Биохимические методы переработки техногенных отходов Часть 1. Биологи
.pdfвод. Изменение в составе хлопьев помогает вскрыть причины нарушений в биохимическом процессе.
При эксплуатации сооружений биохимической очистки важнейшей задачей является диагностика состояния активного ила
ивыявление многокомпонентного воздействия на него сложного комплекса абиотических (в основном антропогенной природы)
ибиотических факторов [15].
На геторогенность популяции микроорганизмов-деструкто- ров активного ила оказывают влияние различные факторы среды [16]. Важнейшими факторами среды, влияющими на микроорганизмы активного ила, деструктирующие органические вещества в биохимических сооружениях, являются:
Абиотические:
– физические (температура, осмотическое давление, электромагнитные волны и физические поля, гидродинамические условия, поверхностные силы);
– химические и физико-химические (питательные вещества, токсичные вещества, величина рН, молекулярный кислород, окислительно-восстановительный потенциал).
Биотические:
–зоогенные (взаимодействия с простейшими, с беспозвоночными, с другими организмами);
–фитогенные (взаимодействия с водорослями, с высшими растениями);
–микробиогенные (взаимодействия между микрофлорой: конкуренция, симбиоз, хищничество).
Взаимодействия между микроорганизмами и абиотическими факторами подчиняются общим закономерностям. Популяция любого вида одновременно подвергается воздействию многих факторов среды. Для каждого вида существуют определенные значимые уровни любого фактора: оптимум, лимит, летальный уровень [17, 18].
Биотические факторы, оказывающие влияние на активный ил, определяются особенностями традиционной технологической
101
схемы биохимической очистки сточных вод. Со сточными водами в аэротенк поступают различные виды почвенных, водных, кишечных и патогенных бактерий, разнообразные простейшие, многоклеточные организмы, их яйца, цисты, которые служат материалом для формирования хлопьев активного ила.
Не все аллохтонные (заносные) организмы приспосабливаются к экологическим условиям среды в аэротенке, некоторые из них погибают, другие инцистируются и сохраняются в иле до появления благоприятных условий для их развития.
Автохтонные (собственные) представители биоты активного ила оказывают влияние на его формирование. Они непрерывно возвращаются в аэротенк с рециркулирующим илом. Эти организмы при удовлетворительном режиме работы аэротенка сохраняются в биоценозе активного ила. Постоянная рециркуляция ила увеличивает среднее время пребывания его в системе и способствует микроорганизмам адаптироваться к сложному составу поступающих сточных вод.
Непрерывный отток части активного ила из сооружения, направляемый на утилизацию, позволяет обновляться биомассе и поддерживать микроорганизмы в активной фазе роста, повышая скорость репродукции.
Перемешивание сточных вод в сооружении поддерживает ил во взвешенном состоянии, что способствует лучшему контакту микрофлоры со сточной жидкостью, равномерному распределению смешанной популяции организмов в занимаемом пространстве и обеспечивает жизнедеятельность ее с высокой плотностью.
Условия функционирования активного ила определяют качество очистки сточных вод.
Антропогенное воздействие на микрофлору активного ила определяется опосредованно через абиотические факторы, из которых основными являются: температура, состав очищаемых сточных вод, присутствие в них токсикантов; фактическую концентрацию и состав растворенных питательных веществ, используемых микрофлорой для роста; содержание растворенного кислорода и т.д.
102
5.3.Биоценоз активного ила и его роль
вбиохимической очистке
Культивирование активного ила в условиях ограниченного пространства в аэротенке, достаточного количества кислорода
ипитательных веществ приводит к формированию в нем своеобразного сообщества микроорганизмов, отличающегося от природных экосистем. Микрофлора активного ила обладает хорошими адаптационными свойствами в результате селекции и отбора. Популяции микроорганизмов строго разграничены по выполняемым функциям и подвержены постоянной изменчивости в зависимости от изменения состава сточных вод в процессе их очистки.
Вактивном иле присутствуют почти все основные физиологические группы микроорганизмов, осуществляющие деструкцию органических веществ, содержащих углерод, азот, фосфор, серу
идругие элементы. Основная роль в очистке сточных вод в аэротенке принадлежит гетеротрофным флокулообразующим бактериям – это множество клеток микроорганизмов, объединенных биополимерным гелем, представляющее хорошо организованное
и структурно-функциональное целое (хлопок активного ила). В иле эти бактерии составляют 90–95 % и определяют устойчивость и эффективность биохимического окисления веществ, содержащихся в сточных водах.
