Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕНИЯ НАСЕЛЕНИЯ БИОЦЕНОЗА
АКТИВНОГО ИЛА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ 6
1.1. Сущность биологической очистки сточных вод 6
1.2. Аэротенк как модель естественного водоема 19
1.3. Особенности трофических взаимоотношений в экосистеме активного ила 28
1.4. Подходы к оценке степени загрязнения по индикаторным организмам..38
ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ МЕСТА РАБОТЫ 48
ГЛАВА 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ 50
ГЛАВА 4. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАСЕЛЕНИЯ БИОЦЕНОЗА АКТИВНОГО ИЛА ИЗ АЭРОТЕНКОВ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ Г.БОРИСОГЛЕБСКА 52
4.1. Сезонная динамика биоты активного ила городских очистных сооружений 55
4.1.1. Весенний аспект биоценоза активного ила очистных сооружений г.Борисоглебска 55
4.1.2. Летний аспект биоценоза активного ила очистных сооружений г.Борисоглебска 72
4.1.3. Осенний аспект биоценоза активного ила очистных сооружений г.Борисоглебска 89
4.1.4. Зимний аспект биоценоза активного ила очистных сооружений г.Борисоглебска 103
4.2. Трофический аспект 118
ГЛАВА 5. ФОНОВЫЕ ИНДИКАТОРНЫЕ ВИДЫ БИОЦЕНОЗА АКТИВНОГО ИЛА
ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ Г. БОРИСОГЛЕБСКА 122
ГЛАВА 6. КОМПЛЕКСЫ ИНДИКАТОРНЫХ ВИДОВ, ИХ СЕЗОННАЯ «ПРОФИЛЬНОСТЬ», СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОЦЕНКА 147
ВЫВОДЫ 162
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 164
ПРИЛОЖЕНИЕ 181
- Сущность биологической очистки сточных вод
- Сезонная динамика биоты активного ила городских очистных сооружений
- Зимний аспект биоценоза активного ила очистных сооружений г.Борисоглебска
Введение к работе
Актуальность темы. Загрязнение пресных водоемов становится особо опасным на фоне общей нехватки пресной воды, которая уже является большой проблемой не только в ряде развивающихся стран, но и достаточно высокоразвитых. По современным данным ежегодно на земном шаре расходуется около 150 км3 воды, а возможный водоразбор из рек и подземных источников составляет порядка 600 км [113]. В реки и другие водоемы ежегодно сбрасывается около 450 км сточных вод, притом лишь половина этого количества подвергается искусственной очистке, да и то не всегда в достаточной степени.
В такой ситуации проблемы эффективной очистки сточных вод от бытовых и промышленных загрязнений стоят особенно остро. Решение этих проблем делает возможным использование оборотной очищенной воды для дальнейшего водопользования.
Из существующих индустриальных способов очистки воды, наиболее предпочтительной по экономичности, скорости процесса и эффективности признана биологическая, происходящая в аэротенках с помощью организмов активного ила и по тем же принципам биологического самоочищения, что и в природных водоемах.
Наиболее ощутимый вклад в плане биологической очистки принадлежит одноклеточным организмам - протестам, самой многочисленной и разнообразной группе беспозвоночных организмов активного ила аэротенков. В силу различной чувствительности к степени и характеру загрязнения вод простейшие организмы широко используются как индикаторы, позволяющие судить о качестве работы сооружений биологической очистки. Кроме протестов, и другие организмы активного ила также способны оперативно сигнализировать об изменениях, происходящих в режиме очистки, что дает возможность проводить мероприятия по совершенствованию процесса очистки сточных вод еще до того, как ухудшение качества сточных вод станет заметным по химическим показателям. Биоиндикационная значимость, состав различных организмов изучались многими исследователями, среди которых И. Лэки, X. Либман, К.А.Калабина, Ц.И.Роговская, Е.С.Липеровская, Н.Н.Банина, К.М.Суханова, В.Сладечек, Филь, Т.В.Хлебович, В.П.Ладыгина, Р.А. Шахматова и другие. Однако недостаточно изучена функциональная роль отдельных видов гидробионтов в процессе очистки, сезонные изменения сообществ организмов активного ила, многолетняя динамика.
Все это инициировало проведение исследования населения активного ила в условиях биологической очистки сточных вод малого города (Борисоглебска).
