Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 11
1.1. Роль микроорганизмов в трансформации соединений тяжёлых металлов 11
1.1.1. Роль бактерий в круговороте железа и марганца 13
1.1.1.1. Трансформация тяжёлых металлов (железа и марганца) в поверхностных и грунтовых водах 13
1.1.1.2. Биогенная миграция в природе, источники и пути поступления железа и марганца в грунтовые и поверхностные воды 15
1.1.1.3. Биологическая очистка сточных вод, содержащих железо, марганец, мышьяк и ртуть 22
1.1.1.4. Причины накопления микроорганизмами оксидов железа и марганца 24
1.1.1.5. Механизм адаптации микроорганизмов к тяжёлым металлам 27
1.1.2. Формирование бактериальных биотопов в песчаных фильтрах очистных сооружений водоподъёмных станций
1.2. Теоретические основы способов очистки грунтовой воды применяемых на водоподъёмных станциях очистных сооружений г. Воронежа 36
1.2.1. Механизм биологической очистки воды от железа и марганца 37
1.2.2. Аккумуляция металлов микроорганизмами 38
1.3. Очистка воды 38
1.3.1. Очистка питьевой воды и её параметры 39
1.3.2. Способы очистки питьевой воды
1.3.2.1. Обеззараживание питьевой воды ультрафиолетом 48
1.3.2.2. Серебрение воды з
1.3.2.3. Хлорирование 50
1.3.2.4. Радионуклиды в питьевой воде 52
1.3.2.5. Вредное действие нитратов и тяжёлых металлов 54
1.3.3. Железо в воде и методы его устранения 56
Экспериментальная часть
Глава 2. Объекты и методы исследования 60
2.1. Объекты исследования 60
2.2. Методы исследования 61
2.2.1. Микробиологические методы исследования 61
2.2.2. Химические методы исследования
2.2.2.1. Определение катиона Fe2+ и Fe3+ 63
2.2.2.2. Определение иона Мп2+ 64
2.2.2.3. Определение иона Мп4+ 65
2.2.2.4. Определение некоторых тяжёлых металлов 65
2.2.3. Физические методы исследования 67
2.2.3.1. Описание сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-6380 LV
2.2.3.2. Описание приставки для элементного анализа INCA Energy
2.2.4. Математическая обработка результатов 69
Глава 3. Микробиологический состав песчаной загрузки фильтров применяемых для очистки грунтовой воды
Глава 4. Элементный состав биообрастаний песчаной загрузки очистных фильтров
Глава 5. Оптимизация режимов функционирования песчаных фильтров для улучшения качества питьевой воды
5.1. Описание модельной установки 97
5.2. Зависимость эффективности процесса фильтрации воды от скорости протока 99
5.2.1. Фильтрация воды при средних скоростях протока 99
5.2.2. Фильтрация воды при низких скоростях протока 100
5.2.3. Фильтрация воды при высоких скоростях протока 100
5.2.4. Влияние скорости протока воды на процесс фильтрации 101
5.3. Влияние концентрации железа в фильтруемой воде 103
на процесс фильтрации
5.3.1. Процесс фильтрации с раствором низкой концентрации железа 103
5.3.2. Процесс фильтрации со средней концентрацией железа 104
5.3.3. Процесс фильтрации с раствором высокой 104
концентрации железа
5.4. Застойные явления и их роль в процессе фильтрации воды 106
Заключение
Выводы
Список литературы
- Роль бактерий в круговороте железа и марганца
- Микробиологические методы исследования
- Элементный состав биообрастаний песчаной загрузки очистных фильтров
- Фильтрация воды при средних скоростях протока
Введение к работе
з Актуальность работы. Микробные сообщества железобактерий, играют важнейшую роль в природных циклах железа и марганца, что в полной мере относится к формированию состава грунтовых вод.
