Биохимические методы переработки техногенных отходов Часть 1. Биологи

5.6. Функционирование и основные типы биоценоза активного ила

Под действием состава очищаемых сточных вод и многочисленных факторов, влияющих на функционирование активного ила, формируется биоценоз, претерпевающий динамические изменения: флуктуации и сукцессии. Флуктуации следует рассматривать как действительные физиологические изменения в процессе функционирования биоценоза для поддержания гомеостаза экосистемы активного ила. Следствием этого является сохранение типа биоценоза, скорости и эффективности биохимической деструкции загрязняющих веществ на определенном уровне.

При нормальных условиях функционирования активного ила на фоне незначительно изменяющегося состава очищаемых сточных вод и технологического режима работы сооружения удовлетворительно протекает процесс очистки в результате сложной физиологической системы буферных гомеостатических механизмов.

Регрессивные флуктуационные изменения, происходящие под влиянием неблагоприятных факторов и не превышающие порога допустимого воздействия, сохраняют способность биоценоза к восстановлению и повышению устойчивости активного ила.

Сукцессия характеризуется более значительными изменениями в биоценозе. Сукцессия – последовательная замена биоценоза на другой под влиянием изменения экологических условий обитания в пределах аэротенка. К факторам, вызывающим сукцессию, относятся резкие или незначительные изменения нагрузки органических веществ на активный ил, аварийные сбросы, вывод аэротенка из стабильного рабочего режима и др.

Различают первичную и вторичную сукцессии, а также прямую и обратную. Первичная сукцессия наблюдается при запуске очистного сооружения, при наращивании активного ила. Вторичная сукцессия происходит при восстановлении нарушенного биоценоза в результате аварии на сооружении, когда активный ил разрушается не полностью, в нем сохраняются устойчивые виды. При полном разрушении биоценоза в результате экстремально

131

высокого неблагоприятного воздействия в активном иле погибают практически все микроорганизмы. Восстановление биоценоза осуществляется не в виде вторичной сукцессии, а через механизм первичной, т.е. при наращивании активного ила.

Прямая сукцессия – это процесс последовательного улучшения, совершенствования биоценоза и увеличения в нем видового разнообразия. Обратная сукцессия – противоположный процесс сокращения видового разнообразия, упрощения биоценоза, нарушение его структурной целостности, накопление в нем наиболее устойчивых к неблагоприятным факторам видов.

Сукцессионные изменения, как и флоктуация, могут быть кратковременными, но чаще более долгосрочны. При переходе от одной фазы сукцессии к другой биоценоз претерпевает значительные изменения, сопровождающиеся его структурной перестройкой, снижением или повышением функциональной активности, которая определяет качество очистки сточных вод, и изменением общей адаптационной устойчивости к воздействию неблагоприятных факторов. Перестройка приводит к образованию новой модификации активного ила, наиболее полно отражающей экологические условия, в которых находится активный ил.

Устойчивость активного ила к различным атропогенным воздействиям определяется совокупностью его свойств. Устойчивость активного ила возрастает с повышением сложности биоценоза, видового разнообразия и времени его генетического развития. Абсолютная устойчивость невозможна в результате динамичности развития биоценоза и воздействующих на него различных факторов, приводящих к изменению устойчивости. Превышение порога устойчивости, действие стрессора на активный ил приводит к сукцессионной перестройке, снижающей устойчивость экосистемы, в результате формируется сообщество с более низким уровнем организации, обеспечивающее плохое качество биохимической очистки, но наиболее устойчивое к данным экологическим условиям.

Допустимое антропогенное воздействие на активный ил определяется особенностями процесса сукцессии экосистемы активного ила.

132

Вочистном сооружении формируется свой специфический биоценоз активного ила, который может быть подразделен на три основных типа: с низким, средним и высоким деструкционным потенциалом.

Деструкционный потенциал – это способность активного ила

кбиохимической ферментационной деструкции загрязняющих веществ и нитрификации. Он может быть описан характерным видовым разнообразием и адаптационными свойствами активного ила, обеспечивающими ему специфическую устойчивость и определенное качество биохимической очистки сточных вод.

