Исследование грануляции активного ила при воздействии агентов стресса в отъемно-доливном процессе аэробной биологической очистки

Каленов Сергей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры биотехнологии

Занина Ольга Сергеевна, студентка

Кузнецов Александр Евгеньевич, кандидат технических наук, доцент кафедры биотехнологии резкое снижение степени очистки. Эти и другие проблемы во многом зависят от микробиологического состава и его соотношения в активном иле.

Исследование условий гранулообразования описано в литературе неполно, отрывочно. Ставится задача выявить микробиологический профиль при формировании аэробных гранул активного ила и условия их стабилизации. Настоящая работа невозможна без учета факторов внешней среды, неизбежно влияющей на сообщества микроорганизмов и вызывающих в той или иной степени стресс компонентов биоценоза. Рассматривая гранулу как динамическую систему, в которой происходят микроэволюционные изменения, функционирующую в рамках диффузионных ограничений, связанных со способностью транспорта субстратов внутрь и вывода метаболитов из гранулы; ограничений, накладываемых в рамках трофических связей и пределов выживаемости отдельных микроорганизмов и биоценоза в целом, можно предложить стресс, как фактор отбора, позволяющий выявить структурные элементы гранулы, за счет которых поддерживается ее устойчивость. Моделируя стрессовые воздействия, роль которых в поддержании стабильности гранулы предполагается из данных литературы, можно отследить изменения видового разнообразия на этапах «жизни» гранулы, выявить необходимые и достаточные элементы ее формирования, особенности при функционировании «на грани жизни и смерти».

Материалы и методы. Гранулы аэробного ила формировались при аэрации на шейкере Heidolph Unimax 2010 при 200 оборотов/мин и циклическом отъемно-доливном режиме биоочистки при внесении агента стресса (H2O2) и без него. При внесении пероксида варьировались фаза развития активного ила, концентрации пероксида и биомассы активного ила, режимы внесения пероксида (разовый и дробный). Варианты адаптации сообществ активного ила к пероксиду водорода проводились в линиях при концентрациях активного ила 2-4 г/л, с внесением концентраций пероксида водорода от 0,3 до 0,6 г/л. В ходе исследования использовались модельные бытовые стоки с ХПКисх. 350-450 мг/л, PO43- = 4-6 мг/л, Nобщ.= 22-28 мг/л. Первые 6 месяцев исследования сводились к формированию вариантов активных аэробных илов из различных источников, изучению их седиментационных свойств и видового разнообразия в отъ-емно-доливном процессе при различных условиях: режимах отъема-долива очищаемой среды, без затемнения и при затемнении колб, при различном исходном ХПК. Эксперименты показали, что режимы отъема-долива мало влияют на седиментационные свойства ила, но лучшим среди исследованных оказался режим слива 60-70% от общего объема культуральной жидкости при отстаивании порядка 10-15 минут. Опыты проводились в конических колбах объемом 250 мл при заполнении питательной средой в объёме 100 мл. Количественные характеристики модельного стока контролировались на концентрации ионов NH4 – N, NO2 – N, NO3 – N, Nобщ. и ХПК с помощью стандартных методов [7-9]. Значения pH измерялись рН-метром SevenCompact pH/Ion S220, Mettler Toledo. Концентрация растворенного кислорода измерялась анализатором растворенного кислорода Tap4000e, Mettler Toledo. Морфология активного ила изучалась с помощью оптического микроскопа (IX51, Olympus Co, Ltd, Япония). При пересевах культуры активного ила содержимое конической колбы количественно переносилось в мерный цилиндр на 100 мл, отстаивалось в течение 10-15 минут, сливалось 60-70 мл надосадочной жидкости, вносили концентрат субстрата и доводили уровень водопроводной водой до 100 мл. Образец переносили обратно в коническую колбу и аэрировался 96 часов до следующего пересева (это время было принято одним пассажем).

Проводились высевы образцов с хлопьев и гранул активного ила на стандартные среды обеспечивающие рост различных групп микроорганизмов. Использовались селективные среды [10]: cреды, обеспечивающие рост различных хемоорга-ногетеротрофных бактерий, среды для актиноми-цетов, среды для азотофиксаторов, среды для тионовых бактерий, среды для денитрифицирующих бактерий, среды для сульфатредуцирующих бактерий, среды Виноградского для нитрификаторов, среды для выделения бактерий, окисляющих железо и марганец, среды для фототрофных бактерий, среды для культивирования простейших.