В последние десятилетия проблема загрязнения железом и марганцем грунтовых вод в г. Воронеже приобрела острый характер, что в значительной степени было обусловлено созданием Воронежского водохранилища, вызвавшего поднятие уровня грунтовых вод, и, как следствие изменение гидрологических и гидрогеохимических условий формирования подземных вод. Это, а также интенсификация эксплуатации водоносного горизонта, привели к усилению вымывания железа из пород неоген-четвертичного периода [Бочаров и др., 1999], что, в свою очередь, ухудшило качество питьевых вод за счет увеличения концентрации тяжёлых металлов. Вместе с тем известно, что железо- и марганецокисляющие микроорганизмы, способные к активному окислению и аккумулированию растворенных форм этих элементов в виде нерастворимых оксидов, можно использовать для удаления железа и марганца из питьевой воды [Dubinina,1981, Дубинина, 1989, Остроумов, 2005].
Биологический круговорот как железа, так и марганца в природных водах, идущий с высокой скоростью, осуществляется при участии одних и тех же групп железо- и марганецвосстанавливающих и окисляющих микроорганизмов [Дубинина, 1977, Дривер, 1985, Самсонова, 2006, Остроумов, 2009].
Песчаные биофильтры при правильном режиме эксплуатации способны интенсивно удалять растворимые соединения железа, марганца и других тяжёлых металлов из воды за счет микробиологических окислительных и сорбционных процессов. Однако слабо изучен бактериальный состав обрастаний. В частности практически не известно количественное и качественное изменение железобактерий. Высокая эффективность функционирования песчаных загрузок очистных сооружений водоподъёмных станций от железа, марганца и других тяжелых металлов может быть достигнута наличием различных морфотипов железобактерий и созданием
4 благоприятных факторов для их жизнедеятельности: кислородный режим, концентрация ряда химических элементов, а также скорости водотока и водообмена [Дубинина, 1999].
Известно, что при застойных явлениях в песчаной загрузке фильтра развивается анаэробная зона, в которой происходят процессы перехода нерастворимых в воде соединений трехвалентного железа в растворимые. Подобный эффект делает отфильтрованную воду непригодной к употреблению, а работу фильтра - малоэффективной.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы было исследование роли ассоциаций микроорганизмов биогеохимических циклов железа и марганца в функционировании песчаной загрузки очистных сооружений и влияния на них факторов биотической и абиотической природы, связанных с микроокружением ВПС-8.
Для выполнения цели были поставлены следующие задачи:
Исследовать формирование микробиологического состава и биообрастаний песчаной загрузки очистных сооружений водоподъёмной станции ВПС-8 г. Воронежа. Выявить количество железо-, марганецокисляющих и - восстанавливающих ассоциаций в функционирующих песчаных фильтрах и идентифицировать их морфотипы.
Изучить значение железо-, марганецвосстанавливающих микроорганизмов в определенные периоды фильтрации связанные с застойными явлениями (возникновением анаэробных зон) и выяснить биологический механизм вторичного загрязнения питьевой воды некоторыми тяжёлыми металлами.
С помощью электрофизических методов провести комплексное исследование элементного состава биообрастаний песчаной загрузки очистных сооружений.
Создать модельную установку песчаного фильтра водоподъёмной станции ВПС-8 г. Воронежа для проведения исследований биологической активности ассоциаций железобактерий при лабораторном моделировании песчаных фильтров в зависимости от режима фильтрации.
Выяснить роль биологического окисления и сорбционных процессов для удаления растворимых соединений тяжёлых металлов при функционировании песчаной загрузки модельной установки.
Исследовать значение скорости протока фильтруемой жидкости и концентрации железа и марганца на эффективность функционирования микробиологического компонента песчаных фильтров очистных сооружений.
Научная новизна. Принципиальная новизна полученных результатов состоит в исследовании роли естественных биоценозов в качестве важных факторов очистки воды при её фильтрации через песчаный фильтр. Создание лабораторной модельной установки - биореактора с использованием природных биоценозов микроорганизмов и их применение, позволило выяснить основные физико-химические факторы, определяющие интенсивность микробиологических процессов удаления металлов из воды. Изучены структура и функциональная активность природных сообществ микроорганизмов в трансформации соединений железа и марганца (Fe, Мп -окисляющих и - редуцирующих) в грунтовой воде и на объектах системы водоочистки (песчаные фильтры). Исследование микробиологического состава биообрастаний песчаной загрузки очистных сооружений водоподъёмной станции № 8 г. Воронежа показало, что доминирующим компонентом биообрастаний являются аэробные морфотипы железоокисляющих прокариот Gallionella, Leptothrix, «Siderocapsa», обеспечивающих трансформацию растворимых форм железа и марганца в нерастворимое состояние. Выяснена роль железо-, марганецредуцирующих микроорганизмов во вторичном загрязнении питьевой воды тяжёлыми металлами.
