Способ оценки пригодности микроорганизмов для формирования активного ила очистных сооружений

Изобретение относится к области биохимии. Предложен способ оценки пригодности водорослей и цианобактерий для формирования активного ила очистных сооружений. Способ включает определение критических значений параметров воздействия природного и антропогенного происхождения, вызывающих гибель микроорганизмов, сравнение их с максимально возможными значениями этих параметров в случае аварийной ситуации и/или аномальных метеоусловий, а также определение интегрального показателя устойчивости микроорганизмов. Изобретение обеспечивает повышение надежности работы очистного сооружения для случаев экстремального выброса загрязняющих веществ, а также экстремального повышения или понижения температуры окружающей среды и/или сточных вод. 1 табл.

 

Изобретение относится к экологии, а точнее к очистке сточных вод, и может найти применение при строительстве очистных сооружений, в частности таких средств биологической очистки, как активный ил. Изобретение может найти применение также для исследований экологического состояния водоемов.

Метод биологической очистки основан на способности некоторых видов микроорганизмов в определенных условиях использовать загрязняющие вещества в качестве своего питания. Множество микроорганизмов, составляющих активный ил биологического очистного сооружения, находясь в сточной жидкости, поглощает загрязняющие вещества внутрь клетки, где они под воздействием ферментов подвергаются биохимическим превращениям. Активный ил - это сложная экологическая система различных микроорганизмов, способных в присутствии кислорода окислять органические вещества. Выбор конкретных видов бактерий и одноклеточных зависит от состава сточных вод и условий проведения процесса. Установлено, что оптимальные условия для очистки сточных вод: температура воды: 16-23 градуса по Цельсию, концентрация растворенного кислорода: 1,0-2,0 мг/куб. дм, рН: 6,7-7,8 (Жмур Н.С. «Биологические системы очистки»). Существует достаточно широкий перечень часто встречающихся видов микроорганизмов в составе активного ила.

Микроорганизмы являются эффективным индикатором для определения качества ила. Для осуществления биоиндикаторного контроля проводят гидробиологический анализ водно-иловой смеси методом микроскопирования. Определяются структурные особенности биоценоза активного ила, организмы которого обладают способностью реагировать (качественным изменением и количественным распределением отдельных групп) на состав и свойства очищаемых сточных вод, а также на условия жизнеобеспечения. Численное преобладание того или иного компонента биоценоза служит индикатором стабильности и эффективности технологического процесса очистки сточных вод. Данный метод позволяет определить отклонения микроорганизмов и изменение видового состава биоценоза от нормального состояния, причем по степени таких отклонений можно не только определять состояние, но и прогнозировать сроки, перспективы изменения нормального протекания технологического процесса биологической очистки сточных вод.

Известен «Способ контроля процесса очистки сточных вод с активным илом» по патенту № 2104967, согласно которому формируют состав здорового ила по заранее заданному рецепту, принимают его за эталон. В процессе контроля осуществляют забор порции ила из аэротенка, сравнивают свечение этого образца с эталонным и по величине разности судят о работоспособности активного ила. Данный способ позволяет определить только текущее состояние микроорганизмов активного ила и не дает сведений об опасных для их жизнедеятельности уровнях внешнего воздействия.

Из уровня техники известно также о многочисленных экспериментах, которые проводились с целью определения влияния внешних факторов, таких как, например, высокие и низкие температуры, воздействие тяжелых металлов, на адаптацию, рост и другие свойства водорослей и цианобактерий.

Данные эксперименты позволили определить наиболее оптимальные, с точки зрения жизнедеятельности, значения вышеуказанных факторов. Однако на практике очень важно знать границы устойчивости микроорганизмов к тому или иному внешнему фактору, с тем чтобы объективно оценить возможность их использования в конкретных производственных и климатических условиях. Вид микроорганизмов в активном иле в настоящее время зависит в первую очередь от состава загрязняющих стоков. При этом риск от влияния экстремальных значений климатических факторов на микроорганизмы не учитывается.

