Экотоксиканты - Петрозаводский государственный университет

На правах рукописи
ПОМИНЧУК
Юлия Александровна
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СОСТАВА БИОЦЕНОЗОВ
АКТИВНОГО ИЛА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ТИПОВ ОЧИСТНЫХ
СООРУЖЕНИЙ
03.02.08 – экология
Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата
биологических наук
Петрозаводск – 2011
1
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева»
Научный руководитель
доктор биологических наук
Коровушкин Алексей Александрович
Официальные оппоненты
доктор биологических наук
Калинкина Наталья Михайловна
кандидат биологических наук
Заличева Ирина Николаевна
Ведущая организация
ГОУ ВПО «Рязанский государственный университет
им. С.А. Есенина»
Защита состоится «20» апреля 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.01 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910
Республика Карелия, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33, эколого-биологический факультет.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного
университета. Автореферат размещен на сайте www.petrsu.ru
Автореферат разослан «18» марта 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат биологических наук
И.М. Дзюбук
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. По мере интенсификации производственных процессов все большее внимание должно уделяться поиску новых и повышению эффективности уже известных методов утилизации и нейтрализации токсических для окружающей
среды и человека веществ.
Вода является обязательным звеном технологического процесса любого современного производства, в связи с этим в последнее время значительно возросло водопотребление
на промышленные и хозяйственно-бытовые нужды (Потапова Т.В, 2003). Качество воды
в большинстве регионов неуклонно снижается, как и биоразнообразие экосистем водоемов. Из-за высокой загрязненности снижается возможность использования водных ресурсов на нужды населения и уже сейчас многие страны мира испытывают острую нехватку
пресной воды (Самсонов А.Л., 2006).
В настоящее время метод очистки сточных вод с применением активного ила является наиболее универсальным, однако недостаточно используемым в практике при обработке стоков различных производств (Туманов А.А и др, 1987; Попов М.А., Румянцев
И.С., 2005). Основными критериями выбора предприятиями применения активного ила в
очистных сооружениях являются низкие затраты, простота в использовании и экологичность данного метода. Сложности очистки промышленных стоков связаны с чрезвычайным разнообразием примеси, количество и состав которых постоянно изменяется вследствие появления новых производств и изменения технологии существующих.
Также следует учитывать то, что на различных предприятиях (химической промышленности, сельского хозяйства и хозяйственно-бытовых) состав поступающих со стоками экотоксикантов может значительно отличаться не только в количественном, но и в
качественном отношении. Следовательно, для достижения эффективности процесса биологической очистки сточных вод, в аэротенках численный и видовой состав представителей биоценозов активного ила должен отличаться.
Таким образом, экологический мониторинг состава биоценозов активного ила в зависимости от типов аэрации в очистных сооружениях различных производств, является
актуальной проблемой.
Цель и задачи. Целью работы является экологический мониторинг биоценозов
активного ила при использовании биологической очистки сточных вод с применением
дополнительной
аэрации
в
очистных
сооружениях
предприятий
с
различной
производственной деятельностью (сельское хозяйство, химическая промышленность,
городская канализационная сеть).
3
Решались следующие задачи:
1) Проанализировать эффективность введения системы дополнительной аэрации в аэротенках очистных сооружений химической промышленности.
2) Подобрать оптимальные условия аэрации на очистных сооружениях сельскохозяйственных
производств на примере свиноводческого комплекса для повышения эффективности работы активного ила.
3) Проанализировать эффективность использования дополнительной аэрации на предприятиях очистки хозяйственно-бытовых сточных вод.
4) Модифицировать состав биоценозов активного ила для повышения эффективности работы
очистных сооружений предприятий с различной производственной деятельностью (сельское хозяйство, химическая промышленность, хозяйственно-бытовые).
5) Проанализировать эффективность качества биологической очистки воды при использовании различных составов биоценозов активного ила в зависимости от производственной деятельности предприятий.
Научная новизна. Впервые охарактеризована динамика изменений составов биоценозов активного ила различных производств (сельское хозяйство, химическая промышленность, хозяйственно-бытовые) с введением систем дополнительной аэрации в аэротенках очистных сооружений. Доказана эффективность внедрения на предприятиях химической промышленности дополнительной мелкопузырчатой аэрации при очистке сточных
вод.
Изучен видовой состав гидробионтов активного ила – биоиндикаторов процесса
очистки сточных вод от экотоксикантов. Проведен экологический мониторинг биоценозов
активного ила в зависимости от типов очистных сооружений используемых на различных
предприятиях.
Теоретическая и практическая значимость. Использование разработанных рекомендаций повышает эффективность работы очистных сооружений, приводит к улучшению качества очистки воды, сокращает время очистки.
Теоретическая значимость заключается в биологическом исследовании биоценозов
активного ила, анализе адаптивных способностей гидробионтов активного ила, что необходимо использовать в учебном процессе при интеграции дисциплин биологического и
экологического циклов.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на научно практических конференциях: профессорско-преподавательского состава и аспирантов Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А. Костычева
4
(Рязань, 2011); на международных конференциях: «Экологические проблемы природных и
антропогенных территорий» (Чебоксары, 2011); «Наука и инновации в сельском хозяйстве» (Курск, 2011); «Научная конференция профессорско-преподавательского состава
СПб ГАУ» (Санкт-Петербург, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных статей, из них 4 статьи в изданиях рекомендуемых ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, методики исследований, разделов собственных результатов, выводов, предложений производствам, списка литературы. Общий объем работы 123 стр, 20 таблиц.
Библиографический список включает 289 источников, в том числе 54 работы зарубежных авторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Обзор литературы
Сделан обзор ключевых научных работ, посвященных антропогенному воздействию
на водные объекты, нормированию качества сточных вод. Проанализирована биоиндикация, как один из методов экологического мониторинга очистных сооружений.
