Основной, наиболее эффективной стадией процесса очистки хозяйственно-бытовых стоков является биологическая очистка в аэротенках. При этом принципы данного процесса, если рассматривать его с общеэкологической точки зрения, разработаны недостаточно. Попробуем рассмотреть интересующие нас аспекты на примере биоценоза активного ила аэротенка.

      Активный ил является биоценозом, представленным в основном бактериями и простейшими.

      В связи с необходимостью приведения в соответствие массообменных характеристик аэротенков с оптимальным возрастом ила прибегают к отделению последнего от очищенной воды и возврату основного его количества в аэротенке. Благодаря чему время аэрации жидкости обычно составляет несколько часов, а возраст ила несколько суток. Отделение ила от очищенной воды производят, как правило, методом отстаивания, что обуславливает формирование биоценоза из организмов, обладающих хорошими седиментационными свойствами. Следует отметить, что подача значительной части потока избыточного ила в первичные отстойники будет запускать действие механизма естественного отбора в обратную сторону, ухудшая седиментационные свойства активного ила.

      Биоценоз активного ила находится в стадии гетеротрофной суксцессии. При этом количество трофических уровней равно в основном двум. Известно, что при лабораторном моделировании экосистемы, состоящей из двух трофических уровней (хищник - жертва), представленной одним видом бактерий и простейших на соответствующем уровне наблюдались десятикратные колебания популяций двух видов, причем поглощение субстрата (глюкозы) составляло менее 10%. Исходя из этого высказывается предположение, что при очистке сточных вод хищник (простейшие), поедая популяцию жертвы (бактерий), поглощающую загрязнения стоков, может оказывать неблагоприятное воздействие на процесс очистки [1].

      Однако также известно, что такие сильные колебания с подавлением популяции жертвы возможны лишь в простых системах хищник - жертва при непродолжительном контакте между популяциями. Со временем данные колебания затухают. Иными словами при синхронной эволюции в стабильной экосистеме степень отрицательного воздействия уменьшается [2].

      Как показывает практика, высокое содержание видов простейших в активном иле указывает на его хорошее качество [3].

      Следует отметить, что термин возраст ила не является синонимом термина возраста составляющих его видов микроорганизмов. Так как возраст каждого вида микроорганизмов, составляющих биоценоз ила, зависит от трофического уровня, на котором данный вид находится, удельной скорости его потребления представителями последующего трофического уровня и его способности к седиментации.

      Проблема утилизации избыточного активного ила является одной из важнейших при биологической очистке сточных вод. Затраты на утилизацию ила достигают 50% общей стоимости процесса биологической очистки [4].

      Известно, что в смешанных культурах при совместном лимитированном росте, выживают популяции микроорганизмов с наибольшей глубиной утилизации субстрата и экономическим коэффициентом его потребления [5; 6; 7]. Следовательно, одним из направлений естественного отбора в ассоциации микроорганизмов активного ила при заданных условиях, является увеличение прироста биомассы от поступающих с очищаемой сточной водой загрязнений.

      Также известно, что при переходе на более высокий уровень пищевой цепи теряется 80-90% органического вещества и энергии [2; 8]. При этом кульминация сукцессии - это стабилизированная экосистема, в которой максимум биомассы (или информационного содержания) и симбиотических связей между организмами поддерживается на единицу потока энергии [2].

      Таким образом, несмотря на наличие двух трофических уровней, выход активного ила от утилизированных загрязнений остается достаточно высоким, что при трудности последующего обезвоживания, ведет к высоким затратам на его утилизацию.

      Теперь рассмотрим другую проблему, возникающую при очистке сточных вод. Известно, что достаточность элементов питания при биологической очистке сточных вод определяется соотношением БПКполн : N : P = 100 : 5 : 1 [3].

      B хозяйственно-бытовых сточных водах данное соотношение обычно сдвинуто в сторону увеличения содержания азота и фосфора. Поэтому при необходимости достаточно полного удаления последних биологическими методами прибегают или к дополнительному внесению в сточную воду углеродсодержащих веществ (например, метанола) или к созданию технологических условий, обеспечивающих протекание в аэротенках процессов биологической нитрификации - денитрификации и дефосфотации.