Цель работы - изучить индикаторные комплексы населения активного ила, их смену во времени в связи с контаминирующей средой (на примере очистных сооружений малого города). Задачи исследования:
1. Выявить таксономический состав населения (преимущественно, Protozoa) активного ила в разные периоды сезона и во временном срезе (2004-2009) гг.;
2. Выяснить структуру таксономического состава организмов (преимущественно, Protozoa) в среде резервуаров разного назначения очистных сооружений;
3. Выявить комплексы организмов населения активного ила, их функционально- индикаторную роль в связи с сезонностью и химическим фоном;
4. На основе полученных результатов определить качество работы очистных сооружений малого города.
Научная новизна. В активном иле очистных сооружений малого города (Борисоглебска) выявлены виды - индикаторы, их динамика по сезонам и годам в связи с химическим фоном, что выполнено впервые. Обнаружены в качестве важного компонента переработки ила и показателя степени биологической очистки сточных вод впервые для названных очистных сооружений тихоходки (тип Tardigrada). Впервые установлено функционирование комплексов индикаторных организмов (всего - 24, из них - 3 доминирующих), смена их сезонного состава и функциональной роли.
Теоретическая значимость. Разработка научных основ использования индикаторных организмов в условиях очистки сточных вод малого города.
Практическая значимость. Использование результатов значимости выявленных индикаторных организмов в оценке уровня очистки городских бытовых и промышленных стоков на очистных сооружениях. Результаты используются также в учебном процессе Борисоглебского государственного педагогического института при изучении дисциплины «Экология».
Апробация. Результаты работы были представлены на конференциях: «Формирование экологической среды в малых городах» (Елец, 2005); «Реалии 21 века в свете учения В.И. Вернадского» (Тамбов, 2007); «Изучение охранно-культурного и природного наследия средствами краеведения» (Борисоглебск, 2007); «Биоразнообразие и роль животных в экосистемах» (IV Международная научная конференция, Днепропетровск, 2007).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Биологическая очистка сточных вод в условиях малого города имеет специфические условия, тип нагрузки, который складывается преимущественно за счет частного городского сектора (канализация в условиях роста микрорайонов, частных предприятий и автозаправочных станций) и небольшого объема отходов сохранившихся промышленных предприятий и имеет изменяющийся по сезонам года и по годам химический состав.
2. В системе слежения за качеством очистки стоков определяющее значение имеют не столько отдельные организмы, известные как биоиндикаторы, сколько их биоиндикационная система - комплексы этих организмов, реагирующих на поступление контаминаторов (загрязнителей) в резервуары очистных сооружения и отражающих эффективность их работы. 3.Биоиндикационная система организмов выявляется благодаря многолетним и посезонным наблюдениям и служит своеобразным «профилем», отражающим временные сукцессии, зависящие, прежде всего от химизма консорциума активного ила, показателей ХПК и БПК.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 статья в издании, включенном в перечень научных изданий и журналов, рекомендуемых ВАК РФ.
Личный вклад автора составляет 85 %
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 6 глав, выводов, списка литературы, включающего 169 источников (49 из них на иностранных языках) и приложения. Она изложена на 180 страницах, содержит 13 таблиц (в основном тексте и приложении) и 57 рисунков.
class1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕНИЯ НАСЕЛЕНИЯ БИОЦЕНОЗА
АКТИВНОГО ИЛА ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ class1
Сущность биологической очистки сточных вод
В конце XIX - начале XX в. резко увеличилось количество бытовых и промышленных сточных вод и появилась необходимость в индустриализационных методах очистки. Поэтому уже в конце XIX в. становятся известны основные принципы биохимической очистки. В 1887 г. английский химик Дибдон отмечал, что сточные воды можно очистить, если осуществлять их энергичное аэрирование в смеси со специальной культурой организмов [52]. Первые аэрационные очистные сооружения были построены в г. Манчестере, где в производственных условиях английские химики Ардерн и Локетт осуществили метод очистки сточных вод путем искусственного аэрирования. Здесь в 1914 г. при длительном аэрировании бытовых сточных вод удалось впервые вырастить активный ил [117; 106].