Глава 2. Материалы и методы исследований
Исследования проводились на очистных сооружениях ЗАО «Рязанская нефтеперерабатывающая компания», куда также поступают стоки других химических предприятий
Южной промышленной зоны г. Рязани; на ОАО ПХ «Лазаревское» Тульской области,
специализированном предприятии по выращиванию и откорму 108 тысяч свиней в год; на
сооружениях очистной станции канализации (ОСК) г. Житомира, стоки которой охарактеризованы, как хозяйственно-бытовые.
Анализ стоков и изучение биоты активного ила проводили в измерительной лаборатории при очистной станции канализациии г. Житомира; в лаборатории нанотехнологий в
растениеводстве и животноводстве РГАТУ им. П.А. Костычева; в лаборатории ОАО ПХ «Лазаревское» Тульской области, в экологической лаборатории ЗАО «Рязанская нефтеперарабатывающая компания». Температуру воды – ртутным термометром согласно РД
52.24.496-2005. Измерения химического потребления кислорода производили титриметрическим методом в соответствии с ПНД Ф 14.1:2.100—97. Определение БПК производили
согласно ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97 (2004). Количество аммонийных ионов определяли фотометрическим методом с реактивом Неслера в соответствии с ПНД Ф 14.1:2.1-95 (2004).
Фотометрическим методом в соответствии с ПНД Ф 14.1:2.3-95 (2004) c реактивом Грисса
производили определение нитрит-ионов. Массовую концентрацию нитрат-иона определяли
в соответствии с ПНД Ф 14.1:2.4-95 (2004) фотометрическим методом. Фотометрическим
методом определяли концентрацию фосфатов в исследуемых пробах воды согласно Методике № 2.1.40.2. Общее железо определяли согласно ПНД Ф 14.1:2.50-96 (2004) фотометрическим методом с сульфосалициловой кислотой. Определение металлов (цинка, кадмия,
5
меди, хрома, свинца, никеля, мышьяка и др.) проводили в соответствии с ПНД Ф
14.1:2:4.69-96 (2005) инверсионно-вольтамперометрическим методом. Измерений суммарная концентрация анионактивных СПАВ производили по Методике № 2.1.35.1, 2.2.44.1
фотометрическим методом. Согласно ПНД Ф 14.1:2.62-96 (2004) колоночной хроматоргафией с весовым окончанием определяли количество нефтепродуктов. Измерение общего
микробного числа и коли-индекса проводили согласно Методике N 1100/83-99-23.Для определения рН проводили электрометрическим определением со стеклянным электродом. Кислород, растворенный в воде определяли йодометрически методом Винклера (1988). Определение количественного состава фауны активного ила проводили согласно ГОСТ 12.1.007-76.
Индекс видового разнообразия рассчитывали по формуле Маргалефа (1958). Статистический анализ производили методом вариационной статистики по Н.А. Плохинскому (1961).
Экологический мониторинг биоценозов активного ила при использовании биологической очистки сточных
вод с применением дополнительной аэрации


Промышленные
Сельскохозяйственное
предприятия
предприятие


Анализ приме-
зования допол-
нения дополни-
Подбор оп-
нительной
тельной аэра-
тимальных
аэрации на
ции в аэротен-
условий
предприятии по
ках очистных
аэрации
очистке стоков
хозяйственнобытовых вод


Городские
очистные
сооружения

Оценка исполь-
сооружений



Модификация
состава биоценозов активно-
Оценка эффек-
го ила для по-
тивности каче-
вышения эф-
ства биологи-
фективности
ческой очист-
работы очист-
ки воды
ных сооруже-

ний


Рекомендации для использования в очистных сооружениях биоценозов активного ила при определенных
типах аэрации
Рисунок 1 – Схема исследований.
6
Глава 3. Результаты исследований
3.1. Сравнительная характеристика биоценозов активного ила очистных
сооружений предприятий химической промышленности
Сложность выбора состава биоценоза активного ила при очистке промышленных
стоков от различных предприятий связана с чрезвычайным разнообразием примеси, количество и состав которых постоянно изменяется, вследствие появления новых производств
и изменения технологии существующих.
Соотношение представителей биоценоза активного ила аэротенков на очистных
сооружениях химической промышленности в зависимости от условий среды мы рассчитывали согласно балльной системе, которая отражает частоты встречаемости гидробионтов в исследуемом материале.
Частота встречаемости представителей биоценоза активного ила аэротенков на
очистных сооружениях химической промышленности в зависимости от условий внешней
среды (аэротенки на открытом воздухе и находящиеся в помещении комплекса очистных
сооружений) представлена в таблице 1.
Таблица 1 – Соотношение представителей биоценоза активного ила аэротенков
на очистных сооружениях химической промышленности в зависимости от условий среды
Представители
Эффективность работы
голые амё-
очистных
бы
сооружений
(Amoebin)
Инфузории
тихоходки
Tardigrada
свободноплавающие
Epistylis
Vorticella
коловратки
нематоды
(Rotatoria)
(Nematoda)
Средний показатель при непостоянных условиях внешней среды
( аэротенки, находящиеся на открытом воздухе)
Низкая эффективность
Средняя эффективность
Высокая эффективность
очень часто
отсутствуют
очень часто
часто
часто
очень редко
редко
часто
отсутствуют
часто
часто
нередко
редко
редко
нередко
очень редко
нередко
нередко
нередко
нередко
нередко
Средний показатель при относительно постоянных условиях внешней среды
(аэротенки, находящиеся в помещении комплекса очистных сооружений)
Низкая эффективность
Средняя эффективность
Высокая эффективность
очень часто
отсутствуют
очень часто
часто
отсутствуют
часто
нередко
редко
нередко
7
очень
часто
очень редко
редко
часто
часто
редко
редко
нередко
нередко
нередко
нередко
часто
В аэротенках предприятий очистных сооружений химической промышленности
при непостоянных условиях внешней среды (аэротенки находятся на открытом воздухе) и
низкой эффективности очистки голые амебы и свободноплавающие инфузории встречались очень часто (20 - 40 особей), инфузории Epistylis и инфузории Vorticella часто (10 20 особей), Nematoda редко (1 - 3 особи), Rotatoria очень редко (в среднем одна особь),
Tardigrada отсутствали. При относительно постоянных условиях среды и высокой эффективности работы очистных сооружений нередко встречались все представители, кроме Tardigrada . По нашему мнению, динамика состава биоценоза активного ила в данном
случае обусловлена меньшей изменчивостью физических показателей окружающей среды.
