность анаммокс, мгН/п ч
гамхлн.но,	Максимальная объемная скорость образаь ания нитрат а ь процессе выполнения те ст а на активность анаммокс, мг N/n ч
ГДЫЩТСк	Максимальная объемная скорость использованиянитритав процессе ышолнения теста на активность анаммокс, mtN /л ч
tANO.Oj	Максимальная объемная скорость поглощения кислорода автотрофньп та нитрифицирующими бактериями, mi 02 /л ч
IAOC.Oj IRQ:	Максимальная объемная скорость поглощения кислорода аммоний окисляющими бактериями мг 02 йт ч Максимальная объемная скорость аэробного удаления органическое о веществ а, выраженная в ХПК биомассы, мг ХПК/л ч
tNH._Bu.Ck	Максимальная объемная скорость использования аммония в аэробных условиях для роста биомассы, мель N/л- ч или мг N/л ч
two, tNCi^Nx tNOC.Oi tN0<_N!3K3 rNO^Njjna H-TGJVB tNO^N^CB	Максимальная объемная скорость удаления или поглощения нитрата, мг N/л-ч Максимальная объемная скорость удаления или поглощения нитрат а для денитрификации floN2, мг N/л ч Максимальная объемная скорость поглощения кислород ангар-иг оки сияющими организмами. мгО2 /п ч Максимальная объемная скорость экзогенной денитрификации, мг N/л мин Максимальная объемная скорость эндогенной денитрификации, мг N/л мин Максимаш ная объемная скорость денитрификации на легко биоразлагаемой органике (ЛБХПК), mtN/п глин Максимальная удельная скорость денитрифиг ации на медленно биорас латаемой органике (МБХПК), mtN/п мин
Г01ЛП гОрнд гонс.кпк.ах	Максимальная объемная скорость экзогенного поглощения кислорода, мг OjДилин Максимальная объемная скорость эндогенного поглощения кислорода, мгО2йт мин Максимальная объемная скорость аэробного удаления органических веществ обычными гетеротрофными бактериями, мг ХПК/л ч
ГР rpn. PP.Ac	Скорость повышения дл ления в х оде манометрического тест а, атМмин или атм/ч М аксимаш н ая с бь емная скоро сть анок сидного погл ошения орто фос ф ата (или о бр а? ов ания п зли- Р), мель Р/л чили мг Р/п- ч
tPO._PP.Oc	Максимальная объемная скорость аэробного поглощения ортофосфата ^или образования попи-Р), мель Р/Л ЧИЛИ мг Р/п-ч
rPP_PO„A. IPP_PO_Se:,Ai ISO. An 3al,xiik Sb ScOi ЗЦОг Sus Siy» ЗцС^ых Si	М аксимальная о бь емная скоро егь анаэр обног о в ых од а орг оф ос фат а, моль Р йг ч или мг Р/л- ч Объемная скорость высвобождения вторичного ортофосфата, моль С/л чили мгС/л ч Максимаш ная объемная скорость анаэробного в ос становления сульфата, моль S/л- чипимг 3/л-ч Концентрация ацетата в единицах ХПК, мг ХПК/л Концентрация легко биоразлагаемой органики (в виде ХПК), мг ХПК/л Концентрация диоксида угперодаь общем объеме жидкости, моль С/л Концентрация растьора для титр оь ания Н2О2. ммоль 02/мп Концентрация сульфида в жидкой фазе, мг Эйт илимг ХПК/л Концентрация супь фида ьо впускной трубе или на входе в реактор или систему, моль S/л или мг З/л Концентрация сульфида на ьых оде из реактора или системы, миль S/л или мг S/л Концентрация компонента в жидкой или водной фазе, масс а/объем
of 346
J14
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Sic
SNl
ЗыаОН
Snh,
Snh,
Snh
Энн
ЗЫСаюн
SNO^Ac
Sno,
Зыо,_ыъах
ЗШц.экв
S1TQ,,Ac
Зыц/зв,™
Sn^/KCIjm!
Snq,
So.
.'Окда
^UiEoh
304
S04,KCHe4
30 4,гач
Spo .JWHW
SpG. гпч
3RT
Sso.^x
Sso .CT,W
Star
T
Tc
Tk
Tief
V
Vhc
Vhti
V ottn
ntr
V Cb
Vc-
VG(t)
V4Q1
Vl
VNaOH
X
Xeb
ХгхКРЧ
ХлГЕ
Хкн
Хлю
Хаоа
Хаоо
Хвю
Хвгц.ХПК
ХСв
Хыоо
Хоно
Y
Y ТМ^ПГхМГ Ai
YjEKKJTTAAn
YjiSKJIIXAi
УЛЖК.ЛЕВА.
YJLKK_H/,Ai
YtcKKJPO.Ai
Yeta
I ПГА_В1оАх
YnTA_Bi:i,Ox
Концентрация щелочности, ммопь/п
Концентрация растворенного газообразного ас от а мг М/л
Концентрация раствора для титрования NaOH, мгэкв/мп
Концентрация аммиака, моль N/n или мг NZn
Концентрация аммония, моль N/л или мгН/п
Концентрация аммиака и аммония, моль N/n или мг N/n
Концентрация нитрита моль N/л илимг NZn
И ачапьная к снцентрацги нитрит а, моль N /п или г ir N/л
Концентрация нитрита в тесте на денитрифиг. ацию, мель N/л или мг N/n
Концентрация нитрата, моль N/n или мг NZn
Концентрация нитрата, коньертироьаннато в газообразный азот в результате денитрификации в ходе мано-
метрического теста, моль N/л или мг NZn
Эквив апент окисленного азота в тесте на денитрификацию, мель N/л или мг NZn
Концентрация нитратаь тесте на денитрификацию, моль NZnилимг N/л
Количество эквивалентов нитрата, поглощенных на ЛБХПК, моль N/n или mtN/п
Количество эквивалент об нитрата, поглощенных на МБХПК, моль NZn или мг N/n
Концентрация нитрата или нитрита, моль N tn или мг NZn
Концентрация растворенного кислорода ГРЮ, мг 02/п
Концентрация растворенного кислорода в неочищенных сточных водах, мгО2/п
Начальная концентрация растворенного кислорода в общем объеме жидкости, глгО2/л
Сульфат
Конечная концентрация сульф аг а в общем объеме жидкости в конце теста на активность, моль З/липимгЗ/п
Начальная концентрация супь фата в общем объеме жидкости в начале тестана активность, моль SZn
или мг S/л
Конечная концентрация ортофосфата ь общем объеме жидкости в конце тестана активность,
мель Р/п или мг Р/л
Н ачапвная концентрация ортофосфата в общем объеме жидкости в начале тестана активность,
моль Р/п или мг Р/п
Время пребывания твердых ьещесть, сут
Концентрация сульфата во впускной трубе или на вх оде в реактор или систему, моль S/п или гиг 3/п
Концентрация сульфата на выходе и? реактораипи системы, мель З/пилимгЗ/п
Внутриклеточное накопленное соединение, моль С/мопь F, мг С ипимгР
Температура, °C или К
Р абочая темпер атура в градусах по Цельсию, °C
Р абочая температура в град/сах по Кельвину, К
Референтная абсолютная температура, К
Объем системы реактора или закрыт ой системы п или мп
Объем образца иловой смеси, и
О бъемнаджидь остного пространства ь манометрическом тесте, п или мп
