Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

Грибы. В активном иле аэробных очистных сооружений встречаются дрожжи и мицелиальные (плесневые) грибы.

Дрожжи активно развиваются в сточных водах, богатых углеводами, углеводородами и органическими кислотами, например, при очистке сточных вод, образовавшихся в производстве кормовых дрожжей из разных субстратов, стоков молочных производств, содержащих молочную сыворотку. Среди дрожжей часто встречаются дрожжи рр. Candida, Torulopsis, Trichosporon, Rhodotorula.

При поддержании значения рН в области 3,5–6,0 биоценозы с доминированием дрожжей могут иметь высокую окислительную способность и эффективно очищать сточные воды. Однако применение дрожжей для очистки сточных вод ограничено их слабой седиментационной способностью и недостаточной глубиной окисления загрязнений.

Грибы способны усваивать трудноокисляемые и токсичные соединения, в частности фенолы, поэтому их роль в процессах очистки существенна. Оптимальный pH их развития 4,0–5,5.

Среди мицелиальных грибов встречаются рр. Cladosporium, Fusarium, Geotrichum, Mucor, Trichoderma. Они образуют разветвленные гифы, которые затрудняют образование плотных хлопьев и осаждение ила и могут приводить к его вспуханию. Особенно часто во вспухающем иле, наряду с нитчатыми бактериями S. natans, встречаются грибы из р. Fusarium. Для предотвращения опасности обильного развития грибов и вспухания ила биологическую очистку проводят при pH 6,8–7,2, благоприятном для развития флокулообразующих бактерий.

Простейшие. Простейшие составляют около 0,5–1% суспендированных частиц активного ила. Они принимают непосредственное участие в потреблении органических веществ, однако, занимая в сообществе активного ила более высокий уровень в трофической цепи питания, чем бактерии, простейшие поглощают большое их количество (от 20 000–40 000 бактерий за сутки), тем самым регулируют видовой и возрастной состав микроорганизмов, снижают массу биоценоза, обеспечивают активную флокуляцию микроорганизмов и, следовательно, улучшают очистку воды.

В биоценозах очистных сооружений встречаются несколько сотен видов представителей четырех групп простейших: 1) саркодовые (Sarcodina) – амебы (Amoeba limax, Amoeba diploidea, Amoeba proteus), раковинные корненожки (Arcella, Centropyxis), голые корненожки Pelomyxa и др.; 2) жгутиковые (Mastigophora, Flagellata) – бесцветные жгутиконосцы из родов Bodo, Peranema и др.; 3) реснитчатые инфузории (Ciliata) – свободноплавающие (Colpidium, Stylonychia, Oxytricha, Paramecium caudatum – инфузория туфелька), брюхоресничные инфузории (Oxytricha, Stylonychia, Euplotes, Aspidisca), одиночные прикрепленные (сувойки Vorticella), колониальные прикрепленные (Opercularia, Carchesium, Epistylis); 4) сосущие инфузории (Suctoria) – представители родов Podophrya, Tokophrya, Acineta.

По сравнению с бактериями простейшие более чувствительны к изменению химических и физических условий среды, колебаниям технологических параметров очистки, поэтому по численности простейших, их видовому составу и состоянию можно судить о работе очистного сооружения.

Простейшие очень чувствительны к присутствию в сточных водах токсичных примесей, например фенола, формальдегида, которые угнетают их развитие.

Вусловиях полного биологического удаления загрязнений из воды в иле

восновном присутствуют брюхоресничные инфузории, колониальные инфузории Carchesium, раковинные корненожки Arcella, отдельные крупные амебы, сувойки Vorticella convallaria, отсутствуют мелкие амебы и бесцветные жгутиковые.

При перегрузке очистных сооружений в иле преобладают саркодовые, особенно мелкие амебы и сосущие инфузории.

При недостатке в сооружениях растворенного кислорода клетки многих простейших увеличиваются в объеме, а затем погибают. В большом количестве развиваются жгутиковые; из инфузорий преобладает Paramecium caudatum, выносливая к недостатку кислорода и способная развиваться даже в гниющем иле. Преобладание амеб и жгутиковых, свободноплавающих инфузорий Colpidium и Paramecium caudatum свидетельствует о неудовлетворительной работе сооружения.