В настоящее время сооружениям биологической очистки отводится главная роль в общем комплексе очистных сооружений канализационной очистной станции. Все установки, которые существуют для очистки сточных вод, основаны на биологическом самоочищении, которое протекает в природных водоемах.
Механизм самоочищения воды и поддержания за счет этого водных местообитаний и важных параметров экосистемы является частью механизма, обеспечивающего стабильность экосистемы, познание которой относится к приоритетным проблемам экологии[58;75;3;80;82]. Этот процесс, механизм которого еще до конца не изучен, осуществляется в результате биотического круговорота веществ, включающего процессы создания органических веществ, их трансформацию и разрушение. Именно круговорот или баланс органических веществ, осуществляемый через трофические связи бактериального, животного и растительного населения вод, имеет основное значение для самоочищения [22].
Биологическая очистка сточных вод основана на способности микроорганизмов использовать растворенные и коллоидные органические загрязнения в качестве источника питания в процессах своей жизнедеятельности. Данная очистка может осуществляться как в естественных условиях (поля орошения, поля фильтрации, биологические пруды), так и в специальных сооружениях (аэротенки, биофильтры) [98].
В результате процессов биологической очистки сточная вода может быть очищена от многих органических и некоторых неорганических примесей (аммиак, сероводород, нитриты и т.п.) К группе биологически неокисляемых веществ относятся углеводороды, сложные эфиры, «жесткие» синтетические поверхностно-активные вещества, красители и др.
Наиболее универсальным способом биологической очистки сточных вод считается их обработка активным илом [106;98]. Для этого широко используются сооружения аэробной очистки - аэротенки, в которых искусственно культивируются микроорганизмы активного ила в специально созданных для них благоприятных внешних условиях (состав питательной среды, избыток растворенного кислорода, температура и др.), что, в свою очередь, позволяет очистить большие количества загрязненных вод при достаточно большой скорости и качестве очистки. Оптимальные условия для этого можно обеспечить путем регулирования параметров работы аэротенков (принудительным аэрированием, нагрузкой сточной жидкостью, дозой активного ила и т.д.). Аэротенк может быть назван биологическим реактором, ферментатором [94].
Аэротенки представляют собой глубокие (4-6 м), открытые железобетонные резервуары, через которые медленно протекают подвергающиеся постоянной аэрации сточные воды, смешанные с активным илом.
На сооружения биологической очистки применяются аэротенки разных конструкций [52]. По способу поступления сточных вод они подразделяются на аэротенки-вытеснители (сточная вода и активный ил выпускаются сосредоточенно в начале сооружения, поэтому в начале очистки концентрация загрязняющих веществ значительно выше, чем в конце) и аэротенки-смесители (сточная вода и активный ил поступают по всей длине аэротенка. В этом случае вода смешивается с активным илом равномерно, во всех частях аэротенка, что повышает эффективность очистки).
В зависимости от нагрузок по загрязнению на активный ил аэротенки разделяют на высоконагружаемые (аэротенки неполной очистки), обычные и низконагружаемые (аэротенки продленной аэрации)[106].
По способу регенерации ила аэротенки подразделяются на сооружения с отдельной регенерационной камерой и без неё, а по количеству ступеней очистки - на одно-, двух- и многоступенчатые. Ступенчатая очистка применяется в основном для очистки производственных сточных вод, которые отличаются высокими концентрациями органических загрязнений и наличием трудноокисляемых соединений[98].
По способу подачи и распределения воздуха различают аэротенки с пневматической системой аэрации - воздух подается от воздуходувок под большим давлением по системе трубопроводов, механической (воздух извлекается непосредственно из атмосферы и перемешивается с содержимым аэротенков вращающимися лопастями аэраторов и комбинированной системами аэрации). Наиболее перспективными считаются комбинированные аэраторы, сочетающие элементы как пневматической, так и механической систем [106].
Биологическое самоочищение является очень сложным комплексным процессом, в котором главную роль играют живые организмы, но также и физические и химические факторы среды.
Рекус И.Г., Шорина О.С. дают следующее определение: «Аэробная биохимическая очистка - это минерализация органического вещества промышленных и бытовых стоков в результате его окисления при содействии аэробных микроорганизмов (минерализаторов) в процессе использования ими этого вещества в качестве источника питания в условиях интенсивного потребления микроорганизмами растворенного кислорода [86].
