ВведениеПо данным государственного доклада «О состоянии и об охране окружающей среды РФ» за 2019 г., на втором месте по объему сброса сточных вод находится вид экономической деятельности, включающий в том числе водоотведение. По официальным данным Росводресурсов, в 2019 году объем загрязненных сточных вод составил 12602,33 млн м3, из которых 2313,93 млн м3 было сброшено без очистки, а остаток приходился на недостаточно очищенные сточные воды [1].Одной из ключевых проблем современной экологии является недостаточное извлечение загрязняющих веществ из сточных вод на линии биологической очистки, что приводит к сверхнормативному сбросу токсикантов в поверхностные водные объекты [2], а впоследствии негативно сказывается на качестве различных объектов окружающей среды, в частности питьевой воды [3,4].Причины неэффективной работы биологических очистных сооружений могут быть  различны: низкая или высокая концентрация питательных элементов в стоках, несоблюдение режима аэрации, износ оборудования технологических линий, перепады объемов поступающих на очистку стоков [5], высокое давление, радиация, недостаточное содержание растворенного кислорода, наличие токсикантов [6], однако, немаловажными параметрами стабильной работы системы биологического окисления являются температура и уровень кислотности (рН) очищаемых стоков [7-11], которые являются основными абиотическим факторами, влияющими на биологическую очистку сточных вод. Изменение и колебание абиотических параметров окружающей среды неизбежно приведет к изменениям и нарушениям функционирования биоценоза [12,13]. В настоящее время наблюдается тенденция по использованию различных физико-химических способов предварительной обработки сточных вод, предусматривающих добавление подкисляющих или подщелачивающих реагентов для более эффективного извлечения загрязнителей. Такие технологические приемы приводят к изменению уровня рН обработанных сточных вод перед их подачей на линию биологического окисления, тем самым создавая потенциально негативные условия жизнедеятельности для биоценоза активного ила [14].Авторами зарубежных исследований [7-9,15] длительного влияния изменений температурного режима на биоокислительные процессы показано, что способность организмов активного ила к нитрификации снижается при понижении температуры за счет повышения концентрации аммония в сточных водах, а, следовательно, их возросшей токсичности. Отечественными исследователями также  установлено, что оптимальными условиями для формирования биопленки на носителе и повышения эффективности извлечения азотсодержащих соединений является значение рН до 9 и температуры в диапазоне 30-35 оС [16, 17].Увеличение температуры очищаемых стоков до 40 oC приводит к снижению количества растворенных биоразлагаемых веществ и росту бактерий денитрифакоторов [18].В результате проведенного аналитического обзора выявлено, что преимущественное внимание учеными уделяется нарушениям технологических параметров биологической очистки [19], таких как эффективность извлечения загрязнителей, формирование биопленки на носителях. В то время, как немаловажным является изучение влияния изменения температуры и уровня рН очищаемых стоков на показатели жизнеспособности свободноплавающего активного ила: иловый индекс, массовая концентрация, скорость оседания; а также гидробиологический показатель - видовое разнообразие.Материалы и методыОбъекты исследования1. Активный ил очистных сооружений г. Воронежа. Гидрохимические показатели исходного активного ила: иловый индекс 104,0-132,0 см3/г; массовая концентрация 3,5-5,8 г/дм3; скорость оседания 0,41-0,58 см3/мин; надиловая вода прозрачная; хлопок плотный, компактный, гранулообразный.Гидробиологические показатели представлены в табл. 1 с учетом следующей шкалы встречаемости: 1 – единичные представители, 2 – малочисленны, 3 – среднечисленны, 4 – многочисленны.Микрофотографии проб исходного активного ила представлены на рис. 1.Таблица 1Гидробиологические показатели активного илаTable 1Hydrobiological indicators of active sludgeУкрупненные индикаторные группыEnlarged indicator groupsБалл встречаемости Conditional occurrence scoreEuglypha3-4Kinetophragminophora3-4Spirotrihida3-4Peritricha3-4Rotifera (Rotaria, Philodina, Cephalodella)2-3Zoogloea ramigera2-3Testacealobsia2-3Gymnamoebia1-2Phytomastigophorea1-2Nematoda Monhystera1-2Algae1-2Источник: собственные экспериментальные данныеSource: own experimental data2. Синтетическая сточная вода, приготовленная по ГОСТ 32509-2013 «Вещества поверхностно-активные. Метод определения биоразлагаемости в водной среде». Компонентный состав синтетической сточной воды представлен в табл. 2.3. Лимонная кислота.4. Гидроксид натрия.