Общий объ емкиспс тногэ раствора для титрования, добавленного ь ходе те ста на де нитрификацию, мп
Объем кислотного раствора для титрования в ходе теста на денитрификацию, мп
Объем сточных вод, п
Объемгазд п
Объемгазав определенный момент времени 1, п
О бъ ем оксигенир ов анног о р acre ора для титров алия, мп
Обьемжидкости в реакторе или системе, л или мп
О бъемрастьора для титрования N аОН, мп
Число молей углерода на моль органического субстрата
К .нцентрация взвешенных веществ в иловой смеси, г ЬВ/п
Конечная концентрация соединения в форме частиц, мг/л
Концентрация летучих взвешенных е еществ в иповои смеси, г ЛВВ/л
Начальная концентрация соединения в форме частиц, мг/л
Концентрация автотрофных нитттифицир’пощих организмов, мг ЛЕЕ/п или мгХПК/л
КсЕщентрация амм)энийокисляющих археи, мг ЛВВ/л или мгХПК/л
Концентрация аммонийокиспяющих бактерий, мг ЛВВ/л или мгХПК/л
Концентрация биомассы, мг ЛВЕ/п илимгХПК/л
Концентрация биомассвгв единицах ХПК, мг ХПК/л
Концентрация медленно биоразлагаемой органики, мгХПКйг
Концентрация Егитритозмспяюших бактерий, мг ЛВВ/л или мг ХПК/л
Концентрация обычных гетеротрофных бактерий, мг ЛВЕ/п илимгХПК/л
Стехиометрическое отношение выхода, масса/масса
Отношение анаэробного образ обания ПГ2МВ к поглощению лемгчих жирных кислот,
мель С /моль С или мг С/мг ЛЖК
Отношение анаэробного обр ев ов ания П Га к поглощению ЛЖК, мзпь С/моль С или мг С/мг ЛЖК
Отношение анаэробного о бр аз об ания П ГЕ к поглощению ЛЖК, молв Смоль С илимг С/мг ЛЖК
Отношение анаэробного образов ания ПГВ к поглощению ЛЖК, моль С/мопь С илимг С Лот ЛЖК
Отношение анаэробного восстановления сульфата до H2S к использованию летучих жирных кислот,
миль S/моль С или мг S/мг ЛЖК
Отношение анаэробного образования ортофосфатак поглощению ЛЖК, мель Р/моль С илимг Р^мг ЛЖК
Отношение разложения ПГА в аэробных условиях к использованию кислорода мэпь С/Моль 02 или мг С/мг 02
Отношение роста биомассы ь аноксидных услоьиях к испопьзоь анию ПГА, моль С/мопь С или мг С/мг С
Отношение аэробного роста бис массы к использованию ПГА, моль С Л юле С илимг С/мг С
MULUi I IdLIC ZAAJ
of 346
СИМВОЛЫ И СОКРАЩЕНИЯ
Hi
Yita_gv<^
¥пга_фаб,ас
Y ПГА_ФАБ,Ск
Y ПГА_РР_чх
Y ПГА_РР,Ох
Y ПГА ГАБ
Y ПГА ФАБ
YnrAGt/.At
Y ПЛ.TUT. л,
YфAE
Ya
Y А_ПГ1МВ,Ап
YAJTAAi
Y А_ПГБДи
Y А_ПП An
Y A_PO.An
YaIiCCJJH
Yano
Yaoo
Yc_PO_Ai
YcOi
Yay
Yg^jae
Y ф,ФАЕ
’/ (ЯлkA
Y GJssft.Ai
YrMUJ,.^
Ynh,_H*
Yhh_NO,,AMX
YnH.'ia N01
Ynh/o,_no,
YNu^He
Yno,/HH„AMS
YnOx/Ql-NO,
YNO,_nrxAc
УыО,_ФАБ.Ас
YNO>_Bh,Ax
YNG1_Gb.Ac
YNO,_Hf-
Yno,_jf,Ac
Yno,_PPAx
Ynoo
YnOjJITaJk
Yno._*AE.Ac
Yng^B^Ax
YnO^G^.Aj
YnOj_PPj«
Yoho
YCHOAx
YPj._PP.Ac
YPG._PP.Cbc
Ypp
Y ft nrjitE.Ai
Отношение образования гликогена к использованию ПГА ь аэробных условиях, моль С/мопь С илимг С/мг С
Отношение прироста биомассы ФАЕ к использованию ПГА в аноксидных условиях.
моль С моль С или мг С/мг С
Отношение прироста биомассы ФАБ к использованию ПГА в аэробных условиях,
мольС/моль С илимг С/мгС
Отношение образованияполи-Р киспопьзов анию ПГА в аноксидных условиях, моль Р/мопь С илимг Р/мг С
Отношение образов ания поли-Р киспапьзоь аник ПГА в аэробных условиях, мель Р/мопь С или мгР/мг С
Отношение разложения ПГА в аэробных условиях к использованию кислорода у ГАБ,
моль С/мопь О2 или мг С/мг О2
Отношение разложения ПГА в аэробных условиях киспопьзов аник кислорода уФАБ,
мель С/мопь О2 илимг С/мг О2
Отношение образов ания гликогена к использованию ПГА в аноксидных условиях,
мольС/мопь С илимг С/мгС
Отношение образования ПГВ к образованию ПГБ ь анаэробных успоьиях, моль С/мопь С ипимгСЛлгС
Отношение роста биомассы ФАЕ в аэробньи условиях к испопьз оь анию кислорода
моль С /моль О2 или мг С/мг Oj
Рост автотрофных нитрифицирующих бактерий, г ХПК/г N
Отношение анаэробного. обр8воьанитПГ2МЕ к поглощению ацетата, моль С/мопь С илимг С/мг Ас
Отношение анаэробного образен оНияПГА к поглощению ацет ат а моль С/мопь С илимг С/мг Ас
Отношение анаэробного образов анти ПГЕ к поглощению ацетата, моль Сйяопь С илимг С/мг Ас
Отношение анаэробного образов ания ПГВ к поглощению ацетат а моль С/мопь С илимг С/мг Ас
Отношение анаэробного о бр. азов ания ортофосфата к поглощению ацетатд моль Р/мопь С илимг Р/мг Ас
Рост бактерий анаммокс входе использования аммония, моль С/моль N
Рост автотрофньгх нитрифицирующих бактерий, г ХПК/i1 N
Рост аммонийокисляющих бактерий, г ХПК/г N
Отношение анаэробного выделенного ортофосфатак углероду, моль Р/мопь С илимгР/мг Ас
Выход С02 на количеств о поглощении1 с субстрат а моль С/мель С
Отношение анаэробного образ об ания гликогена к использованию киспэродА моль С/мопь 02 илимг С/мгО2
Отношение аэробного образов ания гликогена к изпопь зов .анию гислорода биомассой ГАЕ,
мель С/мопь 02.1 или мг С/мг О2.2
Отношение аэробного образов ания глик этена к использованию кислорода биомассой ФАЕ,
моль С 'моль 02.] или мг С/мг 021
Отношение использования гликогена к поглощению ацетата в анаэробных успоьиях,
моль С/мсль С или мг С/мг Ас
Отношение анаэробного, использования гликогена к поглощению пропионат а моль С/моль С илимг С/мг Рг
Отношение анаэробного использования гликогена к поглощению летучих жирных кислот,
моль С /моль С или мг С/мг ЛЖК
Отношение окисления аммиакак образованию протонов, моль протпнов/rN
Отношение образования нитрат а к использованию аммиака ь метаболизме бактерий анаммокс,
г N/r N или моль Ы.'мопь N
Отношение окисления аммиакак использованию кислорода при окислении аммиака ди нитритА гN/r O2.i
Отношение окисления аммиака к использованию кислорода при окислении аммиака до ниц атд г N/ г O2.i
Отношение использования нитрит а к удалению протонов, моль протонов/г N
