Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ сложившейся системы биологической диагностики состояния активного ила 12
1.1. Индикаторная роль организмов активного ила. классификации биоценозов ила 13
1.2. Фундаментальные законы экологии и их распространение на процессы, происходящие в экосистеме активного ила 24
1.2.1. Теория видового разнообразия 27
1.2.2. Теория устойчивости и стабильности экологических систем 31
1.2.3. Закон внутреннего динамического равновесия экосистем 35
1.3. Реакция биоценоза активного ила на воздействие токсикантов 38
1.4. Нарушение седиментационных характеристик активного ила под влиянием чрезмерного развития нитчатых хламидобактерий 50
Глава 2. Объекты и методы исследования 60
2.1. Методы предварительной подготовки проб и количественного учета бактерий активного ила 62
2.1.1. Методы гомогенизации проб 62
2.1.2. Метод прямого счета флюорохромированных бактерий на ядерных фильтрах с окрашиванием флюорескамином 63
2.1.3. Окрашивание бактериальных клеток раствором флюорескамина 64
2.1.4. Метод прямого счета флюорохромированных бактерий на мембранных фильтрах с окрашиванием акридин оранжевым 65
2.1.5. Метод прямого счета бактерий с окрашиванием эритрозином 66
2.1.6. Метод окрашивания нитчатых бактерий по методу Грама 67
2.1.7. Метод окрашивания нитчатых бактерий по методу Нейссера 68
2.1.8. Измерение размеров нитчатых микроорганизмов 69
2.2. Методы учета простейших активного ила 70
2.2.1. Качественный учет простейших 70
2.2.2. Методы количественного учета организмов активного ила 71
2.3. Оценка состояния биоценоза по видовой структуре 72
2.3.1. Индекс Шеннона 72
2.3.2. Индекс Cuba 81
2.3.3. Модифицированный индекс Cuba 82
2.4. Оценка функционального состояния активного ила 86
2.5. Лабораторные модельные установки для очистки сточных вод 86
2.6. Статистическая обработка данных 89
Глава 3. Условия формирования активного ила. Характеристика и сравнительная оценка воздействующих факторов и основных параметров процесса биологической очистки, определяющих уровень структурной организации биоценоза 90
3.1. Систематические признаки организмов активного ила и некоторые уточнения индикаторного значения отдельных групп 94
3.2. Условия формирования и функционирования экосистемы активного ила 118
3.2.1. Экологические факторы, определяющие развитие и популяционную динамику активного ила 119
3.2.1.1. Биотические факторы 120
3.2.1.2. Абиотические факторы 121
3.2.2. Технологический режим эксплуатации сооружений с аэротенками 127
3.3. Основные типы экосистемы аэротенков и уровни организации биоценозов активного ила 132
Глава 4. Механизмы и формы реакции биоценоза активного ила на стрессирующее антропогенное воздействие 142
4.1. Поступление, фракционирование и трансформация наиболее распространенных токсикантов в процессе биологической очистки 147
4.1.1. Нефтепродукты 149
4.1.2. Тяжелые металлы 155
4.2. Выбор и обоснование параметров, характеризующих состояние активного ила в норме и при его стрессировании 165
4.3. Состояния биоценоза активного ила, характеризующие условную норму, риск и кризис. Разрушение биоценоза и формы регенерации 168
Глава 5. Вспухание активного ила как наиболее распространенная форма кризисного состояния экосистемы аэротенков. Стратегия улучшения седиментационных характеристик активного ила 206
5.1. Причины, вызывающие вспухание активного ила 209
5.2. Особенности развития хламидобактериального вспухания активного ила на действующих сооружениях биологической очистки 223
5.3. Индикаторная оценка процесса биологической очистки в условиях вспухания активного ила 234
5.4. Специфические мероприятия по подавлению доминирования хламидобактерий. Профилактика нитчатого вспухания 243
5.5. Обоснование алгоритма комплексной оценки воздействия токсикантов на процесс биологической очистки с целью выявления причин его нарушений и, в частности, причин хламидобактериального вспухания ила 253
Общие выводы 271
Список использованных источников 273
- Индикаторная роль организмов активного ила. классификации биоценозов ила
- Систематические признаки организмов активного ила и некоторые уточнения индикаторного значения отдельных групп
- Состояния биоценоза активного ила, характеризующие условную норму, риск и кризис. Разрушение биоценоза и формы регенерации
- Обоснование алгоритма комплексной оценки воздействия токсикантов на процесс биологической очистки с целью выявления причин его нарушений и, в частности, причин хламидобактериального вспухания ила
Введение к работе
Актуальностью этих вопросов определены цель и задачи настоящего еследования.
Целью настоящей работы является: на основе исследований характера инамики экосистемы активного ила в условиях антропогенного воздействия азной интенсивности и определения механизмов патологических изменений структуре биоценоза — предложить комплексную систему контроля по ценке состояния процесса биологической очистки методами биоиндикации токсикологического биотестирования, а также основные мероприятия по рофилактике и ликвидации последствий нарушений работы очистных со-ружений.