Установлена зависимость между процессами окисления и восстановления железа и марганца на песчаной загрузке фильтра от скорости потока очищаемой воды. Показано важное значение скорости фильтрации для эффективности трансформации растворимых форм железа и марганца, содержащихся в грунтовой воде.
6 Выяснен и обоснован механизм влияния аэрации на возникновение застойных зон в песчаной загрузке, в которых происходит анаэробный рост микроорганизмов, обусловленный бескислородными условиями. Повышение концентрации кислорода в фильтруемой воде уменьшает вероятность возникновения в фильтре анаэробных зон.
Практическая и теоретическая значимость. Результаты исследования позволяют раскрыть пути формирования микробиологического состава песчаных фильтров водоподъёмных станций. Установлено, что доминирующим компонентом ассоциаций биообрастаний являются аэробные железо- и марганецокисляющие прокариоты родов морфотипов «Siderocapsa» (Arthrobacter), Gallionella, Leptothrix. Полученные данные о роли железоредуцирующих микроорганизмов во вторичном загрязнении тяжёлыми металлами питьевой воды открывают возможность модифицировать режим эксплуатации очистных сооружений и повысить эффективность их функционирования. Соблюдение параметров оптимальной скорости фильтрации и аэрации песчаной загрузки будет способствовать ликвидации застойных явлений, ведущих к снижению эффективности очистки воды. Материалы работы используются в учебном процессе на биолого-почвенном факультете и могут быть использованы в лекционных курсах по общей экологии, микробиологии и в спецкурсе по микробиологической экологии.
Апробация результатов исследований. Материалы работы были представлены, доложены и обсуждены на межрегиональной научной конференции «Организация и регуляция физиолого-биохимических процессов» (Воронеж, 2008-2011г.), на 13, 14 и 15-й международной пущинской школе - конференция молодых ученых «Биология - наука XXI век» (Пущино, 2009-2011г.), на 14-й международной научно-практической конференции «Проблемы экологии и экологической безопасности Центрального Черноземья РФ» (Липецк, 2010г.), на научной сессии Воронежского госуниверситета (Воронеж, 2011г.), в материалах IV Всероссийского с международным участием конгресса студентов и аспирантов биологов «Симбиоз, Россия» (Воронеж, 2011г.).
7 Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рецензируемых ВАК Минобрнауки РФ. На защиту выносятся следующие положения:
Формирование микробиологического состава биообрастаний песчаных фильтров водоподъёмных станций способствует повышению эффективности биологического окисления и сорбции тяжёлых металлов.
Железо- и марганецокисляющие микроорганизмы являются важным компонентом биообрастаний песчаных фильтров и участвуют в трансформации растворимых форм тяжёлых металлов (железа, марганца и других) в нерастворимые.
Электрофизические методы, позволяют выявить различные химические элементы биообрастанияй песчаной загрузки очистных сооружений. Доминирующее количество атомов тяжёлых металлов: Mn, Fe обусловлено биологическим окислением и сорбцией их на элементах песчаной загрузки и стёклах обрастаний, что связано с деятельностью железо-, марганецокисляющих микроорганизмов и подкрепляется моделированием соответствующего процесса.
4. Моделирование и оптимизация процессов удаления растворимых
соединений тяжёлых металлов из питьевой воды микробиологическим
способом на базе экспериментальной установки песчаного фильтра.
Объём и структура работы. Диссертация изложена на 139 страницах
машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы,
экспериментальной части и обсуждения результатов, заключения, выводов,
списка литературы (148 источников). Иллюстрационный материал включает
23 рисунка, 7 таблиц.
Место проведения работы и благодарности. Работа проводилась в течение 2008-2011 гг. в ФГБОУ ВПО «ВГУ» на базе кафедры биохимии и физиологии клетки, в микробиологической лаборатории и в лаборатории электрофизических методов исследований физического факультета ВГУ, а также совместно с Институтом микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН г. Москвы.