Таким образом, жидкость в аэротенке очищается активным илом, который представляет собой сложный биоценоз различных организмов (прокариот - бактерий, эукариот - одноклеточных и многоклеточных организмов, грибов и др.). При этом в нем преобладают бактерии и простейшие.
Хлопья ила имеют разнообразную форму, размеры и содержат большое количество микробов, скрепленных студенистым веществом. Между хлопьями в поисках пищи движутся остальные обитатели активного ила.
Согласно исследованиям Н.А.Базякиной, активный ил имеет следующий химический состав (в процентах на сухое вещество при 100 С): зола - 15,58, кремнекислота -3,95, окись железа - 1,58, фосфорный ангидрит (Р2О5) - 2,14, азот органический-3,61, сырой жир -2,51, жирные кислоты- 0,39 [5].
Начальные этапы очистки сточных вод осуществляются организмами, питающимися путем поступления в тело жидкой органики, то есть сапрозойно. Растворенные органические вещества проникают через клеточную мембрану при помощи активного или пассивного транспорта. Сапрозойный тип питания присущ бактериям, жгутиконосцам, которые массово развиваются на начальных стадиях очистки, и некоторым инфузориям [106]. Основная масса загрязнений удаляется бактериями благодаря их относительно большой удельной поверхности, интенсивной ферментативной активности и высокой скорости размножения бактериальных клеток [88;156;65;24;106;98;27].
В активном иле встречаются аммонифицирующие, денитрифицирующие, использующие углеводы и органические соли, целлюлозоразлагающие бактерии, которые содержатся практически в любом активном иле [29]. Обычно выделяют 3 основные группы: углеродокисляющие флокулообразующие, углеродокисляющие нитчатые и нитрифицирующие бактерии [27].
Сезонная динамика биоты активного ила городских очистных сооружений
В марте 2004, отмечалась вспышка численности раковинных амеб, в основном, за счет Arcella vulgaris.
Усиление данного компонента, особенно в апреле 2004 г. было связано с большим количеством поступающих на очистку растворенных органических веществ, и развивающимися в связи с этим множеством бактерий, используемыми одноклеточными протистами в пищу.
В апреле 2004 г. на входе в очистные сооружения зафиксировано увеличение нагрузок по БГЖ5 до 235 мг/дм3 (рис.4.1.1.1), которое снизилось в процессе очистки на 80,8 %. Вместе с тем в апреле этого же года отмечено и некоторое превышение ХПК на входе, что свидетельствует о наличии веществ, которые не могут быть минерализованы при помощи микроорганизмов.
Обнаружено увеличение содержания меди - 0,009 мг/дм , в процессе очистки это значение осталось неизменным. Отмечалось и некоторое превышение содержания нефтепродуктов.
Наряду с этим в апреле 2004 г., по сравнению с мартом того же года несколько уменьшается видовое разнообразие свободноплавающих инфузорий. Численно преобладали Aspidisca costata и Chilodonella cucullululus, несколько меньше встречались Coleps hirtus и Paramecium caudatum, отмеченная только в первом аэротенке, где численность этого вида составлила около 20 особей (в 0,1 мл). Допустимо, что это возможно связано с наличием в аэротенке плохо аэрируемых зон активного ила.
Количество тестаций сократилось в два раза, по сравнению с мартом того же года (рис.4.1.1.4), но увеличилось их видовое разнообразие. Численно преобладали Arcella vulgaris, а также раковинные амебы рода Centropixis. В аэротенках заметными оказались представители четвертого трофического уровня - коловратки и нематоды.
Прикрепленные инфузории встречались как в аэротенках, так и в контактном резервуаре, но их массовое развитие не обнаружено. Кругоресничные были предствлены в основном Epistylis bimarginata в количестве 13-17 особей (в 0,1 мл). Vorticella companula замечены только во втором аэротенке в количестве 8 особей (в 0,1 мл).
Все эти данные позволяют сделать вывод о том, что активный ил в апреле 2004 г. не совсем справлялся с поступлением большого количества загрязняющих веществ, возросло число бактерии, не связанных с хлопьями активного ила, что и послужило причиной доминирования свободноплавающих инфузорий. Но по сравнению с мартом того же года качество ила, несомненно, улучшилось, что скорее связано с уменьшением подавляющего действия таких токсических веществ, как нефтепродукты, медь, общее железо.