Задачи исследования:
- выяснить факторы абиотической и биотической природы, определяющие основные типы биоценозов формирующегося активного ила;
определить тренды структурных изменений в процессе функционирования активного ила;
выяснить характерные изменения в структуре биоценоза активного ила и функционировании экосистемы аэротенков при антропогенном стрессировании;
разработать систему оценки дискретных состояний деградации биоценоза активного ила при антропогенном стрессировании;
исследовать и описать биологические механизмы развития вспухания активного ила, установить наиболее распространенные его типы в России и разработать мероприятия по профилактике и подавлению чрезмерного развития хламидобактерий с учетом их биологических особенностей и экологических условий развития;
оптимизировать, стандартизовать и ввести в практику государственного и производственного контроля комплексную систему биологического контроля процесса биологической очистки и его нарушений с использованием методов биоиндикации и биотестирования с целью совершенствования прогностического и диагностического мониторинга процесса биологической очистки.
Основные положения, выносимые на защиту
Выполненные автором исследования динамики, структуры и развития активного ила в различных условиях на действующих сооружениях биологической очистки позволяют утверждать, что:
1) стратегию развития биоценоза активного ила и его тип определяет окислительная мощность аэротенков, включающая нагрузки по органическим загрязняющим веществам на активный ил, потенциальную деструктивную активность ила (в значительной степени обусловленную интенсивностью токсического влияния загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах) и размер биотопа (обеспечивающего время контакта ила с загрязняющими веществами);
2) в условиях антропогенного стрессирования основную роль в сохранении целостности биоценоза играет закон динамического равновесия экологической системы активного ила, при нарушении которого возникает раз-
рушение главного звена, обеспечивающего интенсивность биохимической деструкции загрязняющих веществ, — звена гетеротрофных флокулообра-зующих бактерий, а степень его поражения определяет последующую структурную перестройку в биоценозе;
-
антропогенные стрессоры вызывают в биоценозе последовательные структурные изменения, завершающиеся определенным стационарным состоянием в виде новых модификаций активного ила, отражающих: состояние риска, когда пораженное звено флокулообразующих бактерий замещается более устойчивыми хрототрофными (осмотрофными) простейшими; кризисное состояние, когда флокулообразующие бактерии замещаются еще более устойчивыми и более примитивными формами гетеротрофных хламидобак-терий; состояние деградации, когда доминирование и появление определенных видов организмов носит случайный характер и биоценоз разрушается;
-
мероприятия, направленные на ликвидацию последствий стрессовых возмущений активного ила, должны предусматривать улучшение экологических условий в биологических реакторах с учетом, в первую очередь, удовлетворительного жизнеобеспечения флокулообразующей микрофлоры.
Научная новизна
Подавляющее большинство из сформулированных выше результатов и выводов обладают новизной содержания и формулировок. Однако наибольшее значение имеют выводы, сформулированные в пунктах 2 и 3 положений, выносимых на защиту.
Выделены основные типы биоценоза активного ила, формирующегося в зависимости от окислительной мощности аэротенков, включающей нагрузки по органическим загрязняющим веществам на активный ил, размер биотопа и метаболическую активность организмов ила. Показана ведущая роль антропогенных факторов в формировании деструкционного потенциала активного ила.
Впервые по данным эпифлюоресцентного анализа показано, что при экстремальном антропогенном воздействии на экосистему ила происходит нарушение целостности звена флокулообразующих бактерий, а также получены количественные характеристики происходящих нарушений.
Обнаружены, исследованы и описаны характеристики биоценозов активного ила в состоянии экологической нормы, риска, кризиса и деградации.
Впервые при характеристике видового разнообразия сообщества активного ила, функционирующего под влиянием стрессовых возмущений, предложено использовать индекс Cuba, модифицированный в процессе проведенных исследований, более адекватно отражающий видовое разнообразие в сообществе активного ила, чем индекс Шеннона, а также неравномерность распределения видов в нарушенных биоценозах, чем традиционный индекс Cuba.
Впервые описаны принципы биологического механизма кризисного состояния экосистемы в периоды вспухания активного ила за счет нарушения динамического равновесия и баланса в трофических уровнях экосистемы ила.
Дана уточненная классификация основных причин вспухания ила и сопутствующих его развитию факторов.
Предложенные меры по подавлению нитчатого хламидобактериально-го вспухания активного ила с учетом воздействия на экологические условия его местообитания и предусматривающие последующую активизацию ферментативных свойств флокулообразующих бактерий, не имеют аналогов в мировой литературе и практике эксплуатации сооружений биологической очистки (Европейский патент CSFR 2117-91.S, 1992, Российский патент № 2078738, 10.05.1997).
Практическая значимость работы
По результатам проведенных исследований подготовлено два методических руководства по гидробиологическому контролю организмов активного ила и регистрации нитчатого бактериального вспухания (задание Госкомэкологии России). Методические руководства прошли экспертизу органов Госстандарта, включены в Государственный реестр методов, допущенных для целей экоаналитического контроля, внедрены в практику работы лабораторий Госкомэкологии России, лабораторий "Водоканалов" и экологических служб Минобороны РФ. Разработанная система индикаторной оценки процесса биологической очистки используется при производственном контроле
за работой азротенков, при регулировании эксплуатационного режима, что позволяет без существенных затрат улучшить качество очищаемой воды и предотвратить загрязнение водоемов.
