Особенности экосистемы активного ила

Активный ил представляет собой сложную экосистему, в состав которой входит большое количество представителей микрофлоры и микрофауны. Фауна биоценоза активного ила и характер бактериальных скоплений в первую очередь зависят от состава сточных вод. Основу этой системы, как по массе, так и по значимости в процессе очистки составляют бактерии главным образом в виде хлопьевидных скоплений — зооглей. Обычно присутствуют также нитчатые бактерии, гифы водных грибов, дрожжи, бесцветные жгутиконосцы, саркодовые (голые и раковинные) и инфу­зории. При продленной аэрации, когда осуществляется глубокая очистка, появляются коловратки, водные черви и в небольших количества некоторые другие многоклеточные беспозвоночные (тихоходки, водные клещи, гастротрихи).

Для смешанных городских сточных вод (бытовые, разбавленные производственные) в зависимости от органической нагрузки на активный ил наб­людаются следующие основные его модификации, связанные с характером пищевых взаимоотношений организмов и соответствующим их физиологическим состояниям.

П е р е г р у ж е н н ы й и л — не справляющийся с поступающими загрязнениями, в результате чего в жидкости имеется значительное количество рас­творенной органики и посторонних включений. Такие условия характеризуются малым разнообразием видов при значительных их количествах. Резко пре­обладают организмы, питающиеся сапрозойно — свободные бактерии, в том числе нитчатые серобактерии рода Beggiatoa, в клетках которых хорошо заметны капли серы, и гифы грибов. В массе присутствуют бесцветные жгутиковые. Структура ила с мелкими рыхлыми хлопками, легко выносимыми за пределы вторичных отстойников. Вода над осевшим илом мут­ная от присутствия бактерий и взвешенных частиц. Появляются бактериофаги, способные переносить недостаток кислорода. Из перитрих могут присутствовать небольшие колонии Opercularia coarctata, О.microdiscum и целый ряд экоформ Vorticella microsioma. Зооиды переполнены пищеварительными вакуолями, перистомальный диск, как правило, закрыт. Из свободноплавающих инфузорий чаще других встречается Рагатесшт aurelia: сильный недостаток кислорода и наличие гнилостных процессов из ин­фузорий выносит лишь P.caudatum. Единственный вид коловраток, обитающий в условиях высоких нагрузок — Rotaria neptunia.

Умеренно-нагруженный ил (хорошо работающий) формируется при более низких органических нагрузках. Фауна биоценоза разнообразнее, преобладают один или несколько видов. Хлопки ила обладают свойствами, необходимыми для хорошей очистки: они умеренной величины, но уже довольно плотные, что обеспечивает большую поверхность для сорбции загрязнений и в то же время вызывает хорошее оседание ила во вторичных отстойниках. По характеру питаниям умеренно-нагруженном иле преобладают бактерио­фаги. Появляются спиральноресничные инфузории (Aspidisca, Oxytricha, Opistotricha и др.) и в значительном количестве перитрихи (Vorticella, Opercularia, Carchesium, Epistylis, Zoothamnium). Все они хорошо упитаны, перитрихи
с умеренно расширенным перистомом (включая Opercularia и Vorticella micrstoma).

Благодаря обилию бактериофагов численность свободных бактерий в био­ценозе резко сокращается и вода заметно осветляется. Как уже указывалось, особенно эффективна в этом отношении деятельность седиментаторов, погло­щающих огромное количество бактерий, в основном патогенных, а также спо­собствующих слипанию и дальнейшему осаждению бактериальных взвесей. Из коловраток могут встречаться лишь некоторые виды (Epiphanes senta, Rota­ria rotatoria), питающиеся мелкими жгутиковыми и бактериями. Иногда в замет­ных количествах развивается Proales sigmoidea — вид, пожирающий зооиды пе­ритрих. Из малощетинковых червей обильно размножаются виды родов Nais, Dero и Aeolosoma, питающиеся поверхностными слоями хлопков активного ила. Оседание ила быстрое, вода над илом прозрачная.