При дефиците питания наблюдается измельчение простейших, они становятся прозрачными, их пищеварительные вакуоли исчезают, инфузории инцистируются.

Кроме простейших, в активном иле присутствуют более крупные, сложнее организованные представители микрофауны: коловратки Rotatoria (Rotifera) родов Philodina, Cathypna (Lecane), Monostyla, Notommata, круглые черви Nematoda, малощетинковые кольчатые черви р. Aelosoma. Размер их 0,04–2,5 мм.

Коловратки питаются бактериями, взвешенными веществами, а также простейшими. Они весьма чувствительны к изменению внешних условий, поэтому их высокая численность и активность указывают на хорошую работу очистных сооружений. При массовом развитии коловраток деструкция органического вещества, определенная по БПК, может составить 100–200 мг О2/л в сутки.

Отсутствие коловраток в иле свидетельствует о неудовлетворительной очистке. Появление раздутых, измененных особей, внезапная их гибель обусловлены резким нарушением режима очистки. При понижении концентрации растворенного кислорода коловратки теряют подвижность, вытягиваются и постепенно отмирают.

Интенсивное развитие круглых червей Nematoda свидетельствует о застойных зонах в аэротенке. Наличие кольчатых черевей р. Aelosoma в активном иле – показатель устойчивости нитрификации.

Для образования биоценозов систем очистки используют активный ил с уже работающих очистных сооружений, состав которого сходен с составом поступающих загрязнений. При отсутствии очистных систем-анало- гов активный ил формируют из сточных вод, разбавленных водой местных хозяйственно-бытовых предприятий или из реки, постепенно адаптируя ценоз к загрязнениям стоков. Ил наращивают путем аэрации отстоенной, снабженной биогенными солями и подогретой до 20–25 °C сточной воды.

При появлении через 36–48 ч видимых хлопьев ила добавляется исходная сточная вода, аэрация продолжается и периодически производится декантация активного ила, сброс отстоенной воды и добавка исходного стока. Через 15–16 сут по достижении концентрации ила 0,4–0,5 г/л аэротенк переводят в режим непрерывной подачи сточной воды с возвратом всего оседающего во вторичном отстойнике ила в аэротенк до тех пор, пока его концентрация не достигнет 3–5 г/л. После этого начинают выводить из системы часть избыточного ила.

Иногда активный ил формируют, используя сообщества микроорганизмов, полученных в лаборатории и потребляющих один или несколько основных компонентов загрязнений. Однако в условиях очистных сооружений лабораторный ценоз неустойчив и является лишь начальным звеном для образования рабочего активного ила.

1.4.1.2. Биопленки и биообрастания

Биопленка образуется в результате адгезии микроорганизмов, прежде всего бактерий, на твердой поверхности. Бактерии прикрепляются к любой поверхности (если только не принимаются специальные контрмеры, например наносятся антибактериальные покрытия) при контакте между твердой поверхностью и сточной водой. Первичная колонизация твердого субстрата контролируется, главным образом, физическими механизмами (электростатическими, дисперсионными взаимодействиями) и протекает относительно медленно, но на поверхностях, на которых уже начался рост бактерий, ведущими становятся биологические процессы, и пленки образуются быстрее. На этой, необратимой, стадии бактерии выделяют внеклеточные полимеры, адгезия которых к поверхности обеспечивает им более прочное прикрепление. По мере роста микроорганизмов площадь твердой поверхности, создаваемой самими обрастателями, увеличивается; на поселившихся ранее клетках оседают и прикрепляются последующие клетки. Таким образом, на поверхности появляются обрастатели второго, третьего и более высоких порядков, колонизация поверхности прогрессирует, на ней формируются сообщества со сложной многоярусной структурой, с высокой пространственной гетерогенностью и разнообразием потенциальных экологических ниш.

Бактерии, не способные прикрепляться, вымываются из реактора. Также постоянно отмирает часть микроорганизмов биопленки, которые вместе с ее частицами вымываются в результате гидравлического сдвига, эрозии. Со временем формируется зрелая биопленка, в которой отмирание и вымывание микроорганизмов компенсируются процессами роста.