Исходя из наших исследований, использование в очистных сооружениях мелкопузырчатой аэрации наиболее эффективно, по сравнению с крупнопузырчатой. При этом
следует учитывать наиболее оптимальный состав активного ила, который отражен в таблице 2.
Таблица 2 – Соотношение представителей биоценоза активного ила аэротенков
в зависимости от типа подачи кислорода на очистных сооружениях химической
промышленности, %
Типы аэрации
Представители
используемый
предприятием
при дополнительной
мелкопузырчатой аэрации
при дополнительной
крупнопузырчатой аэрации
эффективность работы очистных сооружений
высокая средняя низкая высокая средняя
Голые амёбы
(Amoebin)
Тихоходки
(Tardigrada)
свободноплавающие
инфузории
Инфузории
Epistylis
Инфузории
Vorticella
Коловратки (Rotatoria)
Нематоды
(Nematoda)
низкая
6
12
10
9
10
8
7
1
4
2
2
3
1
1
30
23
27
30
31
26
28
27
16
25
26
24
25
25
11
7
9
6
6
13
13
9
17
11
12
14
10
9
16
21
16
15
12
17
17
8
Наиболее приближенными к исходным являются показатели, полученные при использовании дополнительной крупнопузырчатой аэрации при низком уровне эффективности работы предприятия. Так количество Amoebin увеличилось на 1 %, инфузорий
Vorticella на 2 %, Nematoda на 1 %, при этом количество свободноплавающих инфузорий
и Rotatoria снизилось на 2 %. Остальные показатели остались неизменными. Следовательно, мы можем говорить о неэффективности использования данного типа дополнительной
аэрации.
При мелкопузырчатой аэрации наблюдается увеличение голых амеб на 2 %,
Tardigrada на 3 %, Rotatoria на 8 %, Nematoda на 5 %, уменьшается на 7 % количество
свободноживущих инфузорий, на 11 % инфузорий Epistylis, на 3 % инфузорий Vorticella.
Это является оптимальным составом биоценоза дающего высокую эффективность работы
очистных сооружений.
Качество очищенной воды при использовании дополнительной мелкопузырчатой
аэрации в сравнении с крупнопузырчатой при высокой эффективности работы очистных
сооружений улучшилось на 8,9 мгО/дм3 по ХПК, на 14,5 мгО2/дм3 по БПК, на 0,2 мг/л по
нефтепродуктам и железу и на 0,3 мг/дм3 по содержанию СПАВ (таблица 3).
Таблица 3 – Оценка качества воды после биологической очистки на предприятиях
химической промышленности
Показатели
Типы аэрации
используемый
предприятием
при дополнительной мелкопузырчатой аэрации
при дополнительной крупнопузырчатой аэрации
эффективность работы очистных сооружений
высокая, средняя,
низкая, высокая, средняя,
n=10
n=10
n=10
n=10
n=10
n=10
5,6 ±
7,5 ±
8,2 ±
6,2 ±
0,584
0,421*
0,29***
0,163
ХПК,
198,8 ±
96,5 ±
103 ±
124 ±
мгО/дм3
4,21
3,12***
3,68***
2,45***
БПК,
61,9 ±
21,3 ±
28 ±
31,4 ±
3
мгО2/дм
1,48
1,71***
0,78***
2,01***
Нефтепро2,7 ±
1,5 ±
1,8 ±
2,2 ±
дукты мг/л
0,05
0,01***
0,02***
0,04***
Железо
1,6 ±
0,8 ±
1,2 ±
1,4 ±
3
мг/дм
0,12
0,03*
0,04**
0,07
СПАВ
1,2 ±
0,3 ±
0,5 ±
0,8 ±
мг/дм3
0,04
0,01***
0,02***
0,04***
Примечание. * - Р0,05; ** - Р0,01; *** - Р0,001.
pН
9
7,8 ±
0,254*
105,4 ±
1,87***
35,8 ±
1,95***
1,7 ±
0,02***
1,0 ±
0,02*
0,6 ±
0,02***
7,6 ±
0,158*
112,3 ±
2,43**
40,1 ±
2,13***
2,0 ±
0,01***
1,2 ±
0,04**
0,9 ±
0,05***
низкая,
n=10
6,5 ± 0132
129,6 ±
4,09***
46,3 ±
1,89***
2,3 ±
0,03***
1,2 ±
0,06**
1,0 ±
0,02***
При использовании дополнительной аэрации реакция среды приближалась к оптимальной и составляла от 6,2 (при мелкопузырчатой аэрации и неэффективной работе
очистных сооружений) до 8,2 (при мелкопузырчатой и средней эффективности работы
очистных сооружений).
Оценка качества воды в разные сезоны года после биологической очистки на
очистных сооружениях химических предприятий различными методами дополнительной
аэрации представлена в таблице 4.
