ЛЕКЦИЯ ПО ЭРЖМ: Аэробная биологическая очистка сточных вод.

 Биоценозы сооружений аэробной очистки

В каждом очистном сооружении формируется свой, специфический биоценоз в виде активного ила или биопленки, видовой состав и структура которых отражают условия в используемой очистной экосистеме.

Активный ил представляет собой хлопья размером от 0,1–0,5 до 2–3 мм иболее, с плотностью в среднем 1,1–1,4 г/см3, состоящие из частично активных, частично отмирающих организмов (около 70%) и твердых частиц неорганической природы (около 30%). В состав активного ила входят полисахариды, в том числе клетчатка, полиуроновые кислоты, внеклеточные белки, образованные преимущественно бактериями. Полисахариды окружают бактериальные клетки и скрепляют частицы в хлопья, поэтому лишь небольшая часть клеток остается вне хлопьев. Активный ил имеет развитую поверхность (до 100 м2/г сухой массы) и, следовательно, высокую адсорбционную способность. На поверхности его концентрируются поступающие со сточной жидкостью мелкие частицы, клетки микроорганизмов и молекулы растворенных веществ. Процесс сорбции чрезвычайно интенсивен, достигает величин 350–400 мг ХПК/г абсолютно сухого вещества (далее асв), поэтому часто уже через несколько минут после контакта ила со сточной водой концентрация в ней органических веществ снижается на 20–30% и более. При рН от 4 до 9 частицы ила имеют отрицательный заряд.

Важнейшие свойства ила – способность к хлопьеобразованию (флокуляции ифлокулообразованию) и седиментации. На этом основаны удаление ила из сточной воды во вторичном отстойнике и рециркуляция его в аэротенк для повышения окислительной мощности аэротенка.

Взависимости от возраста выделяют три основных типа ила:

работающий на неполное окисление органических загрязнений – возраст наименьший;

формирующийся в режиме полного окисления;

формирующийся в режиме полного окисления с последующей нитрификацией – с наибольшим возрастом.

Экологические и физиологические преимущества скоплений в виде хлопьев, образованных микробным сообществом, до сих пор не выяснены, но очевидно, что при обитании в системе аэротенк–вторичный отстойник удерживание микроорганизмов в экосистеме определяется их способностью к агломерации и осаждению. В этих условиях в активном иле преобладают бактерии, образующие слизь или слизистые капсулы, способствующие образованию хлопьев. Такие бактерии возвращаются в аэротенк с рециркулируемым илом. При устойчивых нагрузках на активный ил и отсутствии токсичных примесей в сточных водах, поступающих на очистку, формируются крупные, компактные, хорошо флокулирующие хлопья ила. В очистных сооружениях используется активный ил, содержащий сообщество микроорганизмов (главным образом бактерий и простейших), сформировавшееся естественным путем, включающее местную микрофлору, адаптированную к определенному спектру загрязнений сточных вод. Биоценоз ила имеет характерную биотическую и трофическую структуру с функциональной связью между микроорганизмами различных групп, уникальную для каждого конкретного очистного сооружения.

В окислении загрязнений сточных вод основная роль принадлежит бактериям, число которых в расчете на 1 г сухого вещества ила колеблется от 108 до 1014 клеток, из них обычно 50–80% составляют гетеротрофные микроорганизмы. В биоценозе аэротенка, как правило, отсутствуют водоросли, весьма ограниченно представлены черви и членистоногие.

Бактерии. При аэробной очистке сточных вод протекают два наиболее важных микробиологических процесса: окисление органического углерода и нитрификация при участии флокулообразующих, нитчатых бактерий, бактерийнитрификаторов.

Флокулообразующие бактерии, окисляющие органические соединения, относятся к родам: Actinomyces, Aeromonas, Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Brevibacterium, Cellulomonas, Corynebacterium, Desulfotomaculum, Flavobacterium, Micrococcus, Муcobacterium, Nocardia, Pseudomonas, Rhodopseudomonas, Sarcina и др.

Наиболее многочисленны бактерии р. Pseudomonas (до 80% от численности бактерий активного ила), способные окислять различные спирты, жирные кислоты, парафины, ароматические углеводороды, углеводы и другие классы соединений.

Основная роль в образовании полисахаридов в составе хлопьев активного ила и в формировании самой способности к хлопьеобразованию принадлежит покрытой капсулой грамотрицательной палочковидной бактерии Zoogloea ramigera, близкой к псевдомонадам. В средах, бедных питательными веществами, а также в сточной воде Z. ramigera образует аморфные массы полисахарида, в которых находятся колонии этой бактерии в виде разветвленного деревца. Бактерии Z. ramigera способны окислять различные органические вещества, однако основная их роль — образование полисахаридов. Клетки Z. ramigera обнаруживаются также в сильно загрязненных пресноводных водоемах, где образуют взвешенные в воде хлопья или слизистые обрастания (зооглеи) на находящихся в воде предметах. Эти бактерии растут в широком диапазоне температур от 9 до 37 °C. Оптимальными являются температура 28 °C и pH 7,0. Бактерии не растут в анаэробных условиях, но хорошо переносят их в течение 24 ч.