Из анализа уровня техники видно, что довольно широко изучается влияние химических факторов на растения, водоросли и бактерии, заселяющие активный ил и нейтрализующие в процессе своей жизнедеятельности вредные вещества промышленных сточных вод. Эти данные могут быть использованы при выработке рекомендаций при строительстве очистных сооружений. Зная характер конкретного производства и, соответственно, химический состав сточных вод, достигают максимальной эффективности биологической очистки для каждого конкретного предприятия. Однако авторами не обнаружено работ по оценке устойчивости бактерий и водорослей к влиянию природных атмосферных факторов, таких как повышенная и пониженная температура. Между тем, очистные сооружения, в том числе отстойники с активным илом, находятся на открытом воздухе и в полной мере подвержены этим влияниям. Кроме того, при аварийной ситуации возможно резкое повышение температуры сточных вод, губительное для микроорганизмов активного ила. Поэтому важно знать, какие повышенные и/или пониженные температуры являются критическими для выживаемости биосистем, с тем чтобы обеспечить еще на стадии строительства надежность работы биологических очистных сооружений и не допустить выхода их из строя ввиду гибели водорослей и цианобактерий.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является разработка способа оценки пригодности микроорганизмов для формирования активного ила очистных сооружений с учетом конкретного производства и конкретных климатических условий. Техническим результатом явится повышение надежности работы очистного сооружения для случаев экстремального выброса загрязняющих веществ, а также экстремального повышения температуры окружающей среды и/или сточных вод, а также при установлении экстремально низких минусовых температур окружающей среды.

Для решения задачи предлагается способ оценки пригодности микроорганизмов из числа водорослей и цианобактерий для формирования активного ила очистных сооружений, согласно которому определяют критические значения параметров воздействия природного и антропогенного происхождения, вызывающие гибель микроорганизмов (d_гиб.i), сравнивают их с максимально возможными значениями этих параметров в случае аварийной ситуации и/или аномальных метеоусловий (Pi_,), определяют интегральный показатель устойчивости микроорганизмов ƒ

и при ƒ<0 делают вывод о пригодности микроорганизмов для формирования активного ила конкретного очистного сооружения, где в качестве факторов воздействия природного происхождения учитывают, по меньшей мере, максимальную и минимально возможную температуру окружающей среды, которые определяют исходя из многолетних наблюдений, а в качестве факторов антропогенного происхождения учитывают состав сточных вод конкретного производства, причем в качестве Pi принимают прогнозируемую расчетную концентрацию загрязняющих веществ в сточных водах в случае аварийной ситуации.

Поставленная задача решается также тем, что в качестве факторов воздействия природного происхождения учитывают, по меньшей мере, максимально и минимально возможную температуру окружающей среды, которые определяют исходя из многолетних наблюдений.

Для решения поставленной задачи в качестве факторов антропогенного происхождения учитывают состав сточных вод конкретного производства, причем в качестве Pi принимают прогнозируемую расчетную концентрацию для случая аварийной ситуации.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. На предварительной стадии опытным путем определяют границы устойчивости (выживаемости) тех микроорганизмов, которые наиболее подходят для нейтрализации сточных вод конкретного производства. Одновременно выясняют максимальные плюсовые и минусовые температуры окружающей среды по данным метеонаблюдений. Расчетным путем определяют возможные показатели концентрации загрязняющих веществ в сточных водах в случае аварийной ситуации. Далее для каждого микроорганизма определяют интегральный показатель устойчивости ƒ. В случае если этот показатель больше 0, делают вывод о непригодности этого микроорганизма для формирования активного ила, поскольку в случае аварийной ситуации произойдет его гибель, что отрицательно повлияет на эффективность работы очистного сооружения в целом и еще более усугубит отрицательное воздействие на окружающую среду аварийного предприятия, что является недопустимым.

Пример конкретной реализации способа

Наиболее трудоемким и ответственным этапом осуществления заявляемого способа является определение границ устойчивости микроорганизмов. Проведены работы по оценке границ устойчивости микроскопических водорослей и цианобактерий. В качестве факторов воздействия выбраны следующие факторы: температура, реакция среды, влияние тяжелых металлов, гербицидов и удобрений.

Эксперименты в основном проводятся в жидкой среде, кроме экспериментов по изучению влияния замораживания, которые проводятся с использованием агаризованной среды.