Методы исследования1. Водородный показатель рН определяли при помощи рН метра в соответствии с ГОСТ 33776-2016 «Методы испытаний химической продукции, представляющей опасность для окружающей среды».2. Температуру определяли с использованием ртутного водного термометра.3. Изучение гидрохимических показателей активного ила осуществляли по комплекту методик: «Определение массовой концентрации активного ила, илового индекса, прозрачности надиловой воды» ФР 1.31.2008.04397, ФР 1.31.2008.04398, ФР 1.31.2008.04400.    Рисунок 1. Микрофотографии исходногоактивного илаFigure 1. Micrographs of the initialactive sludgeИсточник: собственные экспериментальные данныеSource: own experimental data4. Гидробиологические показатели активного ила определяли посредством микроскопирования электронным микроскопом Livenhuk G670T с использованием определителя видового разнообразия микроорганизмов.5. Экспериментальные исследования проводились на лабораторной установке, моделирующей работу проточного аэротенка-вытеснителя, представленной на рис. 2.Таблица 2Состав синтетической сточной водыTable 2Composition of synthetic wastewaterНаименование компонентаName of the componentКонцентрация, мг/дм3Concentration, mg/dm3Ацетат натрияSodium acetate50,0Гидроортофосфат калияPotassium hydroorthophosphate25,0Карбонат натрияSodium carbonate50,0Дигидроортофосфат аммонияAmmonium dihydroorthophosphate25,0Хлорид кальцияCalcium chloride7,5Сульфат магнияMagnesium sulfate5,0Пептон ферментативныйPeptone enzymatic80,0Источник: ГОСТ 32509-2013 «Вещества поверхностно-активные. Метод определения биоразлагаемости в водной среде»Source: GOST 32509-2013 "Surfactants. Method for determining biodegradability in an aquatic environment"Лабораторная установка включает в себя емкость для дозирования сточной воды, аэротенк – смеситель, емкость для отстаивания избыточного активного ила, компрессор.Результаты и обсуждениеИзучение влияния концентрации водородных ионов на состояние биоценоза активного ила проводили при уровне рН = 3, 5, 8, 9, 10 путем добавления растворов гидроксида натрия и лимонной кислоты к синтетической сточной воде.Изучение влияния температуры стоков на состояние биоценоза активного ила проводили при температурах: 5 °С, 10 °С, 30 °С, 40 °С путем охлаждения и нагревания синтетической сточной воды.Условия, при которых осуществляли биоокисление, следующие: скорость подачи стока в аэротенк 0,5 дм3/час, расход воздуха на аэрацию одного аэротенка 2 дм3/мин, режим работы непрерывный, аэрация мелкопузырчатая, равномерная, интенсивная, время проведения исследования 5 недель, количество параллельных опытов на каждое значение рН и температуры – 3.Полученные конечные результаты влияния концентрации водородных ионов и температуры подаваемого стока на состояние биоценоза активного ила представлены в таблице 3.Динамика основных гидрохимических показателей при изменении рН и температуры стока представлена на рисунке 3, на рисунке 4 представлена визуализация полученных данных в виде статических диаграмм и таблиц расчетных значений.Микрофотографии конечных проб активного ила после воздействия рН приведены на рисунке 5, а температуры приведены на рисунке 6.  Рис. 2. Экспериментальная установкаFigure 2. Experimental setupИсточник: собственная композиция авторовSource: authors' composition   Таблица 3Результаты влияния рН и температуры на гидрохимические показатели активного илаTable 3Results of the influence of pH and temperature on the hydrochemical parameters of active sludgeПоказательIndicatorУровень рНpH valueТемпература, оСTemperature, оС3589105103040Иловый индекс, см3/гSilt index, cm3/g351,05312,87141,7131,9201,2341,3117,8144487,1Массовая концентрация, г/дм3Mass concentration, g/dm31,041,64,54,062,40,742,51,980,83Скорость оседания, см3/минSettling rate, cm3/min0,830,730,470,30,40,850,590,740,2Прозрачность надиловой водыWater transparencyмутнаяmuddyпрозрачнаяtransparentпрозрачнаяtransparentмутнаяmuddyХлопокAccumulationдисперги-рованныйseparatedкрупный, компактныйlarge, compactсредний, компактныйmedium, compactмелкий, компактныйsmall, compactкрупный, компактныйlarge, compactсредний, компактныйmedium, compactИсточник: собственные экспериментальные данные  Source: own experimental data Анализ табличных данных и диаграмм показывает, что при воздействии на биоценоз активного ила сточных вод с уровнем рН = 3 наблюдается устойчивое падение массовой концентрации на всем протяжении эксперимента до значения 1,04 г/дм3, в то время как иловый индекс возрастает до критических значений 351,05 см3/г. Значения скорости оседания коррелируют со значениями илового индекса и также показывают устойчивый рост при снижении прозрачности надиловой воды, свидетельствуя о сгущении иловой жидкости.