Карабинцева Фармацевтическая технология методички / Экологическая биотехнология

они устойчивы к повышенной мутности среды обитания, недостатку кислорода и повышенным нагрузкам по органическим веществам на ил, а обилие пищи способствует их развитию и размножению. В процессе формирования хлопьев количественное доминирование получают хищные свободноплавающие и брюхоресничные инфузории, ползающие по поверхности хлопьев и выедающие бактерий. Появление брюхоресничных инфузорий в активном иле при его первичном наращивании (во время пуска в работу вновь построенных аэротенков) свидетельствует о том, что хлопья сформировались и могут быть использованы в качестве опоры для передвижения. Прикрепленные инфузории чувствительны к недостатку кислорода, перегрузкам, плохому перемешиванию иловой смеси и воздействию токсикантов; как правило, их присутствие свидетельствует о хорошем качестве очистки.

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

Многоклеточные имеют такой же ареал распространения, как и простейшие, т. е. предпочитают биофильтры и активный ил при низкой нагрузке. В реакторах можно обнаружить коловраток, круглых, малощетинковых и брюхоресничных червей, водных клещей и тихоходок класса паукообразных, ракообразных, насекомых и т. д.

Коловратки обычно встречаются в активном иле зрелого возраста приполнойбиологическойочисткеипитаютсябактериями,взвешенными веществами, а также простейшими. Они весьма чувствительны к изменению внешних условий, поэтому их высокая численность и активность указывают на хорошую работу очистных сооружений. Отсутствие коловраток в иле свидетельствует о неудовлетворительной очистке. Появление раздутых, измененных особей, внезапная их гибель обусловлена резким нарушением режима очистки. Коловратки гибнут обычно в сжатом состоянии. При понижении концентрации раcтворенного кислорода они теряют подвижность, вытягиваются и постепенно отмирают.

В биоценоз активного ила может входить несколько видов нематод, которые в незначительных количествах развиваются в хорошо работающем иле. Заметное их количество свидетельствует о застой-

71

ных зонах, плохом перемешивании ила, недостаточной аэрации. Наличие малощетинкового червя Aelosoma в активном иле — показатель устойчивости нитрификации. Водные клещи развиваются в минерализованном, иногда в голодающем активном иле. Более часто они встречаются в биофильтрах. Ветвистоусые рачки Daphnia, Moina иногдавмассовомколичестверазвиваютсяваэротенках-отстойниках или во вторичных отстойниках недогруженных станций с длительным периодом аэрации и глубокой нитрификацией при условии хорошего качества очистки. В состав активного ила они не входят и индикаторного значения не имеют.

Богатое видовое разнообразие (не менее 25 видов простейших) организмов активного ила свидетельствует о благополучии биологической системы аэротенка, высокой эффективности очистки и устойчивости биоценоза к повреждающему воздействию токсичных сточных вод. Чем проще биоценоз активного ила, тем он менее стабилен и больше подвержен разрушению. В условиях, благоприятных для процесса биологической очистки, количество видов в биоценозе возрастает и повышается равномерность их численного распределения.

По мере улучшения качества биохимической очистки происходит усложнение биоценоза, которое сопровождается последовательным включением в него все более совершенных видов вплоть до хищников: зооглеи > нитчатые бактерии > мелкие жгутиконосцы > мелкие раковинные амебы > свободноплавающие инфузории > брюхоресничные инфузории > прикрепленные и сосущие инфузории > коловратки > черви > водные клещи > другие представители третьего трофического уровня.

На начальных стадиях первичной сукцессии (наращивание активного ила при пуске сооружений в рабочий режим) доминирующими видами являются нитчатые бактерии, Zoogloea, осмотрофные простейшие, свободноплавающие инфузории; на стадии сформировавшегося сообщества в активных илах со средним деструкционным потенциалом доминируют брюхоресничные и прикрепленные инфузории,раковинныеамебы,коловратки,бактериофаги.Сформировавшееся сообщество в активных илах с высоким деструкционным потенциаломхарактеризуетсяпреобладаниембактериофаговихищникови практически полным вытеснением из биоценоза осмотрофных простейших и нитчатых бактерий.

Для образования биоценозов систем очистки используют активный ил с уже работающих очистных сооружений, состав которого

72

сходен с составом поступающих загрязнений. При отсутствии очистных систем-аналогов активный ил формируют из сточных вод, разбавленных водой местных хозяйственно-бытовых предприятий или из реки, постепенно адаптируя ценоз к загрязнениям стоков. Иногда активный ил формируют, используя сообщества микроорганизмов, полученных в лаборатории и потребляющих один или несколько основныхкомпонентовзагрязнений.Однаковусловияхочистныхсооружений лабораторный ценоз неустойчив и является лишь начальным звеном для образования рабочего активного ила.

