RESEARCH ON FREQUENCY OF OCCURENCE OF HYDROBIONTS IN BIOFILMS OF ROTATING BIOLOGICAL CONTRACTORS DURING SEWAGE TREATMENT

Full Text

В составе многостадийных процессов биологической очистки принято выделять три основные стадии: адсорбция на поверхности биоценоза активного ила или биопленки растворенных, коллоидных и тонкодисперсных органических и минеральных веществ, содержащихся в сточных водах; процессы биохимического окисления и восстановления органических и некоторых минеральных веществ с образованием активной биомассы; распад активной биомассы с образованием автолизата и инертной части биомассы. В основе биологической очистки сточных вод лежит способность микроорганизмов потреблять в качестве источников питания разнообразные органические и некоторые неорганические вещества, а также образовывать колонии и скопления в виде свободноплавающих в воде хлопьев активного ила или биопленки на поверхности различных наполнителей, размещаемых в биореакторах. Активный ил и биопленка, культивируемые в сооружения биологической очистки, – это два специфических вида так называемых биоорганоминеральных комплексов, которые представляют собой искусственно (антропогенно) созданные экосистемы [1]. Биоценоз этих биоорганоминеральных комплексов – это сложный комплекс микроорганизмов, формирующийся под влиянием состава и концентрации загрязняющих веществ в обрабатываемой воде, ее pH и температуры, концентрации растворенного в воде кислорода и гидродинамической обстановки в биореакторе. В биоценозах активного ила аэротенков присутствуют представители семи отделов микрофлоры (бактерии, грибы, актиномицеты, диатомовые, зеленые, эвгленовые, вольвоксовые микроводоросли), а также девяти таксонометрических групп микрофауны (жгутиконосцы, саркодовые, инфузории, первичнополостные, вторичнополостные и брюхоресничные черви, коловратки, тихоходки, паукообразные) [1]. Биоценоз активного ила аэротенка и биопленки биофильтра при очистке одной и той же воды идентичен, но при этом отмечается различие в соотношении количества различных видов микроорганизмов [2]. В книге [3, с. 206] отмечается, что на биофильтрах биоценоз более разнообразен. Доминирующую роль в биохимических процессах деструкции и потребления органических загрязняющих веществ играют бактерии. Изучение биоценозов показало, что грибы составляют до 30 % биомассы биопленки в биофильтрах, а в активных илах доля их незначительна [2]. На основании вышеизложенного, С.В. Яковлевым и Т.А. Карюхиной был сделан вывод, что в этом заключается наиболее существенное различие в микрофлоре биофильтров и аэротенков. Микроводоросли (диатомовые, зеленые, эвгленовые, вольвоксовые) периодически встречаются в биоценозах активного ила, и поэтому разные авторы характеризуют участие водорослей в процессе очистки сточных вод в аэротенках достаточно противоречиво [1, с. 327]. Общепризнано, что во вторичных отстойниках эти микроводоросли значительно размножаются и нарастают на поверхности стен отстойников и водопереливных лотков. Микроводоросли при поступлении в аэротенк с возвратным активным илом не находят в нем удовлетворительные условия для своего существования. В биофильтрах микроводоросли обитают в больших количествах. Представители микрофауны (простейшие и многоклеточные организмы) составляют приблизительно 5–10 % от общей биомассы активного ила [1]. Функциональная роль простейших заключается в осветлении очищенной воды за счет потребления бактерий, разрушенных зооглейных скоплений, грибов и водорослей. Наряду с этим простейшие усваивают и органические загрязнения, находящиеся во взвешенном состоянии. Следует особо