employee from 01.01.2018 to 01.01.2019
Voronezh, Russian Federation
Wastewater from agro-industrial complexes is rich in organic components. Biological method is considered to be the most universal for their purification. It provides a high rate of biodegradation of pollution. But due to the high concentration of incoming pollutants, activated sludge microbiome can reduce its cleaning ability. High aeration rate is required for the effective decomposition of such compounds, since aerobic microorganisms predominate in the activated sludge. Under real conditions, the time for the oxidation of these substances by microbial communities is often insufficient. This imbalance between incoming organic matter and oxidized activated sludge microbiota leads to the growth of filamentous bacteria, which is one of the reasons of activated sludge swelling. The influence of high concentrations of pollutants in wastewater on a consortium of microorganisms of activated sludge was investigated to eliminate this negative factor. Physical and chemical composition of the wastewater was carried out according to standard methods. The composition of the activated sludge bacteriocenosis and pig intestine microbiome were determined by standard methods of inoculation in liquid and solid nutrient media. A correlation between the decrease in the concentration of pollutants and regeneration of activated sludge biocenosis has been established. A 59.8% decrease in the overall level of COD contamination of source effluents led to an increase in the number of flocculating microorganisms by 41.7%. Deep destruction of amine nitrogen (99%) and phosphorus (71.4%) was observed due to the activation of heterotrophic microorganisms.
activated sludge, biocenosis, consortium of microorganisms, wastewater treatment
Введение. Активный ил - это хлопья коричнево-бурого цвета, состоящие в основном из бактериальных клеток, на поверхности которых и между ними находятся разнообразные простейшие организмы.
Источником питания и энергии для жизнедеятельности организмов активного ила служат органические загрязняющие вещества, поступающие со сточной водой. Микроорганизмы активного ила с помощью выделяемых ими ферментов окисляют, расщепляют эти загрязнения в присутствии кислорода до простых неорганических соединений. Часть органических веществ идет на построение новых клеток микроорганизмов, другая часть используется в процессах жизнедеятельности.
Видовой состав активного ила зависит от вида загрязнений, поступающих на очистку[19,21]. Увеличение объема загрязняющих веществ в сточной воде может привести к росту нагрузки на микроорганизмы активного ила. Это снижает количество флокулирующих бактерий и повышает долю нитчатых микроорганизмов[14,15]. Такое изменение консорциума микроорганизмов активного ила приводит к его вспуханию. При вспухании меняется структура хлопьев активного ила, ухудшается качество очистки[5,8].Вопрос вспухания активного ила остается по-прежнему актуальным для всех биологических способов очистки с использованием аэробных микроорганизмов. Кроме этого, возникает и проблема экологического характера – загрязнение природных водоемов.
Ряд исследователей [18,24,26] выделяют несколько причин нитчатого вспухания ила:
- при низкой концентрации загрязняющих примесей нитчатые бактерии растут быстрее флокулирующих;
- нитчатые бактерии в большинстве случаев не способнык полной денитрификации и при недостатке кислорода они будут преобладать над флокулирующими [17];
- константа насыщения субстратом зависит от размеров (радиуса колоний микроорганизмов) и у нитчатых микроорганизмов она ниже, что замедляет скорость их роста и увеличивает их конкурентоспособность в сравнении с флокулирующими;
- у нитчатых бактерий отношение площади поверхности к объему выше,что влияет на диффузионные процессы.
Но экспериментальные исследования в этой области противоречивы[22,23].
Так Щетинин А.И с соавторами[16] установили, что несмотря на высокое содержание нитчатых бактерий активный ил обладал способностью к нитрификации и денитрификации. Метаболическая селекция не играла существенной роли в подавлении развития нитчатых бактерий.
MengZhang[28] определил влияние на вспухание ила видового состава нитчатых микроорганизмов.ТакMicrothrixразмножался при низком иловом индексе и низкой температуре. Данный вид микроорганизма доминирует в активном иле. Это отмечается многими исследователями [20,25,27]Flavobacteriumпроявляет активность при низком соотношении углерода к азоту,Thiothrixрастетпри высокой концентрации в химической потребности в кислороде (ХПК). Все это свидетельствует о том, что на развитие нитевидных бактерий влияет широкий спектр факторов и выделить общий критерий, снижающий их рост, не представляется возможным.Однако отмечается, что высокая концентрация поступающих веществ является одной из основных причин роста нитчатых бактерий [6,7,9].
