/
Author: Никитина О.Г.
Tags: общая экология биоценология гидробиология биогеография биология монография очистка сточных вод
ISBN: 978-5-317-03649-2
Year: 2010
Text
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени М.В. ЛОМОНОСОВА
7 '
—
О.Г. Никитина
6
БИОЭСТИМАЦИЯ
контроль процесса
биологической очистки
и самоочищения воды
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени М.В. ЛОМОНОСОВА
О.Г. Никитина
БИОЭСТИМАЦИЯ
контроль процесса
биологической очистки
и самоочищения воды
мднс \УГпресс
МОСКВА - 2010
УДК 574.5
ББК 28.082
Н62
Рецензенты:
В..[. Федоров, доктор биологических наук, профессор;
И.Н. Ильин, доктор биологических наук
Научный консультант:
В.Н. Максимов, доктор биологических наук, профессор
Никитина О.Г.
Н62 Биоэстимация: контроль процесса биологической очистки и самоочище-
ния воды: — М.: МАКС Пресс, 2010. — 288 с.
ISBN 978-5-317-03649-2
В монографии представлено новое направление в исследовании водных объектов - оценка и ре-
гулирование процесса биологической очистки сточных вод и самоочищения природной воды. В
начале ХХ-ro века был разработан метод для оценки качества воды - биоиндикация, но метода для
оценки процесса формирования качества воды не было. В начале XXI-го века такой метод разра-
ботан, это - биоэстимация. Этот метод дополнен типовыми рекомендациями по восстановлению
процесса очищения воды гптем прямого воздействия на водный объект. Биоэстимация может ис-
пользоваться для оценки и регулирования процесса очищения воды в любом водном объекте, не-
зависимо от географического положения, назначения, величины, проточности, солености. Показа-
на возможность проведения биоэстимации почвенных растворов. Подробно описаны новые виды
и малоизученные микроорганизмы, используемые в биоэстимации. Приводятся результаты мно-
голетних исследований, выявленные закономерности, гипотезы, а также новые решения насущных
проблем, связанных с очисткой сточных вод: вспухание, всплывание, вспенивание активного ила,
измельчение его флокул и др.
Кратко описаны устройства, разработанные на основе нетрадиционной концепции и позволяю-
щие производить безотходную биологическую очистку сточных и других сильно загрязненных
вод. Предлагается программа для преподавания в вузах нового спецкурса: «Биотехнология очист-
ки сточных вод» и эта монография в качестве учебного пособия.
Книга представляет интерес для экологов, гидробиологов, почвоведов, специалистов природо-
охранных организаций.
УДК 574.5
ББК 28.082
O.G. Nikitina. Bioestimation: the control of process of biological treatment and water
self-purification. - Moscow: MAKS Press, 2010. - 288 p.
New direction of research of various water objects - bioestimation - an estimation and regulation of process of
biological treatment and water self-purification - it is presented in this monography.
In the beginning of 20 centuries bioindication for an estimation of quality of water has been created, but then
not be method for an estimation of the process of formation of quality of water. In the beginning of 21 centuries
such method is created: it - bioestimation. Bioestimation it is added by recommendations about restoration of
process of purification of water by direct influence on water object. Bioestimation it is suitable for the analysis of
any water object, irrespective of appointment, an origin, the size, salinity, a geographical position, and also for an
estimation of transformation of organic substances in a soil moisture.
New kinds and not enough investigate the microorganisms used in bioestimation are in detail described.
Results of the long-term researches, the revealed laws, the hypotheses, new decisions of the problems con-
nected with waste water treatment: diagnostics, forecasting, elimination and prevention of buiking. rising, foam-
ing of activated sludge, crushing floks are resulted and form a basis of the non-traditional concept (paradigm).
Alternative embodiments of activated sludge plant developed on the basis of the non-traditional concept for
biological treatment of the sewage and concentrated industrial waste water are described.
The new program for teaching in high schools of a thorough training course: "the biologv-biotechnology of
waste water treatment" is proffered.
The monography propose for ecologists, hydrobiologists, soil scientists, experts of the nature protection or-
ganisations: it can serve as the tutorial for listeners of seminars, students, experts in biological sewage treatment,
in protection and restoration of various water objects.
ISBN 978-5-317-03649-2
© Никитина О.Г., 2010
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие.................................................................. 6
Глава 1. МАТЕРИАЛЫ, ОБЪЕКТ, ПРЕДМЕТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.................... 9
1.1. Материалы............................................................ 9
1.2. Объект исследования.................................................. 9
1.3. Предмет исследования................................................. 9
1.4. Методы исследования.................................................. 9
1.4.1. Оборудование для проведения биоэстимации процесса очистки сточных
вод и сопутствующих анализов......................................... 11
1.4.2. Отбор, хранение, транспортировка и разлив проб активного ила.. 12
1.4.3. Определение дозы ила по объему, илового индекса и прозрачности нады-
ловой воды........................................................... 13
1.4.4. Определение концентрации (дозы) активного ила по весу......... 14
1.4.5. Краткая инструкция для пересылки проб активного ила .......... 15
1.4.6. Подготовка предметных и покровных стекол...................... 16
1.4.7. Определение численности биоэстиматоров в активном иле......... 17
1.4.8. Выполнение биоэстимации процесса самоочищения водной среды ... 21
1.4.9. Краткая инструкция для пересылки проб воды на биоэстимацию.... 26
1.5. Биоэстимация трансформации органических веществ в почвенных растворах. 27
1.6. Модификация биотестирования водных вытяжек из почв.................. 30
1.7. Модификация биотестирования воды для определения ее токсичности..... 32
1.7.1. Биотестирование с цериодафниями............................... 32
1.7.2. Биотестирование со сценедесмусом.............................. 33
Глава 2. САМООЧИЩЕНИЕ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ВОДЫ.......................... 40
2.1. Самоочищение воды и критерии ее качества............................ 42
2.2. Загрязнение воды гумусом............................................ 43
2.3. О сущности самоочищения воды........................................ 45
2.3.1. Комплекс резервных микроорганизмов............................ 50
2.3.2. Комплекс метаболитов............................................ 51
2.3.3. Принцип дублирования.......................................... 52
2.3.4. Принцип обратимости микробиологических процессов.............. 53
2.3.5. Адаптивная перестройка комплекса микроорганизмов.............. 53
2.4. Биологическая очистка сточных вод................................... 55
2.4.1. Идентичность биологической очистки и самоочищения воды........ 55
2.4.2. Из истории очистки сточных вод в аэротенках................... 56
2.4.3. Станция аэрации как биологический реактор..................... 58
2.4.4. Станция аэрации как биотехническая экосистема................. 60
Глава 3. СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ ФЛОКУЛ АКТИВНОГО ИЛА........................... 64
3.1. Определения активного ила........................................... 64
3.2. Образование флокул активного ила (флокуляция)....................... 65
3.3. Морфологическое разнообразие флоккул................................ 71
3.4. Ультраструктура флокул активного ила................................ 74
3.5. Полифункциональность активного ила.................................. 76
4
О.Г. Никитина «Биоэстимация:
3.5.1. Функции флокул активного ила................................ 77
3.5.2. Функции нефлокулированных организмов и общие функции........ 79
3.6. Особенности функционирования флокул различных морфотипов.......... 81
Глава 4. ОРГАНИЗМЫ АКТИВНОГО ИЛА И ИХ РОЛЬ В БИОЭСТИМАЦИИ....................... 83
4.1. Общая характеристика сообщества активного ила..................... 83
4.2. Микрофлора активного ила.......................................... 85
4.2.1. Ожелезненные микроколонии бактерий - сидеротеки............. 95
4.3. Грибы............................................................ 101
4.4. Микрофауна активного ила......................................... 104
4.4.1. Громии в активном иле...................................... 113
4.5. Экоизоморфы и экоизовикты............................................... 118
Глава 5. РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ БИОЭСТИМАЦИИ ПРОЦЕССА
ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД...................................................... 123
5.1. Из истории разработки биоэстимации...................................... 123
5.2. Некоторые парадоксы, связанные с факторами воздействия, считающимися оп-
ределяющими в биологических процессах................................ 124
5.3. Требования, которым должны отвечать биоэстиматоры................ 127
5.4. Независимое изменение численности биоэстиматоров................. 130
5.5. Общие экологические особенности наиболее ценных биоэстиматоров.......... 132
5.6. Требования, предъявляемые к системам биологического анализа...... 133
5.7. Критерии нормы и нарушения процесса очистки...................... 134
5.8. Этапы построения системы биоэстимации............................ 136
5.9. Усовершенствованный вариант системы биоэстимации................. 137
5.10. Специфичность отклика сообщества активного ила на воздействия основных
факторов............................................................. 141
5.10.1. Гидробиологическая картина неудовлетворительного динамического
обеспечения процесса очистки...................................... 142
5.10.2. Гидробиологическая картина возрастания удельных нагрузок на актив-
ный ил............................................................ 143
5.10.3. Гидробиологическая картина нарушающего воздействия промстоков.... 143
5.11. Современный вариант системы биоэстимации процесса очистки сточных вод ... 145
5.12. Чувствительность и прогностичность биоэстимации................. 147
5.13. Преимущества нового биоэстимационного контроля и последовательность опе-
раций при его выполнении............................................. 150
Глава 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОЭСТИМАЦИИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ, СВЯ-
ЗАННЫХ С БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКОЙ СТОЧНЫХ ВОД.............................. 152
6.1. Вспухание активного ила.......................................... 159
6.1.1. Вспухание активного ила за счет хламидобактерий................... 160
6.1.2. Вспухание активного ила за счет цианобактерий.............. 162
6.1.3. Комбинированное вспухание активного ила.................... 164
6.1.4. Вспухание за счет гифомицетов ............................. 164
6.1.5. Подсчет нитчатых организмов и оценка вспухания по иловому индексу. 167
6.2. Всплывание активного ила......................................... 169
6.2.1. Всплывание в виде шапок.................................... 169
6.2.2. Всплывание в виде крупы.................................... 172
Оглавление
5
6.3. Вспенивание активного ила......................................... 173
6.3.1. Вспенивание за счет разрастания актиномицетов .............. 173
6.3.2. Вспенивание за счет белка и крахмала........................ 174
6.3.3. Вспенивание за счет сброса содержимого пенных огнетушителей. 175
6.4. Образование илового плавающего слоя............................... 177
6.5. Измельчение флокул активного ила (диспергирование, микрофлокуляция, де-
флокуляция) ....................................................... 179
Глава 7. НЕТРАДИЦИОННАЯ КОНЦЕПЦИЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И РАЗРА-
БОТКА УСТРОЙСТВ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЕЕ НА ПРАКТИКЕ ...................... 183
7.1. Критический обзор существующей парадигмы биологической очистки сточных
вод................................................................ 183
7.2. Нетрадиционная концепция очистки сточных вод...................... 190
7.3. Новый принцип разработки регламента очистки сточных вод........... 200
7.4. Технологические схемы очистных устройств типа «Биоблок»........... 202
7.5. Принцип безотходной очистки стоков животноводческих хозяйств; АКТИЛ-
технология......................................................... 209
Глава 8. О НЕОБХОДИМОСТИ ПРЕПОДАВАНИЯ В ВУЗАХ НОВОГО СПЕЦКУРСА
«БИОТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД»................................... 213
8.1. Недостатки современного преподавания по теме: «Биологическая очистка сточ-
ных вод»........................................................... 213
8.2. Пути подготовки биолога-биотехнолога очистки сточных вод.......... 216
8.3. Вариант нового курса (спецкурса) «Биотехнология очистки сточных вод». 219
8.3.1. Теоретические занятия ...................................... 219
8.3.2. Практические занятия........................................ 220
Глава 9. БИОЭСТИМАЦИЯ ПРОЦЕССА САМООЧИЩЕНИЯ ПРИРОДНОЙ ВОДЫ И
НОВЫЙ ПРИНЦИП РАНЖИРОВАНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ..................... 222
9.1. Обобщенная характеристика биоэстимации биотического самоочищения воды .... 222
9.2. Начало применения биоэстимации для контроля самоочищения воды..... 231
9.3. Применение биоэстимации для анализа самоочищения в различных водных объ-
ектах.............................................................. 233
9.4. О классификации водных объектов................................... 238
9.5. Биоэстимационный принцип ранжирования водных объектов............. 239
Глава 10. СОПОСТАВЛЕНИЕ БИОИНДИКАЦИИ И БИОЭСТИМАЦИИ; МЕЖДИС-
ЦИПЛИНАРНОЕ ЗНАЧЕНИЕ БИОЭСТИМАЦИИ..................................... 245
10.1. Гидробиологические методы в системе экологического мониторинга... 245
10.2. Некоторые проблемы, связанные с применением системы биоиндикации.... 250
10.3. Особенности системы биоэстимации................................. 252
10.4. Краткая сравнительная характеристика биоиндикации и биоэстимации.... 254
10.5. Междисциплинарное значение биоэстимации.......................... 258
10.5.1. Биоэстимация почвенных растворов........................... 259
10.5.2. Биоэстиматоры внутри набухших почек липы................... 262
ЗАКЛЮЧЕНИЕ (ВЫВОДЫ)....................................................... 266
ОСНОВНАЯ ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ......................................... 271
ПУБЛИКАЦИИ НИКИТИНОЙ О.Г.................................................. 278
ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................ 284
ПРЕДИСЛОВИЕ
Как отмечают многие авторы, темпы негативного антропогенного
воздействия на водные объекты опережают развитие комплекса
природоохранно-восстановительных мероприятий. Предлагаемая читателю моно-
графия поднимает и решает новый пласт задач по повышению эффективности про-
ведения данных мероприятий. Обычно мониторинг ограничивается наблюдением за
изменением качественных показателей водной среды. Автор данной монографии
предлагает расширить экологический мониторинг новым методом, позволяющим
получить дополнительную информацию о водных объектах и определить необходи-
мое восстановительное воздействие на них.
В данной монографии обобщен результат более чем 40-летнего пути научных
исследований, размышлений, наблюдений и экспериментов в области биологиче-
ской очистки сточных вод и самоочищения водоемов. На основе этого был разрабо-
тан курс семинарский занятий, слушатели которого просили написать для них мето-
дическое пособие.
Вашему вниманию предлагается новый подход к изучению процесса биологиче-
ской очистки сточных вод и самоочищения воды. Мы считаем, что эти два процесса
различаются, прежде всего, интенсивностью, при этом сущность их одинакова - это
динамически обеспеченная жизнедеятельность основных органотрофных бактерий,
поэтому мы предлагаем обобщающий термин - «биотическое очищение водной сре-
ды». Сущность данного процесса понимается как жизнедеятельность основных ор-
ганотрофных бактерий; для достижения высоких показателей качества воды прежде
всего предлагается оптимизировать условия жизнедеятельности именно этих мик-
роорганизмов.
Закономерности, выявленные при исследовании природных водных объектов и
при исследовании сооружений биологической очистки, рассматриваются во взаимо-
дополняющей совокупности.
Для реализации нового подхода предлагается новый гидробиологический ме-
тод- биоэстимация. Этот метод схож объектом исследования и элементами прове-
дения анализа с общеизвестным методом - биоиндикацией, но различается предме-
том исследования: в биоиндикации - это качество воды, а в биоэстимации - процесс
его формирования. Биоэстимация универсальна для контроля любых водных объек-
тов - аэротенков, аквариумов, колодцев, прудов, а также участков рек, каналов,
озер, морей и т.п. Кроме того, этот метод применим и для контроля процесса биоти-
ческого очищения почвенной влаги, позволяя выявить источники антропогенного
загрязнения почв.
Предисловие
7
Выявлены наиболее значимые факторы, воздействующие на биотическое очи-
щение водной среды, объединенные в три группы: динамичность (подвижность вод-
ной среды), нагрузка на основных деструкторов (типичная трофическая нагрузка) и
прометок (специфическая трофическая нагрузка). Характер воздействия этих факто-
ров отображает численность специально подобранных автором экологических групп
микроорганизмов - биоэстиматоров - обычных обитателей любой водной среды.
Эти микроорганизмы являются дополнительными редуцентами, и при благополуч-
ном протекании процесса очищения они малочисленны; установлено, что временной
интервал между нарушающим воздействием и снижением качества воды сокращает-
ся пропорционально интенсификации самого процесса.
Биоэстимация позволяет по-новому взглянуть на привычные проблемы водных
объектов и предложить способы их решения, так как в биоэстимацию входит пере-
чень соответствующих восстановительных рекомендаций. Например, в книге описа-
но решение проблемы с зарастанием прудов. Общепринятыми восстановительными
мероприятиями в таких случаях являются либо механическое изъятие ила и ряски,
либо добавление определенных культур микроорганизмов. Выявив с помощью био-
эстимации динамические нарушения, мы предлагаем иное решение, направленное
на восстановление саморегулирующей способности водного объекта - увеличение
подвижности водной среды за счет прокладки дренажей вокруг пруда.
В результате многолетних исследований мы пришли к пониманию необходимо-
сти пересмотра некоторых основных положений концепции биологической очистки
сточных вод. В частности предлагается новая технология биологической очистки
без образования избыточного активного ила; в этой технологии впервые для данного
типа сооружений был реализован экологический принцип нулевого максимума.
Предложена гипотеза механизма формирования бактериальных флокул активного
ила при интенсификации этого процесса. Предлагается и оригинальное решение
острейшей экологической задачи - превращения жидких отходов животноводства в
безопасную техническую воду, путем новой многоступенчатой безотходной Актил-
технологии.
Биоэстимация позволяет не только проводить диагностику воздействия нару-
шающих факторов, предложить восстановительные рекомендации, но и прогнозиро-
вать тенденцию изменения качества воды. Освещаются этапы разработки биоэсти-
мации, рассказывается о том, как решались конкретные задачи создания этого мето-
да и как разрабатывались и внедрялись различные восстановительные мероприятия.
Выявление наиболее значимых биоэстиматоров (показательных микроорганизмов)
побудило нас описать два новых вида раковинных амеб: Gromia neglecta и G. pusilia,
а также новую экологическую группу (сидеротеки), в которую входят изоморфные
ожелезненные микроколонии бактерий с одинаковой реакцией на изменение среды
обитания. Громии используются в качестве биоэстиматоров нарушающего воздей-
ствия жиров и нефтепродуктов, а сидеротеки - перегрузки основных деструкторов
трудноокислямыми стоками, например водным гумусом.
Обращаем внимание на главу монографии, посвященную авторскому спецкурсу.
Этот спецкурс прошел многолетнюю апробацию при повышении квалификации
8
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
гидробиологов, контролирующих биологическую очистку сточных вод и гидробио-
логов, ведущих восстановительные работы на водохранилищах. Новый спецкурс
можно включить в план обучения студентов кафедр общей экологии и гидробиоло-
гии с целью подготовки крайне востребованных временем специалистов - биологов-
биотехнологов очистки сточных вод, а данную монографию использовать в качестве
учебного пособия.
У читателя может сложиться впечатление, что данная монография - результат
коллективного междисциплинарного труда. На самом деле автор, не будучи к тому
же сотрудником НИИ, а работая на производстве, выполнял все исследования само-
стоятельно, лишь иногда прибегая к помощи других специалистов, что отразилось в
существенной практической и методологической направленности работы. Хотя от-
дельные ее теоретические положения выглядят недостаточно обоснованными, они
могут рассматриваться как задачи для дальнейших исследований.
Работая на производстве, мы не имели возможности одинаково глубоко осветить
все затронутые в монографии проблемы, поэтому просим направлять отзывы и кри-
тические замечания на электронную почту zl 110166@mail.ru или по адресу: 124460,
Москва, Зеленоград, д. 1110, кв. 166, вместе с предложениями и пожеланиями; они
будут приняты с благодарностью и учтены в дальнейшей работе.
Постановка проблемы, почти все натурные наблюдения и эксперименты выпол-
нены автором. Статистический анализ многолетних данных выполнен автором со-
вместно с В.Н. Максимовым и В.Н. Носовым. Электронное микроскопирование вы-
полнено цитологом Г.А. Семеновой.
Свою искреннюю благодарность автор выражает В.Д. Федорову, О.С. Догадае-
вой, Е.Д. Никитину, В.А. Свешникову, В.Н. Носову, В.Ф. Тушиной, Г.А. Семеновой,
Н.С. Жмур, Ю.Ф. Элю, А.Ф. Кагарманову, Е.И. Чибисовой, Н.Е. Никитину, А.И. Ко-
ролевой, Г.Г. Королеву и многим другим специалистам, без помощи которых данная
работа могла не состояться.
Особую признательность автор выражает руководителю по кандидатской дис-
сертации и научному консультанту по данной работе - профессору В.Н. Максимову.
Ольга Георгиевна Никитина
Глава 1
МАТЕРИАЛЫ, ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Материалы
Материалом исследования служили пробы активного ила станций
аэрации различных городов, поселков и лабораторных установок.
За 40 лет работы в данном направлении исследований нам приходилось обследовать
сотни различных станций аэрации от малогабаритных, коттеджных до гигантских
станций аэрации в г. Москва. С 1990 г. материал исследования расширился, были
проанализированы пробы воды из различных природных водных объектов, пресных
и соленых, из аквариумов, колодцев, каналов, рыбоводческих прудов и др. С 2004 г.
дополнительным материалом стали водные вытяжки из почв.
1.2. Объект исследования
Объект данного исследования - различные искусственные и природ-
ные водные и увлажненные объекты (аэротенки, рыбоводческие и
декоративные пруды, каналы, колодцы, аквариумы, участки рек, озер и морей, а
также почвы).
1.3. Предмет исследования
Предмет данного исследования - процесс биотического очищения
водной среды: биологической очистки сточных вод, самоочищения
воды в природных и искусственных водных объектах, а также почвенной влаги.
В любом водном объекте происходит деструкция органических веществ ор-
ганотрофными микроорганизмами, поэтому исследуемый процесс это и есть жизне-
деятельность органотрофных микроорганизмов. Обеспечение этого процесса все-
сторонне рассматривается в последующих главах данной монографии.
1.4. Методы исследования
Основной метод исследования - биоэстимация (от лат. aestimatio -
оценка, суждение). В соответствии с предметом исследования био-
эстимация отображает процесс очищения воды в различных водных объектах. Созда-
10
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
ние этого метода и его доработка подробно рассмотрены в гл. 5. Некоторые другие
методы контроля были заимствованы, но и заимствованные методы приходилось в
той или иной степени дорабатывать. Например, при идентификации встреченных в
очищаемой воде микроорганизмов по определителям: «Жизнь пресных ВОД СССР»,
1959; Kahl, 1930-1935; Sohvabe-Nowak, 1971; Билич, Крыжановский, 2005; и специ-
альным: простейших - Аверинцев, 1906; Шевяков, 1896; Чорик, 1968; Biok, 1973;
Corliss, 1961; Curds, 1969; Корганова, 1979; Gyrus, Sladeoek, 1973; коловраток, Кути-
кова, 1970; Bartos, 1959; нитчатых бактерий - Разумов. 1961; Cyrus, Sladca, 1970;
Eilkelboom, 1975, 1982, Берджи, 1997 и др., выявились новые виды и малоизученные
формы, идентификация которых не ограничивалась приемами, указанными в вышена-
званных определителях (гл. 4).
Немало трудностей вызывал подсчет организмов активного ила традиционными
способами; в крупных счетных камерах бактериальные флокулы маскируют многие
организмы и затрудняют их подсчет в мелких камерах. Ряд авторов призывали огра-
ничиться качественным учетом, отмечая видовой состав по пятибалльной системе и
дополнить эти наблюдения описанием характера флокул и физиологического состоя-
ния организмов (Захаров, 1938; Роговская, 1967; Беляева, 1972 и др.). При массовом
обследовании аэротенков некоторые исследователи проводили оценку по шкале: ма-
ло, умеренно, много, и в ряде случаев это было оправдано (Curds, Cockbum, 1970). Та-
кая оценка зависит от опыта и квалификации специалиста и затрудняет сопоставление
результатов. В методическом сборнике, изданном СЭВ в 1977 г., для подсчета проб,
содержащих микробентос, рекомендуется полуколичественный метод с оценкой час-
тоты встречаемости по шестиступенчатой девятибалльной шкале. На станциях аэра-
ции г. Москвы применялся метод подсчета в 40 полях зрения (Болотина, 1977), кото-
рый не обеспечивал необходимой точности и не учитывал все группы организмов ак-
тивного ила. Это привело нас к необходимости разработать ступенчатый метод под-
счета организмов активного ила (Никитина, Свешников, 1976). Для подсчета нитча-
тых и колониальных форм были приняты специальные условные единицы. Численно-
сти биоэстиматоров процесса очистки сточных вод выражаются в миллионах на 1 г
сухого вещества активного ила (Никитина, 1983, 1984, 1988).
Ступенчатый метод (в несколько этапов) позволяет учитывать все группы орга-
низмов активного ила, сокращает время анализа, так как на каждом следующем эта-
пе не учитывались организмы, подсчитанные на предыдущем. Кроме того, сводятся
к минимуму ошибки, связанные с подсыханием препарата. В 1973 г. такой метод
был нами разработан, в 1975 г. - внедрен в практику технологического контроля Зе-
леноградской станции аэрации. С этого времени накапливался фактический матери-
ал, подвергнутый в дальнейшем математической обработке методами вариационной
статистики.
Разработанный нами ступенчатый метод подсчета получил широкое распростра-
нение среди инженеров-гидробиологов, контролирующих работу станций аэрации в
различных городах страны. Он вошел в методики и руководящие документы для
гидробиологов (Жмур, 2003).
До разработки биоэстимации исследовалось лишь качество водной среды, то
есть результат длительного процесса его формирования, сам процесс оставался в те-
Глава 1
11
ни. Для его анализа мы разработали новый метод гидробиологического контроля.
Первоначально мы его назвали биоиндикацией, но все время подчеркивали, что
это - другая биоиндикация, а именно, биоиндикация процесса очищения воды, а не
та, которая характеризует результат этого процесса, то есть качество воды. Но пута-
ница в терминах продолжалась, поэтому было решено подобрать сходный по смыс-
лу и созвучный, но другой термин - биоэстимация.
При разработке биоэстимации математический анализ гидробиологических дан-
ных методами вариационной статистики проводился кандидатом физико-
математических наук, старшим научным сотрудником кафедры общей экологии и
гидробиологии биологического факультета МГУ В.Н. Носовым (в настоящее вре-
мя - д.б.н) под руководством профессора В.Н. Максимова. В 1987 г. на этот метод
было получено авторское свидетельство как на изобретение (Приложение 1).
Методика проведения биоэстимации пока еще не стала утвержденным на феде-
ральном уровне руководящим документом (РД), но в руководящем документе «Про-
ведение гидробиологического контроля...», (2003) сказано, что разработанный нами
метод также может использоваться в технологическом контроле работы станций
аэрации, в РД на него имеется несколько ссылок. Кроме того, имеется указание, что
любой метод, имеющий отклонения от РД вследствие его усовершенствования, так-
же может быть применен, но его необходимо оформить в виде инструкции с указа-
нием разработчика и утвержденной начальником конкретной лаборатории. Слуша-
тели наших семинаров именно так ее и оформляют. В настоящее время разрабаты-
вается РД специально на проведение биоэстимации.
Активный ил Зеленоградской станции аэрации изучался с 1967 по 2004 г. Имен-
но здесь был разработан первый вариант биоэстимационного метода контроля про-
цесса очистки сточных вод с активным илом. Биоэстимация открыта для дальней-
шего совершенствования; уточнения и дополнения к ней будут входить в следую-
щие издания книги.
1.4.1. Оборудование для проведения биоэстимации процесса
очистки сточных вод и сопутствующих анализов
Гидробиологический контроль на биологических очистных сооружениях вклю-
чает следующее:
- определение концентрации активного ила по объему;
- определение концентрации активного ила но весу;
- определение илового индекса;
- определение прозрачности надыловой воды;
- биоэстимацию процесса очистки сточных вод;
- разработку мероприятий по улучшению процесса биологической очистки
сточных вод.
Для осуществления гидробиологического контроля используются следующие
оборудование и материалы.
1. Микроскоп биологический с препаратоводителем и осветителем, например,
серии МИКМЕД (ЛОМО).
12
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
2. Счетчик форменных элементов крови.
3. Стекла Предметные стандартные обезжиренные и покровные 18x18 мм.
4. Микропипетка на 0,1 см3, с ценой деления 0,001 см3.
5. Цилиндры мерные на 1000, 100, 50 см3 .
6. Фильтры бумажные «Белая лента», «Красная лента» или фильтровальная бу-
мага.
7. Воронка Бюхнера с фильтром Зейтца.
8. Водоструйный насос, или отсос хирургический, или резиновая груша.
9. Бюксы стеклянные с притертой пробкой, диаметром 3-6 см.
10. Весы, точностью до 0,01 г., если необходимо, то и набор гирь к ним.
11. Сушильный шкаф на 120 С°.
12. Эксикатор для охлаждения бюксов.
13. Пластиковые бутыли, емкостью 2-5 дм3 и емкости для транспортировки
проб - 200 см3.
14. Ковш для отбора проб: полиэтиленовая емкость около 150 см3, прикреплен-
ная к деревянной ручке, длиной около 3 м (такой ковш можно изготовить из
пластикового стакана и рейки).
15. Цилиндр и шрифт Снеллена; можно использовать любой цилиндр с плоским
дном, градуированный в см от дна, а шрифт - стандартный (12).
16. Термометр для воды.
17. Пипетка Мора на 10 см3.
18. Сифон для отбора надыловой воды (можно изготовить из 2-х отрезков стек-
лянной трубки, соединенных каучуковым шлангом).
19. Щипцы для переноса нагретых бюксов, пинцет.
20. Поддон для переноса бюксов.
21. Полотенца, карандаши, журналы, оформленные по прилагаемым образцам.
1.4.2. Отбор, хранение, транспортировка и разлив проб активного ила
Для биоэстимации пробы активного ила отбираются на выходе аэротенка, в
сборном канале, водосливах, распредчашах, т.е. в местах, где аэрация уже закончи-
лась, а отстаивание еще не началось.
Для регулярного отбора проб устанавливается постоянное место; здесь иловая
смесь должна наиболее интенсивно перемешиваться. Если иловая смесь со всех аэ-
ротенков смешивается в единой иловой насосной станции, для биоэстимации доста-
точно одной пробы. При переброске осевшего активного ила из зоны отстаивания в
зону аэрации эрлифтами желательно брать на биоэстимацию пробы из каждой зоны
обслуживания данного эрлифта.
Для целей технологического контроля на дозу (концентрацию) активного ила
пробы отбираются в следующих точках:
- из каждой иловой камеры (выгружаемый активный ил из каждого вторичного
отстойника). В традиционных проектах отбор выгружаемого активного ила не
предусмотрен, но этот показатель очень важен для регулирования процесса
очистки. Иногда эти точки отбора находятся под землей и недоступны для
Глава 1
13
оператора. Поэтому при рассмотрении проекта будущих очистных сооруже-
ний следует дать указание на соответствующую доработку, а в действующих
очистных сооружениях следует подключить рационализаторов и оборудовать
места отбора проб выгружаемого из каждого вторичного отстойника активно-
го ила, а также предусмотреть возможность регулирования работы каждого
эрлифта по концентрации выгружаемого активного ила;
- из верхнего илового канала (возвратный ил); иногда концентрацию возвратно-
го активного ила ошибочно принимают за концентрацию выгружаемого, но на
практике концентрация выгружаемого ила может быть и больше, и меньше
возвратного, причем иногда и в десятки раз;
- в различных точках по длине аэротенков, регенераторов, стабилизаторов,
аэрируемых каналов (аэрируемая иловая смесь).
Отбор из открытых емкостей производится ковшом, при этом дно ковша при-
ближается к поверхности иловой смеси, резким движением погружается на глубину
0,5 м и сразу извлекается. Все содержимое ковша переливается в пластиковую бу-
тыль емкостью 3-5 дм3. Выемку повторяют многократно так, чтобы набралось око-
ло 2-х дм3 общего объема иловой смеси. Емкость закрывают крышкой и доставляют
в лабораторию, где сразу же приступают к разливу. При необходимости длительной
транспортировки емкость с пробой следует встряхивать и периодически открывать
крышку (не реже 1 раза в сутки). Хранить пробу желательно в холодильнике либо в
прохладном месте, не допуская промерзания пробы.
Перед разливом температуру воды следует довести до 20°С, это условие необхо-
димо для получения сравнимых показателей, поскольку скорость оседания активно-
го ила зависит от температуры. Затем проба энергично встряхивается в течение
5 минут по часам. Разливать следует в три приема по трем емкостям:
1) цилиндр на 1000 см3;
2) цилиндр на 100 см3 или на 50 см3;
3) склянка на 250 см3.
1) Как только цилиндр на 1 дм3 доведен до верхней метки, его следует закрыть,
перевернуть для перемешивания, установить на горизонтальную поверхность,
экранируя яркий солнечный свет и батарею отопления, включить секундомер
(можно наблюдать и по часам). Отстаивание проводить при открытом цилин-
дре в течение 2-х часов.
2) Цилиндр на 100 или 50 см3 доводят до верхней метки и передают для опреде-
ления взвешенных веществ (дозы ила по весу).
3) Склянку на 100 см3 наполняют приблизительно на 1/3, большую часть объема
должен составлять воздух. Эту пробу маркируют и передают для микроско-
пирования или для пересылки эксперту.
1.4.3. Определение дозы ила по объему, илового индекса и прозрачности
надыловой воды
По часам или секундомеру начинают отмечать объем оседающего активного ила
в рабочем журнале в графах 3-9 табл. 1.1, через интервалы, указанные в той же таб-
лице. По истечении 120 минут среднюю часть надыловой воды сифоном переносят в
14
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
отдельную склянку, предварительно промыв сифон. Работать сифоном следует ос-
торожно, не задевая стенок, поверхности осевшего ила и поверхности воды. Опре-
деление прозрачности проводят чтением стандартного шрифта через наполненный
водой цилиндр с плоским дном, или цилиндр Снеллена. Результат выражают в см.
Этот показатель зависит от глубины окисления загрязнений, от наличия в воде бак-
терий, не объединенных во флокулы, но главное, от чего зависит прозрачность на-
дыловой воды - это способность флокул активного ила к оседанию. Снижение про-
зрачности надыловой воды - легко определяемый показатель нарушения структуры
флокул. В норме прозрачность превышает 30 см. Если в штате обслуживающего
персонала нет гидробиолога, можно ограничиться регулярным определением про-
зрачности надыловой воды, а в случае резкого ее снижения пересылать пробу ак-
тивного ила эксперту для проведения биоэстимации.
Объемный показатель за 30 минут (графа 6) носит название: «Доза активного
ила по объему» и выражается в см3/дм3. Если этот показатель разделить на концен-
трацию активного ила по весу в г/дм3, то получится иловой индекс, выражаемый в
см3/г (объем, который занимает один грамм активного ила по сухой массе). В норме
иловой индекс колеблется в пределах 20-40 см3/г; при разрастании в активном иле
нитчатых микроорганизмов, тип которых устанавливают при проведении биоэсти-
мации, иловой индекс начинает возрастать, иногда превышая 1000 см3/г.
Таблица 1.1
Доза ила по объему, иловой индекс, прозрачность надыловой воды.
Форма ведения журнала
Дата Место Объем осевшего активного ила в см3 за время в минутах: Прозрачн. cv СМ Доза ила г/дм3 Иловой индекс см3/г
отбора проб 3 9 15 30 60 90 120
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12
Примечание: графы 11 и 12 заполняется после заполнения табл. 1.2.
