Книга посвящена микробиологическому контролю активного ила очистных сооружений удаления биогенных элементов. Изложены современные представления о микробиологии процессов, протекающих при очистке сточных вод, даны основы использования световой микроскопии для мониторинга активного ила биореакторов. Обобщены результаты многолетних научных исследований и практический опыт работы сотрудников МГУП «Мосводоканал» в данной области.

Для специалистов, осуществляющих контроль работы сооружений биологической очистки, — технологов, микробиологов, гидробиологов, а также для студентов и аспирантов, обучающихся по специальности «Водоснабжение и водоотведение», преподавателей соответствующих дисциплин.

Современный период развития технологии биологической очистки муниципальных сточных вод в России характеризуется переходом с процессов окисления соединений углерода и нитрификации, характерных для последней четверти 20 в., на процессы глубокой очистки от основных биогенных элементов, загрязняющих водоёмы, — азота и фосфора. Этот переход сопровождается вовлечением в технологию очистки целого спектра новых микробиологических процессов: ацидофикации (преферментизации), внутриклеточного накопления полифосфатов, денитрификации, бескислородного окисления аммония. Сочетание разнородных процессов в одной технологической схеме привело к необходимости выделения отдельных стадий, разделяющих условия культивирования различных групп микроорганизмов активного ила в пространстве или во времени.

В отличие от традиционной технологии полной биологической очистки, в основе которой лежит обеспечение в иловой смеси достаточно высокого содержания растворённого кислорода, и где на всех этапах биологической очистки поддерживаются аэробные условия, новые технологии основаны на многостадийности: последовательном чередовании анаэробных, аноксидных и аэробных условий.

Стадии технологического процесса глубокой очистки сточной воды от биогенных элементов различаются не только содержанием кислорода. Для культивирования различных групп микроорганизмов необходимо поддержание определённой величины окислительно-восстановительного потенциала и нитратов. Благодаря деятельности различных групп микроорганизмов переход от одного периода к другому сопровождается резкой сменой концентрации внеклеточных продуктов микробного метаболизма, промежуточных продуктов окисления органических и неорганических веществ.

К современным сооружениям очистки от биогенных элементов не всегда применимо название аэротенки, восходящее к началу 20 в., когда сооружения биологической очистки априори были аэрируемыми и аэробными. В настоящее время, в соответствии с мировой тенденцией, целесообразно перейти на более широкое понятие — биореакторы. Биореакторы (БР) — ёмкости или устройства для проведения биологических реакций путём создания и поддержания условий, необходимых для жизнедеятельности культивируемых в них микроорганизмов. Например, окислительно-восстановительного потенциала обрабатываемой среды, температуры, гидравлического режима и т.д. Авторы предлагают следовать установившейся в отечественной технической литературе традиции использования англоязычных аббревиатур. Так, для всех реакторов, в которых реализуются процессы удаления азота и фосфора, предлагается единое обозначение NPR-реакторы (от англ. Nitrogen and Phosphorus Removal — удаление азота и фосфора).

Используемые для очистки сточных вод БР по типу пространственной организации микробного ценоза делятся на две основные группы: с прикреплённой микрофлорой и со свободноплавающим активным илом. В настоящее время на крупных очистных сооружениях преимущественно применяются БР со свободноплавающим активным илом. Однако развитие мировой химической промышленности и снижение стоимости пластиковых загрузок позволяют рассматривать внедрение процессов, проводимых прикреплённой микрофлорой (например, нитрификации, требующей высоких возрастов ила), в качестве ближайшей перспективы модернизации очистных сооружений.

БР со свободноплавающим илом делятся на две группы: традиционные, с использованием в качестве илоотделителей вторичных отстойников, и MBR-реакторы (от англ. Membrane BioReactor — мембранный биореактор), использующие для илоотделения мембраны. Также следует выделить группу реакторов, в которой процессы разделены не в пространстве, а во времени — SBR-реакторы (от англ. Sequencing Batch Reactor — реактор периодического последовательного действия).

БР с прикреплённой микрофлорой подразделяются на реакторы с подвижной и закреплённой загрузками. В качестве закреплённой загрузки обычно применяются пластины и «ерши». В биореакторах с подвижной загрузкой используют носители двух типов: плавающую загрузку (кольца, диски, губки) и загрузку с плотностью выше плотности воды (песок, активированный уголь). В последнем случае удержание загрузки в толще воды осуществляется за счёт восходящего движения жидкости. Для изготовления свободноплавающих загрузок широко используются пластиковые материалы с удельным весом незначительно ниже веса воды (0.95—0.98 г/см³), что обеспечивает при обрастании поверхности носителя биоплёнкой плавучесть, близкую к нулевой. В одних случаях технологические схемы предполагают использование лишь иммобилизованной на загрузочном материале биомассы, в других — совместное использование и загрузки, и активного ила.

