с 01.01.2018 по 01.01.2019
Воронеж, Россия
Сточные воды агропромышленных комплексов богаты органическими компонентами. Для их очистки наиболее универсальной считается биологическая. Она обеспечивает высокую скорость протекания процессов биодеструкции загрязнений. Но из-за высокой концентрации поступающихзагрязнений микробиом активного ила может снизить свою очищающую способность. Для эффективного разложения таких соединений необхо-дима высокая скорость аэрации, так как в составе активного ила преобладают аэробные микроорганизмы. Часто в реальных условиях времени на окисление этих веществ микробными сообществами недостаточно. Этот дисбаланс между поступающими органическими веществами и окисленными микробиотой активного ила приводит к росту нитчатых бактерий, являющихся одной из причин вспухания активного ила. Для устранения этого негативного фактора было исследовано влияние высоких концентраций загрязняющих веществ в сточных водах на консорциум микроорганизмов активного ила. Физико-химический состав сточных вод проводили по стандартным методикам. Состав бактериоценоза активного ила, микробиома кишечника свиней определяли стандартными методами посева в жидкие и плотные питательные среды. Установлена корреляционная зависимость между снижением концентрации загрязняющих веществ и регенерацией биоценоза активного ила. Снижение общего уровня загрязнения исходных стоков по ХПК на 59,8 % привело к увеличению численности флокулирующих микроорганизмов на 41,7% . Благодаря активизации гетеротрофных микроорганизмов наблюдалась глубокая деструкция аминного азота (99%) и фосфора (71,4%).
активный ил, биоценоз, консорциум микроорганизмов, очистка сточных вод
Введение. Активный ил - это хлопья коричнево-бурого цвета, состоящие в основном из бактериальных клеток, на поверхности которых и между ними находятся разнообразные простейшие организмы.
Источником питания и энергии для жизнедеятельности организмов активного ила служат органические загрязняющие вещества, поступающие со сточной водой. Микроорганизмы активного ила с помощью выделяемых ими ферментов окисляют, расщепляют эти загрязнения в присутствии кислорода до простых неорганических соединений. Часть органических веществ идет на построение новых клеток микроорганизмов, другая часть используется в процессах жизнедеятельности.
Видовой состав активного ила зависит от вида загрязнений, поступающих на очистку[19,21]. Увеличение объема загрязняющих веществ в сточной воде может привести к росту нагрузки на микроорганизмы активного ила. Это снижает количество флокулирующих бактерий и повышает долю нитчатых микроорганизмов[14,15]. Такое изменение консорциума микроорганизмов активного ила приводит к его вспуханию. При вспухании меняется структура хлопьев активного ила, ухудшается качество очистки[5,8].Вопрос вспухания активного ила остается по-прежнему актуальным для всех биологических способов очистки с использованием аэробных микроорганизмов. Кроме этого, возникает и проблема экологического характера – загрязнение природных водоемов.
Ряд исследователей [18,24,26] выделяют несколько причин нитчатого вспухания ила:
- при низкой концентрации загрязняющих примесей нитчатые бактерии растут быстрее флокулирующих;
- нитчатые бактерии в большинстве случаев не способнык полной денитрификации и при недостатке кислорода они будут преобладать над флокулирующими [17];
- константа насыщения субстратом зависит от размеров (радиуса колоний микроорганизмов) и у нитчатых микроорганизмов она ниже, что замедляет скорость их роста и увеличивает их конкурентоспособность в сравнении с флокулирующими;
- у нитчатых бактерий отношение площади поверхности к объему выше,что влияет на диффузионные процессы.
Но экспериментальные исследования в этой области противоречивы[22,23].
Так Щетинин А.И с соавторами[16] установили, что несмотря на высокое содержание нитчатых бактерий активный ил обладал способностью к нитрификации и денитрификации. Метаболическая селекция не играла существенной роли в подавлении развития нитчатых бактерий.