Результаты и обсуждение. Отъемно-доливной режим, способствующий формированию гранул активного ила [11, 12] воспроизводился в настоящих опытах по описанной в материалах и методах методике. В течение 10 пассажей не удалось сформировать устойчивые гранулы аэробного активного ила: свойства ила изменялись незначительно, изредка формировались микробные агломераты – флокулы, которые при пересевах разрушались и ил представлял в общей своей массе хлопья. Формированию гранул способствовал циклический режим очистки с доливом стока с высоким ХПКисх. (до 2000 мг/л) с последующим голоданием биоценоза. Голодание после пиковой нагрузки являлось определяющим фактором гранулообразова-ния. При этих условиях часто формировались бурые, серые, черные, белые гранулы размером до 1 см (рис. 1).

б)

Рис. 1. Гранулы активного ила полученные в SBR режиме после пиковой нагрузки и голода: а) – контроль, б) – с внесением пероксида водорода

Рис. 2. Гранулы активного ила, полученные с внесением пероксида водорода

Гранулы ила формировались и в затемненных, и в незатемненных колбах, причем в последних часть биоценоза ила составляли водоросли, однако гранулы с водорослями хуже очищали среду. В вариантах с большим содержанием водорослей образовывались гранулы зеленого цвета размером до 3 мм. При последующем циклическом режиме очистки модельного стока с ХПК исх. 350-450 мг/л примерно в 25% случаев гранулы не распадались в течение 5 месяцев, но становились более рыхлыми и постепенно теряли свои преимущества перед хлопьями активного ила по качеству очистки и устойчивости к внешним неблагоприятным факторам.

Стабильность гранул полученных с внесением H₂O₂ была выше, чем у гранул, полученных без внесения агента стресса. При внесении подобранных оптимальных доз пероксида водорода в очищаемую среду ил со временем адаптируется к внесению H 2 O 2 , механические свойства гранул улучшаются, их стабильность повышаются, изменяется вид и размер гранул (рис. 1б, 2). Однако на результат влияют точность дозировки H₂O₂, вариации плотности флокул, концентрация ила при пассивировании к пероксиду водорода, фаза развития активного ила. В линиях без пассивирования к пероксиду водорода в хлопьях активного ила преобладают бактериальные культуры, а в гранулах адаптированных в пяти и более пассажах к пероксиду водорода начинают преобладать актиномице-ты и грибные культуры, что согласуется с теориями гранулообразования Мишима [11] и Бьюна [12] (рис. 3).

а)

б)

Рис. 3. Соотношение групп микроорганизмов в образцах активного ила, полученных в отъемно-доливном режиме:

а) – хлопья активного ила; б) – гранулы адаптированные к пероксиду водорода. 1, 2, 3 – палочковидные бактерии , 4 – нитчатые бактерии, 5, 6, 7 – кокки бактерии, 8 – грибы, 9 – актиномицеты

В сравнении с флокулами активного ила гранулы, адаптированные к пероксиду водорода, выдерживают в 4-5 раз большую концентрацию H 2 O 2 , а по сравнению с гранулами, полученными отъем-но-доливным режимом при пиковой нагрузке и последующем голоде, они выдерживают в 2-3 раза большую концентрацию H₂O₂, что может являться показателем устойчивости к неблагоприятным факторам чреды. Голодание и оксидативный стресс, как следует из литературных данных [10, 11], а также морфологического анализа колоний после высева компонентов полученных гранул на твердые питательные среды, способствуют выработке внеклеточных полимеров, что влияет на стабильность и консистенцию гранул. Показатели очистки с помощью гранулированного ила, адаптированного к H 2 O 2 , и его осаждаемость лучше, чем при использовании гранулированного ила без внесения H₂O₂ (кроме гранул в этом случае наблюдаются в небольшом количестве флокулы) и на порядок выше, чем у флокул или хлопьев. В случае адаптированных к H 2 O 2 гранул через 3 суток ХПК вых. аналитически не обнаруживалось, тогда как в вариантах обычных хлопьев ХПК вых. составляло около 100 мг/л (рис. 4, 5).

Время, ч

Рис. 4. ХПК и потребление фосфатов при очистке модельного бытового стока адаптированным к пероксиду гранулированным активным илом

Рис. 5. Изменение концентрации фосфатов и ХПК при очистке модельного бытового стока хлопьями активного ила