      Итак, с одной стороны мы имеем высокие затраты на утилизацию избыточного активного ила, с другой стороны полная биологическая очистка сточных вод не позволяет достаточно полно удалять из них азот и фосфор. Поэтому для глубокого биологического удаления этих элементов приходится прибегать к громоздким и энергоемким технологическим схемам с нитрификацией - денитрификацией и дефосфотацией.

      Изложенные выше соображения обуславливают перспективность более широкого взгляда на процесс биологической очистки воды. А именно: регулировать прирост и состав активного ила а также глубину и пропорцию утилизации биогенных элементов - видовым составом биоценоза, осуществляющего биологическую очистку воды. В частности снизить прирост и изменить состав активного ила, как путем увеличения в нем доли биомассы организмов второго трофического уровня, так и количества трофических уровней. Рассмотрим более подробно данный аспект.

      Как показали проведенные на Северной станции аэрации в Санкт-Петербурге исследования, в осветленной воде после вторичных отстойников практически отсутствуют простейшие. В то время как в иловой суспензии, поступающей на вторичные отстойники и в сгущенной суспензии после вторичных отстойников их количество в 1 мл пробы составляет несколько десятков тысяч. При этом вместе с хлопками ила от очищенной воды отделяются не только прикрепленные, но и свободноплавающие виды простейших. Это и логично, ведь для видов не отделяющихся от жидкости в процессе отстаивания время роста равнялось бы времени аэрации жидкости и составляло всего несколько часов. Естественно, что при таких условиях биоценоз активного ила формируется из видов микроорганизмов с хорошими седиментационными свойствами. Для таких видов время их роста или возраст составляет несколько суток.

      При таком времени роста и специфических условиях среды число трофических уровней в активном иле как правило не превышает двух и это в основном представители двух классов организмов - бактерий и простейших. Представители более высокоорганизованных классов к таким условиям не приспособлены. Хотя за счет способности прикрепляться к твердому носителю или держаться против градиента течения (положительный реотаксис), представители данных классов организмов могли бы находиться в аэротенке сколь угодно долю, поддерживая необходимое для своего физиoлorичecкoгo развития время роста. Данное явление мы наблюдаем в биофильтрах, где благодаря наличию неподвижного носителя, биоценоз кроме бактерий и простейших включает в себя представителей червей и насекомых. При этом биопленка аэрофильтров намного легче подвергается обезвоживанию чем активный ил аэротенко [9; 10].

      Исследования по определению принципиальной возможности внедрения более высокоорганизованных классов организмов в биоценоз активного ила проведены на Северной станции аэрации (ССА).

      На первом этапе испытаний проверена возможность развития высокоорганизованных классов организмов на биологически очищенной воде Северной станции аэрации после ее осветления на вторичных отстойниках. Для этого использована находящаяся на открытом воздухе бетонная емкость с объемом воды 600 м³, служащая на ССА в качестве резервуара для охлаждающей теплообменники воздуходувок воды. Для охлаждения используется осветленная на вторичных отстойниках биологически очищенная сточная вода с часовым потоком ее рециркуляции 100 м³/ч. Таким образом, среднее время нахождения воды в резервуаре составляет 6 часов, что сопоставимо со временем аэрации жидкости в аэротенках.

      В резервуар в конце мая 1999 г. были помещены представители:

• пресноводных рыб - гуппи (Poecilia reticulata), меченосцы (Xiphophorus helleri), гурами (Trichogaster trichopterus), макроподы (Macropodus opercularis), декоративные карпы - кои (Cypri-nus carpio var. koi) и золотые караси (Carassius auratus);
• высших водных растений - пистия (Pistia stratiotes), эихорния (Eichomia crassipes) и кувшинка "морская роза" (Nymphaea Daubenyana).

      В резервуаре присутствовали также спонтанно развившиеся представители более низших форм жизни. В частности зеленые нитчатые водоросли и улитки из семейств Planorbidae и Limnaeacea.

      Температура воды в резервуаре в летние месяцы составляла 24-28°С. Средний состав за 1999 г. подаваемой, после вторичных отстойников воды приведен в таблице. Внесение корма не произво-дилось, т. е. по степени замкнутости биоценоз резервуара приближался к природному водоему.

      Из внесенных видов приспособились к данным условиям и размножились следующие:
рыбы - гуппи, макроподы, декоративные карпы и караси высшие водные растения - пистия, эихорния и кувшинка "морская роза".