Ил при низких нагрузках формируется при еще более понижен­ном уровне органического питания и избытке минерального азота (нитритов и нитратов). Он отличается большим разнообразием фауны — встречаются все основные группы организмов активного ила. Хлопки ила крупные, плотные, хорошо оседающие, но имеющие относительно небольшую поверхность. Оседа­ние ила быстрое, вода над ним прозрачная в связи с небольшим количеством сво­бодных бактерий. Фауна раковинных амеб обычно разнообразна (Pamphagus, Arcella, Centropyxis, Euglipha). Количественно могут преобладать те же пред­ставителя инфузорий, что и в предыдущей модификации ила (спиральнореснич­ные и перитрихи), но здесь они представлены иными экологическими формами. Особенно хорошо это заметно на перитрихах: упитанность их снижается, тело вытягивается, ротовое отверстие широко открыто и образует раструб (приспособление для улучшения улавливания бактерий).

Присутствуют все группы одноклеточных хищников, использующие бактериофагов в качестве добычи. При продленной аэрации в данной модификации активного ила появляются представители и верхнего звена пищевых связей – многоклеточные беспозвоночные (хищники и детритофаги). В основном это различные виды коловраток, из которых некоторые виды дают периодические вспышки массового размножения.

Голодающий ил развивается при очень низкой концентрации органических веществ и соответственно малом количестве свободных бактерий. Хлопки ила становятся прозрачными, и в конечном счете происходит их распад. Вода над илом с мелкой не оседающей мутью — результат деградации хлопков. В ней отсутствуют пищевые условия для нормального развития и размножения бактериофагов. На первых стадиях голодания происходит измельчание простейших, в основном прикрепленных инфузорий. В их теле пропадают пищевые вакуоли, зооиды становятся прозрачными хорошо просматриваются ядра. При дальнейшем голодании возникают стадии покоя - цисты, что влечет за собой постепенное обеднение фауны вплоть до полного исчезновения из толщи воды всех активных стадий. Помимо пищевых условий на характер активного ила оказывают влияние и другие факторы. Чаще всего приходится иметь дело со следующими изменениями состояния организмов.

Микрофлора активных илов, очищающих многокомпонентные сточные воды химических производств, различна и зависит от состава очищаемых стоков, технологического режима аэротенков и условий эксплуатации всего комплекса очистных сооружений. Например, сточные воды со сложным химическим составом производства капролактама обуславливают формирование активного ила в виде комплекса микроорганизмов разных систематических единиц с преобладанием микроорганизмов класса бактерий (70% от общего количества), из них, в %: 40 - псевдомонас, 12 - бактерии, 12 - бациллы и 6 - хромобактерии. Остальные 30% микроорганизмов активного ила - представители классов грибов и актиномицетов. Наличие азота в сточных водах стимулирует метаболическую активность нитрифицирующих бактерий активного ила, которые в аэробных условиях окисляют аммонийный азот до нитратов. В производственных и хозяйственно-бытовых сточных водах азот встречается в виде аммиака, нитратов, нитритов, карбамида, а также в органических азотсодержащих соединениях природного и неприродного происхождения. Органические соединения предварительно расщепляются с высвобождением аммиака. Присутствие азота в сточных водах стимулирует метаболическую активность нитрифицирующих бактерий активного ила, которые в аэробных условиях окисляют аммонийный азот до нитратов. Восстановление нитратов (денитрификация) происходит с помощью бактерий-денитрификаторов только в анаэробных условиях или при низких концентрациях кислорода. Появление бактерий-денитрификаторов в составе активного ила аэротенка свидетельствует о дисбалансе в соотношении органических веществ и растворенного

кислорода, активный ил при этом всплывает на поверхность, биомасса активного ила пронизана пузырьками воздуха, активный ил выносится в водоем. Сточные воды ряда химических производств содержат окисленные соединения серы в виде сульфатов. Гетеротрофные микроорганизмы активного ила могут подвергать метаболизму сульфаты с дальнейшим включением серы в клеточный материал. При недостатке кислорода ряд обычных бактерий - Proteus, E.coli, и специализированные анаэробы -превращают сульфаты в сероводород. О присутствии этих групп бактерий в активном иле свидетельствует запах сероводорода и темный цвет активного ила, так как сернистый водород вступает в реакцию с железом, присутствующим в сточной воде, образуя сульфиды, которые и окрашивают активный ил в синий или черный цвета.