Таблица 4 – Результаты исследования сточных вод экотоксикантами предприятий
химической промышленности
Сезон
Выбрасываемые
года
ингредиенты
Лето
Зима
Превышение ПДК, раз
до введения аэрации и
после введения аэра-
активного ила
ции и активного ила
Цинк
19,4
11,2
Свинец
15,0
7,3
Мышьяк
2,0
-
Медь
2,2
0,6
Цинк
5,0
1,7
Свинец
1,3
0,5
Мышьяк
7,5
2,4
Медь
2,2
0,4
Так, исследования сточных вод на ПДК по экотоксикантам заводов Южной промышленной зоны после введения методики дополнительной аэрации активного ила следующее: показатель по цинку зимой снизился на 3,3 раза, по свинцу на 0,8 раза, по мышьяку на 5,1 раза, по меди на 1,8 раза. В летний период показатели снизились по цинку на
8,2 раза, по свинцу на 7,7 раз, по меди 1,6 раз, а по мышьяку не превышал ПДК.
3.2. Сравнительная характеристика биоценозов активного ила в очистных
сооружениях свиноводческого комплекса
По литературным данным использование крупнопузырчатой аэрации на очистных
сооружениях животноводческих комплексов не эффективно. Поэтому мы исследовали соотношение представителей биоценоза активного ила аэротенков очистных сооружений
свиноводческого комплекса ОАО ПХ «Лазаревское» Тульской области при дополнительной мелкопузырчатой аэрации в зависимости от условий внешней среды, то есть когда
10
аэротенки на открытом воздухе. Одновременно смоделировали работу активного ила в
закрытых аэротенках.
Экотоксиканты стоков, поступающие на очистные сооружения свиноводческого
комплекса являются постоянными по сравнению со стоками от промышленных производств, поэтому качественный состав фауны биоценозов активного ила мало изменяется.
Однако в зависимости от уровня подачи кислорода и условий внешней среды по
количественному соотношению организмов различных родов и видов биоценозов активного ила наблюдается определенная динамика (таблица 5).
Таблица 5 – Соотношение представителей биоценоза активного ила аэротенков очистных
сооружений свиноводческого комплекса при дополнительной мелкопузырчатой аэрации в
зависимости от условий внешней среды
Представители
Показатели
кислорода в
аэротенках
Инфузории
Голые амёбы
(Amoebin)
Тихоходки
(Tardigrada)
свободноплавающие
Epistylis
Vorticella
коловратки
(Rotatoria)
нематоды
(Nematoda)
Средний показатель при изменяющихся условиях внешней среды
( аэротенки на открытом воздухе), %
используемые
предприятием
При дополнительной аэрации
9
3
34
22
5
15
12
13
5
21
12
8
24
17
Средний показатель при постоянных условиях внешней среды
(аэротенки, находящиеся в помещении комплекса очистных сооружений), %
используемые
8
2
29
20
8
19
предприятием
При дополнительной аэра11
3
23
13
9
25
ции
14
16
При увеличении аэрации возрастает содержание Amoebin до 13,0 % и Rotatoria до
24,0 %, снижается количество свободноплавающих инфузорий до 21,0 % в тех аэротенках,
которые находятся на открытом воздухе.
Использование дополнительной мелкопузырчатой аэрации позволило увеличить
содержание в исследуемом активном иле Amoebin до 11,0 %, Rotatoria до 25,0 % и снизить
количество свободноплавающих инфузорий до 23,0 % в аэротенках, находящихся в помещении комплекса очистных сооружений.
По нашим исследованиям, мелкопузырчатая аэрация приносит свой результат независимо от того, находится ли аэротенк в закрытом помещении, или располагается, как это
достаточно часто бывает, в открытом варианте. Использование аэрации в открытых со11
оружениях позволило улучшить условия существования в данном биоценозе аэробных его
представителей, повысив эффективность молекулярного кислородного дыхания. Об этом
свидетельствует увеличение количества Tardigrada на 2,0 % и Rotatoria на 9,0 %, которые,
как известно, являются чувствительными биоиндикаторами к недостатку кислорода.
В связи с тем, что в животноводческих комплексах высокое содержание биогенных
веществ, мы изучили динамику бактериального состава активного ила. Установлено, что
число бактерий в илах колеблется от 108 до 102 на 1 мг сухого вещества. Большинство
бактерий принадлежит к родам: Pseudomosms, Achromobacter, Alkaligehes, Bacillus,
Bacterium micirococcus Flavabacterium. Нитрифицирующие бактерии представлены двумя
основными видами—Nitrosomonas и Nitrobacter. Почти всегда в илах присутствуют нитчатые бактерии Sphaerotilus. Состав бактерий активного ила свиноводческого комплекса
представлен в таблице 6.
Таблица 6 – Содержание бактерий активного ила свиноводческого комплекса
при различной аэрации
Группы
микроорганизмов
Bacterium
Zoogloea ramigcra
Pseudomonas
Desulfovibrio
Flavobacterium
Nitrosomonas
Nitrobacter
Sphaerotilus natans
Methanosarcina
Hydrogenomonas
Sulfomonas
Thiobacterium и
Thiotrix
Среднее содержание бактерий от общего числа, %
без использования дополнительной аэрации
8,6
9,0
66,2
3,2
5,1
8,5
6,7
3,3
4,1
1,8
3,4
при использовании дополнительной мелкопузырчатой аэрации
9,7
13,1
58,2
1,8
6,3
9,4
8,2
1,5
3,8
3,5
3,6
2,9
3,4
Что касается бактериального состава активного ила свиноводческого комплекса,
использование дополнительной мелкопузырчатой аэрации увеличило содержание в активном иле микроорганизмов группы Bacterium до 9,7 %, Flavobacterium до 6,3 %. Необходимо подчеркнуть, что они активно разлагают органические соединения и их производные. Снизилось содержание бактерий Methanosarcina, трансформирующих кислоты и
водород в газообразный метан в активном иле в сравнении с исходными показателями до
12
3,8 % и бактерий Sphaerotilus Natans до 1,5 %. Именно они вызывают негативное вспухание активного ила.
Увеличилось количество Nitrosomonas, окисляюших аммоний до нитрата, до 9,4 %.