В биоценозах активного ила присутствуют представители различных физиологических групп микроорганизмов: бактерии, грибы, актиномицеты, микроводоросли (диатомовые, зеленые, эвгленовые, вольвоксовые), простейшие, представленные десятью таксономическими группами, и многоклеточные животные (жгутиконосцы, саркодовые, инфузории, первично- и вторичнополостные, брюхоресничные черви, коловратки, тихоходки, паукообразные, к которым относятся водные клещи).
Исследования последних трех десятилетий показали, что деструкторами органического загрязнения являются не только гетеротрофные микроорганизмы, но и зооценозы, играющие значительную роль вразложении органического вещества в некоторыхсистемах.
103
Роль простейших организмов в очистке сточных вод заключается в стимулировании роста флокулообразующих бактерий и их физиологической активности в результате выделения простейшими биологически активных веществ; повышении органолептики (качество воды, определяемое с помощью органов чувств) очищаемой воды, ее прозрачности в результате поедания бактерий, которые не включены в состав зооглеи ила.
Существуют способы, позволяющие выделять биологически активные вещества, обладающие стимулирующим действием на физиологическую активность бактерий. В биодеструкции загрязняющих веществ участвует вся биота активного ила, а абиотические процессы влияют на его скорость и эффективность [1].
Активный ил представляет сложную экосистему, в которой организмы находятся на различных трофических уровнях.
Первый трофический уровень представлен гетеротрофными бактериями, сапрофитными грибами, водорослями, сапрофитными простейшими. Второй трофический уровень – это голозойные про-
стейшие (питающиеся твердой пищей, фаготрофно), а отдельные виды нематод, хищные коловратки, сосущие инфузории, тихоходки, хищные грибы – третий трофический уровень. Трофические уровни экосистемы активного ила представлены в табл. 5.3 [1].
|
|
Таблица 5.3 |
Трофические уровни экосистемы активного ила |
||
|
|
|
Номер уровня |
Наименование уровня |
Биота активного ила |
Первый |
Уровень первичных |
Гетеротрофные бактерии, |
|
консументов |
сапрофитные простейшие, |
|
|
сапрофитные грибы, водоросли |
Второй |
Уровень вторичных |
Голозойные простейшие, |
|
консументов |
промежуточные хищники, |
|
|
хищные коловратки |
Третий |
Уровень третичных |
Сосущие инфузории, хищные |
|
консументов |
коловратки, отдельные виды |
|
|
нематод, хищные грибы, |
|
|
тихоходки |
104 |
|
|
Способ питания организмов активного ила определяет их положение в биоценозе и характер взаимоотношений. Преобладание той или иной группы организмов с определенным типом питания указывает на происходящие процессы структурных изменений
вбиоценозе и позволяет предположить возможные изменения экологических условий существования активного ила.
Для микрофлоры различных трофических уровней характерны разнообразные способы питания. Сапрозойный, или осмозойный, способ осуществляется путем поступления питательных веществ
ворганизм осмотически через поверхность тела. Питательными веществами являются растворенные и частично разложившиеся органические вещества – промежуточные продукты распада белков (пептон или аминокислоты). Эти вещества потребляются бактериями и сапрозойными простейшими (органические вещества в жидком виде проникают через клеточную мембрану путем пассивного переноса). Между этими организмами существует конкуренция за питательные вещества. В активном иле из двух групп организмов, потребляющих один и тот же субстрат, вытесняют конкурентную группу организмы, обладающие большей скоростью роста. Преимуществом в борьбе за потребляемый субстрат по сравнению с сапрозойными простейшими обладают бактерии за счет малых размеров, большей поверхности соприкосновения с питательными веществами, меньшим временем воспроизводства.
В результате изъятия растворенных питательных веществ в процессе биодеструкции и последующего роста избыточного количества бактерий создаются условия для появления голозойных микроорганизмов, использующих частицы твердой пищи. Голозойный способ – это второй способ гетеротрофного питания, при котором поглощаются довольно крупные частицы органического вещества или другие организмы. Голозойный способ питания условно можно разделить на бактериофагию (микрофагию) и хищничество (макрофагию). Голозойный способ питания предполагает развитие органоидов, служащих для захвата пищи. В биоценозе активного ила из первых голозойных организмов появляются жгутиконосцы Bodo, которые захватывают твердые частицы пищи с помощью жгутиков. Саркодовые (амебы) и реснич-
105
ные (инфузории) осуществляют захват пищи: голые саркодовые в результате фагоцитоза; голые амебы – пиноцитоза; раковидные амебы питаются в основном бактериями, жгутиковыми и даже инфузориями, захватывая их длинными псевдоподиями. Голозойное питание инфузорий осуществляется с помощью пищеварительной системы, их объектами питания являются детрит, бактерии и простейшие. Свободноплавающие (роды Litonotus, Amphileptus) и сосущие инфузории – типичные хищники активного ила.