отметить, что простейшие выделяют в воду экзоферменты, оказывающие стимулирующее действие на физиологическую активность бактерий [1, 2]. На основании этого было установлено, что вся биота активного ила в целом принимает участие в биодеструкции загрязняющих веществ. Многоклеточные животные, такие как клещи и мушки, развиваются только в биопленке, а в илах аэротенков они отсутствуют [2]. Роль их в процессах очистки воды не установлена. Объектами экспериментальных исследований являлась биопленка в дисковых биофильтрах на действующих станциях очистки бытовых сточных вод, расположенных в поселках Солнечная Поляна и Восточный соответственно в Ставропольском и Красноярском районах Самарской области. При выполнении гидробиологических исследований использовался бинокулярный микроскоп для морфологических исследований МИКАМЕД-1. Отбор проб биопленки производился на канализационных очистных сооружениях в пос. Восточный (1-я серия опытов) и пос. Солнечная Поляна (2–6-я серии опытов). Перед отбором проб вращение ротора дискового биофильтра останавливали, отключив электропитание мотора-редуктора. В дисковом биофильтре с продольным расположением вала ротора по отношению к направлению движения очищаемой сточной воды (станция очистки в пос. Восточный) первая проба биопленки отбиралась с первых двух дисков в начале корпуса дискового биофильтра, а вторая – с последних двух дисков в конце корпуса. В дисковом биофильтре с поперечным расположением вала ротора (станция очистки в пос. Солнечная Поляна) отбор проб биопленки осуществлялся с разных дисков пакета, состоящего из пятидесяти дисков в конкретной камере биофильтра. Корпус дискового биофильтра на этой станции очистки представляет собой две камеры (ванны) через которые проходит обрабатываемая сточная вода. Биопленка снималась с поверхности диска с помощью металлического пинцета. Каждая проба биопленки представляла собой смесь образцов биопленки, снимаемых с поверхности дисков в пяти диаметрально противоположных участках его поверхности. Пробы биопленки помещали в стеклянную банку и добавляли сточную воду, взятую соответственно в начале или конце корпуса дискового биофильтра. Исследования биопленки, взятой на станции очистки в пос. Солнечная Поляна, выполняли в местной лаборатории сразу после отбора проб. Биопленку, взятую на станции очистки в пос. Восточный, анализировали в лаборатории СГАСУ на следующий день. До выполнения анализов эти пробы хранили в холодильнике. Относительную численность гидробионтов в биопленке определяли методом учета по девятибалльной шестиступенчатой шкале частоты встречаемости организмов индикаторов [4]. Идентификацию организмов осуществляли с помощью фотографий и рисунков гидробионтов, представленных в книгах [3, 4]. При микроскопировании каждой пробы просматривали до 40 полей. Анализ результатов исследования состава гидробионтов в биопленке на станции очистки в пос. Восточный в период проведения на ней пуско-наладочных работ (табл. 1) показывает, что в начале корпуса дисковых биофильтров в биопленке наблюдался предельно низкий индекс видового разнообразия1 3. Основной вид обнаруженных микроорганизмов – это нитчатые бактерии Cladohrix dichotoma. Очень редко встречались круглые черви Nematoda. В единичных пробах также редко встречались брюхоресничные инфузории Aspidisca costata и серобактерии – Beggiatoa alba и Thiothrix nivea. Очень низкое видовое разнообразие указывает на перегрузку биопленки, что соответствует реальным условиям, так как эта проба биопленки была отобрана в самом начале корпуса дискового биофильтра. Следует отметить, что нитчатые бактерии Cladohrix