Совершенствование методов гидробиологического анализа при очистке стоков в аэротенках с продленной аэрацией

На сооружениях очистки сточных вод всегда существуют сложности по оперативному контролю за ходом биологического процесса в аэротенках, сложности в определении причин нарушения процесса и сложности в определении необходимых корректирующих действий. Для решения этих задач на помощь придут простые и точные методы оперативного контроля на основе использования современного оборудования, проверенные на практике. В частности, главным видом контроля на очистных сооружениях должен стать метод биоэстимации. Работа по этой методике проводилась на очистных сооружениях г. Воскресенска в течение последнего года.

Воскресенские очистные сооружения (цех НиОПСВ ОАО «Минудобрения») очищают сточные воды, поступающие от двух городов Воскресенска и Егорьевска, в основном воды хозяйственно-бытового происхождения, низкоконцентрированные. Концентрация взвешенных веществ в пределах 150-200 мг/дм 3 , БПКполн - не более 170 мг/дм 3 . Промышленные воды составляют не более 8-10%. Соотношение концентрации БПК5 к ХПК в основном не превышает 2,5. Объем сточных вод - в пределах 65-75 тыс. м3/сут. с коэффициентом неравномерности 1,3.

Очистные сооружения выполнены по классической схеме биологической очистки с аэротенками. В состав технологической схемы входят сорозадерживающие устройства (механизированные решетки), горизонтальные песколовки, первичные радиальные отстойники диаметром 30 м, двухкоридорные аэротенки-вытеснители длиной 100 м, вторичные отстойники диаметром 30 м. Доочистка - на 12 фильтрах-биореакторах с зернистой загрузкой, контактные резервуары для обеззараживания очищенных сточных вод гипохлоритом натрия, который готовится из раствора поваренной соли электролизным методом. Образующийся осадок обеззараживается и используется для рекультивации промышленных полигонов.

Существующие двухкоридорные аэротенки-вытеснители объемом 10000 м3 каждый работают в технологическом режиме продленной аэрации на «полное окисление» с нагрузкой 35-50 мг на грамм сухого вещества БПК.

При этом режиме основные технологические показатели имеют следующие значения:
- время аэрации – 10-11 часов;
- коэффициент рециркуляции ила - 0,8-1,0;
- концентрация растворенного кислорода - 46 мг/дм3 ;
- зольность – 35-40%;
- доза ила - 46 г/дм3;
- иловый индекс - 90 -120;
- электродный потенциал - 100 -300 мВ.

Достигнуты значения качества очистки после биологической очистки: БПКп -3,5 мг/дм 3 , общий азот - 9,5- 10,0 мг/дм3 . После доочистки биологически очищенных сточных вод на фильтрах-биореакторах с восходящим потоком качество очистки соответствует требованиям НДС для водоемов рыбохозяйственного значения по органическим загрязнителям, общему азоту, тяжелым металлам, СПАВ.

Для поддержания достигнутого качества очистки необходимо проводить постоянный контроль работы аэротенков, контроль прохождения биохимических процессов в активном иле иловой смеси, который является комплексом микроорганизмов, связанных между собой биологическими взаимоотношениями и законами химии (биологическими и химическими законами взаимодействия и взаимовлияния).

Результаты, полученные химико-аналитическим путем, позволяют констатировать результаты очистки сточных вод в аэротенках. Ярко выраженный биоценоз формируется в аэротенках на «полное окисление». Он отличается большим числом гидробионтов и их видовым составом, однако общее количество бактерий на порядок меньше, чем в илах высоко нагружаемых аэротенков, и в три раза меньше, чем в илах обычных аэротенков. Заметной является тенденция к вытеснению простейших многоклеточными организмами, в частности коловратками и червями, которые становятся показательными видами. Наряду с этим встречаются представители амеб и инфузорий, а также фауна водоемов (водные грибы, малощетинковые черви). Рис. 1 иллюстрирует плотную, зернистую структуру такого ила.

Рис 1. Фауна водоемов: плотная, зернистая структура ила

Среди показательных форм организмов в иле присутствуют бета- и олиго-сапробные организмы. Для ила характерны низкие скорости птребления кислорода - 2,55 мгО2 /г ила в час и загрязнений - 1,53 мг БПК/г ила в час.

