Биохимические методы переработки техногенных отходов Часть 1. Биологи

тельном разрастании на водопереливах лотков вторичных отстойников водоросли отрицательно влияют на равномерное распределение потоков очищенных сточных вод, поэтому необходимо регулярно производить очистку водопереливов от обрастания водорослей. Если на очистных сооружениях имеются фильтры доочистки, необходимо применять альгицидные средства борьбы против засорения их водорослями либо использовать механическое удаление.

Вактивном иле встречаются различные типы (подтипы) простейших многоклеточных организмов: саркодовые (Sarcodina), жгутиковые (Flagellata), ресничные инфузории (Ciliata), сосущие инфузории (Suctoria), коловратки (Rotifera), первичнополостные (Nematoda) и вторичнополостные черви (Oligochaeta), брюхоресничные черви (Gastrotricha), водные клещи класса паукообразных

(Arachnida), тихоходки (Tardigrada).

Простейшие (Protozoa). Подтип саркодовых (Sarcodina) включает в себя три класса Lobosea, Filosea, Heliozoea. Корненожки подразделяются на голых амеб и раковинных, раковина которых состоит из органического вещества и различных минеральных включений.

Класс Lobosea, подкласс Gymnamoebia – голые амебы. Они питаются бактериями, мелкими простейшими и растворенными органическими веществами. Разнообразный тип питания позволяет предположить участие голых амеб в очистке сточных вод.

При высокой нагрузке в активном иле развиваются многочисленные мелкие амебы группы Limax, имеющие удлиненную форму с одной подвижной псевдоподией. Эта группа объединяет несколько видов амеб, устойчивых к воздействию температуры

ихимических факторов и является индикаторами нарушения работы сооружения очистки: высоких нагрузок, неудовлетворительной аэрации, диспергирования хлопьев активного ила, высокого содержания в иловой смеси бактерий, не связанных с хлопком ила [22].

Внормально работающем аэротенке встречается крупная (200–500 мкм) Amoeba proteus, имеющая древовидно-разветвлен-

111

ные псевдоподии. Крупные амебы – обитатели нормально функционирующего ила.

Идентификация голых корненожек затруднена, видовую принадлежность можно определить только на жгутиковой стадии или на стадии митоза ядра.

Раковинные амебы активного ила (класс Filosea) легко идентифицируются благодаря наличию раковины.

Различают три типа раковинок в зависимости от материала, из которого они построены [22]. Первый тип раковинок состоит из белка типа кератина (Arcella).

Второй тип раковинок состоит из органического вещества и экзогенных минеральных частиц (ксеносомов). Ксеносомы – это мельчайшие песчинки неправильной формы, перемешанные с частицами детрита и другого строительного материала, извлекаемого амебой из сточных вод (Centropуxis и др). Третий тип раковинок состоит из органического вещества, покрыта минеральными элементами эндогенного происхождения – идиосомами, состоящими из кремнезема и расположенными на поверхности раковины в виде правильных рядов (Trinema, Euglуpcha и др.).

Взависимости от состава сточных вод на различных очистных сооружениях цвет раковинок может быть различен и зависит от «строительного материала», используемого амебами.

Тип питания раковинных амеб, как и других саркодовых, – голозойный. Они питаются бактериями и мелкими жгутиконосцами. Для раковинных амеб характерно и диффузное питание растворенными питательными веществами.

Вактивном иле раковинные корненожки подразделяются на две экологические группы: парящие, или планктонные, и приуроченные к хлопьям активного ила. Парящие корненожки длительное время остаются во взвешенном состоянии за счет большой удельной поверхности, создаваемой многочисленными филлоподиями.

Вэту группу входят виды Gromia fluviatilis и Gromia neglecta [1].

Они питаются диспергированными бактериями, мелкими простейшими. Массовое их развитие является индикатором нарушения процесса очистки и дефлокуляции хлопьев активного ила.

112

Остальные саркодовые, обнаруженные в активном иле, объединены в группу бентосных, связанных с хлопьями ила. Увеличение численности бентосных корненожек является показателем повышения органических нагрузок на активный ил. Это обусловлено их типом питания. С одной стороны, при повышении удельных нагрузок увеличивается биомасса бактерий в хлопьях, которыми питаются амебы, а с другой – повышение содержания растворенной легкоусвояемой органики в сточных водах улучшает диффузное питание раковинных амеб и создает благоприятные условия для их интенсивного размножения.

