Воронеж, Воронежская область, Россия
Качество биологической очистки сточных вод напрямую зависит не только от концентрации загрязняющих веществ, но и от состояния биоценоза активного ила. Оценка состояния активного ила осуществляется по двум группам критериев: гидрохимическим (массовая концентрация, иловый индекс, скорость оседания) и гидробиологическим (видовое разнообразие, активность, количество микроорганизмов). На показатели жизнедеятельности активного ила влияет ряд факторов. Недостаточно изученным является влияние уровня рН и температуры стоков на гидробиологические и гидрохимические характеристики биоценоза. Целью работы является изучение влияния сточных вод с различными рН = 3, 5, 8, 9 10 и температурой t = 5, 10, 30, 40 оС на гидрохимические и гидробиологические показатели. В результате исследований установлено: при рН = 3, 5, 10 наблюдается падение массовой концентрации ниже 2,5 г/дм3, а иловый индекс повышается более чем до 200 см3/г, гидробиологический анализ подтверждает ухудшение состояния активного ила в части критического снижения видового разнообразия. При воздействии стоков с температурой t = 5, 40 оС наблюдается быстрое снижение массовой концентрации до критических значений менее 1 г/дм3, в то же время иловый индекс падает, а скорость оседания возрастает при t = 5 оС, в отличие от среды с температурой t = 40 оС, где наблюдается вспухание биоценоза с повышением илового индекса и снижением скорости оседания
активный ил, биоценоз, температура, рН, абиотические факторы
Введение
По 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 методы
Объекты исследования
1. 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 1
Гидробиологические показатели активного ила
Table 1
Hydrobiological indicators of active sludge
|
Укрупненные индикаторные группы Enlarged indicator groups |
Балл встречаемости Conditional occurrence score |
|
Euglypha |
3-4 |
|
Kinetophragminophora |
3-4 |
|
Spirotrihida |
3-4 |
|
Peritricha |
3-4 |
|
Rotifera (Rotaria, Philodina, Cephalodella) |
2-3 |
|
Zoogloea ramigera |
2-3 |
|
Testacealobsia |
2-3 |
|
Gymnamoebia |
1-2 |
|
Phytomastigophorea |
1-2 |
|
Nematoda Monhystera |
1-2 |
|
Algae |
1-2 |
Источник: собственные экспериментальные данные
Source: own experimental data
2. 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 исследования
1. 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 исходного
активного ила
Figure 1. Micrographs of the initial
active sludge
Источник: собственные экспериментальные данные
Source: own experimental data
4. 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 2
Состав синтетической сточной воды
Table 2
Composition of synthetic wastewater
|
Наименование компонента Name of the component |
Концентрация, мг/дм3 Concentration, mg/dm3 |
|
Ацетат натрия Sodium acetate |
50,0 |
|
Гидроортофосфат калия Potassium hydroorthophosphate |
25,0 |
|
Карбонат натрия Sodium carbonate |
50,0 |
|
Дигидроортофосфат аммония Ammonium dihydroorthophosphate |
25,0 |
|
Хлорид кальция Calcium chloride |
7,5 |
|
Сульфат магния Magnesium sulfate |
5,0 |
|
Пептон ферментативный Peptone enzymatic |
80,0 |
Источник: 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 обсуждение
Изучение 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 установка
Figure 2. Experimental setup
Источник: собственная композиция авторов
Source: authors' composition
Таблица 3
Результаты влияния рН и температуры на гидрохимические показатели активного ила
Table 3
Results of the influence of pH and temperature on the hydrochemical parameters of active sludge
|
Показатель Indicator |
Уровень рН pH value |
Температура, оС Temperature, оС |
|||||||
|
3 |
5 |
8 |
9 |
10 |
5 |
10 |
30 |
40 |
|
|
Иловый индекс, см3/г Silt index, cm3/g |
351,05 |
312,87 |
141,7 |
131,9 |
201,23 |
41,3 |
117,8 |
144 |
487,1 |
|
Массовая концентрация, г/дм3 Mass concentration, g/dm3 |
1,04 |
1,6 |
4,5 |
4,06 |
2,4 |
0,74 |
2,5 |
1,98 |
0,83 |
|
Скорость оседания, см3/мин Settling rate, cm3/min |
0,83 |
0,73 |
0,47 |
0,3 |
0,4 |
0,85 |
0,59 |
0,74 |
0,2 |
|
Прозрачность надиловой воды Water transparency |
мутная muddy |
прозрачная transparent |
прозрачная transparent |
мутная muddy |
|||||
|
Хлопок Accumulation |
дисперги-рованный separated |
крупный, компактный large, compact |
средний, компактный medium, compact |
мелкий, компактный small, compact |
крупный, компактный large, compact |
средний, компактный medium, compact |
|||
Источник: 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 индекс
90-140 см3/г, скорость оседания 0,4-0,6 см3/мин.). Стоит отметить, что при воздействии стоков с
рН = 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 данные
Source: own experimental data
Рисунок 4.Статистические диаграммы
Figure 4. Statistical charts
Источник: собственные экспериментальные данные
Source: own experimental data
Рисунок 5. Микрофотографии проб активного ила при изменении рН
Figure 5. Micrographs of active sludge samples with a change in pH
Источник: собственные экспериментальные данные
Source: own experimental data
Рисунок 6. Микрофотографии проб активного ила при изменении температуры
Figure 6. Micrographs of active sludge sampleswith a change in temperature
Источник: собственные экспериментальные данные
Source: 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.
