Оптимизация биоценозов активного ила очистных сооружений животноводческих комплексов для снижения антропогенной нагрузки на водные экосистемы

Снижение антропогенных нагрузок на природные и водные объекты от промышленных отходов предприятий по производству и переработке животноводческой продукции является одной из актуальных проблем современности.

Особенности животноводческих, и в частности свиноводческих, комплексов состоят в том, что содержат широкий спектр химического состава загрязнений, основными из которых являются органические вещества, содержащие углеродные, азотные и фосфорные соединения.

Существующие очистные сооружения свиноводческого комплекса мощностью 108 тыс. голов свиней в год при традиционной технологии очистки сбрасывает в водоем за год 30-35 т взвешенных веществ, 80100 т БПК 5 , 35-50 т аммонийного азота и 6-12 т фосфатов, что приводят к антропогенным воздействия на водные экосистемы. Цель настоящей работы: изучить закономерности формирования и разработать пути оптимизации биоценоза активного ила при аэробной биологической очистке свиноводческих стоков.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Определение технологических параметров формирования оптимальных биоценозов активного ила; разработка оптимальных технологических схем и режимных параметров очистки сточных вод от азот- и фосфорсодержащих загрязнений; создание математических моделей систем очистки с целью прогнозирования параметров очистных сооружений; разработка научно-практических рекомендаций по интенсификации процессов аэробной би ологической очистки вы-сокозагрязненных органосодержащих стоков.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Для проведения испытаний была создана и смонтирована непосредственно на очистных сооружениях свиноводческого комплекса пилотная установка.

Для достижения указанной цели на 1 этапе работы были проведены микробиологические исследования структуры, морфологических особенностей и основных закономерностей функционирования популяций активного ила. Исследования показали, что, несмотря на сложность состава биоценоза активного ила, существует несколько основных групп микроорганизмов, определяющих эффективность очистки в целом – это флокулирующие и нитчатые бактерии. Особенности микробиологического состава и внутрипопуляцион-ных взаимоотношений различных групп бактерий показали, что на начальном этапе аэробной обработки исходной сточной воды, содержащей в избытке питательные вещества, в том числе легко усваиваемые, наблюдается интенсивный рост нитчатых микроорганизмов, которые составляют около 50% общей биомассы.

Нитчатые бактерии поглощают большое количество питательного субстрата, что приводит к резкому снижению концентраций органических загрязнений в целом. Флокулирующие бактерии в этих условиях нарастают незначительно и не играют определяющей роли в процессе очистки (рис. 1а).

По мере усвоения микроорганизмами питательных веществ они постепенно исчерпываются и общий баланс состава биоценоза все более смещается в сторону флокуллирующих бактерий, которые способны не только потреблять питательные вещества, но и делать внутриклеточные запасы. Нитчатые микроорганизмы в этих условиях все более подавляются вследствие снижения количества питательного субстрата (рис. 1b).

При недостатке питательных веществ развиваются процессы селекции микроорганизмов, которые приводят к преимущественному росту флокулирующих бактерий, количество нитчатых бактерий уменьшается и они составляет не более 10-20% общей биомассы (рис. 1с).

Рис. 1. Доминирующие формы микроорганизмов в аэрационном сооружении биологической очистки сточных вод: а - аэротенк-смеситель; b - первая секция аэротенка-вытеснителя; с - последняя секция аэротенка-вытеснителя. Ув. 300^х, 150^х, 150^х.

Соотношение основных микробных сообществ в процессе биологической очистки сточных вод состав -ляет: аэротенк-смеситель - отношение нитчатых к Zoogloea - 3:1; начальная секция аэротенка-вытеснителя - 1:1; секция на выходе аэротенка-вытеснителя - отношение нитчатых- Zoogloea - 1:4.

Полученные данные свидетельствуют о том, что смена доминирующих форм микроорганизмов в аэрационных сооружениях связана с изменяющимися условиями питания на разных этапах очистки и разным отношением тех или иных групп бактерий к питательному субстрату. Качество очистки определяется полнотой утилизации питательного субстрата бактериями активного ила и использованием ими определенных химических веществ в качестве источников питания и энергии.

