Введение к работе
Актуальность проблемы. Антропогенное загрязнение окружающей среды является актуальной проблемой современности. Наилучшим вариантом обезвреживания отходов производства и жизнедеятельности людей является включение их в новый производственный цикл или биотический круговорот. Среди методов очистки сточных вод одним из таких вариантов является биологическая очистка активным илом, который представляет собой многовидовое сообщество организмов (McKinney, 1962; Hawkes, 1963). Природными аналогами таких очистных сооружений являются экосистемы водотоков и водоемов, в которых идут процессы самоочищения - лесных ручьев, небольших речек и прудов, т.е. акватории, где практически отсутствует первичная продукция, а также придонные глубоководные сообщества, формирующиеся на потоке аллохтоиного субстрата. В гидробиологии такие сообщества называют неполночленными биоценозами {Гальченко и др., 1988).
Одними из наиболее сложных для биоочистки являются сточные воды химико-фармацевтических предприятий (ХФП). Известные решения не всегда обеспечивают требуемую степень минерализации органических загрязнений. Характерная для этих производств высокая неравномерность стока по составу и концентрации загрязняющих веществ обусловливает низкую устойчивость процесса биодеградации. Для удовлетворения возрастающих требований к работе очистных сооружений сточных вод ХФП их проектирование должно основываться не на типовых схемах, а на исследовании особенностей функционирования и развития микробоценоза, рассмотрении не только абиотической и биотической компонент этих технозкосистем в отдельности, но и их взаимодействия, т.е. решении задач, входящих в содержание экологического анализа и конструирования. Теоретические и методические основы экологического конструирования и управления в антропогенных экосистемах еще только начинают создаваться в экологии (Тишлер, 1971; Гвоздяк, 1987; Шилов, 1997). Разработка этих принципов для систем биоочистки, таким образом, является актуальной проблемой современной
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы было исследование закономерностей функционирования микро-боценозов очистных сооружений, направленное на поиск основ их экологического конструирования, и использование последних в разработке экосистемы биологической очистки сточных вод ХФП.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
Провести теоретический анализ структурно-функциональной организации экосистем биологической очистки сточных вод и выявить принципы их формирования и оптимизации.
-
Разработать стендовые модели для экспериментальных исследований проточных микробных экосистем.
-
В лабораторных условиях определить особенности формирования сообщества микроорганизмов, утилизирующих загрязнения сточных вод ХФП.
-
Исследовать кинетику биодеградации загрязнений различных стоков производства лекарственных препаратов и выявить факторы, лимитирующие скорость их окисления.
5. Провести сравнительное изучение эффективности био
очистки при различных вариантах процесса и разработать
принципиальную схему экосистемы глубокой очистки сточных
вод ХФП.
Научная новизна. Разработана новая пространственная структура экосистемы биологической очистки сточных вод (БОСВ) с горизонтальной гетеротопностью, позволяющая использовать механизмы физиологической адаптации для оперативного управления продуктивностью сообщества.
Впервые изучены особенности формирования и взаимодействия со средой микробоценоза очистных сооружений в потоке многокомпонентного физиологически щелочного субстрата.
Впервые разработана структура экосистемы биоочистки с аномально низким рН исходных стоков, обеспечивающая оптимальные условия для флокуляции микрофлоры и формирования много-звенной пищевой цепи. Установлено, что в такой экосистеме скорость потребления субстрата в первой ступени возраста-ет в 1,5 раза, степень утилизации субстрата - на 26%.
Практическое аиачение и реализация результатов работы.
Разработанный в диссертации подход к экологическому конструированию БОСВ является основой для разработки технологических регламентов очистки многокомпонентных сточных вод различного происхождения, содержащих физиологически щелочные или кислые субстраты. На базе данного подхода в 1991 году разработан проект локальных очистных сооружений АО «Пурин» (г. Анжеро-Судженск Кемеровской области).
Разработан метод интенсификации очистки сточных вод и повышения экологической эффективности очистных сооружений канализации (ОСК), который предполагается внедрить на ОСК г.Томска. Программа соответствующих работ зарегистрирована Государственным комитетом экологии по Томской области.
Результаты проведенного исследования отражены в разработанном и читаемом автором учебном курсе «Очистка сточных вод» для студентов-экологов Международного факультета
сельского хозяйства, природопользования и охраны окружа-ющей среды Томского государственного университета.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах НИИ биологии и биофизики при Томском государственном университете, были представлены на VI съезде ВОГиС (Минск, 1992), на научных конференциях «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (Томск, 1995), «Механизмы адаптации организма» (Томск, 1996), «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 1998), «Техника и технология очистки и контроля качества воды» (Томск, 1999).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 7 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из
введения, 5 глав, включающих анализ литературных данных,
описание объектов и методов, результатов исследования и
их обсуждения, а также выводов и заключения. Библиографи
ческий список содержит 165 источников. Работа изложена на
f/L% страницах машинописного текста и содержит 20 таблиц
ГІ? рисунков. —
В проведении исследований на разных этапах принимали участие сотрудники НИИВБ н.с. А.В. Евдокимов, м.н.с. А.В. Калябин и к.т.н. В.В. Воскресенский. Микробиологический анализ на стадии идентификации выполнялся под руководством к.б.н. Л.И. Потехинои. Ряд экспериментальных данных получен при активном участии студентов Томского госуниверситета. Всем им автор глубоко благодарен за сотрудничество и помощь в работе.
Автор искренне признателен своим руководителям - профессору В.Н. Стегнию и д.б.н. Е.В. Евдокимову, без помощи и поддержки которых выполненная работа не нашла бы, конечно, своего необходимого завершения в виде диссертации .