Глубже познать процесс очистки в аэротенках позволяет метод гидробиологического анализа активного ила.

Гидробиологический метод анализа является самым оперативным способом контроля технологического процесса - он отражает реакцию микроорганизмов, составляющих иловую смесь, на изменение условий среды обитания. Изучение микроор ганизмов иловой смеси, хлопка ила позволяет быстро оценить качественный уровень биоценоза иловой смеси и определить неблагоприятные факторы, отрицательно влияющие на состояние биоценоза активного ила.

Обычно в лабораториях очистных сооружений определяют качество активного ила по пятибалльной системе. При этом методе качественно, в баллах, оценивают количество всех присутствующих в активном иле видов микроорганизмов всех систематических групп животных и растений.

Метод обладает существенными недостатками:
- субъективностью оценки качества «хороших» и «плохих» микроорганизмов;
- сложностью определения всех видов микроорганизмов биоценоза, особенно в иле аэротенков с низкими нагрузками, в иле со стабильным биоценозом, где колебания видового состава незначительные;
- невозможностью определить причины видового изменения биоценоза активного ила.

В лаборатории цеха в течение нескольких десятилетий проводились гидробиологические исследования биоценоза активного ила. С 1995 года по ПНД Ф СБ 14.1.7796 «Методическое руководство по гидробиологическому и бактериологическому контролю процесса биологической очистки на сооружениях с аэротенками» при различных нагрузках, различных концентрациях растворенного кислорода в иловой смеси, различном значении водородного показателя, различных залповых сбросах промышленных стоков.

По полученным результатам при нормально протекающем процессе биологической очистки с нитрификацией-денитрификацией, при стабильном и устойчивом биоценозе трудно проводить определения качественного состояния ила по индикаторной оценке процесса биологической очистки на основании видового состава микроорганизмов с определением их количества по пятибалльной шкале.

Специалистами цеха было решено, что точность определения качества биоценоза повысит использование современных методов исследований микроорганизмов при помощи видеоокуляра к микроскопу и системного блока для накопления информации о видовом составе в зависимости от временного фактора.

При проведении исследований с помощью видеообъектива было выявлено, что накопление информации о видовом составе ила и размерах микроорганизмов ила не дают четких критериев для определения причин нарушений биологических процессов в аэротенке, следовательно, не позволяют выбрать корректирующие действия для предотвращения нарушения качества очистки.

Дальнейшие поиски решения проблемы привели к «Методическим рекомендациям по проведению гидробиологического контроля очистки сточных вод с активным илом», разработанным на основании исследований, проведенных научным коллективом под руководством Никитиной О.Г.

Основным положением методики являются следующие заключения, подтвержденные многолетними исследованиями:
1. Микроорганизмы оперативно сигнализируют обо всех изменениях, происходящих в процессе очистки.
2. Сигнал о «неблагополучии» на очистных сооружениях они подают значительно раньше, чем изменяются данные гидрохимических анализов.
3. При неблагоприятном воздействии сточных вод или нарушении технологического режима эксплуатации очистных сооружений качество очистки, регулируемое химическими анализами, может сохраняться удовлетворительным, а гидробиологическое обследование немедленно выявит разрушение хлопьев и изменения в составе биоценоза и физиологическом состоянии организмов ила.
4. Опережение связано со способностью организмов активного ила при разрушении хлопьев и отдельных клеток осуществлять очистку за счет своих внутренних ферментов.
5. Время от начала воздействия факторов, вызывающих нарушение процесса очистки, и до отклика гидробионтов составляет 1-2 периода аэрации (измеряется в часах), а между выявлением воздействия и ухудшением гидрохимических показателей может пройти 12-42 дня. Поэтому, имея сигнал о «неблагополучии» по изменившейся численности биоэстиматоров, следует принимать меры, не дожидаясь подтверждения этого данными гидрохимических анализов.