Концентрация адсорбированных на твердой поверхности органических молекул и ионов выше, чем в объеме жидкости, благодаря этому, а также плотному контакту с пищевым субстратом, скорость метаболизма и роста бактерий на твердых поверхностях оказывается выше, чем при питании во взвешенном состоянии. Они используют сконцентрированные на поверх-

ности питательные и ростовые вещества, в то время как концентрация этих веществ в окружающей воде может быть крайне низкой.

По консистенции биопленка биофильтров, предназначенных для очистки сточной воды, представляет собой слизистые обрастания материала загрузки толщиной не более 3 мм. Их морфология и толщина зависят от состава стока, скорости движения жидкости над поверхностью пленки и свойств формирующих ее микроорганизмов. Общая масса биопленки может составлять 10–100 кг асв/м3, типично – 40–60 кг асв/м3.

Биопленка по биологическим и химическим компонентам сходна с активным илом. Внеклеточные полимеры, синтезируемые бактериями и входящие

всостав биопленок, состоят главным образом из полисахаридов, белков, гликопротеинов и полиуроновых кислот. Они составляют 50–80% массы органического вещества пленок и определяют их механические и физические свойства, близкие к свойствам пористых полимерных гелей. При очистке от загрязнений внеклеточные полимеры лучше сорбируют такие вещества, как ароматические углеводороды (50–60% общего количества загрязнений, сорбируемых биопленкой), и хуже – тяжелые металлы (около 15–25%).

Особенность биопленки состоит в том, что с очищаемой жидкостью контактирует только ее поверхностный слой. Морфология пленок довольно сложна:

вних наблюдаются пустоты, каналы, каверны, поры и филаменты с клетками, агрегированными в кластеры и слои. В целом же у поверхности, контактирующей с жидкостью или газом, находятся наиболее активные клетки микроорганизмов и наиболее интенсивно протекают биохимические процессы окисления. Типичная глубина проникновения кислорода в активные биопленки составляет около 100 мкм. Внутренние слои, обращенные к носителю, испытывают дефицит кислорода, в них развиваются аноксигенные (аноксичные) и анаэробные процессы, возможны дефицит питательных субстратов, выделение газов (азота, метана) в результате протекания процессов денитрификации и метаногенерации. Выделение газов, отмирание голодающих бактерий и их распад во внутреннем слое биопленки могут приводить к ослаблению адгезии и вымыванию биопленки.

Вперколяционных биофильтрах (см. разд. 1.4.5.1) загрязненная жидкость стекает вертикально, фильтруясь через материал загрузки. В таких условиях возникают градиенты концентраций загрязненных веществ, содержания кислорода в воде и подаваемом воздухе, а также наблюдаются изменения

ввидовом составе микроорганизмов и свойствах пленки биофильтра вдоль вертикального профиля сооружения (рис. 1.17). В верхних горизонтах концентрация питательных веществ выше, чем в нижних. Здесь в первую очередь потребляются легко усваиваемые компоненты загрязнений, протекает аммонификация, наиболее интенсивно прирастает биопленка, окисляются органические вещества сточной воды, однако наблюдается и наибольший дефицит кислорода. В пленке находятся преимущественно организмы, обитающие в наиболее загрязненной воде.

Рис. 1.17. Распределение микрофлоры в биофильтре при очистке сточных вод гидролизного производства (по И. В. Вольфу, Н. И. Ткаченко, 1973)

По мере прохождения сточной воды через биофильтр меняется соотношение органических загрязнений воды. Снижается содержание трудноусваиваемых загрязнений, развивается нитрификация, меняется видовой состав организмов. В нижней части биофильтров содержание загрязнений низкое, а кислорода – высокое, там скапливаются организмы, которые потребляют биологическую пленку, оторвавшуюся от поверхности носителя. Преобладают организмы, предпочитающие менее загрязненные зоны воды. В экосистеме с биопленкой наблюдается пространственное разделение экологических ниш, в которых каждый организм выполняет свою определенную функцию, вместе же они способны практически полностью извлечь из сточной воды все органические примеси.

Для образования пленки через биофильтр пропускают бытовые сточные воды. Когда пленка, разрушающая загрязнение бытовых стоков, разрастается, постепенно добавляют промышленные сточные воды. Пленка может расти дватри месяца.