MengZhang[28] определил влияние на вспухание ила видового состава нитчатых микроорганизмов.ТакMicrothrixразмножался при низком иловом индексе и низкой температуре. Данный вид микроорганизма доминирует в активном иле. Это отмечается многими исследователями [20,25,27]Flavobacteriumпроявляет активность при низком соотношении углерода к азоту,Thiothrixрастетпри высокой концентрации в химической потребности в кислороде (ХПК). Все это свидетельствует о том, что на развитие нитевидных бактерий влияет широкий спектр факторов и выделить общий критерий, снижающий их рост, не представляется возможным.Однако отмечается, что высокая концентрация поступающих веществ является одной из основных причин роста нитчатых бактерий [6,7,9].
Общеизвестно, что содержимое желудочно-кишечного тракта убойных животных смывается в канализацию вместе с другими стоками.
В связи с вышеизложенным,целью нашего исследования было снизить концентрацию загрязняющих веществ, поступающих на очистку за счет ферментации микробиомом кишечника убойных животных малоценного и непищевого сырья. Это создаст благоприятные условия для жизнедеятельности сапрофитной микрофлоры активного ила, повысит ее ферментативную активность за счет уменьшения концентрации загрязняющих веществ, поступающих на очистку и сделает возможнымантагонистически вытеснить нитчатые бактерии.
Материалы и методы. Объектами исследования былисточные воды и активный ил предприятий АПК г. Воронежа, микробиом кишечника свиней (ООО «Бобровский мясокомбинат».
Физико-химические исследования активного ила проводили по стандартным методам. Химический показатель кислорода (ХПК) определяли по ГОСТ 31859-2012[1]. Метод основаннаизмерении оптической плотности раствора при длине волны 600 нмс использованием градуировочной зависимости оптической плотности раствора от значения ХПК.
Аминный азот определяли по ГОСТ 33045-2014 [2]. Метод основан на способности аммиака и ионов аммония взаимодействовать с реактивом Несслера с образованием окрашенного в желто-коричневый цвет соединения с последующим фотометрическим определением(400-425нм) и расчетом массовой концентрации определяемых компонентов в пробе исследуемой воды.
Нитриты определяли по ГОСТ 33045-2014 [2]. Сущность метода заключается во взаимодействии нитритов в исследуемой пробе воды с сульфаниловой кислотой в присутствии 1-нафтиламина с образованием красно-фиолетового окрашенного соединения с последующим фотометрическим определением (520 нм) и расчетом массовой концентрации нитритов в пробе исследуемой воды. Нитраты определяли по ГОСТ 33045-2014 [2]. Определение основано на реакции нитратов с салицилатом натрия в концентрированной трихлоруксусной кислоте с последующим добавлением раствора гидроксида натрия и образованием натриевой соли нитросалициловой кислоты, окрашенной в желтый цвет (λmax410 нм). Фосфаты определяли по ГОСТ 18309-2014[3]. Сущность метода состоит в переводе в ортофосфат большинства соединений органически связанного фосфора путем персульфатного окисления.
Определение нитчатых микроорганизмов проводили по методике, указанной в ПНД Ф СБ14.1.92-96 «Методическое руководство по гидробиологическому контролю нитчатых микроорганизмов активного ила» [10].
Для проведениягидробиологического анализа активного ила готовили препараты методом раздавленной капли, а также фиксированные окрашенные препараты.Состав бактериоценоза активного илаопределяли стандартными методами посева в жидкие и плотные питательные среды [11-13].
Идентификацию микробиома кишечника животных (свиней) проводили по ГОСТ 10444.11-89, ГОСТ Р 56139-2014, ГОСТ 31747-2012, ГОСТ 31746-2012 (ISO 6888-1:1999, ISO 6888-2:1999, ISO 6888-3:2003), ГОСТ 28566-90 (СТ СЭВ 6646-89), ГОСТ 10444.12-2013.
Ферментацию загрязнителей органического происхождения проводили при температуре 40±20С микробиомом кишечника свиней в концентрации 5 % к массе исходного сырья в течение 72 часов.