Изучается влияние каждого фактора на микроорганизмы и определяется его значение, приводящее к гибели. Признаком гибели водорослей и цианобактерий является появление хотя бы одного из следующих нарушений, встречающихся у всех изучаемых объектов: полное обесцвечивание, появление неестественной окраски, разрушение клеточных структур и клеточной оболочки, изменение формы клеток, нитей и трихомов. В лабораторных экспериментах используется культура 2-недельного календарного возраста со стартовой концентрацией 1×10⁵ кл/мл, находящаяся в стационарной фазе роста.

При исследовании влияния высоких положительных температур изучается влияние температуры в диапазоне от 30 до 100 градусов с интервалом 10 градусов. Суспензия клеток водорослей помещается в пробирки на 5 мл, которые подвергаются 20-минутной экспозиции в водяной бане BWT-U (Biosan, Latvia). После этого культуры инкубируют при комнатной температуре.

После определения максимальной температуры, при которой наблюдается гибель клеток водоросли, проводят вторую серию эксперимента, в которой исследуют влияние температуры от 30 до 76°C с интервалом 2 градуса и фиксируют наблюдаемые изменения. Контрольные варианты выращивают при комнатной температуре. В серии предварительных экспериментов было установлено, что через 14 суток проявляется полная картина морфологических изменений, которая впоследствии не изменяется. Поэтому просмотр проводится на 15 сутки. В экспериментах по изучению влияния других факторов просмотр проводят через 7 дней, так как за это время проявляется их токсическое воздействие.

Для использования в очистных сооружениях в условиях сурового климата необходимы микроорганизмы, способные восстанавливаться после замораживания, поэтому были проведены эксперименты по изучению влияния отрицательных температур на водоросли и цианобактерии. Суспензия микроорганизмов помещается на поверхность агаризованных чашек Петри, затем чашки инкубируют в морозильной камере в течение 1,5 и 9 суток.

рН изучают в интервале от 2 до 13,5 с интервалом 0,5. Контролем служит жидкая питательная среда Болда с рН 6,5. Реакцию среды измеряют при помощи рН-метра «Мультитест ИПЛ-311» (Семико, Россия) с электродом ЭСК №1060317. Перед началом экспериментов электроды рН-метра калибруют при помощи стандартных буферных растворов (рН=6,87 и рН=9,18). Нужные значения рН достигаются путем добавления 0,1 молярных растворов NaOH или HCl.

При проведении экспериментов по изучению влияния тяжелых металлов, гербицидов и удобрений по литературным данным подбирают ориентировочную летальную концентрацию и проводят эксперименты с целью определения диапазона концентрации от минимальной, при которой не наблюдается токсического эффекта, до максимальной, при которой отмечается гибель клеток водоросли. Растворы токсикантов разливают в пробирки, куда прокапывают по 0,01 мл культуры водоросли, находящейся в стационарной фазе роста с концентрацией клеток не менее 10⁵ кл/л.

При изучении влияния засоления NaCl испытывают в концентрациях 0,1-7 моль/л, Na₂CO₃ - 0,0001-5 моль/л. В экспериментах с солями тяжелых металлов концентрации хлоридов меди, никеля рассчитывают на 1 моль чистого металла. CuCl₂ испытывают в концентрациях 1×10^-10-10^-1 моль/л, NiCl₂ - 1×10^-8-10^-1 моль/л, MnCl₂ - 1×10^-6-1 моль/л.

Достоверность результатов исследований определяют с помощью критерия Стьюдента. Для обработки результатов исследований используют метод регрессионного анализа.

Для определения устойчивости к экстремальным факторам были отобраны аутентичные (по которым были описаны виды) и референтные штаммы (определенных по крайней мере до рода) водорослей и цианобактерий, характеризующихся широким географическим распространением и встречающихся в широком диапазоне условий окружающей среды. К числу видов, характеризующихся практически повсеместным географическим распространением, относятся Chlorella vulgaris Beijerinck Bracteacoccus minor (Chodat) Petrová, Pseudococcomyxa simplex (Mainx) Fott, Chlorococcum infusionum (Schrank) Meneghini (Chlorophyta); Eustigmatos magnus (J.B. Petersen) D.J. Hibberd, Xanthonema exile (Klebs) P.C. Silva (Ochrophyta); Klebsormidium flaccidum (Kutzing) P.C. Silva, K.R. Mattox & W.H. Blackwell (Streptophyta) и Microcoleus vaginatus Gomont ex Gomont (Cyanobacteria).

