Оценка эффективности доочистки сточных вод с использованием одноклеточных и многоклеточных гидробионтов

УДК 628.32:574.6

Т. В. Кирилина, До Тхи Тху Ханг, А. С. Сироткин

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ДООЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОДНОКЛЕТОЧНЫХ И МНОГОКЛЕТОЧНЫХ ГИДРОБИОНТОВ

Ключевые слова: биогенные вещества, элодея, хлорелла, активный ил, нитрификация.

В процессе экспериментальных исследований была оценена эффективность процесса доочистки сточных вод от биогенных элементов с помощью элодеи Elodea canadensis Rich и хлореллы Chlorella vulgaris, а также при их совместном культивировании с микроорганизмами активного ила коммунально-бытового стока. Показано, что при культивировании одноклеточных и многоклеточных гидробионтов наблюдается повышение эффективности очистки сточных вод от соединений азота. Эффективность удаления аммонийного азота и азота нитритов в процессе исследований достигала практически 100 %. Вклад нитрифицирующих бактерий в процесс совместного удаления аммонийного азота хлореллой и бактериями составляет в среднем 21 %, элодеей и бактериями - в среднем 31,5 %.

Keywords: nutrients, elodea, chlorella, activated sludge, nitrification.

In laboratory experiments, there has been studied the efficiency of the waste-water biogenic substances aftertreatment by using Elodea canadensis Rich and Chlorella vulgaris, as well as their cocultivation with activated sludge microorganisms of domestic wastewater. It has been shown that the efficiency of waste-water treatment from the nitrogen compounds increasing by cultivation of unicellular and multicellular hydrocole. Efficiency of nitrogen of ammonia and nitrite removal achieved practically 100 %. In this case, the contribution of nitrifying bacteria in the process of combined disposal of ammonium nitrogen by chlorella and bacteria average 21 %, by elodea and bacteria -average 31,5 %.

Введение

Серьезной экологической проблемой в России, вообще, и в Республике Татарстан, в частности, является напряженная ситуация с обеспечением качества воды водоемов вследствие сброса в них недостаточно очищенных сточных вод (СВ). Очистка СВ по известным на сегодняшний день технологиям является достаточно непростым и экономически невыгодным процессом.

Приоритетной задачей очистки СВ является изъятие биогенных веществ - соединений азота и фосфора, вызывающих эвтрофикацию водоемов. При этом перспективные исследования направлены на поиск эффективных и экономичных методов переработки стоков. Одним из решений указанной проблемы является использование одноклеточных и многоклеточных гидробионтов для доочистки воды.

Поскольку в самоочищении воды участвуют бактерии, грибы, простейшие, водоросли, высшие водные растения и другие гидробионты, особый интерес приобретают исследования роли каждого биологического объекта в отдельности и взаимосвязи друг с другом в процессах удаления из водной среды основных биогенных элементов.

Участие высших водных растений, в том числе элодеи канадской в самоочищении водоемов хорошо известно [1-3]. Многоклеточные водоросли поглощают тяжелые металлы и радионуклиды, биогенные элементы, ароматические соединения и цианиды. Основная роль высших водных растений раньше сводилась лишь к поглощению и накоплению токсикантов, а также к выполнению функции механического и трофического субстрата для микроорганизмов. Затем появились сведения о фитотрансформации ксенобиотиков ферментными системами водных растений [4-8].

Водным растениям и микроорганизмам принадлежит ведущая роль в процессах очистки и доочистки водных систем, однако при этом имеет место нехватка сведений о реальных механизмах их взаимоотношений. Эта информация может иметь как фундаментальное значение, так и являться основой для создания биотехнологичеких процессов очистки воды и ремедиации водоемов.

Цель данной работы заключалась в оценке эффективности использования одноклеточных и многоклеточных водорослей отдельно и совместно с микроорганизмами для доочистки сточных вод коммунально-бытового характера от соединений азота.

Материалы и методы

Работа была выполнена в лаборатории кафедры промышленной биотехнологии Казанского национального исследовательского технического университета.