dichotoma, обнаруженные в большом количестве в биопленке, хорошо усваивают азот из любых соединений, включая минеральные (нитраты) [3]. В биопленке, отобранной в конце корпуса дискового биофильтра, также отмечался очень низкий уровень видового разнообразия: было обнаружено только шесть видов организмов с численным преобладанием двух видов – круглые черви Nematoda и колониальные прикрепленные инфузории Opercularia coarctata. Как показали наши наблюдения, у инфузорий Opercularia coarctata ресничные зоны были закрыты. Это указывает на то, что в период пусконаладочных работ происходила перегрузка биопленки по органическим загрязнениям. Таблица 1 Частота встречаемости гидробионтов в секции № 1 дисковых биофильтров второй ступени очистки (1-я серия опытов 17.05.2005 г.) В баллах Виды организмов индикаторов Место отбора биопленки в дисковом биофильтре в начале камеры № 1 в конце камеры № 2 Номер пробы 1 2 3 4 5 Среднее арифметическое значение 1 2 3 4 5 Среднее арифметическое значение Cladohrix dichotoma 9 9 9 9 9 9 7 7 7 3 3 5,4 Nematoda 0 5 0 0 0 1 7 7 7 9 9 7,8 Beggiatoa alba 0 1 0 0 0 0,2 1 2 1 1 1 1,2 Aspidisca costata 0 1 0 0 0 0,2 1 1 1 1 1 1 Thiothrix nivea 0 0 0 0 1 0,2 1 0 0 1 1 0,6 Opercularia coarctata 0 0 0 0 0 0 9 9 9 0 9 7,2 Opercularia glomerata 0 0 0 0 0 0 0 0 0 9 0 1,8 Arcella vulgaris 0 0 0 0 0 0 1 3 0 0 0 0,8 1 Шувалов М.В. Гидробиологические исследования биопленки дисковых биофильтров при проведении пусконаладочных работ канализационных очистных сооружений в поселке Восточный // Совершенствование систем водоснабжения и водоотведения по очистке природных и сточных вод: межвузовский сборник научных трудов / СГАСУ. Самара, 2005. С. 339–342. 2 Стрелков А.К. Исследование состава биоценоза биологической пленки на дисковых биофильтрах // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика: материалы 63-й Всероссийской научн.-техн. конф. по итогам НИР за 2005 г. / СГАСУ. Самара, 2006. С. 320–321. 3 Шувалов Р.М. Обработка результатов исследований биологической пленки на канализационных очистных сооружениях // Современные методы анализа многомерных данных: материалы пятого международного симпозиума по хемометрике (18–23 февраля 2006 г.) / СамГТУ. Самара, 2006. С. 31–32. Результаты гидробиологических исследований биоценоза биопленки в дисковых биофильтрах на канализационных сооружениях в пос. Солнечная Поляна (табл. 2, 3) показали, что в ее составе присутствуют в большом количестве (7–9 баллов) нитчатые бактерии и черви Nematodа. Таблица 2 Частота встречаемости гидробионтов в секции №1 дисковых биофильтров (2-я серия опытов 27.09.2006 г.) В баллах Виды организмов индикаторов Место отбора биопленки в дисковом биофильтре в камере № 1 в камере № 2 Номер пробы 1 2 3 4 5 Среднее арифметическое значение 1 2 3 4 5 Среднее арифметическое значение Cladohrix dichotoma 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 Nematoda 7 7 5 5 7 6,2 7 7 7 9 5 7 Aspidisca costata 3 3 0 3 0 1,8 2 3 2 3 2 2,4 Thiothrix nivea 7 7 5 7 5 6,2 7 7 7 7 7 7 Opercularia coarctata 7 7 5 5 5 5,8 9 9 9 9 9 9 Callidina vorax 0 2 2 2 0 1,2 3 0 2 2 2 1,8 Notommata ansata 0 2 0 0 2 0,8 2 0 2 2 0 1,2 Stylonychia pustulata 2 0 2 2 0 1,2 2 0 0 0 2 0,8 Colpidium colpoda 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 2 0,8 Cathypna luna 2 0 0 2 0 0,8 0 0 2 0 0 0,4 Таблица 3 Частота встречаемости гидробионтов в секции № 3 дисковых биофильтров (3-я серия опытов 27.09.2006 г.) В баллах Виды организмов индикаторов Место отбора биопленки в дисковом биофильтре в камере № 1 в камере № 2 Номер пробы 1 2 3 4 5 Среднее арифметическое значение 1 2 3 4 5 Среднее арифметическое