1.4.4. Определение концентрации (дозы) активного ила по весу
Если ожидаемая доза активного ила не превышает 3 г/дм3, то пробу наливают в
цилиндр на 100 см3, если доза превышает 3 г/ дм3 - в цилиндр на 50 см3. Когда рабо-
тают с высокими дозами ила (15 и более г/дм3), то используют пипетку Мора на
10 см3. Можно использовать фильтры «Красная лента» или фильтры, вырезанные из
фильтровальной бумаги, в соответствии с размером воронки (радиус дна + высота
стенки = радиус фильтра). Край бумажного фильтра желательно слегка гофрировать
нажатием подушечками пальцев, затем поместить на фильтр Зейтца воронки Бюх-
нера. Сначала следует смочить фильтр чистой водой и разложить его по дну и стен-
кам воронки и аккуратно прижать подушечками пальцев; начать фильтрование, ин-
тенсифицируя его с помощью водоструйного насоса или резиновой груши. Далее
перенести на него сначала надыловую воду, затем слегка осевший активный ил,
распределяя его по всей донной части влажного фильтра, не допуская заплесков за
Глава 1
15
край фильтра. После того как проба отфильтровалась, на фильтр переносят воду, ко-
торой ополоснули цилиндр (пипетку); фильтрование продолжают до подсыхания
бумаги, чтобы фильтр, снятый с воронки, сохранял ее форму. Не складывая, фильтр
с пробой помещают на соответствующий бюкс, рядом помещают крышку бюкса.
Бюксы с фильтрами и крышками размещают в холодном шкафу, затем шкаф закры-
вают, включают, доводят температуру в нем до 120° и выдерживают при ней 30 ми-
нут. Отключив и открыв шкаф, фильтр складывают, помещают в бюкс, закрывают
крышкой и переносят щипцами в эксикатор. После того как бюксы остынут до ком-
натной температуры, их взвешивают с точностью до 0,01 г.
Таблица 1.2
Доза активного ила по весу. Форма ведения журнала
Дата Место Взято на анализ, см3 №№ бюксов Вес чистого бюкса, г Вес бюкса с АИ, г Навеска АИ, г Доза АИ, г/дм3
отбора проб
1 2 3 23,31 23,59 24,09
Бюксы (всю коробку, например 10 или 30 шт.) с чистыми фильтрами готовят за-
ранее и хранят в обычном шкафу. Сначала купленные бюксы моют и протирают по-
лотенцем, затем крышку и бюксы подписывают карандашом по матовому участку
стекла. В чистые бюксы помещают бумажные фильтры, которые аккуратно, не на-
жимая ногтем (иначе фильтр сломается после сушки), складывают и помещают в
бюкс; сушат, как сказано выше (крышку в сушильном шкафу снимают с бюкса и
помещают радом). После охлаждения в эксикаторе взвешивают, занося веса в жур-
нал (табл. 1.2).
1.4.5. Краткая инструкция для пересылки проб активного ила
В случае пересылки проб активного ила на склянку, емкостью 100 см3 должна
быть наклеена этикетка с указанием города (поселка), предприятия, обслуживающе-
го очистные сооружения, даты отбора пробы, места отбора, дозы ила по весу и по
объему, илового индекса, прозрачности надыловой воды, контактного телефона. К
отсылаемой пробе следует приложить следующие сведения:
1) объем обрабатываемых стоков в сутки и в час;
2) объем подаваемого воздуха в час;
3) процент рециркуляции активного ила по факту;
4) источник питьевого водоснабжения канализуемого населенного пункта;
5) краткая, возможно, карандашная, технологическая схема очистных сооруже-
ний с пояснениями;
6) список канализуемых промпредприятий или цехов;
7) список «наболевших» вопросов.
При невозможности выполнения анализов на дозу ила, илового индекса и про-
зрачности на месте, объем пробы активного ила, доставляемого для проведения био-
16
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
эстимации эксперту, должен быть 1,3 дм3, причем под крышкой емкости обязатель-
но должен оставаться воздух (доставляется в емкости на 2 дм3). На емкость наклеи-
вается этикетка, такая же, как сказано выше, но места цифрового обозначения до-
полнительных анализов подчеркиваются, чтобы после их выполнения внести в эти-
кетку. Проба активного ила хорошо хранится в прохладном месте в течение не-
скольких дней, даже недель. Со временем будет организован ряд экспертных лабо-
раторий по регионам для экстренной помощи в коррекции процесса очистки сточ-
ных вод, а пока можно писать автору на E-mail: zl 110166@mail.ru.
1.4.6. Подготовка предметных и покровных стекол
Результаты биоэтимации зависят от тщательной подготовки оборудования, и
прежде всего от качества предметных стекол. Можно приобрести готовые обезжи-
ренные стекла по 100 штук в упаковке, а также специальные коробки с держателями
для них. Повторное использование стекол возможно только после специальной их
подготовки - обезжиривания, которое проводят следующим образом.
Поготовка стекол к повторному использованию
I. Поместить использованные предметные стекла в моющий раствор.
2. Беря их пинцетом по одному, промыть в проточной воде губкой.
3. Поместить стекла в хромовую смесь на 20-30 минут.
4. Слить хромовую смесь, а стекла залить водой.
5. Беря пинцетом стекла по одному, тщательно промыть их в проточной воде.
6. Поместить стекла в склянку с дистиллированной водой.
7. Беря каждое стекло пинцетом, разложить их на чистом полотенце для про-
сушки, лучше слегка наклонно. Хранить их надо в закрытых коробках, в вер-
тикальном положении, желательно в специальных держателях.
8. Использованные стекла поместить в склянку с моющим раствором, затем по-
вторить процедуры 2-7.
9. При аккуратном обращении со стеклами одно и то же стекло может использо-
ваться до 10 раз, после чего предметные стекла заменяются, так как становятся
непригодными. Со временем на них появляются царапины и сколы, мешающие
просмотру препаратов при большом увеличении микроскопа, вследствие чего
необходимо всегда иметь запас новых стандартных предметных стекол.
Покровные стекла 18x8 мм требуются только для предварительного просмотра
препаратов, зарисовок и микрофотографирования, а также они необходимы на се-
минаре при обучении биоэстимации. Их следует промывать, как сказано выше, и
всегда брать по одному пинцетом. Так как для них нет специальных держателей,
отмытые и просушенные на полотенце покровные стекла хранят в пачках по не-
сколько штук, завернутыми в папиросную бумагу; пачки лучше всего поместить в
бюкс. Для подсчета биоэстиматоров в капле, объемом 0,001 см3, покровных стекол в
продаже не бывает (нужны стекла 2x2 мм). Поэтому так важно обезжиривание
предметного стекла: помещенная на него капля возвышается горкой, для просмотра
ее надо растянуть, покачивая стекло так, чтобы получилась «дорожка» длиной около
3-х мм. В этом случае можно работать без покровного стекла.
Глава 1
17
1.4.7. Определение численности биоэстиматоров в активном иле
Облик биоэстиматоров подробно описан в гл. 4.
Подсчет биоэстиматоров
Микроскоп расчехляется, его осветитель подключается к электросети, готовится
препарат с произвольным количеством активного ила, покрывается покровным
стеклом, укрепляется винтами препаратоводителя и просматривается при увеличе-
нии микроскопа сначала в 100, затем в 300-400 раз. Таким образом проверяется го-
товность микроскопа к работе. В это время гидробиолог настраивается на микро-
скопирование конкретного активного ила, отмечает его особенности, акцентирует
внимание на нитчатых организмах, чтобы во время подсчета не отвлекаться на рас-
сматривание необычных или массовых форм.
1. Доставленная проба иловой смеси энергично встряхивается в течение 5 минут
по часам.
2. Микропипеткой на 0,1 см3, с ценой деления 0,001 см3, продолжается проме-
шивание, пипетка 3—4 раза продувается и наполняется до уровня шкалы; на-
полненная пипетка быстро обтирается кусочком фильтровальной бумаги.
3. Несколько капель хорошо промешанной иловой смеси, в количестве 0,001 см3,
помещаются пипеткой на подготовленное предметное стекло с левого края;
выбирается наиболее удачная капля, остальные стираются (капли очень ма-
ленькие, и на одно стекло можно поместить много капель, экономя стекла).
4. Следует добиться небольшого растекания капли путем покачивания предмет-
ного стекла так, чтобы получилась «дорожка» диной около 3-х мм, располо-
женная поперек стекла.
5. Предметное стекло с растянутой каплей укрепляется в препаратоводителе; ес-
ли в комнате жарко, то справа и слева капли помещаются тонкие увлажнен-
ные полоски фильтровальной бумаги, чтобы капля медленнее подсыхала. В
любом случае препарат пригоден для подсчета не более 7 минут, далее он вы-
сыхает.
6. После включения осветителя, глядя в окуляр микроскопа, подводят нижний
край капли под объектив микроскопа (под микроскопом он виден как верхний).
7. Просматривается весь препарат, перемещением капли с помощью винтов пре-
паратоводителя: слева направо, доходя до края капли; перемещается объектив
на одно поле зрения вниз, не пропускается ни одно поле зрения, пока ни будет
просмотрена вся площадь, занятая каплей.
8. Отмечаются встреченные биоэстиматоры нажатием соответствующих клавиш
счетчика; если нет счетчика, отмечать на листе бумаги встреченные биоэсти-
маторы в соответствующих клетках. При отсутствии счетчика один сотрудник
ведет подсчет, второй - записывает. Если опыта недостаточно, чтобы подсчи-
тывать все 10 биоэстиматоров в одном препарате, то следует подсчитывать
каждый биоэстиматор в отдельном препарате, не обращая внимания на ос-
тальные биоэстиматоры.
9. Повторить пункты 1-6 не менее двух раз, заполнив соответствующие графы
рабочего журнала 1.3.
18
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Расчет численности биоэстиматоров
В 5-ю графу заносится кратность увеличения, при котором ведется подсчет био-
эстиматоров. В графу 6 - обсчитанный объем в мл, в графу 7 - делитель: обсчитан-
ный объем, умноженный на взвешенные вещества для каждого подсчета; в графах 8-
16 - число встреченных биоэстиматоров.
Полученные численности биоэстиматоров (N, млн./г) рассчитываются по ниже-
приведенным формулам (1), (2) и (3).
Мы используем два понятия: число и численность биоэстиматоров.
Число биоэстиматоров - это обнаруженное в обсчитанном объеме пробы ак-
тивного ила количество микроорганизмов-биоэстиматоров (штук, экземпляров, зоо-
идов, отрезков нитей);
Численность биоэстиматоров - это число биоэстиматоров, деленное на обсчи-
танный объем (см3) и на дозу ила (мг/дм3).
Численность биоэстиматоров при анализе проб активного ила можно выражать в
тыс./г, но удобнее - в млн./г. Таким образом, получаются сравнимые данные как в
разное время на одной, так и в различных станциях аэрации.
Nt = = [млн./г],
vm
(1)
N,- численность соответствующего биоэстиматора, млн./г;
i - номер соответствующего биоэстиматора;
v- объем обсчитанной капли, см3;
п - число встреченных биоэстиматоров соответствующей группы;
т - доза ила по массе, мг/дм3;
Данная формула является основной, но следует отметить, что:
1) По этой формуле рассчитываются только численности биоэстиматоров № 1,
№ 2, № 3, № 3, № 4,№6и № 10.
2) При расчете численностей биоэстиматоров № 5, № 7, № 8 и № 9 вводится по-
правка на увеличение, поскольку эти биоэстиматоры, имеющие вытянутые формы,
подсчитываются в условных единицах с учетом диаметра поля зрения (работа может
проводиться при различных увеличениях, причем диаметр поля зрения в каждом
случае различен; это следует учесть в расчетах. При разработке метода пороговые
численности для таких биоэстиматоров рассчитывались при увеличении в 100 раз,
поэтому в вышеприведенную формулу вводим коэффициент пересчета: К
100
У
где
Y- кратность увеличения, при котором производился подсчет нитчатых биоэстима-
торов. Таким образом, для них используется формула с коэффициентом:
Nj = • К = [млн ./г]. (2)
vm
Иногда нитевидные формы образуют клубки, косы, сетки. В этом случае мыс-
ленно их следует «разматывать», проводя подсчет приблизительно. Однако на вы-
водах анализа это не скажется, так как при разработке метода неизбежная погреш-
Глава 1
19
ность в подсчетах поглощается установлением пороговых численностей биоэстима-
торов со среднеквадратическим отклонением 7о (см. гл.5).
3) Отношение численностей биоэстиматоров № 3 и № 4, то есть свободнопла-
вающих и прикрепленных инфузорий (у прикрепленных подсчитываются все зоо-
иды, а делящиеся инфузории считаются за 2):
Б-З/Б-4 = —. (3)
«4
пз- число встреченных биоэстиматоров 3-й группы,
Пд — число встреченных биоэстиматоров 4-й группы,
В тех случаях, когда инфузории не выявляются в 0,001 см3, их подсчитывают в
0,01 см3. Если прикрепленные инфузории и в этих больших каплях не выявляются,
но выявляются свободноплавающие, численность последних вычисляют по форму-
ле 1, а численность прикрепленных условно принимается за единицу. Точность та-
кого показателя меньше, чем отношение инфузорий, но достаточная для выводов о
процессе очистки сточных вод. Вместо не выявленных других биоэстиматоров вно-
сим в таблицу «0». Это не означает, что данные биоэстиматоры совсем не встреча-
ются в активном иле - они есть, но в настолько малых количествах, что не изменят
выводов по биоэстимации.
Оценка полученных результатов
В таблице 1.3 приведена контрольная (норма менее...) и пороговая численности
(нарушение более...), рассчитанные при разработке метода (гл. 5). После вычисления
конкретной численности биоэстиматора ее следует сравнить с численностями, ука-
занными в табл. 1.3, при этом, если конкретная численность менее контрольной, она
считается нормальной, то есть не сигнализирует о нарушении по данному фактору.
Если конкретная численность какого-либо биоэстиматора оказалась между нор-
мальной и пороговой, она сигнализирует о небольшом нарушении, когда ничего
предпринимать не следует, но следует участить контроль. Если конкретная числен-
ность превышает пороговую, то она сигнализирует о нарушении, требующем вме-
шательства оператора.
Если наблюдается превышение численности одного из биоэстиматоров какой-
либо группы факторов, например динамического обеспечения, то нарушение может
быть исправлено манипуляциями имеющимся оборудованием, а если превышена
численность двух и более биоэстиматоров той же группы факторов, то, как правило,
необходимы значительные капиталовложения в восстановительные мероприятия
либо необходима еще одна ступень очистки сточных вод.
В приведенном в табл. 1.3 примере анализировался процесс очистки сточных вод
на очистных сооружениях типа Биоблок II, построенных при кафе на автомобильной
трассе. Как видно из этого примера, на первой ступени выявляются нарушающие воз-
действия на процесс очистки по всем трем основным группам, а на второй ступени -
только превышение численности биоэстиматора № 10 (Б-10), то есть нарушающее
воздействие жиров. Руководство кафе поставлено об этом в известность, оно намети-
ло план мероприятий по снижению попадания жиров в канализацию.
20
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
В табл. 1.3 имеется графа, в которой указана численность зерен песка в актив-
ном иле (песчинки). Песчинки - не биоэстиматоры, но подсчет их полезен, так как
помогает сделать выводы о работе сооружений механической очистки сточных вод,
предшествующей биологической, или о целостности канализационных сетей, через
порывы которых песок поступает на очистные сооружения. Кроме того, когда песка
в активном иле особенно много, следует учесть это при расчете дозы ила по весу,
входящей в формулы (1) и (2). Когда численность песчинок составляет 10 млн./г и
более, то фактическую дозу ила для расчета следует уменьшить на 10%, если -
20 млн./г, то уменьшить на 20%. Это помогает вести расчет на истинную, «рабо-
тающую» массу активного ила. При очистке промышленных стоков приходится
уменьшать расчетную массу активного ила, если в нем наблюдается большое коли-
чество посторонних примесей, например чешуек зерна при очистке стоков солодо-
вого завода, а также при очистке стоков в аэротенках с плавающей и стационарной
загрузкой, приводящей к накоплению в активном иле сгустков гниющего, «нерабо-
тающего» активного ила.
Таким образом, биоэстимация позволяет сделать вывод о том, нормально проте-
кает процесс очистки сточных вод или он нарушен и по какой причине нарушен. Но
биоэстимационный анализ на этом не останавливается: он дополнен перечнем типо-
вых рекомендаций по восстановлению процесса очистки сточных вод (см гл. 5, таб-
лицу 5.6), по которым разрабатываются конкретные мероприятия, специально для
данных очистных сооружений.
Таблица 1.3
Форма ведения рабочего журнала по подсчету биоэстиматоров в активном иле
Дата отбора проб Место отбора проб 1 Концентрация АИ г/дм3 Прозрачность воды над АИ см Иловой индекс см3/г Обсчитанный объем см3 I Увеличение, крат Пес- чин- ки БИОЭСТИМАТОРЫ млн./г
техобеспечения нагрузки пром стока
1 2 3/4 5 6 7 8 9 10
1,0 1,8 1,5 0,8 6,7 3,3 1,5 1,5 0,7 2,3
2,0 3,5 2,9 1,0 15,0 4,7 2,9 1,5 4,7 4,7
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
18.07.05 ОС Кафе «Придорожное» I ступень 3,2 12 108 0,001 360 30 34 3 0/0 140 99 12 0 И 138
0,001 360 22 28 1 0/0 150 102 10 0 6 132
0,01 180 7/2
0,01 180 8/1
8,1 9,1 0,7 5,0 8,2 31,0 1,0 0 0,7 42,2
I И ступень 4,4 28 55 0,001 360 4 5 0 9/12 34 28 1 0 2 28
0,001 360 3 8 0 7/11 39 20 2 0 3 31
0,01 180
0,01 180
U 2,0 0 0,7 3,2 2,1 0,1 0 0,2 9,2
Глава 1
21
1.4.8. Выполнение биоэстимации процесса самоочищения водной среды
Биоэстимация в полной мере пригодна для анализа и восстановления процесса
самоочищения воды в любом водном объекте. Отличия в выполнении метода - не-
большие, но они есть, поэтому для удобства читателей, занимающихся не очисткой
сточных вод, а самоочищением воды, ниже приводим пояснения специфики исполь-
зования биоэстимации для анализа процесса самоочищения воды.
Данный гидробиологический метод включает следующее:
- подсчет биоэстиматоров;
- определение концентрации взвешенных веществ в воде;
- расчет численностей и выявление по ним нарушений;
- разработку конкретных рекомендаций по оптимизации процесса самоочище-
ния на данном участке водного объекта.
Необходимое оборудование для проведения биоэстимации процесса самоочище-
ния и сопутствующих анализов
1. Микроскоп биологический с препаратоводителем и осветителем, например,
серии МИКМЕД (ЛОМО).
2. Счетчик форменных элементов крови.
3. Стекла предметные стандартные обезжиренные и покровные 18x18 мм.
4. Микропипетка на 0,1 см3, с ценой деления 0,001 см3.
5. Цилиндры мерные на 1000, 100, 50 см3.
6. Мембранные фильтры (предварительные или специальные для взвешенных
веществ).
7. Устройство для мембранного фильтрования.
8. Бюксы стеклянные с притертой пробкой, диаметром 3 см.
9. Аналитические весы, с точностью до 0,0001 г.
10. Сушильный шкаф на 60 С°.
11. Эксикатор для охлаждения бюксов.
12. Пластиковые бутыли емкостью 2 дм3 для отбора проб и емкости для транс-
портировки проб - 200-250 см3.
13. Стеклянные бутылки на веревке для отбора проб; можно пользоваться пла-
стиковым ковшом на длинной ручке (пластиковый стаканчик прикрепляется к дере-
вянной рейке).
14. Цилиндр и шрифт Снеллена; можно использовать любой цилиндр с плоским
дном, градуированный в см от дна, а шрифт - стандартный (12).
15. Термометр для воды, пинцет.
16 Чашки Петри с крышками; чашка и крышка выкладываются изнутри увлаж-
ненной фильтровальной бумагой для изготовления влажной камеры.
17. Полотенца, карандаши, журналы, оформленные по прилагаемым образцам.
Отбор, хранение, транспортировка и разлив проб
Пробы природной воды отбираются с борта судна или с берега погружением бу-
тылки на веревке в воду, на глубину 30-50 см. Над отобранной пробой воды в уку-
поренной бутылке под пробкой должен оставаться воздух, объемом примерно 1/5 от
объема воды или более.
22
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Для регулярного отбора проб устанавливается постоянное место (береговой по-
мост).
Бутылка с пробой должна быть этикетирована. На этикетке следует указать ме-
сто, дату отбора (удобно использовать поясок из молярной ленты, на которой можно
писать карандашом, маркером, ручкой). Прозрачность воды желательно определять
во время отбора пробы и указать на этикетке.
Анализировать пробу желательно сразу после ее отбора; при необходимости
длительной транспортировки и хранения пробу держат в холодильнике, не допуская
ее промерзания. Практика показала, что пробы воды хорошо хранятся, не изменяя
показательных свойств, и при комнатной температуре, причем довольно долго: в те-
чение нескольких недель. Извлеченная из реки проба воды как бы фиксируется, так
как процесс самоочищения в ней многократно замедляется. Фиксация проб добав-
кой каких-либо веществ недопустима.
Подготовка проб к анализу
Пробы воды перед анализом тщательно промешиваются интенсивным встряхи-
ванием не менее пяти минут, затем разливаются в 3 приема в 3 емкости:
1) 500 см3 цилиндр до метки - для определения взвешенных веществ; если про-
зрачность воды менее 5 см, можно взять на определение взвешенных веществ 250
или 100 см3;
2) 200 см3 склянку, заполненную на 1/5 объема-для микроскопирования;
3) 100 мл для фильтрования через мембранный фильтр (после чего поместить
фильтр во влажную камеру).
Определение концентрации взвешенных веществ
Для определения взвешенных веществ с помощью мембранного фильтрования
существуют стандартная методика: «Методика выполнения измерений содержания
взвешенных веществ и общего содержания примесей в пробах природных и очи-
щенных сточных вод гравиметрическим методом, ПНД Ф 14.1:2.110-97». Мембран-
ный фильтр с пробой помещают в соответствующий бюкс, рядом - крышку бюкса.
Затем шкаф включают, температуру доводят до 60° и бюкс выдерживают при ней 60
минут, затем отключают шкаф, бюкс закрывают крышкой и переносят в эксикатор.
После того как бюксы остынут до комнатной температуры, их взвешивают на ана-
литических весах. Бюксы с чистыми фильтрами следует готовить заранее; крышку и
бюксы подписывать карандашом по матовому участку стекла.
Таблица 1.4
Определения концентрации взвешенных веществ. Форма ведения журнала
Дата отбора Место отбора Взято воды на анализ, дм3 №№ бюксов Вес чистых бюксов, г Вес бюксов с взвесью, г Взвеш. в-тва, мг/дм3
1 2 3 4 5 6 7
17.11.00 р. Сходня 0,5 12 23,5758 23,5843 17
22.9852
23,1312
Глава 1
23
ВВ =
И—И х 1 000 = [л/г/дм3] = l23’5843^ j23>5758] х ] ООО = 17[л/г/дм3 ] . (4)
3
Примечание: В экстренных случаях, когда определение взвешенных веществ по
стандартной методике невозможно, предлагаем экспресс-метод для определения
взвешенных веществ. Для этого требуется специальный калибровочный график, за-
ранее составленный по большому массиву проб, для которых известны и прозрач-
ность, и взвешенные вещества. По прозрачности можно с достаточной, для биоэс-
тимации, степенью точности определить количество взвешенных веществ в данной
пробе воды. На рис. 1.1 изображен этот калибровочный график, по оси абсцисс ко-
торого отложена прозрачность воды в см, а по оси ординат — взвешенные вещества,
определенные в тех же пробах воды по стандартной методике. Для построения этого
графика были взяты пробы, которые отбирались в реке Сходне в разные сезоны года
в течение двух лет. График подходит только для тех проб, прозрачность которых не
менее 5 и не более 20 см. Но, во-первых, вода большинства обследованных нами
водных объектов имела прозрачность именно в этих пределах, во-вторых, если про-
зрачность более 20 см, можно ограничиться произвольно взятой малой величиной,
например 2 мг/ дм3, в-третьих, таких проб, у которых прозрачность менее 5 см, бу-
дет немного; эти пробы можно накопить и затем отвезти в лабораторию, которая
выполнит определение взвешенных веществ по договору.
Рис. 1.1. Определение взвешенных веществ в природной воде по ее прозрачности
Так же как и для биоэстимации процесса очистки сточных вод, здесь очень важ-
но правильно подготовить предметные и покровные стекла (см. раздел 1.3.6).
24
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Подсчет биоэстиматоров выполняется так, как указано в разделе 1.3.7, только
объем капли берется в 10 раз больший, чем когда мы имели дело с активным илом, а
именно, 0,01 см3, и капля не растягивается покачиванием, а накрывается покровным
стеклом 18x18 мм. После того, как препарат укреплен в препаратоводителе, его вин-
тами нижний край стекла подводится под объектив микроскопа (там он виден как
верхний). Затем подсчитывают биоэстиматоров, просматривая каплю слева направо,
на одно поле зрения вниз, справа налево, и так - все стекло, и даже ту часть капли,
которая немного вышла за пределы стекла. Просмотр ведется при увеличении 300-
400 крат. Прерывать подсчет нельзя, так как он высыхает.
Примечание'. Если инфузории не встречены при просмотре капель из промешан-
ной пробы воды, то для подсчета инфузорий:
- взять из влажной камеры пинцетом и поместить на подготовленное предмет-
ное стекло вырезанный ножницами сектор фильтра, через который было про-
фильтровано 100 мл воды;
- поместить на сектор одну каплю дистиллированной воды;
- влажной маленькой кисточкой сдвинуть взвесь с сектора на предметное стекло
и накрыть покровным стеклом;
- просматривать препарат, как сказано выше, но на счетчике отмечать не всех
биоэстиматоров, а только инфузорий; увеличение для подсчета инфузорий
следует взять меньшее: 100-200 крат.
- при просмотре по секторам всего объема - 100 см3 - свободноплавающие ин-
фузории обычно обнаруживаются, но если при этом не обнаруживаются при-
крепленные инфузории, то их численность принимается за единицу (пример в
таблице 1.5)
Расчет численности биоэстиматоров
Биоэстиматоры - едины для любого водного объекта, как и их контрольные чис-
ленности. Биоэстиматоры подробно описаны в гл. 4.
Форма ведения рабочего журнала по подсчету биоэстиматоров в природной воде
приведена в таблице 1.5.
В 5-ю графу заносят кратность увеличения, при котором ведется подсчет биоэс-
тиматоров. В графу 6 - обсчитанный объем в мл, в графу 7 - делитель: обсчитанный
объем, умноженный на взвешенные вещества для каждого подсчета; в графах 8-16 -
численности биоэстиматоров. Причем в таблице приведена только пороговая чис-
ленность, рассчитанная при разработке метода; контрольная - не требуется.
В самой рабочей таблице в первых двух строках заносится число встреченных
биоэстиматоров (шт.) в двух повторностях. В третьей строке - число обнаруженных
биоэстиматоров и их численности.
Полученные численности биоэстиматоров (N, тыс./мг) рассчитываются по ни-
жеприведенным формулам (5), (6) и (7).
Как и при подсчете биоэстиматоров в активном иле, здесь различаются 2 поня-
тия:
Число биоэстиматоров - это обнаруженное в обсчитанном объеме пробы воды
количество микроорганизмов-биоэстиматоров (штук, экземпляров, зооидов);
Глава 1
25
Численность биоэстиматоров - это число биоэстиматоров, деленное на обсчи-
танный объем (см3) и на взвешенные в воде вещества (мг/дм3); численность биоэс-
тиматоров выражается в тыс./мг.
Пороговая численность в точности такая же, как и при анализе проб активного
ила, но там она выражена в млн./г.
N,= = [тыс./мг], (5)
v-m
Nj-численность соответствующего биоэстиматора, тыс./мг;
i - номер соответствующего биоэстиматора;
v- объем микроскопируемой капли, см3;
п - число встреченных биоэстиматоров соответствующей группы;
т - количество взвешенных веществ в данной пробе, мг/дм3.
Данная формула является основной, но следует отметить, что:
1) по этой формуле рассчитываются только численности биоэстиматоров № 1,
№ 2, № 3, № 3, № 4, № 6 и № 10;
2) при расчете численностей биоэстиматоров № 5, № 7, № 8 и № 9 вводится по-
правка на увеличение, поскольку эти биоэстиматоры, имеющие нитевидные формы,
подсчитываются с учетом диаметра поля зрения (работа может проводиться при
различных увеличениях), и диаметр поля зрения в каждом случае различен, следует
учесть это в расчетах. При разработке метода пороговые численности для таких
биоэстиматоров рассчитывались при увеличении в 100 раз, поэтому в вышеприве-
X хх „ 100
денную формулу вводим коэффициент пересчета: Ку -—, где У- кратность увели-
чения, при котором производился подсчет нитчатых биоэстиматоров. Таким обра-
зом, для них используется формула с коэффициентом:
Таблица 1.5
Форма ведения рабочего журнала по подсчету биоэстиматоров в природной воде
Дата отбора Место отбора Прозрачность, см Взв. в-ва, мг/л Кратность уве- личения Обсчитанный объем, мл Биоэстиматоры, тыс./мг
динамическое обеспечение нагрузки промстока
1 2 3/4 5 6 7 8 9 10
3,5 2,9 1,0 15 4,7 2,9 2,9 1,5 4,7
1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16
10*11*41 р. Сходня 15 17 300 0,02 19 0 4/0 4 2 0 2 0 0
0,02 21 0 5/1 3 3 1 3 0 0
58,8 0 9,0 3,4 7,3 0,5 2,4 0 0
Ni = = [тыс./дм3];
гт
(6)
26
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
3) отношение численности биоэстиматоров № 3 и № 4, то есть свободнопла-
вающих и прикрепленные инфузории (у прикрепленных подсчитываются все зоо-
иды, а делящиеся считаются за 2):
N
Б-З/Б-4 = -А (7)
М
число встреченных биоэстиматоров 3-й группы,
Na- число встреченных биоэстиматоров 4-й группы.
В тех случаях, когда прикрепленные инфузории не выявляются в 100 см3, но вы-
являются свободноплавающие, их численность определяется по основной формуле,
а численность прикрепленных условно принимается за единицу.
Выявленные в ходе анализа небольшие численности биоэстиматоров, меньшие,
чем 100 шт./мг, заносим в таблицу как 0,1. Вместо совсем не выявленных биоэсти-
маторов вносим в таблицу «0» (это не означает, что этих микроорганизмов совсем
нет в данном водоеме - они имеются, но в столь малых количествах, которые не из-
менят выводов по биоэстимации).
Если нет достаточного навыка, часть биоэстиматоров подсчитывается отдельно,
например - только первый и второй биоэстиматоры (жгутиковые и голые амебы), за-
тем - все остальные микроорганизмы-биоэстиматоры, которые будут встречены при
анализе. Подсчет проводится не менее 2 раз, как это приведено в рабочем журнале.
Оценка полученных результатов
Результаты подсчета в конкретной пробе воды сравниваются с пороговыми чис-
ленностями биоэстиматоров и делается вывод о том, нормально протекает процесс
самоочищения или он нарушен, по какой причине нарушен и что следует предпри-
нять для его восстановления в конкретном водном объекте или его участке.
Примеры биоэстимации самоочищения воды в различных водных объектах при-
ведены в гл. 9.
Если в конкретной пробе численность биоэстиматоров не превышает пороговую,
то процесс не нарушен. Если превышена пороговая численность, то имеет место на-
рушение процесса, требующее восстановительного антропогенного вмешательства.
Если наблюдается превышение численности одного из биоэстиматоров какой-
либо группы факторов, например динамического обеспечения, то нарушение может
быть исправлено незначительными усилиями, а если превышена численность двух и
более биоэстиматоров этой группы факторов, то, как правило, необходимы значи-
тельные капиталовложения в восстановительные мероприятия. Такой случай приве-
ден в качестве примера заполнения рабочего журнала: в р. Сходня биоэстимация
отобразила хроническое нарушение динамического обеспечения; здесь требуются
мероприятия и по обводнению, и по изменению шероховатости дна.
1.4.9. Краткая инструкция для пересылки проб воды на биоэстимацию
Проба воды для пересылки может быть ограничена 50 см3, а иногда и Ю см3, ес-
ли имеются данные о прозрачности воды и количестве взвешенных веществ в ней.
На склянку должна быть наклеена этикетка с указанием географического положения
Глава 1
27
водного объекта, его название, место отбора пробы, прозрачность воды и, желатель-
но, количество взвешенных веществ в ней, а также контактный телефон. К отсылае-
мой пробе следует приложить перечень проблем, которые предполагается решить.
При невозможности определения прозрачности и взвешенных веществ на месте
объем пробы воды, доставляемой для проведения биоэстимации эксперту, должен
быть 1 дм3, причем под крышкой емкости обязательно должен оставаться воздух
(доставляется в емкости на 1,5 дм3). Проба хорошо хранится в прохладном месте в
течение нескольких недель, даже месяцев. Со временем будет организован ряд экс-
пертных лабораторий для экстренной помощи в коррекции процесса самоочищения
вод, а пока можно писать автору на E-mail: zl 110166@mail.ru.
1.5. Биоэстимация трансформации органических веществ
в почвенных растворах
Почвенные растворы представляют собой тонкую водную пленку, в
которой проводить биоэстимацию невозможно, но водная вытяжка
из почвы вполне подходит для этой цели. Если экстракцию проводить в одних и тех
же условиях, то можно по биоэстимации сравнивать почвы, отобранные в разных
местах.
Биоэстимация помогает судить о жизнеобеспечении микроорганизмов-деструкто-
ров органических веществ в конкретных почвах, о динамичности водной фазы, о не-
благоприятных воздействиях со стороны промышленных загрязнений и др.
Данные по биоэстимации почвенных растворов полезно дополнять данными по
их биотестированию. Зачастую биоэстимация дает «слишком благополучные ре-
зультаты», в которые обычно не верят. Например, в почвах, отобранных возле са-
мых оживленным магистралей, процесс самоочищения может оказаться не нару-
шенным по токсичности. Но этот вывод, дополненный традиционным биотестиро-
ванием, которое также не выявляет совсем или выявляет незначительную токсич-
ность, многим представляется более убедительным. Ниже приводится сущность ме-
тода биотестирования и внесенные нами в эту методику дополнения. Сама экстрак-
ция почвенного раствора также нами дополнена по сравнению со стандартной мето-
дикой экстракции, поэтому приводится полностью. Со временем авторитет биоэс-
тимации возрастет, выводов, полученных с использованием этого, менее трудоемко-
го, чем биотестирование метода, будет вполне достаточно.
Биоэстимация процесса трансформации растворенных органических веществ в
почвенной влаге проводилась так же, как и биоэстимация процесса очистки сточных
вод, так как экстракт и по внешнему виду, и по наличию в нем обычных гидробио-
нтов очень похож на пробу активного ила. Биотестирование проводилось в соответ-
ствии с «Методикой определения токсичности воды и водных вытяжек из почв,
осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости цериодаф-
ний», ФР. 1.39.2001.00282, далее Методика-1 и «Методикой определения токсично-
сти воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по изменению
уровня флуоресценции хлорофилла и численности клеток водорослей»
ФР. 1.39.2001.00284 , далее Методика-2.
28
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Отбор проб
Предварительно всю площадку отбора почвы разделить на четыре части; из цен-
тра каждой части отобрать совком послойно: соскоб с поверхности, с глубины 10.
20. 30, 40, 50 см. Можно использовать почвенный бур. Все высыпать на лист, тща-
тельно перемешать, разровнять, разделить на 4 части, из каждой части совком ото-
брать почву в пластиковые ведерки с крышкой. Для упаковки усредненной пробы
можно использовать полиэтиленовые мешочки, которые поместить в матерчатые
мешочки или пластиковые контейнеры. Общий объем пробы - около 0,5 кг. Жела-
тельно пробу хранить в холодильнике не более 1-2 недель. Отобранные пробы
должны быть промаркированы.
Пробоподготовка
1. После доставки пробы в лабораторию почву высыпать в большую кювету,
тщательно перемешать, разровнять, разделить на 4 части, из каждой части взять по-
немногу, в стакан; из него отвесить 50 г почвы в фарфоровую чашку, заранее про-
сушенную и взвешенную. После высушивания до постоянного веса получается
влажность
2. Абсолютно сухого количества почвы берется 100 г, причем количество нату-
ральной пробы определяется с учетом ее влажности. Например, влажность пробы
составляет 20%. Определяем абсолютно сухое вещество в %:
100 %-20% = 80%.