Результаты и обсуждение. Проведенные исследования состояния активного ила позволили выявить ряд особенностей (табл.1). В видовомсоставеконсорциумамикроорганизмовактивногоила на долю нитчатых бактерий приходится более 30%. Это свидетельствует о тенденции активного ила к ухудшению очищающей способности.
Исследуемые сточные воды можно охарактеризовать как сильнозагрязненные (табл.2). В процессе биологической очистки аммонийный азот снизился на 20,9%.Следует отметить, что на момент проведения анализа степень нитрификации была невысокой. Содержание нитритов уменьшилось на 32,7%, а нитратов - возросла на 51,7%. В целом работу микроорганизмов, способных окислять аммоний, можно охарактеризовать как низкоэффективную. Увеличение фосфатов в очищенном стоке почти в 2 раза свидетельствует о недостаточной активности бактерий активного ила, способных усваивать фосфор. Избыточное содержание фосфатов в очищенной воде может привести к серьезным экологическим проблемам в водоемах [4].
Для улучшения условий работы флокулообразующих бактерийпредварительно была проведена ферментация отходов животного происхождения микробиомом кишечника свиней. Это позволило снизить общий уровень загрязнения исходных стоков по ХПКна 59,8 % , а после очистки – на 78,2 % (табл.2).Также было отмечено снижение содержания аммонийного азота в исходном стоке в 3,9 раза, в 4,8 раза возрастает доля нитратного азота. Снижение аммонийного азота после очистки стока свидетельствует о глубокой минерализации основной части органических веществ и подтверждается появлением в стоке бактерий-нитрификаторов (табл.1).
Таблица 1
Видовой состав микроорганизмов активного ила
До очистки |
До очистки с предварительной ферментацией органических отходов микробиомом кишечника свиней |
|
Alcaligenes, Achromobacter, Arthrobacter, Bacillus, Bacterium Brevibacterium, Bdellovibrio, Beggiatoa, Caulobacter, Flavobacterium, Hyphomicrobium, Nocardia, Pseudomonas, Sphaerotilus, Thiothrix, Zoogloea
|
Actinomyces,Aeromonas,Alcaligenes,Achromobacter,Arthrobacter,Bacillus,Bacterium,Brevibacterium,Bdellovibrio,Caulobacter,Corynebacterium,Flavobacterium,Hyphomicrobium,Micrococcus,Муcobacterium,Nitrosomonas,Nitrobacter,Nocardia,Pseudomonas,Sphaerotilus,Zoogloea |
(собственные экспериментальные данные и вычисления автора)
Структура бактериологического сообщества активного ила изменилась в сторону увеличения флокулирующих микроорганизмов. Их доля в консорциуме увеличилась на 41,7%.
Следует отметить, что снижение исходной концентрации загрязнителей в стоке привело к активизации микроорганизмов, усваивающих фосфор. Его концентрация после очистки снизилась до нормативных значений (табл.2).В то время, как в исходном стоке после биотрансформации загрязняющих веществ наблюдалось увеличение концентрации ортофосфатов в 2 раза.
Уменьшение количества загрязнений в сточной воде привелок развитию в биоценозе активного ила избирательного лизиса. В условиях старвации (голодания) усилилась борьба за источники питания между микроорганизмами, активизировались процессы их селекции. Это привело к формированию консорциума микроорганизмов с преобладанием флокулирующих бактерий и активному ингибированию деятельности нитчатых микроорганизмов (табл.1). Из биоценоза исчезли нитчатые бактерии Beggiatoa,Thiothrix.