Стандартизованы, аттестованы и внедрены в практику государственного экологического контроля три метода биотестирования сточных вод, осадков очистных сооружений и донных осадков природных водоемов (задание Госкомэкологии России).
Предложенный метод подавления вспухания ила применен на действующих сооружениях биологической очистки.
Результаты исследований могут быть использованы для совершенствования отдельных аспектов экологического нормирования, применены в методиках расчета экологического ущерба, разработке мер по реабилитации подверженных антропогенному воздействию активных илов на сооружениях биологической очистки. Важным следствием работы может быть переход к экологическому нормированию и соответствующему расчету и прогнозу допустимых уровней сброса загрязняющих веществ на сооружениях биологической очистки, имеющих место в результате эпизодического (аварийного), а также хронического антропогенного влияния, что, в свою очередь, способствует развитию эффективного экологического мониторинга и контроля за состоянием процесса биологической очистки.
Две монографии, написанные по результатам исследований, используются в учебном процессе Казанского государственного университета, для слушателей специальности "Экология и охрана окружающей среды" в Московском институте нефтегазовой промышленности, а также на курсах повышения квалификации специалистов, работающих в области охраны окружающей среды.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном симпозиуме "Обобщенные показатели качества вод - 83. Практические вопросы биотестирования и биоиндикации" (Черноголовка, февраль 1983 г.), Симпозиуме специалистов стран-членов СЭВ "Комплексные методы контроля качества природной среды" (Москва, ноябрь 1986), Междуна-
родной конференции "Биология в очистке воды" (Веспрем, Венгрия, май 1987), секции гидробиологии и ихтиологии Московского общества испытателей природы (Москва, март 1990 г.), Ill Международной школе по экологической химии (Алма-Ата, ноябрь 1990 г.), Университете сельского хозяйства (Брно, 1991 г.), семинаре "Опыт с применением специализированных микроорганизмов при декаментации почвы и биологической очистке сточных вод в Чехословакии" (Прага, октябрь 1992 г.), на кафедре гидробиологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, 1992 г., Международной конференции "Экологическая безопасность регионов и рыночные отношения" (Москва, 1993 г.), на заседании рабочей группы Хельсинской комиссии по защите Балтийского моря от загрязнения сточными водами (ХЕЛКОМ, Хельсинки, 1995 г.), на Международном семинаре Госкомэкологии России для специалистов в области контроля качества сточных вод (Москва, 1996 г.), на заседании научно-технического совета Госкомэкологии России (1997 г.), на Международной научно-практической конференции (Санкт-Петербург, 1997 г.), на заседании научно-консультационного совета межведомственной ихтиологической комиссии в 1999 г., на заседании международной группы Consulting Engineers and Planners AS по вопросам очистки сточных вод, (Будапешт, 2000 г.).
Результаты работ автора представлялись на международных выставках ВВЦ и отмечены медалями ВВЦ (1993, 1995 гг.).
Публикации
По теме диссертации в отечественной и зарубежной печати опубликовано 28 научных работ, 2 монографии, ряд результатов работ изложены в нормативных документах Госкомэкологии России.
Объем и структура текста
Диссертация содержит 290 страниц машинописного текста, 45 рисунков и 39 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 207 названий, из которых ПО работ на иностранных языках. Состоит из введения, пяти глав, обсуждения результатов, заключения и выводов.
Индикаторная роль организмов активного ила. классификации биоценозов ила
Пионерские работы, посвященные индикаторной роли простейших активного ила, появились в первые годы промышленной эксплуатации аэротенков (Buswell, Jong, 1923; Kolkwitz, 1926; Lockett, 1928; Hamburg-Eisenberg, 1933). Качественный и количественный состав населения, седиментацион-ные характеристики активного ила были сопоставлены с количеством подаваемого воздуха и концентрацией загрязняющих веществ (Buswell, Jong, 1923). В этой же работе впервые были показаны особенности первичной сукцессии ила (терминология определилась значительно позже) при пуске аэротенка в работу после реконструкции и указано время развития биоценоза — 11 суток. Кольквитц (1926) впервые предложил подразделить основные типы активного ила на нормальный с мезосапробными представителями сообщества простейших и перегруженный с полисапробными представителями биоценоза. По существу Кольквитц предложил применить принципы разработанной к тому времени системы сапробности природных водоемов при оценке экосистемы аэротенков. В тот период, когда в аэротенках очищались только бытовые воды без примеси промышленных сточных вод это можно было признать правильным, но не без определенных оговорок. Система сапробности водоемов была основана на понятиях трофической нагрузки и запасах растворенного кислорода. Приуроченность видов-индикаторов в природных водоемах к определенным зонам сапробности была связана с их отношением к содержанию растворенного в воде кислорода и величине органического загрязнения. В аэротенках в нормальных условиях эксплуатации постоянно присутствует обилие питательных веществ и растворенного кислорода, поэтому в понятиях сапробности аэротенк олигосапробен по содержанию кислорода и полисапробен по содержанию органических веществ, оцениваемых показателем биологического потребления кислорода (БПК). Из этого следует, что применимость системы сапробности водоемов для биоиндикаторной оценки условий аэротенка без некоторых уточнений весьма сомнительна.