Бактериальная микрофлора активного ила содержит различные группы микроорганизмов, имеющие определенную функциональную направленность при реализации биохимических процессов усвоения органических веществ, и в первую очередь - азотсодержащих соединений, наиболее характерных для свиноводческих сточных вод.

В исходной сточной воде азот находится в основном в составе органических соединений и аммиака, для удаления которых необходимо реализовать пол -ный цикл последовательно протекающих процессов (рис. 2): аммонификации - для превращения органического азота в аммонийный азот ( Nitrosomonas); нитрификации - для окисления аммонийного азота в нитриты и нитраты ( Nitrobacter ); денитрификации - для восстановления окислов азота (нитритов и нитратов) до газообразного молекулярного азота ( Hyphomi-crobium ).

Nitrobacter, 14 500^х

Nitrosomonas , 15000^х

Hyphomicrobium , 18500^х

Рис. 2. Микроорганизмы нитрифицирующего биоценоза активного ила

На каждом из этих этапов необходимо наличие вполне определенных функциональных групп микроорганизмов, которые формируются в системе очистки путем поддержания определенных гидравлических , аэрационных и других технологических параметров [1, 2, 5]. Так, на первой стадии биологической очистки (в аэротенке-смесителе) правильно сформированный биоценоз активного ила должен обеспечить протекание процесса аммонификации, на второй стадии (в аэротенке-вытеснителе) - процесса нитрификации и на третьей завершающей стадии - процесса денитрификации.

Регулирование доминирующих групп микроорганизмов на указанных этапах очистки осуществляется путем поддержания оптимальных скоростей роста бактерий.

Динамика численности различных групп микроорганизмов, обеспечивающих очистку от азотсодержащих соединений, и полученные экспериментальные зависимости количества биомассы и степени ее флокуляции позволяют определить оптимальные скорости роста и поддерживать их с помощью технологических параметров системы аэробной биологической очистки.

При исследовании процессов нитрификации были установлены зависимости динамики нитрификации от возраста активного ила и нагрузки на активный ил органического субстрата.

Процесс нитрификации развивается только тогда, когда возраст активного ила превысит определенный предел, при котором обеспечивается рост бактерий Nitrosomonas (NH 3 ^ NO 2 ). По мере дальнейшего развития процессов нитрификации обеспечивается рост культуры Nitrobacter (NO 2 ^ NO 3 ), интенсивность которого возрастает с увеличением возраста активного [3, 4].

Результаты исследований были использованы для получения эмпирических зависимостей интенсивности нитрификации от нагрузки на активный ил, возраста активного ила и продолжительности обработки сточной воды.

На основании полученных результатов была создана математическая модель динамики процессов аммонификации системы очистки от азотсодержащих загрязнений.

Результаты расчета процессов аммонификации, проведенные с использованием разработанной модели, показывают, что процент нитрификации быстро повышается с увеличением возраста активного ила, при этом величины изменения концентраций различных форм минерального азота являются функциями исключительно возраста активного ила:

0 = -0,0049 .Т^и + 0,231 Т3и + 4,052 Т^и + + 31,718.Тзи где:

0 - эффективность нитрификации, %;

Т _АИ – возраст активного ила, сут

Интенсивность денитрификации возрастает с увеличением концентрации микробной массы и температуры среды, которая является определяющей для роста нитрифицирующих бактерий, и прямо пропорциональна скорости эндогенного дыхания микроорганизмов, которая возрастает в условиях недостатка растворенного кислорода.

Таким образом, при биологической очистке сточных вод животноводческих комплексов, необходимо учитывать некоторые особенности функционирования биомассы активного ила в аэротенках.

Проведенная работа позволила разработать основу плана природоохранных мероприятий по снижению антропогенных нагрузок на водную экосистему рек в районе размещения животноводческих комплексов.

ВЫВОДЫ

• 1.    Разработаны методологические основы управления процессами формирования и селекции основных видов бактерий на различных этапах биологической очистки сточных вод, позволяющие определить условия, необходимые для реализации последовательного усвоения биогенных элементов, достижения заданных показателей очистки сточных вод и значительного.

• 2.    Разработана технология формирования оптимальных биоценозов активного ила, позволяющая прогнозировать качество очистки органосодержащих сточных вод, которая может быть использованы при проектировании новых и реконструкции действующих очистных сооружений животноводческих комплексов.