При недостатке кислорода в активном иле преобладают бактерии и жгутиковые.Зооиды перитрих отрываются от колоний. При сильном нарушении кислородного режима резко увеличивается сократительная вакуоль, что может вызвать разрыв зооидов. Постепенно активность организмов снижается, реснички работают слабо, появляется много неподвижных особей. Хлопки ила распадаются, вода над илом мутнеет.

При залповых сбросах промышленных стоков, особенно в тех случаях, когда ил не адаптирован к условиям очистных сооружений, происходит резкое нарушение жизнедеятельности организмов активного ила: наблюдаются деформация зооидов, прекращение работы ресничек, закрытие перистома у перитрих, мельчание особей. При сильных токсических воздействиях наступает полная гибель населения активного ила.

Активный ил эффективно работающего аэротенка имеет серовато-коричневатый цвет, визуально структура его представлена небольшими комочками биомассы, так называемой зооглейной структурой микробных ассоциаций, которая равномерно распределяется в водной среде и быстро оседает, образуя прозрачную надиловую жидкость и пластичный осадок. В неблагоприятных условиях обитания (перегрузка, залповые сбросы, голодание) осадок активного ила теряет пластичность и коллоидную структуру, надиловая жидкость приобретает стойкую мутность. В этом случае зооглейная структура активного ила обусловлена слипанием бактерий, простейших, коловраток. А в неблагоприятных условиях обитания она приобретают рыхлость, исчезают простейшие и коловратки, появляется масса свободно плавающих бактерий.

Последовательные этапы гидробиологического анализа на очистных сооружениях включают:

IОтбор проб;

II Оценку общего характера ила: определяют визуально при просмотре в стакане или стеклянном цилиндре (объем 100 мл). Учитываются следующие показатели:

а) скорость оседания хлопка (быстро, медленно);

б) цвет (бурый, рыжеватый, черный, белесый и т. д.);

в) характер воды над осевшим илом (прозрачная, мутная, окрашенная,
оиалесцирующая);

г) запах (гнилостный, сероводородный, характерный для определенных
химических веществ);

д) состояние ила, например его вспухание при отстаивании.
Перечисленные пункты являются основными. В зависимости от характера

загрязнений следует включать в описание и другие показатели (например, следы нефти, пена от синтетических моющих средств и др.).

III Определение видового состава и количественный учет населяющих активный ил организмов;

IV Оценка физиологических особенностей организмов. При данном анализе учитываются следующие показатели:

1.Преобладающие группы и виды организмов биоценоза. Надежными
индикаторами состояния активного ила могут быть только организмы, встре­чающиеся в нем в значительных количествах. К ним относятся:

- зооглейные скопления бактерий: чем больше концентрация сточной жидкости, тем больше должна быть поглощающая поверхность и тем меньше и рыхлее хлопки; по мере снижения концентрации загрязнений хлопки уплотняются и увеличиваются их размеры.

- прикрепленные инфузории (перитрихи).

2.Степень упитанности (хорошая, удовлетворительная, слабая). Важнейшим критерием упитанности служит интенсивность фагоцитоза, оцениваемая
по количеству пищеварительных вакуолей. Второй критерий — степень
прозрачности цитоплазмы.

3. Состояние сократительных (пульсирующих) вакуолей, выполняющих
функцию осморегуляции. Следует обратить внимание на степень наполнения
вакуолей и скорость их пульсации. При неблагоприятных условиях ритм пульсации замедляется и осморегуляция нарушается.

4.Форма тела. Этот признак особенно изменчив у прикрепленных, кругоресничных инфузорий. Отклонения от нормы могут быть вызваны различными
факторами. При хорошей упитанности форма тела расширенная, почти округлая или бочонковидная; при слабой — происходит вытягивание животных и расширение предротовой области. При недостатке кислорода зооиды раздуваются вплоть, до их разрыва. Токсические вещества вызывают возникновение
различных уродств (вмятины, складки, асимметрия и т. д.).