Составляем пропорцию:
’00 Г 7П3 4 5 6 * 8П°О% 100 г х 100% : 80% = 125 г. (8)
Хг-100%,
3. Из стакана отвесить 125 г усредненной пробы почвы в литровую пластиковую
бутылку с крышкой. В нее влить 400 мл заранее профильтрованной и прокипяченной
(30 минут для освобождения от газов и стерилизации) и остуженной воды из лабора-
торного аквариума (можно использовать фильтрованную колодезную или роднико-
вую воду). Затем тщательно встряхнуть каждую бутылку с поворотом вверх дном, ус-
тановить и укрепить ее держателями аппарата для встряхивания проб. Встряхивание
длится 2 часа. За это время следует 5 раз энергично встряхивать пробу с поворотом ее
вверх дном. В перевернутом виде снова укрепить держателями и встряхивать, чтобы
не происходило уплотнение твердых составляющих почвы на дне бутылки (в продаже
имеются и ротационные встряхиватели. с поворотом бутылок).
4. После того, как бутылки сняты с встряхивателя, их еще раз тщательно вруч-
ную встряхнуть и установить на горизонтальную поверхность для отстаивания.
5. После 30 минут отстаивания надосадочную жидкость осторожно слить в кол-
бу на 500 мл через 2 слоя марли, чтобы убрать плавающие соринки. Эта жидкость
используется сначала для биоэстимации, затем для определения в ней взвешенных
веществ и, если это необходимо, для биотестирования (раздел 1.5).
6. Взвешенные вещества удобно определять с использованием мембранных ।
фильтров, взяв пипеткой 5 мл тщательно промешанной жидкости. Если проводится I
биотестирование двумя методами, то приходится экономить испытуемую жидкость; •
Глава 1
29
если - нет, то взвешенные вещества определяются так же, как и доза активного ила
(см. раздел 1.3.4). После пересчета определить содержание взвешенных веществ в
мг/дм3 (этот показатель необходим для определения численности биоэстиматоров.
выражаемой в млн./г).
7. Подготовка предметных и покровных стекол проводится так, как указано в
разделе 1.3.6.
8. Определение численности биоэстиматоров в водной вытяжке из почвы произ-
водится так же. как и в активном иле (раздел 1.3.7).
9. Форма ведения журнала такая же, как и в таблице 1.3, но название таблицы и,
соответственно, рабочего журнала, не «Биоэстимация процесса очистки сточных
вод», а «Биоэстимация трансформации растворенных органических веществ в поч-
венной влаге» (таблица 1.6).
10. Восстановительные рекомендации для нормализации жизнеобеспечения ор-
ганотрофных бактерий, трансформирующих органические вещества в почвенной
влаге, приведены в главе 9.
В таблице 1.6 приведены форма ведения журнала и пример биоэстимации про-
цесса биотического очищения почвенной влаги.
Численности биоэстиматоров рассчитаны с учетом обсчитанного объема и
взвешенных веществ.
Таблица 1.6
Форма ведения рабочего журнала по отсчету биоэстиматоров в почвенной влаге
Дата отбора 1 Место отбора Прозрачность, см Взв. в-ва. мг/л 1 Кратность увеличения Обсчитанный объем, мл Биоэстиматоры, тыс./мг
динамическое обеспечение нагрузки промстока
1 2 3/4 5 6 7 8 9 10
3,5 2,9 1,0 15 4,7 2,9 2,9 1,5 4,7
1 2 3 4 5 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16
О о об Почва 1,2 м от шоссе - 507 300 0,002 21 0 0/0 2 70 0 0 0 1
0,003 23 0 3/1 6 74 0 0 0 0
86,8 0 3,0 15,1 284 0 0 0 3.9
Как видно из таблицы 1.6, биоэстимация в почвенной вытяжке выявила превы-
шение численности биоэстиматора № 1, или Б-1, что означает неудовлетворитель-
ное обеспечение редуцентов по фактору «динамическое обеспечение», а конкрет-
нее - слишком малую проточность почвенных растворов. Кроме того, превышение
значения отношения инфузорий (Б-З/Б-4) указывает на неудовлетворительную мик-
ротурбулентность. По загрязнениям промышленного происхождения, в том числе по
воздействию токсикантов, нарушений не выявлено. Отмечена значительная пере-
грузка редуцентов как по легко, так и по трудно окисляемым веществам. Возможно,
перегрузка редуцентов не является отрицательным явлением при характеристике
почв, ведь обилие органического вещества в почве - одно из условий ее плодородия.
30
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Но недостаточная мобильность почвенных растворов - явный недостаток, и требу-
ется дренирование и пескования данной почвы. Что касается благополучия по ток-
сичности, то это было дополнительно проверено с помощью биотестирования двумя
методами: по смертности цериодафний и по снижению численности клеток микро-
водоросли сценедесмус. Оба метода констатировали отсутствие токсичности, хотя
проба отобрана вблизи оживленной магистрали - Панфиловского проспекта. Отсут-
ствие токсичности - не значит отсутствие в почве токсичных ингредиентов. По-
видимому они хелатированы гумусом почвы и не производят токсического воздей-
ствия на биоту. Дополнительные примеры биоэстимации почв приведены в главе 10.
1.6. Модификация биотестирования для определения
токсичности водных вытяжек из почв
1 Оставшуюся в колбе жидкость (см. пункт 5, раздела 1.4) вылить
• на большой бумажный фильтр (около 20 см в диаметре), вырезан-
ный из фильтровальной бумаги и предварительно промытый водой для экстракции.
Фильтр положить на большую пластиковую воронку, а воронку - в чистую бутылку.
Если жидкости получается мало, то на другой большой фильтр выкладывается весь
осадок. Фильтрование может продолжаться всю ночь.
2. На другой день полученный фильтрат профильтровать еще раз, теперь через
фильтр «Белая лента», предварительно промытый водой для экстракции; если
фильтрат окажется мутным, фильтрование продолжить со сменой фильтров.
3. Прозрачный фильтрат разбавляется по Методике-1 и используется для био-
тестирования.
Класс опасности присваивается в соответствии с приказом № 511 от 15.06.2001 г.
«Об утверждении критериев отнесения опасных отходов к классу опасности для ок-
ружающей природной среды».
Острое токсическое действие водной вытяжки на цериодафний определяется
по их смертности (летальности) за 48 часов экспозиции. Критерий: если в 100% кон-
центрации гибнет менее 50% рачков - вода не оказывает острого токсического дей-
ствия; если в 100% концентрации гибнет 50% рачков и более, следует вычислить
среднюю летальную концентрацию, вызывающую гибель 50% рачков, и безвредную
концентрацию, вызывающую гибель не более 10% рачков, а также вычислить крат-
ность безвредного разбавления и охарактеризовать воду или водную вытяжку (таб-
лица 1.7).
Доработка приемов подготовки культивационной воды
Практика показала, что рекомендованная Методикой-1 дистиллированная вода
не позволяет вести культуру цериодафний без эпизодической ее гибели. Мы исполь-
зовали воду из водопроводной сети, причем эту воду аэрировали с помощью аква-
риумного компрессора в течение суток для удаления из нее неблагоприятных газов
и флокуляции загрязнений; затем воду фильтровали для удаления из нее частиц
ржавчины, водных грибов, микрочастиц взвесей и других нежелательных примесей.
Бумажный фильтр перед фильтрованием тщательно промывали, так как он сам за-
Глава 1
31
грязнен и в промывных водах остается много волокон из фильтра, на отсутствие ко-
торых фильтрат проверяли под микроскопом. Подготовленную воду осторожно вли-
вали в 1-й аквариум с высшей водной растительностью. Спустя сутки воду из 1-го
аквариума фильтровали и помещали во 2-й аквариум с высшей водной растительно-
стью. Оба аквариума снабдили аэраторами-помпами. Картридж помпы еженедельно
промывали проточной водопроводной водой и ополаскивали культивационной во-
дой. Проточный режим в аквариуме поддерживали постоянным отбором воды для
целей анализа и доливом свежей подготовленной водой.
Таблица. 1. 7
Характеристика воды в зависимости от безопасной кратности ее разбавления
Безопасная кратность разбавления Характеристика воды
не требует разбавления нетоксичная
в 1,1-16 раз малотоксичная
в 17-50 раз среднетоксичная
в 51-99 раз высокотоксичная
более 99 раз гипертоксичная
Доработка приемов подготовки инкубационной посуды
Перепробовав рекомендованные Методикой и ряд других приемов подготовки
инкубационной посуды, остановились на следующем. Стеклянную посуду замачи-
вали в ведре с горячей водой, куда добавлен один колпачок моющего средства
«Прогресс» - он без хлора и других токсичных веществ. Спустя несколько часов
стаканы промывали губкой в проточной воде и сушили в перевернутом виде на по-
лотенце, затем убирали в шкаф. Если требовалась более интенсивная промывка, ис-
пользовали чистящее средство «Пемолюкс» без хлора. Донца стеклянных пузырьков
промывали кисточкой № 5 из свиной щетины, затем - многократно водопроводной
водой (далее - как стаканы). Чистоту пузырьков перед анализом проверяли с помо-
щью микроскопа МБС.
Особенности процедуры определения диапазона реагирования цериодафний на
модельный токсикант
Эта процедура описана в Методике, где сказано, что в качестве модельного ток-
сиканта следует брать бихромат калия в виде стандарт-титра. Однако выяснилось,
что фиксаналы не всегда хорошо выполнены, и нормальная культура не показывает
нужной реакции. Мы получали достоверные результаты, готовя раствор бихромата
калия из свежезакупленного реактива прямым взвешиванием 2-х миллиграммов би-
хромата калия на аттестованных аналитических весах и растворением этого количе-
ства в мерной литровой колбе с культивационной водой. В методике не сказано, ка-
кую именно воду надо брать, а приготовление растворов на дистиллированной воде
дает повышенные результаты токсичности. По-видимому, это происходит из-за то-
го, что в дистиллированной воде нет бактерий - основной пищи рачков, кормить же
их во время проверки чувствительности по Методике нельзя. Из этой колбы мы го-
товили все необходимые разведения, с использованием культивационной воды, для
построения калибровочного графика.
32
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Эта модификация Методики-1 использовалась и для определения токсичности
различных отходов. Но для безопасности персонала отходы, извлеченные из сточ-
ной воды, подвергались предварительному обеззараживанию автоклавированием.
1.7. Модификация биотестирования воды
Отбор, транспортировка, хранение и подготовка проб воды описаны
в Методике-1. В основном, мы придерживались этого описания, но
кое-что пришлось изменить с целью наилучшего выполнения основных предписа-
ний этой методики.
1.7.1. Биотестирование с цериодафниями
Особенности обесхлоривания воды
Многие испытуемые воды, отобранные из природных водных объектов, содер-
жат активный хлор, так как повсеместно требуют проводить обеззараживание
сбросных сточных вод, несмотря на отсутствие в них болезнетворных агентов. Осо-
бенно много хлора содержится в производственных стоках водопроводных станций,
несмотря на то что стоки, как правило, проходят перед сбросом в реки очистные со-
оружения в виде каскада прудов. Методика-1 рекомендует для определения острой
токсичности отбирать 500 мл воды, но приблизительно такое количество воды тре-
буется для многократного определения активного хлора, а еще проверяется содер-
жание кислорода и pH. Поэтому мы отбирали по 1,5 литра в тщательно промытые и
ополоснутые испытуемой водой бутылки из-под прохладительных напитков. По
Методике хлор из проб воды следует удалять отстаиванием с открытой крышкой
при температуре 2 градуса Цельсия не менее 24 часов. Но даже если пробы так стоят
неделю, весь хлор не удаляется. Да и нет условий для поддержания 2°С, особенно,
если проб много. После проверки и обнаружения в пробах активного хлора, мы пе-
реливали воду в другие, чистые бутылки, перенося на них маркировки проб. Это не-
обходимо делать для того, чтобы прохлорированные стенки бутылок не осложняли
обесхлоривание. Затем бутылки с пробами укрепляли держателями аппарата Шут-
тера и встряхивали их, многократно проверяя остаточный хлор, до полного обесхло-
ривания. Затем пробы фильтровали через тщательно отмытые бумажные фильтры
«Белая лента», подогревали в водяной бане до 23°С, аэрировали многократным пе-
реливанием из стакана в стакан, готовили необходимые серии разбавлений культи-
вационной водой, после чего начинали биотестирование.
Способ восстановления культуры цериодафний в случае нарушения партеноге-
нетического процесса
В норме самки цериодафний рождают только самок - партеногенетически. Если
условия окружающей среды неблагоприятны, при образовании яиц происходит ре-
дукционное деление, и рождаются не только самки, но и самцы, оплодотворяющие
самок. Оплодотворенные самки перестают рождать молодь, образуют только 1-2
яйца, покрытых толстой оболочкой (эфиппиумы). О том, что такое в культуре может
Глава 1
33
произойти в любое время и, тем более, как выходить из этого затруднения, в Мето-
дике- 1 не сказано.
В нашей практике, особенно в первый год работы по Методике-1, это происхо-
дило неоднократно. Появление эфиппиальных самок служит сигналом испытателю
для принятия безотлагательных мер. Методисты в таких случаях советуют свою
культуру выбросить, а взять культуру из другой лаборатории. Но привезенная нами
из других лабораторий культура тоже содержала эфиппиальных самок. Положение
казалось безвыходным, но, перепробовав различные приемы, нам удалось и в такой
культуре восстанавливать партеногенетический процесс. Для этого выполняли сле-
дующие последовательные операции:
- каждого рачка (будь то взрослая самка, даже эфиппиальная, или молодь) по-
мещали в отдельный пузырек с культивационной водой (таких пузырьков мо-
жет быть несколько сотен);
- всем рачкам обеспечивали безукоризненный уход в соответствии с правилами
ведения культуры;
- ежедневно каждый пузырек просматривали под микроскопом МБР, при этом
отмершие особи выбрасывали (в период обнаружения эфиппиальных самок
отмирает до 1/3 рачков за первые сутки, до 1/5 за следующие сутки, далее чис-
ло отмерших уменьшается);
- родившуюся молодь (а ее в первые сутки бывает 1-2 штуки на сотню самок)
отсаживали в отдельные пузырьки;
- ежедневно всех живых рачков пересаживали в чистую воду;
- самок, родивших трех и более шт. молоди, считали восстановившимися, их
молодь дает начало работоспособной культуре.
Таким образом, за одну неделю можно получить количество молоди, необходи-
мое для продолжения биотестирования.
Для ускорения восстановления культуры при нарушении партеногенетического
процесса часть рачков (не менее сотни штук) постоянно следует держать по одному
в пузырьке, притом что основная культура ведется в широких стаканах, по 20-30
особей в каждом стакане.
1.7.2. Биотестирование со сценедесмусом
В приказе 115 оговорено, какими именно должны быть пары тестобъектов: если
в данной лаборатории используется метод, основанный на смертности цериодафний,
то парным к нему должен быть метод, основанный на подавлении роста клеток мик-
роводорослей.
Цель наших доработок - наилучшая реализация основных положений утвер-
жденных методик биотестирования, поэтому мы дорабатывали лишь некоторые
приемы, не затрагивая сути метода.
Так, очень важна унификация условий инкубации микроводорослей. Методика
не предписывает обязательное использование для этого специального оборудования,
но условия инкубации оговорены четко и соблюдаются нами неукоснительно: осве-
щенность - 4000 люкс, 16-ти часовой световой день, 22-24° С.
34
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Этого мы достигаем, переоборудовав обычный книжный шкаф с установкой в
нем реле времени, системы зеркал, светильников, стеклянных полок и передвижных
белых экранов, а также поддержанием температуры в помещении, оптимальной не
только для микроводорослей, но и для самих работников за счет автоматизирован-
ного электронагревателя. На верхней полке - 4000 люкс - для микроводорослей; на
средней полке - 600 люкс для цериодафний; на нижней полке - 200-300 люкс - для
содержания высших водных растений в аквариумах. Так нам удалось добиться вы-
полнения основного критерия правильности постановки опыта - десятикратного
прироста клеток сценедесмуса в контроле за 96 часов инкубации.
Методика-2 позволяет испытателю на свое усмотрение выбрать, определять ли
токсичность по изменению уровня флуоресценции хлорофилла, или по изменению
численности клеток микроводорослей. Флуоресценция определяется на флюорате -
приборе, работа которого зависит от многих факторов, в том числе и от независящих
от исследователя (сбои в работе самого прибора, особая чистота посуды, которая мо-
ется кислотами, что недопустимо в биотестировании и др.); в то время как подсчет
клеток микроводорослей зависит только от самого исследователя, поэтому мы выбра-
ли второй вариант. Кроме того, только при подсчете клеток при большом увеличении
микроскопа обнаруживается загрязнение культуры на ранних стадиях, а значит, про-
изводится немедленная замена культуры на новую или хранящуюся на твердой среде;
при работе с флюаратом не обнаруживаются даже значительные загрязнения, в том
числе и другими водорослями, что искажает результат биотестирования.
Закупка и подготовка вспомогательного оборудования и посуды проводились с
учетом Методики-2, но дополнительно мы приобрели воронки разных размеров,
моющее и чистящее средства, не содержащие токсикантов («Прогресс» и «Пемо-
люкс»), аквариумы с высшей водной растительностью (для приготовления культива-
ционной и разбавляющей сред). Для стерильного ведения культуры микроводорослей
потребовался бокс с предбоксником, оборудованный бактерицидными лампами.
Пробы отбираются и маркируются, как и предписано Методикой-2. Но для экст-
рагирования мы используем не дистиллированную, а профильтрованную биологи-
зированную воду.
О подготовке культивационной (разбавляющей) воды сказано выше. Добавим,
что в аквариумах должны расти только высшие водные растения - водоросли недо-
пустимы. При деградации высших водных растений на их поверхности разрастаются
низшие. Сначала - нитчатки, это вредит растениям, но не вредит тест-объектам. При
дальнейшей деградации разрастается формидиум и другие сине-зеленые водоросли,
которые выделяют токсичные вещества и подавляют жизнедеятельность тест-
объектов. Мы перепробовали много видов высших водных растений, но лучшим
оказалась обычная для наших водоемов элодея (Водяная чума). Но и это неприхот-
ливое растение жестоко страдает при резкой смене воды, ведь оно - житель стоячих
водоемов. Можно менять, то есть забирать (обязательно сифоном!) и доливать толь-
ко 1/5 часть объема за 2 недели. Аквариумные растения следует еженедельно прове-
рять микроскопированием точек роста - именно здесь быстрее всего обнаруживает-
ся деградация. Полезно проводить регулярную биоэстимацию процесса очищения
воды в каждом аквариуме. Если аквариумов несколько, будет своевременно выявлен
Глава 1
35
тот аквариум, который следует опорожнять, промывать с обеззараживанием грунта
кипячением, в первую очередь.
Для культивирования микроводорослей (кормовой хлореллы и тест-объекта -
сценедесмуса) требуется питательная среда Успенского. Она готовится, в основном,
в соответствии с Методикой-2, но концентрированные растворы готовятся на биди-
стилляте, а питательный раствор - не на дистилляте, как рекомендовано Методи-
кой-2, а на биологизированной воде, предварительно прокипяченной в течение
30 минут и остуженной. Готовый раствор автоклавируется. Он должен быть исполь-
зован в течение первой недели.
Сценедесмус, как и все протококковые зеленые водоросли, - типичный пассив-
ный планктер. Это следует учитывать при экспозиции проб, которые должны регу-
лярно взбалтываться. В природе он обитает в пресных водах, распространен повсе-
местно, предпочитает стоячие загрязненные водоемы. Сценедесмус размножается
исключительно бесполым путем - автоспорами. Уже в материнской клетке деля-
щиеся автоспоры складываются в дочернюю колонию из клеток одной и той же ге-
нерации, то есть образуются ценобии из 4-16 продолговатых клеток, соединенных
боковыми стенками. В роде Сценедесмус насчитывается около 100 видов; но в каче-
стве тест-объекта используется лабораторная культура одного вида: Scenedesmus
quadricauda.
В Методике-2 сценедесмус изображен в виде 4-х-клеточного ценобия. Но в таком
виде он встречается не всегда. Часто наблюдаются довольно плотные агрегаты из не-
скольких автоспор, в которых идет деление клеток. Для подсчета клеток внутри авто-
спор требуется навык. Однако особая чистота оптических и предметных стекол, хо-
рошо поставленный свет, коррекция освещения препарата апертурной диафрагмой
помогают разглядеть и подсчитать клетки даже в плотных агрегатах из автоспор.
Подсчет клеток сценедесмуса
Предлагаемый Методикой-2 традиционный метод подсчета клеток с помощью
камеры Горяева известен гидробиологам уже более 100 лет. К камере, в виде очень
толстого стекла с бороздками притирается покровное стекло до образования радуж-
ных колец интерференции, после чего пипеткой наносятся капли суспензии водо-
рослей на верхний и нижний края покровного стекла. В этом препарате клетки под-
считываются в 25 квадратах и, используя формулу и переводной коэффициент, оп-
ределяется концентрация клеток в 1 мл.
Этот традиционный метод мы считаем трудоемким и недостаточно точным. Мы
разработали метод, который значительно проще по выполнению, занимает меньше
времени и обеспечивает большую точность. Это - тот самый метод, с помощью
которого мы подсчитываем биоэстиматоров. И на новом для нас объекте предста-
вился случай показать преимущества нашего метода.
Из тщательно промешанной культуры клеток сценедесмуса микропипеткой с
ценой деления 0,001 см3 после ее трехкратной промывки суспензией отбирается
произвольное количество суспензии клеток сценедесмуса, но так, чтобы мениск был
в градуированной части пипетки. Затем пипетка обтирается кусочком фильтроваль-
ной бумаги и ставится на край обезжиренного предметного стекла, из нее выпуска-
36
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
ется некоторое количество жидкости, а пипетка приподнимается на уровень глаз, из
нее выпускается жидкость на два деления, пипетка ставится на стекло и отнимается
от него. На стекле остается капля объемом 0,002 см3. Покачивая стекло, добиваются
небольшого удлиненного растекания капли. Приготовленный таким образом препа-
рат укрепляется держателями препаратоводителя, край капли подводится под объек-
тив микроскопа и перемещается винтами препаратоводителя так, чтобы не пропус-
тить ни одного поля зрения, занятого каплей. Так обсчитывается около 200 полей
зрения. Чаще всего встречаются ценобии из 4-х клеток, это число клеток и принима-
ем за укрупненную единицу. Если под микроскопом встречаются автоспоры, заби-
тые клетками, то число клеток в них мысленно делится на 4. Подсчет клеток в объе-
ме 0.002 см3 производится при увеличении в 300 раз и занимает около 5 минут.
Пример пересчета:
1) определяется число укрупненных единиц, то есть наиболее часто встречаю-
щихся ценобиев, в 0,002 см3,например, 180 раз (ценобиев) по 4 клетки;
2) составляется пропорция:
180 - 0,002 см3 180x 1:0,002 = 90 000 (9)
X - 1 см3 в 1 см3);
3) полученное число укрупненных единиц умножается на 4:
90 000 х 4 = 360 000 клеток/см3. (10)
Практически, при использовании микропипетки с одной и той же ценой деления,
тот же результат можно получить гораздо проще: число укрупненных единиц умно-
жается на 2:
180 х 2 = 360 т. кл./см3 (И).
Проверка точности нашего метода подсчета и его сравнение с традиционным
приведены в таблице 1.8.
Таблица 1.8
Результаты подсчета клеток сценедесмуса
Повторности подсчета Методы подсчета:
НОВЫЙ традиционный
Численность клеток в 1 см3 Отклонение от среднего Численность клеток в 1 см3 Отклонение от среднего
1 228 4 203 -20
2 232 0 155 17
з 230 2 190 -7
4 234 —4 204 -21
5 228 4 166 17
6 234 -2 156 27
7 236 -4 189 —6
8 228 4 180 3
9 240 8 199 -16
10 230 2 175 8
Среднее 232 183
Глава 1
37
Из тщательно промешанной суспензии культуры сценедесмуса десятикратно
подсчитали сначала нашим, затем традиционным методом.
Если для какой-либо величины А непосредственным измерением получено п
значений а, с определенной степенью точности, то наиболее вероятным значением А
будет среднее арифметическое'.
а = -У а,=232 и 183 (12).
(первая цифра - наш метод подсчета, вторая - традиционный, и так по каждой фор-
муле)
Отклонение наблюдаемого значения (для каждого наблюдения) а, от среднего
арифметического: а, - а. Для определения дисперсии нормального закона распреде-
ления ошибок в этом случае пользуются формулой:
Х(Ч - а)2
(Г=-^---------= 16и 533,7. (13)
п -1
Среднеквадратическое отклонение показывает абсолютное отклонение изме-
ренных значений от среднеарифметического. В соответствии с формулой для меры
точности линейной комбинации средняя квадратическая ошибка среднего арифме-
тического определяется по формуле:
1Х(а‘
О = \—--------= 4и23,1. (14)
) п -1
Коэффициент вариации характеризует относительную меру отклонения изме-
ренных значений от среднеарифметического:
V = - • 100% = 1,7% и 12,6%. (15)
а
Чем больше значение коэффициента вариации, тем относительно больший раз-
брос и меньшая выравненность исследуемых значений. Если коэффициент вариации
меньше 10%, то изменчивость вариационного ряда принято считать незначительной,
от 10 до 20% относится к средней, больше 20% и меньше 33% к значительной и если
коэффициент вариации превышает 33%, то это говорит о неоднородности информа-
ции и необходимости исключения самых больших и самых маленьких значений.
Отклонения от среднего значения, получаемые с использованием нашего мето-
да, значительно меньше, чем отклонения, получаемые с использованием традицион-
ного метода подсчета. В частности, коэффициент вариации, рассчитанный по значе-
ниям, полученным новым методом подсчета клеток, составляет всего 1,7%, то есть
менее 10%. То есть изменчивость вариационного ряда является незначительной.
В то же время коэффициент, полученный при подсчете клеток традиционным
методом, составляет 12,6%, то есть почти на порядок больше, то есть является сред-
ней.
38
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Кроме того, численность клеток, выявляемая новым методом, в среднем на 20%
выше, а это тоже уточняет подсчет клеток.
Таким образом, предлагаемый нами метод подсчета клеток микроводорослей
проще и точнее традиционного. Также подсчитываются и биоэстиматоры в воде.
Особенности культивирования сценедесмуса
Культура приобреталась нами из коллекции НИИ физиологии растений. Она
была выращена на скошенной агаризированной среде Тамия. После доставки куль-
туры был произведен ее пересев на аналогичную среду. Культура на агаризованной
среде хранится при освещенности около 600 люкс, то есть в люминостате экраниру-
ется (завертываем в полотенце). После того как рост микроводорослей на скошен-
ной части среды становится визуально заметен, производятся смывы с агаризиро-
ванной среды жидкой средой Успенского.
Жидкая среда с клетками сценедесмуса экспонируется при 4000 люкс; суспензия
2 раза в день перемешивается вручную покачиванием. Когда рост микроводорослей
в жидкой среде становится визуально заметен, приблизительно через неделю, про-
водится подсчет клеток. Достаточное для разведений количество клеток служит
сигналом для начала проведения биотестирования. Разбавление затравочной куль-
туры делаем средой Успенского, чтобы потом в стаканчики питательные элементы
не добавлять. При манипуляциях с культурой микроводорослей строго соблюдается
стерильность: стерилизуется посуда сухим жаром, среды автоклавируются, пересе-
вы производятся над огнем спиртовки в боксе после его бактерицидного облучения.
Для осуществления регулярного контроля погрешности данного метода 1 раз в
квартал в соответствии с Методикой проводится проверка чувствительности куль-
туры сценедесмуса, аналогично с проверкой чувствительности культуры цериодаф-
ний (см раздел 1.5).
Доработка проведения биотестирования с использованием сценедесмуса
Для постановки испытаний воды или водных вытяжек используются мерные
стеклянные стаканчики (V=50 мл), наполняемые до метки «25 см3».
Расчет того, сколько см3 следует взять для затравки в каждый стаканчик (х),
производится следующим образом.
Предположим, что в затравочной культуре 250 тысяч клеток на см3 («1). Нужно,
чтобы в 25 см3 испытуемой концентрации (v) было 30 тыс. кл./см3. (и?)
х = у п2: п\ =25 30 : 250 = 750 : 250 = 3 (см3). (16)
Поскольку значения «25 см3» и «30 тыс. кл./ см3» используются постоянно, то
произведение этих значений (750) является постоянным числом. Это постоянное
число мы делим на численность клеток в затравочной культуре для установления
нужного количества конкретной затравочной культуры сценедесмуса при постанов-
ке биотестирования. Например, если в затравочной культуре 380 т.кл./ см3, то
750 : 380 = 2 см3. Это количество затравочной культуры надо поместить в каждый
стаканчик перед доливом в них контрольной и испытуемой воды. Всего ставится 17
стаканчиков, по 3 повторности для каждого разведения испытуемой воды (или вод-
ной вытяжки), а для контроля ставится на 2 стаканчика больше - для измерения pH
Глава 1
39
в начале и в конце экспозиции. Все стаканчики - промаркированы. Для приготовле-
ния разбавлений испытуемой воды используется биологизированная аквариумная
вода. В каждый из стаканчиков добавляется нужное количество культуры сценедес-
муса и доливается до 25 см3 испытуемой жидкостью в нужном разведении. Стакан-
чики ставятся в люминостат на 96 часов. Нужно стремиться поставить стаканчики
так, чтобы освещенность была во всех стаканчиках одинаковая, около 4000 люкс.
Для этого они ставятся на некотором расстоянии от края кюветы и от других ста-
канчиков. Перед подсчетом содержимое каждого стаканчика тщательно промешива-
ется кисточкой из щетины, подрезанной до половины бородки. Особенно тщательно
обрабатывается дно, так как на нем скапливается довольно много клеток микрово-
дорослей. Кисточка промывается в склянке с биологизированой водой и отжимается
о край склянки. Кроме того, стаканчики меняются местами для максимально точно-
го совпадения по их освещенности; перемещается и сама кювета из прозрачного
пластика.
Итак, доработка, в отличие от рекомендаций Методики-2, включает:
замену колб стаканчиками - их дно легче отмывается; объема 25 см3 вполне
достаточно, так как для подсчета берутся капельки объемом 0,002 мл;
использование культивационной среды для приготовления затравочной куль-
туры;
отказ от добавки растворов элементов среды в разведения, так как это часто
приводит к створаживанию раствора;
упрощение подсчета и расчета при определении количества затравочной куль-
туры, что важно, когда ежедневно берутся в работу десятки проб;
использование биологизированной воды для приготовления разведений испы-
туемой воды и контроля;
ежедневное перемещение стаканчиков в люминостате для максимального вы-
равнивания освещенности;
все стаканчики в кювете накрываем общим стеклом, чтобы уменьшить испа-
рение влаги.
На основе Методики и с учетом вышеперечисленных доработок составляется и
утверждается начальником лаборатории подробная рабочая инструкция, содержа-
щая четкие указания по выполнению каждого раздела данной методики.
Описанные выше методы и их модификации максимально упрощены для удоб-
ства их выполнения. Но биоэстимация, являясь экспрессным методом, все же требу-
ет значительных усилий для его освоения. Это связано с тем, что при подготовке
гидробиологов в вузах практически не используются увеличения светового микро-
скопа 300-400 крат, то есть выпускники не имеют навыков работы с такими увели-
чениями. Кроме того, часть биоэстиматоров являются новыми или крайне малоизу-
ченными видами. В связи с этим мы регулярно проводим семинарские занятия для
ускоренного обучения методу биоэстимации.
Глава 2
САМООЧИЩЕНИЕ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА
ВОДЫ
Как было сказано выше, предмет данного исследования - процесс
биотического самоочищения воды и его многократно ускоренный
аналог - биологическая очистка сточных вод.
Ранее господствовали утверждения, что процесс очистки воды в аэротенке
принципиально отличается от такового в природном водоеме, но появились и мне-
ния о сходстве этих процессов (Бурак и др., 2004). Мы изучали пробы морской воды
из прибойной зоны городского пляжа г. Анапы и обнаружили в ней типичные фло-
кулы активного ила; точно такие же флокулы обнаруживались во всех случаях, ко-
гда загрязненная природная вода, как соленая, так и пресная, энергично перемеши-
валась. Мы пришли к выводу, что процесс очистки воды в аэротенке и процесс са-
моочищения воды в природе не только принципиально не отличаются, но, по суще-
ству тождественны. Это тождество стало особенно очевидным при наблюдении за
прозрачностью энергично движущегося потока загрязненной воды в горной реке
Мзымта (Кавказ), по которой мы сплавлялись на катамаранах. В полевых условиях
мы не могли сделать других анализов, кроме определения прозрачности чтением
стандартного шрифта через слой воды (таблица 2.1). Но и результаты этих анализов
позволяют сделать адекватные выводы.
Таблица 2.1
Пробы воды, отобранной в реке Мзымта (Бешеная) в августе 2000 г.
Место отбора проб Прозрачность взболтанной воды, см Прозрачность отстоянной воды, см
В месте старта 4 7
Ниже по течению через 2 км 0,5 25
Ниже по течению через 5 км 16 30
Так, пробы воды, взятые из реки в месте старта, напоминают сточную воду, по-
ступающую на очистку; даже абсолютные значения ее прозрачности такие же, и
разрыв при отстаивании в течение двух часов такой же. Пробы воды, взятые при-
близительно через 2 км ниже по течению, хотя имеют крайне низкую прозрачность
взболтанной воды, после отстаивания приближаются по качеству к биологически
очищенной воде - 25 см. Еще ниже по течению и взболтанная, и отстоянная пробы
Глава 2
41
похожи на ту воду, которая бывает после вторичных отстойников при очистке сточ-
ных вод. Здесь сведения из области биологической очистки сточных вод вполне мо-
гут быть использованы при анализе процесса самоочищения природной воды. И
процессу биологической очистки свойственны все особенности самоочищения, при
котором происходит последовательная смена качественных характеристик воды -
уменьшение или устранение из нее различных растворенных органических веществ,
что и выражается в возрастании прозрачности отстоянной воды.
И при биологической очистке сточных вод, и при самоочищении воды в при-
родном объекте процесс обусловлен многочисленными физическими, химическими
или механическими факторами, но выполняется водной биотой, в первую очередь
органотрофными бактериями. Небактериальное население водных объектов участ-
вует в трансформации органических веществ прежде всего потому, что их кишечные
тракты заполнены активными микроорганизмами, то есть представляют собой
«микробиологические реакторы» (Умаров, 2003).
Изобретение технологии биологической очистки сточных вод сродни проблема-
тике бионики - науки, решающей инженерные задачи на основе сведений о жизне-
деятельности организмов. В данном случае за основу была взята возможность по-
требления бактериями органических веществ в процессе своей жизнедеятельности.
Между воздействием неблагоприятного фактора на очистку сточных вод в аэро-
тенках и снижением качества очищенной воды проходит, в среднем, несколько не-
дель, что затрудняет идентификацию причин нарушений, поэтому меры, принимае-
мые по показаниям качества, всегда запаздывают. Между воздействием неблагопри-
ятного фактора и нарушением процесса формирования качества обычно проходит
всего несколько часов, то есть сравнительно небольшой промежуток времени. От-
клик сообщества активного ила, адекватный нарушающим воздействиям, позволял
нам неоднократно вмешиваться в процесс на стадии формирования качества, пре-
дотвращать его снижение.
На построение системы контроля по отклику сообщества, то есть на создание
биоэстимации, потребовались десятилетия. Имея сведения о различных воздействи-
ях и возможность регулярно контролировать процесс, нам удалось выявить многие
причины нарушений и в дальнейшем, по изменению процесса, даже не имея сведе-
ний о воздействиях, а наблюдая только отклик сообщества на эти воздействия.