Практика показала, что, обнаружив превышение пороговой численности биоэстиматоров какой-либо группы, можно довольно точно определить действие фактора, нарушающего процесс очистки, и прогнозировать изменение качества очищенной воды. Если принять меры по устранению возмущающего фактора, то численность биоэстиматоров снизится и не превысит не только пороговых, но и контрольных значений.

Из вышесказанного следует, что главным видом контроля на очистных сооружениях должен стать метод биоэстимации. Работа по этой методике проводилась на очистных сооружениях г. Воскресенска в течение последнего года.

Сущность методики заключается в положении, что все биологические реакторы с использованием активного ила работают в разных, но сходных условиях. На все реакторы с активным илом действуют различные факторы, которые можно определить в три группы:
1. обусловленные составом сооружений, набором технологического оборудования и условиями его эксплуатации (группа «Техобеспече
ние»);
2. обусловленные количеством всевозможных загрязнений, соотносимых к массе активного ила в единицу времени (группа «Нагрузка»);
3. обусловленные особенностями перерабатываемых загрязнений (группа «Промсток»). Влияние данной группы факторов связано с наличием в поступающих сточных водах токсичных компонентов, не характерных для хозяйственно-бытового стока.

Все факторы действуют постоянно. Для каждого из них выявлены показательные группы организмов-биоэстиматоров, которые изменением своей численности (вспышкой) сигнализируют об изменении воздействия этих факторов и о нарушениях процесса очистки, которые эти факторы вызывают. Всего выявлено 10 экологических групп (не видов), в которые входят различные по систематическому положению организмы со сходной реакцией на изменения среды. Для каждой группы биоэстиматоров с помощью статистического анализа рассчитаны контрольная и пороговая численность.

В пробе активного ила определяют численность биоэстиматоров, сравнивают с пороговой, устанавливают факт нарушения процесса; выявляют фактор и основную (доминирующую) причину, вызывающую нарушение. Затем по предлагаемой схеме разрабатывают мероприятия по восстановлению процесса очистки сточных вод.

При наблюдении в течение последнего года по «Методическим рекомендациям» по группе техобеспечения было определено нарушение интенсивности массообмена в аэротенке №3 при концентрации растворимого кислорода в иловой смеси не менее 3-4 мг/дм 3 . Выше пороговой численности возросло количество голых амеб, соотношение свободно плавающих форм инфузорий к прикрепленным, повысилось выше порогового значения в два раза. Превышение свидетельствует о нарушении рециркуляции активного ила, плохом перемешивании. Отмечался и рост численности круглых червейнематод. По методике биоиндикации наличие червей не позволяет определить причину нарушения - нет количественного значения.

На рис. 2 представлен ил с присутствием большого количества круглых червейрода Nematodes, на рис. 3 - вспышка численности инфузорий Aspidisca costata.

Рис. 2. Ил с присутствием большого количества круглых червей рода Nematodes

Рис.3. Вспышка численности инфузорий Aspidisca costata

В летнее время при повышении температуры окружающего воздуха выше 20-23°С снижается подача кислорода воздуходувками на 18-20%. В биоценозе ила наблюдается наличие акциномицетов при гидробиологическом анализе (рис. 4). Наблюдается повышенное всплытие ила на поверхности аэротенков, от 3 до 10% площади по причине снижения турбулентности, интенсивности перемешивания. Происходит и снижение концентрации растворенного кислорода в аэротенках в летнее время - снижается растворимость кислорода в иловой смеси. Это приводит к созданию неблагоприятных условий для прикрепленных форм инфузорий и к превышению пороговой численности подвижных форм инфузорий к прикрепленным.

Рис.4. Наличие акциномицетов при гидробиологическом анализе

Особенно важно применение методики биоэстимации для определения промышленных залповых сбросов.

Для технолога необходимо знать, чем вызваны изменения в составе биоценоза - внутренними причинами и скрытыми неполадками или внешними сбросом промстоков.

При поступлении кислых стоков с водородным показателем (рН) менее 6,5 наблюдалось массовое развитие водных грибов выше пороговой численности, что приводило к повышенному выносу взвешенных веществ из вторичных отстойников.