Одновременно параллельные исследования были посвящены влиянию различных факторов на развитие и функционирование активного ила.
Формирование фауны простейших было исследовано (Lockett, 1928) под воздействием различных технологических режимов биологической очистки. Наиболее важное в этой работе, по нашему мнению то, что простейшие были сгруппированы (амебы, жгутиконосцы, инфузории) и показано каким образом каждая группа отражает различные стадии процесса очистки: окисление, нитрификации. Так, например, Локетт установил, что при хорошем кислородном режиме в аэротенке уменьшается количество бесцветных жгутиконосцев и увеличивается разнообразие ресничных инфузорий и эта тенденция усиливается в нитрифицирующем активном иле. В 1928 году Ardern и Lockett описали сообщество активного ила, которое было разделено ими на 4 категории в зависимости от эффективности работы очистных сооружений.
На модельных аэротенках в разных условиях кислородного режима и трофической нагрузки (Hamburg-Eisenberg, 1933) были проведены исследования активного ила, в результате чего в соответствии с системой Кольквит-ца и Марссона он был подразделен на 4 категории в зависимости от полиса-пробной, а,р-мезосапробной и олигосапробной зоны, в которой развивался. Тэйлором в свою очередь активный ил был подразделен на хороший и испортившийся (Taylor, 1930), однако он не достаточно ясно указал индикаторные характеристики развивающихся простейших характерных для этих, установленных им, категорий ила.
С этого времени исследователями регулярно сообщалось о найденных взаимосвязях между формирующимся сообществом активного ила и качеством очистки, которое он обеспечивал при определенном уровне функционирования.
Один из основателей санитарной гидробиологии Я.Я. Никитинский, (1909) отмечал, что при построении системы биоиндикации в первую очередь необходимо исходить из особенностей станции аэрации как экологической системы. И Хавкис (Hawkes, 1963) подтвердил мысль об экосистемных закономерностях формирования структуры биоценоза активного ила, когда отметил, что присутствие инфузорий в хорошем иле говорит не о их значительной роли в очистке сточных вод, а только о наличии хороших условий для их развития.
При создании любой системы биоиндикции принимается, что набор организмов отражает состав и структуру экосистемы и потому служит индикатором комплекса разнообразных факторов, оказывающих воздействие на экосистему. Многофакторность и изменчивость условий функционирования биологического реактора очищающего сточные воды в определенной степени объясняет почему до настоящего времени не существует совершенной системы биоиндикации процесса биологической очистки, и остается справедливым утверждение о множестве разноречивых данных, объясняющих взаимосвязь качества очистки и специфических организмов (Curds, Cockburn, 1970). Это объясняется также особенностями биоценоза активного ила, его высокими адаптационными свойствами (что позволяет развиваться одним и тем же видам в разных экологических зонах), но в основном, влиянием на его развитие сложного комплекса биотических, абиотических и антропогенных факторов.
Для описании динамики популяционных и биоценотических изменений, происходящих в природном сообществе наиболее удачной остается система биоиндикации предложенная Кольквитцем и Марссоном (Kolkwitz, Marsson, 1902, 1908, 1909), в которой устанавливается связь между обликом сообщества и степенью загрязнения водной среды.
С первых лет функционирования сооружений биологической очистки, санитарными гидробиологами предпринимались многочисленные попытки применить систему Кольквитца и Марссона к оценке биоценоза активного ила и процесса очистки (Кольквитц, 1926; Сладечек, 1960; Роговская, 1967; Липеровская, 1977). Однако, весьма успешно используемая система при оценке процессов в природных водоемах, применительно к условиям аэро-тенков обнаруживала свою несостоятельность, не характеризовала в полной мере процесс очистки и оставляла ряд вопросов. Поскольку классификации повторяли систему сапробности в водоемах, в основу предлагаемых классификаций были положены трофические нагрузки на активный ил и содержание кислорода в иловой смеси.
В 1973 году В. Сладечек внес изменения в систему сапробности Кольк-витца-Марссона. Прежде всего, Сладечек выделил в отдельную категорию загрязнение естественных поверхностных вод, назвав ее лимносапробной зоной, к которой полностью применима система Кольквитца-Марссона, только вместо их катаробной зоны он ввел ксеносапробную ступень. В отдельную категорию Сладечек выделил сточные воды, содержащие органическое вещество, подвергающееся биохимической деградации. Эта категория получила название евсапробной и разделялась на 4 степени сапробности.
1. Изосапробную, характеризующуюся обильной фауной реснитчатых инфузорий, таких как Paramecium putrinum, Colpidium colpoda, Glaucoma scintillans, Tetrahymena pyriformis, Vorticella microstoma и др. в количестве до 56000 экз./см3. Много бесцветных жгутиковых и бактерий. Растворенный кислород отсутствует, т.е. условия анаэробные; отсутствует также сероводород, или имеются только его следы.