Общеизвестно, что содержимое желудочно-кишечного тракта убойных животных смывается в канализацию вместе с другими стоками.
В связи с вышеизложенным,целью нашего исследования было снизить концентрацию загрязняющих веществ, поступающих на очистку за счет ферментации микробиомом кишечника убойных животных малоценного и непищевого сырья. Это создаст благоприятные условия для жизнедеятельности сапрофитной микрофлоры активного ила, повысит ее ферментативную активность за счет уменьшения концентрации загрязняющих веществ, поступающих на очистку и сделает возможнымантагонистически вытеснить нитчатые бактерии.
Материалы и методы. Объектами исследования былисточные воды и активный ил предприятий АПК г. Воронежа, микробиом кишечника свиней (ООО «Бобровский мясокомбинат».
Физико-химические исследования активного ила проводили по стандартным методам. Химический показатель кислорода (ХПК) определяли по ГОСТ 31859-2012[1]. Метод основаннаизмерении оптической плотности раствора при длине волны 600 нмс использованием градуировочной зависимости оптической плотности раствора от значения ХПК.
Аминный азот определяли по ГОСТ 33045-2014 [2]. Метод основан на способности аммиака и ионов аммония взаимодействовать с реактивом Несслера с образованием окрашенного в желто-коричневый цвет соединения с последующим фотометрическим определением(400-425нм) и расчетом массовой концентрации определяемых компонентов в пробе исследуемой воды.
Нитриты определяли по ГОСТ 33045-2014 [2]. Сущность метода заключается во взаимодействии нитритов в исследуемой пробе воды с сульфаниловой кислотой в присутствии 1-нафтиламина с образованием красно-фиолетового окрашенного соединения с последующим фотометрическим определением (520 нм) и расчетом массовой концентрации нитритов в пробе исследуемой воды. Нитраты определяли по ГОСТ 33045-2014 [2]. Определение основано на реакции нитратов с салицилатом натрия в концентрированной трихлоруксусной кислоте с последующим добавлением раствора гидроксида натрия и образованием натриевой соли нитросалициловой кислоты, окрашенной в желтый цвет (λmax410 нм). Фосфаты определяли по ГОСТ 18309-2014[3]. Сущность метода состоит в переводе в ортофосфат большинства соединений органически связанного фосфора путем персульфатного окисления.
Определение нитчатых микроорганизмов проводили по методике, указанной в ПНД Ф СБ14.1.92-96 «Методическое руководство по гидробиологическому контролю нитчатых микроорганизмов активного ила» [10].
Для проведениягидробиологического анализа активного ила готовили препараты методом раздавленной капли, а также фиксированные окрашенные препараты.Состав бактериоценоза активного илаопределяли стандартными методами посева в жидкие и плотные питательные среды [11-13].
Идентификацию микробиома кишечника животных (свиней) проводили по ГОСТ 10444.11-89, ГОСТ Р 56139-2014, ГОСТ 31747-2012, ГОСТ 31746-2012 (ISO 6888-1:1999, ISO 6888-2:1999, ISO 6888-3:2003), ГОСТ 28566-90 (СТ СЭВ 6646-89), ГОСТ 10444.12-2013.
Ферментацию загрязнителей органического происхождения проводили при температуре 40±20С микробиомом кишечника свиней в концентрации 5 % к массе исходного сырья в течение 72 часов.
Результаты и обсуждение. Проведенные исследования состояния активного ила позволили выявить ряд особенностей (табл.1). В видовомсоставеконсорциумамикроорганизмовактивногоила на долю нитчатых бактерий приходится более 30%. Это свидетельствует о тенденции активного ила к ухудшению очищающей способности.