В качесте объектов исследований были отобраны представители: Chlorella vulgaris

(хлорелла), Elodea canadensis (элодея канадская), микроорганизмы активного ила аэротенков станции биологической очистки городских очистных сооружений г. Казани, МУП «Водоканал». В качестве коммунально-бытовых сточных вод, направляемых на доочистку, выступал их модельный раствор, содержащий основные биогенные элементы: NH4Cl - 25 мг/дм3, NaNO2 -20,0 мг/дм3, KH2PO4 - 20,0, KNO3 - 57,0 мг/дм3. Таким образом, модельный раствор сточных вод являлся питательной средой для культивирования микроорганизмов и водорослей в системе доочистки.

Накопление нитрифицирующего

микробиоценоза активного ила проводилось в процессе предварительного культивирования активного ила объемом 50 см3 в модельном растворе сточных вод объемом 450 см3, не содержащем источников органического углерода, при температуре 200С с постоянной аэрацией в течение 4 суток.

Полученную микробную суспензию активного ила вносили в количестве 100 см3 в 900 см модельного раствора сточных вод с хлореллой и элодеей. Длительность культивирования составляла 14 суток, что было связано с глубоким, практически полным исчерпанием за этот период ионов аммония как основного источника азота.

На начальном этапе экспериментальных исследований осуществлялся отбор образцов Elodea canadensis для каждой емкости с их регистрацией для дальнейшего анализа роста и развития фитомассы (табл.1).

Таблица 1 - Начальные характеристики образцов элодеи для отдельного и совместного с активным илом культивирования

В данном случае вклад нитрифицирующих бактерий в процесс совместного удаления аммонийного азота составлял от 4,4 % до 39% , в среднем - 21 %.

Образцы элодеи 1 2 3

отдельное культивирование

Длина, см 30,4 24,5 44,7

Масса, г 0,815 0,693 2,533

Общая фитомасса, г 4,041

совместное культиви рование

Длина, см 27,0 27,0 29,0

Масса, г 1,468 1,34 1,703

Общая фитомасса, г 4,805

В процессе экспериментальных

исследований содержание в воде ионов КН4+, N02 N03" контролировали с помощью

фотоколориметрического метода. Полученные результаты подвергали статистической обработке.

Анализ эффективности удаления биогенных веществ из воды при совместном культировании микроорганизмов активного ила и хлореллы

Приведенные на рис. 1 данные показывают, что в системе совместного культивирования хлореллы и активного ила наблюдалось более интенсивное поглощение аммонийного азота, чем при отдельном культивировании хлореллы.

Совместное культивирование хлореллы и активного ила обеспечивало 100 %-ю

эффективность удаления аммонийного азота уже на 10-е сутки эксперимента, в то время как при культивировании хлореллы без активного ила эффективность удаления аммонийного азота на 14-е сутки не превышала 90 %. Очевидно, что данный факт определен совместным вкладом в потребление аммонийного азота хлореллы и нитрифицирующих бактерий, окисляющих аммонийный азот в азот нитритов и, в конечном счете, до азота нитратов [9].

Рис. 1 - Сравнительное изменение концентрации аммонийного азота в сточных водах при культивировании хлореллы отдельно совместно с активным илом

и

Отмечено, что в процессе культивирования хлореллы наблюдается более быстрое снижение концентрации азота нитритов, чем в условиях совместного культивирования хлореллы и активного ила. Так, при отдельном культивировании хлореллы эффективность удаления азота нитритов составляла более 97 %, в то время как при совместном культивировании не превышала 58 %. Следует предположить, что в последнем случае в процессе очистки активно протекает первая стадия нитрификации, проводящая к увеличению концентрации азота нитритов. Таким образом, выявлено, что аммонийокисляющие бактерии способствуют накоплению азота нитритов в количестве от 19 % до 40 %, в среднем 30 % от его начального содержания в модельном растворе сточной воды.