Отношение использования нитрита и аммиака в метаболизме бактерий анаммокс, г N/rN или моль N/моль N
О тношение окиси ения нитрит а к испопьз ов анию лисп ор од а для окисления нитрит а д о нитр аг а г N/r О 2
Отношение ансксиднсг '.разложения ПГАк использованию NOj, мель С/мзль N или мг С/мг N
Отношение аноксидногороста биомассы ФАЕ КИСПОПЬЗОВ анию NO;, моль С/мопь N илимгС/мгN
Отношение аноксидног о рост а биомассы к использованию NO з, моль С/моль N илимг С/мг N
Отношение анс/ксидного образования гликогена к использованию NO;, моль С/мопь N или мг С/мг N
Отношение использования нитр ат а и удаления пр от омов, моль протонов/г N
Отношение использования нитрата к удалению протонов в процессе денитрификации, моль протонов/rN
О тношени® аноксидног о о бр аз оь ания полиф ос фат а к испопьз ов анию N Oj, моль Р/м опь N или мг Р/мг N
Коэффициент прироста биомассы нитрит окисляющих бактерий, г ХПК/г N
Отношение разложения ПГА в аноктздных условиях к использованию NOx, моль С/мсль N илимг С/мг N
Отношение рост а биомассы ФАЕ в аноксидных условиях к испспьзов анию NO х, моль С/мопь N илимг С/мг N
Отношение роста биомассы в аноксидных успоьиях к использованию NOX, моль С/мсль N илимг C/mtN
Отношение образов ания гликоген а в аноксидных условия:; к испопьз оь анию NO я,
мольС/мопь N илимг С/мг N
Отношение образования пппифо с фата в аноксидных условиях к использованию NO х,
моль Р/мопь N или кп1 Р/мг N
Коэффициент прироста гетеротрофных микроорганизмов в аэробных условиях,
мг ЛЕ В/ХПК или г ХПК/i1 ХПК
Коэффициент прироста гетеротрофных микроорганизмов ь аноксидных усп овиях,
мг ЛВВ/ХПК или г ХПК/г ХПК
Отношение образованияпопи-Р кпогпощетлоо ортофосфата в аноксидных условиях.
М'ЭЛЬ Р/мопь Р или тяг Р/мг Р
Отношение аэробного образованияполи-Р к поглощению оргофосфагА моль Р/мопь Р илимгР/мг Р
Отношение образования поли-Р киспопьзов анию. кислород а в аэробных условиях,
мель Р/мшь 02 или мг Р/мг 02
Отношение образования ПГ2МЕ? к поглощению пропионата в анаэробных успоьиях,
моль С/мопь С илимг С/мг Рг
of 346
in
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Уй-_ПГЛАп ¥ ЙПГЕ^. Уй.ПГЬЭп Уй.РСМп YsO./TCKMn ¥хью а р 5-соотношение ДХПК(%) ДХПКгглр AG°' AOiiraip AtSB_Ac	Отношение образов ания ПГА. к поглощению пропионата в анаэробных условиях, моль С/мопь С или мг С/мг Рг Отношение образов ания ПГЕ к поглощению пропионат а в анаэробных условиях, моль С/мопь С или мг С/мг Рг Отношение образования ПГВ к поглощению пропионат а в анаэробных условиях, мош СЛлопь С илимг С/мг Рг Отношение выделенного анаэробного ортофосфата к поглощению пропионата, моль Р/мопь С или мгРЛлг Рг Отношение анаэробного восстановления сульфата к использси анию ЛЖК, моль 3/моль С или мг 3/мг Ас Рост биомассы, мольС/мопь С илимг ЛСБ/г ХПК Безразмерный коэффициент распределения для ф азов его равновесия жидкость — га? сероводородаНьЗ Эквивалент кислорода для окисленных форм азота АТФ, образованный на единицу О j, использованного при аэробных условиях, мель АТФ/моль Oj Б алане ХПК, % Общая концентрацияХПК, испопьзаьэнного в реакторе или системе, мгХПКйт Свободная энергия Гиббса, кДж/мош Общая концентрация испопьзоь энного кислорода мг ХПК/л Продолжит -льность фазы аноксидной денитрификации с использованием ЛЕХПК в качестве донора электронов, мин
ДисСВЛ:	Продолжительность фазы аноксидной денитрификации с использованиемМБХПК в качестве донора электронов, мин
Л Ц Ц ОНО	Эквивалент кислорода для нитрата, mtGj /мг N илимг ХПК/мг N Удельная скорость роста бисмассы, масса/время обьем М аксимальная удельная скорость роста биомассы обычных гетеротрофных бактерии в аэробных условиях, ч’1 или сут’1
р ОНО, А:	М аксимальная удельная скорость роста биомассы обычных гетеротрофных бактерий в аноксидных условиях, ч1 или сут’1
рдоо pNGO Р	Максимаш ная удельная скорость роста биомассы аммонийокиспяк<щи бактерий, сут 1 Максимальная удельная скорость роста биомассы hhtjmtокисляющих бактерий, сут 1 Плотность, г/п или г/мл
АЕ
АМО
АМФ
АНАММОКС
АОЕ
АРВП
АТФ
АФС
БУПВ
ВЕИС
ВЭЖХ
ГАЕ
ДФАБ
КОС
ЛБХПК
ЛЕВ
ЛЕВИС
МБР
МЕХПК
МГБ
М одифицир ов энная
система UCT
НУ
ООУ
ПГ2МВ
ПГА
ПГТ
ПГВ
Попи-Р
рДНК
САК
СПК
С РЕ
УАА
УБУФ
ФАБ
ЧН
А/О
А2
А2О

ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ
В АКТИВНОМ ИЛЕ
Активная биомасса
Аммониймоно ок сиг еназ а
Адене зию юно фо сф ат
Анаэробное окисление аммония
Аммонийогиспяюшие бактерии
Анаэробные реакторы со споем гр анупир ов энного ила и восходящим потоком жидкости
Аденозинтрифосфат
Аденозинфосф осунь фат
Биологическое удаление питательных веществ
Концентрация взвешенных ьещеегь ь иловой смеси
Е ысокоэффективная жидкостная хроматография
Глик стен аккумулирующие бактерии
Денитрифицирующие фосфор- и полиф со фат аккумулирующие бактерии
Канализационные очистные сооружения
Легко биоразлагаемое органическое вещество, измеренное в виде ХПК
Летучие взвешенные вещества
К онцентр ация летучих взв ешенных г еще сть в ил ов ой сме си
Мембранный биореактор
Медленно биоразлагаемая биомасса, измеренная в виде ХПК
Метаногенные бактерии
Модифицированная система Университета Кейптауна
Н еорганический углерод, мопь/п
D бщий органиче ский углерод
П спи- р-гидрокси-2-метипь аперат
П оли- fj- гидроксиапканоаты
П спи- р-гидроксибутират
П оли- [3-гидроксивалерат
П опифосфат
Рибоссмальная ДНК
Свободная азотистая кислота
Скорость поглощения кислорода
Сульфатредуциоующие бактерии
Удельная активность бактерий ьн аммокс
Улучшенное биологическое удаление фосфора
Фосфор- ипиполифосфатаккуьфтирующие бактерии
Ч астичная нитрификация
Анаэробно-оксидная (аэробная! система
Анаэробно-аноксидная система
Анаэробно- аноксидно-аэробная система
of 346