Постоянно встречаются в активном иле представители родов

Arcella, Centropуxis, Pamphagus, Euglуpha, Difflugia и др.

Солнечники. Класс Heliozoea. В активном иле класс солнечниковых корненожек представлен родом Actinophrуs. В этот род входят корненожки шарообразной формы, небольшого размера (до 50 мкм) с многочисленными аксоподиями, расходящимися от центра как лучи солнца. У солнечников раковины отсутствуют. Солнечники – хищники, питающиеся жгутиковыми, коловратками, инфузорями. Массовое развитие их, при неблагоприятном воздействии различных факторов на хлопья активного ила, служит индикатором этого воздействия.

Бесцветные жгутиконосцы. Организмы имеют постоянную форму тела с одним или несколькими жгутиками, размер которых составляет от 10 до 20 мкм и не превышает 50 мкм. Среди бесцветных жгутиконосцев встречаются как одиночные, так и колониальные формы. В полисапробной зоне присутствуют как одиночные организмы – Bodo c двумя жгутиками, так и колониальные, образующие шаровидные колонии Oicomonas. Основной пищей этих организмов служат бактерии, мелкие органические частицы ила, растворенные органические вещества. Из бесцветных эвгленовых жгутиконосцев встречается Astasia, отличающаяся наличием в плазме зерен запасного вещества парамилона. В летнее время в аэротенках при хорошей очистке сточных вод в массовом количестве развиваются зеленые эвгленовые Euglena, Phacus, Trachelomonas. В биоценозе аэротенков, работающих на

113

полную биохимическую очистку, в иле с хорошими нитрифицирующими свойствами развивается крупный хищный представи-

тель данного класса – Peranema trichophorum.

Осмотрофное питание, низкие энергетические процессы, высокая сапробиологическая валентность позволяют жгутиконосцам развиваться при высоких нагрузках или в пусковой период сооружений биохимической очистки, в условиях низкого содержания кислорода в иловой смеси, в момент аварийных сбросов и перегрузок. В стабильных условиях очистки эта группа организмов почти не развивается. Массовое их развитие является индикатором нарушений в технологическом режиме эксплуатации сооружений очистки, вызывающей распад хлопьев активного ила.

Ресничные инфузории Ciliata. Различные виды ресничных инфузорий отличаются по форме тела и внутреннему строению. Обычные их размеры 30–100 мкм, некоторые виды достигают размеров 1 мм. Реснички служат им для движения и принятия пищи. В активном иле встречаются представители четырех классов:

1.Kinetophragminophora (роды Litonotus, Hemiophrуs, Amphileptus).

2.Oligohуmenophora. В основном это крупные, свободноплавающие инфузории – седиментаторы пищевых частиц.

3.Peritricha (кругоресничные). Имеют форму колокольчика, расширенный конец тела покрыт ресничками.

4.Polуhуmenophora, у которых реснички неравномерные на брюшной стороне тела, у некоторых видов сохраняется равномерный ресничный покров.

Жизнедеятельность инфузорий тесно связана с активным илом. Степень ассоциации их с хлопьями зависит от зрелости последних. В активном иле с мелкими диспергированными хлопьями активного ила преобладают крупные свободноплавающие инфузории, питающиеся свободноживущими бактериями. Инфузории устойчивы к повышенной мутности сточных вод, недостатку кислорода, повышенным нагрузкам органических веществ на активный ил. В процессе формирования хлопка доминируют хищные свободноплавающие и брюхорестичные инфузории, выедаю-

114

щие бактерий в активном иле. В пусковой период аэротенка в процессе первичного наращивания активного ила появление брюхоресничных инфузорий свидетельствует о сформировавшихся хлопьях ила и использовании его в качестве опоры для передвижения. Появление прикрепленных перитрих к хлопьям ила связано с завершением процесса развития и формирования хлопьев. Функция прикрепленных инфузорий – снижать мутность воды на завершающих стадиях очистки и выедании бактерий, утративших связь с хлопьями.

В активных илах цилианы подвержены значительным количественным популяционным, родовым и видовым изменениям под влиянием различных условий среды в процессе биохимической очистки. Этим организмам активного ила уделяется первоочередное внимание как индикаторам оценки качества очищаемых сточных вод.

Индивидуальные виды инфузорий являются индикаторами различных состояний процесса очистки. Присутствие большого числа видов Vorticella campanula и Vorticella nebulifera указывают на снижение нагрузки на ил, а Vorticella microstoma характеризует их повышение [2].