При воздействии на активный ил сточных вод с рН = 5 прослеживается более благоприятный сценарий жизнедеятельности биоценоза: массовая концентрация снижается до нижних предельных значений 1,6 г/дм3, а иловый индекс и скорость оседания в первые две недели воздействия находятся в допустимом диапазоне, после чего на третьей неделе наблюдается резкий скачок до критических величин 312,87 см3/г и 0,73 см3/мин. соответственно.Сточная вода, имеющая рН = 8 и рН = 9, не оказывает пагубного воздействия на гидрохимические показатели жизнедеятельности на всем протяжении эксперимента. Величины основных показателей находятся в рабочих диапазонах активного ила городских очистных сооружений (массовая концентрация 2,5-6 г/дм3, иловый индекс90-140 см3/г, скорость оседания  0,4-0,6 см3/мин.). Стоит отметить, что при воздействии стоков срН = 8 динамика показателей показывает стабильность, в то время как при воздействии сточных вод с рН = 9 наблюдаются скачкообразные изменения.   Рисунок 3. Динамика гидрохимических показателей:Figure 3. Dynamics of hydrochemical parameters:Источник: собственные экспериментальные данныеSource: own experimental data  Рисунок 4.Статистические диаграммыFigure 4. Statistical chartsИсточник: собственные экспериментальные данныеSource: own experimental data    Рисунок 5. Микрофотографии проб активного ила при изменении рНFigure 5. Micrographs of active sludge samples with a change in pHИсточник: собственные экспериментальные данныеSource: own experimental data Рисунок 6. Микрофотографии проб активного ила при изменении температурыFigure 6. Micrographs of active sludge sampleswith a change in temperatureИсточник: собственные экспериментальные данныеSource: own experimental data  При влиянии на активный ил стоков, имеющих рН = 10, наблюдается резкое снижение скорости оседания до 0,4 см3/мин, что говорит о начале процесса утяжеления хлопка активного ила и повышении его седиментационных свойств. При этом значения массовой концентрации и илового индекса не попадают в области критических значений, находясь на границе предельно допустимых величин. Анализ экспериментальных данных, отражающих влияние стоков с различной температурой на биоценоз активного ила показывает, что при температурах стоков 5 оС и 40 оС наблюдается быстрое снижение массовой концентрации до критических значении менее 1 г/дм3, а также стабильное снижение илового индекса до значений менее 42 см3/г и возрастание скорости оседания до 0,85 см3/мин. при температуре стоков 5 оС. Это свидетельствует об утяжелении хлопка активного ила и его минерализации при снижении биологической активности в среде низких температур. При температуре стока 40 оС напротив наблюдается резкий скачок илового индекса до критической величины 487,1 см3/г и снижение скорости оседания до 0,2 см3/мин., что говорит о процессе вспухания активного ила, связанного со снижением концентрации растворенного кислорода при повышении температуры водной среды.При взаимодействии сточных вод с температурой 10 оС и 30 оС и биоценоза активного ила значимых отличий в гидрохимических показателях выявлено не было. Однако, стоит отметить, что при температуре 30 оС прослеживается тенденция к более интенсивному снижению массовой концентрации и повышению илового индекса. Значения скоростей оседания значимо не отличаются. Все величины основных показателей находятся в допустимом диапазоне.Результаты микроскопирования образцов активного ила после воздействия стоков с различным уровнем рН коррелируют со значениями гидрохимических показателей.После воздействия кислых стоков с рН = 3 происходит снижение видового разнообразия. Представители исходных индикаторных укрупненных групп сначала сменяются малочисленными живыми представителями прикрепленных инфузорий Peritricha, коловраток Habrotrochidae, коловраток Rotifera, а по завершении исследования в образцах обнаруживаются цисты микрорганизмов, нарастание нитчатых бактерий, неподвижные единичные представители коловраток Rotifera, и блуждающих инфузорий Peritricha.