СИМВОЛЫ И СОКРАЩЕНИЯ	И1
АС ANO ANS АО А ASM BIODENIPHO CAS С STR DGGE FISH HAO HDH HZS NADH NAR Nir NO NOO NOR(hhhNXR) NOS OHO Photedox PhcStnp PNA PPi RBC SAN I® SBR TH Delft UCT	Ацетогены или ацет стенные бактерии Автотрофные нитрифицирующие бактерии Анаэробный ил или система с анаэробным ил ом Аммонийокиспяющие археи Модель активного ила Система биологической денитрификации и удаления фосфора О бычный активный ил Реактор непрерывного действия с механическим перемешиванием Ц енатурирующий градиенты! ш гель - электро форез Флуоресцентная in situ гибридизация Гидроксил амин-оксидоредуктаз а Гидразиндегидрогеназа ГI щр азинсинта” а Н икотип амид адениндинукп еотид Нитратредуктзе а Нитрит оксидоредзгктаза Закись азота Hi стрит окисляющие бактерии Нитрит оксидоредуктаза Редуктаза закиси азота Обычные гетеротрофные бактерии Удаление фосфора при чередовании окислительных и восстановительных условий Удаление выделенного в анаэробных условиях фосфора из ила в отдельном ре акторе Процесс частичной нитрификации-анаммокс Пирофосфат У станоька с вр ащающимися бисдисками И нтегрир ов энный проце сс в ос становления супь ф ата, автотро фной д енитрификации и нитри фик ации П ериодический реактор Целфтский технический институт Университет Кейптауна
В Синволы	РЕСПИРОМЕТРИЯ
[С НО] АЕПК БПК БПКоо БПК.ч БПИц, БПКс6раад БПК“Т	Лю б ой утл ев од Азотное биохимическое потребление кислорода, мгО2/л Биохимическое потребление кислорода, mtOjZh Предельное биохимическое потребление кислорода, мгО2й! Биохимическое потребление кислорода спустя 5 сут, мг O2fa Кратковременное биохимическое потребление кислорода, мг О2/л Кратковременное биохимическое потребление кислородав образпе, мгО2/л Кратковременное биохимическое потребление кислорода, необходимое для биоразпожения определенного
БПКг ВВ ВВИС ЛВ ЛВВ ПР Виаг-чигт ЛЕВИС ООУ ПБПК ПБПК РК С Па СПК СПН УСПА УСПК ХПК wcwe ХПК ХП5 ХПК^ Ас AS Ml CH* Ci	органического вещества, присутствующего в сточных водах, мгО2/л Поглощение кислорода, измеренное ь момент времени 1, мг О2/п Общая концентрация взв ешеншк веществ, мгВВ/л В зв ешенные в еществ а в ил оь ой сме си, мг В Е/п Летучие вещества, мг JIBfa Взвешенные летучие вещества или концентр щия летучих взвешенных веществ, мг ЛВВ.'л Концентрация летучих взв ешенных в еще ств в инокуляте, мг Л ВВ 'л Летучие взвешенные в еще ств а в иловой смеси, мг ЛВВ/л Э бщий органический углерод, С мопьйт или мг С/л Предельное биохимическое потребление кислорода, мгОг fa Предельное биохимическое потребление кислорода, мг О jfa Р аств оренный кислород Скорость поглощения аммония, mtN fa ч Скорость поглощения (использования) кислорода (г оц, моль O2fa ч илимг О2 fa ч Скорость поглощения с или испопьзов ания) нитрата (гыоз/, N-мппь/лч или мг N/лч Удельная СКОрОСТЬ ПОГЛОЩеНИЯ (ИСПОЛЬЗОВАНИЯ^ аММОНИЯ, MrN/r ЛВВ Ч Удельная скорость поглощения (или использования') кислорода, MrO2.fa ЛЕВ ч Хшиическое потребление кислорода, мг ХПК/л Концентрация разпижиьшегися биоразлагаемого субстрата, мг ХПК/л Концентрация субстрата, выраженная в ХПК, мг ХПК/л Концентрация ацетата и уксусной кислоть; выраженная в ХПК, мг ХПК/л К онцентр ация ацет аг а или уксусной кисл оты, мг Ас/л Модель активного ила № 1 Метан Концентрация соединения или элемента в газовой фазе или наджидкостномпространстве реактора или системы, ч мин
CN’1 Co,	Цианид, мг/л Концентрация кислородав газовой фазе, ч/млнпо объему
of 346
11!	ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
СО2 ClXjx Fee Feeti н Hj Has НСОз ICso ЩЕг. к kLa n Na NjtC NH4 NO3 NOx- O2 P QeX JeEK Qcb R	Углекислый газ Конпентр шия O2 в газе, поступающем в системуюхи реактор, ч/млн по объему Расход газа или соединения, поступающего в реактор мни систему. мопь/чипи мг/ч Р асх од газа или соединения, выходящего из системы или реактора, мпль/ч или мг/ч П ост оянная Г енри для расть зрит хости газ а, моль/и? П а Водород Сульфид Б икар бонат или щелочи о ств Конпентр ация, обеспечивающая 50%- е ингибиров ание процесса дыхания, мг/л Г одержание азота в биомассе ипикэтхьтуре, г N/r ЛВВ или г N/r ХПК Коэффициент скорости поглощения кислорода первого порядка, сут1 Коэффициент объемного массопереноса, сут'1 Количество газа, присутствующего в объеме наджидхюстнэго пространств а, моль Г азообразный азот Конпентр ация доступного для нитрификации азот а, мг N йг Аммоний Нитрат Нитрат или нитрит Кислород Давление, Паилиторр Р асх од жидкости на вх оде в систему, л/сут, м'/сут, мл'мин Расход жидкости на ВЫХ ОДе из системы или реактора, п/сут, м’/суг. МЛ'МИН Расход сточных вод на входе в систему/реактзр, л/сут, м’/сут, мп/мин Универсал! ная газовая постоянная, 8,314 Дж/Кмош Максимальная объемная скорость эхзогенного поглощения кислорода до добавления токсичного соединения, МгО2ЛХ мин
t^^nocne)	Максимальная объемная скорость экзогенного поглощения кислорода после добавлении токсичного соеди- нения mtOj/лмин
ГАНСА IAOOA r^Yt)	Ск-эрость экзогенного дыхания автотрофных нитрифхщируюших бактерий, мг Озйт ч Скорость дыхания аммонийокиспяющих бактерий, мгОз/л ч Временные ряды скоростейэкзогенного дыхания связанные с окислением конкретного компонента, присутствующего в сточных водах, мг Oj/лч