Nitrobacter, преобразующих образовавшиеся нитриты до нитратов, до 8,2 %. Снижение
количества бактерий этих групп приводит к увеличению азота, являющегося основным
биогенным элементом, что отрицательно сказывается на экосистеме водоема. Zoogloea
ramigcra в активном иле увеличилось до 13,1 %.
Cодержание Pseudomonas стало 58,2 %, так как аэрация увеличивает химическое
окисление загрязняющих веществ и создает благоприятные условия для развития видового разнообразия аэробных организмов, тем самым снижая количественное преобладание
какого-либо одного вида в биоценозе активного ила.
Опасны для окружающей среды различные химические соединения, применяемые
в животноводстве. К ним относятся нитраты, нитриты, производные азота, а также другие
биогенные вещества. Они оказывают отравляющее действие на здоровье человека и животных, негативно влияют на состояние водоемов. Показатели оценки качества биологической очистки на свиноводческом комплексе в зависимости от аэрации стоков представлены в таблице 7.
Таблица 7 – Оценка качества воды после биологической очистки на свиноводческом
комплексе в зависимости от аэрации
Тип аэрации
Показатели
без использования дополнительной аэрации, n=10
с использованием дополнительной мелкопузырчатой аэрации, n=10
азот аммонийный, мг/дм3
нитриты, мг/дм3
нитраты, мг/дм3
сульфат-ионы, мг/л
БПК , мгО2/дм3
фосфаты, мг/дм3
взвешенные вещества, мг/дм3
хлор-ионы, мг/л
2,08 ± 0,015
0,71 ± 0,015
23,82 ± 0,077
187,0 ± 1,67
13,0 ± 0,46
4,01 ± 0,149
11,6 ±0,357
178,0 ± 4,11
1,80 ± 0,038***
0,45 ± 0,011***
16,01 ± 0,601***
136,0 ± 1,54***
5,6 ± 0,28***
2,56 ± 0,161***
8,2 ± 0,354***
93,0 ± 3,87***
Оценка качества воды после нашего эксперимента на свиноводческом комплексе
следующая: мелкопузырчатая аэрация позволяет снизить количество азота аммонийного
на 0,28 мг/дм3, азота нитритов на 0,26 мг/дм3 , азота нитратов на 7,81 мг/дм3, фосфатов на
13
1,45 мг/дм3 , БПК до 5,6 мгО2/дм3, взвешенных веществ до 8,2 мг/дм3, сульфат-ионов до
136 мг/л, хлор-ионов до 93,0 мг/л.
Снижение показателей свидетельствует о высокой эффективности протекания биологической очистки. Увеличение эффективности работы активного ила позволяет снизить
содержание токсических веществ в стоках и предотвращает процессы вспухания активного ила, повышая качество биологической очистки.
В таблице 8 представлена оценка показателей воды при различных условиях среды
расположения аэротенков (на открытом воздухе и внутри помещения).
Таблица 8 – Среднегодовые показатели биологически очищенной сточной воды
в зависимости от условий среды
Условия среды
Средний
показатель
Температура, ˚С
pH
Взвешеные вещества, мг/дм3
БПК, мгО2/дм3
ХПК, мгО/дм3
Фосфаты, мг/дм3
Азот аммонийный, мг/дм3
Нитриты, мг/дм3
Нитраты, мг/дм3
Растворенный кислород, мг/л
при изменяющихся условиях среды
(открытый аэротенк)
15,0 ± 1,61
7,7 ± 1,21
11, 6 ± 1,55
13, 0 ± 2,62
74, 1 ± 12,34
4, 01 ± 0,435
2, 08 ± 0,143
0, 71 ± 0,067
23, 82 ± 1,357
9, 1 ± 0,46
при относительно постоянных
условиях внешней среды
(аэротенк внутри помещения)
17, 5 ± 1,71
7, 1 ± 1,19
9, 6 ± 1,33
8, 1 ± 2,11
53, 9 ± 9,26
3, 59 ± 0,347
1, 98 ± 0,064
0, 52 ± 0,116
21, 2 ± 1,258
9, 6 ± 0,71
При изменении постоянных условий среды расположения аэротенков разница среднегодовой температуры воды между изучаемыми типами очистных сооружений (закрытыми и открытыми) составляет в среднем 2,5 °С, по количеству растворенного кислорода 0,5 мг/л, уровню взвешенных веществ 2,0 мг/дм3, азота аммонийного 0,1 мг/л, азота нитритов 0,19 мг/л, азота нитратов 2,62 мг/л, фосфатов 0,42 мг/л, что связано с адаптивной способностью обитателей
биоценоза активного ила. Значение ХПК снижается на 20,2 мгО/дм3, БПК на 4,9 мгО2/дм3, pH
на 0,6. Эти отличия являются незначительными, что еще раз подчеркивает тот факт, что
эффективность очистки зависит не от того открытый или закрытый аэротенк, а от использования мелкопузырчатой аэрации при биологической очистке воды.
Вместе с дождевыми, талыми и навозными стоками в очистные сооружения свиноводческого комплекса поступают канализационные стоки предприятия, содержащие тех-
14
ническую воду. Состав экотоксикантов, поступающих на очистные сооружения свиноводческого комплекса отражен в таблице 9.
Таблица 9 – Состав экотоксикантов, поступающих на очистные сооружения
свиноводческого комплекса в зависимости от сезона года
Экотоксиканты
Содержание в разные сезоны года, %
кислоты (органические и неорганические)
щелочи
соли
пестицицы
гербициды
тяжелые металлы
биогенные вещества
углеродсодержащие соединения
нефтепродукты
нерастворимое сухое вещество
СПАВ
лето
зима
7,5
6,1
5,6
4,5
6,2
4,6
2,9
25,0
57,9
1,2
10,3
1,2
4,1
5,8
1,1
0,9
1,9
17,9
46,4
0,8
9,7
0,9
Содержание экотоксикантов в разные сезоны отличается. Так, в зимний период
кислот в стоках содержится 6,1 %, щелочей 4,1 %, солей 5,8 %, пестицидов 1,1 %, гербицидов 0,9 %, тяжелых металлов 1,9 %, биогенных веществ 17,9 %, углеродсодержащих
соединений 46,4 %, нефтепродуктов 0,8 %, нерастворимого сухого вещества 9,7 % и
СПАВ 0,9 %.