Внедрение новых технических средств, технологических схем и биохимических процессов сопряжено с радикальным изменением качественного и количественного состава микрофлоры активного ила. Эффективность биологической очистки в этих условиях зависит от количества и активности целого спектра новых групп микроорганизмов. Необходимость поддержания в иле достаточной численности и активности «полезных» бактерий, а также предотвращения появления и развития нежелательных «проблемных» микроорганизмов (например, вызывающих вспухание и вспенивание ила, блокирующих рост фосфат-аккумулирующих бактерий и т.п.) делают микробиологический контроль важнейшим фактором управления процессом очистки сточных вод. В этом отношении особенно перспективным выглядит визуальный контроль с использованием микроскопии, который позволяет в кратчайшее время оценить состояние микрофлоры и, в случае необходимости, определить необходимый комплекс мероприятий по её коррекции, а также по предотвращению возникновения нештатных ситуаций.

Очевидно, что для корректной оценки результатов микробиологического контроля специалистам по эксплуатации очистных сооружений необходимо иметь представление о физиологии и экологии микроорганизмов активного ила, уметь определять и регулировать условия эксплуатации, являющиеся наиболее критичными для функционирования микробного комплекса и эффективности работы сооружений биологической очистки.

В предлагаемой читателю книге обобщены современные представления о строении биофлокул активного ила, о составе и свойствах населяющих активный ил микробных популяций. Подробно отображена роль различных физиологических групп бактерий в биохимических процессах, происходящих на стадии полной биологической очистки активным илом: окисление органических загрязнений, нитри- и денитрификация, грубокое удаление фосфора. Особое внимание уделено описанию микробиоценозов, формирующихся при использовании самых передовых технологий биологической очистки сточных вод, таких как АНАММОКС, гранулированный активный ил, биоплёнки на плавающей загрузке. Существенная часть издания посвящена использованию световой микроскопии для мониторинга активных илов аэротенков и лабораторных биореакторов, приведены методы окраски препаратов, в частности, метод витального люминесцентного окрашивания. Приведены сведения об индикаторных микроорганизмах, присутствие которых в активном иле свидетельствует о нарушениях технологического режима эксплуатации очистных сооружений, описаны простые способы учёта количества микроорганизмов.

Авторы выражают благодарность сотрудникам МГУП «Мосводоканал», которые принимали участие в подготовке материалов для данной книги: М. В. Кевбриной, Ю. А. Николаеву, В. А. Грачёву, А. В. Акментиной, Е. А. Казаковой, К. В. Шотиной, Ю. Г. Порачёву, С. В. Руденко, Ю. Ю. Берестовской, а также сотрудникам ЗАО «Роса» С. Н. Власовой, Н. Е. Гусельниковой и М. Н. Черкасовой.

ВВЕДЕНИЕ

Книги на ту же тему

1. Деструктивная очистка сточных вод от красителей, Краснобородько И. Г., 1988
2. Примеры расчётов канализационных сооружений: Учебное пособие для вузов, Ласков Ю. М., Воронов Ю. В., Калицун В. И., 1981
3. Основы водоснабжения и канализации. Учебн. Пособие для техникумов. — 2-е изд., перераб. и доп., Калицун В. И., 1977
4. Водоснабжение. Учебник для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп., Абрамов Н. Н., 1974
5. Лекции по природоведческой микробиологии, Заварзин Г. А., 2004
6. Микробиология (с вирусологией и иммунологией). — 4-е изд., перераб. и доп., Пяткин К. Д., Кривошеин Ю. С., 1980
7. Микробиологические методы определения витаминов, Одинцова Е. Н., 1959
8. Биотехнология: Кинетические основы микробиологических процессов: Учебное пособие для биологических и химических специальностей вузов, Варфоломеев С. Д., Калюжный С. В., 1990
9. Определение ртути в природных водах, Лапердина Т. Г., 2000
10. Донные отложения Иваньковского водохранилища: состояние, состав, свойства, Бреховских В. Ф., Казмирук Т. Н., Казмирук В. Д., 2006
11. Биота в процессах массопереноса в водных объектах, Бреховских В. Ф., Казмирук В. Д., Вишневская Г. Н., 2008
12. Водная экотоксикология: Теоретические и прикладные аспекты, Моисеенко Т. И., 2009