Диагностикасостоянияактивногоилаивыявлениепричин,неблагоприятно на него воздействующих, — основная задача при эксплуатации сооружений биологической очистки.

Биофильтры аэробных сооружений в качестве активного компонента содержат биопленку, поверхностный слой которой реагирует с очищаемой водой. Морфология пленок довольно сложна: в них наблюдаются пустоты, каналы, каверны, поры и филаменты с клетками, агрегированными в кластеры и слои. Синтезируемые бактериями и входящие в состав биопленок внеклеточные полимеры состоят из полисахаридов, белков и полиуроновых кислот. Они составляют 50–80 % массы органического вещества пленок и определяют его механические и физические свойства, близкие к свойствам пористых полимерных гелей.

Уповерхности,контактирующейсжидкостьюилигазом,находятся наиболее активные клетки микроорганизмов и интенсивнее протекают биохимические процессы окисления. Внутренние слои, обращенные к носителю, испытывают дефицит кислорода, в них развиваются аноксигенные и анаэробные процессы. Типичная глубина проникновения кислорода в активных биопленках составляет около 100 мкм.

Биопленка может расти в течение 1–3 мес. Состав организмов в ней разнообразнее, чем в активном иле: бактерии (Flavobacterium,

Bacillus, Acinetobacter, Pseudomonas, энтеробактерии, грамотрица-

тельные палочки, коринеформные бактерии), актиномицеты, грибы, вирусы, простейшие, водоросли, членистоногие. В верхних слоях биофильтров развиваются зооглееобразующие бактерии Z. ramigera, возможно появление нитчатых бактерий Sphaerotilus natans. Значительная часть биопленки (до 30 %) формируется плесневыми грибами. Чрезмерное разрастание плесневых грибов и нитчатых бактерий

73

приводит к образованию сплошной волокнистой пленки на поверхности загрузочного материала, что затрудняет прохождение жидкости через биофильтр, ухудшает аэрацию, приводит к его заиливанию, образованию застойных зон и в конечном счете к снижению эффективности его работы. Для предотвращения заиливания биофильтра периодически на 1–2 сут прекращают подачу сточной воды и перемешивают слои фильтра.

Нижние слои биофильтров служат местом скопления брюхоресничных инфузорий и сувоек. В пленке биофильтров развивается разнообразная фауна: рачки, черви, личинки, насекомые, клещи, которые разрыхляют биопленку и улучшают аэрацию биофильтра. На биофильтре часто наблюдается массовое развитие мелких мушек (Psychoda и Podura). Их 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. В биопленке на освещенных участках могут развиваться водоросли, а также цианобактерии. Ил из водорослей и бактерий называется альгобактериальным илом, а сооружения, где он используется, — симбиотенками и симбиофильтрами, которые представляют собой обычные очистные сооружения с дополнительным освещением рабочего пространства. Их рационально использовать на последних ступенях очистки.

Биопленка на полях орошения и полях фильтрации содержит не только представителей микробиоты, поступающих со сточными водами, но и аборигенных, проживающих в почве представителей микрофлоры и микрофауны. На полях орошения в состав биопленок входят также высшие растения, удаляющие из почвы биогенные элементы. Корни растений улучшают структуру и аэрацию почвы, а корневыевыделенияспособствуютразвитиюризосферноймикрофлоры.

4.3. Биоценоз активного ила и биофильтров анаэробных сооружений

Биодеградация органических веществ при анаэробном брожении протекает в несколько последовательных фаз (табл. 5). Из органических веществ в ходе ацидогенеза сначала синтезируются жирные кислоты, которые затем преобразуются в ацетат в результате ацето-

74

генеза. Во время последней стадии (брожения, или метаногенеза) из ацетата, водорода и углекислого газа образуется метан.

Состав доминирующей микробиоты первой фазы зависит от состава микробиоты поступающего в метантенки субстрата, а также от химической природы деградируемых органических веществ. Гидролитические бактерии гидролизуют макромолекулы до органических кислот (уксусной, пропионовой, масляной, капроновой, муравьиной, молочной, янтарной и др.), жирных кислот с более длинной цепью, спиртов и кетонов (метанола, этанола, изопропилового спирта, бутанола, глицерина, ацетона), газов (СН4, СО2, Н2). Бактерии этой группы, которые могут быть как облигатными, так и факультативными

75

анаэробами, используют ряд экзоферментов: протеазы, липазы, целлюлазы, амилазы, пектиназы.