В летний период содержание кислот в стоках увеличивается до 7,5 %, щелочей до
5,6 %, пестицидов до 6,2 %, гербицидов до 4,6 %, биогенных веществ до 25,0 %, углеродсодержащих соединений до 57,9 %, нефтепродуктов до 1,2 %, нерастворимого сухого
вещества до 10,3 % и СПАВ до 1,2 %, что связано с интенсификацией производственных
процессов на свиноводческом коплексе. По содержанию солей в летний период наблюдается снижение до 4,5 %. Мы это связали с увеличением использования солей для технических целей в зимний период.
Таким образом, мы рекомендуем учитывать и регулировать состав биоценозов активного ила в зависимости от сезона года.
15
3.3. Сравнительная характеристика биоценозов активного ила при очистке
хозяйственно-бытовых стоков на очистной станции канализации
На очистных сооружениях общегородской станции канализации работа с регуляцией биоценоза активного ила показала следующие результаты. Состав хозяйственно - бытовых стоков весьма разнообразен. Соотношение представителей биоценоза активного
ила аэротенков на предприятиях очистки сточных вод в зависимости от условий среды и
аэрации представлен в таблице 10.
По нашим исследованиям относительная стабилизация условий окружающей среды
(аэротенки в помещении комплекса очистных сооружений) не изменила соотношение
представителей биоценоза активного ила. Использование дополнительной мелкопузырчатой аэрации снизило встречаемость Amoebin, в среднем до 4 - 10 особей, и свободноплавающих инфузорий в среднем до 10 - 20 особей. Количество Nematoda , инфузорий
Vorticella и Epistylis не изменилось, а Rotatoria увеличилось до 1 - 3 особей. Появились
Tardigrada, встречаемость которых в среднем составляла 1 особь в исследуемых пробах.
Таблица 10 – Соотношение представителей биоценоза активного ила аэротенков на
очистной станции канализации г. Житомира в зависимости от условий среды и аэрации
Представители
Инфузории
колоТихонемаГолые
вратки
ходки свободтоды
амёбы
(Tardigr ноплаEpistylis Vorticella (Rotato- (Nema(Amoebin)
ria)
ada)
toda)
вающие
Средний показатель при не постоянных условиях внешней среды
( аэротенки, находящиеся на открытом воздухе), %
без аэрации
отсуточень
очень
часто
часто
нередко
редко
ствуют
часто
редко
с
дополнительной мел- не редко
очень
часто
часто
нередко
редко
редко
копузырчатой
редко
аэрацией
Средний показатель при постоянных условиях внешней среды
(аэротенки, находящиеся в помещении комплекса очистных сооружений), %
без
дополниотсуточень
очень
тельной аэрачасто
часто
нередко
редко
ствуют
часто
редко
ции
с дополнительной
мелкопуне
очень
не
не редчасто
нередко нередко
зырчатой аэраредко
редко
редко
ко
цией
Эффективность работы
очистных сооружений
16
Нами была изучена встречаемость и видовое разнообразие биоты в биоценозе активного ила в зависимости от условий аэрации аэротенков при очистке хозяйственно - бытовых стоков на очистной станции канализации (таблица 11).
Таблица 11 – Встречаемость и видовое разнообразие фауны в биоценозе активного ила
Представители
Количество особей, найденных при различных типах аэрации
без дополнительной аэрас дополнительной мелкопуции, n=10
зырчатой аэрацией, n=10
1
2
3
Nematoda
15
27
Oligochaeta
9
16
Philodina roseola
8
21
Amoeba proteus
83
70
Chilodenella cucullulus
205
182
Tetrahymena compessum
75
64
Vorticella
42
38
Epistylis
115
107
Litonotus cygnus
46
55
Aspidisca costata
63
76
Gromia neglecta
58
53
Pamphagus hyalinum
53
65
Tardigrada (тихоходки)
9
Pelomyxa binucleata
8
4
Общее количество особей
780
787
Индекс Маргалефа
1,802
1,949
Так, по нашим исследованиям, при использовании дополнительной мелкопузырчатой аэрации Nematoda было обнаружено на 12 особей, Oligochaeta на 7 особей, Philodina
roseola и Aspidisca costata на 13 особей, Litonotus cygnus на 9 особей, Pamphagus hyalinum
на 12 особей больше. В пробах были обнаружены Tardigrada в количестве 9 особей. Также наблюдается снижение Amoeba proteus до 70 особей, инфузорий Epistylis до 107 особей, Tetrahymena compessum до 64 особей, Vorticella до 38 особей, Gromia neglecta до 53
особей, Pelomyxa binucleata до 4 особей. Количество Chilodenella cucullulus снизилось до
182 особей. Всего было найдено 787 особей.
По полученным данным мы рассчитали индекс удельного видового богатства по
формуле Маргалефа. Так при обычной работе очистных сооружений он составил 1,802, а
при использовании дополнительной мелкопузырчатой аэрации 1,949. Увеличение индекса
Маргалефа свидетельствует об увеличении видового разнообразия при относительно небольшом увеличении найденных нами особей.
17
Дополнительная мелкопузырчатая аэрация суспензии стоков с активным илом способствовала увеличению химического окисления примесей, а также развитию аэробных
бактерий, увеличивая их биомассу. Поэтому мы изучили состав биомассы сухого вещества бактерий. Увеличение биомассы бактерий способствовало снижению содержания
химических элементов в стоках и росту их включения в состав бактериальных клеток
(таблица 12).