Среди бактериофагов в процессе очистки воды значительная роль принадлежит седиментаторам, которые способны выделять большое количество слизи, способствующей слипанию пищи в крупные агрегаты (комочки). Часть пищевых комочков с помощью токов воды, создаваемых ресничками, подгоняется к цистому (ротовое отверстие) и поступает в глотку. Остальные склеенные комочки приобретают способность осаждаться при отстаивании активного ила в отстойниках. Это свойство седиментаторов имеет большое значение в процессе биохимической очистки: способствует изъятию основной массы растворенной органики, повышению прозрачности очищенной воды в результате удаления из нее развившихся бактерий. К седиментаторам относятся свободноплавающие инфузории родов: Paramecium, Colpidium, Glaucoma, Tetrachуmena, Stentor и др.; прикрепленные – Vorticella, Carchesium, Epistуlis, Zoothamnium, Opercularia.
На последних стадиях минерализации органических веществ сточных вод имеет место хищничество, часто сопровождающееся детритофагией (лат. detritus – истертый). Такой способ питания характерен для коловраток. Хищные виды коловраток питаются бактериями и различными видами простейших.
Малощетинковые черви, тихоходки и другие представители многоклеточных беспозвоночных, имеющих развитую пищеварительную систему, способны вместе с детритом питаться практически всеми организмами активного ила, находящимися на более низких уровнях пищевых цепей.
В биоценозе активного ила присутствуют разнообразные физиологические группы микроорганизмов.
106
Бактерии (Bacteria). Флокулообразующие бактерии в активном иле представлены тремя основными группами: палочки, кокки и спириллы.
Основная масса бактерий в хлопьях активного ила представлена палочковидными формами бактерий, численность которых составляет от 84 до 98,5 %. Численность кокковидных форм бактерий колеблется в пределах 1,5–16 %.
Спириллы в активном иле содержатся в набольших количествах, их процентное содержание составляет менее единицы [1].
Небольшой размер бактериальной клетки определяет большую удельную поверхность, что обеспечивает высокую интенсивность потребления субстрата.
Бактериальные клетки расположены внутри, на поверхности хлопка и представлены не связанными с хлопком одиночными бактериями: палочками, кокками, спирохетами и микроколониями из палочковидных клеток.
Состав микроорганизмов и их количественное распределение тесно связаны с экологической обстановкой в биологических реакторах.
Удовлетворительный процесс бактериального окисления органических веществ в сточных водах является одним их основных показателей результативности биохимической очистки.
Специфические вещества, содержащиеся в сточных водах, вызывают развитие определенных видов бактерий, адаптированных к данному виду сточных вод.
Из активного ила были идентифицированы бактерии различных родов, не имеющих большого значения в очистке. Основными группами бактерий, участвующих в окислении органических веществ сточных вод, являются: флокулообразующие, углеродокисляющие, нитрифицирующие, фосфор- и сероокисляющие, углеродокисляющие нитчатые.
Концентрация микроорганизмов в аэротенке достигает 1010– 1011 клеток в 1 см3, что способствует увеличению скорости биохимического окисления органических соединений. Численность
107
бактерий в неочищенных сточных водах составляет 106 клеток в 1 см3 [1]. Сточные воды содержат смесь бактерий: патогенных и разнообразных кишечных, попадающих из хозяйственно-быто- вых вод, почвы, воздуха бактериальных клеток и их спор. Частично они погибают в системе очистки, часть из них поступает с возвратным илом, а основная часть сообщества формируется непосредственно в аэротенке. Содержание бактерий в очищенной сточной жидкости может достигать 0,12–0,35·108 экз./дм3 при биомассе 5–15 мг/дм3, что связано с массой выносимого ила из вторичных отстойников. Полученные данные содержания бактерий в очищенной сточной воде справедливы для нормально протекающего процесса очистки. При его нарушении возможны значительные отклонения от нормы [1].
Применение флюорографического метода [19] позволило определить неблагоприятное воздействие на активный ил в процессе очистки, при котором повышается численность свободноживущих бактерий.