В природе (особенно в крупных малоподвижных водных объектах) промежуток
времени между воздействием на процесс и последействием (снижением качества
воды) может растянуться на десятилетия, что делает невозможным разработку био-
эстимации при наблюдении самоочищения воды в природных водных объектах. Од-
нако решив ее на таком мобильном объекте, как аэротенк, и уяснив, что процесс
биологической очистки воды по существу тождественен процессу самоочищения,
мы экстраполировали наши наработки по биологической очистке сточных вод на
самоочищение воды в природных и искусственных водных объектах.
42
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
2.1. Самоочищение воды и критерии ее качества
На то что процесс самоочищения представляет собой чрезвычайно
сложный комплекс явлений, анализ которого требует самого де-
тального и тонкого подхода к разным его сторонам, указывают многие авторы (Ни-
китинский, 1938; Морозов, 2001; Остроумов, 2006 и др.). Но важно во всем ком-
плексе явлений вычленить наиболее существенные из них, чтобы, опираясь именно
на них, управлять экосистемой.
Многие авторы утверждают, что процессы самоочищения и в морской, и в пре-
сной воде, по существу, тождественны (Яковлев, Колмаков, 1997 и др.). Следова-
тельно, биоэстимация может применяться одинаково успешно и в пресных, и в мор-
ских водных объектах для оценки самоочищения воды в них.
В моря и океаны постоянно поступает огромное количество загрязнений при-
родного и антропогенного происхождения с суши: древесины, взвешенного грунта и
растворенной органики. Более всего загрязнений приносят реки, интенсивно откла-
дывая их в эстуарной зоне. Выносится грязь и мелкими речушками, а также несмет-
ным количеством ручейков. Существуют стоки и снос загрязнений непосредственно
с берега - твердых или жидких. Различные виды бактерий, осуществляющие само-
очищение воды, обитают от зоны заплеска до самых предельных глубин Мирового
океана. Однако с глубиной количество бактерий, как правило, уменьшается. Больше
всего бактерий, как в количественном, так и в видовом отношении, обнаруживается
в высокопродуктивных районах. В открытом океане вдали от берегов большие кон-
центрации бактерий в основном отмечаются в тонкой, около 200 микрометров,
пленке его поверхности. На камнях и водорослях, в морских животных или в песке и
илу формируются особые сообщества микрофлоры. И во всех случаях анализа про-
цесса очищения воды биоэстимация приемлема, хотя виды, входящие в соответст-
вующие экологические группы, могут различаться весьма существенно. Однако ис-
пользование биоэстимации не требует идентификации до вида, достаточно распо-
знавать экологические группы (биоэстиматоры).
Негативное антропогенное (или природное, в результате катаклизмов) воздейст-
вие на водоемы называется «загрязнением» - введением в окружающую среду мате-
риалов или энергии, которые могут нанести ущерб жизненно важным ресурсам или
экологическим системам, или вызвать нарушения при их использовании (Manahan,
1994). Наиболее удачное определение, по нашему мнению, дано Н.Ф. Реймерсом:
«Загрязнение - привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не ха-
рактерных для нее физических, химических, информационных или биологических
агентов или превышение в рассматриваемое время естественного среднемноголет-
него уровня (в пределах его крайних колебаний) концентрации перечисленных аген-
тов в среде, нередко приводящее к негативным последствиям» (Реймерс, 1990).
Критерии качества воды - это «характеристики состава и свойств воды, опреде-
ляющие пригодность ее для конкретных видов водопользования» (ГОСТ 17.1.1.01-
77). Поскольку за последние 30 лет законодательное мировоззрение потеряло сугубо
антропоцентрическую направленность, современное понимание нормативов качест-
ва окружающей среды связывается также с «обеспечением устойчивого функциони-
Глава 2
43
рования естественных экологических систем и предотвращением их деградации»
(Федеральный закон, 2002, статьи 25-26). Оценивая качество воды, мы находимся
на точке зрения человека, то есть качество воды - всегда субъективная категория.
Ведь качество воды - это соответствие некоторых ее параметров нормативным до-
кументам. Это наше мнение согласуется с мнением Н.Г. Булгакова, который добав-
ляет, что «граница между нормальным и патологическим состоянием экосистем
представляет собой предмет соглашения между исследователями и лицами, прини-
мающими решения» (Булгаков, 2003). По сравнению с физическими и химическими
анализами, биотестирование дает интегральную картину качества воды, поэтому яв-
ляется более адекватной характеристикой состояния водного объекта. Так, СанПиН
2.1.4.1074-01 нормирует содержание вредных химических веществ, наиболее часто
встречающихся в природных водах, а также поступающих в источники водоснабже-
ния в результате хозяйственной деятельности человека, определяет органолептиче-
ские и некоторые физико-химические параметры питьевой воды. Здесь необходимо
отметить, что по большинству параметров российский СанПиН удовлетворяет ре-
комендациям Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) и не уступает зару-
бежным стандартам, а в некоторых позициях их даже превосходит. Но, к сожале-
нию, утвержденные еще во времена СССР нормативы всегда были весьма жесткими,
но редко соблюдались на практике, именно по причине избыточной строгости. Мно-
гие водопотребители предпочитают сразу платить штрафы, и сбрасывать неочищен-
ные стоки, а не строить очистные сооружения, а потом платить штрафы за такое ко-
личество ингредиентов, которое не достижимо на практике (0,02 мг/л по фосфору;
0,001 мг/л по меди и т.д.); заметим, что нормативы для питьевой воды - значительно
менее строги, например количество меди допускается в 1000 раз большее (1 мг/л).
2.2. Загрязнение воды гумусом
Значительная часть территории нашей страны располагается в при-
родной зоне с гумидным климатом (от лат. humidus - влажный). Ко-
личество атмосферных осадков здесь больше, чем может испариться и просочиться
в почвогрунты. Это формирует обильный поверхностный сток ручьев и рек, что
способствует развитию эрозионных форм рельефа и густой гидрографической сети.
При избыточном увлажнении особенно интенсивно экстрагируется из почвы и вы-
носится в водные объекты малоизученная субстанция под общим названием «гу-
мус», которая имеет особое значение при очищении как сточных, так и природных
вод, так как составляет основную часть органического вещества вод нашей природ-
ной зоны (Добровольский, Никитин, 2006).
Гумус имеют очень сложную структуру, и трудно обнаруживается традицион-
ными методами. Он образуется при разложении растительных остатков как в самой
воде, так и в результате экстракции из почвы водой тех потоков, которые впадают в
водоем, а также при смыве с берегов.
Количество органических веществ в воде обычно характеризуют величиной окис-
ляемости, т.е. количеством кислорода, расходуемого на окисление примесей сильны-
ми окислителями (КМпО4, К2Сг2О7). Концентрация органических веществ (водного
44
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
гумуса) может достигать 50 мг/л и выше (Справочник по свойствам, методам анализа
и очистки воды, 1980). Указанная в данном справочнике величина (50 мг/л), по наше-
му мнению, сильно занижена. Это всего лишь величина бихроматной окисляемости.
Часть трудноокисляемых гумусовых веществ не окисляется, а разлагается в анаэроб-
ных условиях, не может определяться по окисляемости, даже бихроматной.
Гумус имеет вид темного, коричневатого аморфного вещества. Ю. Одум под-
черкивает, что наиболее устойчивым продуктом разложения является именно гумус,
особенно входящие в его состав гуминовые вещества, - обязательный компонент
всех экосистем, с довольно неопределенным химическим составом, а также то, что
успехи в изучении гумуса незначительны. Он приводит возможную модель структу-
ры молекулы гуминовой кислоты с фенольными кольцами, с азотными и углевод-
ными остатками, делающими подобные вещества устойчивыми к разложению. Имея
хелатные комплексы, гумусовые вещества способны захватывать и накапливать ио-
ны тяжелых металлов (Ю. Одум, 1986). Гумус может включать и оструктуренные
отдельности, как волокнистые, так и тонкодисперсные, коллоидальные и бесструк-
турные (Дюшофур, 1970).
Водный гумус является наиболее трудно разлагаемым продуктом. Он содержит
в основном протеиновые соединения. В состав его входят также углеводы, жиры,
продукты конденсации ароматических соединений типа фенола с аминокислотами и
протеинами. В зависимости от размера молекул гуминовые соединения могут обра-
зовывать в воде истинные, коллоидные растворы и взвеси. Гуминовые кислоты спо-
собны, вследствие межмолекулярных взаимодействий, образовывать агрегаты моле-
кул - мицеллы (Ю. Одум, 1986).
Водный гумус часто именуют биоинертным веществом (деятельность анаэробов
не учитывается). Лишь его фрагменты доступны аэробным сапрофитам, а этих дос-
тупных фрагментов (их отчасти можно определить по ХПК) может содержаться
разное количество при одном и том же общем количестве водного гумуса. Так, в
очищенной воде Зеленоградской станции аэрации при ХПК = 15 мг/л (ВПК5 и взве-
шенные вещества - по 1 мг/л) было обнаружено 77 мг/л растворенного углерода
(методом Бекмана). А растворенный углерод - это еще далеко не весь гумус. Поэто-
му ХПК не может быть показателем общего количества растворенного органическо-
го вещества, а только его окисляемой части.
Еще меньше информации о нагрузке на водную биоту может дать показатель
биологического потребления кислорода (ВПК), так как наличие гумуса вообще не
изменяет этот показатель. Тем не менее ВПК по-прежнему остается основным нор-
мируемым показателем и для контроля, и для проектирования очистных сооруже-
ний. Не удивительно, что большая часть современных биологических очистных со-
оружений необоснованно лимитирована по энергозатратам, и как следствие - невы-
полнение установленных качественных показателей.
Таким образом, в настоящее время общее количество органических загрязнений
не может быть точно определено традиционными методами. Ориентировочно, с по-
мощью биоиндикации, можно установить, к какой именно зоне сапробности при-
надлежит данный участок водного объекта, но насколько успешно идет процесс
очищения воды в этой зоне, остается неизвестным.
Глава 2
45
По вспышкам численности биоэстиматоров можно определить уровень нару-
шающего воздействия органических загрязнений на деструкторов и, основываясь на
этих показаниях, разрабатывать восстановительные мероприятия, то есть процессом
можно управлять и не опираясь на качественные показатели воды. В любом случае,
если наблюдается обилие какого-либо биоэстиматора, процесс нарушен, как в при-
родных, так и в искусственных водных объектах.
В монографии «Жизнь пресных вод» (1950) особое внимание уделено обилию
раковинных корненожек в болотах. В. Шенборн отметил: «Разнообразие жизненных
форм почвенных видов раковинных амеб служит показателем условий среды, как в
почве, так и во мхах, в донных отложениях» (Шенборн, 1977). А.А. Бобров изучал
адаптационные морфологические особенности этих раковинных амеб в зависимости
от различных условий среды, пытаясь связать их с типами почв (Бобров, 2003). Оче-
видно, что раковинные корненожки являются показательными организмами нару-
шения процесса очищения воды, вызванного обилием гумуса. И при анализе про-
цесса биологической очистки сточных вод, если в населенном пункте использова-
лась в качестве водопроводной вода из поверхностных источников, мы всегда обна-
руживали большое количество раковинных корненожек в активном иле аэротенков,
и наоборот, в случае использования воды из глубинных скважин, где водный гумус
отсутствовал, в активном иле корненожки были представлены единично.
2.3. О сущности самоочищения воды
Самоочищение - фундаментальное свойство природной воды. Меж-
дународный стандарт предлагает следующее определение: само-
очищение - естественные процессы очистки загрязненной водной массы (ИСО
6107/1-1986, пункт 2.35). Стандарт РФ - такое определение: самоочищение - сово-
купность природных процессов, направленных на восстановление экологического
благополучия водного объекта (ГОСТ 27065-86, пункт 19); экологическое благопо-
лучие водного объекта - нормальное воспроизведение основных звеньев экологиче-
ской системы водного объекта (ГОСТ 17.1.1.01-77, пункт 46). Эти, безусловно, вер-
ные по форме определения не отображают сущности самоочищения воды.
Для более полного понимания сущности процесса самоочищения мы использо-
вали данные, полученные различными исследователями, изучающими процесс био-
логической очистки воды, прежде всего Роговской (1976).
Кроме данных о биологической очистке, мы использовали данные, полученные
исследователями почвенных микроорганизмов (Звягинцев, 2003). По нашему мне-
нию, почвенные микроорганизмы, по сути, являются водными, и корректней гово-
рить не «почвенные микроорганизмы», а «микроорганизмы, живущие в почвенной
влаге». В.И. Жадин (1950) описывал почвенную влагу, считая ее скопления самыми
настоящими маленькими водоемами, со всеми обычными водными обитателями,
производящими разложение органических веществ, растворенных в воде. Именно
поэтому исследования микробиологов-почвоведов для нас не менее важны, чем тру-
ды исследователей микроорганизмов водоемов.
46
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Ближе всего к выявлению сущности самоочищения подошел в своем определе-
нии К. Вурман: «Биологическое самоочищение воды - это комплекс процессов, обу-
словленных деятельностью организмов, которые вызывают изменение концентра-
ции составных частей воды, рассматриваемых как загрязнение» (Wuhrmann, 1974).
А биологическую очистку воды, представляющую собой многократно ускоренное
самоочищение, Ц.И. Роговская характеризует как метод, «основанный на способно-
сти микроорганизмов использовать в процессе своей жизнедеятельности различные
растворенные органические соединения и неокисленные минеральные соединения,
такие, например, как сероводород, аммиак, нитриты и др.» (Роговская, 1967). Одна-
ко как некорректно говорить, что проектирование очистных сооружений обусловле-
но деятельностью проектировщика, поскольку оно и есть деятельность этого инже-
нера. так некорректно говорить, что биологическая очистка сточных вод, как и са-
моочищение воды, обусловлено жизнедеятельностью организмов, оно и есть жизне-
деятельность микроорганизмов. Ведь именно органоротрофные микроорганизмы,
обеспечивая себе нормальное функционирование, потребляют такие вещества, кото-
рые для остальных гидробионтов являются загрязнениями (Н. Никитин, 2005).
Широко распространено мнение, что в самоочищении участвует вся биота вод-
ного объекта, причем значение различных групп ее представителей примерно оди-
наково. Общепринятое мнение выразил С.А. Остроумов, обобщивший в своей моно-
графии многочисленные работы, связанные с самоочищением воды: «В самоочище-
нии водных экосистем и формировании качества воды участвуют микроорганизмы,
фитопланктон, высшие растения, беспозвоночные животные, рыбы. Важно, что ка-
ждая из этих групп организмов вовлечена в несколько процессов системы самоочи-
щения. Эти группы организмов равным образом важны для нормального протекания
процессов самоочищения» (Остроумов, 2004). С таким высказыванием нельзя согла-
ситься: микроорганизмы и рыбы не могут быть «равным образом важны» для само-
очищения воды. Любой аквариумист скажет, что зачастую для восстановления нор-
мального качества воды в аквариуме следует удалить из него часть рыб.
Многочисленные наблюдения показали, что водоем реагирует на загрязнение
органическими веществами прежде всего колоссальным развитием бактерий и по-
следующим снижением их численности по мере уменьшения количества загряз-
няющих веществ. Роль микроорганизмов (прежде всего бактерий) в самоочищении
воды не идет ни в какое сравнение с ролью других гидробионтов. Только бактерии
при использовании в пищу органических веществ могут разлагать их до простых
минеральных веществ (прежде всего до углекислоты и воды); другие гидробионты
оставляют после себя шлаки, в свою очередь, разлагаемые бактериями. Небактери-
альное население существенно уступает бактериям в способности трансформиро-
вать растворенные органические вещества, но оказывается полезным в подготовке
нерастворенного вещества к бактериальному разложению (например, измельчают
твердую фазу, что готовит ее для потребления бактериями). Кроме того, небактери-
альное население водных объектов способно трансформировать какое-то количество
органического вещества, прежде всего потому что их кишечные тракты наполнены
активными микроорганизмами.
Глава 2
47
Очень ярко главенствующая роль микроорганизмов в деструкции органических
веществ в воде показана на примере очистки сточных вод в аэротенках активным
илом, который при оптимальных условиях представляет собой сообщество микро-
организмов, состоящее по массе на 99 % и более из бактерий.
Общая характеристика жизнедеятельности микроорганизмов, осуществляющих
самоочищение воды, очень важна для понимания его сущности и разработки систе-
мы восстановительного вмешательства в процесс самоочищения.
Большинство авторов подразделяют процесс самоочищения воды на физический,
физико-химический, химический и биологический процессы (Алимов, 2000; Морозов,
2001; Шитиков с соавторами, 2003 и др.). Некоторые справедливо уточняют, что био-
логические процессы стоят в центре всей системы самоочищения, оговаривая при
этом, что все эти процессы взаимосвязаны и накладываются друг на друга; а выделе-
ние индивидуально действующих факторов во многих случаях невозможно и прово-
дится лишь для удобства концептуального анализа (Остроумов, 2004). По нашему
мнению, биотические процессы не просто стоят в центре, а являются основными; все
остальные действуют на подготовительной стадии, способствуя интенсификации дея-
тельности микроорганизмов, оставляя в то же время большое количество шлаков.
Наглядным примером того, что именно биотические процессы составляют сущ-
ность очищения воды, может служить очистка сточных вод физическими, химиче-
скими или физико-химическими методами: после такой очистки возникает необхо-
димость утилизации большой массы часто токсических шламов. Но при биосферном
подходе к проблеме самоочищения перемещение загрязнений из одной точки про-
странства в другую, разбавление или испарение вряд ли можно считать очищением.
В отличие от других методов очистки сточных вод, только биологическая очистка
сточных вод может быть организована по безотходной технологии (Никитина, Ка-
гарманов, 2003).
В водном объекте наибольшую проблему представляют загрязнения биогенного
характера - органические вещества, которые и устранены (переработаны) могут
быть именно биотическим путем. Создавая технические устройства для очистки во-
ды от огромного количества антропогенных загрязнений - городские очистные со-
оружения - центральное место в них отводят именно биологической очистке сточ-
ных вод. В многостадийном комплексе очистных сооружений, включающем нейтра-
лизацию, процеживание на решетках, отстаивание, наиважнейшей стадией является
биологическая очистка, снижающая в среднем на 99,8% растворенные органические
вещества, разлагая их до углекислоты, воды и ряда простых веществ. Другие стадии
служат по существу не для очистки воды, а для подготовки к очистке - изъятию из
нее отбросов, песка, сырого осадка, которые потребуют в дальнейшем отдельной
обработки и размещения. Стадии, следующие за биологической очисткой (доочист-
ка на фильтрах, обеззараживание), могут и не потребоваться, если процесс биологи-
ческой очистки протекает нормально.
К сожалению, даже Общая гидробиология (Константинов, 1967) или Общая
микробиология (Шлегель, 1987) не дают общей характеристики жизнедеятельности
водных микроорганизмов. Учебники либо разбиты на разделы (бентос, планктон и
т.п.), либо характеризуют отдельные систематические группы организмов, либо ак-
48
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
центируют внимание на биохимических реакциях и круговоротах. Однако требуется
охарактеризовать жизнедеятельность микроорганизмов в целом, а это следует на-
чать с общей характеристики тех сложных приспособительных механизмов, кото-
рые обеспечивают гомеостаз - динамически подвижное равновесие между сообще-
ством и водной средой. Рассмотрим некоторые из них.
Основоположник учения о биосфере академик В.И. Вернадский считал, что жи-
вые организмы являются наиболее могущественной по своим конечным последст-
виям силой на Земле, формирующей качества таких биокосных тел, как вода, почва
и воздух. На I Всесоюзном совещании санитарных гидробиологов (Москва, 1969)
было отмечено, что качество воды как продукта формируется в результате биотиче-
ского самоочищения вод. Однако по поводу сущности биотического самоочищения
существовала и продолжает существовать масса мнений. Неадекватно оценивается и
роль микроорганизмов в самоочищении. Приведем несколько примеров этому.
«Скорость бактериального самоочищения водоемов вообще незначительна, по-
этому она не принимается в расчет выпуска в водоемы сточных вод, которые реко-
мендуется дезинфицировать» (Строгонов, 1939).
Некоторые преувеличивают роль макрофитов в самоочищении водоемов (Моро-
зов: «Очистка воды макрофитами», 2001; и др.), хотя макрофиты - это биотоп для
микроорганизмов, которые поселяются на подводных частях макрофитов.
Поразительный пример превратного понимания роли бактерий в жизнеобеспече-
нии здоровья человека, только в кишечном тракте которого функционирует более 500
видов симбионтных микроорганизмов, являет «забота» фирмы Samsung Electronics.
Она выпускает линию продуктов цифровой бытовой техники Silver Nano Health
System: «Представлены стиральные машины, холодильники, кондиционеры и пылесо-
сы, в которых используются компоненты с серебряным покрытием, напрямую
влияющим на здоровье и самочувствие пользователей. Samsung остановил свой выбор
на серебре, поскольку это безопасное и полезное (?) для здоровья вещество, которое
можно использовать для дезинфекции и дезодорирования поверхностей, соприкасаю-
щихся с кожей или пищевыми продуктами, при этом уничтожается 99,9% бактерий, и
бактерицидный эффект сохраняется в течение 30 дней» (Samsung, новости, 08.10.04).
В то же время известно, что серебро - самый ядовитый из всех тяжелых метал-
лов. Академик В.С. Петросян (1997) привел список ионов всех металлов, располо-
женных по мере убывания их токсического влияния на теплокровных животных,
при этом на первом месте - ион серебра как самый токсичный:
Ag, Hg, Cd, Си, Pb, Со, Sn, Be, Mn, Zn, Ni, Cr, Sr, Os, Li, Al.
Он также не рекомендует носить украшения из серебра и есть серебряными
ложками. Использование серебра в быту он называет еще большей дикостью, чем
использование свинцовых водопроводных труб в древнем мире, поскольку свинец в
указанном списке - на 5-м месте.
Альгологический аудит токсичности ионов ртути (Hg2') и серебра (Ag*) в почве
показал, что по всем показателям серебро для почвенных водорослей токсичнее рту-
ти. Спектр жизненных форм упрощался (деградировал) при воздействии ионов Ag+,
а не Hg2* (Филонова, 2002; smu.psn.ru). По данным разных авторов, ионы серебра
Глава 2
49
убивают от 260 и до 650 разновидностей патогенных микробов, вирусов и грибов,
что превосходит эффективность даже самых сильных антибиотиков. Можно пред-
положить, что серебро негативно повлияет на жизнедеятельность не только пато-
генных, но и на жизнедеятельность необходимых для нормального функционирова-
ния человека микроорганизмов.
Микроорганизмы играют значительно более важную роль, чем принято считать,
в жизни макроорганизмов, которым обеспечили и продолжают обеспечивать усло-
вия для существования водной биоты, в частности, нивелируя как негативное ан-
тропогенное влияние, так и последствия природных катаклизмов. По данным па-
леомикробиологии, нижнюю границу жизни следует относить к моменту формиро-
вания Земли, что говорит о беспрецедентной адаптационной способности микроор-
ганизмов. Как известно, бактериальная клетка лежит в основе всех других живых
существ; в процессе эволюции бактериальные клетки объединялись, дифференциро-
вались и составили многоклеточные организмы. Жизнь многоклеточных организмов
во многом определяется нормализацией внутренних сред за счет бактерий и других
мелких организмов.
Справедливо оценивает планетарную роль микроорганизмов М.М. Умаров: «60-
90% биомассы Земли представлено микроорганизмами; микроорганизмы во много
раз превосходят растения и животные по своей биохимической активности, по-
скольку имеют значительно более высокие соотношения своей поверхности к объе-
му. В системе почва-растение, производящей более 90% питания человека, именно
микроорганизмами осуществляется круговорот всех зольных элементов и азота; в
естественных условиях все горные породы и минералы (до нескольких км вглубь)
населены разнообразными микроорганизмами, которые при возникновении благо-
приятных условий разрушают их с выщелачиванием отдельных элементов; микро-
организмы переводят труднорастворимые соединения фосфора (апатит, фосфорит),
а также разнообразные органические соединения (фитин, гумусовые вещества), в
доступные для высших организмов» (Умаров, 2003).
На протяжении всего развития природоведческой микробиологии представления
о суммарной численности микроорганизмов в водной среде сильно изменялись, при
этом определяемая численность все время увеличивалась. Сначала применяли метод
посева на питательные среды и подсчитывали выросшие на них колонии, таким об-
разом, учитывая сравнительно немного микроорганизмов. Количество бактерий, на-
пример, в загрязненной воде определялось как млн. клеток в 1 л. Применение пря-
мого микроскопического метода позволило учесть в тысячи раз больше бактерий,
однако часть клеток нельзя учесть из-за их агрегирования (флокуляции). Электрон-
ная микроскопия позволила выявить микроколонии бактерий, покрытые общей не-
прозрачной капсулой и, таким образом, определяемая численность микроорганиз-
мов еще возросла. Та же картина наблюдалась и в почвенной микробиологии. По
данным Д.Г. Звягинцева, количество бактерий в почвах, определяемое прежде как
несколько млн./г почвы, при учете современными методами составляет от 1 до
10 млрд./г, а иногда даже нескольких десятков млрд./г. Огромное их количество из
почвы непрерывно поступает в водоемы и, в свою очередь, из водоемов - в почву.
Бактерии обладают рядом дополнительных возможностей, по сравнению с другими
50
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
представителями водной экосистемы, для обеспечения нормальных условий суще-
ствования себе и всем остальным гидробионтами. Д.А. Звягинцев выделил следую-
щие адаптивные возможности микроорганизмов:
- наличие резервного количества микроорганизмов в состоянии анабиоза;
- возможность различных видов микроорганизмов дублировать функции друг
друга;
- обратимость микробиологических процессов;
- способность сообщества микроорганизмов к адаптивной перестройке (Звягин-
цев, 2003).
Рассмотрим эти адаптивные возможности микроорганизмов применительно к
водной среде в связи с ее самоочищением.
2.3.1. Комплекс резервных микроорганизмов
Гомеостаз в природной среде поддерживается прежде всего благодаря тому, что
в ней всегда имеется резервное количество микроорганизмов в состоянии анабиоза
(греч. anabiosis - оживление). Анабиотическое состояние помогает им переживать
неблагоприятные периоды, в частности необеспеченность пищей. В климаксных
системах все синтезируемое в экосистеме органическое вещество разлагается, по-
этому запас органического вещества остается неизменным, только природные ка-
таклизмы и негативное антропогенное влияние приводят к сверхнормативному за-
грязнению воды органическими веществами, то есть к перегрузке основных дест-
рукторов. В таких случаях в процессы трансформации включаются резервные мик-
роорганизмы, которые приводят систему в состояние равновесия, то есть выполня-
ют функцию гомеостаза.
Большой запас микроорганизмов необходим прежде всего потому, что горизон-
тальное и вертикальное перемещение микроорганизмов может быть затруднено
вследствие неудовлетворительной проточности и турбулентности потока. Между
тем органическое вещество, как и другие вещества, поступает в различные участки
водоема неравномерно. Поэтому, чтобы обеспечить переработку веществ, в каждой
мезо- или даже микрозоне должен быть полный набор микроорганизмов, необходи-
мых для переработки всех поступающих в воду веществ. В разное время в данном
месте могут возникнуть различные зоны: аэробная или анаэробная с разными тем-
пературами, с изменяющимися значениями pH и пр. Каждый небольшой объем воды
должен содержать микроорганизмы, не только разлагающие органические вещества,
но и осуществляющие другие необходимые процессы (аммонификацию, гидролиз
органофосфатов, трансформацию ряда минеральных соединений и минералов). Ре-
зультат процесса микробной деградации минералов мы наблюдали под микроско-
пом в виде кварцоидов - микрозерен кварца, подвергшихся действию бактериаль-
ных экзоферментов, либо внутриклеточных ферментов при поглощении и после-
дующем выведении кварцевых зерен простейшими животными. Кварцоиды от
обычных кварцевых песчинок отличаются тем, что имеют слегка вогнутую форму,
каверны и другие изъяны.
Микроорганизмы обладают способностью при изменившихся условиях чрезвы-
чайно быстро размножаться. Запас неактивных микроорганизмов дает возможность
Глава 2
51
быстрее реагировать на изменившиеся условия и, таким образом, способствовать
более тонкому регулированию гомеостаза и быстрейшему его достижению.
С точки зрения выполняемой в экосистеме функции, следует различать две
группы микроорганизмов. Первая, основная, группа имеет существенное значение
для деструктивных процессов, это - прежде всего органотрофные бактерии. Во вто-
рой группе численность микроорганизмов гораздо меньше, но они разнообразнее в
видовом отношении. Не имея существенного значения в метаболических процессах,
вторая группа полезна для выживания экосистемы при нарушении условий жизне-
деятельности для микроорганизмов первой группы. Вспышки численности этих
микроорганизмов - адаптивная реакция экосистемы на изменение экологических
условий. Именно из этой, второй, группы были нами выбраны показательные мик-
роорганизмы (биоэстиматоры), наблюдение за изменением численности которых
позволяет проводить оценку хода самоочищения.
2.3.2. Комплекс метаболитов
Для поддержания активной жизнедеятельности микроорганизмов важную роль
играет комплекс внеклеточных метаболитов, который способствует выживанию
микробов в неблагоприятных условиях. В воде всегда присутствует некоторое коли-
чество веществ, являющихся продуктами жизнедеятельности различных организ-
мов. Это могут быть сахара, органические кислоты и спирты, аминокислоты, пури-
новые и пиримидиновые основания и т.д. (Звягинцев, 1987, 2003).
Механизм для поддержания комплекса метаболитов на определенном уровне
основывается на запасе внеклеточных иммобилизованных гидролитических фер-
ментов, благодаря работе которых запас простых органических веществ пополняет-
ся в результате гидролиза гумуса и других органических полимеров, а это дает воз-
можность существовать колоссальному комплексу микроорганизмов. При опти-
мальных для ферментативного процесса условиях этот комплекс может перерабо-
тать за сутки или несколько суток такое количество веществ, которое поступает в
воду в обычных условиях за год. Но в течение длительных отрезков времени могут
быть неблагоприятные условия для проявления ферментативной активности. Еще
важнее разобщенность фермента и субстрата. Фермент адсорбирован (иммобилизо-
ван) в одних микрозонах, а субстрат - в других (Звягинцев, 2003). Здесь особенно
важно динамическое обеспечение процессов деструкции органического вещества,
которое не только сталкивает субстрат, фермент и микроорганизм, но и отводит об-
разующиеся метаболиты. Мы наблюдали, как существенно улучшался процесс са-
моочищения воды (то есть активизировалась жизнедеятельность микроорганизмов)
в р. Сходне именно благодаря сбросу сточных вод, при условии их надлежащей очи-
стки, так как это резко увеличивало проточность и турбулентность потока (Никити-
на, 1999, Никитин, 2003).
52
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
2.3.3. Принцип дублирования
Каждый существенный физиолого-биохимический процесс в воде осуществля-
ется посредством функционирования нескольких дублирующих друг друга микро-
организмов. Известно, что такой важный процесс, как разложение целлюлозы, осу-
ществляется самыми разными в систематическом отношении микроорганизмами -
грибами, миксобактериями, актиномицетами, аэробными и анаэробными бактерия-
ми. Причем представители многих перечисленных групп находятся в каждом вод-
ном объекте. То же наблюдается и в почве, с которой водные объекты неразрывно
связаны. Если раньше предполагалось, что азотфиксацию осуществляют только
клубеньковые бактерии, азотобактер и клостридиум, то в настоящее время показано,
что этот процесс проводится очень многими и весьма различными микроорганизма-
ми: аэробными и анаэробными бактериями, автотрофами и гетеротрофами, сине-
зелеными и другими фотосинтезирующими бактериями. Долгое время процесс нит-
рификации приписывался исключительно узкой группе хемолитотрофных нитрифи-
цирующих бактерий. В настоящее время хорошо изучена так называемая гетеро-
трофная нитрификация, которая в широких масштабах вызывается рядом грибов и
гетеротрофных бактерий. Разнообразнейшие микроорганизмы участвуют в окисле-
нии и восстановлении железа и марганца (Звягинцев, 2003).
Многие виды микроорганизмов принимают участие в разрушении силикатов и в
синтезе новых минералов. Представления о специфичности функции определенных
микроорганизмов были явно преувеличены. Для удобства изучения микроорганиз-
мы были разбиты на физиологические группы, например азотфиксаторы, денитри-
фикаторы, нитрификаторы, аммонификаторы и т.д. Исследователь, изучив какой-
либо процесс, осуществляемый микроорганизмом и часто являющийся для жизне-
деятельности этого микроорганизма только одним из многих необходимых процес-
сов, называл микроорганизм по тому процессу, который был обнаружен. Все это
имеет свои закономерные исторические причины, но в дальнейшем происходила аб-
солютизация представлений и складывалось мнение, что Azotobacter sp. - основной
азотфиксатор, Ps. denitrificans - основной денитрификатор и Metallogenium sp. - ос-
новной рудообразователь. Однако по мере изучения новых микроорганизмов стало
ясно, что каждая из перечисленных функций широко распространена среди микро-
организмов. В последнее время выяснилось, что нет отдельных физиологических
групп бактерий азотфиксаторов и денитрификаторов. Один и тот же микроорганизм
может осуществлять тот или иной процесс в зависимости от конкретных условий
окружающей среды. При наличии органического вещества и недостатке связанного
азота в среде происходит азотфиксация. Если же имеется органическое вещество
при избытке связанного азота и недостатке кислорода - идет денитрификация. Если
тот же микроорганизм азотфиксатор-денитрификатор в процессе своего роста ис-
пользует белки или аминокислоты, то он становится аммонификатором. Обычно он
может осуществлять и гетеротрофную нитрификацию. Таким образом, генетические
возможности микроорганизмов оказываются весьма обширными и скорее нужно го-
ворить о различных физиологических процессах, осуществляемых одними и теми
же микроорганизмами, а не о физиологической особенности каких-либо конкретных
микроорганизмов (Бабьева, Зенова, 1989; Звягинцев, 1987, 2003).
Глава 2
53
Из сказанного, конечно, нельзя делать вывод об отсутствии физиологических
различий между микроорганизмами, однако нужно подчеркнуть полифункциональ-
ность каждого вида микроорганизмов. Принцип дублирования в проведении опре-
деленных физиолого-биохимических процессов широко распространен. Чем больше
дублеров, тем быстрее и надежнее идет процесс (разложение сахаров, спиртов, ор-
ганических кислот). Чем меньше дублеров, тем медленнее идет процесс (разложение
фенола, анилина, нафталина, ряда пестицидов и т.д.) и более он уязвим. Многие но-
вые, синтезированные человеком вещества, особенно трудны для разрушения имен-
но потому, что для осуществления их деградации мало дублеров. Принцип дублиро-
вания весьма широко действует в любых средах и, очевидно, дает возможность бо-
лее точно и тонко поддерживать гомеостаз даже в изменяющихся физико-
химических условиях. Этот важный вывод помогает понять, почему для восстанов-
ления нормального хода самоочищения в различных водных объектах, загрязненных
разными веществами, применяются аналогичные меры.
2.3.4. Принцип обратимости микробиологических процессов
Процесс превращения любого вещества микроорганизмы ведут в двух взаимно
противоположных направлениях (например: синтез и деструкцию).
Обычно микроорганизмы разлагают органические вещества с выделением СО2.
Однако в процессе автотрофной и гетеротрофной фиксаций они связывают COj в ор-
ганические вещества. Одни микроорганизмы разрушают белки, целлюлозу, хитин, но
они и образуют все эти соединения. Микроорганизмы совершают противоположные
процессы - азотфиксацию и денитрификацию. Они осуществляют восстановление и
окисление соединений азота, а также окисление и восстановление всех элементов с
переменной валентностью (железа, серы, марганца, сурьмы). Иногда противополож-
ные процессы совершает один и тот же микроорганизм, иногда - разные. Следует
особо подчеркнуть, что в этом удивительном свойстве микроорганизмов заложена ос-
нова их тонкой способности к поддержанию гомеостаза в экосистемах. Равновесие ус-
танавливается не по принципу простого химического равновесия, а более сложным
образом (Звягинцев, 2003). Не вдаваясь в тонкости этого механизма, подчеркнем, что
он подтверждает универсализм применения биоэстимации для любой водной среды, в
том числе для водных вытяжек из почв, а также возможность применения типовых
мер для восстановления нормального хода самоочищения воды повсеместно.