Таблиц 12 – Состав биомассы сухого вещества бактерий при различной аэрации
Состав биомассы, % сухого вещества бактерий при
различной аэрации
Химический состав
с использованием дополнимикробной клетки
без дополнительной
тельной мелкопузырчатой
аэрации
аэрации
1
2
3
С
50,2
53,0
N2
11,8
12,5
O2
31,0
32,0
H2
6,5
6,9
P2O5
4,89
5,0
K2O
2,52
2,61
SO3
0,3
0,37
Na2O
0,07
0,08
MgO
0,79
0,85
CaO
0,91
0,96
Fe2O3
0,07
0,09
SiO3
0,03
0,04
Мы наблюдали увеличение содержания С (углерода) при использовании дополнительной мелкопузырчатой аэрации на 2,8 %, N2 на 0,7 %, O2 на 1,0 %, H2 на 0,4 %, P2O5 на
0,11 %, K2O на 0,09 %, SO3 на 0,07 %, Na2O на 0,01 %, MgO на 0,06 %, CaO 0,05 %, Fe2O3
на 0,02 %, SiO3 на 0,01 %.
Оценка качества воды после биологической очистки на очистной станции канализации при различных типах аэрации представлена в таблице 13.
18
Таблица 13 – Оценка качества води после биологической очистки на очистной станции
канализации г Житомира при различных типах аэрации
Типы аэрации
при использовании дополниПоказатели
используемая
тельной мелкопузырчатой аэрапредприятием, n=10
ции, n=10
pН
8,02 ± 0,013
7,69 ± 0,024***
3
ХПК, мгО/дм
53,9 ± 2,27
48,4 ± 0,93*
3
БПК, мгО2/дм
7,10 ± 0,326
6,00 ± 0,126**
Хром, мг/л
0,003 ± 0,0001
0,002 ± 0,00015**
3
Железо, мг/дм
0,257 ± 0,0016
0,167 ± 0,0005***
Цинк, мг/л
0,003 ± 0,0008
0,002 ± 0,00004***
Медь, мг/л
0,005 ± 0,00007
0,004 ± 0,00005***
3
Азот аммонийный, мг/дм
1,92 ± 0,0016
1,24 ± 0,0009***
3
Нитриты, мг/дм
0,70 ± 0,007
0,62 ± 0,0036***
3
Нитраты, мг/дм
22,10 ± 0,034
20,30 ± 0,047***
3
Фосфаты, мг/дм
3,67 ± 0,022
2,98 ± 0,018***
Реакция среды суспензии активного ила при использовании дополнительной мелкопузырчатой аэрации составляла почти 7,69, что на 0,33 ниже, чем при обычном режиме
работы очистных. Это благоприятно влияет на развитие представителей биоценоза активного ила.
Уровень ХПК уменьшился на 5,50 мгО2/дм3, БПК на 1,10 мгО2/дм3, что говорит о
снижении органических загрязнителей в сточных водах. Наблюдалось снижение количества металлов: хрома, цинка и меди на 0,001 мг/л, железа на 0,09 мг/дм3.
Уменьшилось содержание биогенных элементов. Так, азота аммонийного стало
1,24 мг/дм3, что на 0,68 мг/дм3 ниже, азота нитритов 0,62 мг/дм3, что на 0,08 мг/дм3 ниже,
нитратов 20,30 мг/дм3, что на 1,8 мг/дм3 ниже и фосфатов 2,98 мг/дм3, что на 0,62 мг/дм3
ниже исходного содержания.
ВЫВОДЫ
1. При использовании дополнительной крупнопузырчатой аэрации в очистных сооружениях предприятий химической промышленности незначительно изменяется состав
биоты активного ила: увеличивается количество Amoebin на 1 %, инфузорий Vorticella на
2 %, Nematoda на 1 %, при этом количество свободноплавающих инфузорий и Rotatoria
снижается на 2 %. Таким образом, использованиe дополнительной крупнопузырчатой
аэрации на предприятиях химической промышленности является не эффективным.
2. Использование дополнительной мелкопузырчатой аэрации оптимизирует состав
активного ила, что дает высокую эффективность работы очистных сооружений. При этом
состав активного ила изменяется следующим образом: увеличивается количество голых
19
амеб на 6 %, Tardigrada на 3 %, Rotatoria на 8 %, Nematoda на 5 %, количество свободноживущих инфузорий уменьшается на 7 %, инфузорий Epistylis на 11 %, инфузорий
Vorticella на 3 %.
3. При использовании дополнительной мелкопузырчатой аэрации в сравнении с
крупнопузырчатой качество очищенной воды улучшается на 15,8 мгО/дм3 по ХПК, на 14,5
мгО2/дм3 по БПК, на 0,2 мг/л по нефтепродуктам и железу и на 0,3 мг/дм3 по содержанию
СПАВ.
4. Дополнительная мелкопузырчатая аэрация в открытых аэротенках свиноводческих комплексов позволяет оптимизировать условия среды обитания в биоценозе активного ила аэробных его представителей. Об этом свидетельствует увеличение количества
тихоходок на 2,0 % и коловраток на 9,0 %, которые являются биоиндикаторами к недостатку кислорода.
5. Эффективность очистки стоков на свиноводческих комплексах не зависит от
условий среды в которых расположен аэротенк (в помещении или на открытом воздухе).
На эффективность очистки оказывает влияние использование дополнительной аэрации.
6. Использование дополнительной мелкопузырчатой аэрации при очистке хозяйственно-бытовых стоков улучшает показатели оценки качества воды по ХПК на 5,5
мгО/дм3, БПК на 1,1 мгО2/дм3, железа на 0,09 мг/дм3, азота аммонийного на 0,68 мг/дм3,
нитритов на 0,08 мг/дм3, нитратов на 1,8 мг/дм3 .