Выводы
Абиотические 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.
1. О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2019 году : государственный доклад. Москва : Минприроды России; МГУ имени М.В. Ломоносова, 2020. 1000 с.
2. Korchagin V. I., Dochkina Yu. N., Popova L. V., Denisova-Barabash E. А. Extraction nutrient substrate from highly concentrated poultry processing plants effluents. Earth and environmental science. 2020. EESE6402062. DOI:https://doi.org/10.1088/1755-1315/640/2/022062.
3. Ашурбекова Т. Н., Исаева Н. Г., Мурзаева А. Н. Сравнительный анализ качества артезианских вод. Теоретическая и прикладная экология. 2018;3: 40-47. DOI:https://doi.org/10.25750/1995-4301-2018-3-040-047.
4. Бабушкина, Ю. А., Назаренко Н. Н. Миграция поллютантов и загрязнение подземных вод при добыче железных руд. Теоретическая и прикладная экология. 2018; 3: 55-61. DOI:https://doi.org/10.25750/1995-4301-2018-3-055-061.
5. Дочкина Ю. Н., Студеникина Л. Н., Корчагин В. И. Влияние природы питательного субстрата на гидробиологические и гидрохимические показатели активного ила. Материалы LVII отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГУИТ за 2018 год. Воронеж, 2019. С. 106.
6. Довгаль И. В., Сергеева Н. Г. Cидячие инфузории (Ciliophora) из экстремальных местообитаний. Журнал Сибирского федерального университета. Серия «Биология». 2016; 4: 385-397. DOI:https://doi.org/10.17516/1997-1389-2016-9-4-385-397.
7. Weirich C. E., Feiden A., Souza C. S. (et al.) Temperature influences swine wastewater treatment by aquatic plants. Scientia Agricola. 2021; 78: 1-7. DOI: 10.1590 / 1678-992X-2019-0325.
8. Liu K., Hang Q., Yuan Q. (et al.) Influence of temperature on MBBR denitrification for advanced nitrogen removal of wastewater treatment plant effluent. Research of Environmental Sciences. 2016;29 (06): 877-886. DOI:https://doi.org/10.13198/j.issn.1001-6929.2016.06.12.
9. Zhou X., Bolun L., Jun W. (et al.) Temperature influenced the comammox community composition in drinking water and wastewater treatment plants. Microbial ecology. 2021; 82: 870-884. DOI:https://doi.org/10.1007/s00248-021-01724-9.
10. Daud M, Hina R., Muhammad A. (et al.) Review of upflow anaerobic sludge blanket reactor technology: effect of different parameters and developments for domestic wastewater treatment. Journal of Chemistry. 2018; 3: 1-13. DOI:https://doi.org/10.1155/2018/1596319.
11. Cho, S. Cicilia K., Nguyen V. Performance of anammox processes for wastewater treatment: a critical review on effects of operational conditions and environmental stresses. Water. 2020; 12(1): 20. DOI:https://doi.org/10.3390/w12010020.
12. Кравчук Е. С., Дубовская О. П., Шулепина С. П. (и др.) Влияние антропогенных факторов на экосистему протоки р. Енисей в черте города Красноярска. Журнал Сибирского федерального университета. Серия «Биология». 2021; 14: 208-237. DOI:https://doi.org/10.17516/1997-1389-0331.
13. Минченок Е. Е., Пахомова Н. А. Оценка состояния городских водных экосистем гидробиологическим показателям. Теоретическая и прикладная экология. 2016; 3: 48-55.
14. Дочкина Ю. Н., Корчагин В. И. Особенности биологической очистки высококонцентрированных стоков, прошедших электрофлотационную обработку. Материалы LIX отчетной научной конференции преподавателей и научных сотрудников ВГУИТ за 2020 год. Воронеж, 2021. С. 113.
15. Balku Ş. Influence of temperature on activated sludge systems. Celal Bayar University Journal of Science. 2018; 14: 77-80. DOI:https://doi.org/10.18466/cbayarfbe.357348.
16. Кулишов С. А., Лыков И. Н., Голофтеева А. С. Исследование технологических параметров очистки сточных вод прикрепленным биоценозом. Общественно-научный журнал «Проблемы региональной экологии». 2016; 4: 16-20.
17. Ха Куан Чан, Гогина Е. С. Влияние технологических параметров работы реактора периодического действия на эффективность процесса глубокой очистки сточных вод от соединений азота. Строительство: Наука и образование. 2020; 2: 1-18. DOI:https://doi.org/10.22227/2305-5502.2020.2.5.
18. Брикова О. И., Душин С. Е. Исследование влияния температуры среды на биологические процессы в моделях типа ASM1. Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2019; 5: 25-31.
19. Шевцов В. С. Влияние температуры воды на технологические параметры работы осветлителя со взвешенным слоем активного ила. Строительство в прибрежных курортных регионах : Материалы X международной научно-практической конференции, 21-25 мая 2018 г. Сочи, 2018. С. 280-284.