Таблица 2
Физико-химические показатели сточной воды
|
Сточная вода |
ХПК, мг/дм3 |
Аммоний, мг/дм3 |
Нитриты, мг/дм3 |
Нитраты, мг/дм3 |
Фосфаты, мг/дм3 |
|
До очистки |
703,40 ± 12,2 |
70,80±2,5 |
0,52±0,1 |
4,45±0,73 |
43,80±2,5 |
|
После очистки |
75,80±3,5 |
56,00 ± 3,4 |
0,35±0,1 |
6,75±0,5 |
86,90±4,2 |
|
До очистки с предварительной ферментацией органических отходов микробиомом кишечника свиней |
282,50±6,3 |
18,08±3,1 |
0,41±0,1
|
21,30±3,5 |
6,30±1,5 |
|
После очистки с предварительной ферментацией органических отходов микробиомом кишечника свиней |
16,50±2,7 |
0,12±0,3 |
0,03±0,02 |
0,10±0,06 |
1,80±0,5 |
СанПиН 2.1.5.980-00. 2.1.5. Водоотведение населенных мест, санитарная охрана водных объектов. Гигиенические требования к охране поверхностных вод. Санитарные правила и нормы" (22.06.2000) (с изм. от 04.02.2011, с изм. от 25.09.2014) |
30 |
1,5 |
3,3 |
45 |
2 |
(собственные экспериментальные данные и вычисления автора)
Полученные экспериментальные данные подтвердили исследования Zhang M. с соавторами [28]: снижение концентрации загрязняющих веществ может рассматриваться, как одно из условий, позволяющих контролировать популяцию нитчатых микроорганизмов.
Заключение. Проведенные исследования позволили выявить факторы, влияющие на изменение состояния активного ила. Отмечена корреляционная зависимость между снижением концентрации загрязняющих веществ и регенерацией биоценоза активного ила. При снижении загрязнений в исходной сточной воде по ХПК на 59,8% микробиом активного ила претерпевает значительные изменения: увеличивается доля флокулирующих бактерий на 41,7%, исчезли бактерииродов Beggiatoa,Thiothrix.
1. ГОСТ 31859-2012. Межгосударственный стандарт. Вода. Метод определения химического потребления кислорода Water. Method for determination of chemical oxygen demand МКС 13.060.50.: изданиеофициальное:датавведения 2014. 01. 01. - URL:http://docs.cntd.ru/document/gost-31859-2012(дата обращения: 18.06.2020).
2. ГОСТ 33045-2014. Межгосударственный стандарт. Вода. Методы определения азотсодержащих веществ. Water. Methods for determination of nitrogen-containing matters. МКС 13.060.50.: изданиеофициаль-ное:датавведения 2016. 01. 0. - URL:http://docs.cntd.ru/document/1200115428(дата обращения: 18.06.2020).
3. ГОСТ 18309-2014. Межгосударственный стандарт. Вода. Методы определения фосфорсодер-жащих веществ. Water. Methods for determination of phosphorus-containing matters . МКС 13.060.50.: изданиеофициальное:датавведения 2016. 01. 01. - URL:http://docs.cntd.ru/document/1200115799(дата обращения: 18.06.2020).
4. Дубовик, О.С.Совершенствование биотехнологий удаления азота и фосфора из городских сточных вод/О.С.Дубовик, Р.М. Маркевич//Труды БГТУ. - 2016. - №4. - С.232-238. - URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovershenstvovanie-biotehnologiy-udaleniya-azota-i-fosfora-iz-gorodskih-stochnyh-vod/viewer (дата обращения 18.06.2020).
5. Жмур, Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками / Н.С. Жмур. - М.:АКВАРОС, 2003(ФГУ ИПП Кострома). - 507 с. - Библиогр.: с.467-476. - ISBN 5-901652-05-3
6. Зайцева, И.С. Методы интенсификации биологической очистки сточных вод в аэротенках / И.С. Зайцева, Н.А. Зайцева, А.С. Воронина//Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2010. - № 2. - С.90 - 91. - URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_13757508_87508218.pdf (дата обра-щения 18.06.2020).