7. Высокий эффект биологической очистки сточных вод химической промышленности достигается при составе активного ила, когда Amoebin 12 %, Tardigrada 4 %, свободноплавающих инфузорий 23 %, Rotatoria 17 %, при этом показатели оценки качества
составляют по ХПК 96,5 мгО/дм3, по БПК 21,3 мгО2/дм3 , по нефтепродуктам 1,5 мг/л, по
железу 0,8 мг/дм3.
8. Высокий эффект биологической очистки сточных вод сельскохозяйственных
производств достигается при составе активного ила, когда содержание Amoebin 13,0 % и
коловраток 24,0 %, свободноплавающих инфузорий 21,0 %. Анализ качества воды: азот
аммонийный 1,8 мг/дм3, нитриты 0,40 мг/дм3, нитраты 16,01 мг/дм3, БПК 5,6 мгО2/дм3.
9. Высокий эффект биологической очистки хозяйственно - бытовых сточных вод
достигается, когда в составе активного ила встречаемость Amoebin в среднем 4 - 10 особей, свободноплавающих инфузорий 10 - 20 особей. При этом качество очищенных
сточных вод следующее: ХПК 48,4 мгО/дм3, БПК 6,0 мгО2/дм3, азота аммонийного 1,24
мг/дм3.
20
Практические предложения
1. На основании проведенных исследований можно рекомендовать использовать
дополнительную мелкопузырчатую аэрацию, которая достаточно эффективно действует
на биоценоз активного ила, оптимизирует его состав для необходимой очистки воды.
2. Нами был модифицирован состав биоценоза активного ила сооружений биологической очистки на различных типах предприятий. Результаты мы рекомендуем использовать соответствующими службами, что повысит эффективность работы очистных сооружений. Анализ эффективности качества биологической очистки воды при использовании
дополнительной мелкопузырчатой аэрации и различных составов биоценозов активного
ила в зависимости от производственной деятельности предприятий показал, что увеличение коловраток и тихоходок, снижение свободноплавающих и других инфузорий, улучшение условий существования путем применения дополнительной мелкопузырчатой
аэрации позволяют улучшить качество очищенных сточных вод.
Список опубликованных работ по теме диссертации:
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Поминчук, Ю.А. Оптимизация использования аэрации активного ила в очистных
сооружениях /А.А. Коровушкин, Ю.А. Поминчук. – Аграрный вестник Урала № 2(81),
2011- С. 65.
2. Поминчук, Ю.А. Влияние загрязнения окружающей среды экотоксикантами химической промышленности в ландшафтно-географических зонах Рязанской области на
резистентность животных к вирусным заболеваниям /А.А. Коровушкин, С.А. Нефедова,
Ю.А. Поминчук и др. - Аграрная Россия. - №1, 2011. – С.54-58.
3. Поминчук, Ю.А. Динамика вирусных заболеваний среди диких и сельскохозяйственных животных различных ландшафтно-географических зон в зависимости от экологии окружающей среды / Л.С. Жебровский, А.А. Коровушкин, С.А. Нефедова и др. - Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - № 22 , 2011. –
С.15-21.
4. Поминчук, Ю.А. Использование различных методов формирования биоценоза
активного ила в очистных сооружениях крупных свиноводческих комплексов /А.А. Коровушкин, Ю.А. Поминчук - Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки № 4 (117), 2011 (в печати).
21
Статьи, опубликованные в других изданиях:
1. Поминчук, Ю.А. Индикаторные организмы активного ила на сооружениях биологической очистки /А.А. Коровушкин, Ю.А. Поминчук. – Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А. Костычева. – № 4 (8) 2010. - С.
37-38.
2. Поминчук, Ю.А. Этология и количественное соотношение составляющих биоценоз активного ила в различных условиях среды обитания /А.А. Коровушкин, Ю.А. Поминчук. - Актуальные проблемы потребительского рынка товаров и услуг: материалы
Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, посвященной 10-летию факультета экспертизы и товароведения 18 февраля 2011 г. / под ред.
И.В. Шешунова, С.А. Дворянского, Л.Н. Зоновой, И.В. Горевой. - Киров: ГОУ ВПО «Кировская государственная медицинская академия Минздравсоцразвития России», 2011. - С.
318-319.
3. Поминчук, Ю.А. Развитие биоценоза активного ила в аэротенках в условиях
дополнительной аэрации /А.А. Коровушкин, Ю.А. Поминчук. – Экологические проблемы
природных и антропогенных территорий: сборник статей 1-й международной научнопрактической конференции/ под ред. А.В.Дмитриева, Е.А. Синичкина. – Чебоксары: Новое время, 2011. - С. 93
4. Поминчук, Ю.А. Развитие активного ила очистных сооружений свиноводческих
комплексов при изменении условий внешней среды. - Наука и инновации в сельском хозяйстве. - Материалы международной научно-практической конференции 26-28 января.
Часть 3. - Курск, 2011 (в печати).
5. Поминчук, Ю.А. Совершенствование методики формирования биоценоза активного ила при очистке сточных вод крупного свиноводческого комплекса /А.А. Коровушкин, С.А. Нефедова, Ю.А. Поминчук. – Материалы научной конференция профессорскопреподавательского состава СПб ГАУ. - Санкт- Петербург, 2011 (в печати)
22
Бумага офсетная. Гарнитура Times. Печать лазерная
Усл. печ. л. 1 Тираж 100экз. Заказ № 561
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Рязанский государственный агротехнологический университет
имени П. А. Костычева»
390044 г. Рязань, ул. Костычева, 1
Отпечатано в издательстве учебной литературы и
учебно-методических пособий
ФГОУ ВПО РГАТУ
390044 г. Рязань, ул. Костычева, 1
23