Сравнительный анализ данных лаборатории очистных сооружений г.Борисоглебска показал, что в мае 2004 г.снизилась нагрузка по БПК5, ХПК (рис. 4.1.1.5).
Содержание нефтепродуктов на входе было равно показателям за апрель 2004 г. и превышало предельно допустимую концентрацию, но оно снизилось до допустимого уровня на выходе и составило 0,1 мг/дм . Уровень фосфатов в мае 2004 г был меньше, чем в апреле этого же года, а после очистки он снизился почти в два раза. Обращает на себя внимание значительное увеличение общего железа на входе, количество которого почти полностью снижается на выходе
Зимний аспект биоценоза активного ила очистных сооружений г.Борисоглебска
Биоценоз активного ила очистных сооружений в декабре 2004 г характеризовался снижением численности свободноплавающих инфузорий, встречающихся преимущественно только в аэротенке № 1 (рис.4.1.4.1). В пробах обнаруживались Coleps hirtus (7 экз. в 0,1 мл) и Litonotus lamella (7/0,1 мл). Наблюдалось численное преобладание сувоек и коловраток, присутствовавших на всех стадиях очистки, их количество достигало 26 экземпляров в пересчете на 0,1 мл. Кругоресничные инфузории были представлены в основном Vorticella campanula (23/0,1 мл) и Vorticella aerotenci (5/0,1 мл), реже Epistylis bimarginata (7/0,1 мл).
Наиболее весомой была доля компонента раковинных амеб: Arcella vulgaris (до 6/0,1 мл), Arcella haemispherica, Difflugia corona, Lesguereusia modesta, Trinema camplanatum, Nebela sp. Во втором аэротенке отмечено присутствие небольшого числа мелких жгутиконосцев и голых амеб - таких Amoeba proteus и Amoeba verrucosa (3/0,1 мл), в этом же аэротенке встречались Tardigrada довольно крупных размеров в количестве 12 экз./ 0,1 мл.
Очистные сооружения в декабре 2004 г. работали со средними нагрузками по БПК5 (рис. 4.1.1.1) и в тоже время с большими нагрузками по ХПК (рис.4.1.1.5).
На очистные сооружения поступали воды, содержащие среднее количество иона аммония (рис.4.1.1.3), который довольно хорошо утилизировался на выходе (на 98,7 %).
В тоже время на выходе отмечен значительный объем нитритного и нитратного азота (до 50,2 мг/дм ). Содержание общего железа в водах не только не уменьшилось, а возросло практически вдвое (рис.4.1.1.7), что возможно связано с переходом нерастворимых гидрооксидов в растворимое состояние.
Кроме того, на выходе из сооружений биологической очистки увеличилось содержание фосфатов (рис. 4.1.1.2).
В этот период сезона биоценоз обладал низкой устойчивостью к воздействию неблагоприятных факторов, снизился потенциал его естественного восстановления, стрессирующие факторы оказали влияние на состав активного ила, который находился в стадии сукцессии, близкой к катеценозу - имело место сокращение видоразнообразия, шло упрощение биоценоза, нарушение его структурной целостности, при таких условиях оставались наиболее устойчивые к неблагоприятным факторам виды. Для января 2004 г. (рис.4.1.4.2) характерно присутствие большого количества Peritricha, в пробах встречаются как одиночные, так и колониальные инфузории. Наибольшее развитие получили Epistylis bimarginata (29/0,1 мл), чуть реже встречались Vorticella campanula (22/0,1 мл).
В аэротенках замечены Amoeba proteus в количестве 12/0,1 мл, в меньших количествах данный вид встречается во вторичных отстойниках (7/0,1 мл). В пробах ила, взятых в первичных отстойниках и особенно в аэротенках, присутствуют также раковинные амебы рода Arcella: A. vulgaris (до 13/0,1 мл) и A. discoides (7/0,1 мл), Difflugia oblonga (7/0,1 мл).
В тоже время состав свободноплавающих инфузорий довольно беден, он был представлен Aspidiska costata, а также Coleps hirtus (7/0,1 мл), причем инфузорный компонент наиболее развит во втором аэротенке.