7. Захватаева, Н.В. Активный ил как управляемая экологическая система/ Н.В. Захватаева, А.С. Ше-ломков; под ред. д.т.н., проф. Пупырева Е.И. - М.: «Экспо-Медиа-Пресс», 2013. - 285с. - Библиогр.: с.283-284. - ISBN 978-5-905701-05-04
8. Ильинский, В.В. Оценка функциональной активности активного ила локально-очистного сооруже-ния, действующего в условиях Арктического региона/В. В. Ильинский, Е. В. Крамаренко, Е. В. Макаревич // Вестник МГТУ. - 2017. - Т. 20, № 1/2. - С. 157-164. - URL: https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-funktsionalnoy-aktivnosti-aktivnogo-ila-lokalno-ochistnogo-sooruzheniya-deystvuyuschego-v-usloviyah-arkticheskogo-regiona (дата обращения 20.06.2020).
9. Ильинский, В. В.Оценка влияния условий культивирования на способность микроорганизмов сточных вод к флокуляции/В. В. Ильинский, Е. В. Макаревич, Е. В. Крамаренко, В. В. Индушко// Вестник МГТУ. - 2017. - Т. 20, № 2. С. 301-307. - URL: https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-vliyaniya-usloviy-kultivirovaniya-na-sposobnost-mikroorganizmov-stochnyh-vod-k-flokulyatsii (дата обращения 20.06.2020).
10. Методы санитарно-биологического контроля. Методическоеруководство по гидробиологиче-скому контролю нитчатых микроорганизмов активного ила. ПНД Ф СБ 14.1.92-96. - URL: https://ohranatruda.ru/ot_biblio/norma/397585/(дата обращения 19.06.2020).
11. Нетрусов, А.И., Практикум по микробиологии / А.И. Нетрусов, М.А. Егорова, Л.М. Захарчук и др. Под редакцией Нетрусова А.И.- М.: Академия, 2005. - 608с. - Библиогр.: с.594-599.- ISBN 5-7695-1809. -URL: https://www.studmed.ru/view/netrusov-ai-egorova-ma-zaharchuk-lm-praktikum-po-mikrobiologii_9900f7e5a32.html (дата обращения 19.06.2020).
12. Определитель бактерий Берджи. В 2-х т.: Пер.с англ./ Под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Снита, Дж. Стейли, С. Уилльямса. - М.: Мир, 1997.- 1т. - 432 с. - Библиогр.: 429- 431.- ISBN 5-03-003111.
13. Определитель бактерий Берджи. В 2-х т.: Пер.с англ./ Под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Снита, Дж. Стейли, С. Уилльямса. - М.: Мир, 1997.- 2т. - 368 с. - Библиогр.:365-367. - ISBN: 5-03-003112. - URL:https://www.studmed.ru/view/hoult-dzh-krig-n-opredelitel-bakteriy-berdzhi-v-2-h-t-tom-2_f655ba7fd9d.html (дата обращения 19.06.2020).
14. Усачева, К. В. Устранение нитчатого вспухания активного ила в условиях эксперимента /К. В. Усачева, Ю. К. Верес . - Минск: Изд.центр БГУ, 2012. - с. 65-69.//ЭБ БГУ. - URL:http://elib.bsu.by/handle/123456789/49849 (дата обращения 19.06.2020).
15. Шевченко, Т.А. Анализ причин нитчатого вспухания активного ила и меры борьбы с ним/ Т.А. Шевченко, И.О. Иваненко //Комунальнегосподарствоміст, 2014. - №14.- С.67-70. - URL:https://eprints.kname.edu.ua/36622/1/%D0%A8%D0%B5%D0%B2%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%BA%D0%BE%20_2014_%D0%A5%D0%9D%D0%A3%D0%93%D0%A5_%D1%80%D0%B5%D0%B41.pdf (датаоб-ращения 19.06.2020).
16. Щетинин, А.И. Нитчатое вспухание активного ила и эффект удаления питательных веществ // А.И. Щетинин, В.А. Юрченко, А.Н. Михнев, В.А. Мельник, И.А. Коробкина, Б. Малбиев//Водоочистка, водо-подготовка, водоснабжение. - 2009. № 3. - С. 28-31. - Библиогр.: с. 31(9 назв.). -DOI:https://www.elibrary.ru/download/elibrary_12518121_98509652.pdf (дата обращения 19.06.2020).