2. Метасапробная степень характеризуется фауной бесцветных жгутиконосцев: Cercoloda longicauda, Bodo putrinus, Oicomonas mutabilis, все виды Hexamitus и др., максимальная плотность которых доходит до 300 тыс. экз./см3. Огромное количество бактерий, но инфузории встречаются редко и в единичных экземплярах: Hexotriche и Enchellis, которые Либманн считает показателями присутствия больших количеств сероводорода. На свету могут развиваться в массе зеленые и пурпурные серные бактерии.
3. Гиперсапробная степень, единственными живыми организмами которой являются бактерии и иногда низшие грибы. Условия анаэробные, но без наличия сероводорода или с очень незначительным его количеством.
4. Ультрасапробная степень — абиотическая, не содержащая организмов. Это сточные воды некоторых производств, перерабатывающих растительное сырье, например, сульфатные щелочи целлюлозно-бумажных комбинатов, необработанные сточные воды сахарных заводов и т.п. Главным характерным признаком является то, что даже без разбавления в них с течением времени начинается постепенный биохимический распад органических веществ.
Систематические признаки организмов активного ила и некоторые уточнения индикаторного значения отдельных групп
Активный ил, искусственно созданная экосистема, находящаяся в чрезвычайно изменчивых условиях воздействия абиотических и биотических факторов. Культивирование активного ила в ограниченном пространстве аэ-ротенков в условиях довольно высокой трофности и значительного антропогенного стрессирования (в сравнении с природными экосистемами) приводит к формированию сообщества со строго разграниченными функциями, входящих в него отдельных популяций и высокими адаптационными свойствами организмов, получившими преимущества в результате селекции и отбора. Микробные композиции активного ила отражают изменения в составе сточных вод и подвержены постоянной изменчивости.
В активном иле присутствуют все основные физиологические группы микроорганизмов, обеспечивающие разложение углерода, азота, фосфора, серы и других элементов. Биоценотической особенностью активного ила является отсутствие в нем звена продуцентов (за исключением хемоавтотроф-ных бактерий), поскольку органическое вещество поступает со сточными водами в готовом виде. В процессах деградации загрязняющих веществ основная роль принадлежит гетеротрофным флокулообразующим бактериям и грибам. Осмотрофные простейшие также принимают участие в этом процессе, но их роль усиливается только при ослаблении звена флокулообразую-щих бактерий и соответственно конкуренции за потребление растворенных органических веществ (в случае гибели или каком-либо угнетении флокуло-образующих гетеротрофных бактерий или при изобилии органических веществ, оцениваемых показателем биологического потребления кислорода). Флокулообразующие бактерии в популяции активного ила составляют 90— 95%, их функциональное состояние, активность и адаптированность к экологическим условиям аэротенков определяют устойчивость и эффективность биохимического окисления загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах.
В биоценозах активного ила развиваются представители шести отделов микрофлоры (бактерии, грибы, диатомовые, зеленые, синезеленые, эвглено-вые микроводоросли) и девяти таксономических групп микрофауны (жгутиконосцы, саркодовые, инфузории, первичнополостные и вторичнополостные черви, брюхоресничные черви, коловратки, тихоходки, паукообразные).
Для правильной оценки биоценоза активного ила в целом необходимо охарактеризовать как состояние бактериальных популяций, основных деструкторов загрязнений, так и простейших, составляющих приблизительно 5— 10% от общей биомассы и осуществляющих активное поедание диспергированных бактерий.
Микроконсументов, или сапрофитов, раньше считали единственными деструкторами органического загрязнения. Исследования последних трех десятилетий показали, что в некоторых системах очистки зооценозы также играют значительную роль в разложении органического вещества. Более того, было установлено, что простейшие выделяют биологически активные вещества, которые обладают стимулирующим действием на физиологическую активность бактерий. Из культурной жидкости инфузорий получено до 5 биологически активных соединений, оказывающих ростовой эффект (Николюк, Тапильская, 1976). Поэтому следует рассматривать разложение загрязняющих веществ как процесс, в котором участвует вся биота в целом, а абиотические процессы влияют на его скорость и успешность.
Активный ил представляет собой сложную экологическую систему, организмы которой находятся на разных трофических уровнях. Гетеротрофные бактерии, водоросли, сапрофитные грибы и сапрофитные простейшие — первичные поедатели — составляют I трофический уровень. Голозойные простейшие — II, а отдельные виды нематод, хищные коловратки, сосущие инфузории, тихоходки, хищные грибы — III трофический уровень (рис. 3.1).
Способ питания организмов активного ила определяет их структурное положение в биоценозе и характер взаимоотношений. Преобладание той или иной группы организмов с определенным типом питания указывает на происходящие процессы структурных изменений в биоценозе и позволяет предположить возможные изменения экологических условий обитания активного ила.
Сапрозойный способ питания характеризуется тем, что питательные вещества поступают в тело организмов осмотически через поверхность тела. Пищей могут служить только растворенные и частично разложившиеся органические вещества (например, промежуточные продукты распада белков: пептон или аминокислоты). Эти вещества потребляют сапрозойные простейшие и бактерии между ними существует конкуренция за питательные вещества, что отражается на структурных особенностях биоценоза активного ила. В активном иле, как и в природных биоценозах при наличии в среде двух групп организмов, потребляющих один и тот же субстрат, организмы с большей скоростью роста и с большей способностью потреблять субстрат вытесняют конкурентную группу.