В гранулах и флокулах метаногенного ила и в пленках сооружений анаэробной очистки снаружи развиваются сульфатредукторы, а внутри — метаногены. В промежуточном слое развиваются ацидогенные и гетероацетогенные бактерии, которые сбраживают субстраты до низкомолекулярных органических кислот и обеспечивают сульфатредукторы и метаногены водородом и ацетатом.

Метаногенные бактерии — наиболее капризная с точки зрения культивирования группа среди микроорганизмов, участвующих в анаэробном брожении, требующая для роста широкий спектр питательных веществ, включая углерод, фосфор, азот, серу, кальций, магний, калий, натрий, аминокислоты, витамины и др. Кроме того, эти бактерии относятся к археям — отдельному царству живых организмов, строение и метаболизм которых отличается от прокариот. Метаногенез зависит от химического состава среды и физических факторов. Метаногены являются строгими анаэробами, кислород для которых яд, имеют низкую скорость роста, потребность в адгезии, поэтому высокую концентрацию метаногенных бактерий можно обеспечить путем их иммобилизации на поверхности носителей.

Видовой состав анаэробного ила и пленок менее разнообразен, чем аэробного. В активном иле метантенков встречается примерно 50 видов бактерий, осуществляющих различные стадии брожения и метанообразования: протеолиз белков и аммонификацию, гидролиз целлюлозы, сбраживание промежуточных продуктов гидролиза, углеводов, аминокислот до органических кислот, конверсию пропионата и бутирата до ацетата и водорода, метанообразование, сульфатредукцию. Количество анаэробных бактерий достигает 15 млрд/мл ила. Могут присутствовать грибы, дрожжи и простейшие, попадающие в метантенк вместе со сбраживаемым материалом. Формирование анаэробного активного ила требует значительно большего времени по сравнению с аэробным.

4.4. Экологические факторы, определяющие развитие и функционирование биоценоза активного ила

Активный ил функционирует в условиях многокомпонентного воздействиясложногокомплексаабиотических(восновномантропо-

76

генной природы) и биотических факторов. Основные экологические факторы, определяющие структуру биоценоза, его функциональную активность и флокуляционные свойства, представлены на рис. 18.

Факторы

Рис. 18. Экологические факторы, определяющие развитие активного ила

Удовлетворительное функционирование активного ила во многом обусловливается технологическим режимом эксплуатации очистных сооружений, т. е. решающее значение имеют нагрузки на активный ил, возраст ила, окислительная мощность аэротенков, период и интенсивность аэрации, регенерация ила. Нарушения в режиме эксплуатации сооружений в первую очередь сказываются на хлопьеобразовании и осаждаемости активного ила. Необходимое количество и оптимальное соотношение органических веществ и биогенных элементов в сточных водах, поступающих на биологическую очистку, — обязательное условие удовлетворительного функционирования и хорошей осаждаемости активного ила.

В аэротенк с осветленными водами поступают субстраты и различные виды почвенных, водных и патогенных бактерий, разно-

77

образные простейшие, многоклеточные организмы, их яйца, цисты, которые служат постоянным смешанным посевным материалом для формирования хлопьев активного ила. Не все организмы, попадающие с потоком сточных вод, приспосабливаются к определенным условиям аэротенка: часть из них погибает, и их можно рассматривать как аллохтонные; часть инцистируется, сохраняясь в иле до появленияблагоприятныхэкологическихусловий,которыеспособствуют их развитию. Автохтонные организмы, приспособившиеся к экологическим условиям аэротенка, являются его обычными обитателями и также оказывают влияние на формирование сложного биоценоза, так как они непрерывно возвращаются в аэротенк с рециркулирующим активным илом.

Существующий отток активного ила из сооружений, который направляется на утилизацию, позволяет биомассе обновляться и поддерживать микроорганизмы в активной фазе роста, повышая скорость размножения. Перемешивание сточных вод, осуществляемое благодаря непрерывной подаче воздуха в иловую смесь, равномерно распределяет смешанную популяцию организмов ила в занимаемом пространстве и позволяет обеспечивать жизнедеятельность популяции с высокой плотностью.

Процесс образования хлопьев активного ила и их последующей агрегации (укрупнения) зависит от нескольких причин [Жмур, 2003], среди которых наиболее важными являются:

•удовлетворительное продуцирование флокулообразующими бактериями биополимерного геля;

•поддержание достаточного возраста ила (чем старше ил, тем крупнее хлопья);

•удовлетворительное перемешивание ила и снабжение его растворенным кислородом;

•допустимое количество и сочетание токсикантов в сточных во-

дах;

•незначительная степень развития в активном иле нитчатых или пенообразующих организмов.