tNHJIO, ДЛДои iNO^HO, XNO, iNO,jk: ШООА tOx tOx ГОх ГОьСвщ ГО^экз r0x3is(ft 1О1ЛИ ГОхЛНдкз ЮхДОхЗк: jSBHQ.jirs	Скорость аэробного окисления аммония до нигрит a, mtN,'л ч Скорость экзогенного дакания за счет нитрификации, мг Oj/л ч Временные ряды скоростейэкзогенного дькания за счет нитрификации / г11*0!3®3 )я мг 02/л ч Скорость- аэробного окисления нитрита до нитрата, мг N/л ч Объемная скорость поглощения нитратд мг N/л мин Объемная скорость экз стенного поглощения нитрата, мг N/л мин Скорость дакания нитритотнеляющих бактерии, мг О2/л ч Максимальная объемная скорость поглощения кислорода, мг О2Лх мин Максимальная объемная скорость поглощения кислород а, мг О2йт мин Скорость поглощения кислорода, мг О2йт ч Э бщая ск орость поглощения кислорода биомассвх, мг О г/л мин О бьемная скорость экз огенного поглощения кислорода, мг О2йт мин Временные ряды скоростейэкзогенного дыханиягО2я1в мгО2/лч Объемная скорость эндогенного поглощения кислорода, мгОтДт мин Скорость экзогенного дакания, связанного с окислением аммония, мгОз/п ч Скорость экз стенного дакания, связанного с окислением нитрит а, мг О 2йх ч Скорость экзогенного поглощения нитрата, связанного с денитрификацией
^ЬНцзк^	на легко биоразлагаемой органике, mtN/л ч Временные рядах скорости экзогенного поглощения нитрата, связанного с денитрификацией
jSBCx3K3 ^ЬОьЗКЗф	на легко биоразлагаемой органике, мг N/л ч Скорость экзогенного дакания, связанного с окиолениемлегко биоразлагаемой органики, мгОхйх ч Временные рядах скоростейэкзогенного дькания, связанного с окислением легко биоразлагаемой органики, мгОгйх ч
rXCEN0>«3	Скорость экзогенного поглощения нитрата, связанного с денитрификацией
гЯСВМО,.эк!ф	на медленно биоразлагаемой органике, мгN/n ч Временные рядах скорости экзогенногопоглощения нххтрата, связанного с денитрификацией на медленно биоразлагаемой органике, mtN/п ч
rXCBQx3K S*°> д’бхдад Sb Звл	Скорость экзогеннсто дькания, связанного с окислением медленно биоразлагаемой органики, мг О ул ч Концентрация насьпцения растворенного кислорода! объеме жидкости при местньп условиях, мг О2/л Концентрация насыщения расть оренного кислорода в объеме жидкости при эндогенных условиях, мг О2/л К инцентр ация легко биор азпагаемог о орг анхtче скот о ъ еще ств а, выраженная в ХПК, мг ХПКйх Концентрация азота, ассэцихфох анного в растворенное бххоразпагаемое органическое вещество», Н -мопь/л или мг N/n
Sb((J) Snh, Snq, So So, SUpKX STF	Начальная концентрация легко биоразлагаемого органического веществ а, выраженная в ХПК, мг ХПК/л Концентрация зммзнияи аммиака, N-ьлопь/п или мг N/n Концентрация нитрата или нитрита, N-мопьйх илимг N/л И сходная к онцентрация субстрата, мг/л Концентр щия растворенного кххепорода (РК), мг О2/л Концентрация растворенного кислорода в неочищеннвк сточньк в одах. глх и2/л Стандартная температура и давление, 273,15 Ки 1013,25 бхр
MULUilldUC ZUUT^
of 346
СИМВОЛЫ И СОКРАЩЕНИЯ
И)
т
тач
V
" ига
V
V реакпр!
VG
Vl
Xaito
ХСв
ХСвл
Хо
Хоно
¥
Yano
¥аоо
Ynoo
Yoho
Yohojx
Л
ANOk
Д10иООц
|10Ни
РАНО
Температура, °C или К
Время импупьсного добавления пробы, мин илич
В р емя. не обх о димое для в изв ращения к ск ор ости знд от енного дых ания после д об авп ения пр о бы мин или ч
О бьем системы, реактора или закрытой системы л или мп
О бьем ила в реакционном сосуде до добавления образца, л
О бьем образца, добавленного в реакционный сосуд, п
О бьем системы реактора или закрыт ой системы, пили мп
ЭЬвемгаза л
Эбьемжидкости в реакторе или системе, л или мп
Концентрация автотрофных нитрифицирующих бактерии, мг ЛВВ/лилимг ХПК/л
Концентрация медленно биоразлагаемой органики, мг ХПК/л
Концентрация азота, ассоциированного т медленно биоразлагаемую органику, N-моль/п или mtN/л
Исходная концентр ация бисмассы мг/л
Концентрация обычных гетеротрофных бактерий, мг ЛВВ/л или мг ХПК/л
Стехисметриче ский коэффициент прцэоста, масса/масса
Коэффициент прироста нитрифицирующих бактерий, г ХПЮг N
Прирост аммонийсйсиспяняцих бактерий, г ХПК/г N или г JIBE/N
Прирост нитрит окисляющих бактерий, г ХПК/г N ипигЛВВЛ’Г
Коэффициент прироста гетеротрофных микроорганизмов в аэробных условиях, мг ЛВ Е/ХПК или г ХПК/г ХПК
Коэффициент прироста гетеротрофных микроорганизмов в аноксидных условиях, мг ЛЕВ/ХПК или г ХПК/г ХПК
Эквиваленты кислорода ь нитрате, мг Oj/мг N или мгХПК/mtN
Разность скоростей поглощения нитрата, связанных со скоростями денитрификации на быстро
или медленно биоразлагаемой органике, мг N/л мин
Разность скоростей поглощения кислорода до и после непрерывного добавления сточных вед, мг Oj/hmhh
Максимальная удельная скорость рост а биомассы обычных гстерогрофных бактерийь аэробных условиях, ч/сут
Максимальная удельная скорость роста биомассы автотрофных нитрифицирующих бактерий, сут’1
Софгщвшя
РЕСПИРОМЕТРИЯ
ATM	Алпиптиамочевин а
АТФ	Аденозинтрифо с фат
Б МП	Б и омет ансвый п от еьщиал
Г	Г ат
гпп	Проточный газ, проточная жидкость
гпе	Протечный газ, статичная жидкость
ГСП	С т атичный газ, пр от очн ая жидко сть
гсс	С т атичный газ, ст атичн ая жидк ость
ж	Жидкость
жпп	Проточный газ, проточная жидкость
ЖПС	Протечный газ, статичная жидкость
жсп	Ст атичный газ, пр от очная жидкость
жсс	Жидкая фаза, статичный газ, статичная жидкость
ЛЖК	Летучие жирные кислоты
УБУФ	Улучшенное биологическое удаление фосфора
УМА	У дельная метаногенная активность
УФ	Ультрафиолетовый свет
ФаБ	П олифос фат аккумулирующие бактерии
Ai	Аргон
ARIKA	Автоматизированный анализ кинетики ингибирования
IAVVQ	Международная ассоциация контроля качеств а в оды
MFC	Регулятор влас сов ого расх од а/массоьый расходомер
NeCH	Гидроксид натрия
ТС MP	2-хлор-6-(трихлорметип) пиридин
дыхания
Сиввош
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
БПКз ВАЛ ВВ	Быохизлическое потребление кислорода, определяемое спустя 5 сут, mtOj/п В озврат активного ила, м-/сут Взв ешенные вещества, мг ВЕ/л
ВВИС
ИАН
ЛВВ
ЛЕВИС
ЛЖК
ОАК
OAKpitu
Концентрация взвешенных веществ в иловой смеси, мгВЕ/п
Избыточный активный ил, мУсут
Взв ешенные летучие вещества, мг ЛЕВ/л
Концентрация летучих взвешенных веществ в иловой смеси, мг ЛВВ/л
Летучие жирные кислоты С-мопь/л мг ХПК/л или мг ЛЖК/л