2.3.5. Адаптивная перестройка комплекса микроорганизмов
Если какие-либо микроорганизмы отсутствуют в воде, то со временем привно-
сятся в данную водную среду благодаря широко распространенной воздушной дис-
персии (пыльные бури) и ливневыми потоками. Конкретные условия среды опреде-
ляют, будут ли эти принесенные микроорганизмы доминировать или останутся не-
активными, или вообще будут вымирать. Очень долго господствовало мнение, что
«посторонний микроорганизм», попадающий в воду, как правило, быстро погибает.
Это необязательно, но внесенный микроорганизм, скорее всего, не сможет занять
господствующего положения среди аборигенных микроорганизмов.
54
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Важное свойство микроорганизмов - способность длительно сохраняться, не
проявляя заметной активности - ставит под сомнение целесообразность внесения
каких-либо «полезных» микроорганизмов в водные объекты, которые, как предпо-
лагается, должны проявлять активную деятельность, например при очистке сточных
вод. Специально выведенный микроорганизм никогда не займет доминирующего
положения, а может и вытесняться «дикой» флорой. Особый случай представляет
внесение микроорганизмов после изменения общей экологической обстановки. В
частности, после выявления воздействий токсичных промышленных стоков на про-
цесс очистки сточных вод, даже после пресечения таких воздействий, восстановле-
ние может очень сильно затянуться. В этом случае внесение порции активного ила,
не испытавшего действия токсиканта, с других очистных сооружений значительно
ускорит восстановление нормального хода очистки (Никитина, 1988). Но это - не
новые «полезные» микроорганизмы, а аналогичные природным сообщества микро-
организмов. В то же время внесение одного какого-либо «полезного» микроорга-
низма ничего не может дать, так как его ниша заведомо будет очень ограничена, и
он войдет как малая доля в число сотен видов. Если даже микроорганизм и займет
господствующее положение, то это будет означать адаптивную реакцию экосисте-
мы, направленную на восстановление исходного состояния. При этом экосистема
может пройти несколько этапов, внешне похожих на катастрофические. Например,
явление, называемое в гидробиологии «цветением», воспринимается наблюдателем
как катастрофа. На самом деле разрастание цианобактерий - это адаптивная реакция
на залповое загрязнение воды, обостряющееся после паводка, или как следствие
резко возросшей концентрации загрязнений при обезвоживании водоема и является
этапом на пути к нормальному его состоянию.
Познание роли комплекса водных микроорганизмов, сущности самоочищения,
позволяет разрабатывать стратегию восстановительного вмешательства в процесс
самоочищения воды в тех случаях, когда природа, в силу собственных или антропо-
генных неблагоприятных воздействий, не может справляться с переработкой орга-
нических веществ в воде.
Таким образом, самоочищение воды - это жизнедеятельность водной биоты
(главным образом микроорганизмов, а из них прежде всего бактерий), обусловлен-
ная комплексом абиотических процессов. Небактериальное население, существенно
уступая бактериям в трансформации растворенных органических веществ, оказыва-
ется полезным в деле подготовки нерастворенного вещества к бактериальному раз-
ложению. И все же кратко сущность этого процесса может быть выражена следую-
щим образом: самоочищение воды - это прежде всего динамически обеспеченная
жизнедеятельность бактерий. Исходя из этого определения, восстановление нор-
мального хода самоочищения следует начинать с увеличения подвижности воды.
Значительно реже выявляются недостаток бактерий-деструкторов (их не хватает,
они оказываются перегружены субстратом), еще реже - нарушающие воздействия
неблагоприятных промышленных стоков либо аналогичное воздействие природных
катаклизмов. При восстановлении нарушенных водных экосистем следует целена-
правленно проводить снятие лимитирующих жизнедеятельность бактерий факторов,
адекватных выявленным с помощью биоэстимации нарушающим воздействиям. Ан-
Глава 2
55
тропогенное воздействие на водные объекты может и должно стать положительным
(Никитина, Максимов и др., 2005).
2.4. Биологическая очистка сточных вод
Мы исходим из того, что биологическая очистка, как и самоочище-
ние - это прежде всего жизнедеятельность органотрофных бакте-
рий, и она может быть в той или иной степени лимитирована. В очистных сооруже-
ниях для снятия лимитирующих факторов предпринимаются различные меры: соз-
дается энергичное перемешивание водной среды, мощные возвратные потоки, вду-
вается воздух, выравнивается температура, добавляются биогены, устраняются
вредные влияния отдельных веществ и др. Благодаря этим мероприятиям добивают-
ся многократного ускорения процесса самоочищения.
2.4.1. Идентичность биологической очистки и самоочищения воды
Так как не только в водных объектах, но и в почве, в воздухе - везде присутст-
вует вода (влага, пар), представляется возможным считать, что во всех этих средах
сущность самоочищения одинакова, так как наличие влаги всегда будет способство-
вать жизнедеятельности бактерий, преобразующих различные вещества.
Ю. Одум предупреждает нас, что любое ускорение природных процессов обер-
нется для человека энергетическими и прочими затратами - в этом заключается од-
на из общих природных закономерностей.
Официально биологическая очистка сточных вод - это технологические процес-
сы очистки сточных вод, основанные на способности биологических организмов
разлагать загрязняющие вещества (ГОСТ 25150-82, пункт 24). В монографии
«Жизнь пресных вод» (1950, т.З) подчеркнуто, что «в искусственных условиях уда-
ется соединить вместе такие природные антагонисты, как ил и кислород, и создать
необычайно активную биологическую среду - активный ил, который совершает
грандиозную по масштабам окисления органических веществ работу». В данном
случае авторы имеют в виду очистку сточных вод в аэротенках. Но авторы биоту
(активный ил) почему-то называют «средой».
О том, во сколько раз природный процесс активизирован (ускорен) в аэротенках,
данных в литературе не приводится. Остается предположить, что процесс деструк-
ции загрязнений в аэротенке ускорен многократно, возможно даже в сотни тысяч
раз, по сравнению с таковым в равнинных пресноводных водных объектах. Но в мо-
ре или океане, во время шторма, этот процесс может идти гораздо интенсивнее, чем
в любом аэротенке. Более того, в прибойной зоне во время шторма мы всегда обна-
руживали типичные флокулы активного ила и представителей всех основных биоэс-
тиматоров процесса очистки воды.
По нашему мнению, процесс очистки и процесс самоочищения воды - идентич-
ны. По-видимому, в этом - проявление общего системогенетического закона: био-
технологическая, новая экосистема повторяет черты ее материнской первоосновы -
гидросферы, в которой происходят аналогичные деструктивные процессы. Исполь-
56
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
зуя дополнительный поток энергии, система не теряет упорядоченности, присущей
природным экосистемам (Реймерс, 1994).
Станция аэрации может рассматриваться как модель природного водоема, в ко-
тором процесс самоочищения воды многократно ускорен техническими средствами.
На рис. 2.1 изображена горная река, динамические условия в которой напоминают
таковые в аэротенке. В горных реках создаются чрезвычайно благоприятные усло-
вия для массообмена. для колоссальной скорости трансформации органических ве-
ществ, масса которых после ливней в горах чрезвычайно высока, но быстро элими-
нируется.
Рис. 2.1. Горная река по интенсивности массобмена мало отличается от аэротенка
Многие закономерности, выявленные при наблюдении очистки сточных вод,
помогают в понимании закономерностей процесса самоочищения в водоемах, в ко-
торых из-за больших интервалов времени между воздействиями и последействиями
эти закономерности ускользают от наблюдателя.
2.4.2. Из истории очистки сточных вод в аэротенках
Возможность очистки сточных вод в аэротенках установил в 1887 году англий-
ский химик г. Дибдин, писавший: «Правильное направление в очистке сточной жид-
кости состоит в том, чтобы сначала выделить осадок, а затем к осветленной жидкости
прибавить разводку специальных организмов, культивируемых для этих целей, потом
выдержать жидкость в течение достаточного времени, энергично ее аэрируя и, нако-
нец, спустить в реку». Таким образом, основные принципы биологической очистки
были известны уже в конце XIX века. Однако ни сам Дибдин, ни его последователи не
смогли осуществить на практике эту теоретическую разработку. Один из первых ис-
Глава 2
57
следователей биологической очистки сточных вод Н.Д. Аверкиев в 1909 году отмечал,
что метод этот очень перспективен и может применяться «от самых малых до колос-
сальных размеров». Но и это осталось на уровне теории. Начало практического вне-
дрения аэрационных сооружений относится к 1914-1916 годам, когда два английских
химика Е. Ардерн и В.Т. Локкет опубликовали подробное изложение разработанного
ими нового метода биологической очистки сточных вод. Именно эти авторы, проду-
вая в течение 5 недель манчестерскую сточную жидкость, получили осадок, добавка
которого к новой порции неочищенной жидкости ускоряла процесс очистки в сотни
раз. Они назвали этот осадок «Activated sludge» - активированный осадок - грязь, ил,
шлам (цитируется по. С.Н. Строганову, 1925). Сам С.Н. Строганов предложил назы-
вать его «активным илом», и с тех пор этот термин в нашей литературе утвердился.
Надо заметить, что термин этот не вполне удачен, так как состоит из двух слов, и пер-
вое, длинное, на практике опускается. Остается просто ил: доза ила, иловой индекс,
иловые насосы и т.п. А термин «ил» - занят другим значением: «Вязкий осадок из ми-
неральных или органических веществ на дне водоема» (Толковый словарь русского
языка, 1993). С экологической точки зрения ил - это биотоп, в то время как активный
ил - это сообщество живых организмов, то есть биота; биотоп в данной случае - аэро-
тенк. Чтобы уйти от этого противоречия, в 1938 году гидробиолог Н.Г. Захаров пред-
ложил название «актил». Но сам Н.Г. Захаров в том же году был репрессирован, а
предложенный им удачный термин не прижился.
В описании изобретателей технологии процесса биологической очистки сточных
вод - Е. Ардерна и В.Т. Локкета - он выглядел следующим образом: резервуар пе-
риодически наполняется сточной водой, к которой прибавлено 25% по объему ак-
тивного ила; аэрируется в течение 4 часов воздухом, подаваемым через пористые
черепицы, уложенные на дно, затем в течение двух часов смесь отстаивается без
аэрации; очищенная, отстоянная вода сливается, а к осевшему активному илу при-
бавляется новая сточная вода, и цикл повторяется (Строганов, 1925). Здесь следует
отметить, что 25-процентное по объему возвращение активного ила в аэротенк, от-
меченное авторами изобретения по факту, в дальнейшем было принято за аксиому,
породившую не вполне корректную концепцию «избыточного ила» (подробнее о
проблеме избыточного ила - в гл. 7).
Предложенный Е. Ардерном и В.Т. Локкетом способ очистки сточных вод с ак-
тивным илом давал превосходные результаты, но был неудобен, так как требовалось
периодическое наполнение и опорожнение резервуара. В 1915 году инженер
Л. Франк впервые предложил разделить процесс очистки на две стадии: аэрацию и
отстаивание, с возвратом осевшего в отстойнике активного ила в зону аэрации; ком-
плекс стал проточным. Благодаря проточному режиму упрощалась эксплуатация
очистных сооружений и увеличивалась их производительность.
Наблюдения ранних исследователей представляют исключительную ценность и
сегодня. Так, Е. Ардерн и В.Т. Локкет установили, что «активность» активного ила
значительно ослабевает, если за период аэрации аммонийные соли не окислены до
конца. Для восстановления его свойств необходима дополнительная аэрация - реге-
нерация активного ила. Это подтверждено в исследованиях Н.С. Максимовского
(1961). Мы установили, что специальная регенерация не требуется; достаточно бо-
лее интенсивного перемешивания иловой смеси в самом аэротенке.
58
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Н.А. Базякина (1923) установила, что «активность» активного ила не пропадает
при замораживании и высушивании. Это важное свойство может быть использовано
для создания запасов активного ила при запуске (перезапуске) очистных сооруже-
ний. Н.А. Базякина установила также, что если активный ил находится в отстойнике
более 30 минут, то он всплывает в результате денитрификации. Мы считаем, что де-
ло не в денитрификации, а в том, что, находясь на дне отстойника под давлением 5-
6-метровой толщи воды, активный ил продолжает жить своей жизнью, выделяя мно-
гочисленные газообразные вещества, такие же, как и в аэротенке, прежде всего уг-
лекислый газ. Накопление различных газов в слое активного ила приводит к его
всплыванию (подробнее о всплывании активного ила - в гл. 6).
Технические аспекты процесса очистки освещены многими авторами (Макси-
мовский, 1961; Орловский, 1963; Роговская, 1967, 1972; Поруцкий, 1975; Хаммер.
1979; Яковлев и др.,1975, 2004; СНиП, 1985; Брызгалов, 1987; Яковлев, Воронов,
2002; Хенце и др., 2004 и многие другие). Знакомство с этими работами позволяет
составить представление о среде обитания активного ила.
Биохимии процесса очистки посвящено довольно много работ (Базякина, 1923,
1930, 1936; Болотина, 1954; Орловский, 1963; Карюхина, 1966, 1977; Ганин, 1973:
Лус, 1971; Истомина и др., 1973; Лукиных, 1976; Яковлев, Карюхина, 1980; Яковлев
и др., 1985; Гюнтер, 1971, 1973, 1984, 1986; Яковлев, Воронов, 2002; Хенце и др.,
2004 и др). Наиболее четко биохимический процесс трансформации загрязнений в
аэротенках описан Ц.И. Роговской: «Все необходимые для роста и жизнедеятельно-
сти вещества микроорганизмы получают из очищаемой сточной жидкости. Многие
из веществ, присутствующих в производственных сточных водах, могут нарушать в
той или иной степени нормальную жизнедеятельность микроорганизмов, однако
обычно ядовитое действие проявляется лишь при высоких концентрациях вещества.
Микроорганизмы можно адаптировать к использованию различных химических со-
единений, если подвергать их воздействию этих соединений вначале при очень ма-
лой концентрации, а затем постепенно увеличивать ее до определенного предела, от
суток до месяцев - скорость адаптации зависит от жизнеобеспечения бактерий. Ме-
ханизм привыкания микроорганизмов к химическим соединениям полностью не
расшифрован. При нормальной работе искусственных аэробных очистных сооруже-
ний основная масса бактериальных флокул состоит из аэробов и микроаэрофилов,
причем некоторые из них могут использовать не только кислород атмосферы, но и
кислород минеральных соединений, например нитратов, сульфатов» (Роговская,
1967). Добавим, что в центральной части каждой флокулы размещаются анаэробы.
Аэрация не только насыщает иловую смесь кислородом, а служит прежде всего для
перемешивания иловой смеси, поддержания активного ила во взвешенном состоя-
нии и удаления различных, в том числе газообразных, метаболитов.
2.4.3. Станция аэрации как биологический реактор
Многие авторы считают, что биологические очистные сооружения с активным
илом - станции аэрации (СА) - могут рассматриваться как один из видов биологи-
ческого реактора (Каненко, 1972, 1978; Ахмедов и др., 1982; Калмыков и др., 1982;
Гвоздяк, 1983 и др.), то есть технического сооружения, где используется жизнедея-
Глава 2
59
тельность тех или иных организмов. БСЭ (2002) дает такое определение биологиче-
ского реактора: «аппарат, предназначенный для получения различных биологиче-
ских продуктов при размножении микроорганизмов в питательной среде и стериль-
ных условиях. Различают биологические реакторы периодического и непрерывного
(проточного) культивирования; для аэробного (с подачей воздуха на аэрацию) и ана-
эробного культивирования». В это определение включены «стерильные условия»,
которых на станции аэрации не может быть. Наиболее удачное, по нашему мнению,
определение биологического реактора, или биотехнической системы, приводит
В.М. Ахутина с соавторами (1981): «Биотехническая система представляет собой
совокупность биологических и технических элементов, объединенных в единую
функциональную систему, целостного поведения». Для управления такими систе-
мами необходим особый специалист - биотехнолог. Во многих отраслях такие спе-
циалисты имеются. Однако на СА практикуется наблюдение за технической состав-
ляющей поручать технологу, имеющему минимальные представления об активном
иле, а гидробиологу - наблюдать за состоянием организмов активного ила, причем
от управления станцией аэрации гидробиолог полностью устранен. Биотехнолог мог
бы регулировать процесс очистки в зависимости от изменения биотической состав-
ляющей, а не только опираясь на регламент, однако пока еще ни один вуз страны
таких специалистов не готовит. В гл. 8 приводится ориентировочная программа
подготовки такого специалиста и для курсов повышения квалификации, ориентиро-
ванные на освоение основных знаний, необходимых биологу-биотехнологу.
Биологические реакторы, как искусственные экосистемы, отличаются от при-
родных экосистем прежде всего прямой зависимостью от управления извне, то есть
от антропогенного фактора. Необходимо различать позитивное и негативное антро-
погенное воздействие, не синонимируя антропогенное с негативным, а природное с
позитивным. Так как человек может восстановить прежнее состояние природного
объекта как после своего нарушающего воздействия, так и после природных катак-
лизмов, а природные катаклизмы (цунами) могут привести к катастрофическим за-
грязнениям воды. Приходится признать, что некоторые природные водоемы уже не
могут нормально существовать без восстановительного вмешательства человека, а
также и то. что ряд экологов с интересом наблюдают процесс деградации многих
водных объектов вместо разработки и применения восстановительных мер.
Значительное ускорение природных процессов - другая важная особенность био-
логических реакторов. И хотя эта интенсификация связана с большими затратами на
поддержание искусственных экосистем, их значение будет постоянно возрастать.
Работа СА, как и любого биологического реактора, не должна зависеть от сезо-
нов года и географического положения.
К сожалению, с экологической точки зрения биореакторы, в том числе станции
аэрации (СА), изучаются недостаточно; многочисленные работы, посвященные био-
логическим реакторам, рассматривают их с технической, биохимической или эко-
номической позиций (Vincent, 1993; Яковлев, Морозов, 2002; Хенце и др., 2004).
60
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
2.4.4. Станция аэрации как биотехническая экосистема
Основное сооружение станции аэрации - это неразрывный комплекс аэротенк-
отстойник с непрерывной рециркуляцией активного ила из зоны отстаивания в зону
аэрации. Перемешивание (аэрация) иловой смеси в аэротенке и выгрузка осевшего
ила из отстойника находятся под наблюдением обслуживающего персонала. Однако
и в зоне аэрации, и в зоне отстаивания на практике часто происходят сбои, которые
не всегда могут отследить оперативные работники. Интенсификация процесса очи-
стки сточных вод на станции аэрации обеспечивается повышением концентрации
деструкторов, увеличением промешивания смеси активного ила с очищаемой жид-
костью и ускорением возвратного потока - рециркуляции активного ила.
Изучение станции аэрации (СА) как экосистемы имеет большое значение и для
развития биотехнической экологии в целом, так как здесь наиболее полно, разнооб-
разно и наглядно представлены взаимодействующие компоненты со сложной струк-
турой связей. Кроме того, контроль и управление СА, как моделью природного вод-
ного объекта, поможет обеспечить значительно более целесообразное природополь-
зование и природовосстановление.
Ю. Одум (1986) подчеркивает, что экосистемы - это открытые системы, поэтому
важной их составляющей является среда на входе и среда на выходе.
Масштабы изменения среды на входе и выходе зависят от:
1) размеров системы;
2) интенсивности обмена;
3) сбалансированности автотрофных и гетеротрофных процессов;
4) стадии развития системы.
Используя в качестве аналога рассуждения Ю. Одума о масштабах изменения
среды на входе и выходе из природной экосистемы, заметим, что изменение среды
на выходе по сравнению со средой на входе в биологических очистных сооружениях
зависит от тех же условий:
1) размеров системы (чем больше аэротенки, тем менее заметны изменения в ка-
честве среды на выходе (очищенной сточной воды), то есть сглаживаются по-
следствия от неблагоприятных воздействий);
2) интенсивности обмена (чем интенсивнее массообмен в аэротенках, тем выше
допускается скорость притока загрязнений без ущерба для качества очищен-
ной воды, а интенсивность задается высокой концентрацией деструкторов -
активного ила, и динамическим обеспечением);
3) сбалансированности автотрофных и гетеротрофных процессов (чем сильнее
нарушено равновесие в пользу гетеротрофов, тем больший допустим приток
органических веществ извне, более концентрированную сточную жидкость
по готовым органическим веществам можно принять на входе);
4) стадии развития системы (зрелый активный ил отличаются от молодого
большей надежностью, так как все гомеостатические механизмы в нем более
развиты).
Выживание в реальном мире - не всегда выживание наиболее эффективных ви-
дов в монокультуре; чаще выживают виды, преуспевающие в смешанной культуре в
Глава 2
61
неоптимальных условиях. Иными словами, то, что эффективно в изоляции, не обя-
зательно будет эффективно в сообществе, где все определяет взаимодействие видов.
Этот тезис Ю. Одума реализован в аэротенке на примере образования флокул из
различных бактерий, прекрасно уживающихся в подобных микрокосмах. Здесь ана-
эробные, микроаэрофильные и аэробные формы тесно функционально связаны и
дополняют друг друга (подробнее о бактериальных флокулах - в гл. 3).
Наиболее частые наблюдавшиеся нами нарушения технологического режима,
неблагоприятно влияющие на активный ил:
- недостаточная аэрация (точнее - промешивание иловой смеси, насыщение ки-
слородом не актуально, так как большая часть микроорганизмов - микроаэро-
филы);
- несвоевременная выгрузка осевшего активного ила со дна отстойников;
- недостаточная скорость рециркуляции активного ила;
- образование зон залежей в системе его циркуляции;
-шоковые нагрузки по органическим веществам.
Как биотоп, СА характеризуется рядом особенностей, по сравнению с континен-
тальными водными объектами:
1) основная масса органических веществ привносится в систему, а не синтезиру-
ется в ней;
2) обеспечивается высокий уровень питательных веществ и постоянная их по-
ставка;
3) поддерживается высокая биомасса микроорганизмов-деструкторов, позво-
ляющая трансформировать огромные массы загрязнений в небольшом объеме
за короткое время;
4) интенсивное промешивание и проточный режим обеспечивают непрерывное
отведение метаболитов, что особенно важно для сохранения целостности
флоккул за счет отведения газообразных метаболитов за пределы клеток, за
пределы флокул, за пределы иловой смеси в атмосферу;
5) поддерживается достаточное количество растворенного кислорода при оби-
лии органических веществ;
6) как правило, обеспечивается постоянная оптимальная температура.
Последние два пункта не так и важны для очистки сточных вод; как будет пока-
зано в гл. 5, определяющим остается фактор динамического обеспечения процесса
очищения воды.
Таким образом, в аэротенке природный процесс самоочищения воды многократ-
но ускорен техническими средствами по сравнению с таковым в равнинных водных
объектах. В то же время в горных реках и в прибойной зоне морей, в подножии во-
допадов можно наблюдать тот же процесс, протекающий не менее интенсивно, чем
в аэротенке.
Сточные воды современных городов представляют собой смесь хозяйственно-
бытовых и промышленных стоков, причем последние в отдельных случаях могут
составлять значительную часть этой смеси, что существенно затрудняет очистку. Но
даже в поселках, курортных городках, в отдельных коттеджах стоки всегда содер-
жат примеси промышленного происхождения. Они сбрасываются котельными, га-
62
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
ражами, кустарными и ремонтными предприятиями, комбинатами бытового обслу-
живания, санитарными и исследовательскими учреждениями либо попадают в сточ-
ную воду благодаря использованию бытовой химии. Большую опасность для биоты
аэротенка представляют собой широко рекламируемые антибактериальные средст-
ва, которые население все больше использует в быту. Реклама утверждает: «Данное
средство убивает все известные микробы!». При этом если стоки предприятий стро-
го регламентированы по качеству, то бытовые стоки никто не проверяет, так как по
традиции они считаются полностью безопасными и легко очищаемыми. В нашей
практике был случай, когда концентрация бытовой сточной воды от коттеджа пре-
вышала 10 000 мг/дм3 по ХПК. Показателен пример со стоками заводика по произ-
водству детских сырков, к которому было приковано пристальное внимание сани-
тарных служб. Его стоки вообще не подлежали биологической очистке из-за приме-
нения при обработке технических емкостей четырех патентованных обеззаражи-
вающих средств, лицензированных и рекомендованных всеми контролирующими
инстанциями. «Все известные микробы», за исключением водных грибов, оказались
убиты. Грибковый активный ил, хотя и образовал довольно большую массу, воду не
чистил: на выходе вода была грязнее, чем на входе. На рис. 2.2 и 2.3 приведены
микрофотографии этих грибов и флокулы из их спор.
Как среда обитания сточная вода отличается от обычной природной значительно
большей концентрацией взвесей различных фракций и плотности, коллоидов, газов
и всевозможных растворенных веществ, полный состав которых в настоящее время
не представляется возможным определить. Контролируются те вещества, для кото-
рых разработаны ПДК, причем за несколько десятилетий, в результате достаточно
долгих исследований, для водоемов установлены тысячи ПДК, тогда как число за-
грязняющих веществ антропогенного происхождения превысило миллионы наиме-
нований и ежегодно синтезируется около четверти миллиона новых химических ве-
ществ (Булгаков, 2003). Гораздо эффективнее контроль вести не по ингредиентам, а
по биоиндикации, биотестированию или по биоэстимации.
Загрязнение сточных вод болезнетворными микроорганизмами зачастую пре-
увеличивается. Некоторые авторы утверждают, что «на всех стадиях очистки сточ-
ных вод - огромное количество болезнетворных микроорганизмов» [Хенце и др.,
2004]. Или «даже самые высокоэффективные очистные сооружения не обеспечива-
ют дезинфекции стоков без специальных устройств обеззараживания» [Бутин и др,
1996]. Однако мы в течение нескольких десятков лет наблюдали работу Зеленоград-
ской станции аэрации, стоки, поступающие на которую, ежемесячно проверяли две
СЭС (Московская и Зеленоградская) и периодически - 2 санитарных НИИ; при этом
ни разу не было обнаружено никаких болезнетворных бактерий, вирусов или жизне-
способных яиц гельминтов. Городская канализационная сеть представляет собой
своего рода «аэротенк», в котором всегда присутствует достаточное количество рас-
творенного кислорода (2-5 мг/л) и типичные бактериальные флокулы активного
ила. Здесь под прессом сапротрофных микроорганизмов погибают практически все
болезнетворные микроорганизмы; если какие-либо инцистированные формы и со-
храняются, то в аэротенке у них не остается никакого шанса на выживание. И все же
иногда болезнетворные агенты обнаруживают на выходе из некоторых очистных
Глава 2
63
сооружений. Обследование показало, что это - результат грубого нарушения про-
цесса очистки сточных вод, когда имеет место заплеск неочищенной воды в конец
аэротенка, при этом конкретная канализационная сеть, по которой подаются стоки
на очистку, очень короткая.
Известно, что в природе всегда имеются петли обратной связи, делающие всю
систему более экономичной, за счет управления внутренним состоянием системы
возвращающимися в нее продуктами. Это в полной мере можно отнести к рецирку-
ляции активного ила: при всех нарушениях очистки сточных вод следует увеличить
процент рециркуляции активного ила, вплоть до того, что та же самая вода будет
проходить через аэротенк два-три раза, пока не будут достигнуты заданные пара-
метры качества на выходе из системы.
Многие параметры, определяемые в разовых пробах сточных вод, поступающих
на очистку, в течение суток изменяются в 2-10 раз. Эта нестабильность усугубляет-
ся неравномерностью притока воды на станцию - от почти полной остановки (на
малых С А стагнация может длиться до 10 часов и более) до сильного гидравличе-
ского толчка. Максимальный приток часто совпадает по времени с максимальной
концентрацией стоков, поступающих на биологическую очистку. Но в аэротенке все
показатели выравниваются, особенно если он работает с большой концентрацией
активного ила. Как правило, сточная вода содержит все необходимые элементы, ви-
тамины, гормоны и это делало бы ее превосходным субстратом для развития орга-
низмов активного ила, не будь в ней еще и многочисленных вредных примесей, в
частности радиоактивных, токсичных, мутагенных веществ, чаще всего ускользаю-
щих из-под обычного санитарного контроля. Однако биоэстимация помогает полу-
чить интегральную картину процесса очистки сточных вод и контролировать прак-
тически все основные нарушающие процесс воздействия.
Обобщая сказанное, можно заключить, что биотическое очищение воды - это
прежде всего жизнедеятельность органотрофных бактерий, как при очистке сточ-
ных вод, так и при самоочищении воды в природе. Как следует из этого определе-
ния, нарушение процесса биотического очищения воды - это неблагоприятное воз-
действие различных факторов на жизнедеятельность органотрофных бактерий. Соз-
давая наиболее благоприятные условия для этих бактерий, снимая лимитирующие
факторы, мы можем многократно ускорять процесс очищения техническими средст-
вами.
Глава 3
СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ ФЛОКУЛ АКТИВНОГО ИЛА
Движущим механизмом всякого объединения служит действие пра-
вила конструктивной эмерджентности: «выгода» большей надежно-
сти объединения, чем надежность слагающих его частей (Реймерс, 1994). Примером
такого взаимовыгодного объединения являются флокулы активного ила, в которые
объединяются бактерии в любой подвижной водной среде. Зрелая флокула - это, с
одной стороны, «сверхбактерия», по форме напоминающая бактерию наиболее рас-
пространенной, эллипсоидной формы, при этом выполняющая в экосистеме боль-
шее число функций, а с другой стороны - это «многоклеточный организм» с диффе-
ренцировкой клеток по слоям, в зависимости от потребностей в кислороде, и с соот-
ветствующей детализацией в трансформации различных веществ.
Многие авторы, изучающие колонии бактерий, обращают внимание на то, что
подобно колониям многоклеточных животных (кишечнополостных, мшанок) и
семьям социальных насекомых и некоторых млекопитающих (бесшерстных кротов),
микробные колонии вполне заслуживают название «суперорганизмы» (Олескин и
др., 2000). А.В. Григорьев, изучая микрофлору кишечника человека, пришел к убе-
ждению, что агрегирование не только способствует вирулентности патогенной фло-
ры, но и является общебиологическим свойством всех бактерий, эволюционно на-
правленным на сохранением вида (Григорьев, 2002).
3.1. Определения активного ила
Международная стандартизация предлагает такое определение:
«Активный ил - это биологическая масса (флокулированные
осадки), образованная во время очистки сточных вод в результате роста бактерий и
других микроорганизмов в присутствии растворенного кислорода» (ИСО 6107/1-
1986, пункт 1.2.6.1). В этом определении, по нашему мнению, содержатся несколько
неточностей: 1) «масса» и «осадки» - этими терминами обычно характеризуют
мертвую материю, а здесь именуют живые организмы, представляющие собой биоту
данной экосистемы; 2) «в присутствии растворенного кислорода» - наличие свобод-
ного кислорода - не обязательное условие: флокуляция наблюдается и в отсутствие
кислорода, например в метантенках. 3) подобное сообщество образуется не только
при очистке сточных вод, но и во всех случаях интенсивного движения загрязнен-
ной органическими веществами воды.
Глава 3
65
Более корректным нам представляется такое определение: активный ил - это
сообщество организмов, главным образом, флокулированных бактерий, которое
образуется при интенсивном движении сточной или другой воды, содержащей/
растворенные органические вещества.
Активный ил был впервые обнаружен при аэрации сточной жидкости, описан и
назван (Activated sludge) изобретателями технологии «Activated sludge process»
(Ardem, Lokket, 1914, цитировано по: С.Н. Строгонову, 1925).
Типичные флокулы активного ила можно обнаружить не только в аэротенках, но
и везде, где интенсивно движется загрязненная вода (в метантенках, в канализаци-
онных трубах, в прибойной зоне морей и т.п.). В сточной, как и в любой другой за-
грязненной органическими веществами воде, содержатся многочисленные мелкие
организмы и их зачатки - споры, цисты, яйца. Те организмы, которым режим аэро-
тенка благоприятен, размножаются, остальные - элиминируются, так же как и в
природе. Лучше всего условия в аэротенке соответствуют потребностям органо-
трофных бактерий, которые здесь образуют характерные агрегаты - флокулы актив-
ного ила, представляющие собой структурную и функциональную его основу (на
практике их чаще называют хлопьями).
3.2. Образование флокул активного ила (флокуляция)
Из учебников известно, что флокулы активного ила образуются в
аэротенках, и что «во флокулах бактерии оказываются погружен-
ными в фибриллярный матрикс» (Карелин и др., 1973). Полисахаридные и пептид-
ные компоненты матрикса, в частности, включают в себя ряд крио-, термо- и ксеро-
протекторов (Феофилова, 1992). Но сам механизм объединения бактерий во флоку-
лы не достаточно изучен. Дженкинс с соавторами считает, что: «Макроструктура
активного ила состоит из нитчатых организмов, которые формируют сеть, за кото-
рую цепляются формирующие скопление бактерии. Эта сеть нитчатых организмов
сообщает скоплениям прочность и возможность увеличения размера. Как следствие
этого, сохранение их целостности в аэротенке, где поддерживается интенсивное
движение среды» (Jenkins и др., 1993). Это высказывание вносит дезинформацию,
поскольку для процесса очистки сточных вод нет ничего хуже, чем разрастание в
активном иле нитчатых организмов. В норме они отсутствуют.
Некоторый свет на формирование бактериальных флокул проливают исследова-
ния А. Москоны (1966), который занимался не агрегацией бактерий, а агрегацией
разрозненных клеток зародышей многоклеточных организмов. Выявленные им за-
кономерности мы экстраполировали на процесс объединения бактерий во флокулы,
так как видим большое сходство в механизме образования флокул и механизме объ-
единения разрозненных клеток в агрегаты. Так, А. Москона установил, что одно из
главных условий успешного объединения клеток - это наличие подвижной среды.
Это условие в аэротенках обеспечивается интенсивной аэрацией. Явление, извест-
ное как образование пенного детрита (Ю. Одум, 1986 и др.), по нашему мнению, не
что иное, как флокуляция бактерий, аналогичная флокуляции в аэротенках, по-
66
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
скольку в полосе прибоя происходит энергичное встряхивание среды - морской во-
ды, обогащенной органическим субстратом, что мы наблюдали многократно.
Другой важный вывод А. Москоны: «Клетки в процессе объединения обмени-
ваются веществами, которые, возможно, не только обеспечивают передачу сигна-
лов, но и служат материалом для образования специфических связей между клетка-
ми. Между клетками остается промежуток, заполненный некоторым цементирую-
щим веществом, обладающим значительной эластичностью. Скрепляя клетки, оно
не мешает им перегруппировываться, не нарушая связи, существующей между ни-
ми. В архитектонике составных клеточных агрегатов большую роль играют избира-
тельность по отношению к тому или иному участку, конкуренция, физиологические
потребности» (Москона, 1966).
Можно предположить, что аналогично идет образование бактериальных флокул
в аэротенке: в инициальных, молодых флокулах из разных видов бактерий образует-
ся беспорядочный конгломерат. Затем следует перегруппировка в зависимости от
физиологических потребностей различных бактерий, и прежде всего от их отноше-
ния к молекулярному кислороду. По этому признаку прокариоты различаются весь-
ма значительно; их разделяют на несколько групп.
В учебнике «Микробиология» (Гусев, Минеева, 2006) перечислены группы мик-
роорганизмов, различающихся по их отношению к кислороду: к облигатным аэро-
бам, которым кислород необходим, относится большинство прокариотных организ-
мов. Среди облигатных аэробов обнаружены существенные различия в отношении к
уровню молекулярного кислорода в среде. Некоторые представители этой группы не
способны к росту при концентрации О?, равной атмосферной, но могут расти, если
содержание О? в окружающей среде будет значительно ниже (порядка 2%), то есть
микроаэрофилы. Известны прокариоты, для метаболизма которых О2 вообще не ну-
жен, то есть облигатные анаэробы. К ним относятся метанобразующие архебакте-
рии, сульфатвосстанавливающие, масляно-кислые и некоторые другие эубактерии.