При неблагоприятных экологических условиях (наличие токсических веществ, высокие концентрации легкоокисляемой органики или недостаток питательных веществ) происходит активное развитие нитчатых бактерий, они занимают нишу флокулообразующих микроорганизмов и вызывают вспухание активного ила. Для нитчатых бактерий характерны тонкие нити диаметром 1–60 мкм, поэтому они хорошо снабжаются растворенным кислородом, что позволяет им выживать в условиях его дефицита. Цианобактерии и хламидобактерии являются важными индикаторными организмами активного ила. Высокое содержание этих организмов в активном иле вызывает его вспухание. В активном иле цианобактерии пред-
ставлены родами: Anabaena, Aphanizomenon, Microcуstis, Nostoc, Oscillatoria; хламидобактерии – родами: Beggiatoa, Leucothrix, Thiotrix и др. При вспухании активного ила нарушаются его седиментационные характеристики, что сопровождается ухудшением качества очищенных сточных вод в результате изменения их органолептических свойств (повышается мутность).
108
Грибы (Fungi). Микроскопические грибы активного ила способны усваивать специфические органические вещества, содержащиеся в сточных водах: клетчатку, парафин, углеводороды и др.
Тело гриба (мицелий) представлено системой ветвящихся нитей – гифов. Гифы бесцветные, имеют поперечные перегородки – септы. Мицелий нарастает в результате деления верхушечных клеток.
Основные группы грибов активного ила относятся к сапрофитам и хищникам.
Сапрофитные грибы – это обычные обитатели аэротенков, устойчивые к кислой реакции среды (рН), благодаря этому они могут вызвать вспухание активного ила. От хищных грибов они отличаются более утолщенным септированным мицелием. Сапрофитные грибы в активном иле не образуют сумчатого или базедиального спороношения и размножаются только бесполым путем (участками мицелия), что затрудняет определение их родовой принадлежности.
Хищные грибы имеют вегетативный мицелий толщиной не более 5–8 мкм с ловчими приспособлениями для улавливания и использования в пищу нематод, коловраток и простейших организмов, иногда значительно превосходящих их по размеру. Хищные грибы развиваются в биоценозе активного ила на конечных стадиях очистки, когда снижаются концентрации органических веществ, идет процесс нитрификации и повышается качество очищенной сточной воды.
Актиномицеты (Actinomуcetes). Актиномицеты имеют сходство с грибами и бактериями. Вегетативное тело актиномицетов представлено в отличие от грибов несептированным мицелием и тонкими гифами. По толщине гифы у актиномицетов такие же, как у нитчатых бактерий 0,3–1,2 мкм.
Определение актиномицетов в активном иле затруднено, так как они не образуют в нем спороносцев.
Актиномицеты рода Nocardia вызывают пенообразование в аэротенках и вторичных отстойниках в результате выделения
109
ими биологических поверхностно-активных веществ при утилизации углеводородов и других гидрофобных соединений.
Водоросли (Algae). Микроводоросли постоянно присутствуют в первичных отстойниках и массовом их развитии и видовом разнообразии в активном иле вторичных отстойников. Участие водорослей в процессе очистки сточных вод в аэротенках достаточно противоречиво. В связи с недостатком света в аэротенках отмечается как полное их отсутствие, так и ограниченное развитие [12, 20]. Водоросли в активном иле аэротенков встречаются постоянно, но численность их низкая, в зимний период работы сооружения численность сокращается до единичных экземпляров либо полного отсутствия.
Обнаруженные в активном иле водоросли относятся к четырем отделам: диатомовые, зеленые, эвгленовые, вольвоксовые.
Биоценоз активного ила аэротенков почти полностью состоит из гетеротрофов. Отсутствие перемешивания и присутствие света во вторичных отстойниках создает условия для развития автотрофных организмов, к которым относятся водоросли. Во вторичных отстойниках водоросли принимают активное участие в очистке сточных вод, что подтверждает их массовое развитие в обрастаниях стенок отстойников. В результате непрерывного перекачивания активного ила из вторичных отстойников водоросли попадают в аэротенк с потоком циркулирующего ила. В аэротенке отсутствуют условия для существования водорослей и участия их в процессе окисления органики. Водоросли в очистных сооружениях следует рассматривать как облигатные виды, характерные для вторичных отстойников и факультативные, периодически встречающиеся в аэротенках [21]. В первичных отстойниках с высоким содержанием загрязняющих веществ развиваются наиболее устойчивые к неблагоприятным условиям представители вольвоксовых водорослей. Во вторичных отстойниках в летний период обнаруживаются различные виды диатомовых, зеленых, эвгленовых и вольвоксовых водорослей, характеризующих высокое качество очистки сточных вод. В очистных сооружениях водоросли не имеют никакого индикаторного значения. При значи-
110