Образцы активного ила после взаимодействия со сточными водами, имеющими рН = 5, характеризуются сменой биоценоза от первичных живых и подвижных среднечисленных коловраток Rotifera, прикрепленных инфузорий Peritricha, кругоресничных инфузорий Oligohymenophora, филозей Euglypha, голых амеб Gymnamoebia, Zoogloea ramigera, сосущих инфузорий Suctoria, инфузорий Litonotus до часто встречающихся филозей Gromia, нитчатых бактерий, филозей Euglypha, коловраток Rotaria, коловраток Cephalodella, растительных жгутиконосцев Phytomastigophorea, голых амеб, инфузорий Spirotrihida, Kinetophragminophora и Trochilia.Гидробиологический анализ проб биоценоза после влияния сточных вод с рН = 8 и рН = 9 показал, что видовое разнообразие стабильно представлено достаточным количеством укрупненных индикаторных групп таких, как Zoogloea ramigera, прикрепленные инфузории Peritricha, различные коловратки Rotaria, Philodina и Cephalodella, голые амебы Gymnamoebia, филозеи Gromia и Euglypha, различные инфузории Spirotrihida и Kinetophragminophora, растительные жгутиконосцы Phytomastigophorea.Микроскопирование образца активного ила после воздействия сточных вод с уровнем рН = 10 показывает, что в пробах присутствует среднечисленное количество нематод, инфузорий Litonotus, прикрепленных инфузорий Peritricha, Zoogloea ramigera, коловраток Cephalodella, множество кругоресничных инфузорий Polyhymenophora и Oligohymenophora.По результатам микроскопирования видовое разнообразие образцов активного ила после взаимодействия со стоками, имеющими температуру 5 оС, представлено преимущественно цистами и единичными Zoogloea ramigera. Изредка встречаются нитчатые бактерии и водоросли Algae и грибы Fungi. Образцы биоценоза, смешанного со сточными водами, имеющими температуру 10 оС и 30 оС существенно не отличаются по результатам микроскопирования. В большей или меньшей степени в образцах присутствуют представители основных индикаторных укрупненных групп микроорганизмов активного ила такие как, прикрепленные инфузории Peritricha, коловратки Rotifera, Rotaria, Cephalodella, растительных жгутиконосцы Phytomastigophorea, Zoogloea ramigera, кругоресничные  инфузорий Kinetophragminophora и Spirotrihida, раковинные амебы Testacealobsia, круглые черви Nematoda Monhystera.В результате изучения под микроскопом образцов биоценоза, подвергшихся воздействию сточных вод с температурой 40 оС, установлено, что активный ил не имеет активных подвижных представителей микроорганизмов, а представлен преимущественно нитчатыми бактериями, цистами, Zoogloea ramigera, единичными неподвижными представителями коловраток Cephalodella и блуждающих инфузорий Peritricha.ВыводыАбиотические факторы оказывают значимое влияние на состояние биоценоза активного ила, в частности на его гидрохимические (массовая концентрация, иловый индекс, скорость оседания) и гидробиологические (видовое разнообразие) характеристики.При близких к нейтральной или слабощелочной среде значениях рН = 5-9, а также при температуре стоков в диапазоне 10-30 оС величины основных гидрохимических показателей состояния активного ила находятся в допустимых диапазонах. При понижении уровня рН происходит разрушение хлопка, как следствие – седиментационные свойства активного ила ухудшаются, активный ил плохо осаждается во вторичных отстойниках и в больших количествах выносится из системы. Это неизбежно приводит к снижению массовой концентрации активного ила в аэротенках и ухудшению качества очистки сточных вод. При высоких уровнях рН наблюдается стабильный рост илового индекса, что свидетельствует о вспухании биоценоза. Данные гидробиологического исследования показывают, что в щелочной среде наблюдается преимущественно развитие Nematoda Monhystera, Litonotus, Peritricha, Zoogloea ramigera, Cephalodella, Polyhymenophora, Oligohymenophora, в кислой среде наблюдается повышенное количество цист микроорганизмов, нитчатые бактерии, Rotifera, блуждающие Peritricha.При температуре 40 °С растворимость кислорода снижается и гидрохимические показатели активного ила заметно ухудшаются, наблюдается нитчатое вспухание, образование большого количества цист, встречаются единичные Cephalodella и Peritricha. При воздействии на биоценоз стоков с температурой 5 °С наблюдается критическое снижение массовой концентрации, а видовое разнообразие представлено многочисленными цистами, единичными Cephalodella и блуждающими Peritricha.