Общий азот пс Кьепьдалю, N-мзпь/п или larNAi
Общий азот пс Кьепьдопьр, опредепяемвьйв отфипвтроьаннойпроб^ Ы-мопь/л илимг N/n
MULUilldUC
of 346
140	ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
овп ОФ РК УБПКлоац	Окислительно-восстановительный потенциал, м£ 0 бщий фосфор-. Р-мопь/л или мг Р/п Р астворенный кислород, моль Oj/л или мг Oj/n Углеродное биохимическое потребление кислорода, определенное спустя5 сут в свеяла не фильтрованных пробах, мгОз/п
УБПКл,филиг	Углеродное биохимическое потребление кислорода, определенное спустя5 сут в отфильтрованных пробах, мгОцйт
ХПК ХПКрИЛБ ХП Кфипфлаг	Химическое потребление кислорода, г ХПК/л Химическое потребление кислорода, определяемое в отфильтрованной пробе, мгХПК/л Химическое потребление кислорода, определяемое в пробе, подверженной коагуляции- флокуляции и фильтрации, мг ХПК/л
Щеп А al, а2, аЗ, а4, aS	LE елочность, мг эке/п илимг СеСОзйт Площадь сечения секции поверхностной эмиссии камеры изолиров энного потока /SEIFC), ы2 П араметры очистки газа, определяемые в х оде тестоь с помощью оценки или линейной регрессии и служащие для описания концентраций газа в рамках метода -очистки газом
С Сг-гшгёГХ 'т ЛИЙ-Г'ТПИГГ'^ 'ягагапг т -гелии C(3.2Zt)	Концентрация газа, М, титл л, мг/л, г/п или кг/м3 Концентрация гелия, измеренная в газовом хроматографе, ч/млн или % Концентрация гелия в отходящем газе из коллектора, ч'мпнипи% Концентрация гелия ь индикаторном газе, ч/млн или % Концентрация газав наджидкостном пространстве под системы2 метод а газоочистки ь виде функции времени, ч/млн или %
С&п С (ЗиЛ СК4 Cb/t) Cli4r С 02 CRC^ CRafy C^t) Dl £фо? H2SO4 Не К п N2 N2BX N3O Na?l NH3 NH3-N NH4+ NO а NOa-N NO^ NO3-N NOx P Q 02 Qi Qat Qmiq>a Jiajjhinaip ’jnmr Qipcre®	Концентрация газав потоке газа, подаваемого в очистительный прибор, ч/млн или % К г нцентрация газа, поступающего в очистительную камеру прибора, ч/млн или % Метан, ч/млн по объему, % или таг ХПК/л Концентрация газав подсистеме 1 метода газоочистки в тиде функции времени, ч/млн или % мг/п Концентрация газа во входящем патоке в реакторе, мг/п Диоксид углерода, ЧМПН, %, С-МОПЬ/Л ИЛИ Mi' С/л Концентрация газа в реакторе в виде функции времени, ч/млн или % Концентрация газав истекающем г азе в гиде функции времени, ч/млн или % Концентр ация газа, присутствующего в жидкой фазе реактора в виде функции времени, мг/л, ч/млн или % Скорость разбавления жидкости, и Ai чили ь?/м? сут Частота отборапроб С ерная кислота, мопь/п или % Г елий, Чмпн или % Чувствительность очистительного прибора Количество метана в расширенном наджидкосгномпространстве флакона, молг Газообразный азот, ч/млн, %, N-мопв/л илимг N/л Газообразный азот, подаваемый! очистительный прибор, ч/млн Оксид азота, чТяпн, %, N-мопь/л или мг N/n Хлорид натрия или сайг. мг, % или мг/л Аммиак, N-миль/л илимг N/л Концентрация аммиака и аммония в виде азота N-моль/л илимг N/n Аммоний, N-моль/л или мг N/n Ншрит, N-мопь/п или мг N/n Концентр ация нитрита в виде азота, N- мопь/п или мг N/n Нитрат, N-мспь/пилимг N/n Концентрация нитрата в виде азота, Н-мсль/п или мг N/n Концентрация нитрат а и нитрит а, N-мопь/п ипимгНйт Атмосферное давление, Па Скорость потока, мп/мин, п/ч или м//сут Кислород, чйлпн, %, 0-мопь/л или мг Оз/л Скорость- потока в референтной точке 1, мп/мин, п/ч илимУсут Скорость потока, поступающего в систему с активным ил ом м^/сут А дв активный п от ок газ а, пр ок одящий чер ез к зппектор, мУсут Пот от. газа-индикатора, подаваемого в очистительную камеру, М3/сут Поток газа, исходящего из секции поверхностной эмиссии камеры изолированного потока/SEIFC), м^/сут Поток продувочного газа или газ а-носителя, поступающего в секцию поверхностной эмиссии камеры изолированного пот ок a (SEIFC), м3/сут
Qg QGl(t) Qgsar Ql	Поток очистительного газа, мп/мин, л/чтшимУсут П сток газа, выходящего из подсистемы 1 в виде функции времени, мп'мин л/ч кии м7сут П от от; газа, подав аемого в реактор, мп/мин, л/ч или мУсут Постоянная скорость потока жидкой пробы, поступающей из реакторав очистительную камеру, мп. мин, п/ч или мУ сут
Ql Qn qrg QRGft) qrl Q^-t) R rrv	Поток жидкости, подаваемой в очиститепыг'ю камеру, мп'мин, п/ч или мУсут Скорость потокав точке отб ора пробы или в референтной точке п, мп/мин, п/ч или м7сут И сходящий поток газа, мп /мин, л/ч или м’/сут Поток газа, входящего в реактор, в виде функции времени, мп мин, п/ч или м7сут Поток исходящей жвдкости, мп/мин, п/чилиМ*/сут Поток жидкости, поступающей! реактор, в виде функции времени, мп’мин, п/ч или ы?/сут Поток исходящей жвдкости в виде функции времени, мп/мин, п/ч илиmVcvt Г азов ая постоянная 8,314 м Па/мспь К Объем реактора, п ипим5
га 
о* 346
СИМВОЛЫ И СОКРАЩЕНИЯ
141
Rv
Rtff)
SRT
t
T
V
Vi
Vhti
Vip-зСЫ
Vai
V вд
Vl
Vo
VRG,1
у RU2
VKL
Vs
Wj
Wc
p
О бь ем жидко сти в под системе 1 ь мет од е очистки газ ом, п или М*
Эбьемжидкости ь подсистеме 1 в методе очистки га? ом в виде функции времени, л ипим5
Время пребывания твердых веществ, сут'
Время, чили суг
Температура, °C или К
Расширенный объем наджидкостногс пространства в конце теста, лилии
Наджидкостное пространство! шприцев конце теста. ют или п
Наджидг.остное гр о стр энствово флаконе до расширения, и или
Э бьем пробы, мп или п
Э бьем г аз а в подсистеме 1 в методе счистки газом, п ипим5
О бьем наджидг. остного пространства в подсистеме 2 в методе очистки газом л или м3
П оотоянный обьем жидкости в очистительной камере, л или ь?
Исходный о бь ем наджидк остного пространства шприца доя отбора проб, мп или п
Объем ре акт ора, л илим3
О бь ем наджидг: остногс пр остранстт а, л или м3
О бьемжидкости ь реакторе, л или ь?