Углеродокисляющие нитчатые бактерии представлены рр. Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix, Nocardia (Gordonia), Microtrix. Нитчатые бактерии, среди которых наиболее часто встречается Sphaerotilus natans, с одной стороны, выполняют положительную роль, окисляя многочисленные органические соединения и образуя каркас, вокруг которого формируются флокулы, с другой – они являются причиной плохого осаждения ила в отстойнике и образования устойчивой пены в аэротенке. При нарушении технологических режимов очистки эти бактерии начинают интенсивно размножаться в активном иле, при этом их нити не включаются в частицы активного ила. Ил вспухает, плохо оседает в отстойниках, не отделяется от очищенной им воды, что ухудшает очистку. Во вспухании ила могут участвовать и другие нитчатые бактерии. Вспухающий ил имеет высокую окислительную способность, однако развитие нитчатых бактерий в нем нежелательно. Оптимальным для качества очистки сточной воды является биоценоз ила, в котором преобладают флокулирующие микроорганизмы, а нитчатые содержатся в небольшом количестве.

При очистке сточных вод, богатых углеводами, но с дефицитом азота, иногда наблюдается интенсивное развитие гетероферментативных молочнокислых бактерий р. Leuconostoc, образующих мощную капсулу, состоящую из декстрана, что затрудняет осаждение ила во вторичном отстойнике.

Очень важное значение имеет группа целлюлозоразлагающих бактерий рр. Cellulomonas и Cellulovibrio, всегда присутствующих в иле в значительном количестве. Эти микроорганизмы разлагают целлюлозное волокно, поступающее в аэротенк вместе со сточными водами. При суточной нагрузке 100–150 мг волокна на 1 г ила волокно успевает разрушиться целлюлозоразлагающими бактериями, и накопления его в активном иле не наблюдается. Наиболее интенсивно разрушение протекает при рН 7,5–8,0, снижение рН до 5,0 почти полностью приостанавливает деятельность бактерий-целлюлолитиков.

Если сточная вода в аэротенке плохо аэрируется, то развиваются анаэробные процессы, в которых могут участвовать микроорганизмы, осуществляющие маслянокислое брожение, денитрификацию, сульфатредукцию и др. Денитрификация во вторичных отстойниках приводит к образованию пузырьков азота, что затрудняет удаление ила из сточной воды на выходе из отстойника.

Вусловиях длительного голодания микроорганизмов в биоценозе активного ила ряд бактерий может образовывать споры, что способствует повышению устойчивости активного ила при изменении состава сточных вод.

Взимний период преобладают психрофильные формы микроорганизмов.

Вбактериальном сообществе очистных сооружений выделяют бактериинитрификаторы (рр. Nitrosomonas, Nitrobacter и др.) в связи с их ролью в окислении аммонийных ионов и удалении минерального азота из сточных вод. По сравнению с гетеротрофными углеродокисляющими микроорганизмами они развиваются медленнее. Численность нитрификаторов увеличивается с возрастом ила. В случае необходимости окисления аммонийных ионов в сточных водах именно активность нитрификаторов часто ограничивает производительность аэротенка. Наиболее активно нитрификация протекает после окисления органических соединений, когда создаются благоприятные условия для нитрификаторов.

Всовременных технологиях биологического удаления фосфора большое значение имеют бактерии р. Acinetobacter. В определенных режимах очистки, а именно с чередованием аэробных и анаэробных условий, они способны накапливать внутри клеток большое количество фосфатов (в виде полифосфатов).

Всточных водах, содержащих соединения серы, например в сточных водах целлюлозно-бумажных комбинатов, в активном иле развиваются тионовые

исеробактерии, окисляющие серу и тиосоединения, а также сульфатредукторы. Из тионовых и серобактерий преобладают представители рр. Thiobacillus

иSulfomonas. Тионовые бактерии развиваются при содержании в воде восстановленных соединений серы (метилсульфида, диметилсульфида, меркаптанов).

При большом количестве серосодержащих органических веществ, например белков, и недостаточной аэрации в очистных сооружениях доминируют такие серобактерии, как Thiothrix и Beggiatoa. Их массовое развитие и особенно отложение капелек серы в их клетках свидетельствуют о плохой очистке. В зонах аэротенков и в крупных хлопьях, где наблюдается дефицит кислорода, создаются условия для развития сульфатредукторов, восстанавливающих сульфаты с образованием сероводорода.

При недостатке в очищаемых стоках соединений азота, например в стоках целлюлозно-бумажных предприятий, в активном иле можно обнаружить азотфиксирующие бактерии.

При высоком содержании в воде соединений железа в активном иле развиваются бактерии р.Ferrobacillus и другие, окисляющие Fe2+.

Вактивном иле встречаются бактерии-паразиты р. Bdellovibrio и литические бактерии. Bdellovibrio прикрепляются к клетке бактерии-хозяина, проникают в нее, размножаются внутри клетки, что приводит к ее лизису. Литические бактерии разрушают клетки микроорганизмов при воздействии выделяемых ими литических ферментов. Содержание литических бактерий в зависимости от состояния ила варьирует в пределах 0,001–0,5% и более от общего числа гетеротрофных бактерий. После исчерпания органического субстрата в среде воздействие литических бактерий на популяцию гетеротрофных бактерий приводит

куменьшению численности последних.

Вактивном аэробном иле из внеклеточных ферментов присутствуют гидролазы, протеазы, целлюлазы, а также пероксидазы, катализирующие окисление

субстратов при участии пероксида водорода, и каталазы, разлагающие H2O2. В анаэробном иле активность пероксидаз и каталаз не проявляется.

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.