Некоторые облигатно анаэробные прокариоты произошли от аэробов в результате
вторичного приспособления к анаэробным условиям. Многие из анаэробов не выно-
сят присутствия даже незначительных количеств молекулярного кислорода в среде
и быстро погибают, то есть являются строгими анаэробами. Многие прокариоты,
относящиеся к этой же группе, приспособились, в зависимости от наличия или от-
сутствия О2 в среде, переключаться с одного метаболического пути на другой, на-
пример с дыхания на брожение, и наоборот. Это - факультативные анаэробы, или
факультативные аэробы. Строго анаэробные прокариоты обнаружены в природе в
местах, где наблюдается активное развитие облигатных аэробов. Вероятно, совмест-
ное развитие с облигатными аэробами, активно потребляющими молекулярный ки-
слород, приводящее к образованию зон с низкой концентрацией О2, создает воз-
можности и для развития строго анаэробных видов (Гусев, Минеева, 2006).
Весь спектр бактерий, перечисленных выше, занимает свою нишу во флокулах
активного ила по мере их созревания. При этом происходит перераспределение бак-
терий в соответствии с их отношением к кислороду: анаэробы перемещаются ближе
к центру флокул, аэробы - к краям; в промежутке располагаются микроаэрофилы и
факультативные анаэробы.
Глава 3
67
А. Москона (1962) обнаружил, что клетки одинаковые по функциям, но взятые
из зародышей разных видов животных, образовывали ткани-химеры. Факторы, бла-
годаря которым эти клетки распознают друг друга и образуют ткани, преодолевают
преграду межвидовых различий, при этом клетки будущих костей перемещаются к
центру, а будущей кожи - к краям агрегата. Он также обратил внимание на то, что
разрозненные клетки, первоначально взятые из зародышей позднего возраста, утра-
чивают способность объединяться в подвижной среде. Этот вывод справедлив и для
флокул активного ила: фрагменты зрелых флокул, распавшихся в результате дефло-
куляции, не способны объединиться или восстановить нормальную форму; они об-
речены на вымывание из системы.
Shapiro (1995) сообщает, что колонии практически всех прокариотических ви-
дов, прежде всего бактерий, демонстрируют способность к клеточной дифференци-
ровке и многоклеточной организации, где они в основном существуют в виде био-
пленок, цепочек, матов и микроколоний. Мы предположили, что и в клеточных аг-
регатах, и во флокулах клетки располагаются в зависимости от их отношения к ки-
слороду. Таким образом, несмотря на очевидную разницу между объединением кле-
ток в ткани и объединением бактерий во флокулы, определенные аналогии просту-
пают весьма рельефно.
Агрегация бактерий происходит в различных местообитаниях: в почве (Ники-
тин, 1974; Добровольский, Никитин, 1990, 2006; Griffits, 1965 и др.]; в море (Одум,
1975; Батурина и др., 1979); в культуре, при встряхивании жидких питательных сред
(Collins, 1955 и др.). В зобе цыпленка агрегаты образованы лактобациллами, кото-
рые скрепляются между собой и прикрепляются к стенкам зоба выростами (ворсин-
ками, пилями, фимбриями) в виде полых цилиндров, отходящих от поверхности
клетки (Taller, Lovelock, 1976). В кишечнике человека клетки Е. coli скрепляются
между собой и со стенками кишечника также с помощью ворсинок. По-видимому,
авторы, как и мы, имели дело с типичными бактериальными флокулами. Любой во-
доем - это потенциально «сооружение» для биологической очистки воды от органи-
ческих загрязнений, в котором всегда возможна агрегация бактерий, вплоть до обра-
зования типичных бактериальных флокул, аналогичных флокулам активного ила.
На электронограммах флокул активного ила (рис. 3.1) видна фибриллярная
структура пространства между бактериальными клетками, обусловленная перепле-
тением ворсинок. Особенно четко густая сеть ворсинок видна на фотографиях по-
верхности флокул (рис. 3.2).
Г.И. Нови и В.В. Высоцкий (1995) сообщают, что «Межклеточные контакты
формируются за счет многообразных поверхностных структур, включая микрофиб-
риллы, шишковидные выступы, эвагинаты клеточной стенки, гликокаликс, отражая
«генетически детерминированную закономерность развития микробных популяций
как саморегулирующихся многоклеточных систем».
Д.И. Никитин и Э.С. Никитина (1978) считают, что в основе формирования ско-
плений микроорганизмов лежит проявление одной из важнейших особенностей жи-
вых клеток - способности к агрегации и к развитию от более простых к более слож-
ным уровням организации. Они приводят схему агрегирования бактериальных кле-
ток: от почкующихся бактерий до объединения с помощью фимбрий.
68
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Рис. 3.1. Электронограмма фрагмента флокулы: бактерии
во флокулах скреплены ворсинками, выходящими далеко
за пределы бактериальных клеток и образующими фиб-
риллярный матрикс. Препарат получен с использованием
замораживания-скалывания; X 60 000
Рис. 3.2. Электронограмма поверхности флокулы: вор-
синки выходят не только за пределы бактерий, но и за
пределы флокул, обеспечивая сопряженное оседание мас-
сы активного ила во вторичном отстойнике (blanket). При
этом ворсинки простираются далеко за пределы флокул,
чего на фотографии не видно, так как они обломаны во
время замораживания-скалывания; X 9 000
Глава 3
69
Э.К. Голубовская (1978) высказывает предположение, что фимбрии играют
роль и в формировании флокул активного ила. Мы считаем, что бактериальные
флокулы образуются именно за счет фимбрий (пилей, ворсинок), покрытых глико-
каликсом. М.В. Батурина с соавторами (1979) обнаружила в морской воде
«...спутанно-волокнистые пленочные агрегаты в комплексе с капсульными бакте-
риями. приуроченные к зоне максимальной продуктивности». Несомненно, что эти
авторы имели дело с бактериальными флоккулами в загрязненной воде, такими
же, как и в аэротенке, но активный ил они не изучали, поэтому решили, что обна-
ружили нечто особенное.
Ворсинки представляют собой трубочки толщиной около 7 нм. с отверстием
около 2 нм; они служат для обмена информацией и половыми продуктами (Громов.
1985). Н. Грин и др., (1996) сообщают, что сборка трубочек пилей. или ворсинок,
происходит на цитоплазматической мембране в местах ее контакта с внешней мем-
браной. Трубочка ворсинки проходит через слои муреина и внешнюю мембрану.
Для сборки и сохранения ворсинок необходима энергия. Далее они сообщают, что
образованию пилей препятствовали цианид, динитрофенол, азид натрия. Это - важ-
ное для нас сообщение, так как подтверждает наши наблюдения, что некоторые
промстоки препятствовали ворсинкообразованию бактерий и. как следствие - фор-
мированию флокул. Можно предположить, что опасность представляют стоки, со-
держащие эти или подобные им вещества.
Мы наблюдали агрегацию и небактериальных форм. Чаще всего это были мел-
кие раковинные амебы-планктонты. В очистных сооружениях оздоровительного
детского лагеря «Звонкие голоса» и Пермской ГРЭС значительная часть массы ак-
тивного ила была представлена агрегированными Gromia pusilia. Иногда эти орга-
низмы получают массовое развитие на очистных сооружениях Новокузнецка и Ме-
ждуреченска в связи с эпизодическим массированным загрязнением сточной воды
нефтепродуктами. Сидеротеки - ожелезненые микроколонии бактерий - также при-
мер агрегации, способствующей выживанию бактерий. Однако здесь - другой меха-
низм агрегирования: делящиеся клетки не расходятся, а остаются вместе, окружен-
ные плотным слизистым чехлом, часто сорбирующим окислы железа.
Л.А. Кемпбел, обобщая существовавшие в то время гипотезы, пришел к выводу,
что для зарождения биофлокуляции необходимо соблюдение следующих условий:
наличие достаточного количества растворенного кислорода и пищи, пребывание
бактерий в эндогенной фазе роста и выделение ими слизи, обусловленное их гене-
тической структурой (Campbell. 1972). Перемешивание, по его мнению, необходимо
только для столкновения бактерий, чтобы полимеры на их поверхности взаимодей-
ствовали благодаря поверхностному натяжению и зарядам. Однако общеизвестно,
что на агаризованной благоприятной среде, где соблюдаются все перечисленные
Л.А. Кемпбелом условия, те же бактерии образуют пышные колонии, в которых
слизистые поверхности бактерий тесно соприкасаются, но агрегирования не проис-
ходит, и колонии легко размываются водой.
Д.Г. Звягинцев (1973), изучая адсорбцию микроорганизмов, обратил внимание
на то, что прочность связей между бактериями различна и зависит от многих факто-
ров, в частности от концентрации метаболитов, которые вредно влияют на образо-
70
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
вание агрегатов из клеток микроорганизмов. Способность анаэробов развиваться в
кислородсодержащих средах при агрегации микроорганизмов Д.Г. Звягинцев объяс-
няет активным изменением ими в благоприятную сторону окислительно-восстано-
вительного потенциала. По-видимому, он имел дело с агрегатами бактерий (флоку-
лами), в которых были хорошо развиты анаэробные центры, защищенные от моле-
кулярного кислорода слоями аэробных и микроаэрофильных бактериальных клеток.
Об интенсивной жизнедеятельности анаэробов в воде, обогащенной кислородом,
в аэротенках можно судить, исходя из таких наблюдений процесса очистки сточных
вод. На Зеленоградской станции аэрации: при количестве растворенного кислорода
в иловой смеси 8-10 мг/л до 90% азота удалялось из сточной воды без всяких специ-
альных «денитрификаторов». Очевидно, что за счет анаэробных бактерий, разви-
вающихся в центре флокул активного ила, идет процесс денитрификации с выделе-
нием газообразных продуктов метаболизма. Многие авторы (Вавилин, Васильев,
1979; Hartmann, 1963; Sezkin, Jenkins, 1978 и др., Jenkins, и др., 1993) считают, что
избыточная аэрация разрушает флокулы активного ила. Хенце (2004) сообщает:
«В аэротенке бактерии сталкиваются и склеиваются друг с другом. Аэрация может
быть настолько интенсивной, что приводит к частичному распаду химически орга-
низованных флокул». То есть отношение к проблеме флокуляции - механистиче-
ское; приводятся даже формулы для расчета градиента скорости, при которой фло-
кулы якобы разваливаются на отдельные бактерии. Практика опровергает подобные
высказывания. Наоборот, наилучшие флокулы отмечены были нами при подаче
40 м’ воздуха на каждый м3 иловой смеси, при этом она клокотала, как если бы ки-
пела ключом. В то же время при вялом перемешивании, тем более, на дне отстойни-
ков, при несвоевременной выгрузке осевшего активного ила, в малоподвижной сре-
де происходит распад флокул - дефлокуляция (это явление описано в гл. 6).
Обобщение многочисленных наблюдений и публикаций об агрегировании мик-
роорганизмов привело нас к выводу, что существует определенная закономерность
изменения агрегационной способности микроорганизмов, заключающаяся в том, что
способность к агрегации микроорганизмов закономерно утрачивается по мере
уменьшения подвижности благоприятной для данной группы организмов среды и
восстанавливается при усилении ее подвижности.
Особенно ярко эта закономерность проявляется в аэротенках, в которых при-
родные процессы искусственно ускоряются за счет соответствующего их техниче-
ского обеспечения. Как только уменьшается подвижность среды (образуются зоны
залежей активного ила) либо сама среда перестает быть благоприятной (изменяется
ее состав при поступлении промышленных стоков), агрегаты бактерий (флокулы ак-
тивного ила) измельчаются, вплоть до так называемого «дисперсного роста», когда
делящиеся бактерии перестают флокулировать.
Таким образом, для успешного образования бактериальных флокул и для наи-
лучшего сохранения их структуры необходима подвижная среда, то есть надлежа-
щая циркуляция и аэрация активного ила, или динамическое обеспечение процесса
очистки сточных вод техническими средствами. Неполадки в работе отдельных эле-
ментов оборудования иногда ускользают от наблюдений операторов. Так, пробук-
совка катка илососа вследствие временного обледенения борта отстойника или засо-
Глава 3
71
рение отдельных элементов илососа, находящегося на дне, могут остаться незаме-
ченными. Однако используя биоэстимации, можно установить факт нарушения в
системе рециркуляции активного ила по превышению пороговой численности 1-го
биоэстиматора уже через один период аэрации (через 4-8 часов); снижение же каче-
ства очищенной воды при нарушениях такого типа обнаружится лишь через 12 и
более суток.
Своевременное восстановительное вмешательство в процесс очистки сточных
вод по показаниям биоэстимации помогает предотвращать нарушения флокуляции,
а следовательно, предотвращать снижение качества очищенной воды.
Установленная закономерность изменения агрегационной способности микроор-
ганизмов меняет ранее существовавшие представления о том, что флокуляция бакте-
рий возможна только в аэротенке, что флокулы активного ила разрушаются при избы-
точной аэрации, а также открывает возможности целенаправленного управления про-
цессом флокуляции (агрегирования) бактерий и успешной разработки мероприятий,
направленных на оптимизацию процессов, протекающих в подвижных средах.
Биоэстимация позволяет не только констатировать факт нарушения процесса
очистки раньше, чем произойдет нарушение флокуляции, но и выявлять причину,
вызывающую это нежелательное явление, а значит, и предложить мероприятия для
его предотвращения, обеспечивая стабильное получение очищенной воды высокого
качества.
3.3. Морфологическое разнообразие флокул активного ила
При безупречной длительной работе станции аэрации и без каких-
либо неблагоприятных воздействий со стороны обрабатываемых
стоков в активном иле преобладают зрелые флокулы, по форме напоминающие бак-
терии, из которых они состоят - короткие палочки с закругленными краями, или эл-
липсоиды. На практике, к сожалению, такие флокулы встречаются редко; чаще
структура флокул в той или иной степени нарушена как в результате нарушения
процесса очистки, так и вследствие незрелости экосистемы; это связано в первую
очередь с несовершенством существующих строительных норм и правил; требуется
их пересмотр по ряду позиций.
На рис. 3.3 схематически изображено шесть основных морфотипов флокул ак-
тивного ила. Во всех аэротенках обнаруживались флокулы каждого морфотипа, но
преобладали обычно флокулы одного, двух, реже трех морфотипов.
В пусконаладочный период, когда активный ил наращивался прямо из имею-
щейся сточной жидкости, преобладали молодые рыхлые флокулы первого морфоти-
па. Затем, по мере созревания, флокулы приобретали облик второго, третьего или
четвертого морфотипов, в зависимости от того, в каком режиме работала станция
аэрации.
Если никаких нарушений ни со стороны технического обеспечения, ни со сторо-
ны обрабатываемых стоков не было, то преобладали флокулы второго морфотипа -
рыхлые. Эти флокулы имели средние размеры (60-80 мкм), умеренно изрезанные
края, небольшой анаэробный центр. Они довольно хорошо оседали, а при отсутст-
72
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
вии нитчатых организмов эти флокулы обусловливали иловой индекс 30-40 см3/г.
Такую картину мы наблюдали на Зеленоградской станции аэрации в 1973-1975 го-
ды, когда станция работала длительное время без нарушений режима, и возраст ила
превышал 10 суток (в дальнейшем процесс очистки осложнился из-за изменений со-
става стоков/ При длительном (не менее года) отсутствии нарушений процесса пре-
обладали флокулы третьего морфотипа - плотные эллипсоидные. Они имели до-
вольно мелкие размеры (30-40 мкм), довольно выровненные края, обширный ана-
эробный центр. При отсутствии нитчатых форм такие флокулы обусловливали ило-
вой индекс порядка 20-25 см3/г. Это - наилучшие флокулы. с точки зрения выпол-
нения ими всех функций в экосистеме и удобства технического обслуживания про-
цесса очистки сточных вод.
Рис. 3.3. Схематическое изображение основных морфотипов флокул активного ила:
1 - молодые рыхлые; 2 - зрелые рыхлые; 3 - плотные эллипсоидные; 4 - с диффузными
краями; 5 - в виде оленьих рогов; 6 - диктиоглеи
В нашей практике встречался активный ил с иловым индексом 18 см3/г. При пол-
ном отсутствии нитчатых форм такой активный ил почти на 90% состоял из флокул
третьего морфотипа; около 10% было флокул первого морфотипа; остальные виды
флокул обнаруживались единично. При отстаивании иловой смеси в условиях лабора-
тории такой ил оседал на дно цилиндра в течение первых 5-6 минут и далее объем
осевшего ила не менялся, даже если отстаивание продолжалось еще 2-3 часа.
Глава 3 73
Когда станция аэрации работала с высокими удельными нагрузками, в активном
иле преобладали флокулы четвертого морфотипа - крупные, рыхлые, с сильно из-
резанными, диффузными краями, с умеренно развитым анаэробным центром. Эти
флокулы успешно оседали бы, однако в таком активном иле всегда развивалось зна-
чительное количество нитчатых бактерий, так что иловой индекс превышал
100 см3/г, а это часто затрудняло своевременную выгрузку осевшего ила со дна вто-
ричных отстойников.
Как и флокулы первого морфотипа, флокулы пятого и шестого морфотипов от-
носятся к категории молодых или первичных. Но они обычно не бывают преобла-
дающими, а получают заметное развитие только в случаях нарушений, поэтому яв-
ляются биоэстиматорами соответствующих нарушений процесса очистки. Флокулы
пятого морфотипа - в виде оленьих рогов — описаны Баттерфилдом в 1935 году как
Zooglea ramigera, и упоминаются почти каждым автором, описывающим активный
ил. По нашим наблюдениям, когда численность этих флокул превышала 1,5 млн. ус-
ловных единиц на 1 г сухого вещества активного ила, она служила показателем на-
рушения процесса биологической очистки за счет воздействия промышленных сто-
ков, содержащих сахара; этот тип флокул вошел в систему биоэстимации процесса
очистки как биоэстиматор № 7, отнесенный к группе факторов «прометок». Сами
флокулы в виде оленьих рогов, если они не ассоциировались со зрелыми флокула-
ми, не успевали оседать во вторичных отстойниках, плохо задерживались фильт-
рующей загрузкой сооружений доочистки, осложняли обеззараживание фильтрата.
Вода, выходящая со станции аэрации и содержащая такие флокулы, слегка опалес-
цировала, причем количество взвешенных веществ почти не увеличивалось, но зна-
чительно снижалась прозрачность очищенной воды.
Флокулы шестого морфотипа мы назвали диктиоглеями - от греч. dikties - сеть
(Никитина, 1988). Их могут образовывать различные нитчатые организмы. Заметно-
го развития такие флокулы достигают при внезапных, шоковых повышениях на-
грузки на станциях, работающих обычно в режиме низких нагрузок. Но вспышки
численности диктиоглей не всегда были продолжительными: или вслед за падением
нагрузки эти флокулы вымывались из активного ила, так как практически не оседа-
ли во вторичных отстойниках, или, если высокие нагрузки сохранялись продолжи-
тельное время, преобладали флокулы четвертого морфотипа, а также многочислен-
ные нитчатые бактерии, в том числе и в виде диктиоглей. В аэротенках диктиоглей
не всегда легко обнаружить, но в обрастаниях конструкций, по которым неочищен-
ная вода протекает с большой скоростью, например на щитовых затворах распреде-
лительной камеры перед первичными отстойниками, они образуются постоянно,
смываются, снова образуются. Здесь всегда можно взять материал для изучения
диктиоглей.
Наблюдения за структурой флокул активного ила - важная часть гидробиологи-
ческого контроля работы станций аэрации.
74
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
3.4. Ультраструктура флокул активного ила
Просмотр срезов флокул активного ила в электронном микроскопе
позволил нам составить схему их ультраструктуры, изображенную
на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Схема ультраструктуры флокулы активного ила.
I - зона рыхлого фибриллярного матрикса с изоморфными ячейками; II - зона фибрилляр-
ного матрикса с ячейками разных размеров; III - зона плотного фибриллярного матрикса со
сплющенными ячейками; IV - зона плотного примыкания бактериальных клеток; D - дест-
руктивная зона (может быть в любой части флокулы)
Флокулы активного ила не всегда имеют идеально округлый вид, каким их изо-
бражает схема. Даже компактные эллипсоидные флокулы третьего морфотипа име-
ют глубокие впячивания, незаметные в световой микроскоп. Различные бактерии,
как было сказано выше, занимают соответствующую зону во флокулах активного
ила по мере их созревания, перераспределяясь в соответствии с отношением к ки-
слороду; зоны, на которые мы условно подразделяем флокулу активного ила, не
имеют четких границ. Эти зоны расширяются, сужаются или выпадают совсем.
Флокулы бывают смятыми, скрученными; анаэробные центры - растянутыми, раз-
дробленными, многочисленные выступы образуют многослойную складчатость. Но
именно схематизация в данном случае помогает понять ультраструктуру флокул
значительно лучше, чем точное воспроизведение препаратов.
В первой зоне, у края флокул, бактерии расположены на значительном расстоя-
нии друг от друга и скреплены фибриллярным матриксом с крупными ячейками,
имеющими преимущественно изометричные грани. Поступление питательных ве-
ществ и отведение метаболитов здесь наилучшие.
Во второй зоне клетки несколько сближены, но все еще расположены довольно
рыхло и скреплены матриксом, с ячейками разной величины и формы. Переход от
3
75
Ьервой зоны ко второй постепенный, но эластичность матрикса в первой зоне, по-
водимому, значительно выше и позволяет клеткам мигрировать, а флокулам изме-
BjttTb свою форму.
И* В третьей зоне, где фибриллярный матрикс уплотнен, клетки расположены на
«большом расстоянии друг от друга; фибриллярный матрикс между ними образует
Крепкие, большей частью сплющенные ячейки, вследствие чего диффузия питатель-
ных веществ, растворенного кислорода и отведение метаболитов здесь затруднены.
Иногда клетки расположены рядом одна с другой или прижаты настолько плотно.
что слегка деформированы в зоне контакта. Цитоплазма этих бактерий более элек-
тронноплотная, меньшего объема; окружающая слизистая капсула более толстая,
чем у бактерий, обычно располагающихся в первых двух зонах. Это - не дегенери-
ровавшие клетки: некоторые из них застигнуты фиксацией в стадии деления. По
Стаффорду, в центральной части флокул обычно располагаются анаэробы и факуль-
' тативные аэробы [Stafford, 1976].
Кроме перечисленных зон, во флокулах есть участки, где все клетки разрушены.
В разных флокулах деструктивные участки могут быть в различных местах, чаще
ближе к краям. Они обнаруживаются под электронным микроскопом по беспоря-
дочно разбросанным осмиофильным глыбкам различной величины и формы. Можно
предположить, что эти участки прорываются наружу, омываются интенсивно дви-
жущейся окружающей их водой, освобождаясь от балласта, а затем восполняются
делящимися бактериями. Деструктивный участок, по-видимому, аналогичен поро-
шице у амебы. Зрелые флокулы - это структуры целостного поведения; они ведут
себя как организм, в частности, освобождаясь от балласта. Косвенно об этом можно
судить по зольности зрелого активного ила (18-20%); она всегда ниже, чем у моло-
дого активного ила (50-70%). Молодой ил может накапливать большое количество
балласта. Имеются сведения об аккумуляции флокулами активного ила солей хрома,
меди (Невзоров. Константинов, 1969 и др.), а также о том, что при распаде незрелых
флокул ХПК надыловой воды повышается в 5 раз (Невзоров, 1969). По нашим на-
блюдениям -даже в 10 раз. Если весь балласт накапливался бы в флокулах. а не вы-
водился наружу без утраты их целостности, то «старые» флокулы. возраст которых
может превышать 50 суток, представляли бы собой сплошной балласт, а не имели
бы самый низкий процент зольности и делящиеся бактерии в центральной части.
По-видимому, понятие «старые» не применимо к бактериальным флокулам, так как
они непрерывно обновляются путем размножения и элиминации балласта из них.
Корректнее употребление термина «зрелые».
Обобщение многолетних наблюдений и публикаций привело нас к выводу, что
существует определенная закономерность изменения структуры бактериальных
флокул по мере увеличения их возраста, заключающаяся в том, что в процессе фор-
мирования флокулы приобретают все более выраженные черты единой многокле-
точной структуры целостного поведения: эллипсоидную форму; более выраженные
зоны, формирующиеся в зависимости от отношения бактерий к кислороду; способ-
ность к освобождению от «шлаков» путем образования деструктивных участков с
последующим их очищением и восполнением соответствующими бактериальными
клетками.
76
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
3.5. Полифункциональность активного ила
Активный ил представляет собой полифункциональную систему,
компонентами которой являются микроорганизмы флокулирован-
ные (флокулы) и нефлокулированные. В очистке сточных вод главную роль играют
флокулы, на которые приходится около 90% биомассы сообщества. Хоке называет
флокулы «экологическими единицами» активного ила и утверждает, что «именно
структура и биологические свойства отдельных флокул активного ила определяют
его основную эффективность» (Hawkes, 1963). Мы придерживаемся того же мнения,
поэтому наибольшее внимание уделяем функционированию флокул активного ила.
Выявлению и классификации экологических функций активного ила способст-
вовали система понятий и схема биогеоценотических функций, разработанные
Е.Д. Никитиным в процессе анализа экологических функций почвы - природного
объекта, имеющего большое функциональное сходство с активным илом (Никитин,
1977, 1980, 2004; Добровольский, Никитин, 1986, 2006). Схема экологических функ-
ций активного ила приведена в таблице 3.1.
Таблица 3.1
Экологические функции активного ила
Функции бактериальных флокул активного ила Функции нефлокулирован- ных организмов Общие функции
физические физико- химические биохимии- ческие информаци- онные
жизненного пространства сорбента рас- творенных и взвешенных веществ источника питатель- ных веществ пускового механизма сукцессий стимулятора уве- личения численно- сти популяции бактерий минерализации веществ
убежища сорбента ор- ганизмов и их зачатков депо пищи и энергии сигнала для смены ста- дий очистки агглютинации ве- ществ образования но- вого органиче- ского вещества
сохранения сообщества в системе депо зачатков организмов активатора и ингибито- ра ряда био- химических процессов образования мик- ротоков аккумуляции
механиче- ской опоры ворошения осев- шего активного ила в микрозонах образования биологически полноценной во- ды
Санитарная и защитного экра- на для водоема- приемника очи- щенных сточных вод
Глава 3
77
3.5.1. Функции флокул активного ила
Иловая смесь аэротенка исключительно плотно заселена, и таким образом может
рассматриваться как своего рода жизненное пространство. Флокулы активного ила
почти целиком состоят из бактериальных клеток. На флокулах и между ними посе-
ляются многочисленные мелкие организмы растительного и животного происхож-
дения. Благодаря продолжительному и интенсивному перемешиванию иловой смеси
в аэротенке, в каждой ее капле можно обнаружить представителей почти всех орга-
низмов, которые обитают во всем аэротенке (Никитина, 1979).
Такая «насыщенность жизнью» иловой смеси обусловлена максимальным уст-
ранением лимитирующих факторов среды: в течение всего года поддерживается оп-
тимальная температура (20-25°С); специальные воздуходувки нагнетают в систему
воздух, обеспечивая достаточное количество растворенного кислорода; интенсивное
перемешивание сточной воды с активным илом обеспечивает постоянный приток
питательных веществ и удаление метаболитов; локальные очистные сооружения
промышленных предприятий снижают поступление в канализацию, а значит, и в аэ-
ротенки, токсичных и других стоков, неблагоприятных для жизнедеятельности ор-
ганизмов, осуществляющих очистку. Кроме того, сточная вода содержит все необ-
ходимые питательные вещества, микроэлементы, витамины, гормоны, создающую
благоприятную среду обитания для этих организмов.
Тесно связана с вышеназванной функция убежища, которую флокулы выпол-
няют по отношению к самым мелким организмам, в первую очередь по отношению
к бактериям. Объединяясь в флокулы, бактерии оказываются защищенными от мас-
сового поедания их беспозвоночными животными, от неблагоприятного воздействия
компонентов промышленных стоков и механических повреждений. Таким же обра-
зом используют флокулы ила внедряющиеся в них нитчатые водоросли, мелкие
жгутиконосцы, амебы и др.
Многие гидробионты используют флокулы ила в качестве механической опоры.
Так, корненожки, брюхореснячные инфузории, тихоходки, гастротрихи передвига-
ются по поверхности флокул; нитчатые формы (бактерии, грибы, водоросли) врас-
тают в флокулы; коловратки, трубачи, черви, плавая в толще воды, временно заяко-
риваются на флокулах задним концом тела; сувойки, оперкуллярии, эпистилисы
прочно прикрепляются к флокулам.
К важнейшим особенностям активного ила относится его способность отделяться
от очищенной им сточной воды, отстаивание, что и происходит в специальных от-
стойниках. Осевший активный ил со дна отстойника непрерывно подается на контакт
с новой неочищенной водой. Такая циркуляция ила в системе оказывается возможной
благодаря тому, что флокулы активного ила выполняют в данном случае функцию со-
хранения сообщества от выноса его из системы с выходящей очищенной водой. В
процессе оседания флокулы временно объединяются, с помощью ворсинок, выходя-
щих далеко за пределы флокул, в довольно плотную субстанцию, не имеющую назва-
ния в русской литературе (в английской литературе принят термин - blanket - войлок),
увлекая за собой на дно отстойника нефлокулированные организмы (Hawkes, 1963).
Подробно сопряженное оседание активного ила описано в главе 6.
78
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Благодаря исключительно большой активной поверхности, флокулы способны
быстро, в течение первых нескольких минут контакта со сточной водой выполнять
функцию сорбента растворенных и взвешенных веществ, содержащихся в ней (Ко-
рюхина, 1966; Возная, 1979; Григорьева, Негуренко, 1981; Таубе, Баранова, 1983;
Хенце и др., 2004). Так осуществляется первая, очень важная стадия очистки сточ-
ных вод в аэротенке - сорбция, которая предшествует трансформации веществ.
С.Н. Строганов (1925) назвал ее стадией коагуляции. По нашему мнению, делить
процесс очистки сточных вод в аэротенках на сорбцию (коагуляцию) и окисление
можно лишь условно.
Одновременно с сорбцией веществ выполняется и функция сорбента организ-
мов и их зачатков. Со сточной водой в систему аэрационных сооружений приносит-
ся большое количество различных микроорганизмов, цист, спор, яиц, мелких семян
и пр. (Монченко, 1974; Никитина, 1975). Сорбируясь флокулами ила, они сохраня-
ются в системе. Не для всех организмов среда в аэротенке оказывается благоприят-
ной. Те организмы и зачатки, для которых среда вообще неприемлема, перерабаты-
ваются как загрязнения, например семена, споры высших грибов, паразиты тепло-
кровных и пр. Другие организмы и зачатки сразу же или постепенно включаются в
сообщество активного ила. Сорбированные и погруженные в слизь флокул цисты,
споры, яйца, статобласты гидробионтов могут длительное время сохранять жизне-
способность и при определенных условиях давать внезапные вспышки численности
отдельных видов. Таким образом, флокулы выполняют функцию депо зачатков
микроорганизмов. По массовому развитию тех или иных, не выявлявшихся ранее
организмов, можно судить об изменении режима работы станции аэрации и реко-
мендовать меры по оптимизации процесса очистки. Благодаря тому, что флокулы
выполняют функцию источника питательных веществ, а также и энергетическо-
го и пищевого депо, микроорганизмы активного ила постоянно получают энергети-
ческий и пластический материал. В течение всего периода аэрации, который про-
должается в зависимости от заданного режима от 4 до 96 часов, сорбированные за-
грязнения подвергаются трансформации. В первую очередь окисляются адсорбиро-
ванные вещества. Если же период аэрации продолжительный, в реакцию включают-
ся абсорбированные (депонированные) вещества. Депонируются флокулами актив-
ного ила и некоторые микроэлементы. Хайлов (1971) сообщает, что витамин Вц
может накапливаться микроорганизмами в количестве, в 100 раз превышающем не-
обходимое, затем использоваться в воде, лишенной его.
Функция активатора биохимических процессов обратила на себя внимание пер-
вых исследователей, «открывших» активный ил, 1914 г. Ардерна и Локкета (цити-
руется по С.Н. Строганову, 1925). Это свойство они отразили в самом названии:
«Activated sludge» - «активированный осадок». С.Н. Строганов предложил называть
его «активный ил», подчеркивая его необычайную активность.
Функции, условно названные информационными, - пускового механизма сукцес-
сии и сигнала для смены фаз очистки - требуют дальнейших исследований. Пока
известно только, что наблюдаемая в период пуска новых аэрационных сооружений
основная сукцессия - от массового развития мелких жгутиковых к преобладанию
свободноплавающих, а затем прикрепленных инфузорий - начинается с момента
Глава?
79
формирования флокул активного ила (Busweii, Long, 1923; Беляева, 1972; Авалиани,
Гайдамак, 1974). Смена фаз очистки также связана с изменением размера, текстуры,
формы флокул активного ила. Обе эти функции особенно важно учитывать в пуско-
наладочный период работы новых очистных сооружений.
3.5.2. Функции нефлокулированных организмов и общие функции
Нефлокулированных организмов в нормально «работающем» активном иле
очень мало. Но их роль тоже полезна для сообщества. Это - главным образом небак-
териальное население активного ила. Питаясь бактериями, многие гидробионты
поддерживают рост их в логарифмической фазе и, таким образом, выполняют функ-
цию стимулятора популяции бактерий (Kolkwitz, 1926; Batterfild и др., 1931; Jones,
1973). Заглатывая диспергированные загрязнения и выбрасывая их затем в виде ко-
I мочков, гидробионты выполняют функцию агглютинации (Возная, 1979). Организ-
! мы, снабженные коловращательными аппаратами и ресничными дисками, создают
микротоки, способствуя аэрации и перемешиванию в микрозонах. Относительно
крупные организмы (клещи, черви) выполняют функцию рыхлителей ила, особенно
важную при образовании зон залежей активного ила в системе его циркуляции.
Общие функции относятся как к флокулированным, так и к нефлокулированным
организмам активного ила.
Наиболее ярко проявляется функция минерализации органических веществ, по-
ступающих в систему очистных сооружений со сточными водами, что, собственно,
и составляет сущность очистки (Болотина, 1954; Гюнтер, 1972, 1973; Яковлев и др.,
Хенце, 2004 и др.). Более 99% органических веществ расщепляется до углекислоты,
воды, нитратов, фосфатов и других минеральных соединений. Часть органических и
минеральных веществ используется организмами в качестве пластического мате-
риала - осуществляется функция синтеза нового органического вещества', в аэро-
тенке она выражается в приросте массы активного ила, который в традиционных аэ-
ротенках бывает весьма значительным (Орловский, 1963; Яковлев и др., 2002; Хенце
и др., 2004); в реакторе с хлореллой эта функция - основная, а станция аэрации мо-
жет работать и без прироста биомассы, только с ее возобновлением.
Сорбированные и поглощенные активным илом вещества могут накапливаться,
поскольку одна и та же флокула встречается с новой порцией сточной воды много-
кратно (на Зеленоградской станции аэрации - обычно до 30 раз). Концентрация
стойких веществ в активном иле может в сотни раз превосходить таковую в исход-
ной воде (Washington, Hething, 1965; Невзоров, 1964). Так осуществляется функция
аккумуляций, и можно разработать биологический реактор, где эта функция будет
основной, например, для извлечения рассеянных, но ценных веществ с тем, чтобы
полученный ил брикетировать и использовать в качестве «руды» или уничтожать,
если извлекаются вредные вещества.
Лишенные жизни токсичные промышленные стоки на станциях аэрации претер-
певают значительные изменения, в частности они становятся пригодными для жиз-
ни многих гидробионтов. В данном случае активный ил выполняет функцию образо-
вания биологически полноценной воды. Специально разработанный биологический
80
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
реактор сможет преобразовывать опресненную или другую непригодную для жизни
гидробионтов воду, делая ее биологически полноценной (Телитченко, 1975; Ше-
шелько-Левачева, 1982). В экстремальных условиях нехватки питьевой воды специ-
альные устройства, работающие по принципу станции аэрации, помогут произво-
дить питьевую воду из непригодной для питья сильно загрязненной - арычной, бо-
лотной, сточной и т. п. жидкости (пример такого устройства описан в главе 7).