Хлопьеобразующая способность активного ила зависит главным образом от наличия питательных веществ: при слишком высоком их содержании происходят рассеивание колоний и появление нитчатых форм микроорганизмов; при их недостатке, хотя нитчатые формымикроорганизмовпрактическиотсутствуют,размерыхлопьевила

78

уменьшаются и ухудшаются его седиментационные свойства. Нитчатые микроорганизмы способны при избыточном размножении вызывать вспухание ила. Выделяют пять видов нитчатого вспухания:

1.Вызывается серобактериями родов Thiothrix, Beggiatoa и др., возникает при наличии в очищаемых сточных водах токсичных веществ, снижающих ферментативную активность ила, нарушающих процессы продуцирования биополимерного геля и флокуляции хлопьев ила.

2.Вызывается бактериями рода Sphaerotilus, увеличивающими

свою численность в иле по причине повышенного содержания легкоокисляемых органических веществ в сточных водах, которые активный ил адсорбирует, но окислить не успевает. Такой вид вспухания наиболее распространен на сооружениях, очищающих сточные воды пищевой, консервной промышленности, пивоваренных и сахарных заводов.

3.Вызывается хламидоили цианобактериями и провоцируется сточными водами, имеющими дефицит питательных веществ и дисбаланс по элементам питания для активного ила. Доминирование циано- и хламидобактерий в активном иле, функционирующем при недостатке азотсодержащих веществ в сточных водах, можно объяснить способностью этих организмов фиксировать азот из воздуха, а также удовлетворительно функционировать в среде с недостаточным содержанием биогенных веществ.

4.Связан со способностью серобактерий удовлетворительно функционировать в сточных водах, содержащих высокие концентрации серосодержащих соединений, окислять соединения серы и накапливать их в виде капелек внутри клеток (например, на очистных сооружениях целлюлозно-бумажных комбинатов).

5.Сапрофитно-грибковый, возникает в кислых сточных водах (при рН меньше 5,0).

Комплекс мероприятий, направленных на подавление вспухания активного ила, должен разрабатываться только после точного установления причин, вызвавших вспухание, что обеспечивается правильной диагностикой родовой принадлежности развивающихся при этом нитчатых организмов. Обязательным условием в борьбе с нитчатым вспуханием ила и его профилактике, какая бы причина его не вызывала, является повышение аэробности в аэротенках и регенераторах.

79

Устойчивость активного ила возрастает с повышением сложности биоценоза, видового разнообразия и времени его генетического развития. Абсолютная устойчивость невозможна из-за динамичности развития биоценоза и постоянных разнообразных воздействующих на него факторов, которые приводят к определенным изменениям устойчивости.

На каждом очистном сооружении формируется свой специфический биоценоз активного ила, который может быть подразделен на три основных типа: с низким, средним и высоким деструкционным потенциалом. Деструкционный потенциал — способность ила к биохимическому ферментативному окислению органических загрязняющих веществ и нитрификации — определяется характерным уровнем видового разнообразия и адаптационными свойствами активного ила, обеспечивающими ему специфическую устойчивость и возможность формировать определенное качество биохимической очистки сточных вод.

Токсичные компоненты сточных вод или возросшая нагрузка увеличивают кислородопоглощаемость иловой смеси, что приводит к структурным и функциональным изменениям, характерными для дефицита кислорода: развиваются толерантные к недостатку кислорода бесцветные жгутиконосцы, свободноплавающие инфузории, нитчатые бактерии, угнетается жизнедеятельность прикрепленных инфузорий и коловраток.

Относительнодолгоиустойчивофункционирующиеочистныесооружения имеют «норму» структуры биоценоза, т. е. наиболее характерный (по структурным особенностям) относительно устойчивый и наиболее долго доминирующий на данных сооружениях биоценоз. Под нормой в данном случае подразумевается устойчивое поддержание биохимических процессов окисления загрязняющих веществ и нитрификации в чрезвычайно нестабильных условиях функционирования экосистемы. При ухудшающемся режиме жизнеобеспечения активный ил проявляет признаки угнетения, но сохраняет способность к восстановлению при улучшении качества сточных вод, поступающих на очистку, или нормализации режима эксплуатации.

Для определения индивидуальной нормы и допустимой степени отклонения от нее используется несколько групп показателей на разных уровнях функционирования биоценоза (рис. 19).

80