Автор выражает особую благодарность научному руководителю д.б.н. Епринцеву А.Т. за руководство и поддержку на всех этапах диссертационной работы.
Работа была выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 08 - 04 - 99026 р - офи.
Автор выражает глубокую признательность д.б.н. Грабович М.Ю., д.б.н. Дубининой Г.А., аспиранту Трубицину И.В. за помощь на отдельных этапах исследования.
Роль бактерий в круговороте железа и марганца
В 1836 г. Эренберг высказал предположение, что железобактерии принимают участие в образовании болотных дерновых руд. Из-за трудности их культивирования в лабораторных условиях физиологические свойства их мало изучены.
Клетки железобактерий покрыты чехлом, состоящим из гидроокиси железа. В древних водоёмах благодаря развитию железобактерий происходило постепенное накопление железа. Эти микроорганизмы могли принимать участие в самых разных этапах образования железных руд (например, Криворожского). Изучение круговорота железа в почвах и озёрах подтверждает ведущую роль бактерий в процессах окисления и восстановления железа [Заварзин, 1984].
На основании имеющихся данных можно, однако, заключить, что многие из них являются гетеротрофами. К числу таковых принадлежат микроорганизмы, окисляющие комплексные органические соединения железа. В результате этого железо в виде гидрата окиси откладывается на поверхности клеток. Такие микроорганизмы встречаются и в водоёмах, и в почве. К числу водных форм относятся Siderocapsa, Blastocaulis, Neumanniella, Ochrobium и некоторые другие. В почве в разложении гуматов железа, видимо, участвуют почкующиеся бактерии родов Hyphomicrobium, Pasteuria и Seliberia stellata. Описаны также разнообразные по морфологии микроорганизмы, которые, судя по ряду данных, могут окислять неорганические соединения железа в болотах, ручьях, железистых источниках, дренажных трубах, в озёрах и других водоёмах с образованием охристых осадков. Некоторые встречаются и в почве. Именно такие формы были названы железобактериями. К ним принадлежат представители нитчатых бактерий {Leptothrix, Toxothrix, Crenothrix), а также Gallionella, Siderococcus, Methallogenium. Наиболее широко распространены нитчатые бактерии, называемые Leptothrix ochracea. По описаниям палочковидные клетки этой бактерии собраны в цепочки и окружены влагалищем, где откладывается гидрат окиси железа. Благодаря наличию жгутиков клетки способны к движению и могут покидать влагалище. Обычно встречается в ручьях, у выхода железистых источников на болотах, образуя скопления в виде ржавых пятен.
Хотя еще С. Н. Виноградский (1888) показал, что L. ochracea превращает закисное железо в окисное, способность этих бактерий к автотрофному образу жизни не доказана и все данные о биологии основаны, по существу, на исследовании природного материала. Окончательно не решено даже, является Leptothrix самостоятельным родом или это представители Sphaerotilus, гетеротрофной нитчатой бактерии, которая способна откладывать вокруг клеток окислы железа. Кроме L. ochracea, описан ряд других видов Leptothrix, но сведения о них также весьма ограничены [Раилкин, 1998].
Второй организм, который давно привлекает к себе внимание в связи с особенностями морфологии и физиологических свойств, — это Gallionella. Выделяют несколько видов, наиболее известен Gallionella ferruginea. Согласно описаниям Н. Г. Холодного, Gallionella состоит из бобовидных отдельных клеток, которые выделяют с вогнутой стороны гидрат окиси железа, образующего переплетенные нити. Более поздние работы с использованием электронной микроскопии подтвердили, что в культурах Gallionella встречаются вибриоидные клетки со жгутиками. От таких клеток могут отходить стебельки в виде нитей, состоящих из отдельных волокон. Обнаружено также наличие на нитях расширений (мембранных мешков) и мелких округлых телец, похожих на почки. Химические реакции доказывают наличие в нитях белка. Все это говорит о том, что данные образования не являются чисто гидратом окиси железа, а, видимо, имеют «живые элементы». Работы последних лет позволяют предполагать, что под названием GalUonella описаны комплексные культуры, один из компонентов которых, видимо, относится к микоплазмам. Очевидно, вопрос о природе GalUonella будет совсем решен после выделения несомненно чистых культур. Пока таковых не имеется, хотя накопительные культуры получить довольно просто. Для этого используют минеральную среду, содержащую сульфид железа или металлическое железо, и обеспечивают снабжение углекислотой. Тот факт, что GalUonella растёт на такой среде и фиксирует 14С02, говорит о возможности её существования в автотрофных условиях [Холодный, 1953].