Исследуемые сточные воды можно охарактеризовать как сильнозагрязненные (табл.2). В процессе биологической очистки аммонийный азот снизился на 20,9%.Следует отметить, что на момент проведения анализа степень нитрификации была невысокой. Содержание нитритов уменьшилось на 32,7%, а нитратов - возросла на 51,7%. В целом работу микроорганизмов, способных окислять аммоний, можно охарактеризовать как низкоэффективную. Увеличение фосфатов в очищенном стоке почти в 2 раза свидетельствует о недостаточной активности бактерий активного ила, способных усваивать фосфор. Избыточное содержание фосфатов в очищенной воде может привести к серьезным экологическим проблемам в водоемах [4].
Для улучшения условий работы флокулообразующих бактерийпредварительно была проведена ферментация отходов животного происхождения микробиомом кишечника свиней. Это позволило снизить общий уровень загрязнения исходных стоков по ХПКна 59,8 % , а после очистки – на 78,2 % (табл.2).Также было отмечено снижение содержания аммонийного азота в исходном стоке в 3,9 раза, в 4,8 раза возрастает доля нитратного азота. Снижение аммонийного азота после очистки стока свидетельствует о глубокой минерализации основной части органических веществ и подтверждается появлением в стоке бактерий-нитрификаторов (табл.1).
Таблица 1
Видовой состав микроорганизмов активного ила
До очистки |
До очистки с предварительной ферментацией органических отходов микробиомом кишечника свиней |
|
Alcaligenes, Achromobacter, Arthrobacter, Bacillus, Bacterium Brevibacterium, Bdellovibrio, Beggiatoa, Caulobacter, Flavobacterium, Hyphomicrobium, Nocardia, Pseudomonas, Sphaerotilus, Thiothrix, Zoogloea
|
Actinomyces,Aeromonas,Alcaligenes,Achromobacter,Arthrobacter,Bacillus,Bacterium,Brevibacterium,Bdellovibrio,Caulobacter,Corynebacterium,Flavobacterium,Hyphomicrobium,Micrococcus,Муcobacterium,Nitrosomonas,Nitrobacter,Nocardia,Pseudomonas,Sphaerotilus,Zoogloea |
(собственные экспериментальные данные и вычисления автора)
Структура бактериологического сообщества активного ила изменилась в сторону увеличения флокулирующих микроорганизмов. Их доля в консорциуме увеличилась на 41,7%.
Следует отметить, что снижение исходной концентрации загрязнителей в стоке привело к активизации микроорганизмов, усваивающих фосфор. Его концентрация после очистки снизилась до нормативных значений (табл.2).В то время, как в исходном стоке после биотрансформации загрязняющих веществ наблюдалось увеличение концентрации ортофосфатов в 2 раза.
Уменьшение количества загрязнений в сточной воде привелок развитию в биоценозе активного ила избирательного лизиса. В условиях старвации (голодания) усилилась борьба за источники питания между микроорганизмами, активизировались процессы их селекции. Это привело к формированию консорциума микроорганизмов с преобладанием флокулирующих бактерий и активному ингибированию деятельности нитчатых микроорганизмов (табл.1). Из биоценоза исчезли нитчатые бактерии Beggiatoa,Thiothrix.
Таблица 2
Физико-химические показатели сточной воды
|
Сточная вода |
ХПК, мг/дм3 |
Аммоний, мг/дм3 |
Нитриты, мг/дм3 |
Нитраты, мг/дм3 |
Фосфаты, мг/дм3 |
|
До очистки |
703,40 ± 12,2 |
70,80±2,5 |
0,52±0,1 |
4,45±0,73 |
43,80±2,5 |
|
После очистки |
75,80±3,5 |
56,00 ± 3,4 |
0,35±0,1 |
6,75±0,5 |
86,90±4,2 |
|
До очистки с предварительной ферментацией органических отходов микробиомом кишечника свиней |
282,50±6,3 |
18,08±3,1 |
0,41±0,1
|
21,30±3,5 |
6,30±1,5 |
|
После очистки с предварительной ферментацией органических отходов микробиомом кишечника свиней |
16,50±2,7 |
0,12±0,3 |
0,03±0,02 |
0,10±0,06 |
1,80±0,5 |
СанПиН 2.1.5.980-00. 2.1.5. Водоотведение населенных мест, санитарная охрана водных объектов. Гигиенические требования к охране поверхностных вод. Санитарные правила и нормы" (22.06.2000) (с изм. от 04.02.2011, с изм. от 25.09.2014) |
30 |
1,5 |
3,3 |
45 |
2 |
(собственные экспериментальные данные и вычисления автора)
Полученные экспериментальные данные подтвердили исследования Zhang M. с соавторами [28]: снижение концентрации загрязняющих веществ может рассматриваться, как одно из условий, позволяющих контролировать популяцию нитчатых микроорганизмов.