С функцией минерализации веществ тесно связана санитарная функция актив-
ного ила, которая заключается не только в преобразовании загрязненной воды в чис-
тую, но и в уничтожении болезнетворных микроорганизмов и яиц гельминтов, что
значительно облегчает последующее обеззараживание сточной воды, зачастую
делает его ненужным. По нашему мнению, биологически очищенная вода не
нуждается в специальном обеззараживании, так как все болезнетворные
микроорганизмы в аэротенке погибают под прессом сапрофитной флоры. Так, за 30
лет при проведении гельминтологического анализа на Зеленоградской СА нами не
были обнаружены в очищенной воде жизнеспособные яйца гельминтов, даже когда
проба включала до 100 л воды. Интересно отметить, что за все это время и в
поступающей на очистку воде также не было обнаружено болезнетворных микробов
и жизнеспособных цист простейших и яиц гельминтов. Сточная вода, пройдя сотни
километров городских канализационных сетей, являющихся по существу аналогом;
аэротенка, где формируются типичные бактериальные флокулы, также не дает
болезнетворным агентам шансов на выживание. Активный ил, преобразуя’
загрязнения, сорбируя токсичные и радиоактивные вещества и тем самым снижая их:
концентрацию, выполняет важную функцию защитного экрана по отношению к
водоемам, принимающим сточные воды после их очистки. Известно, что в
настоящее время возможность самоочищения в некоторых природных водоемах
практически исчерпана, поэтому упомянутая функция необходима для охраны всей
Всестороннее изучение экологических функций активного ила, их классифика-
ция имеют большое практическое, теоретическое и методологическое значение.
Схема экологических функций активного ила позволяет биотехнологу полнее пред-
ставлять сущность контролируемого процесса, не упускать из вида ни одной функ-
ции, акцентировать внимание на той, нарушение которой может повлечь изменение
процесса очистки в данный момент времени.
Полифункциональность активного ила говорит о полифункциональности сооб-
щества любого биологического реактора, детальный анализ процесса в котором
можно проводить, используя рассмотренную схему функций, внося в нее поправки,
соответствующие специфике реактора. При проектировании и эксплуатации каждо-
го биологического реактора основное внимание, безусловно, уделяется главной
функции, соответствующей его назначению. Недоучет полифункциональности со-
общества задуманного биологического реактора часто приводит к неожиданным за-
труднениям или к полному его выводу из строя: микробная очистка прекращается
из-за вытеснения исходной культуры дикой флорой; белковый продукт оказываете!
непригодным из-за аккумуляции вредных веществ и т.п.
Практика подготовки студентов - будущих специалистов в области проектиро
вания станций аэрации и управления ими показывает, что использование схемы эко
Глава 3
81
логических функций активного ила в учебном процессе облегчает изложение мате-
риала и усвоение его студентами.
3.6. Особенности функционирования флокул различных
морфотипов
Различные морфотипы флокул активного ила, схематически изобра-
женные на рис. 3.3, по-разному выполняют в экосистеме свои мно-
гочисленные функции, перечисленные в таблице 3.1.
Молодые флокулы первого, пятого и шестого морфотипов превосходно выпол-
няют функции сорбента растворенных и взвешенных веществ и трансформации, по-
скольку их удельная поверхность огромна, а также функцию образования нового ор-
ганического вещества, однако функцию механической опоры для небактериального
населения активного ила они выполнять не могут, так как очень мелки.
Флокулы третьего морфотипа - плотные, сферические, самые старые - отлично
выполняют функцию аккумуляции биоинертных веществ, служат плотной механи-
ческой опорой и убежищем для многих организмов, но сорбционная способность
этих флокул несколько снижена. Кроме того, флокулы третьего морфотипа более
других подвержены дефлокуляции при нарушениях динамического обеспечения
процесса очистки воды, а их фрагменты утрачивают практически все экологические
функции.
Флокулы четвертого морфотипа могут выполнять все функции, но некоторые из
них гипертрофированы в ущерб другим. Так, диффузные края этих флокул служат
кормовой базой для бентосных раковинных амеб, которые в перегруженных илах
получают массовое развитие, но эти же диффузные края, из-за бурного размножения
бактерий, не успевают прорости достаточно плотной сетью ворсинок, поэтому не-
прочны и легко распадаются, так что не могут служить надежной опорой.
По-видимому, наиболее полно и гармонично выполняют все экологические
функции флокулы третьего морфотипа - зрелые эллипсоидные. В них не только
комфортно размещаются бактерии с различным отношением к растворенному ки-
слороду и, следовательно, способные перерабатывать огромный спектр загрязнений,
но они еще и достаточно быстро и плотно оседают на дно при отстаивании, что об-
легчает выгрузку активного ила и переброску его из зоны отстаивания в зону аэра-
ции. Преобладание флокул именно этого морфотипа в активном иле делает систему
наиболее надежной, а качество очистки высоким и стабильным.
Можно предположить, что молодые флокулы первого и пятого морфотипов це-
ликом сформированы клетками, скрепленными крупноячеистым матриксом, как в
первой зоне. Окислительная способность таких флокул наивысшая, но они плохо
оседают при отстаивании иловой смеси. Первичные флокулы либо вымываются из
системы, либо постепенно дифференцируются, превращаясь в зрелые флокулы. По-
видимому, после первой зоны (пока еще матрикс не утратил эластичности) начинает
формироваться третья: анаэробы мигрируют к центру, избегая крайней зоны, где со-
держание растворенного кислорода всегда тем выше, чем ближе к краю флокулы, а
82
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
к концентрации метаболитов анаэробы менее чувствительны, чем облигатные аэро-
бы, которые перемещаются к краям. Третья зона ярко выражена во флокулах третье-
го морфотипа - плотных, эллипсоидных, наиболее зрелых из всех типов хлопьев ак-
тивного ила.
Подмечена закономерность: чем больше возраст активного ила, тем больший
относительный объем в его флокулах занимает анаэробная зона, но это - не «ста-
рение», а совершенствование флокул с точки зрения трансформации большого
спектра веществ и надежности процесса очистки сточных вод.
Таким образом, для объяснения структуры, и ультраструктуры флокул активно-
го ила, а также для решения некоторых вопросов, связанных с флокуляцией и де-
флокуляцией, можно сформулировать следующую рабочую гипотезу: бактерии объ-
единяются во флокулы за счет ворсинок, покрытых слоем гликокаликса. Ворсинки
выходят далеко за пределы бактериальных клеток, ветвятся и анастомозируют. В
первичных флокулах бактерии разных видов образуют беспорядочный конгломерат
и скреплены эластичным крупноячеистым фибриллярным матриксом. По мере со-
зревания во флокулах идет дифференцировка по слоям. При этом происходит пере-
распределение бактерий в соответствии с их отношением к молекулярному кисло-
роду. Образование, созревание и сохранность флокул обеспечивается интенсивным
движением водной среды.
Глава 4
ОРГАНИЗМЫ АКТИВНОГО ИЛА И ИХ РОЛЬ
В БИОЭСТИМАЦИИ
4.1. Общая характеристика сообщества активного ила
В любой природной воде, содержащей растворенные органические
вещества и активно развивающиеся микроорганизмы, происходит
процесс ее самоочищения. Для интенсификации этого процесса строятся сооруже-
ния биологической очистки, которые особенно актуальны в случае загрязнения при-
родной воды отходами жизнедеятельности человека. Такая вода называется сточ-
ной. Чем концентрированнее загрязнения сточной воды, тем концентрированнее
должна быть масса редуцентов этих загрязнений.
Активный ил - это сообщество водных организмов, преимущественно редуцен-
тов, на 90% и более состоящее из флокулированных бактерий. Местообитание
(биотоп) для активного ила - это комплекс сооружений биологической очистки
сточных вод, или станции аэрации (СА). В этих сооружениях техническими средст-
вами создаются оптимальные условия для жизнедеятельности микроорганизмов -
деструкторов загрязнений, содержащихся в очищаемой сточной жидкости.
Как было сказано выше, таких комфортных условий для жизни редуцентов при-
рода обычно не создает: обилие кислорода при обилии органического вещества,
обеспечение интенсивного массообмена, максимальное устранение неблагоприят-
ных факторов и др. Следствием этого является скорость трансформации веществ,
которая превосходит таковую в природе многократно. Конечно, такая интенсифика-
ция требует значительных энергетических затрат. В природе аналогичные условия
создаются либо кратковременно - в прибойной зоне морей во время шторма, либо
локально - в подножии водопада.
В активном иле можно встретить типичных представителей и планктона, и бен-
тоса. Все они в зоне аэрации поддерживаются во взвешенном состоянии, а в зоне от-
стаивания - опускаются на дно, откуда должны без промедления перекачиваться на-
зад, в зону аэрации, на встречу с новой неочищенной сточной жидкостью.
Экологи традиционно уделяют большое внимание изучению сукцессии, то есть
закономерной последовательности изменений в сообществе, связанных с его разви-
тием. Климаксовое сообщество - стабильное сообщество, завершающее сукцессию,
сохраняющее неизменными в динамическом равновесии свои структуру и функции
в заданных условиях среды, изучено недостаточно.
84
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
При пуске и наладке новых С А можно наблюдать ускоренный вариант природ-
ной сукцессии, происходящей в сильно загрязненной воде и это описано во многих
работах (Роговская, 1976; Болотина, 1977; Hawkes, 1966): обильное размножение
бактерий, в том числе наличие коротких фрагментов нитчатых, создает высокую
мутность воды; тут же наблюдается вспышка численности мелких жгутиковых и
свободно плавающих инфузорий. По мере флокуляции бактерий вода становится все
более прозрачной; постепенно изреживаются нитчатые бактерии, жгутиковые, а
свободно плавающих инфузорий становится все меньше: на смену им приходят
прикрепленные к флокулам кругоресничные инфузории. Происходит «созревание»
активного ила, наблюдается сначала удельный прирост его биомассы, а затем ско-
рость прироста обычно снижается. При нарушении процесса очистки эта сукцессия
идет вспять: развивается множество свободно плавающих инфузорий, затем мелких
жгутиковых а вода становится все более мутной от обилия не связанных во флокулы
бактерий, фрагментов нитчатых и не подвергшихся деструкции загрязнений.
Климаксовым мы считаем такое состояние активного ила, когда, несмотря на
постоянный приток все новых органических загрязнений, прирост биомассы актив-
ного ила прекращается: наступает динамическое равновесие между биомассой и по-
ступающими органическими загрязнениями. Структура и функции активного ила,
преобразующего всю массу поступающих органических веществ до углекислоты и
воды, стабилизируются. Такую картину мы наблюдали в первые годы работы Зеле-
ноградской СА, когда, несмотря на постоянный приток сточной воды в количестве
30 000 м3/сутки, концентрация активного ила в аэротенках в течение всего года ос-
тавалась около 3,0 г/дм3, и избыточного ила не было. Это наблюдение мы использо-
вали при разработке безотходных Биоблоков, описанных в главе 7.
В настоящее время господствует видовой принцип в изучении структуры сооб-
ществ. Между тем ряд исследователей считают такой подход явно односторонним
(Баканов, 2000). Высказываются предположения о том, что вид как таковой по от-
ношению к структуре сообщества - случайный компонент (Чернов, 1971) и являет-
ся, скорее, понятием филогенетическим (зоологическим или ботаническим), а не
экологическим. В.Д. Федоров и Т.Г. Гильманов (1980) отмечали, что понятие функ-
циональной (трофической) группировки более важно для понимания целостных
свойств экосистемы, чем понятие популяции, которая может быть настолько гетеро-
генной, что ее трудно безоговорочно причислить к одной из таких группировок.
В очистке сточных вод принимает участие как микрофлора, так и микрофауна
активного ила. Первичными потребителями загрязнений являются бактерии, кото-
рым принадлежит ведущая роль в очистке (Сладечек, 1960). Именно бактерии со-
ставляют основу флокул активного ила в структурном и функциональном смысле.
Чаще всего обнаруживаются грам-отрицательные неспорообразующие капсульные
короткие палочки, характерные для природных водоемов. Некоторые авторы указы-
вают на способность к окислению мертвых клеток за счет уцелевших энзиматиче-
ских систем (Hawkes, 1963; А.Д. Неклюдов, Е.К. Денякина, 2004). Последнее ис-
пользуется при очистке некоторых токсичных стоков за счет иммобилизованных
ферментных комплексов (Шашелько-Ловачева, 1982).
Глава 4
85
Изучению бактерий, входящих в сообщество активного ила, посвятили свои ра-
боты многие авторы (Т.С. Ремезова, 1944; Роговская, 1967, 1970, 1972; Ротмистров,
Ставская, 1975 и др.). Общим выводом является то, что доминируют в активном иле
бактерии под общим названием Pseudomonas, отличающиеся необычайной пластич-
ностью своего обмена веществ. Вторым трофическим уровнем в сообществе актив-
ного ила принято считать инфузорий, коловраток и других организмов, питающихся
бактериями; третьим - хищных инфузорий, грибов с ловчими петлями, клещей, рач-
ков (Сладечек, 1973; Липеровская, 1977; Голубовская, 1978; Hamkes , 1963; Гюнтер,
1980 и др.).
Хотя большая часть организмов гетеротрофы, встречаются и миксотрофы. Трофи-
ческая пластичность вообще характерна для организмов активного ила, как и для всех
бактерий в природе. Трофические взаимодействия могут быть и сложными, однако в
целом, по большинству представителей, сообщество активного ила можно характери-
зовать как хемоорганогетеротрофное, преимущественно микроаэрофильное.
Различные авторы насчитывают от 12 до 60 видов организмов активного ила
(Беляева, 1972; Липеровская, 1962; Роговская, 1967; Стром и др., 1974; R. Evans,
D. Baucher, 1970; Y. Sladecek, 1972; Хенце, 2004). По-видимому, в активном иле
можно обнаружить гораздо большее число видов, однако организмы активного ила
часто трудно идентифицировать. Ю. Одум (1985) отмечает, что при адаптации к ме-
стным условиям могут появляться генетические расы, в том числе с морфологиче-
скими проявлениями.
В атласе «Фауна аэротенков» (1984) описано свыше 440 форм простейших и
других микро- и макроорганизмов, служащих показателями сапробности загрязнен-
ных вод. Большинство из представленных в атласе организмов можно обнаружить и
в аэротенках, но далеко не все они могут быть показателями процесса очистки сточ-
ных вод.
Активный ил представлен не менее чем 14-тью группами из 35 групп по 9-му
изданию Определителя бактерий Берджи (1997) и двенадцатью классами беспозво-
ночных животных. Хотя в это сообщество входят все основные группы организ-
мов - продуценты, консументы и редуценты, последним принадлежит ведущая роль,
поскольку основная масса органических веществ привносится сточной водой, а не
синтезируется в данной экосистеме.
Список видов, входящих в сообщество активного ила, еще далек от завершения,
хотя он короче списка видов большинства природных водоемов. Своеобразие био-
топа приводит к сокращению видового разнообразия за счет массового развития не-
многих видов, прежде всего из-за целенаправленного создания благоприятных усло-
вий для основных деструкторов загрязнений - гетеротрофных бактерий.
4.2. Микрофлора активного ила
Как отмечалось выше, многими исследователями установлено, что
главную роль в очистке сточных вод выполняют бактерии, которые
в аэротенках образуют агрегаты - хлопья, или флокулы, но могут пребывать и в ви-
де отдельных, нефлокулированных клеток. При нормальной работе станции аэрации
86
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
количество нефлокулированных бактерий становится минимальным, а флокулы -
достаточно компактными. Однако на практике флокуляция часто в той или иной ме-
ре нарушается из-за недостаточного жизнеобеспечения бактерий-деструкторов.
Процесс очистки сточных вод протекает без помех, к сожалению, очень редко.
Мы наблюдали нормальный ход очистки сточных вод в первые годы работы Зелено-
градской СА, когда новые сооружения и оборудование работали отлично, а в каче-
стве питьевой воды город использовал чистейшую артезианскую воду из среднего
карбона. В это время почти вся масса активного ила была представлена плотными
эллипсоидными флокулами, с редкими «кустиками» прикрепленных инфузорий, а
также немногочисленными микроскопическими многоклеточными животными (ко-
ловратки, клещи, рачки, мшанки). Те организмы, которые впоследствии были вклю-
чены в состав биоэстиматоров, практически не встречались, поскольку биоэстима-
торы вспышками своей численности сигнализируют именно о нарушениях очистки
воды. Показателен такой эпизод из истории становления этого метода контроля. В
1986 году был произведен пуск 1-го блока Новолюберецкой станции аэрации, а в
следующем, 1987 году, первый вариант системы биоэстимации передали на провер-
ку гидробиологу этой станции аэрации, прошедшему у нас курс соответствующего
обучения. Спустя полгода гидробиолог заявил, что этот метод ему не подходит, так
как часть биоэстиматоров он вообще не находит в своем активном иле, а часть нахо-
дит в незначительных количествах. Очевидно, он не понял, что на новой, гидравли-
чески недогруженной, СА нарушений пока нет, именно поэтому нет и вспышек чис-
ленности показателей нарушений процесса очистки. Спустя несколько лет наруше-
ния дали о себе знать, и новый метод контроля пригодился.
С самого начала исследований мы четко разграничивали два понятия: роль мик-
роорганизмов в очистке и роль их в контроле очистки. Главная роль в очистке при-
надлежит органотрофным бактериям, в то время как в контроле процесса очистки
бактериологический анализ не применяется. Роль тех организмов, которые включе-
ны в состав биоэстиматоров, в самой биологической очистке незначительна.
В настоящей главе организмы активного ила рассмотрены прежде всего с точки
зрения их показательной роли в оценке процесса очистки сточных вод; их точная
систематическая принадлежность в данном случае не актуальна. Как отмечает
Г.А. Заварзин: «Всякая классификация понятий - искусственна и предназначена для
решения определенных задач» (2001). В данном случае задача определяется исходя
из необходимости охарактеризовать те микроорганизмы или их микроколонии, ко-
торые включены в состав биоэстиматоров.
Бактерии. Удобной биоэстиматорной группой являются нитчатые бактерии, или
бактерии, обладающие чехлами; ранее их называли хламидобактериями, это наиме-
нование мы оставили за биоэстиматором № 5. В аэротенках возрастание их числен-
ности связано с увеличением удельных нагрузок на активный ил по легко окисляе-
мым растворенным органическим веществам, характерным для бытовых стоков.
Наиболее типична - Sphaerotilus natans - рис. 4.1 (1,2), представляющая собой изо-
морфу различных по систематической принадлежности бактерий. Массовое разви-
тие нитчатых бактерий приводит к вспуханию активного ила (вспухание подробно
рассмотрено в главе 6).
Глава 4
87
Рис. 4.1. Рисунок нитчатых в активном иле:
1) хламидобактерии, 2) ложнодихотомическое ветвление; 3) ноардии, 4) истинное ветвление;
5) цианобактерии; 6) септированные грибы; 7) кварцоиды — песчинки, подвергнутые био-
коррозии в аэротенке
Микроколонии различных бактерий, похожие на оленьи рога, известные как
Zooglea ramigera, или другие виды того же рода (рис. 4.2) широко распространены в
природе, а в аэротенках считаются обычными для нормального активного ила (Хен-
це и др., 2004).
Рис. 4.2. Прижизненная микрофотография зернистых флокул в виде оленьих рогов (слева)
и в виде облаков (справь), х 300
88
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
По нашим наблюдениям, в норме эти микроколонии обнаруживаются в незначи-
тельных количествах, но получают массовое развитие при нарушениях процесса
очистки, вызванного влиянием стоков пищевой промышленности, и прежде всего
сахаров. Роговидные флокулы учитываются нами как биоэстиматор № 7.
Актиномицеты. Этот термин в настоящее время распространяют на широкий круг
бактерий (Определитель бактерий Берджи, 1997). Из актиномицетов мы используем в
контроле процесса очистки нокардиоформы, например род Nocardia (рис. 4.1 (3,4)). В
активном иле они могут образовывать сильно ветвящиеся гифы с истинным ветвлени-
ем, в отличие от ложнодихотомического, наблюдаемого у хламидобактерий.
Мицелий нокардий часто распадается на фрагменты палочковидной формы,
служащие для размножения, так как споры у этих форм не образуются. Веточки
имеют толщину около 2 мкм; окрашиваются они по Граму положительно. В опреде-
лителе описаны нокардии, растущие на агаре или паразитические формы, которые
могут вызывать нокардиозы. Основным местообитанием нокардий является почва,
где их численность достигает десятков тысяч на 1 г сухой почвы (Goodfellow and
Williams, 1983) или даже нескольких миллионов в 1 г почвы (Теппер, 1976). В водо-
еме их значительно меньше, полагают даже, что вода для них - временное обитали-
ще, что они попадают в воду со смывами почвы, и подтверждают это значительным
увеличением численности актиномицетов в речной воде во время паводка
(Donderaki and Stroelesyk. 1974). Но некоторые авторы считают актиномицетов ти-
пично водными организмами, развивающимися на погруженных в воду предметах
(Aumen, 1980, Gross, 1981).
Многие авторы находили актиномицетов родов Nocardia и Gordona в пене на по-
верхности аэротенков (Lechevalier et al., 1994; Goodfellow and Minnikin, 1981). По-
следние авторы считают, что эти организмы образуют поверхностно-активные ве-
щества, с чем мы не можем согласиться: они вспенивают активный ил по иной при-
чине, приведенной ниже.
Мы встречали актиномицетов практически во всех обследованных реках, но в
небольшом количестве, зато в аэротенках, особенно на их поверхности, актиноми-
цеты могут достигать очень большой численности. Например, в 1994 году на Зеле-
ноградской станции аэрации произошло резкое снижение качества очищенной воды
из-за образования сначала на поверхности аэротенков, а затем и на поверхности от-
стойников едва заметной, затем все более плотной пены. Эта пена не была похожа
на обычную белую пену, вызываемую загрязнением воды детергентами: она имела
тот же коричневатый оттенок, что и обычный активный ил. В аэротенках, особенно
в их углах, стали образовываться большие скопления такой коричневатой «пены».
Ее микроскопирование показало, что это - живой вспененный активный ил, причем
вспенивание его вызвано именно разрастанием актиномицетов. Шаровидные кусти-
ки из гиф служили ловушками для пузырьков воздуха и увлекали на поверхность
частицы активного ила (рис. 4.1, 3).
Для идентификации этих организмов руководство ПУ «Зеленоградводоканал»
привлекло сотрудников ИНМИ РАН по договору. Работой руководил д.б.н.
В.Д. Кузнецов. Неизвестные актиномицеты были выделены в культуру, накоплена
их достаточная масса и выполнен ряд анализов, позволивших установить, что это -
Глава 4
89
Nocardia asteroides. Было также установлено, что данные организмы размножаются в
10 раз медленнее, чем обычные для активного ила псевдомонады. Это позволило
нам заключить, что причина разрастания их в активном иле - избыточный, по отно-
шению к псевдомонадам, субстрат. В дальнейшем, встретив нокардий в активном
иле какой-либо СА. мы всегда рекомендовали увеличивать концентрацию активного
ила, состоящего, в основном, из бактериальных флокул, и это всегда давало положи-
тельный результат. Большая масса бактериального активного ила «перехватывала»
пищу у нокардий, и они элиминировались. При больших концентрациях активного
ила нокардии в нем не обнаруживаются.
К актиномицетам также относится Microthrix parvicella. Этот организм был изо-
лирован из активного ила Шлийкусом (Slijkhuis, 1980). Подробно митротрикс был
изучен группой ученых из Австралии (рис. 4.3); они провели нуклеотидный анализ
Microthrix parvicella, выделенного из активного ила различных СА, как австралий-
ских. так и зарубежных, причем показали их идентичность, а также принадлежность
к актиномицетам. Очень медленный рост этого организма в культуре вызвал недо-
умение у авторов: каким образом он выживает в активном иле, где множество бак-
терий со значительно большими скоростями размножения. Они предположили, что
это связано с некоторым накоплением полифосфатов. Однако для нас нет сомнения
в том, что медленно размножающиеся актиномицеты любого вида получают шанс в
активном иле только потому, что основные деструкторы загрязнений перегружены
пищей. На остаточном субстрате и развиваются актиномицеты, представляя собой
биоэстиматор перегрузок активного ила (биоэстиматор № 5), который чаще подсчи-
тывается вместе с хламидобактериями. но иногда, при проведении мероприятий по
устранению вспенивания активного ила, актиномицетов учитывают и отдельно, как
биоэстиматор № 5а. При перегрузке, особенно при шоковой нагрузке активного ила,
эти актиномицеты разрастаются очень обильно, а если не принимать безотлагатель-
ные меры по уменьшению нагрузки, они образуют клубки (рис. 4.4).
Рис. 4.3. Microthrix parvicella, электронограмма нитей, полученная с помощью сканирующе-
го микроскопа, заимствованная нами из сайта http://www.scitrav.com/wwater/aspl/microt.htm
90
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Рис. 4.4. Microthrix parvicella, образующая клубки при шоковых нагрузках на активный ил.
Актиномицеты Грам-положительны, при окрашивании в темно-фиолетовый цвет они хо-
рошо отличаются от хламидобактерий; х 400
Как видно на фотографиях (рис. 4.3 и 4.4), гифы микротрикса напоминают спу-
танные волосы. Эти рыхлые образования служат, так же как и кустики из нокарди-
альных гиф, ловушками для пузырьков воздуха, на которых они и поднимаются на
поверхность аэротенка, вызывая вспенивание активного ила. По опыту эксплуата-
ции очистных сооружений канализации мы знаем, что в сооружениях механической
очистки воды, предшествующей аэрации, значительную часть всплывающих отбро-
сов представляют собой именно шерсть животных и спутанные волосы, служащие
ловушками для пузырьков воздуха. Здесь - явное сходство во вспенивающей роли
между волосами и волосовидными нитями актиномицетов.
Цианобактерии. При нарушении процесса очистки сточных вод из-за поступле-
ния в аэротенки промышленных стоков, содержащих спирты, в активном иле раз-
растаются нитевидные образования, напоминающие цианобактерий, но совершенно
бесцветные. Они размножаются только бинарным делением и только в одной плос-
кости, образуя длинные неветвящиеся нити, очень ригидные (в них угадывается
значительный тургор).
Снаружи нити покрыты толстым слоем слизи, которая способствует их скользя-
щему движению, заметному под микроскопом на предметном стекле. Нити разделе-
ны перегородками на отдельные клетки, причем длина клеток часто меньше, чем их
ширина. Поперечные перегородки видны при увеличении светового микроскопа в
300 и более раз; перегородки тоньше, чем боковые клеточные стенки (рис. 4.5). Ино-
гда давление клеточного сока, или тургор, настолько мощный, что клетки раздува-
ются, придавая нитям вид нитки бисера. По длине нити располагаются специализи-
рованные клетки (гетороцисты, акинеты), которые в световой микроскоп видны как
черные. Иногда нити прорастают насквозь бактериальные флокулы; если один ко-
нец нити оказался закреплен за одну флокулу, а другой - за другую, то в середине
нить образует многоклеточный «сустав», который позволяет флокулам свободно
Глава 4
91
двигаться не разрывая нити (рис. 4.6, справа). При вспухании активного ила за счет
разрастания этих нитей они могут образовывать пасмы, косы, спирали, жгуты и дру-
гие пространственные композиции, что в сочетании с их активным движением и
тургором сильно затрудняет уплотнение активного ила при оседании его в отстой-
никах. Особенно яркая картина разрастания этих образований в аэротенках наблю-
дается на очистных сооружениях в городах и поселках, имеющих спиртовые или
пивоваренные заводы. Оставив наименование «цианобактерии» для данного биоэс-
тиматора (№ 9), мы отдаем себе отчет в том, что это могут быть и не цианобактерии,
утратившие в богатой органическими веществами водной среде свои фотофермен-
ты, а микроорганизмы из совершенно иной систематической ветви. В частности, это
могут быть скользящие бактерии - бесцветные нитчатые формы: аналог формидиу-
ма - герпетосифон, аналог осциллатории - витриосцилла, аналог тиотрикса - лей-
котрикс. Их часто называют «бесцветными водорослями». В большом количестве их
наблюдали на поверхности донного ила, где они двигались, скользя между частица-
ми (Заварзин. Колотилова, 2001). Подчеркнем, что наименование 9-го биоэстимато-
ра - «цианобактерии» - определяет только морфологическое сходство с цианобакте-
риями и не имеет таксономического значения. Биоэстимационное значение этих ор-
ганизмов очень велико.
Рис. 4.5. Цианобактерии в виде репсовых лент (слева) и виде нитей бисера (справа);
прижизненная микрофотография, ЗООх
92
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Рис. 4.6. Слева - электронограмма фрагмента нити цианобактерии, демонстрирующая не-
прекращающийся вставочный рост, х 60000; справа — прижизненная фазово-контрастная
микрофотография, на которой видна локальная многоклеточность нити, формирующая
аналог сустава при возникновении опасности быть оборванной, х 900
Золотистые водоросли. К этому отделу относятся преимущественно микро-
скопические водоросли, в природных водоемах имеющие хлоропласты, окрашен-
ные в золотистый цвет, а в активном иле и при значительных концентрациях орга-
нических веществ в природе они бесцветные. Золотистые водоросли характеризу-
ются большим морфологическим разнообразием (Матвиенко, 1977). У многих ви-
дов цитоплазма клетки находится в «домике», как это характерно для Dinobrion,
имеющего свободно плавающие кустистые колонии (рис. 4.7). Для целей биоэсти-
мации жгутиконосные формы этих организмов мы объединяем в экологическую
группу «жгутиковых» и подсчитываем вместе со жгутиковыми животного проис-
хождения. как биоэстиматор № 1 - показатель динамического обеспечения про-
цесса очищения воды.
Рис. 4.7. Колония жгутиковых растительного царства, прижизненная микрофотография,
400х (Биоэстиматор № 1)
Глава 4
93
Диатомовые водоросли. Клетки диатомовых водорослей окружены твердой
кремнеземной оболочкой - панцирем, поэтому хорошо различимы при малом уве-
личении микроскопа. В активном иле эти водоросли гетеротрофны; обычно встре-
чаются одиночные клетки. Большой численности они здесь не достигают; биоэсти-
мационного значения не имеют. Однако на выходе с очистных сооружений, после
контактного резервуара, в котором производят обеззараживание, могут быть пред-
ставлены заметно. Это помогает определять происхождение воды при микроанализе
проб из различных выливаний и затоплений, обнаруженных на территории населен-
ного пункта, однако биоэстимационного значения диатомовые не имеют.
Зеленые водоросли. Этот самый обширный отдел из всех отделов водорослей в
природе в рассматриваемом биотопе представлен весьма скудно. Обычно зеленые во-
доросли попадают в активный ил из обрастаний конструкций, по которым он цирку-
лирует. Связанные с флокулами зеленые водоросли встречаются крайне редко. Биоэс-
тамационного значения не имеют, так как биоэстиматоры - только органотрофы.
Жгутиковые (Mastigophora). Жгутиковые характеризуются наличием одного,
двух или множества жгутов, являющихся органоидами движения. У немногих видов
временно или постоянно могут существовать и псевдоподии. В пределах этого клас-
са проходит как бы граница между растительным и животным миром. Среди них
есть представители, обладающие хроматофорами, содержащими хлорофилл, и могут
осуществлять автотрофное питание, а в темноте - питаться гетеротрофно. Другим
жгутиковым свойственен только гетеротрофный тип питания. Тело жгутиковых оде-
то оболочкой - пелликулой, т.е. имеет более или менее постоянную форму. При
бесполом размножении они делятся продольно. Тело жгутиковых шаровидное или
7длиненное. ядро расположено по центру, жгутики - на переднем конце тела. Меха-
низм работы жгутиков различен, но в основном они совершают винтообразные дви-
жения. Жгутики служат не только для передвижения, но и способствуют захвату
' пищи, которая их движениями направляется к небольшому отверстию в пелликуле -
рту, переходящему в глотку. При попадании пищи внутрь в эндоплазме образуется
пищеварительная вакуоль, в полости которой и происходит переваривание пищи.
Непереваренные остатки пищи выбрасываются вблизи заднего конца тела. Однако
есть жгутиковые, питающиеся жидкой пищей, они усваивают ее всей поверхностью
тела. Питание происходит за счет растворенных в воде органических веществ, более
(аминокислоты) или менее (пептоны) разложившихся (Догель, 1981). В теле жгути-
ковых откладываются запасные питательные вещества. При голозойном типе пита-
ния простейшие получают материал для построения своей цитоплазмы, поглощая
плазму других организмов.
В активном иле обнаруживаются жгутиковые только с двумя типами питания:
сапрозойным и голозойным. У сапрозойных - пища воспринимается осмотическим
путем, т.е. через стенки тела. Мелкие, трудно идентифицируемые, сапрозойные жгу-
тиковые получают массовое развитие в активном иле в пусконаладочный период ра-
боты станции аэрации, когда еще не сформировался «зрелый» активный ил, очистка
еще неудовлетворительная, очищенная вода чрезвычайно мутная. Но и на старых
станциях аэрации бывают периоды времени, характеризующиеся массовым развити-
ем мелких жгутиковых. Обычно это связано с образованием зон залежей активного
94
О.Г. Никитина
ила в системе его циркуляции. Тогда благоприятные условия для данной группы по
лучаются в небольших зонах. Вовлеченные затем в общий поток, они придают гид
робиологической картине активного ила свойство отображать нарушение динамиче
ского обеспечения процесса очистки. В активном иле из этой группы чаще всеп
встречаются многочисленные виды Bodo, получающие некоторое развитие вслед з;
спадом численности сапрозойных жгутиконосцев, знаменуя этим начало восстано
вительного периода после технологических нарушений. Род Peranema, который сис
тематики причисляют к растениям (Сафонова, 1977), в активном иле не отличается
от Bodo ни по способу питания, ни по биоэстимационным свойствам.
Большинство жгутиковых делится продольно пополам на две одинаковых особи
Нередко деление совершается в покоящемся состоянии (цисты). Под защитой цисть
тело делится последовательно один или несколько раз, при этом объем тела не уве
личивается, и получаются относительно мелкие клетки. Впоследствии циста лопает
ся, и молодые особи выходят наружу. Существуют колониальные жгутиковые. По
левой процесс имеет место не у всех жгутиковых. Он особенно распространен г
растительных форм, в том числе у колониальных (Шарова, 2002).
Мелкие жгутиковые могут достигать очень большой численности, значительнс
превышая численность любого другого биоэстиматора. Иногда в одном поле зрения
можно обнаружить сотни активно движущихся жгутиковых (рис. 4.8), причем раз
личаются они не по облику, а по характерному движению.
Рис. 4.8. Прижизненная микрофотография мелких жгутиковых, которые, даже при увеличе-
нии микроскопа в 400 раз, различаются только по характерному движению. Подсчитать иг
можно только приблизительно, но превышение их численности здесь налицо
Следует отличать мелких жгутиковых от так называемых броунид, то есть раз-
личных абиотических частиц в воде, совершающих хаотичное (броуновское) движе-
ние при разогревании осветителем капли на стекле. При некотором навыке микро-
скопирования различать броунид и мелких жгутиковых вполне удается.
Глава 4
95
Все жгутиковые морские и пресноводные, в том числе и жгутиковые формы
размножения растений и животных, для целей биоэстимации объединяются в биоэс-
таматор № 1.
4.2.1. Ожелезненные микроколонии бактерий - сидеротеки
Одним из биоэстиматоров, а именно биоэстиматором № 6, является экологиче-
ская группа, в которую входят различные бентосные раковинные амебы и похожие
на них образования, которых мы сначала считали также раковинными амебами, но
не могли идентифицировать, так как их размеры - 2-5 мкм - за переделами разме-
ров известных раковинных амеб.