Расширение Пространства! шприце ДЛЯ отбора проб за счет роста Давления В О флаконе, мп мнил
Вес флакона после заполнения его чистой в одой до отметки пробки, мп или п
Б е с фп акона после доб явления исх одного объ ема в оды, мп или п
Плотность, г/л
Сафащешя
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ
БУПВ
ГХ
гхдтп
ДИП ГХ
ДТП
ик
кос
н д
пг
США
Фурье-ИКС
ЭЧН
ASTM
С
DaS
ЕРА
I
IPCC
ISE
SC ADA
SCAQMD
SEIFC
SHARON
US EPA
Биологическое удаление питательных веществ
Газовый хроматограф
Г аз оь ый хр омат огр аф, оснащенный д атчиком т еппопр ов одности
Газовмй хроматограф с пламенно-ионизационным детектором
Датчик теплопроводности
Инфракрасный свет
Канализационные очистные сооружения
Н ет данных
П арниковый газ
С с единенные Ш таты Америки
И К Фурье спектроскопия
Экьиьапент численности населения
Американское обществ о испытания материапоь
Н епрерывно отбираемая проба
7 ист ема сб ора и р егистр ации данных
Агентство по охране окружающей среды США
П ерисдический отбор проб
Межпр аьительгть енная группа экспертов по изменению климата ООН
И оно селективный электрод
С ист ема диспетчерского контр опя и с б ор а данных
О кружной орг ан к онгриля з а к аче ств ом ь из дух а Южного поб ережь я
7 екция поь ерх ностной эмис сии камеры из опир ов энного п от ока
Одноступенчатый реактор с высокой активностью по удалению аммония с помощью нигрита
Агентство по охране окружающей среды США
Сиасшы
РАБОТА С ДАННЫМИ И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
COY^B
F
,4.С!
44-р
0
а
0
OL
Ковариационная матрица оценок параметров
Распределение вероятностей выборки i =•
В ерхний прсцентипь V2 tr распред ел ения с N-p степенью свобод
Статистические оценки параметра
Стандартное отклонение i функции нормального распределения)
В ектор параметра динамической модели
Стандартное отклонение статистических оценок параметра
Вектор параметра, оцененный на основе набора данных DS(i)
Ц	Удельная скорость роста биомассы, масса/время объем
Цтю-.АОО	Максимальная скорость роста биомассы аммонийот.испяюших бактерий (АОО), сут 1
ЦтахНСЮ	Максимальная скорость роста биомассы нитрит окисляющих бактерий (NOO), сут1
of 346
142
Ьаоо
Ьноо
С№0
Сх
СО2
СОЧУ)
U0)
disg
Ds(i)
Е
ЕО
F
Н2О
nd
kLa
Ко, АОО
КаНОО
KsAOO
Кг Ли и
Mi
NH:,
Оа
Pi
qt
qm
qu
И
Rj
S(y,ff)
s2
Sa
Shh
SnOj
Sho,
So
So*
Sr
u
van)
4)
X
x
Xaoo
Xnoo
У
/
Yaoo
Yji
Yhoo
Ysc
Ysh
Yso
Yspi
Ysw
Ysx
a
Yg
Yi
)K
yo.
1*
5^ F
Ax
e
Xk
c(D
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
Скорость распада биомассы аммонийокиспяющих бактерий(АОО), сут’1
Скорость распада биома с ты и притоки сияющих бактерий (NOO), суг'1
Восстановленный ист очник углерода в качестве субстрату С-моль
Компонент 1, масса/объем
Углекислый газ, С-мель
Ковариационная матрица прогнозных значений на основании модели
Набор исходных данных с Ы-м количеств ом точек данных
Диагон апьнь ie зп ементы i матрицы
i-й набор синтетических данных
Матрица значений сохраненных свойств субстратов, продуктов и биомассвх
Расчетное значение вектора случайной величины, у
Матрица Якоби
Вода
Независимые и одинаково распределенные случайные в епичины
Объемныйкоэффициент массопереноса, сут1
Сродство аммонийсаисляющих бактерий к кислороду, мг Oj/л
Сродство, нитрит окисляющих бактерий к кислороду, мг Ог/п
Сродство амглонийокиспяющих бактерий к суб страту (NH»), мгЫйт
Сродство нитрит окисляющих бактерийк субстрату(ЬЮз), mtNAi
Параметр компонента! в мод ели Моно
йммиак в качеств е источника азота для роста, N-мопь
Молекулярный кислород, О-м иль
Продукт, С-моль
Объемная конверсия/скор ость образов ания компонента!, масса i/ объем время
Набор измеренных значений объемных скоростей
Набор неизмеренных значений объемных скоростей
Скороств образов аниямассыкэмпонента! за единицу времени на единицу веса биомассы
масса i/время масса биомассвт
П арная .линейная к ору елягп и между ст атис тическими оценками
Функция стоимости (или цел ев ая функция)
Несмещенная оценка остатков прогнозируемых значений
В ект ор функции аб сслютной чув ствит ельности
Концентрация азота в виде аммония, мгЫХп
Концентрация азота в виде нитрита, mtNAi
К ониентрация а? ота в виде нитр аг а, мг N/n
Концентрация кислорода, мг 02/п
Концентрация насыщения кислорода, мг 02/п
Вектор функции относительной чувствительности
Вектор исходных данных динамической модели
Дисперсиявектора случайной величины, у
Стехиометрический коэффициент компонента! в процессе]
Концентрация биомассы, С-моль
Переменные состояния в динамической модели
Кониентрац1!я биомассы аммоний окисляющих бактерий (АОО), мг ХПК/л
К енцентрация би омас сы нитрш окисляющих б актерий (N 00), мг ХП К/л
Вектор выходных данных, полученных из динамической модели
Выборка по бутстреп-методу
Выход биомассы аммонийокиспяющих бактерий(АОО) на субстрате (NHt), мг ХПК/мгП
Выход компонента i на единицу компонента)
Выход биомассы нигрит окисляющих бактерий(ЫОО) на субстрате (ЬЮ£), мг ХПК/mtN
ВыходCOj на единицу субстрата, С-мопь/С-моль
Выход азота на единицу субстрата, N-мшь/С-мопь
Вых од кислорода на единицу субстрата, О-мапь/С-мопь
Выход промежуточного продукта Pi на единицу субстрата, С-мопь£ймопь
Выход в оды на единицу субстрата, Н-моль/С-мппь
Выход биомассы на единицу субстрата, С- мопь/С-мопь
Уровень значимости
Степень в ос становления глюкозы, моль е-/С-мопь
Степень восстановления компонента!, моль е-?мопь
Коэффициент коллинеарности для поднабора параметров К
Степень кос становления кислорода, моль е-/О-моль
Степень восстановления биомассы мель е-/С-мопь
Среднеквадратичная дельта-мера чувствительности
Отклонения входных данные модели от их нормальных значениц х'
Погрешности в измерениях
Множеств о собственных значений нормиров энной матрицы чуьствитепь ности
для поднабора параметров К
Стандартное отклонение погрешности интегрирования по методу Менте-Карп о
MULUilldllC ZUUT^
of 346
СИМВОЛЫ И СОКРАЩЕНИЯ
mi
Софзщвмя
РАБОТА С ДАННЫМИ И ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ
КОС	Канапиз щиснные очистные сооружения
ММП	Метод максимального правдоподобия
О ДУ	О бьплаоь енные дифф ер енцироь анные ур ав нения
ХПК	Химиче слое потребиение кисп ород а
АОО	Амьганийокиспягощие бактерии
AS М	М од ель актиьного ила
МСМС	Метод М энге-Карпо с цепями Марков а
MW	М ол екулярный ь ес
NOO	Нигритокисляющие бактерии
О АТ	Одно факторные методы
Синвош
ТЕСТЫ НА СЕДИМЕНТАЦИЮ
ВВВ
ДБВ
ДЕ Вех
ДВ Вши
ИИ
ИОзо
РИИ
УИИП
ФВВ
Cd
dj.