Бактерии по сравнению с сапрозойными простейшими в удовлетворительных условиях функционирования активного ила имеют несомненные преимущества в борьбе за потребляемый субстрат перед простейшими и многоклеточными организмами. Наименьший размер клеток бактерий, значительно большая поверхность соприкосновения с питательными веществами, а также гораздо меньшее время генерации у большинства бактерий, чем у простейших и многоклеточных организмов активного ила. При первичном наращивании активного ила на сооружениях биологической очистки в первые недели пуска в работу аэротенков сапрозойные простейшие способны одновременно развиваться вместе с бактериями, когда питательных веществ еще много и популяции всех организмов еще низки, однако в дальнейшем они начинают вытесняться бактериями и практически полностью исчезают из биоценоза с хорошими нитрифицирующими свойствами и стабильными седиментационными характеристиками.
Периодическое повышение численности сапрозойных простейших (например, жгутиконосцев) в биоценозе ила свидетельствует об угнетении звена флокулообразующих бактерий.
По мере изъятия из среды растворенных питательных веществ и роста избыточного количества бактерий создаются условия для появления голо-зойных микроорганизмов. Голозойный тип — это П-ой тип гетеротрофного питания, при котором организмы получают сырой материал (белки, жиры и углеводы), поглощая цитоплазму других организмов. Голозойный тип питания предполагает развитие органоидов, служащих для захвата пищи. Одними из первых голозойных в биоценозе активного ила появляются мелкие жгутиконосцы рода Bodo. Захват твердой пищи у них осуществляется при помощи органов движения — жгутиков. Внутрь пища поступает через пищевой бугорок — участок голой цитоплазмы, расположенный у основания жгутика, который при помощи вызываемого им водоворота подгоняет пищевые частицы (бактерии, коллоиды и т.д.) к пищевому бугорку. Пищевые частицы поступают в пищеварительную вакуоль, где и происходит их усвоение.
Саркодовые и ресничные активного ила также обладают голозойным типом питания, но оно осуществляется у них иначе, чем у голозойных жгутиконосцев.
Голые саркодовые образуют псевдоподии и захватывают пищу обтекая ее своим телом (фагоцитоз). Исключение составляют некоторые роды голых амеб с пиноцитозным способом питания. Растворенные вещества из сточных вод поглощаются ими прерывисто через определенные участки клеточной мембраны тела, а не непрерывно через всю его поверхность, как это имеет место у организмов с сапрозойным типом питания.
Пиноцитоз возбуждается присутствием в среде, окружающей клетку, активных веществ, к которым относятся, например, некоторые соли и белки. Раковинные амебы захватывают пищу длинными псевдоподиями и питаются главным образом бактериями, жгутиковыми и даже инфузориями, которые парализуются, прикоснувшись к псевдоподиям. Голозойное питание инфузорий отличается устройством пищеварительной системы. У них имеется ротовое отверстие, глоточный канал, пища по которому подгоняется ресничками. Инфузории питаются бактериями, детритом, а также простейшими.
Сосущие инфузории — типичные хищники активного ила. Их ротовой аппарат вторично редуцирован и заменен органоидами, адаптированными к хищническому питанию — сосательными щупальцами. К своей жертве сосущие прикрепляются при помощи иглообразных крист, предварительно оказывая на добычу ядовитое парализующее действие, и одновременно высасывают жидкую эндоплазму.
Коловратки питаются бактериями, органическим детритом, а хищные виды различными простейшими с использованием пищеварительной системы, состоящей из глотки с жевательным аппаратом, пищеводом, желудком и т.д. Черви обладают уже хорошо развитой пищеварительной системой, но питаются в основном иловыми частицами, минерализуя активный ил.
Состояния биоценоза активного ила, характеризующие условную норму, риск и кризис. Разрушение биоценоза и формы регенерации
Определить допустимый уровень воздействия, при котором обеспечивается эффективность деструкционных процессов - основная задача управления интенсивностью биохимического окисления загрязняющих веществ. Это возможно при сохранении устойчивости, стабильного функционирования активного ила, его способности противостоять антропогенному стресси-рующему воздействию.
Неравные исходные функциональные возможности разных типов экосистемы активного ила определяют неодинаковые формы реагирования и характер изменений. Можно выделить три основные группы происходящих изменений:
1) структура и основные функциональные возможности биоценоза сохраняются или изменяются незначительно;
2) коренным образом меняется структура и функционирование экосистемы;
3) происходит полная деградация биоценоза
а) с сохранением возможности самовосстановления
б) или потерей способности к самовосстановлению после прекращения стрессирующего воздействия (рис. 4.5.).
Анализ литературных данных и собственный экспериментальный материал, полученный на действующих сооружениях биологической очистки, позволил выявить определенные закономерности общей реакции активного ила на воздействие стрессоров, определить последовательные стадии происходящих структурных изменений биоценоза и прийти к выводу, что в основе регулирования процессов биологической очистки при усилении стрессирующего антропогенного воздействия лежит один из фундаментальных экологических законов — закон внутреннего динамического равновесия экосистем (Реймерс, 1975).