значение Cladohrix dichotoma 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 Nematoda 7 9 7 7 5 7 7 5 7 9 9 7,4 Aspidisca costata 3 2 2 1 0 1,6 2 3 3 1 3 2,4 Thiothrix nivea 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 Opercularia coarctata 7 7 7 7 5 6,6 5 5 5 5 5 5 Callidina vorax 2 0 0 3 2 1,4 0 3 3 3 2 2,2 Notommata ansata 2 2 3 3 3 2,6 3 3 2 0 0 1,6 Litonotus lamella 0 2 0 2 0 0,8 0 0 0 0 0 0 Таблица 4 Частота встречаемости гидробионтов в секции № 4 дисковых биофильтров (4-я серия опытов 1.06.2008 г.) В баллах Виды организмов индикаторов Место отбора биопленки в дисковом биофильтре в камере № 1 в камере № 2 Номер пробы 1 2 3 4 5 Среднее арифметическое значение 1 2 3 4 5 Среднее арифметическое значение Cladohrix dichotoma 9 9 9 9 9 9 7 7 7 7 7 7 Nematoda 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 Aspidisca costata 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 Thiothrix nivea 7 5 7 7 5 6,2 3 5 5 5 5 4,6 Callidina vorax 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 Vorticella convallaria 9 7 9 7 9 8,2 9 9 7 7 7 7,8 Oxytricha pellionella 0 3 0 0 0 0,6 0 0 0 0 0 0 Psichoda 0 0 0 0 0 0 3 3 3 0 0 1,8 Cathypna luna 7 7 7 7 7 7 9 9 9 9 9 9 Paramecium caudatum 0 0 0 0 1 0,2 0 0 0 0 0 0 Таблица 5 Частота встречаемости гидробионтов в секции № 4 дисковых биофильтров (5-я серия опытов 29.03.2009 г.) В баллах Виды организмов индикаторов Место отбора биопленки в дисковом биофильтре в камере № 1 в камере № 2 Номер пробы 1 2 3 4 5 Среднее арифметическое значение 1 2 3 4 5 Среднее арифметическое значение Cladohrix dichotoma 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 Nematoda 7 7 9 7 9 7,8 9 9 9 9 9 9 Aspidisca costata 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 Thiothrix nivea 2 2 0 0 0 0,8 0 0 0 0 0 0 Callidina vorax 3 3 2 2 2 2,4 7 7 7 7 7 7 Arcella vulgaris 3 3 3 3 3 3 2 2 2 3 3 2,4 Philodina roseola 1 0 2 2 0 1 7 7 7 7 7 7 Таблица 6 Частота встречаемости гидробионтов в секции № 3 дисковых биофильтров (6-я серия опытов 29.03.2009 г.) В баллах Виды организмов индикаторов Место отбора биопленки в дисковом биофильтре в камере № 1 в камере № 2 Номер пробы 1 2 3 4 5 Среднее арифметическое значение 1 2 3 4 5 Среднее арифметическое значение Cladohrix dichotoma 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 Nematoda 5 7 5 9 9 7 9 9 9 9 9 9 Aspidisca costata 7 5 7 5 5 5,8 7 7 7 7 7 7 Callidina vorax 0 2 0 2 1 1 7 7 7 7 7 7 Arcella vulgaris 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 Philodina roseola 0 0 3 2 0 1 5 7 7 7 7 6,6 Psichoda 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0,2 Исследования показали, что видовой состав биоценоза биопленки в дисковых биофильтрах, работающих в режиме полной биологической очистки бытовых сточных вод с БПК5 до 100 мг/л, характеризуется не таким богатым видовым разнообразием, которое наблюдается в классических аэротенках. В отдельных пробах было обнаружено по 7–10 видов организмов. Учитывая присутствие в биопленке двигающихся и свободноплавающих в процессе жизнедеятельности организмов и особенно таких крупных по размерам, как черви Nematodа (длина до 5–10 мм), можно предположить, что они вносят заметный вклад в процесс перемешивания воды непосредственно в границах слоя биопленки. По результатам исследования биоценоза биопленки в шести сериях опытов (см. табл. 1–6) было зафиксировано присутствие в ней следующих девятнадцати видов организмов: а) нитчатые хламидобактерии: Cladohrix dichotoma, Beggiatoa alba, Thiothrix nivea; б) простейшие: ресничные инфузории: Opercularia coarctata, Opercularia glomerata, Aspidisca costata, Litonotus