Е
А»
fin
ё
и
к
M(t)
ill HiO
ttlHrD
mo
Мг'НеЧ
Мкта
M,.-
Пь-
тт
mi?
Rep
rv
S$
V &Q
Vo
V»
vs
Vs
Xbe
|-lw
pp
?S
pw
Содержание взвешенных веществ на выходе из отстойника в очищенных сточных водах, мг/л
Концентрация диспергированных взвешенных веществ, мг/л
Концентрация ДБВ на входе в о вторичный отстойник, мг/л
Концентрация ДВВ невыходе из в горичнсго отстойника, мг/п
Иловый индекс, мп/г
Объем занимаемый 1 г ила после 30-минутного отстаивания, мп/п
Разбавленный иловый индекс, мп/г
Удельный иловый индекс в перемешиваемом растворе, мп/г
Концентрация флокулированных взвешенных в ещесть, мг/п
Континуум средний
Диаметр частиц, м
Процент погрешности массов ого баланса, %
Массовая доля частиц со скоростью осаждения ниже, чем vs, %
Ч асть колонны для осаждения занлтая илом после 30 глин осаждения
Гравитационная постоянная, м/с'
ВысотакшенныViCAs, м
Канет анта соотношения частиц и жидкости
Накопленная масса осевших на дно колонны частиц ь промежуток времени между) = 0 Ht, мг
Масса воды, добавленная в пикнометр, содержащий образцы гранул, г
Масса воды в попноствю заполненном питометре, г
М ас с а пуст от о пикнометра, г
Конечная масса в коп знне, мг
Начальная масса в колонне, мг
Сумма масс, полученных из чашек на дне колонны мг
Масса гранул, г
Масса пикнометра с водой, г
Масса пикнометра, в оды и гранул, г
Число Рейнольдс а частицы
Параметр осажд асмости, л/г
Масса частиц, осажденных в период между! = 0 Ht, скорость осаждения которых ььпле, чемН/t, мг
Объем в оды, добавленной ь пикнометр с частицами, п
Максимальная скорость осаждгнид м/ч
Скорость зонного осаждения, м/ч
Масса гранул, л
Скорость осаждения одной частицы, м/с
Концентрация В В ила, г/л
Динамическая вязкость воды, кг/м с
Кинематическая вязкость водь;
Плотность частицы, кг/м
Плотность- пробы с частицамщ г/л
Плотность жидкости, кг/м3
СОфЭифШЯ
ТЕСТЫ НА СЕДИМЕНТАЦИЮ
V iC As	М ег одит: а измерения скоро сти о с ажд ения частиц в цилиндр е при ст атиче ских условиях
(от фр «Vitesse de Chute en Assaunssement»)
of 346
144
Сияешь
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ В О ЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД
МИКРОСКОПИЯ
Разрешение микроскопа
Показатель преломления иммерсионной ср еда г используемой для линзы объектива
Половина угла р асх о диме сти объектива, степень
Длинавспны света, м
Длина волны возбуждения, м
Длина вспны испуск лия. м
МИКРОСКОПИЯ
Софшр ШЯ
ВБИС ВПЕ ГАЕ ДМФ дцДНК ИН КЛСМ КОС ПГА ПЗС Пипи-Р ПП ПФ А РК СП УБУФ ФАЕ ФСБ Ча ЭДТА	Взвешенные в еществаь иловой смета Внеклеточные полимерные вещества Гликогенаккумупирующие бактерии Циметипфор мамид Цвухцеп очечная ДНК Индекс нитчатых К онф ок апьная лаз ерная ск анирующая микр> оск опия Канапитщиснные очистные сооружения Поли- р-гидроксиапт.аниагы Камера с прибором с зарядовой сеязвю П олиф ос фат Показатель преломления П ар аформапь деп ад Растворенный кислород Свет опальный Улучшенное биологическое удаление фосфора Попифосфатаккумупирутощие бактерии Фосфатно-солевой буфер Числовая апертура Эткпендиаминтетрауксусная кислота
Card-FISH СТС CTF DAPI dHcO DOPE-FISH EtOH FA FISH HI Ph 5 DS ТЕ	Энзимы, усиливающие интенсивность сигнала в процессе флуоресцентной! и situ гибридизации 5-циано-2,3-ди-(п-толил j тетразопий хлорид Флуоресцирующие кристаллы формазанов 4',б- ди амидине- 2 - фенил! тнд оп дипир сап орида дипакт ат Дистиппирог энная вода Двойное мечение опигонукпестидных зондов для флуоресцентной!?? situ птбридизации Этиловый спирт Формамид Флуоресцентная т situ гибридизация Г ек вдги йодид Ф аз оьый контр аст Цодеципсупьфат натрия Трис-ЭДТА
Сияешь
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
С q	ПOpоговый цикл в х оде КОПИЧестьенной ПЦР
С или с	Концентрация
g	Сипа гравитации, G
V	Объем
Соирзщешя
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕТОДЫ
АОБ BE вкДНК ВЭЖХ	Агимонийокиспяющик бактерии Взвешенные вещества Внеклеточная ДНК В ыс пк os ффектиьная жидко стная хр омат аграфия
of 346
СИМВОЛЫ И СОКРАЩЕНИЯ	J4i
Гае ГЕТ ццДНК К оличеств енная	Глиь.огенаккумупирующие бактерии Г етеротрофные бактерии Двухцепочечная ДНК Количественная полимеразная цепная реакция в реальном времени
ПЦР КОС МРЗС НИТ НОВ о&мин ОТ-ПЦГРВ ОТЕ ПЦР рРНК СИЗ ГЕ удг ФАБ А2о0/230 А260Я30 BHQ-1 DGGE FAM FISH FPET LCA MIQE	Канализационные очистные сооружения Метициллин-резистентные St^tylococcus airet-is Нитчатые бактерии Нитрит окисляющие бактерии О боротов в минуту Полимеразная цепная реакция с обратной транскрипцией в реальном времени О пер аци они ая т ак с он омиче ская единица П опимеразная цепная реакция Р ибо сомапьная F НК С р ед ств а индивидуальной з ащиты Трис ЭДТА Урацил- Д НК- гл ик озипаз а Попифосфатаккумупируьсщие бактерии Отношение поглощения света при 260 и 230 нм Отношение поглощения света при 260 и 28С нм Нефлуоресцентныи гаситель Elack hole quenchei-1 Д енатурирующий градиентный гель- зп ектр' । форез 6-к ар 6 пксифпупре сцеин Флуоресцентная г'и зли гибридизация Резонансный перенос энергии флуоресценции Наименьший общий предок Минимальная сообщаемая информация, необх i димая дня публикации результатов эксперимента количественной ПЦР в реальном времени
MW PC А РЕ PF Q10,Q20, Q30 ROX SDS 5PRI TAT4RA V1-9 VRE	М оп екулярный вес Анализ методом главных компонент Парные прочтения Клаттеры секвенироь ания. преходящие через фильтры Показатели качеств а секвенирования Р еференсный краситель для количественной ПЦР Н атрии д од ецип супь ф ат Твердофазные микроносители с обратимой иммобилизацией Тетр аметипрод амин В ариабепьный участок рРНК V1 -9 Ванггамицинсрезистентнне энтерококки