Для описания характерного отклика экосистемы активного ила на антропогенное стрессирование было исследовано 16 сооружений биологической очистки, очищающих сточные воды смешанного состава с постоянным присутствием в них наиболее распространенных загрязняющих веществ, токсически воздействующих на активный ил, а именно: металлов, синтетических поверхностно активных веществ (СПАВ), нефтепродуктов. На таких сооружениях, как правило, формируется активный ил со средним и высоким деструкционным потенциалом, богатым видовым разнообразием и выраженным откликом структурной биоценотической перестройки на неблагоприятное или положительное, т.е. интенсифицирующее биологическую очистку воздействие. Наиболее интересными в плане постоянного антропогенного стрессирования функционирующего активного ила являются городские очистные сооружения с развитым промышленным производством в таких городах как Липецк, Троицк, Москва, Нижний Новгород, Самара, Камышин, Волгоград, Владимир и т. д.
Наиболее сложным вопросом в наших исследованиях был вопрос определения "нормы" или точнее "условной нормы" при характеристике чрезвычайно динамичных изменений, происходящих в функционирующей экосистеме активного ила.
Как уже отмечалось, при исследовании состояний природных экосистем понятия "норма" и "допустимая антропогенная нагрузка" не определены и предлагаются разные подходы к количественному выражению допустимой нагрузки и нормального состояния экосистем (Степанов, Черненькова, 1987; Бутовский, Кочетова, 1992).
Для сооружений биологической очистки исходная экологическая норма различна как для разных условий в аэротенках и разных функционирующих илов, так и значительно варьирует для одного и того же ила. Это объясняются постоянными флуктуациями в составе сточных вод и условиях жизнеобеспечения активного ила, что сопровождается кратковременными и долгосрочными изменениями функционального состояния активного ила, его чувствительностью, устойчивостью к нарушающим воздействиям.
Наш метод биологической оценки исходной условной нормы был основан на первоначальном прагматическом выборе "нормального" наиболее характерного состояния экосистемы в условиях средней антропогенной нагрузки, наименьших флуктуацией поступающих на очистку загрязняющих веществ, при обязательном условии удовлетворительного технического состояния очистных сооружений. При этом устанавливались наиболее важные параметры экосистемы и далее в процессе функционирования регистрировались положительные и отрицательные отклонения от квази-естественных условий и оценивалась степень этих отклонений от установленной условной нормы. Таким образом, определялась степень нарушенности.
На сооружениях, относительно долго и устойчиво функционирующих, понятие "нормы" в структуре биоценоза совпадает с понятием узлового сообщества, поскольку узловое сообщество — наиболее характерный (по структурным особенностям) относительно устойчивый и наиболее долго доминирующий на данных сооружениях биоценоз.
В практике гидробиологического контроля на сооружениях биологической очистки состояние нормы, как правило, определяется состоянием биоценоза при его максимальном видовом разнообразии, что связано с переносом основных понятий из природных биоценозов. Для проточных биологических реакторов, функционирующих в принципиально отличных от природных условиях, в частности для тех сооружений, которые изучались с целью описания характерного отклика экосистемы ила на антропогенное стрессирование, состояние нормы было нами охарактеризовано, прежде всего, как поддержание устойчивости деструкционных биохимических процессов в чрезвычайно нестабильных условиях функционирования экосистемы. Эта устойчивость обеспечивалась условной структурной стабильностью биоценоза ила при незначительных флуктуациях и переменах в функциональном состоянии организмов в условиях изменяющегося качества очищаемых сточных вод и технологического режима очистки. При ухудшающемся режиме жизнеобеспечения активный ил проявлял признаки угнетения, но сохранял способность к восстановлению при условии улучшения качества сточных вод, поступающих на очистку или нормализации режима эксплуатации.
Седиментационные характеристики активного ила изменяются в диапазоне установленной для данной экосистемы нормы, т.е. происходящие ухудшения осаждаемости активного ила компенсируются возможностями вторичных отстойников удовлетворительного отделения ила от очищенной воды. Прирост ила соответствует расчетным значениям. На биоценотиче-ском уровне в состоянии нормы сохраняется устойчивость биоценоза на фоне структурных флуктуации при изменяющихся условиях функционирования. Когда практически отсутствуют численно доминирующие виды, а исчезновение или появление в биоценозе дополнительных видов не сказывается на его функциональной активности и изменении обеспечиваемого качества очистки. Было также отмечено, что состояние нормы у активного ила не всегда сопровождалось максимальным видовым разнообразием. Так, например, на очистных сооружениях г. Владимира за норму был принят диапазон видового разнообразия по индексу Cuba от 21 до 29, поскольку происходящее повышение видового разнообразия по индексу Cuba до 35 в определенные периоды функционирования очистных сооружений было кратковременным, нехарактерным состоянием процесса биологической очистки, а активный ил при воздействии неблагоприятных антропогенных факторов быстро возвращался к исходному видовому разнообразию.