Состав организмов в биологической пленке разнообразнее, чем в активном иле; в ней находятся бактерии, актиномицеты, грибы, вирусы, простейшие, водоросли, членистоногие.

В условиях непрерывного потока воды в биопленке преобладают микроорганизмы, способные к колонизации поверхности носителя. В экосистемах биофильтров среди бактерий встречаются представители родов Flavobacterium, Bacillus, Acinetobacter, Pseudomonas, энтеробактерии, грамотрицательные палочки, коринеформные бактерии, микрококки. В верхних слоях биофильтров развиваются зооглееобразующие бактерии Z. ramigera. Возможно развитие нит-

чатых бактерий S. natans. Значительная часть биопленки (до 30%) формируется плесневыми грибами. Преобладают представители рр. Fusarium, Geotrichum, Sepedonium, Ascoidea, Penicillium, причем р. Fusarium доминирует на поверхности биопленки, a р. Geotrichum – в глубине. По мере прохождения сточной воды через загрузку численность бактерий и грибов снижается.

При чрезмерном разрастании плесневых грибов и нитчатых бактерий возможно образование сплошной волокнистой пленки на поверхности загрузочного материала, что затрудняет прохождение жидкости через биофильтр, ухудшает аэрацию, приводит к его заиливанию, образованию застойных зон и вследствие этого к снижению эффективности его работы. Для предотвращения заиливания биофильтра периодически на 1–2 сут прекращают подачу сточной воды и перемешивают слои фильтра.

Внижних слоях биофильтров скапливается большое количество простейших. Преобладают брюхоресничные инфузории и сувойки. В верхних слоях развиваются организмы, устойчивые к дефициту кислорода: Paramecium putrinum, P. caudatum, Colpidium colpoda и др. Их появление в сточной воде на выходе из биофильтра, наряду с возрастанием численности бактерий и концентрации ионов NH4+ – признак плохой работы очистного сооружения.

Впленке биофильтров развивается разнообразная фауна: рачки, черви, личинки, насекомые, клещи. Питаясь простейшими и биомассой отмершей биопленки, они способствуют более полной минерализации органических веществ и очистке сточных вод. Среди червей встречаются крупные представители кольчатых (р. Enchitreus), большое количество малощетинковых кольчатых (р. Aelosoma) и мелких круглых, а также гельминты. Черви разрыхляют биологическую пленку и улучшают аэрацию биофильтра. На биофильтре часто наблюдается массовое развитие мелких мошек (рр. Psichoda и Podura) и личинок комаров (р. Chironomida). Личинки выполняют ту же функцию, что и черви, однако обильный вылет взрослых насекомых в периоды массового развития нежелателен с гигиенической точки зрения. Большой вынос червей с биофильтра – показатель накопления пленки в каком-то его участке, что может вызвать заиливание фильтра.

Вбиопленке на освещенных участках могут развиваться водоросли, а также цианобактерии. Из водорослей чаще всего встречаются представители семейства Chlorophyceae и вольвоксовые (Volvox aureus).

Для работы очистных сооружений наиболее универсальны протококковые водоросли, которые от автотрофного питания могут переходить к гетеротрофному и усваивать различные источники углерода и азота. Кроме того, они устойчивы к изменениям pH.

Водоросли, потребляя CO2 и выделяя O2, являются симбионтами по отношению к бактериям. В процессе фотосинтеза водоросли могут полностью обе-

спечить потребность бактерий ила или биопленки в O2. В условиях же искусственного освещения этот режим энергетически невыгоден.

Водоросли могут полностью утилизировать фосфор. Используя их, можно осуществить глубокое удаление биогенных элементов (обычно в биопрудах). Ил из водорослей и бактерий называется альгобактериальным илом,

а сооружения, где он используется – симбиотенками и симбиофильтрами. Симбиотенки и симбиофильтры представляют собой обычные очистные сооружения с дополнительным освещением рабочего пространства. Их рационально использовать на последних ступенях очистки. Однако процесс очистки нестабильный, поскольку он сильно зависит от освещенности и температуры. Кроме того, если водоросли фиксируют больше CO2, чем выделяется его в ходе дыхания бактерий и водорослей, то происходит загрязнение сточных вод веществами, синтезируемыми водорослями и выделяемыми в окружающую среду. Для стабилизации режима очистки водоросли можно выращивать в отдельном аппарате и передавать их в симбиотенки или симбиофильтры. Наиболее успешно симбиотические системы применяются

встранах с теплым климатом при очистке некоторых промышленных и бытовых сточных вод.