Заключение. Проведенные исследования позволили выявить факторы, влияющие на изменение состояния активного ила. Отмечена корреляционная зависимость между снижением концентрации загрязняющих веществ и регенерацией биоценоза активного ила. При снижении загрязнений в исходной сточной воде по ХПК на 59,8% микробиом активного ила претерпевает значительные изменения: увеличивается доля флокулирующих бактерий на 41,7%, исчезли бактерииродов Beggiatoa,Thiothrix.
1. GOST 31859-2012. Mezhgosudarstvennyy standart. Voda. Metod opredeleniya himicheskogo potrebleniya kisloroda Water. Method for determination of chemical oxygen demand MKS 13.060.50.: izdanieoficial'noe:datavvedeniya 2014. 01. 01. – URL:http://docs.cntd.ru/document/gost-31859-2012(data obrascheniya: 18.06.2020).
2. GOST 33045-2014. Mezhgosudarstvennyy standart. Voda. Metody opredeleniya azotsoderzhaschih veschestv. Water. Methods for determination of nitrogen-containing matters. MKS 13.060.50.: izdanieoficial'-noe:datavvedeniya 2016. 01. 0. – URL:http://docs.cntd.ru/document/1200115428(data obrascheniya: 18.06.2020).
3. GOST 18309-2014. Mezhgosudarstvennyy standart. Voda. Metody opredeleniya fosforsoder-zhaschih veschestv. Water. Methods for determination of phosphorus-containing matters . MKS 13.060.50.: izdanieoficial'noe:datavvedeniya 2016. 01. 01. – URL:http://docs.cntd.ru/document/1200115799(data obrascheniya: 18.06.2020).
4. Dubovik, O.S.Sovershenstvovanie biotehnologiy udaleniya azota i fosfora iz gorodskih stochnyh vod/O.S.Dubovik, R.M. Markevich//Trudy BGTU. – 2016. - №4. – S.232-238. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovershenstvovanie-biotehnologiy-udaleniya-azota-i-fosfora-iz-gorodskih-stochnyh-vod/viewer (data obrascheniya 18.06.2020).
5. Zhmur, N.S. Tehnologicheskie i biohimicheskie processy ochistki stochnyh vod na sooruzheniyah s aerotenkami / N.S. Zhmur. – M.:AKVAROS, 2003(FGU IPP Kostroma). - 507 s. – Bibliogr.: s.467-476. - ISBN 5-901652-05-3
6. Zayceva, I.S. Metody intensifikacii biologicheskoy ochistki stochnyh vod v aerotenkah / I.S. Zayceva, N.A. Zayceva, A.S. Voronina//Vestnik Kuzbasskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. - 2010. - № 2. - S.90 - 91. – URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_13757508_87508218.pdf (data obra-scheniya 18.06.2020).
7. Zahvataeva, N.V. Aktivnyy il kak upravlyaemaya ekologicheskaya sistema/ N.V. Zahvataeva, A.S. She-lomkov; pod red. d.t.n., prof. Pupyreva E.I. – M.: «Ekspo-Media-Press», 2013. – 285s. – Bibliogr.: s.283-284. - ISBN 978-5-905701-05-04
8. Il'inskiy, V.V. Ocenka funkcional'noy aktivnosti aktivnogo ila lokal'no-ochistnogo sooruzhe-niya, deystvuyuschego v usloviyah Arkticheskogo regiona/V. V. Il'inskiy, E. V. Kramarenko, E. V. Makarevich // Vestnik MGTU. - 2017. - T. 20, № 1/2. - S. 157–164. - URL: https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-funktsionalnoy-aktivnosti-aktivnogo-ila-lokalno-ochistnogo-sooruzheniya-deystvuyuschego-v-usloviyah-arkticheskogo-regiona (data obrascheniya 20.06.2020).