      Большая часть акклиматизировавшихся видов пережила и последуюпще зимние месяцы, несмотря на падение температуры воды до 13-17°С и скудное освещение лишь за счет естественного дневного света. Не пережили зимние месяцы лишь гуппи, которые исчезли в декабре при падении температуры воды ниже 15°С и эйхорния, листья которой находятся над поверхностью воды .

      Необходимо отметить также практическую пользу от внесения в биоценоз резервуара-охладителя представителей высокоорганизованных классов растений и животных: благодаря рыбам прекратилось обрастание резервуара зелеными нитчатыми водорослями и моллюсками, а высшие плавающие растения предохраняют поверхность воды от перегрева в летние месяцы. Кроме этого сложившееся сообщество растений и животных является хорошим индикатором качества очистки воды.

      Таким образом можно сделать вывод, что качество биологически очищенной воды и время ее аэрации в аэротенке не является препятствием для развития в аэротенках более высокоорганизованных классов организмов чем бактерии и простейшие.

      Поэтому на втором этапе исследований представители акклиматизированных в вышеупомянутом резервуаре видов животных и растений были помещены непосредственно в аэротенк. А именно в 11 секцию реконструированного по финскому проекту аэротенка №1-5. В этой секции находится иловая суспензия, прошедшая полный цикл биологической очистки, перед ее рециркуляцией в аноксидную зону денитрификации. Аэрация суспензии в 11 секции не производится, а перемешивание осуществляется механической мешалкой. Несмотря на перемешивание, на глубине 5-10 см от поверхности наблюдается расслоение суспензии ила.

      В июле 2000 г. в вышеупомянутую 11 секцию были помещены мальки гуппи и макроподов, а также плавающие водные растения - эйхорния и пистия.

      Все внесенные виды аклиматизировались в новых условиях. Причем, если гуппи держатся только в надиловом слое жидкости, то макроподы, являющиеся представителями лабиринтовых рыб, держатся как в надиловом слое, так и в слое иловой суспензии. Плавающие водные растения также нормалтьно развиваются на поверхности 11 секции.

Выводы

      Таким образом, проведенные исследования показали принципиальную возможность введения в экосистему активного ила представителей более высокоорганизованных классов гетеротрофов. При этом увеличение количества трофических уровней и пищевых связей в экосистеме должно привести к снижению прироста биомассы ила от утилизированных загрязнений, а также возможно к улучшению качества активного ила с точки зрения его дальнейшего обезвоживания. Введение же автотрофов позволит ассимилировать из жидкости избыточное количество азота и фосфора. Решение этих вопросов возможно как путем изменения конструкций существующих аэротенков, так и путем привлечения методов генной инженерии. В представленной работе не ставилась цель технологического решения освещенных вопросов, а лишь постановка задачи и определение принципиальных путей ее решения.

Примечание: БПК - биологическое потребление кислорода; ХПК - химическое потребление кислорода

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

[1] - Пирт С. Основы культивирования микроорганизмов и клеток. М.: "Мир". 1978.

[2] - Одум Ю. Основы экологии. М.: "Мир", 1975.

[3] - Яковлев С. В., Карелин Я. Н., Ласков Ю. М., Воронов Ю. В. Очистка производственных сточ-ных вод. М.: "Стройиздат". 1985.

[4] - Повторное использование очищенных сточных вод, методы очистки и проблемы гигиенической безо-пасности. Тезисы докладов совещания экспертов ВОЗ. Серия технических докладов № 517. - Женева. 1975.

[5] - Печуркин Н.С. Популяционная микробиология. Новосибирск: "Наука". 1978.

[6] - Печуркин Н. С. Смешанные проточные культуры микроорганизмов - новый этап в развитии теорети-ческой и прикладной микробиологии. // Смешанные проточные культуры микроорганизмов. Новоси-бирск: "Наука". 1981.

[7] - Келль Л. С. Вопросы управления процессом культивирования кормовых дрожжей. Сборник трудов ВНИИгидролиз. 1986. вып. 38.

[8] - Хумитаки Секи. Органические вещества в водных экосистемах. Ленинград: "Гидрометеоиздат". 1986.

[9] - Карюхина Т. А., Чурбанова И. Н. Контроль качества воды. М.: "Стройиздат". 1986.

[10] - Кутикова Л. А. Фауна аэротенков. Атлас. Ленинград: "Наука". 1984.