Уровень развития биоценоза активного ила, его деструктивная способность определяется воздействием трех основных составляющих:

1) составом сточных вод (трофность, сбалансированное содержание биогенных элементов, присутствие токсических веществ);

2) технологическим совершенством конструкции очистного сооружения;

3) режимом эксплуатации сооружения.

Суммарный результат действия перечисленных факторов выражается таким параметром, как окислительная мощность аэротенка, которая характеризует трофическую нагрузку, эффективность биохимической деструкции загрязняющих веществ и объем биотопа функционирующей экосистемы.

Врезультате многофакторности условий развития экосистемы кроме основных типов биоценоза активного ила имеется непрерывный ряд переходных типов с характерными физиологическими особенностями.

Основные типы биоценоза активного ила [1].

Первый тип – с низким деструкционным потенциалом активного ила. Ил характеризуется минимальным поглощением загрязняющих веществ и неполным их окислением. В процессе очи-

стки сточных вод БПКполн не превышает 90 %. В биотопе преобладают восстановительные процессы. Окислительная мощность

133

составляет от 1,5 до 1,1 кг/(м3·сут). В биоценозе активного ила присутствует незначительное количество видов простейших (от 5 до 16). В илах преобладают жгутиконосцы (от 50 до более 1 тыс. на 1 г сухой массы ила), раковинные амебы, нитчатые бактерии, бентосные раковинные амебы, мелкие корненожки, крупные свободноплавающие инфузории родов Colpidium, Paramaecium, численность которых может достигать 2,5 тыс. на 1 г сухой массы ила. Хищные простейшие полностью отсутствуют. Прикрепленные инфузории встречаются редко, в основном Vorticella microstoma. Среди брюхоресничных инфузорий – Aspidisca costata, как наиболее пластичный вид. В данном типе активного ила присутствует Zoogloea ramigera, численность которой составляет более 1 тыс. на 1 г сухой массы ила. Хлопья ила достаточно сформированы, крупные, плотные. При высокой нагрузке органических веществ на ил окислительной мощности аэротенка недостаточно, чтобы ликвидировать преобладание восстановительных процессов. В биоценозах активного ила нарушается баланс процессов сорбции, окисления и биологического равновесия, что приводит к повышению численности нитчатых организмов. Такой биоценоз обладает низкой устойчивостью к неблагоприятным факторам, слабым потенциалом естественного восстановления, высокой флуктуацией популяций, что приводит к нарушению функционирования системы, снижению деструкции органических веществ и качества биохимической очистки сточных вод. Процесс нитрификации на таких сооружениях наблюдается редко (в основном в летний период и при снижении нагрузок) в результате недостаточной деструкции углеродсодержащей органики.

Второй тип со средним деструкционным потенциалом активного ила, биоценоз которого наиболее характерен для аэротенков, очищающих городские сточные воды и сточные воды комбинированного состава (бытовые и производственные). Производственные сточные воды составляют не менее 50–60 % от объема очищаемых сточных вод. Окислительная мощность таких сооружений со средним деструкционным потенциалом составляет от

134

1,09 до 0,3 кг/(м3·сут). Неоднородный, многокомпонентный состав очищаемых вод создает условия для адаптации организмов в непрерывно меняющихся условиях. Биоценозы в таком сооружении имеют разнообразный видовой состав, динамичны и адекватно реагируют на внешнее воздействие. При нормально протекающем процессе очистки сточных вод в биоценозе отсутствуют численно доминирующие виды или доминирование их минимально. В среднем численность видов простейших и многоклеточных организмов составляет от 13 до 25. В удовлетворительных условиях количество видов повышается до 30 и более. С увеличением содержания растворенных органических веществ в очищаемых сточных водах и при периодическом нарушении баланса между их сорбцией и окислением в биоценозах может происходить деградация, которая сопровождается увеличением общей численности и морфологического разнообразия бактерий, не связанных с хлопьями активного ила, снижением численности флокулообразующих, сокращением видового разнообразия простейших и появлением большого количества устойчивых видов, например жгутиконосцев, нитчатых бактерий, раковинных амеб. В активном иле преобладают свободноплавающие инфузории. Прикрепленные формы инфузорий представлены экологически пластичными видами, которые устойчивы к высокому содержанию растворенных органических веществ и недостатку кислорода, а также толерантные коловратки, черви.