Для окончательных выводов необходимы дальнейшие исследования.
Сведения о других микроорганизмах, перечисленных выше, ещё более ограничены. Есть основания полагать, что в число железобактерий попало немало микроорганизмов, для которых процесс окисления железа не имеет какого либо физиологического значения, но они могут концентрировать железо в слизи, окружающей клетки, когда в результате изменения условий оно окисляется химическим путём и переходит в нерастворимую форму. Такая способность обнаружена у многих нитчатых бактерий и сине-зеленых водорослей. Описаны также случаи отложения окислов железа на водной растительности.
Микробиологические методы исследования
Согласно одной из гипотез, крупные месторождения железных руд являются доисторическими кладбищами железобактерий, сконцентрировавших железо на малом пространстве. В крупных городах забор воды идет в основном из поверхностных источников - рек, озёр, водохранилищ. Такая вода практически не содержит растворенного железа 57 оно окисляется на воздухе и выпадает в осадок в виде гидроокиси. К тому же вода, как правило, проходит очистку на муниципальных станциях водоподготовки, где ее фильтруют и обеззараживают. Поэтому железо может появиться в такой воде только из-за коррозии стальных труб водопровода, которая происходит в присутствии воздуха. Обычно это бывает после перебоев с водой или ремонта трубопроводов. В Санкт-Петербурге и некоторых других городах очень мягкая вода. Она не дает известковых отложений на бойлерах и накипи в чайниках, но обладает повышенной коррозионной агрессивностью. Поэтому вода может идти постоянно желтоватого цвета, особенно если трубопровод насчитывает не один десяток лет. Поселковый водопровод в отличие от городского качает воду из артезианской скважины, в которой, как правило, есть растворенное железо. Когда для водоснабжения используется водонапорная башня, то растворенное железо при контакте с кислородом воздуха начинает окисляться уже в ней и частично выпадает в виде осадка в башне и трубопроводах. Если водозабор осуществляется быстрее, чем железо успевает окислиться, а хлопья осадка - сформироваться, то к потребителю вода приходит прозрачная или слегка желтоватая [Менча, 2004, 2006]. Содержание железа в такой воде на порядок выше, чем в городской, и присутствует постоянно. Для того чтобы перевести железо в нерастворимую форму, его надо сначала окислить, а затем отфильтровать осадок на зернистой загрузке, которая обладает большой грязеёмкостью. У всех способов очистки окисление происходит кислородом воздуха. Он обладает только одним недостатком - для окисления железа требуется длительное время, как правило, 15-30 минут. То есть требуется контактная ёмкость, а иногда и повысительный насос. Сократить время окисления железа помогают катализаторы. При контакте с жидким окислителем или с зернистой загрузкой, обладающей окисляющей способностью, время сокращается на 3-4 порядка, то есть в тысячу раз [Селдуха, 1999]. Когда вода подается, напрямую из скважины и нет контакта с воздухом, растворенное железо окисляется непосредственно у потребителя. Со временем было замечено, что порыжевший, покрывшийся пленкой гидроокиси железа в процессе работы песок удаляет растворённое железо быстрее и качественнее, чем исходный, чистый. Предположив, что это связано с каталитическими свойствами плёнки гидроокиси железа, начали производство фильтрующих сред специально для обезжелезивания и поиск новых катализаторов. Скорость катализа у оксида марганца оказалась выше, он обладает не только каталитическими, но и окислительными свойствами, но дробленый природный минерал -пиролюзит - оказался еще тяжелее кварцевого песка, то есть требовал еще больше воды для промывки. Стали покрывать пленкой оксида марганца более лёгкие материалы - сульфоугли, полимерную загрузку и т. д. В итоге стали использовать алюмосиликаты, природные и искусственные цеолиты. В зависимости от содержания оксида марганца меняется плотность фильтрующей среды, скорость катализа, ёмкость засыпки по железу и так называемая буферная ёмкость - то количество железа, которое катализатор среды может окислить сам, без помощи растворенного в воде кислорода. Благодаря