5.Состояние ресничного диска у прикрепленных кругоресничных инфузорий
(открыт, закрыт). Обычно он открыт и закрывается лишь при отклонении условий от нормы (избыточном количестве растворенной органики, наличии токси­кантов).

6.Интенсивность работы ресничного аппарата, обеспечивающего питание и движение инфузорий (интенсивная, слабая, полная неподвижность). Движе­ние ресничек зависит от многих факторов, в первую очередь от температуры и химического состава среды обитания.

7.Размеры организмов (нормальные, укрупненные, мелкие). В основном
этот показатель связан с условиями питания. Однако известно, что токсические вещества, попадающие на очистные сооружения с промышленными сто­ками, вызывают также измельчание организмов.

8.Характер размножения, особенно наглядно проявляющийся на инфузориях. В основном им свойственно бесполое размножение, происходящее путем деления организма на две части. Однако время от времени в жизненный цикл включается половой процесс по типу конъюгации. Экспериментально установлено, что длина периода бесполого размножения у инфузорий варьирует в зависимости от жизненных условий.

При обильном и разнообразном питании конъюгация задерживается; голодание и действие некоторых солей ускоряют ее наступление. Таким образом, наличие большого количества особей, размножающихся половым путем, указывает на сдвиг экологических условий в неблагоприятную сторону.

9. Наличие цист. Инцистирование — важное биологическое приспособле­ние большинства простейших, обеспечивающее их сохранность в период наступления неблагоприятных для их существования естественных условий (постепен­ное снижение температуры, подсушивание, ухудшение питания). В процессе образования цист сбрасываются или втягиваются органеллы движения, животные округляются и выделяют на своей поверхности плотную защитную обо­лочку. При возвращении благоприятных условий цисты раскрываются, и про­стейшие вновь становятся активными.

10. Наличие погибших животных. Гибель может быть вызвана или очень быстрым и резким изменением жизненных факторов, при котором животные не успевают инцистироваться, или воздействием чуждых им реагентов (радиа­ция, токсиканты и т. д.). Обычно картина массовой гибели гидробионтов наблю­дается при мощных залповых сбросах отходов промышленных предприятий. Изучение физиологического состояния организмов активного ила разра­ботано еще недостаточно; к анализу следует подходить творчески, не ограничи­ваясь указанными признаками. Так, например, могут появляться сезонные и покоящиеся формы организмов, может меняться способ их питания и т. д. Организмы активного ила четко реагируют на условия окружающей среды. Поэтому, для того чтобы дать правильное заключение об их состоянии, необхо­димо срочное выполнение анализа; пробы до просмотра должны храниться при доступе воздуха, вдали от химических препаратов; недопустимы даже кратко­временные их перегревы.

Таким образом, для целей индикации пользуются призна­ками организмов, непосред­ственно меняющимися под воз­действием качества воды. Поэтому для видов с широкой экологической валентностью используют визуальное морфофизиологическое тестирование.

Характеристика состояния активного ила представлена в таблице 1.

Таблица 1

Степень относительного развития различных групп простейших и коловраток при различной работе очистных сооружений

 

Характеристика работы биоокислителя Группы организмов
    Амеба Бесцветные жгутиковые Инфузории Коловратки
Плохая Преобладают Отсутствуют
Неудовлетворительная Преобладают Мало
Удовлетворительная (нитрификация слабая) Единичные экземпляры Преобладают равноресничатые Преобладают
Хорошая (нитрификация хорошая) Отсутствуют Преобладают круглоресничатые и брюхоресничатые Тоже

 

Таблица 2

Организмы, обнаруженные при различных режимах работы очистных сооружений

№ Название организма Режим работы
Flagellatae  
Trepomonas Steini  
Oicomonas Socialis  
Opercularia coarctata Неудовлетворительный
Opercularia glomerata и плохой
Rhabdostyla ovum  
Oxytricha pellionella  
9 Amoeba limax  
Pamphagus hyalinus  
Paramaecium caudatum  
Vorticella alba  
Arcella discoides Хороший, при наличии
Euglypha alveolata обеих фаз нитрификации
Euglypha laevis  
Aktinophrys vesiculata  
Euplotes charon  
Euplotes patella  
Aspidisca costata  
Aspidisca turrida  
Coleps hirtus  
Psyhoda (куколка мушки)  
Podura  