В активном иле со средним деструкционным потенциалом процесс нитрификации протекает удовлетворительно, а в летний период содержание нитратов в очищенных водах достигает более 20 мг/дм3. Численность хищников в активном иле прямо пропорциональна интенсивности процесса нитрификации.

Третий тип характеризуется высоким деструктивным потенциалом активного ила и обеспечивает максимальное поглощение загрязняющих веществ. Окислительная мощность аэротенка с высоким деструктивным потенциалом активного ила составляет

0,29–0,01 кг/(м3·сут).

135

Переход от биоценоза второго типа к третьему сопровождается в активном иле улучшением флокулирующих свойств, способности к седиментации, ферментативной активности, усложнением его структуры, повышением стабильности биоценоза, его устойчивости к неблагоприятным факторам среды, что обеспечивает высокое качество очистки сточных вод.

При удельных нагрузках 80–150 мг/г обеспечивается полное окисление и нитрификация азотсодержащих веществ. При полной деструкции органических веществ, поступающих на очистку, при низких нагрузках на активный ил, а также при нормально протекающих процессах сорбции, окисления и нитрификации формируется нитрифицирующий активный ил: хлопья его крупные, компактные, хорошо оседающие, наполненные пузырьками газа. Наблюдается самопроизвольная флотация ила (после отстаивания его в лабораторном цилиндре), вызванная процессом денитрификации.

Биоценоз нитрифицирующего активного ила характеризуется сложной экологической структурой и высоким таксономическим разнообразием видов простейших (до 45) без численного преобладания отдельных видов. Численность нитчатых бактерий, бесцветных жгутиковых, раковинных амеб в илах минимальна. В активном иле преобладают брюхоресничные и прикрепленные инфузории, появление которых тесно связано с хорошо сформированными и флокулированными хлопьями активного ила. Подкласс Peritricha представлен родами одиночных простейших – Vorticella и коло-

ниальных – Epistуlis, Zoothamnium, Opercularia, Carchesium. Об-

наруженные в илах раковинные бентические амебы относятся к родам Arcella, Centropуxis, Difflugia, Euglуpha. В нитрифици-

рующем иле всегда присутствуют хищные коловратки, сосущие инфузории, хищные грибы и черви рода Chaetogaster [2].

В активном иле с высоким деструктивным потенциалом в результате видового разнообразия появляется возможность адекватно реагировать на неблагоприятное воздействие различных факторов и увеличивается его способность поддерживать эффективное и устойчивое качество очищаемых вод. При воздействии

136

концентрированных производственных сточных вод биоценоз такого ила способен сохранять свою структурную целостность и удовлетворительный уровень ферментативного окисления. Характеристика устойчивости основных типов биоценоза активного ила к факторам среды представлена в табл. 5.5 [1]. На разрушение стабильного состояния такого биоценоза может повлиять резкое возрастание удельной нагрузки на активный ил, поступление токсических веществ (аварийный сброс сточных вод), дефицит и дисбаланс питательных веществ.

Таблица 5.5

Устойчивость основных типов биоценоза активного ила к неблагоприятному воздействию основных факторов среды

Специфичность состава сточных вод и режима эксплуатации конкретного аэротенка способствует образованию активного ила своеобразного по своей структуре, адаптационным свойствам и уникальному биоценозу.

137

Индикаторное значение различных видов активного ила объясняется их трофической ролью, устойчивостью к неблагоприятным факторам среды, адаптационной изменчивостью. Видовое разнообразие организмов активного ила (не менее 25 видов простейших) свидетельствует об устойчивости к токсическому воздействию экологической системы биоценоза и эффективности очистки сточных вод.

Чем проще биоценоз активного ила, тем он менее стабилен и более подвержен разрушению. Усложнение состава биоценоза

впроцессе биохимической очистки, сопровождается появлением

внем различных видов вплоть до хищников: зооглеи нитчатые бактерии мелкие жгутиконосцы мелкие раковинные амебысвободноплавающие инфузории брюхоресничные инфузории прикрепленные и сосущие инфузории коловраткичерви водные клещи другие представители третьего трофического уровня.