9. Il'inskiy, V. V.Ocenka vliyaniya usloviy kul'tivirovaniya na sposobnost' mikroorganizmov stochnyh vod k flokulyacii/V. V. Il'inskiy, E. V. Makarevich, E. V. Kramarenko, V. V. Indushko// Vestnik MGTU. - 2017. - T. 20, № 2. S. 301–307. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-vliyaniya-usloviy-kultivirovaniya-na-sposobnost-mikroorganizmov-stochnyh-vod-k-flokulyatsii (data obrascheniya 20.06.2020).
10. Metody sanitarno-biologicheskogo kontrolya. Metodicheskoerukovodstvo po gidrobiologiche-skomu kontrolyu nitchatyh mikroorganizmov aktivnogo ila. PND F SB 14.1.92-96. - URL: https://ohranatruda.ru/ot_biblio/norma/397585/(data obrascheniya 19.06.2020).
11. Netrusov, A.I., Praktikum po mikrobiologii / A.I. Netrusov, M.A. Egorova, L.M. Zaharchuk i dr. Pod redakciey Netrusova A.I.– M.: Akademiya, 2005. – 608s. – Bibliogr.: s.594-599.– ISBN 5-7695-1809. –URL: https://www.studmed.ru/view/netrusov-ai-egorova-ma-zaharchuk-lm-praktikum-po-mikrobiologii_9900f7e5a32.html (data obrascheniya 19.06.2020).
12. Opredelitel' bakteriy Berdzhi. V 2-h t.: Per.s angl./ Pod red. Dzh. Houlta, N. Kriga, P. Snita, Dzh. Steyli, S. Uill'yamsa. – M.: Mir, 1997.- 1t. – 432 s. - Bibliogr.: 429- 431.– ISBN 5-03-003111.
13. Opredelitel' bakteriy Berdzhi. V 2-h t.: Per.s angl./ Pod red. Dzh. Houlta, N. Kriga, P. Snita, Dzh. Steyli, S. Uill'yamsa. – M.: Mir, 1997.- 2t. – 368 s. – Bibliogr.:365-367. – ISBN: 5-03-003112. – URL:https://www.studmed.ru/view/hoult-dzh-krig-n-opredelitel-bakteriy-berdzhi-v-2-h-t-tom-2_f655ba7fd9d.html (data obrascheniya 19.06.2020).
14. Usacheva, K. V. Ustranenie nitchatogo vspuhaniya aktivnogo ila v usloviyah eksperimenta /K. V. Usacheva, Yu. K. Veres . – Minsk: Izd.centr BGU, 2012. – s. 65–69.//EB BGU. – URL:http://elib.bsu.by/handle/123456789/49849 (data obrascheniya 19.06.2020).
15. Shevchenko, T.A. Analiz prichin nitchatogo vspuhaniya aktivnogo ila i mery bor'by s nim/ T.A. Shevchenko, I.O. Ivanenko //Komunal'negospodarstvomіst, 2014. - №14.- S.67-70. – URL:https://eprints.kname.edu.ua/36622/1/%D0%A8%D0%B5%D0%B2%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%BA%D0%BE%20_2014_%D0%A5%D0%9D%D0%A3%D0%93%D0%A5_%D1%80%D0%B5%D0%B41.pdf (dataob-rascheniya 19.06.2020).
16. Schetinin, A.I. Nitchatoe vspuhanie aktivnogo ila i effekt udaleniya pitatel'nyh veschestv // A.I. Schetinin, V.A. Yurchenko, A.N. Mihnev, V.A. Mel'nik, I.A. Korobkina, B. Malbiev//Vodoochistka, vodo-podgotovka, vodosnabzhenie. – 2009. № 3. - S. 28-31. – Bibliogr.: s. 31(9 nazv.). -DOI:https://www.elibrary.ru/download/elibrary_12518121_98509652.pdf (data obrascheniya 19.06.2020).