относительно высокому содержанию оксида марганца, каталитическое окисление железа кислородом воздуха на нем происходит быстрее по сравнению с другими фильтрующими средами, и он обладает уже упомянутыми окислительными свойствами: растворенное в воде железо окисляется с двухвалентного до трёхвалентного состояния, а марганец фильтрующей среды при этом восстанавливается с четырёхвалентного до трёхвалентного состояния. По окончании фильтрации засыпка регенерируется раствором пермаигапата калия, трёхвалентный оксид марганца вновь окисляется до четырёхвалентного. Во время фильтрации вода проходит через фильтрующую среду сверху вниз, поднимается по водоподъёмной трубке и выходит из обезжелезивателя. Далее следует цикл обратной промывки: вода из входного штуцера направляется в водоподъёмную трубку, взрыхляет марганцевый цеолит, вынося загрязнения в канализацию [Менча, 2002, 2003, 2006]. Затем идет реагентная обработка
Фильтры-обезжелезиватели. раствором марганцовки, восстанавливающая химическую активность фильтрующей среды. После этого следует цикл промывки марганцевого цеолита от остатков марганцовки. И, наконец, цикл пополнения реагентного бака водой, который обычно совмещен с циклом прямой промывки, во время которого фильтрующая среда "уминается" потоком воды. После окончания регенерации фильтр снова готов к работе. Обезжелезиватели с реагентной промывкой требуют периодического пополнения реагентного бака марганцовкой и регулярной прочистки эжектора реагентной линии - места выпадения окисляющегося марганцовкой растворенного железа. Конструкция обезжелезивателя с каталитической фильтрующей средой отличается отсутствием реагентного бака и соответствующих циклов регенерации. Загрязнения удаляются при обратной промывке, затем сразу следует цикл прямой промывки. К плюсам подобного оборудования следует отнести безреагентную работу. Недостатки - фильтрующая среда работает в более жестких условиях, так как скорость работы каталитической среды меньше, её требуется в два раза больше для достижения той же производительности. При поступлении воды непосредственно из скважины требуется оборудование для её аэрации, контактная ёмкость при наличии сероводорода или содержании железа выше определенного уровня и система автоматики для управления аэрирующим оборудованием. Опасность завоздушивания баллона при работе в напорной линии и как следствие -вероятность гидравлических ударов (рис. 2).
Элементный состав биообрастаний песчаной загрузки очистных фильтров
Из полученных данных видно, что в условиях кратковременного застоя воды в песчаном фильтре модельной установки численность одноклеточных железобактерий составила (29,13±0,87) х Ю6 кл/мл в пробах воды на выходе. Количество данных бактерий в 1 грамме сырого песка из фильтра равнялась (2,30±0,06) х Ю кл/г. Посевы для выявления микроорганизмов участвующих в редукции были не целесообразны, так как химические показатели исследуемых двухвалентных металлов были незначительные. При долговременном застое проводили количественный учёт микроорганизмов, участвующих в процессах редукции растворимых форм железа и марганца. Нами был произведены посевы на среду Миерса и Нильсена для анаэробных железо- и марганецредуцирующих бактерий, обладающих респираторным типом метаболизма и использующих FeCl3 в качестве акцепторов электронов. Оказалось, что численность микроорганизмов в исследуемых пробах воды на выходе из фильтра составила 1 х 103—3 107 кл/мл (19,52±0,58 х 106 кл/мл). На данном этапе при застое в нижних слоях песчаной загрузки не происходило на стёклах обрастаний отложений оксидов.
Таким образом, можно сделать вывод, что вследствие замедления протока воды в фильтре создавались (поддерживались) анаэробные условия. В этом случае мы наблюдали обильнейшие бактериальные обрастания, представленные неожелезнёнными клетками нитчатых и крупных одноклеточных бактерий (рис. 9).
Неожелезнённые клетки при анаэробных условиях (застой). Масштаб 10 мкм. Необходимо отметить, что учитывали только жизнеспособные микроорганизмы, которые давали колонии на питательных средах. Общее количество бактериальных клеток, как живых, так и мёртвых, было выше зарегистрированного.
