Биохимическая очистка сточных вод является эффективным и перспективным процессом. Она реализуется технически двумя способами: в аэротенках или биофильтрах. Происходящие в аэротенке процессы отличаются значительной сложностью, а их теоретическое изучение до сих пор нельзя назвать завершенным. Для успешного решения задач, связанных с прогнозированием, планированием, оперативным управлением и контролем за качеством водной среды, необходимо комплексное описание гидродинамических и микробиологических процессов в аппаратах.
Рассмотрим кинетику процесса изъятия субстрата микроорганизмами и контроль за биологической очисткой сточных вод в аэротенке. Биологическая очистка в аэротенках осуществляется в целях удаления из сточной воды органических веществ, а также соединений азота и фосфора. Этот метод заключается в способности различных видов микроорганизмов, в определенных условиях, поглощать загрязняющие вещества, для использования их в качестве своего питания и получении из них энергии и обеспечения своего функционирования.
Биосистему активного ила представляют несколькими трофическими уровнями: первый уровень — это в основном гетеротрофные бактерии, второй уровень — инфузории и коловратки, питающиеся бактериями, третий уровень — хищные инфузории. Динамика развития микроорганизмов и их физиологическое состояние находятся в прямой зависимости от количества и скорости растворения кислорода в сточной воде [5].
Интенсивность потребления кислорода этими микроорганизмами различна. Мелкие коловратки средним весом 10–3–10–4 мг потребляют 6,6 мг⋅О2/(г-ч), а крупные коловратки — 1,3 мг⋅О2/(г-ч). В то же время одна инфузория за один час потребляет до 30 тыс. бактерий. Один миллиграмм бактерий в период логарифмического роста потребляет до 1000 мкл кислорода. Следовательно, потребление кислорода связано не только с процессом окисления субстрата микроорганизмами, но и с процессами потребления бактерий простейшими [1].
Кинетика роста микроорганизмов, потребление загрязнений и растворенного кислорода взаимосвязаны, и уравнения, отражающие эту зависимость, записываются в следующем виде:
где Si — концентрация i-й компоненты загрязнений (i = 1, 2, 3, …, n); Xj — концентрация j-го вида микроорганизмов ( j = 1, 2, 3, …, m); С — концентрация растворенного в жидкости кислорода [2]. Система описывает изъятие n компонентов органических веществ в процессе роста m видов микроорганизмов. При этом происходит потребление растворенного кислорода и одновременно идет процесс реаэрации.
Микроорганизмы обладают способностью реагировать, количественным распределением и качественным изменением отдельных групп, на изменение условий существования: нагрузку на ил, обеспеченность кислородом, наличие токсичности, степень регенерации активного ила и т.п. Численное преобладание того или иного компонента биоценоза служит индикатором стабильности и эффективности технологического процесса очистки сточных вод.
Таким образом, можно сказать, что микроорганизмы являются эффективным индикатором для определения качества ила в аэротенке. Для осуществления биоиндикаторного контроля проводят гидробиологический анализ методом микроскопирования, в процессе которого определяются структурные особенности биомассы активного ила. Этот метод позволяет выявить отклонения микроорганизмов и изменение видового состава биомассы от нормального состояния. По степени таких отклонений можно прогнозировать сроки перспективы изменения нормального протекания технологического процесса биологической очистки сточных вод. Гидробиологическое тестирование включает следующие процедуры:
- Отбор проб — предполагает использование следующих способов: взятие жидких проб (активный ил, сточная вода); обрастания на предметных стеклах, опускаемых в среду на установленное время; соскабливание с поверхностей сооружений.
- Выдача общих характеристик пробы — с учетом следующих свойств пробы: скорость оседания хлопьев; цвет пробы; характер жидкости над осевшим илом; структура активного ила (под микроскопом); запах.
- Микроскопирование — на предмет видового состава ила и организмов с определением: характера хлопьев и условий их образования (голодающий ил, перегруженный ил и т.п.); качества воды.
- Оценка физиологического состояния организмов — с учетом свойств: преобладающая группа, пригодная для индикации с широкой сапробной валентностью; степень упитанности индикаторных организмов; состояние сократительных (пульсирующих) вакуолей; форма тела (у прикрепленных инфузорий); состояние ресничного диска (у прикрепленных круглоресничных инфузорий); интенсивность работы ресничного аппарата (у свободноплавающих инфузорий); размеры индикаторных организмов; характер размножения индикаторных организмов; наличие цист и погибших организмов.
Жидкие пробы — берутся из сточных вод, активного ила, а также очищенной воды. Устройства для взятия жидких проб могут быть различными — от батометра или стеклянного сосуда с закрывающейся пробкой, открываемой на нужной глубине, обычно 30–40 см или на разных глубинах, до обезжиренного предметного стекла, закрепленного в прорези резиновой пробки. Места отбора проб могут быть постоянными (при контроле за ходом технологического процесса) и переменными при выявлении отклонений от технологического процесса.
Анализ отобранных проб должен быть выполнен в течение получасачаса с момента отбора. Перед началом анализов жидкие пробы тщательно перемешиваются и часть жидкости отливается для вспомогательных анализов. Взятые пробы отстаивают две-три минуты, для образования концентрированного осадка. Пробы, отбираемые пипеткой, помещаются на предметное стекло. Предметные стекла, при необходимости, помещают в чашку Петри и фиксируют парами 25 %-го глутарового альдегида в течении 30–40 минут.
В условиях эксплуатации вполне доступны дальнейшие исследования отобранных проб на уровне световой микроскопии. Крупной лаборатории могут быть доступны средства сканирующей электронной микроскопии. Для световой микроскопии можно подкрасить препарат метиленовой синью или парами одноили двухпроцентного водного раствора четырехокиси осьмия (в течении трех-пяти минут). Микроскопирование проводится при увеличении 5 × 10 или 5 × 20, 5 × 40 или ином, по необходимости.
После обработки микроорганизмы четко различаются в их естественном расположении, получаются контрастными [3]. Качество активного ила определяют по состоянию зооглея и составу простейших форм. Нормальный активный ил состоит из компактных зооглейных скоплений бактерий, иногда с небольшим количеством нитчатых бактерий и нитей плесневых грибков. Он имеет средней крупности компактные хлопья.
В нормально работающем активном иле может насчитываться до 15–35 видов организмов. Основные формы: бактерии, грибы. В активном иле развиты разнообразные виды простейших, при количественном преобладании нескольких видов над другими: так, наличие коловраток (Rotifera, Vorticella Convallaria, Carchesium Arcella) является показателем хорошо нитрифицирующего ила. Существуют илы почти без простейших, за исключением мелких амеб и бесцветных жгутиковых.
Такие илы обычны для сооружений, работающих на неполную очистку. Наличие в активном иле отдельных, не связанных в зооглеи бактерий, говорит об ухудшении работы аэротенка. При нарушении работы аэротенка в нем сильно развиваются ветвистая зооглея Ramigera и грибы. Эти организмы благодаря большой поверхности их тела, вызывают вспухание активного ила, который плохо оседает в отстойнике и выносится с очищенной водой [4].
Выводы
Биохимическая очистка сточных вод в аэротенках является перспективным и эффективным методом, однако требует более глубокого изучения гидродинамических и микробиологических процессов. Эффективность очистки зависит от качества и состава активного ила и достаточного количества растворенного кислорода. Знание биохимической активности илов является одним из ключевых показателей, определяющих путь скорейшей ликвидации последствий нарушения режима работы аэротенка.