17. Adonadaga, M.-G.Effect of Dissolved Oxygen Concentration on Morphology and Settleability of Acti-vated Sludge Flocs/ M.-G. Adonadaga //Journal of Applied & Environmental Microbiology. – 2015. – V. 3 (2). -P.31-37. - DOI: https://doi.org/110.12691/jaem-3-2-1http://pubs.sciepub.com/jaem/3/2/1/index.html
18. Araújo dos Santos, L., Study of 16 Portuguese activated sludge systems based on filamentous bacteria populations and their relationships with environmental parameters/L. Araújo dos Santos, V. Ferreira, M. M. Neto, M.A. Pereira, M. MotaA. Nicolau//Appl Microbiol Biotechnol. – 2015. –V.99. – P.5307–5316 DOI:. https://doi.org/10.1007/s00253-015-6393-8
19. Eikelboom, D.H. Process Control of Activated Sludge Plants by Microscopic Investigation/ D.H. Eikel-boom, - London: IWA Publishing, 2000. – 163 r. - Corpus ID: 90987765. - ISBN-13: 978-1780406831, ISBN-10: 1780406835.
20. Henriet, O. Filamentous bulking caused by Thiothrix species is efficiently controlled in full-scale waste-water treatment plants by implementing a sludge densification strategy/O. Henriet, C. Meunier, P. Henry , J. Mahillon // Sci Rep. – 2017. –V. 7. – R. 1430.- DOI:https://doi.org/10.1038/s41598-017-01481-1
21. Kravchenko,A.V. A technique for normalizing the operation of biological wastewater treatment plants during the bulking of activated sludge/ A.V. Kravchenko, V.S.Zalevskii // Journal of Water Chemistry and Technolo-gy. – 2009.- V.31. - R. 334 . – DOI: https://doi.org/10.3103/S1063455X09050105
22. Majone. M.Aerobic storage under dynamic conditions in activated sludge processes. The state of the art./ M Majone, K Dircks, J.J. Beun// Water Science and Technology. - 1999. - V.39.(1). - R. 61-73. - DOI:https://doi.org/10.2166/wst.1999.0014
23. Martins, A.M.P. Filamentous bulking sludge—a critical review/ A.M.P. Martins, K. Pagilla, J.J. Heijnen, C.M. Mark, Loosdrecht// Wat. Res. -2004. –V.38. - №4. - R.793-817. - DOI:10.1016/j.watres.2003.11.005
24. Miłobędzka,A.Factors affecting population of filamentous bacteria in wastewater treatment plants with nutrients removal/A. Miłobędzka,A. Witeska, A. Muszyński//Water Sci Technol. – 2016. – V/ 73 (4). – P. 790–797. – DOI: https://doi.org/10.2166/wst.2015.541
25. Nemeth-Katona, J. The Environmental Significance of Bioindicators in Sewage Treatment / J. Nemeth-Katona // Acta PolytechnicaHungarica, - 2008. – Vol. 5. (3). – R. 117–124.- DOI: 10.2478/v10147-011-0026-8
26. Wanner J. Activated Sludge Bulking and Foaming Control.-Technomic Publishing Co., Inc., USA.,1994 – 327 p.- DOI:10.1201/9781498710817
27. Williams, T.M., Unz, R.F. Isolation and characterization of filamentous bacteria present in bulking acti-vated sludge/ N.M. Williams, R.F. Unz//Appl Microbiol Biotechnol. – 1985. – V.22. – R.273–282. –DOI: https://doi.org/10.1007/BF00252030
28. Zhang, M. The microbial community in filamentous bulking sludge with the ultra-low sludge loading and long sludge retention time in oxidation ditch/ M. Zhang, Y. Junqin, W. Xiyuan, H. Ying, C. Yinguang// Scientific RepoRtS. – 2019. – DOI:| https://doi.org/10.1038/s41598-019-50086-3