В таблице 1 представлено воздействие экологических факторов на исследованные виды эукариотических водорослей и цианобактерий. В таблице указаны значения факторов, при которых фиксируется гибель организмов; t_пол - высокие положительные температуры; t_отр - замораживание; знаком «-» обозначено отсутствие воздействия, знаком «+» обозначено наличие воздействия; концентрации токсикантов приведены в моль/л.

Таблица 1 - Воздействие экологических факторов на исследованные виды эукариотических водорослей и цианобактерий

Наибольшую чувствительность к нагреванию показала X. exile, выдерживающая температуру до 44°С. Наиболее устойчивыми оказались В. minor и Ch. vulgaris, выдерживающий нагревание до 54°С. Остальные виды выдерживали температуры до 48-52°С (таблица 1).

К замораживанию наиболее устойчивыми были В. minor и М. vaginatus, полностью восстанавливающиеся после замораживания в течение 1-9 суток (таблица 1).

Наиболее толерантными к изменению рН были В. minor, Ch. vulgaris, P. simplex, K. flaccidum, выживавшие при рН 3,5-11,5 (таблица 1).

Эксперименты по изучению засоления показали, что карбонат натрия был токсичнее хлорида натрия для всех видов. Изученные виды выдерживали воздействие токсиканта вплоть до 1-7 моль/л. Наиболее устойчивыми были В. minor и Ch. vulgaris, наименее - X. exile и М. vaginatus. Концентрации соды 0,01-2 моль/л вызывали гибель исследованных микроорганизмов. Наибольшую устойчивость показали Ch. vulgaris и P. simplex, наименьшую - М. vaginatus (таблица 1).

Среди изученных хлоридов тяжелых металлов (меди, никеля и марганца) наиболее токсичным оказался хлорид меди. Изученные виды концентрации токсиканта до 1×10^-5-1×10^-2 моль/л, наиболее устойчивыми были В. minor, Ch. infusionum, Ch. vulgaris, P. simplex, K. flaccidum, наиболее чувствительной была X. exile (таблица 1). Наибольшую устойчивость к хлориду никеля показали В. minor и P. simplex, выдерживающие концентрации до 1 моль/л, наименее устойчивыми был М. vaginatus, выживающий до концентрации 1×10^-3 моль/л. Практически все виды водорослей и цианобактерий выдерживали концентрации хлорида марганца до 1 моль/л, кроме М. vaginatus, который выживал до концентрации до 1×10^-1 моль/л (таблица 1).

Таким образом, заявляемый способ дает в руки практического эколога простую и надежную методику формирования активного ила, пригодного для нейтрализации сточных вод конкретного производства не только с учетом работы в штатном режиме, но и в случае нештатной ситуации, а также с привязкой к конкретной климатической зоне.

Способ оценки пригодности микроорганизмов из числа водорослей и цианобактерий для формирования активного ила очистных сооружений, согласно которому определяют критические значения параметров воздействия природного и антропогенного происхождения вызывающие гибель микроорганизмов (d_гиб.i), сравнивают их с максимально возможными значениями этих параметров в случае аварийной ситуации и/или аномальных метеоусловий (Pi,), определяют интегральный показатель устойчивости микроорганизмов ƒ

и при ƒ<0 делают вывод о пригодности микроорганизмов для формирования активного ила конкретного очистного сооружения, где в качестве факторов воздействия природного происхождения учитывают, по меньшей мере, максимальную и минимально возможную температуру окружающей среды, которые определяют исходя из многолетних наблюдений, а в качестве факторов антропогенного происхождения учитывают состав сточных вод конкретного производства, причем в качестве Pi принимают прогнозируемую расчетную концентрацию загрязняющих веществ в сточных водах в случае аварийной ситуации.