Исходя из результатов исследований состава железобактерий в обрастаниях песчаной загрузки модельной установки при застойных явлениях, было целесообразно проанализировать микробиологический состав песчаных фильтров водоподъёмной станции № 8 г. Воронежа в период технической остановки фильтрации воды. Нами был проведён количественный учёт общей микроорганизмов, развивающихся в песчаной загрузке очистных сооружений и в грунтовой воде из скважин (табл. 2).
Анализ полученных результатов показал высокое содержание бактерий. Общая численности микроорганизмов в грунтовой воде из скважин ВПС-8 на среде для выделения и количественного учёта одноклеточных марганецокисляющих бактерий [Krumbein,1971] составила (0,06±0,00) 10б кл/мл, на среде Тилера [Tyler, 1967] для одноклеточных железо- и марганецокисляющих оргаиотрофных бактерий (250,00±8,00) х 106 кл/мл, Миерса и Нильсена [Myers, 1988] для анаэробных железо- и марганецредуцирующих бактерий (8,05±0,27) х 106 кл/мл.
Учёт численности микроорганизмов на песчаной загрузке ВПС-8. Забор проб песка с глубины 1 м производили в период трёхдневной технической остановки одного из песчаных фильтров. Над песчаным фильтром вода отсутствовала, но сохранялось внутри песчаной загрузки. Последующий посев на среду для анаэробных железо- и марганецредуцирующих бактерий показал, что численность микроорганизмов в 1 г сырого песка составила более (2000,12х106±74,20) х 10 кл. Общее количество железо- и марганецокисляющих микроорганизмов: на среде Тилера для железо- и марганецокисляющих оргаиотрофных бактерий (13,30±0,53) х 106 кл/г сырого песка, на среде для выделения и количественного учёта одноклеточных марганецокисляющих бактерий [Krumbeir.,1971] (125,33±4,26) х 10" кл/г сырого песка, 50 % от которых марганецокисляющих бактерий.
Данные указывают на наличие застойных явлений в фильтре остановленной модельной установки. Результат деятельности большого числа анаэробных марганец- и железоредуцирующих микроорганизмов в нижних слоях загрузки песчаных фильтров приводит к частичному восстановлению окисленного железа, что обуславливает вымывание растворимого двухвалентного железа в воду. Поэтому, после начала фильтрации процесс окисления происходит в трубах системы городского водоснабжения, а не на фильтрах водоподъёмной станции очистных сооружений.
Таким образом, в результате проведённых исследований было показано, что в песчаной загрузке модельной установки и песчаных фильтрах очистных сооружений водоподъёмной станции №8 г. Воронежа обитают типичные представители железобактерий, развивающихся при нейтральной реакции среды. Количественный учёт микроорганизмов показал их высокое содержание в обрастаниях песчаного фильтра. Значительную долю от общего числа бактерий составляют железобактерии (50 %). Также была показана роль железоредукторов во вторичном загрязнении питьевой воды растворимыми формами некоторых тяжёлых металлов.
Фильтрация воды при средних скоростях протока
По данным приведенным в таблицах 4, 5 видно, что атомный процент элементов: Fe, Cu, Zn возрастает на снятых с поверхности стекла обрастаниях. Следовательно, происходит их концентрирование на сканируемой поверхности, что в очередной раз подтверждает наличие окислительных и сорбционных процессов в песчаной загрузке. Высокий атомный процент элемента С обусловлен углеродным напылением. Следует отметить, что наличие углерода и его увеличение в зависимости от степени ожелезнённости наблюдали на образцах без напыления, следовательно, имеет место наличие микроорганизмов обеспечивающих процессы отложения окислов металлов на поверхности клеток.
Таким образом, наличие элементов Fe, Mn и других тяжёлых металлов на обрастаниях предметных стёкол и фотографии их поверхности позволили сделать выводы, об активном участии железо- и марганецокисляющих микроорганизмов в функционировании песчаного фильтра модельной установки.
Также нами был проведен количественный химический анализ питьевой воды на входе в модельную установку (из централизованной системы питьевого водоснабжения, с внесением необходимых концентраций исследуемых тяжёлых металлов (Fe"+, Мп +)).