Далее, экспериментально было показало, что отдельное культивирование хлореллы обеспечивает также большую эффективность удаления азота нитратов (56 %), чем совместное культивирование хлореллы и активного ила (47 %), что связано с протеканием в последнем случае второй фазы нитрификации - окисления нитритов в нитраты, приводящим, соответственно, к увеличению концентрации азота нитратов (рис.2).

llllll

и О I 2 1 7 10 1 1

.\.'10ре.'Ш і ivrmpi’inTT.'» а.и 7.0 7.667 6,609 5.131 ».U12 4.ПП 4.02> -i.4> 1.792 3.4> 115 .4488

Рис. 2 - Сравнительное изменение концентрации азота нитратов в сточных водах при

культивировании хлореллы отдельно и

совместно с активным илом

Анализ эффективности удаления биогенных веществ из воды при совместном культировании микроорганизмов активного ила и элодеи

Приведенные на рис. 3 данные показывают, что в процессе очистки воды с совместным использованием высших водных растений и активного ила наблюдалось быстрое снижение концентрации аммонийного азота. В течение первых 10 суток из среды удалялся практически весь аммонийный азот, т.е около 6,5 мг/дм3. При этом вклад нитрифицирующих бактерий в процесс совместного удаления аммонийного азота элодеей и бактериями составлял от 14 % до 49 %, в среднем -31,5 %.

как в сточных водах без микроорганизмов отмечается недостаток углекислого газа.

Рис. 3 - Сравнительное изменение концентрации аммонийного азота в сточных водах при культивировании элодеи отдельно и совместно с активным илом

При отдельном культивировании элодеи эффективность удаления аммонийного азота на 10-е сутки не превышала 57 %. Кроме того, на 12-е сутки отмечено увеличение концентрации аммонийного азота, вероятно, связанное с гибелью части растений.

В процессе экспериментальных

исследований выявлено, что в процессе совместного культивирования микроорганизмов активного ила с элодеей эффективность удаления азота нитритов достигала 99 %, что в 3 раза выше эффективности удаления азота нитритов при отдельном культировании элодеи. Совместное

культивирование способствует быстрому снижению концентрации азота нитритов благодаря протеканию в системе доочистки двух однонаправленных процессов: активного биоокисления нитритов

соответствующей группой микроорганизмов активного ила, а также поглощения и потребления азота нитритов элодеей.

В данном случае вклад нитрифицирующих бактерий в процесс совместного удаления азота нитритов элодеей и бактериями составляет от 32 % до 65 % , в среднем 52 %.

Экспериментальные данные

показывают, что наибольшее количество азота нитратов водные растения выводят на 7-е сутки, эффективность при этом достигала 64,3 %. При этом концентрация азота нитратов уменьшалась с 8,1 мг/дм3 до 2,9 мг/дм3. На 10-е и 12-е сутки увеличивалась концентрация азота нитратов, что может быть связано с гибелью части растений, так

Рис. 4 - Сравнительное изменение концентрации азота нитратов в сточных водах при культивировании элодеи отдельно и совместно с активным илом

При совместном культивировании элодеи с активным илом активно протекает вторая фаза нитрификации, что проводит к увеличению концентрации азота нитратов на 7-е и 10-е сутки.

Оценка акклиматизации водных растений к экспериментальным условиям

Оценка акклиматизации хлореллы

Результаты экспериментальных

исследований позволяют сделать вывод, что при совместном культивировании с микроорганизмами активного ила хлорелла увеличивала численность клеток в популяции: в течение 14 суток

культивирования наблюдается прирост с 0,66*10б до 24,9*106 клеток/мл. При отдельном культивировании хлореллы наблюдается прирост с

0,66*106 до 14,47*106 клеток/мл, что в 1,7 раз меньше чем, при совместном культивировании хлореллы. Это подтверждает данные, имеющиеся в литературе [10] о способности бактерий стимулировать рост одноклеточных

микроводорослей. Бактерии способны оказывать влияние на многие параметры роста одноклеточных микроводорослей хлореллы [11], а также изменять цитологию, продуктивность липидов и пигментов микроводорослей [12-14].

Оценка акклиматизации элодеи

Результаты измерения влажного веса макрофитов и длины их стеблей в условиях культивирования по завершении эксперимента приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Конечные характеристики образцов элодеи при отдельном и совместном с активным илом культивировании

Образцы элодеи 1 2 3

отдельное культивирование

Длина, см 31.80 24,5 45,8

Масса, г 1,17 0,91 2,7

Общая фитомасса, г 4,787

совместное культивирование

Длина, см 33,00 31,50 32,00

Масса, г 1,941 2,168 2,217

Общая фитомасса, г 6,326

Из данных табл.1 и табл.2 видно, что при совместном культивировании элодеи с активным илом, биомасса элодеи растет быстрее, чем в условиях отдельного культивирования.

