Биопленки аэробных сооружений очистки

Биологическая пленка по биологическим и химическим компонентам сходна с активным илом.

Внеклеточные полимеры, синтезируемые бактериями и входящие в состав биопленок, состоят главным образом из полисахаридов, белков и полиуроновых кислот. Они составляют 50-80% массы органического вещества пленок и определяют их механические и физические свойства, близкие к свойствам пористых полимерных гелей. При очистке от загрязнений внеклеточные полимеры лучше сорбируют такие вещества, как ароматические углеводороды (50-60% общего количества загрязнений, сорбируемых биопленкой) и хуже - тяжелые металлы (около 15-25%). По консистенции биопленка биофильтров, предназначенных для очистки сточной воды, представляет собой слизистые обрастания материала загрузки толщиной не более 3 мм. Их морфология и толщина зависят от состава стока, скорости движения жидкости над поверхностью пленки и свойств формирующих ее микроорганизмов.

Организмы биопленки извлекают из сточной жидкости необходимые им питательные вещества и используют их в процессах конструктивного и энергетического обмена.

Особенность биопленки состоит в том, что с очищаемой жидкостью контактирует только ее поверхностный слой. Морфология пленок довольно сложна: в них наблюдаются пустоты, каналы, каверны, поры и филаменты с клетками, агрегированными в кластеры и слои. В целом же можно считать, что у поверхности, контактирующей с жидкостью или газом, находятся наиболее активные клетки микроорганизмов и наиболее интенсивно протекают биохимические процессы окисления. Внутренние слои, обращенные к носителю, испытывают дефицит кислорода, в них развиваются аноксигенные и анаэробные процессы. Типичная глубина проникновения кислорода в активных биопленках составляет около 100 мкм.

В пленке находятся преимущественно организмы, r-тактики, обитающие в полисапробной зоне загрязненных вод.

По мере прохождения сточной воды через биофильтр меняется соотношение органических загрязнений воды. Снижается содержание трудноусваиваемых загрязнений, развивается нитрификация, меняется видовой состав организмов. В нижней части биофильтров содержание загрязнений низкое, а кислорода - высокое, скапливаются организмы, которые потребляют биологическую пленку, оторвавшуюся от поверхности носителя.

Преобладают организмы C-мезосапробной зоны, К-тактики. В экосистеме с биопленкой наблюдается пространственное разделение экологических ниш, в которых каждый организм выполняет свою определенную функцию, вместе же они способны практически полностью извлечь из сточной воды все органические примеси.

Для образования пленки через биофильтр пропускают бытовые сточные воды. Когда пленка, разрушающая бытовые стоки, разрастается, постепенно добавляют промышленные сточные воды. Пленка может расти два-три месяца.

Состав организмов в биологической пленке разнообразнее, чем в активном иле; в ней находятся бактерий, актиномицеты, грибы, вирусы, простейшие, водоросли, членистоногие.

В условиях непрерывного потока воды в биопленке преобладают микроорганизмы, способные к колонизации поверхности носителя. В экосистемах биофильтров среди бактерий встречаются представители родов Flavobacterium, Bacillus, Acinetobacter, Pseudomonas, энтеробактерии, грам-отрицательные палочки, коринеформные бактерии, микрококки. В верхних слоях биофильтров развиваются зооглееобразующие бактерии Z ramigera.

Возможно развитие нитчатых бактерий S. natans. Значительная часть биопленки (до 30%) формируется плесневыми грибами. Преобладают представители pp. Fusarium, Geotrichum, Sepedonium, Ascoidea, Penicillium, причем Fusarium доминирует на поверхности биопленки, a Geotrichum - в глубине.

В пленке биофильтров развивается разнообразная фауна: рачки, черви, личинки, насекомые, клещи. Питаясь простейшими и биомассой отмершей биопленки, они способствуют более полной минерализации органических веществ и очистке сточных вод. Среди червей встречаются крупные виды (Enchitreus), большое количество мелких круглых (Nematoda) и малощетинковых (Aelosoma), а также гельминты. Черви разрыхляют биологическую пленку и улучшают аэрацию биофильтра. На биофильтре часто наблюдается массовое развитие мелких мушек (Psichoda и Podura). Их личинки выполняют ту же функцию, что и черви, однако обильный вылет взрослых насекомых в периоды массового развития нежелателен с гигиенической точки зрения. Большой вынос червей с биофильтра - показатель накопления пленки в каком-то его участке, что может вызвать заиливание фильтра.

В биопленке на освещенных участках могут развиваться водоросли, а также цианобактерии. Из водорослей чаще всего встречаются представители семейства Chlorophyceae и вольвоксовые (Volvox aureus).

Для работы очистных сооружений наиболее универсальны протококковые водоросли, которые от автотрофного питания могут переходить к гетеротрофному и усваивать различные источники углерода и азота. Кроме того, они устойчивы к изменениям рН. Водоросли, потребляя СО₂ и выделяя О₂, являются симбионтами по отношению к бактериям. В процессе фотосинтеза водоросли могут полностью обеспечить потребность бактерий ила или биопленки в О2. В условиях же искусственного освещения этот режим энергетически невыгоден. В отличие от других представителей микрофлоры очистных сооружений водоросли могут полностью утилизировать фосфор. Используя их, можно осуществить глубокое удаление биогенных элементов (обычно в биопрудах). Ил из водорослей и бактерий называется альгобактериальным илом, а сооружения, где он используется - симбиотенками и симбиофильтрами. Симбиотенки и симбиофильтры представляют собой обычные очистные сооружения с дополнительным освещением рабочего пространства.

Состав организмов биопленки, развивающихся при очистке сточных вод на полях фильтрации и орошения, отличается от биоценоза пленки биофильтров. На полях фильтрации и орошения часть микрофлоры и микрофауны представлена почвенной биотой, а часть поступает со сточными водами. Бактерии, поступающие со сточными водами на поля фильтрации, задерживаются верхним слоем почвы благодаря ее адсорбирующей и фильтрующей способности, образуя биопленку. Суммарная поверхность биопленки, развивающейся на почвенных комочках на 1- м² почвы, составляет примерно 50 тыс. м². Однако по сравнению с биофильтрами такая биопленка менее производительна из-за затрудненной диффузии кислорода из воздуха. Проникновение О₂ в почву ограничивается слоем толщиной 20-30 см.

Значительную роль при очистке сточных вод на полях фильтрации играют нитрифицирующие бактерии, количество которых в 100 раз больше, чем в обычной окультуренной почве. Летом на площади 1 га образуется ежедневно около 70 кг нитратов. Вместе с водой они поступают в нижние горизонты почвы, где восстанавливаются денитрифицирующими бактериями с окислением оставшихся в жидкости органических соединений.

На полях орошения в состав биоценоза входят также высшие растения, удаляющие из почвы биогенные элементы. Корни растений улучшают структуру и аэрацию почвы, а корневые выделения способствуют развитию ризосферной микрофлоры.

Список литературы

1. Кузнецов А. Е., Градова Н. Б., Научные основы экобиотехнологии / Учебное пособие для студентов. - М.: Мир, 2006. - 504 с: ил.

2. Юрьев Б.Т., Очистка сточных вод малых объектов. – Рига.: Авотс, 1983.