Состав организмов биопленки, развивающихся при очистке сточных вод на полях фильтрации и орошения, отличается от биоценоза пленки биофильтров. На полях фильтрации и орошения часть микрофлоры и микрофауны представлена почвенной биотой: бактериями, грибами, водорослями, простейшими, червями, членистоногими, а часть поступает со сточными водами. Бактерии, поступающие со сточными водами на поля фильтрации, задерживаются верхним слоем почвы благодаря ее адсорбирующей и фильтрующей способности, образуя биопленку. Суммарная поверхность биопленки, развивающейся на почвенных комочках на 1 м2 почвы, составляет примерно 50 000 м2. Однако по сравнению с биофильтрами такая биопленка менее производительна из-за не-

оптимальных условий окружающей среды. Проникновение О2 в почву ограничивается слоем толщиной 20–30 см. В более глубоких горизонтах минерализация осуществляется анаэробными микроорганизмами.

Значительную роль при очистке сточных вод на полях фильтрации играют нитрифицирующие бактерии, количество которых в 100 раз больше, чем

вобычной окультуренной почве. Летом на площади 1 га образуется ежедневно около 70 кг нитратов. Вместе с водой они поступают в нижние горизонты почвы, где восстанавливаются денитрифицирующими бактериями с окислением оставшихся в жидкости органических соединений. На полях фильтрации в норме денитрифицируется 12–18% образовавшихся нитратов, при перегрузке – 80–90%.

На полях орошения в состав биоценоза входят также высшие растения, удаляющие из почвы биогенные элементы. Корни растений улучшают структуру и аэрацию почвы, а корневые выделения способствуют развитию ризосферной микрофлоры.

Разновидностью биопленки являются биообрастания. Они развиваются

втрубах и на погруженных в воду поверхностях. В системе водоснабжения они ухудшают качество воды, санитарно-техническое состояние водопроводной сети, забивают сетки, решетки, фильтры и трубы, особенно при длительном пребывании воды в водопроводах. Снижается пропускная способность трубопроводов технической воды и теплообменников, возрастают затраты энергии на перекачку воды, ухудшается теплообмен. В результате развития сапрофитной микрофлоры, сульфатредукторов, нитрификаторов

Б – сравнение, основанное на индексах разнообразия. Используют следующие индексы.

Индекс видового богатства (d):

где S – число видов, N – число особей.

Индекс Симпсона (С):

где N = ni, а ni – оценка значимости i-го вида (численность, биомасса и т. д.), N – сумма оценок значимости (общая численность, биомасса и т. д.).

По аналогии с индексом Шеннона (Н), используемого для оценки информационной энтропии, введен индекс видового разнообразия (D):

где ni – оценка значимости i-го вида, N – сумма оценок значимости, pi – вероятность вклада каждого вида.

где H – индекс видового разнообразия (индекс Шеннона), S – число видов.

Несмотря на некоторые недостатки этих индексов (например, максимальному разнообразию D, определенному через индекс Шеннона, соответствует равенство всех рi , что противоречит данным наблюдений над реальными сообществами), индексы разнообразия и кривую доминирования-разнообразия можно использовать для оценки влияния неблагоприятных факторов на видовую структуру биоценоза. Разнообразие выше при благоприятных условиях среды, наблюдается большее число видов, каждый из которых представлен небольшим числом особей.

Кривая доминирования-разнообразия в стрессовых условиях становится более крутой (чем круче идет кривая, тем меньше общее разнообразие и сильнее доминирование одного или нескольких видов).

С помощью определения индекса разнообразия оценивают степень загрязненности водоема и сточных вод. Богатое видовое разнообразие организмов активного ила свидетельствует о благополучии биологической системы аэротенка, высокой эффективности очистки и устойчивости биоценоза к повреждающему воздействию токсичных сточных вод. В неблагоприятных условиях видовое разнообразие ила снижается. Чувствительные к неблагоприятному воздействию виды могут полностью исчезнуть или резко снизить численность, в то время как устойчивые становятся еще обильнее.