Длина стеблей образцов элодеей увеличилась в среднем на 16 %, что в 3 раза больше, чем при отдельном культивировании, а их фитомасса увеличилась в среднем на 31,6 %, что в 2 раза больше, чем при отдельном культивировании.

Заключение

В данной работе проанализирована роль одноклеточных и многоклеточных водорослей, а также микроорганизмов в процессе доочистки сточной воды, прошедшей предварительную биологическую очистку от основных биогенных веществ.

Показано, что при совместном культивировании одноклеточных, многоклеточных водорослей и микроорганизмов наблюдается высокая эффективность очистки сточных вод от неорганических соединений азота. Концентрация аммонийного азота снижалась последовательно с достижением практически 100 % эффективности, что свидетельствует о стабильности биологической утилизации аммонийного азота в системе с одноклеточными и многоклеточными водорослями совместно с микроорганизмами активного ила. В данном случае вклад нитрифицирующих бактерий в процесс совместного удаления аммонийного азота хлореллой и бактериями составлял от 4,4 % до 39 %, в среднем 21 %, а также элодеей и бактериями - от 13,8 % до 49,0 %, в среднем 31,5 %.

Эффективность снижения концентрации азота нитритов может достигать практически 100 % при отдельном культивировании хлореллы, а также при совместном культивировании элодеи с микроорганизмами. Вклад нитрифицирующих бактерий в процесс совместного удаления азота нитритов элодеей и бактериями составляет от 31,7 % до 65,3 %, в среднем 52,4 %.

Однако в ходе исследований также отмечалось увеличение концентрации азота нитритов и азота нитратов вследствие протекания процесса нитрификации.

Оценка акклиматизации водных растений к условиям эксперимента свидетельствует об их высокой адаптации при совместном культивировании с микроорганизмами. Гибель части растении в процессе исследований свидетельствует о невысокой акклиматизации элодеи при её отдельном культивировании в системе доочистки сточных вод.

Показано, что при совместном

культивировании количество биомассы хлореллы в 1,7 раз больше, чем при отдельном культивировании, что определено способностью бактерий стимулировать рост одноклеточных микроводорослей.

Литература

1. С.С. Тимофеева, О.М. Кожова, Водн. ресурсы, 5, 84-91 (1985).

2. Т.Г. Храмцова, Д.И. Стом, В.А. Выгода, Проблемы экологии. Чтения памяти проф. М.М. Кожова, 2, 260262 (1995).

3. L. Wendt-Rasch, Р. Pirzadeh, Р. Woin, Aquat Toxicol., 63, 3, 243-256 (2003).

4. С.С. Тимофеева, В.З. Беспалова, Водные ресурсы, 6, 103-107 (1988).

5. С.С. Тимофеева, В.З. Краева, Э.А.Толоса, В.В. Великодворская, Физиол. Растений, 31, 3, 462468 (1984).

6. С.С. Тимофеева, В.З. Краева, O.A. Меньшикова, Водные ресурсы, 6, 111-118 (1985).

7. О.М. Кожова, С.С Тимофеева. Водн. ресурсы, 1, 177178 (1986).

8. В. Gao, L.Yang, X.Wang, J. Zhao, G. Sheng, Chemosphere, 41, 419-426 (2000).

9. Е.Н. Семенова, А.С. Сироткин, Вестник Казанского технологического университета, 1, 42-52 (2008).

10. R.G. Wetzel, W.B. Saunders, Limnology. Philadelphia, 1975. 743 p.

11. L.E. de-Bashan, J.-P. Hernandez, T. Morey, Wat. Res., 38, 466-474 (2004).

12. L.E. Gonzalez, Y. Bashan, Appl Environ Microbiol., 6, 1537-1541 (2000).

13. L.E. De-Bashan, Y. Bashan, M. Moreno, V.K. Lebsky, J.J. Bustillos, Can J Microbiol., 48, 514-521 (2002).

14. L.E. Gonzalez-Bashan, V. Lebsky, J.P. Hernandez, J.J. Bustillos, Y. Bashan, Can J Microbiol., 46, 653-659 (2000).

© Т. В. Кирилина - канд. техн. наук, асс. каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, tvkirilina@gmail.com; До Тхи Тху Ханг - магистр КНИТУ; А. С. Сироткин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, а8то1кт@таД3 33.com.