Обоснование алгоритма комплексной оценки воздействия токсикантов на процесс биологической очистки с целью выявления причин его нарушений и, в частности, причин хламидобактериального вспухания ила
В настоящее время существующая система гидрохимического контроля очистки за качеством очищаемых сточных вод не позволяет оперативно и надежно выявлять токсические загрязняющие вещества, поступающие на очистку.
В сточных водах перечень контролируемых загрязняющих веществ специфичен для каждой отрасли промышленности и насчитывает, как правило, от 15 до 50 компонентов, в то время как с учетом взаимодействия и превращений в процессе биологической очистки в сточной воде одновременно присутствуют сотни химических соединений, а на практике, при ежедекадном контроле определяется не более 10—20 основных показателей загрязнения.
В то же время в сточных водах, кроме установленных веществ, могут присутствовать: не только те вещества, что непосредственно используются в технологии производства, но также сопутствующие, промежуточные продукты; - вещества, образующиеся в результате процесса ферментативного биохимического окисления в процессе биологической очистки и, следовательно, с неизвестной химической структурой; вещества с известной химической структурой, но не обнаруживаемые в сточной воде из-за отсутствия подходящих аналитических методов (это характерно для подавляющего большинства органических соединений); вещества, для которых существует соответствующая аналитическая техника, но она не обладает достаточной селективностью, и результат анализа может быть неправильным или сомнительным из-за эффекта матрицы сточных вод.
Таким образом, существующий аналитический контроль за составом сточных вод не отвечает современным требованиям экологического контроля за загрязнением окружающей среды поскольку:
1) охватывает лишь незначительную часть реально присутствующих в сточной воде показателей загрязнения;
2) не учитывает степень вредности комплексного воздействия всех загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах, на процессы самоочищения в водоемах;
3) достоверно обнаруживает только часть известных веществ, содержащихся в сточных водах;
4) регулярно контролирует в сбросах незначительную долю обнаруживаемых аналитическими методами веществ;
5) не выявляет эффектов синергизма и антагонизма химических соединений, присутствующих в сточных и в большинстве природных вод. Сложность аналитического контроля заключается в том, что трудно предположить и охватить контролем основную долю присутствующих в исследуемой среде веществ (необходимо иметь эталоны всех гомологов и изомеров и дорогое аналитическое оборудование). Подготовка пробы к гидрохимическому анализу для целого ряда веществ предполагает такую продолжительную и многоступенчатую процедуру (растворение, концентрирование, экстракция), что потери при этом могут значительно превышать результат анализа.
Для сооружений биологической очистки надежный контроль при минимальном количестве обязательно определяемых загрязняющих ингредиентов предполагает:
- обоснованный выбор и определение приоритетных загрязнителей; оперативное инструментальное определение суммарного содержания опасных загрязняющих веществ;
- определение общей токсичности присутствующих в сточной воде веществ методами биотестирования;
- методическое и приборное обеспечение поиска и идентификации веществ, оказывающих токсическое действие.
Для обосновании необходимости изменений в существующей методологии контроля на сооружениях биологической очистки следует более подробно рассмотреть особенности происходящих процессов очистки сточных вод на очистных сооружениях г. Нижнего Новгорода, на которых постоянно наблюдается гелевое вспухание активного ила.
Суммарное содержание загрязняющих веществ (легко- и сложноокис-ляемых) характеризуется показателем химического потребления кислорода, который мало используется при экоаналитическом контроле и, следовательно, ограниченно используется при контроле сточных вод в процессе эксплуатации очистных сооружений.
На рис. 5.17 показана зависимость седиментационных характеристик активного ила от эффективности изъятия ХПК из сточных вод по среднемесячным данным 1998 года очистных сооружений Нижнего Новгорода, где отчетливо прослеживается улучшение седиментационных характеристик активного ила по мере повышения эффективности изъятия органических загрязнений, оцениваемых показателем ХПК.
Для выявления неблагоприятного влияния сточных вод по содержанию в них сложноокисляемых загрязнений важен не только сам показатель ХПК, но и то в каком соотношении он находится с биологическим потреблением кислорода. По требованию СНиП 2.04.03-85 ХПК/БПК5 должно составлять не более 1,5, поскольку установлено, что при превышении этого показателя в сточных водах содержится неразлагаемых и сложноокисляемых веществ больше допустимого предела.
На рис. 5.18 и 5.19 представлено соотношение этих показателей для двух городских сооружений гг. Серпухова и Н. Новгорода. Если в г. Серпухове в сточных водах превышение ХПК над БПК составляет до 2,5 раз, то в Нижнем Новгороде это превышение достигает 3—4 раза. В этих условиях Серпуховские очистные сооружения постоянно подвержены вспуханию ила и требуют определенной реконструкции для повышения окислительной мощности, а сточные воды Нижнего Новгорода не предназначены для биологической очистки и требуется предварительное локальное удаление сложноокисляемых соединений на предприятиях города до сброса сточных вод в городскую канализацию, гелевое вспухание на данных сооружениях наиболее стойкое, постоянно присутствует в активном иле.
Проведенное биотестирование сточных вод, поступающих на очистку, показало, что изменение их токсичности зависит от содержания сложно-окисляемой органики и значительно варьирует в течение суток (рис. 5.20).