К физическим свойствам активного ила, характеризующим его качество, относится способность ила к оседанию. Она выражается показателем илового индекса, который представляет собой отношение объема активного ила в миллилитрах после 30-минутного отстаивания к 1 г сухого вещества при разбавлении иловой смеси до 1 г/л. Величина илового индекса зависит от нагрузки на ил, хорошим является индекс не более 100. Превышение этого показателя свидетельствует о неблагоприятных, нестабильных условиях работы аэротенка.

Количественные закономерности формирования экосистемы активного ила диктуются, в основном, технологическим режимом работы аэротенков. Как правило, общее количество микроорганизмов в. сооружениях прямо пропорционально их окислительной мощности. Качественный и количественный состав микрофлоры активного ила, очищающего сточные воды химического производства, а также биохимические свойства бактерий, определяющие величину удельной скорости окисления активного ила, зависят от условий его обитания являются управляемыми параметрами и формируются в зависимости от управляющих параметров: химического состава сточных вод, постоянства концентраций основных загрязняющих специфических веществ и оптимальных параметров технологического режима.

Ход работы:

Объекты, реактивы, оборудование:проба суспензии активного ила из аэротенка промышленного предприятия или городских очистных сооружений, микроскоп, стеклянные цилиндры емкостью 1 л, стеклянные цилиндры диаметром 20-25 мм, предметные и покровные стекла, стеклянные палочки, пипетки или стеклянные трубки, фильтровальная и индикаторная бумага, спиртовка, спички.

Цель работы:овладеть навыками определения состояния активного ила, как показателя работы водоочистных сооружений.

Пробу суспензии активного ила налить в цилиндр емкостью 1 л и визуально описать состояние активного ила: окраску, цвет, запах, наличие зооглеейных комочков, их способность к оседанию в течение 60-минутного отстоя; с помощью индикаторной бумаги определить рН среды.

Окраску суспензии активного ила определяют качественно, причем записывают окраску и степень ее интенсивности. Для качественного определения окраски пробу суспензии наливают в цилиндр из бесцветного стекла, цилиндр ставят на белую бумагу, ставят экран из белой бумаги за цилиндром и обозначают окраску: сероватая, бурая, с темным оттенком, черная.

Запах определяют качественно при открывании пробы: если запах не ясен, то следует отлить небольшое количество воды и подогреть ее до температуры 65ºС. Запах записывают следующим образом: гнилостный, фекальный, керосиновый, фенольный, сероводородный.

Динамику оседания активного ила определяют после тщательного перемешивания иловой смеси в самой пробе, затем помещают ее в четыре стеклянных градуированных цилиндра емкостью 100 мл, наливая до верхней метки, еще раз перемешивают стеклянной палочкой и через каждые 15 минут отмечают объем, занимаемый осевшим илом. Результаты определения выражают в виде отношения (в процентах) объема, занимаемого выпавшим илом, к объему взятой для определения иловой смеси. Эту величину находят для каждого времени отстаивания. Полученные результаты представляют в виде кривых, откладывая по оси абсцисс время от начала опыта, в течение которого происходило отстаивание, а по оси ординат - полученное процентное отношение.

Приготовить препарат для микроскопирования: на предметное стекло нанести стеклянной палочкой или трубкой каплю иловой суспензии, накрыть покровным стеклом и рассмотреть под микроскопом

препарат в нескольких полях зрения. Препараты просматриваются вначале при малом увеличении (окуляр 10 или 15, объектив 8), затем при большом (окуляр 10 или 15, объектив 40). Для рассмотрения наиболее мелких объектов используют иммерсионную систему (объектив 90). Обычно просматривают не менее 3 препаратов. Зарисовать и описать микрофлору активного ила в тетради. Дать качественную и количественную характеристику активного ила в соответствии с таблицей 3.