Инфузории, как и большинство простейших, обладают способностью к инцистированию и могут временно переживать неблагоприятные условия среды, формируя особую оболочку – цисту. Цисты простейших организмов имеют разнообразную форму и строение. Во время инцистирования все жизненные процессы в клетке замедляются и организм переходит в состояние анабиоза. Многие инфузории выдерживают полное высыхание и сохраняют жизнеспособность в течение нескольких лет.

Высокие концентрации органических веществ приводят к морфологическим и физиологическим изменениям у прикрепленных инфузорий. С возрастанием нагрузок форма тела их изменяется от вытянутой в бочкообразную и до округлой [23]. При воздействии токсических веществ прикрепленные инфузории измельчаются, отрываются от стебельков, ресничный диск закрывается.

115

С увеличением содержания органических веществ в сточных водах и при плохом перемешивании и циркуляции иловой смеси в активном иле возрастает количество свободноплавающих инфу-

зорий Chilodonella cucullulus (150 мкм), Chilodonella uncinata

(90 мкм), Amphileptus claparedei (130 мкм). В перегруженном иле встречаются толерантные к анаэробным условиям, сероводороду и углекислоте виды Tetrahуmena compessum; Paramecium caudatum (300 мкм); Paramecium aurelia; Paramecium putrinum

(100 мкм). Массовое развитие перечисленных видов наблюдается при деспергировании хлопьев активного ила, в биоценозе высоконагружаемых аэротенков.

Брюхоресничные инфузории, присутствующие в активном иле, характерны для нормально работающих аэротенков. При снижении нагрузок и хорошо протекающих процессах нитрификации в активном иле присутствуют брюхоресничные инфузории видов: Aspidisca costata, Aspidisca lуnceus, Aspidisca turrita.

Кругоресничные инфузории (Peritricha) прикрепляются ножкой к хлопьям активного ила. Среди представителей этого класса имеются подвижные и неподвижные виды. Прикрепленные перитрихи насчитывают более 100 видов, среди которых встречаются как одиночные, так и колониальные формы.

При неблагоприятных факторах среды или в случае ухудшения аэрации прикрепленные инфузории отрываются от хлопка ила, образуют «бродяжки» – свободно плавающие особи.

Среди прикрепленных инфузорий род Vorticella преобладает в аэротенках, он отличается высокой пластичностью приспособления к среде, встречается в широком диапазоне органических нагрузок в пределах поли-, α-, ß-мезосапробности. Представители этого рода питаются бактериями и мелким детритом.

Колониальные инфузории рода Carchesium могут захватывать и переваривать за 1 ч около 30 000 бактерий, что оказывает влияние на снижение мутности очищаемых вод. Присутствие в активном иле колониального вида Epistуlis plicatilis свидетельствует о высоком качестве очистки и хороших нитрифицирующих свойствах ила.

116

Колониальные инфузории рода Opercularia широко распространены в илах. Вид Opercularia coarctata считается постоянным обитателем созревшего ила, когда колонии находятся в активном состоянии с работающими раскрытыми ресничными дисками. При неполной биохимической очистке в высоконагружаемых илах редко встречается вид Opercularia minima.

Наличие представителей рода Zoothamnium в активном иле свидетельствует о полном окислении органических веществ и нитрификации.

Виды Voginicola crуstallina и Voginicola striata характеризуют высокое качество очищенной воды в недогруженном активном иле и большом периоде аэрации.

Сосущие инфузории Suctoria. Специализированные хищники, прикрепленные к хлопьям активного ила, питаются мелкими и крупными простейшими. Они являются индикаторами полного окисления органических веществ, стабилизации процесса очистки и его высокого качества.

В активном иле встречаются различные виды сосущих инфу-

зорий: Toкophrуa mollis, T. quadripartite, Podophrуa fixa, P. maupasii, P. carchesii.

Представители родов Acineta, Discophrуa, Sphaerophrуa

встречаются в низконагружаемых илах, в аэротенках продленной аэрации, обеспечивающих высокое качество очистки сточных вод.

Многоклеточные беспозвоночные активного ила (Metazoa).

Коловратки (Rotifera – лат. rota – колесо, feree – нести). Размеры особей составляют от 40 до 2,5 мкм. Тело коловраток не сегментировано, имеет голову, туловище и ногу, иногда эти отделы не выражены. У некоторых видов коловраток имеется панцирь. Обычно коловратки развиваются в низконагружаемом иле и являются индикаторами высокого качества биохимического окисления органических веществ. При полном окислении загрязняющих веществ в активном иле присутствуют беспанцирные ко-

ловратки видов: Rotaria rotatoria и Philodina roseola. Для коловра-

ток характерно автономное плавание при помощи коловращательного аппарата, расположенного на переднем конце тела.