Флокуляционные свойства активного ила тесно связаны

ссукцессионной перестройкой биоценоза в результате изменения удельных нагрузок в процессе очистки. При отсутствии в сточных водах токсичных примесей и в условиях устойчивых нагрузок на активный ил, значительная часть микробной популяции связана

скрупными, компактными, хорошо флокулирующими хлопьями. В биоценозе возрастает численность брюхоресничных и прикрепленных инфузорий, нематод и коловраток.

Структура хлопьев активного ила разрушается в результате поступления токсичных сточных вод и нарушения технологического режима очистки. Возрастает численность бактерий, не связанных с хлопьями активного ила, что приводит к измельчению хлопка. Осмотрофно питающиеся простейшие занимают нишу погибших флокулообразующих бактерий в результате поедания их различными видами простейших.

При возрастании нагрузок на активный ил и воздействии токсических веществ резко возрастает поглощение кислорода, дефицит которого приводит к изменению структуры и функцио-

138

нального состояния активного ила. В активном иле развиваются толерантные к недостатку кислорода бесцветные жгутиконосцы, свободноплавающие инфузории, нитчатые бактерии. При микробиологическом исследовании в активном иле наблюдаются признаки угнетения прикрепленных инфузорий и коловраток.

Необходимым условием оперативного управления процессом очистки сточных вод и обеспечения ее качества является определение допустимого порога антропогенного воздействия и оценка состояния активного ила.

Реальную оценку нормально функционирующего ила, степени его повреждения и выхода их за пределы критических уровней можно дать для каждого конкретного очистного сооружения путем комплексных долговременных наблюдений. Главной задачей таких наблюдений является определение допустимой или критической нагрузки.

Показателем нормального экологического состояния активного ила является качество среды, которое обеспечивает нормальное его функционирование, адаптационную способность к неблагоприятным условиям среды, снижение стрессовых воздействий. Стресс – это выход системы за пределы критических уровней. По отношению к экосистеме активного ила стресс – это его способность противостоять стрессовой ситуации.

В условиях антропогенной нагрузки биохимическая оценка нормальных условий существования экосистемы активного ила должна основываться на первоначальном прагматическом выборе средней нагрузки, наименьших флуктуаций содержания загрязняющих веществ, удовлетворительного технического состояния очистного сооружения. Для этого устанавливаются наиболее важные параметры экосистемы и регистрируются положительные и отрицательные отклонения в процессе ее функционирования.

Нормальное состояние активного ила можно охарактеризовать как поддержание устойчивости биохимических процессов деструкции органических веществ и нитрификации в чрезвычайно

139

нестабильных условиях функционирования экосистемы. Устойчивость экосистемы обеспечивается условной структурной стабильностью биоценоза ила.

При нормальных условиях функционирования в активном иле не всегда сохраняется максимальное видовое разнообразие. Для сохранения устойчивости в сложных условиях экосистеме активного ила необходим переход на более низкий уровень организации с потерей видового разнообразия, когда сохраняется небольшое число высокотолерантных и наиболее приспособленных к экологическим условиям видов. Условия, при которых сохраняется устойчивость популяции активного ила, являются оптимальными. Не существует двух абсолютно одинаковых биоценозов активного ила, которые возможно сравнить, используя какой-либо один универсальный параметр. У биоценозов, функционирующих в определенных технологических режимах эксплуатации и очищаемых сточных водах, близких по составу, обнаруживаются характерные черты сходства.

Критерием оценки нормального состояния экосистемы активного ила является устойчивость основных типов его биоценоза. Для активного ила нормы должны быть разделены на типовые и индивидуальные. Типовые нормы непосредственно связаны с окислительной мощностью, значение которой в определенных диапазонах позволяет выделить три основных типа биоценоза активного ила.

Индивидуальная норма сужает или расширяет этот диапазон и может служить диагностическим признаком происходящих изменений в биоценозе активного ила.

Для определения индивидуальной нормы и допустимой степени отклонения от нее используется несколько групп показателей:

на уровне организма: изменение функционального состояния и поведенческих реакций простейших и многоклеточных организмов;

140