Для определения массовых концентраций Zn, Cd, Pb, Си был использован метод инверсионной В-А-метрии на анализаторах типа ТА. Томск - 2004. Метод актуален для количественного химического анализа проб почв, тепличных грунтов, илов, донных отложений, сапропелей, твердых отходов, поэтому в качестве образцов для исследования нами были использованы соскобы (высушенные смывы с песчинок фильтра) отложений с элементов песчаной загрузки модельной установки.
Также выполняли измерения массовых концентраций тяжёлых металлов: Zn, Cd, Pb, Си, Mn, As, Hg в пробах воды на входе в биореактор методом инверсионной вольтамперметрии на анализаторах типа ТА ПНДФ 16.1:2:2:2:3.48-06 Томск — 2006, с помощью анализатора вольтамперметрии ТА в комплекте с (ВН совместным компьютером). Полученные данные представлены в таблице 6. Таблица 6
Массовые концентрации некоторых тяжёлых металлов в пробах воды и песка из биореактора
Тяжёлые металлы Пробы воды (на входе), мг/л Нормативы ПДК,(суммарно) мг/л Пробы песка,мг/л Zn 0,039 ±0,011 5 211 ±76 Cd 0,00046 ±0,00013 0,001 Pb 0,0034 ±0,0011 (0,00037 ±0,00015) 0,3 2,3 ± 0,8 Си 0,00060 ± 0,0024 1 366 ±131 ПДК - предельно допустимые концентрации в питьевой воде (СанПиК 2.1.4.1074-01), пробы песка - высушенные смывы с элементов песчаной загрузки, - не обнаружен. Из полученных данных видно, что незначительные концентрации исследуемых тяжёлых металлов в воде на входе в песчаный фильтр модельной установки из централизованной системы питьевого водоснабжения в сравнении с нормами ПДК имеют следовые значения. Показатели в смывах с элементов песчаной загрузки столь завышены, что подтверждают факт сорбции тяжёлых металлов в исследуемом биореакоре.
Из литературных источников известно, что в качестве сорбентов в ряде производств, для очистки промышленных стоков от катионов тяжёлых металлов - никеля, кобальта, меди, используют железистые шлаки [Зосин, 1980], гранулированные сорбенты, в том числе шлакосиликаты [Зосин и др., 1971]. Опираясь на сведения о сорбционных свойствах коллоидных соединений оксидов железа и марганца, а также бактериальных клеток [Кореневская, 1993, Саванина и др., 1999], было целесообразно исследовать возможность и масштабы сорбционных процессов на песчаном фильтре биореактора. Для подтверждения роли микроорганизмов в удалении, помимо Fe и Мп, других тяжёлых металлов были проведены исследования, результаты которых представлены в таблице 7 и на рисунках 15 и 16.
В резервуар с водой на входе в песчаный фильтр, кроме железа и марганца вносили соединения алюминия, ванадия, кадмия, кобальта, никеля, свинца, хрома и цинка в виде растворов солей в концентрациях, указанных в табл. 7. Были использованы растворы следующих солей тяжёлых металлов: A12(S04)3 18Н20, Cd(CH3COO) 2Н20, СоСЬ 6Н20, Ci4H24N,oNiS2 10Н2О, Pb(N03)2, СгС,з- 6Н20 и ZnS04 7Н20. Исходя из полученных результатов, с использованием методов атомно-абсорбционной спектроскопии и микрозондового рентгеноспектрального анализа было установлено, что наряду с железом и марганцем на песчаном фильтре происходило осаждение из воды растворимых соединений тяжёлых металлов. При исходной концентрации различных металлов от 1 до 10 мг/л в поступающей на фильтр воде на выходе из биореактора через несколько суток работы биореактора их содержание снижалось ниже норм ПДК (табл. 7).
В случае остановки протока на двое суток, как и в опытах по осаждению железа и марганца, способствовала снижению концентрации кислорода в водной фазе и активизации анаэробных восстановительных процессов в песчаном фильтре. Следовательно, происходил переход в раствор как ионов железа и марганца, так и Cd, Al, Ni, Zn (табл. 7 и рис. 15). Через сутки после возобновлении работы протока в воде на выходе из установки концентрация всех элементов снижалась до величин ПДК или ниже.