При поступлении промышленных сбросов с рН более 8,0-9,5 в биоценозе активного ила наблюдались изменения биоценоза. В большом количестве появлялись планктонные амебы (рис. 5), в большом количестве появлялись нитчатые бактерии спирохеты, исчезли инфузории рода Vorticella после их уменьшения в раз мерах в два-три раза, количество инфузорий рода Thuricola cнизилось до единичных экземпляров (рис. 6). Часто встречались различные виды сосущих инфузорий (рис. 7). Полностью исчезли колониальные формы инфузорий.

Рис. 5. Планктонные амебы

Рис. 6. Инфузории рода Thuricola

Рис. 7. Различные виды сосущих инфузорий

Залповый периодический сброс промстоков с рН более 8 в течение полугода привел к полному исчезновению всех колониальных форм инфузорий, инфузорий рода Vortecella и наличию единичных экземпляров рода Thuricola.

Источник промстоков был определен и залповые сбросы прекращены. Через две недели после прекращения сбросов появились колониальные формы инфузорий. На рис. 8 - инфузории рода Epistylis, на рис. 9 - инфузории рода Carchesium, многочисленные инфузории рода Thuricola - на рис. 10.

Рис. 8. Инфузории рода Epistylis

Рис. 9. Инфузории рода Carchesium

Рис. 10. Многочисленные инфузории рода Thuricola

Для проведения гидробиологических анализов использовался микроскоп МИКМЕД. Анализы проводились при увеличении 80, 200 и 400 крат. С меньшим увеличением - для подсчета микроорганизмов, с большим увеличением - для определения числа мелких микроорганизмов: планктонных амеб, бактерий спирилл и спирохет, мелких форм подвижных инфузорий. Увеличение в 400 и 600 крат - для определения морфологических особенностей строенияинфузорий и червей.

Для удобства изучения структуры ила и видового состава биоценоза использовалась видеокамера FMA 050 с программным обеспечением ООО «Альтами», системным блоком и жидкокристаллическим монитором.

Использование видеокамеры позволило:
- производить подсчет численности и изучение ранее не попадавших в поле зрения мелких амеб, инфузорий, палочковидных форм бактерий, особенно важных для определения сбросов промстоков планктонных амеб;
- фиксировать в памяти системного блока большое, необходимое для дальнейшего анализа, количество изображений структуры активного ила, изображений микроорганизмов;
- сформировать таблицу результатов гидробиологического анализа по биоэстимационным группам и пользоваться ею для определения причин изменения биоценоза активного ила. При регулярном ведении таблицы определение причины изменений в биоценозе активного ила не представляет труда. В таблицу ежедневно заносятся результаты подсчета количества микроорганизмов биоэстимационных групп. Анализ проводится не менее чем в двух точках каждого из работающих аэротенков и в возвратном иле. Это позволяет провести корректирующие действия, не дожидаясь ухудшения качества очистки сточных вод, нарушений процессов биологического окисления органических загрязнений, процессов нитрификации-денитрификации, контроль за которым при низких нагрузках, затруднен по методикам биоиндикации. В аэротенках с низкой нагрузкой и продленной аэрацией всегда присутствуют «очень хорошие» микроорганизмы и в достаточном количестве.

Применение нового метода исследований позволило:
1. Повысить точность определения проходящих в биоценозе активного ила биологических и биохимических процессов.
2. Повысить точность прогнозирования дальнейшего развития биоценоза активного ила.
3. Повысить точность определения корректирующих действий, необходимых для стабильной работы.
4. Повысить оперативность определения нарушений в протекании биохимического процесса очистки стоков в аэротенках на «полное окисление».

Литература:
1. Гюнтер Л.И., Беляева М.А., Юдина Л.Ф. Влияние технологических параметров работы аэротенков на формирование биоценозов и биохимические характеристики активного ила. Известия ЖК Академии. Москва. 1976.
2. Никитина О.Г. Биоэстимация: контроль и регулирование процессов биологической очистки и самоочищение воды. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук. Москва. 2012 год.
3. Жмур Н.С. Методическое руководство по гидробиологическому и бактериологическому контролю процесса биологической очистки на сооружениях с аэротенками. ПНД Ф 14.1.7796. Москва. 1996 год.

Журнал «Вода Magazine», №8 (84), 2014 г.