lamella, Stylonychia pustulata, Vorticella convallaria, Oxytricha pellionella, Colpidium colpoda, Paramecium caudatum; саркодовые: амебы Arcella vulgaris; в) многоклеточные беспозвоночные организмы: коловратки: Callidina vorax, Philodina roseola, Cathypna luna, Notommata ansata; черви Nematoda; личинки насекомых Psichoda. Полученные данные дополняют имеющиеся сведения о биоценозе биопленки и представляют практический интерес, так как в научнотехнической литературе имеются данные только о видах гидробионтов, присутствующих в биопленке, при очистке промышленных сточных вод. Например, в монографии4 приводятся данные, что в биопленке на дисковых биофильтрах наблюдалось около 25 видов гидробионтов, при этом из них выделены следующие виды микроорганизмов: Nematodа – как мало встречаемые, а виды – Vorticella, Convallaria, Opercularia glomerata, Amphileptus carchesi – как много и массово встречаемые организмы. По данным Л.А. Фортученко5, на дисковых биофильтрах в биопленке, представляющей скопление Zooglea ramigera, присутствует огромное количество простейших Paramaecium caudatum, Colpidium colpoda, Lionotus lamella, а также других свободноплавающих организмов и червей Nematodа. Своеобразие видового состава биоценза биопленки в дисковых биофильтрах, применяемых на станции полной биологической очистки бытовых сточных вод в пос. Солнечная Поляна, обусловлено тем, что концентрация биопленки в этом виде биореакторов превышает в 4–6 раз концентрацию ила в классических аэротенках. 4 Таварткиладзе И.М. Сорбционные процессы в биофильтрах. М.: Стройиздат, 1989. С. 73. 5 Фортученко Л.А. Очистка сточных вод предприятий бродильной промышленности на примере дрожжевых и спиртовых производств: автореф. дис. … канд. тех. наук / Одес. инж.-строит. институт. Одесса, 1973. 31 c. Выводы. При исследовании биоценоза биопленки в дисковых биофильтрах, применяемых на станциях полной биологической очистки бытовых сточных вод, было зафиксировано присутствие в ней девятнадцати видов организмов, из которых нитчатые бактерии и черви Nematodа встречаются очень часто или в массовом количестве. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Жмур, Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками [Текст] / Н.С. Жмур. – М.: АКВАРОС, 2003. – 512 с. Яковлев, С.В. Биохимические процессы в очистке сточных вод [Текст] / С.В. Яковлев, Т.А. Карюхина. – М.: Стройиздат, 1980. – 200 с. Методика технологического контроля работы очистных сооружений городской канализации [Текст]. – М.: Стройиздат, 1977. – 299 с. ПДН Ф СБ 14.1.77-96. Методическое руководство по гидробиоло-гическому и бактериологическому контролю процесса биологической очистки на сооружениях с аэротенками [Текст]. – М.: Министерство охраны окружающий среды и природных ресурсов Российской Федерации, 1996. – 61 с. © Шувалов М.В., Стрелков А.К., Шувалов Р.М., 2011

About the authors

M. V ShUVALOV

Самарский государственный архитектурно-строительный университет

Author for correspondence.
Email: vestniksgasu@yandex.ru

кандидат технических наук, доцент кафедры водоснабжения и водоотведения, декан факультета инженерных систем и природоохранного строительства

A. K STRELKOV

ООО НПФ «ЭКОС» Самарский государственный архитектурно-строительный университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой водоснабжения и водоотведения, директор ООО НПФ «ЭКОС»

R. M ShUVALOV

Департамент строительства и архитектуры г.о.Самара

Email: vestniksgasu@yandex.ru

кандидат технических наук, начальник отдела геолого-геодезической службы Департамента строительства и архитектуры г.о.Самара

References

Supplementary files