17. Adonadaga, M.-G.Effect of Dissolved Oxygen Concentration on Morphology and Settleability of Acti-vated Sludge Flocs/ M.-G. Adonadaga //Journal of Applied & Environmental Microbiology. - 2015. - V. 3 (2). -P.31-37. - DOI: https://doi.org/https://doi.org/10.12691/jaem-3-2-1http://pubs.sciepub.com/jaem/3/2/1/index.html
18. Araújo dos Santos, L., Study of 16 Portuguese activated sludge systems based on filamentous bacteria populations and their relationships with environmental parameters/L. Araújo dos Santos, V. Ferreira, M. M. Neto, M.A. Pereira, M. MotaA. Nicolau//Appl Microbiol Biotechnol. - 2015. -V.99. - P.5307-5316 DOI:. https://doi.org/10.1007/s00253-015-6393-8
19. Eikelboom, D.H. Process Control of Activated Sludge Plants by Microscopic Investigation/ D.H. Eikel-boom, - London: IWA Publishing, 2000. - 163 р. - Corpus ID: 90987765. - ISBN-13: 978-1780406831, ISBN-10: 1780406835.
20. Henriet, O. Filamentous bulking caused by Thiothrix species is efficiently controlled in full-scale waste-water treatment plants by implementing a sludge densification strategy/O. Henriet, C. Meunier, P. Henry , J. Mahillon // Sci Rep. - 2017. -V. 7. - Р. 1430.- DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-017-01481-1
21. Kravchenko,A.V. A technique for normalizing the operation of biological wastewater treatment plants during the bulking of activated sludge/ A.V. Kravchenko, V.S.Zalevskii // Journal of Water Chemistry and Technolo-gy. - 2009.- V.31. - Р. 334 . - DOI: https://doi.org/10.3103/S1063455X09050105
22. Majone. М.Aerobic storage under dynamic conditions in activated sludge processes. The state of the art./ M Majone, K Dircks, J.J. Beun// Water Science and Technology. - 1999. - V.39.(1). - Р. 61-73. - DOI:https://doi.org/10.2166/wst.1999.0014
23. Martins, A.M.P. Filamentous bulking sludge-a critical review/ A.M.P. Martins, K. Pagilla, J.J. Heijnen, C.M. Mark, Loosdrecht// Wat. Res. -2004. -V.38. - №4. - Р.793-817. - DOIhttps://doi.org/10.1016/j.watres.2003.11.005
24. Miłobędzka,A.Factors affecting population of filamentous bacteria in wastewater treatment plants with nutrients removal/A. Miłobędzka,A. Witeska, A. Muszyński//Water Sci Technol. - 2016. - V/ 73 (4). - P. 790-797. - DOI: https://doi.org/10.2166/wst.2015.541
25. Nemeth-Katona, J. The Environmental Significance of Bioindicators in Sewage Treatment / J. Nemeth-Katona // Acta PolytechnicaHungarica, - 2008. - Vol. 5. (3). - Р. 117-124.- DOI:https://doi.org/10.2478/v10147-011-0026-8
26. Wanner J. Activated Sludge Bulking and Foaming Control.-Technomic Publishing Co., Inc., USA.,1994 - 327 p.- DOIhttps://doi.org/10.1201/9781498710817
27. Williams, T.M., Unz, R.F. Isolation and characterization of filamentous bacteria present in bulking acti-vated sludge/ N.M. Williams, R.F. Unz//Appl Microbiol Biotechnol. - 1985. - V.22. - Р.273-282. -DOI: https://doi.org/10.1007/BF00252030
28. Zhang, M. The microbial community in filamentous bulking sludge with the ultra-low sludge loading and long sludge retention time in oxidation ditch/ M. Zhang, Y. Junqin, W. Xiyuan, H. Ying, C. Yinguang// Scientific RepoRtS. - 2019. - DOI:| https://doi.org/10.1038/s41598-019-50086-3