117

Коловратки при неблагоприятных условиях среды способны к анабиозу – состоянию, при котором замедляются все жизненные процессы, отсутствуют все видимые проявления жизни. В состоянии анабиоза коловратки могут сохранять жизнеспособность многие годы при значительных колебаниях температуры.

При ухудшении работы аэротенка в активном иле появляют-

ся коловратки Callidina sp. Rotaria neptunia.

Брюхоресничные черви (Gastotricha – греч. gaster – желудок, thrix – волос). Обычный размер особей составляет 1 мм, у некоторых видов может достигать до 3 мм. Питаются черви бактериями, протистами и детритом с помощью ротовых ресничек или заглатывания глоткой. Индикатором высокой минерализации и глубокой очистки сточных вод является червь вида Chaetonotus maximus.

Первичнополостные черви. В активном иле из первичнополостных встречаются круглые черви Nematoda. В биоценозе активного ила присутствуют несколько видов нематод, которые в небольших количествах развиваются в хорошо работающем иле. Увеличение числа особей указывает на плохое перемешивание ила, недостаточную аэрацию; они предпочитают застойные зоны.

Вторичнополостные черви. В составе активного ила могут обнаруживаться микроскопические малощетинковые сегментированные черви Oligocheta. Питаются олигохеты активным илом. Среди малощетинковых червей встречаются хищники.

В биоценозе активного ила чаще развиваются черви аэлозомы, имеющие жировые включения, окрашенные каротиноидами. Они питаются бактериями, простейшими организмами, присутствующими в хлопьях ила, который хорошо минерализуют и уплотняют.

5.4.Функционирование экосистемы активного ила

иэкологические факторы, определяющие ее развитие

Своеобразие биоценоза активного ила, его седиментационные характеристки и продуктивность зависят от экологических условий, в которых он функционирует [1].

118

Экологические условия в аэротенке обеспечиваются совокупностью многочисленных факторов, воздействующих на активный ил. Действие факторов определяется конструктивными особенностями сооружения, условиями его эксплуатации, составом сточных вод (рис. 5.2) [1].

Конструкция и техническое состояние

очистных сооружений

Технологическая

эксплуатация

сооружений

Рис. 5.2. Основные факторы и параметры процесса очистки сточных вод, воздействующие на биохимические и седиментационные характеристики активного ила

Скорость биохимической деструкции в аэротенках при участии микроорганизмов активного ила значительно превышает скорость окисления органических веществ в природных условиях. С целью обеспечения высокого качества очистки необходимо поддерживать удовлетворительное физиологическое состояние активного ила и его ферментативную активность, что позволит микрофлоре активного ила в короткие сроки очистить значительное количество сточных вод.

119

Функционирование активного ила в аэротенке происходит в условиях многокомпонентного воздействия сложного комплекса абиотических и биотических факторов [1].

К абиотическим (антропогенным) факторам относятся:

тип сооружения, определяющий размер биотопа и начальные условия формирующегося биоценоза (окислительная мощность аэротенка, удельная нагрузка на ил, возраст ила);

определенный физико-химический состав очищаемых сточных вод;

сбалансированность питательных веществ в составе сточных вод, поступающих на очистку;

токсиканты, присутствующие в сточных водах;

кислородный режим и интенсивность перемешивания иловой смеси в аэротенке;

температура и рН очищаемых сточных вод. Биотическими факторами являются:

1) автохтонная микрофлора и фауна;

2) аллохтонная микрофлора и фауна;

3) скорость репродукции;

4) взаимоотношение хищник – жертва.

Удовлетворительное функционирование активного ила в зна-

чительной степени определяется технологическим режимом эксплуатации очистного сооружения, в котором решающее значение имеют нагрузки на активный ил, возраст ила, окислительная мощность (ОМ) сооружения, период и интенсивность аэрации и регенерации ила.

Нарушение в режиме эксплуатации сооружений сказывается в процессе хлопьеобразования и осаждения активного ила.

При ухудшении седиментационных характеристик активного ила он плохо отделяется от очищенной воды, вымывается из вторичных отстойников, что приводит к ухудшению качества очищаемой жидкости, уменьшению концентрации функционирующего ила в аэротенке, увеличению его влажности, а также увеличению затрат, связанных с обработкой осадка.

120