Подсчитывая эти структуры на протяжении 25 лет, мы установили, что вспышки
их численности наблюдались в тех же случаях, что и вспышки численности бентос-
ных раковинных амеб, а именно, при нарушении процесса очистки воды за счет пе-
регрузки деструкторов трудно окисляемыми органическими веществами, например
водным гумусом. Поэтому мы широко использовали их в контроле процесса очист-
ок сточных вод и процесса самоочищения воды в различных водоемах вместе с ра-
ювинными амебами без идентификации. И те, и другие имеют ярко окрашенную
раковинку (или капсулу), хорошо различаются и подсчитываются, что делает их
Удобной группой для оценки процесса очищения воды и разработки восстанови-
|трльных рекомендаций. В системе биоэстимации всего десять показательных
lipynn - биоэстиматоров; описываемые ярко окрашенные структуры, вместе с бен-
нрсными раковинными амебами, представляют собой шестой биоэстиматор (Ники-
пина и др. 1987; Никитина, 2004).
i Изучение сидеротек. Выделить их в культуру не удалось, однако обогащенную
ими пробу можно получить путем фильтрования воды через мембранные фильтры.
Кия изучения в электронном микроскопе соскоб с мембранного фильтра фиксирова-
ли 2,5%-м глутаровым альдегидом на фосфатном буфере (pH 7,4) в течение 2 ч с
юстфиксацией в 1%-м растворе тетраксида осмия, обезвоживали, заливали в эпок-
Квдную смолу, затем делали срезы, которые контрастировали уранилацетатом и
цитратом свинца по общепринятой методике и просматривали препараты в элек-
тронном микроскопе Jem-100 В.
Описание микроколоний. При изучении с помощью светового микроскопа проб
воды из различных водных объектов, таких как биологические очистные сооруже-
ния, водопроводные трубы, каналы, реки, озера, участки морей, а также водных вы-
тяжек из отходов производства, почвы, песка встречаются мелкие округлые или
слегка угловатые структуры. Мы безуспешно обращались ко многим гидробиологам
с просьбой идентифицировать эти организмы. Несмотря на то, что они встречаются
повсеместно, а следовательно, играют существенную роль в функционировании лю-
бых водных систем, большинству гидробиологов они не знакомы. Это послужило
дополнительным стимулом для изучения этих организмов. Они имеют естественную
окраску различных тонов цвета ржавчины: при содержании в воде большого коли-
чества растворенного кислорода они имеют светлые оттенки, при отсутствии кисло-
рода - темные, черные, что наводит на мысль о том, что их наружный слой пропи-
96
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
тан железом, в различной степени окисленным или восстановленным. Обычно мы
их подсчитывали при увеличении в 300-400 раз. На рис. 4.8, а они изображены в ви-
де серых и черных глыбок, а в цвете - они, как сказано выше, имеют яркое, ржавое
окрашивание.
Снаружи описываемые структуры имеют заметную скульптуру, как бы выпячи-
вания и впадины. Это можно объяснить тем, что капсульное вещество обтекает не-
равномерно уплотненные глыбки бактерий, повторяя форму поверхности микроко-
лонии. При быстром вращении микровинта можно увидеть просвет в покрове мик-
роколонии, похожий на устье. Часто встречаются структуры, обращенные «усть-
ями» друг к другу, как бы только что разделившиеся, причем одна из них - сильно
ожелезнена, другая - более прозрачна. Процесс разделения этих структур мы не на-
блюдали, но не исключаем его. На рис. 4.9, б показан срез, по-видимому, только что
разделившейся структуры. Возможно, часть бактерий, находящихся внутри, вы-
скальзывает через «устье» наружу вместе с частью матрикса, не разрушая материн-
ского ожелезненного покрова. Затем и они пропитываются оксидами железа, созда-
вая более надежную защиту для бактерий, наполняющих их, по аналогии с раковин-
кой, защищающей тело раковинной амебы. При резко подвижной водной среде раз-
делившиеся структуры не расходятся, а остаются рядом. В одном агрегате мы на-
блюдали часто от 2 до 8, реже - до нескольких десятков таких структур. Агрегация
особенно характерна для активного ила аэротенков, где производится интенсивное
перемешивание среды техническими средствами. Здесь четко видны агрегаты, обна-
руживаемые по яркой окраске, погруженные в бесцветные, характерные для актив-
ного ила, бактериальные флокулы. Это делает защиту бактерий в микроколонии от
неблагоприятных факторов среды еще более надежной.
При изучении электронограмм описываемых структур видно, что микроколонии
бактерий погружены в общий фибриллярный матрикс, причем его наружный слой
неравномерно утолщен.
Многие бактерии застигнуты фиксацией в процессе деления с четко различимы-
ми генофорами (рис. 4.10, а). Бактерии внутри этих структур имеют клеточную
стенку, характерную для грамотрицательных бактерий. Иногда отчетливо различи-
мы концентрически расположенные внутрицитоплазматические мембраны, примы-
кающие к клеточной стенке, и срез клетки имеет вид спила дерева с годичными
кольцами различной толщины (рис. 4.9, в).
На рис. 4.9, в - два различных морфотипа видны в одном поле зрения. У первого
морфотипа различим тонко фибриллярный слизистый матрикс, в который погруже-
ны клетки. Он непосредственно переходит в слой, окружающий колонию. Наруж-
ный слой матрикса имеет неравномерную толщину: от 0,1 до 2 мкм и состоит из то-
го же материала, что и общий матрикс. Этот слой хорошо обозначен благодаря элек-
тронно-плотным мелкодисперсным включениям по периферии, которые, возможно,
и есть оксиды железа. Размеры первого морфотипа описываемых структур колеб-
лются от 5 до 8 мкм, а бактерии внутри них имеют две размерные категории: 0,6-0,8
и 1-1,2 мкм. Число клеток, видимых на срезе микроколонии, варьирует от несколь-
ких единиц до нескольких десятков.
Глава 4
97
а б
Рис. 4.9. Электроиограмма микроколоний в активном иле:
а - сидеротеки, видимые в световой микроскоп; х 200; внизу фотографии видна типичная
раковинная амеба Arcella. б — ультратонкий срез только что разделившейся микроколонии
второго морфотипа; х 18000. в - ультратонкие срезы двух микроколоний; здесь - явно два
разных морфотипа бактерий, х 9000
Микроколония второго морфотипа хорошо видна на рис. 4.11. Можно отметить,
что матрикс, в который погружены клетки, более электронно-плотный, чем у перво-
го морфотипа. Размеры микроколоний составляют 3-6 мкм, и клетки внутри них
мельче, чем у первого морфотипа: 0,4-0,6 мкм. Число бактерий внутри микроколо-
нии второго морфотипа, видимых на срезе, достигает 60 штук (рис 4.11. а). Цито-
плазма и нуклеоид имеют очень высокую электронную плотность, выше, чем у пер-
вого морфотипа, и плохо различимы между собой. Многочисленные цепочки вези-
кул, заполненные электронно-плотным веществом, наблюдаются в околоклеточном
пространстве. Матрикс, в который погружены бактерии, и его наружный слой, по-
98
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
крывающий колонию, непрерывно переходят друг в друга и имеют идентичную
структуру. Можно предположить, что химический состав и матрикса, и содержимо-
го внеклеточных везикул, сходен (рис. 4.11, в). Возможно, именно для этого морфо-
типа характерно размножение путем разделения микроколонии на фрагменты
(рис. 4.9, б).
в
Рис. 4.10. Электроны рамма микроколоний сидеротек первого морфотипа:
а — ультраструктура фрагмента микроколонии первого морфотипа с делящимися бактерия-
ми, х 60000; б - ультратонкий срез микроколонии первого морфотипа с разрушенным на-
ружным слоем матрикса и выходящими наружу бактериями, х 1800; в - ультраструктура
бактерий первого морфотипа с концентрически расположенными цитоплазматическими
мембранами, х 60000
Иногда часть наружного слоя фибриллярного матрикса, покрывающего микро-
колонию, разрушается, и в «пролом» выходит наружу масса бактерий (рис. 4.9, б).
По-видимому, постоянно делящимся бактериям становится тесно внутри покрова,
потерявшего эластичность из-за сильного ожелезнения. Можно предположить, что
Глава 4
99
каждая бактерия, оказавшись за пределами материнской микроколонии, делится,
образуя новую микроколонию, и процесс повторяется. Возможно, такой тип раз-
множения более характерен для первого морфотипа из описываемых структур.
а
б
Рис. 4.11. Электронограмма микроколонии сидеротеки второго морфотипа:
а - с многочисленными бактериями, позволяющими предположить, что в целой микроколо-
иии их сотни, х 18000. б — с немногими бактериями. Четко видны цепочки везикул в около-
клеточном пространстве и матрикс, непрерывно переходящий в слой, покрывающий коло-
нию. Бактерии неправильной формы, часть - в состоянии деления х 60000
Так же как и описываемые микроколонии бактерий, представители одноклеточ-
ных животных — раковинные амебы, в большом количестве встречающиеся при пе-
регрузке деструкторов трудно окисляемыми органическими веществами, также
имеют цвет ржавчины, и чем больше в воде кислорода, тем ярче окраска раковинок,
чем меньше - тем она темнее. Электронограммы срезов раковинных амеб (рис. 4.25)
показывают, что и они заполнены бактериями, но каждая - в отдельной пищевари-
тельной вакуоли, причем на разных стадиях переваривания (Никитина и др., 1981).
Отличие в том, что внутри сидеротек - бактерии с признаками активной жизни, но
это отличие обнаруживается только с помощью электронного микроскопа. Под све-
товым микроскопом сходство этих структур с раковинными амебами разительное.
Это морфологическое подобие и сходная реакция на трудно окисляемые органиче-
ские вещества позволили нам объединить столь различные по систематическому по-
ложению группы в один биологический показатель нарушения самоочищения во-
ды - биоэстиматор № 6 (Никитина, 2004).
Идентификация. Согласно определителю бактерий Берджи (1997), описываемые
микроколонии бактерий могут быть отнесены к 12-й группе: «Аэробные хемолито-
трофные бактерии и родственные организмы», ко 2-й подгруппе: «Железо- и мар-
ганцеокисляющие и/или осаждающие бактерии»: «Клетки разнообразной морфоло-
гии, большей частью в характерных агрегатах, образующих легко распознаваемые,
окрашенные оксидами железа или марганца структуры». Также отмечается, что в
100
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
культуре эти бактерии не получены. Нам тоже не удалось их выделить в культуру.
По ключу идентификации устанавливаем, что они относятся к семейству Siderocap-
saceae: «Клетки существенно варьируют по морфологии и капсулированию; аэробы
и микроаэрофилы, органотрофы, планктеры и осажденные на погруженные в воду
предметы; под микроскопом они имеют вид окрашенных скоплений, от желтых до
темно-коричневых, или цвета ржавчины». Их можно отнести к роду Siderocapsa:
«От одной до нескольких сферических или овальных клеток окружены общей кап-
сулой, пропитанной на поверхности оксидами железа и марганца». Все эти морфо-
логические особенности вполне соответствуют описываемым структурам. В опреде-
лителе для дифференциации предложены 10 видов этого рода. Первый из морфоти-
пов подходит под описание вида Siderocapsa eusphaera: диаметр клеток - 1-2 мкм,
количество клеток в микроколонии - до 60. Другое, предлагаемое здесь для этого
вида название: Arthrobacter siderocapsulatus.
Описанный нами первый морфотип имеет сходство с метанотрофами, особен-
но если судить по их концентрически расположенным цитоплазматическим мем-
бранам; поэтому можно предположить, что это - представитель рода Methilocystis
(Гальченко, 2001). В то же время эти структуры подходят и под описание циано-
бактерий, рода Gleocapsa (Определитель..., 1953). Но однозначно определить эти
роды или виды без выделения в чистую культуру и проведения нуклеотидного
анализа нельзя.
Второй морфотип описываемых нами структур не подходит ни под одно из опи-
саний ключа. Так, даже на срезе капсул этого морфотипа мы видим около 60 бакте-
рий, а внутри капсул они могут содержаться сотнями; в ключе оговорено, что клеток
внутри микроколонии - не более 60. Именно богатое наполнение капсул бактериями
у описываемого нами второго морфотипа мы считаем его главной особенностью.
Другая особенность - бактериальные клетки этого морфотипа нельзя отнести ни к
коккам, ни к палочкам, ни к овоидам, отмеченным в ключе. Они неправильной фор-
мы, и на срезе имеют неровные очертания с выпуклостями и впячиваниями
(рис. 4.10). Его можно было бы описать как новый вид, но, несмотря на то что Опре-
делитель бактерий Берджи был опубликован в 1997 году и является переводом анг-
лийского издания 1994 года, уже принято считать, что род Siderocapsa ошибочно
объединяет различные по систематическому положению микроорганизмы. В соот-
ветствии с новым изданием Берджи (2001-2003) отнесение бактерий к той или иной
систематической группе, и тем более к определенному виду, можно производить
только с использованием белково-нуклеотидного анализа (Bergey’s, 2003), но это ос-
ложняется тем, что данные организмы в культуру не выделяются.
Как было сказано выше, оба эти морфотипа бактерий входят в состав одного
(шестого) биоэстиматора - показателя нарушения процесса очищения воды, вызван-
ного перегрузкой деструкторов трудно окисляемыми органическими веществами.
Для целей диагностики и восстановления нормального хода очищения воды доста-
точно распознавать и подсчитывать соответствующие биологические показатели без
точной идентификации входящих в них микроорганизмов, однако при этом необхо-
димо их как-то именовать.
| Глава 4
101
Характерный, легко распознаваемый, яркий внешний облик описываемых
структур хорошо согласуется с наименованием рода «сидерокапса» (лат. sidereus -
солнечный, блестящий + лат. capsa - ящик, ларчик). Но, судя по неоднозначному
определению их даже группой ученых Берджи (что обусловлено прежде всего не-
возможностью проведения нуклеотидного анализа вследствие невыделения этих
биологических структур в культуру), это - не систематическая, а экологическая
группа. Поэтому нельзя использовать родовое название «сидерокапса». Вместо него
мы предлагаем использовать сходный по смыслу и созвучный термин: «сидеротека»
(гр. theca - футляр, ящик, шкатулка).
Таким образом, удалось описать и адекватно назвать повсеместно распростра-
ненные, но в то же время малоизученные биологические структуры, представляю-
щие собой важный показатель в системе биологической оценки процесса очищения
воды - биоэстимации. Описание этих микроколоний сделано совместно с к.б.н., ци-
тологом Г.А. Семеновой, выполнившей электронограммы (Никитина и др., 2006).
4.3. Грибы
Грибы составляют отдельное царство живых организмов, имеющих
как признаки растений: неограниченный рост, формирование пло-
довых тел, поглощение питательных веществ через всю сильно развитую поверх-
ность тела (адсорбированное питание), так и признаки животных: отсутствие пла-
стид, отложение гликогена и жиров, содержание хитина в оболочке (редко - и цел-
люлозы). У грибов нет истинно клеточного строения: цитоплазма некоторых грибов
не разделена перегородками; такие асептированные грибы, с ветвлением в виде бу-
горков, изображены рис. 4.12. Иногда такие грибы ветвятся очень интенсивно и мо-
гут образовывать клубки. А у тех грибов, которые разделены перегородками - у
септированных грибов - не настоящая клеточная перегородка, так как в септах
имеются отверстия, через которые цитоплазма может свободно перетекать из одного
отсека в другой. Отдельные отсеки могут иметь несколько ядер или не иметь их со-
всем, поскольку деление ядер не связано с образованием перегородок.
На рис. 4.1 схематически изображены гифы септированных грибов. Трубчатые
тела грибов называются гифами. Заметим, что тем же термином по традиции обо-
значают нити актиномицетов, называя их «лучистыми грибками», однако к грибам
актиномицеты не относятся (см. выше). Некоторые представители царства грибов не
имеют гифовой организации, например дрожжи. Цитоплазма грибов содержит все
органеллы, свойственные эукариотической клетке. Отдельные гифы нарастают пу-
тем верхушечного роста и могут сильно ветвиться. Гифы грибов могут объединять-
ся в продольные группы, образуя крупные (порой более нескольких метров длиной)
тяжи, которые называются ризоморфами из-за их сходства с корнями. Они хорошо
развиты у домовых грибов и у опят (Билич, Крыжановский, 2005). При попадании
на очистные сооружения токсичных промстоков мы наблюдали образование слизи-
стых тяжей из водных грибов, не похожих на корни. Слизистые тяжи из гифов гри-
бов наблюдались визуально по всей трассе движения стоков от завода до аэротенка,
102
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Рис. 4.12. Прижизненная микрофотография несептированного водного гриба
среди других организмов активного ила, х 100
то есть в трубах, колодцах и каналах, иногда загораживая весь просвет трубы. В аэ-
ротенках грибы разрастались и в виде гиф, и в виде флокул из спор, и в виде тяжей,
причем все обычные обитатели аэротенка элиминировались, а очистка сточных вод
прекращалась. Ниже сброса таких стоков в небольшой речке разросшиеся тяжи из
грибных гифов выглядели как причудливо колышущиеся «леса».
Из многочисленных экологических гр;, ппировок грибов наибольший интерес в
данном случае представляют водные грибы, а именно, представители порядка гифо-
мицетов. В аэротенках условия для этих грибов наилучшие: принудительная аэра-
ция, необходимая этим строгим аэробам, обилие органических веществ в посту-
пающей сточной воде, оптимальная температура. Гифомицеты поразительно устой-
чивы к различного рода токсичным стокам, поэтому входят в состав биоэстиматора
№ 8. Но в нетоксичной среде гифомицеты подавляются обычными бактериями ак-
тивного ила, которые размножаются значительно быстрее, покрывают гифы грибов
все утолщающимся слоем, перехватывают у них пищу, вызывают фрагментацию
гиф и гибель грибов.
По превышению численности грибов мы судим о токсичности не только сточных
вод, но и водных вытяжек из почвы или воды конкретных водных объектов. Так, на
рис. 4.13 изображена ожелезненная гифа гриба из воды р. Оскол вблизи бывшего руд-
ника. По-видимому, в воду попадали ливнестоки из хвостохранилищ, придавая ей
токсичность. На рис. 4.14 - грибы из колодца, хозяин которого обратился к нам, так
как не мог понять, почему у него вода имеет неприятный привкус. Предварительно он
обращался в несколько московских лабораторий, выполнивших в пробах воды из его
колодца большое число различных химических анализов и не установивших никаких
отклонений от норматива для питьевой воды. Биоэстимация выявила токсичность по
превышению численности биоэстиматора № 8. Хозяин колодца сначала очень удив-
лялся и возражал против такого вывода, а потом признался, что трижды обрабатывал
гипохлоритом натрия колодец осенью и дважды весной.
Глава 4
103
Рис. 4.13. Прижизненная микрофотография гифы гриба из р. Оскол
вблизи бывших рудников. Сильное ожелезнение придает гифам цвет ржавчины,
а на микрофотографии — оптическую плотность, 400х
Рис. 4.14. Прижизненная микрофотография грибов из колодца
после неумеренного обеззараживания воды в нем, 400х
Гифомицеты активного ила изучены недостаточно. Вместе с тем их исследование
необходимо, поскольку случаи грибного вспухания активного ила с ростом числа за-
водов, сбрасывающих сложные по составу, малоизученные, часто бактерицидные сто-
ки. участились. Этот вид вспухания рассмотрен в главе 6. Там же приведены микро-
фотографии грибов, прорастающих деградирующие бактериальные флокулы активно-
го ила в токсичной среде, а также флокулы, образованные из спор этих грибов.
Водные грибы размножаются при помощи спор: чаще - это распадение гиф на
фрагменты; если спор очень много, они могут образовывать споровые флокулы, вы-
тесняя бактериальные флокулы. Реже наблюдается почкование. Иногда в активном
иле можно обнаружить спорангии, которые образуются внутри особых клеток. Из
спорангиев выходят неподвижные или подвижные споры, дающие начало новым
гифам грибов.
104
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
При низких нагрузках на активный ил могут развиваться водные грибы с пара-
зитическим образом жизни: они строят ловушки из особых гиф, в которые попадают
коловратки, тихоходки или черви. Затем гифы прорастают в тело жертвы, постепен-
но заполняя его целиком. Хищные грибы не имеют биоэстимационного значения.
4.4. Микрофауна активного ила
Роль микрофауны активного ила в очистке сточных вод значительно
меньше, чем роль микрофлоры. Однако в контроле процесса очистки
роль микрофауны особенно велика, на что указывают многие авторы (Калабина, 1930;
Сладичек, I960; Гюнтер, 1969; Гайдамак, 1970; Роговская, 1970; Липеровская, 1977;
Банина и др., 1983; Гейспиц, 1984; Hawkes, 1963; Никитина 1978, 2000, 2005 и др.).
Многие простейшие, обычно входящие в состав пресноводного бентоса и планк-
тона природных водных объектов, являются типичными представителями сообще-
ства активного ила. Важная биотическая особенность простейших - способность к
инцистированию, помогающая переносить неблагоприятные внешние условия и при
оптимизации для них окружающей среды переходить к активному образу жизни -
делает их ценными биоэстиматорами внешних воздействий.
Поскольку данная книга может использоваться в качестве учебного пособия для
слушателей курсов повышения квалификации, в том числе и не получивших биоло-
гического образования, мы вносим в текст пояснения, взятые из учебника «Общая
протозоология».
Деление скелетных образований у простейших на категории является до извест-
ной степени искусственным, но представляет несомненные удобства. У многих про-
стейших наружный слой эктоплазмы уплотняется в гибкую пелликулу, позволяю-
щую временно изменять форму тела. Чем плотнее пелликула, тем меньше может
изменяться форма тела. Уплотненная пелликула называется кутикулой. У инфузо-
рий она имеет различные скульптуры. Иногда она дифференцируется в отдельные
пластинки, образуя панцирь. Например, у Coleps hirtus образуются поперечные поя-
ски из кутикулярных пластинок. Особая категория сплошных скелетов - студени-
стые оболочки, например, у вольвокса. Скелет в виде раковинки встречается у
Sarcodina, Ciliata и Mastigophora, начиная с небольшой раковинки, слегка прикры-
вающей спинную часть тела, до сферического мешочка, покрывающего все тело, с
тенденцией к сужению отверстия. Материал раковинки - чаще всего псевдохитин.
Иногда он инкрустируется посторонними частицами и служит как бы цементом.
Иногда кремнезем в таких раковинках приобретает вид псевдокварца, как у
Difflugia, или пластинок, как у Euglipha (Догель и др., 1962).
Сакромастпигофора. Относящиеся к этому типу простейшие с органоидами дви-
жения в виде псевдоподий и жгутиков являются наиболее яркими показателями на-
рушения процесса очищения воды, вызванного застойными явлениями в водоеме,
либо по пути циркуляции активного ила на станциях аэрации. В норме сакромасти-
гофора в объеме менее 0,01 см3 не обнаруживается.
Глава 4
105
Голые амебы. низшие, наиболее просто устроенные корненожки, лишенные ске-
лета. Форма их тела непрерывно изменяется, поэтому четкие фотографии получить
трудно (рис. 4.15).
Важно отметить, что наибольшее значение имеют чрезвычайно мелкие голые
амебы, которые при малом увеличении микроскопа не видны.
Рис. 4.15. Прижизненная микрофотография голых амеб, 400х
Только внимательное наблюдение при увеличении в 400 раз позволяет их обна-
ружить и подсчитать (фото справа), при этом сначала они как бы не видны, но при-
стально всмотревшись, можно обнаружить, что их количество огромно. В активном
иле субстратом для амеб служат бактериальные флокулы, которые обычно маски-
руют амеб от наблюдателя. При длительном наблюдении можно заметить, что аме-
бы покидают свои убежища и рассредоточиваются по предметному стеклу (Банина.
Суханова, 1983). При просмотре свежей иловой смеси по обилию амеб за пределами
бактериальных флокул можно судить о нарушении процесса очистки сточных вод.
Идентификация амеб очень сложна, но для целей контроля процесса очистки их
можно подсчитывать без идентификации, вместе с различными амебоидными фор-
мами размножения других животных. Массовое развитие голых амеб происходит
при нарушении динамического обеспечения процесса очистки за счет неудовлетво-
рительного общего перемешивания иловой смеси в аэротенке, или макротурбулент-
ности в водном объекте (голые амебы и амебоиды - это биоэстиматор № 2).
Раковинные амебы имеют очень большое значение в оценке процесса очистки
сточных вод. Так же как и в природных водоемах, в аэротенке можно выделить две
экологические группы - бентосные и планктонные раковинные амебы.
Бентосные раковинные амебы активного ила - это представители родов
Arcella, Euglipha, Gentropixis, Pamphagus и др. Всех бентосных раковинных амеб
активного ила объединяет способ питания. Ползая по флокулам, они собирают на-
ружный слой бактерий, который тем рыхлее, а следовательно и доступнее, чем
выше удельные нагрузки на активный ил. Особенно большой численности эта
группа достигает в перегруженных илах, где флокулы имеют так называемые
диффузные края (Hawkes, 1963). По мере снижения удельных нагрузок на актив-
106
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
ный ил, слой слабо скрепленных клеток на поверхности флокул становится все
тоньше и плотнее, медлительные обладатели тяжелых раковинок все меньше име-
ют возможность возмещать свои энергетические затраты, их численность снижа-
ется. Они, так же как и сидеротеки, входят в состав биоэстиматора № 6. Эти орга-
низмы хорошо заметны даже при малом увеличении микроскопа, широко извест-
ны и в пояснениях не нуждаются.
Планктонные раковинные амебы редки в перегруженном активном иле, но по-
лучают массовое развитие при нарушающем воздействии на процесс очистки сто-
ков, нетоксичных, но нарушающих флокуляцию бактерий. Если следовать рекомен-
дациям многих методик по контролю активного ила, то его следует изучать после
отстаивания, взяв пипеткой осевшую порцию ила. В таком случае планктеров обыч-
но не замечают, так как они остаются в воде над илом. Обилие свободно плавающих
бактерий позволяет накапливать внутри клеток планктонных раковинных амеб ве-
ществ, облегчающим парение и одновременно служащих запасным питательным
веществом (Никитина и др., 1983). Имея тонкую, мелкую, легкую раковинку и чрез-
вычайно развитую сеть псевдоподий, планктонные раковинные амебы парят в толще
воды и вылавливают отдельных бактерий. По мере восстановления флокуляции ос-
тается все меньше бактерий, не объединенных во флокулы, планктерам остается все
меньше доступной пищи, их численность снижается.
Из этой группы в активном иле был обнаружен вид, долгое время не поддавав-
шийся идентификации, мы его сфотографировали, зарисовали и обозначали грече-
ской буквой а. Несмотря на то что систематическая принадлежность этого мелкого
(около 10 мкм в диаметре) организма была еще не установлена, он успешно исполь-
зовался в оперативном контроле (Никитина, 1979). Организм этот был подвергнут
тщательному изучению и получил название Gromia neglecta, species nova (Никитина
и др., 1981). Позднее была описана еще более мелкая громия, диаметром всего 3-
4 мкм. часто образующая агрегаты из 4-8 клеток, реже - и более обширные агрега-
ты. Ниже громии активного ила описаны более подробно (раздел 4.5.1).
Из подкласса Солнечников в активном иле обнаружен только один вид
Actinophrys soil. Он увеличивает свою численность при поступлении на станцию
аэрации стоков, нарушающих флокуляцию бактерий, но никогда не достигает такого
массового развития, как G. neglecta. Для целей биоэстимации солнечники подсчиты-
ваются вместе с планктонными раковинными амебами, с которыми объединяются в
экологическую группу планктонных раковинных саркодовых (биоэстиматор № 10).
Жгутиконосцы. Эта обширная группа простейших широко распространена в
природе и обнаруживает все типы питания от типично растительного до типично
животного. Подробнее о жгутиконосцах см. раздел 4.2 -Жгутиковые.
Ресничные инфузории. Инфузории широко распространены в природе и издавна
используются для санитарной оценки водоемов (Макрушин, 1974). Из организмов
активного ила - это наиболее хорошо изученная группа. Уже первые исследователи
процесса очистки сточных вод обратили внимание на то, что для разной степени
очистки (для разного качества очищенной воды) характерны определенные наборы
видов инфузорий (Никитинский, 1909; Калабина, 1930 и др.). Однако наша цель-
отобразить не качество воды (конечный результат), а факторы, мешающие нормаль-
ному ходу очищения воды.
Глава 4
107
Рис. 4.16. Прижизненная микрофотография свободноплавающих
общеизвестных инфузорий-туфелек из активного ила, х 100
Рис. 4.17. Прижизненная микрофотография Vorticella microstoma, х 200
Инфузории потребляют взвешенные в воде пищевые частицы, главным образом
нефлокулированных бактерий. Обилие такой пищи стимулирует развитие свободно
плавающих инфузорий, а из прикрепленных - тех, которые имеют слабо развитое око-
лоротовое поле, например, Vorticella microstoma (Голубовская, 1977). Одиночные
прикрепленные инфузории, диаметр ротового отверстия которых меньше, чем диа-
метр средней (брюшной) части клетки, включены в 3-й биоэстиматор, хотя они и при-
крепленные, в связи с тем, что они выживают только в воде, насыщенной бактериями,
не объединенными во флокулы. Всех свободноплавающих и ползающих инфузорий, а
также малоротых сувоек мы всключили в биоэстиматор № 3 (рис. 4.16 и 4.17).
Прикрепленные инфузории включены в биоэстиматор № 4 (кроме V. Microsto-
ma). Замечено, что они не получают массового развития при обилии доступной пи-
108
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
щи, так как очень требовательны к подвижности среды в микрозонах (микротурбу-
лентности, которую они и сами усиливают действием своего околоротового поля).
Происходит закономерная смена формаций: по мере увеличения подвижности среды
и восстановления флокуляции бактерий, количество доступной для подвижных ор-
ганизмов пищи уменьшается, они перестают покрывать свои энергетические затра-
ты за счет все более рассеянной пищи, и постепенно замещаются прикрепленными
инфузориями с хорошо развитым собственным либо суммарным околоротовым по-
лем в колониях, обеспечивающим концентрацию пищи из значительно большего
объема воды (рис. 4.20). Биоэстимационное значение инфузорий невелико. Наш
опыт показывает, что инфузории могут служить лишь биоэстиматорами микротур-
булентности в нетоксичной среде. При низкой подвижности иловой смеси инфузо-
рии вообще отсутствуют.
Рис. 4.18. Неидентифицированный вид инфузории, х 600
В нашей практике встречались случаи, когда в аэротенках выпадал плотный
осадок, напоминающий торф, и даже над поверхностью возвышались его островки.
В таких случаях мы не обнаруживали инфузорий, даже свободноплавающих. На
рис. 4.18 изображена часто встречающаяся кругоресничная инфузория, которая мо-
жет образовывать группы из 2-8 зооидов без домика. При этом получается как бы
клубок из ползающих друг по другу инфузорий, Но она может образовывать и
изящный домик, как на рис. 4.18, из которого периодически далеко высовывается
ресничный диск, а клетка удлиняется почти вдвое. Данная инфузория не идентифи-
цирована. Подсчитывается как биоэстиматор № 3, если она ползающая, и как биоэс-
тиматор № 4, если она прикреплена к флокуле. Это - пример того, что биоэстимация
может проводиться не только без идентификации, но и один и тот же вид может ис-
полнять роль разных биоэстиматоров. При недостаточной микротурбулентности по-
тока численность свободноплавающих инфузорий в разной степени превосходи!
Глава 4
109
численность прикрепленных. При хорошей - численность прикрепленных инфузо-
рий превосходила таковую свободноплавающих, причем с глубиной очистки, то
есть с результатом процесса, или качеством очищенной воды, перераспределение
групп инфузорий увязать трудно. Так, на Зеленоградской станции аэрации при по-
стоянной глубокой нитрификации отношение свободноплавающих инфузорий к
прикрепленным изменялось в широких пределах, обнаруживая некоторую связь с
удельным расходом воздуха на 1 м3
Рис. 4.19. Прижизненная микрофотография колонии Epistilis plicatilis, х 100
Как видно из таблицы 4.1, нормальным в эти годы был расход воздуха
6,7 м3/1 м3 воды и более. Эта величина соответствовала проектной для данной СА. В
последующие годы количество воды и ее концентрация возрастали, а парк воздухо-
одувок оставался прежним, поэтому и биоэстимация все чаще стала отображать на-
рушения по данному показателю.
Нормальное отношение инфузорий отображает не определенное количество
воздуха, подаваемое на 1 м3 воды, а соответствие подвижности среды, обеспечивае-
мой пневматически, конкретному стоку. Так, на ОС г. Паневежис, где концентрация
стоков чрезвычайно высока, подавалось 40 м3 воздуха на 1 м3 сточной воды, и толь-
ко в этом случае мы обнаруживали нормальное отношение инфузорий, не превы-
шающее 0,8. Отметим, что и с количеством растворенного кислорода это отношение
не связано: в аэротенках Паневежских ОС количество кислорода не превышало
1 мг/дм3, а отношение инфузорий оставалось нормальным. В аэротенках других ОС
и при количестве растворенного кислорода 8 12 мг/дм3 наблюдалось превышение
отношения инфузорий, свидетельствуя о нарушении микротурбулентности потока.
110
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Таблица 4.1
Соотношение удельного расхода воздуха и соответствующего ему
отношения инфузорий, наблюдавшегося в активном иле ЗСА в 1980 г.
Удельный расход воздуха м3/м3 воды Отношение свободноплавающих инфузорий к прикрепленным
8,2 0,4
7,8 0,5
6,7 0,8
5,4 1,2
4,7 2,2
Из свободноплавающих инфузорий в активном иле ЗСА обычны представители
родов: Aspidisca, Chilodon, Disteria, Trachelophillum, Strombidium, Litonotus и др. Из
прикрепленных: Epistylis, Opercullaria, Zoothamnium, Garchaesium, Thuricola, Vorti-
cella и др. Для целей биоэстимации идентификация не требуется, достаточно сопос-
тавить общую численность прикрепленных и общую численность всех свободно-
плавающих и ползающих инфузорий. Если обнаруживаются подвижные формы
прикрепленных инфузорий (бродяжки), их следует подсчитывать вместе со свобод-
ноплавающими, так как они входят в экологическую группу свободноплавающих
инфузорий. Здесь принадлежность к той или иной экологической группе важнее,
чем систематическая принадлежность.
Сосущие инфузории, как и все хищные организмы активного ила, чаще встреча-
ются при низких удельных нагрузках на деструкторов загрязнений. Биоэстимацион-
ного значения не имеют.
Метазоа активного ила
В биоэстимации процесса очищения воды многоклеточные представители ак-
тивного ила значения не имеют. Однако без этих организмов гидробиологическая
картина активного ила была бы не полной. Кроме того, некоторые наши наблюдения
над этой группой животных могут оказаться полезными при промышленном выра-
щивании живого корма для молоди рыб.
Ресничные черви. В активном иле встречаются представители отряда прямоки-
шечных турбеллярий (Rabdocoela). Мелкие для червей организмы, едва достигаю-
щие 1 мм, среди обитателей активного ила они оказываются гигантами. Как и все
хищники, они обычно развиваются при резком снижении удельных нагрузок на ак-
тивный ил на фоне бывших до этого высоких нагрузок. Встречаются они редко и не
на всех станциях аэрации. Биоэстимацинного значения не имеют.
Брюхоресничные. В активном иле обычно встречается один вид Haetonotus sp.
Брюхоресничные, или гастротрихи, перемещаются по субстрату, в данном случае по
бактериальным флокулам, с помощью ресничного поля, развитого на брюшной сто-
роне. Пищей им служат мелкие животные и сами флокулы. По систематике и эколо-
гии эти организмы близки к прямокишечным турбелляриям, в активном иле встре-
чаются значительно чаще, чем турбеллярии, однако массового развития никогда не
получают. Биоэстимационного значения не имеют.
F Глава 4
111
Круглые черви. В активном иле эта группа представлена всего несколькими ви-
дами мелких, до 1 мм, червей, никогда не достигающих массового развития. Сво-
бодноживущие пресноводные нематоды ведут бентосный образ жизни и питаются
детритом. В активном иле они заглатывают флокулы активного ила, при этом нема-
тоды непрерывно энергично двигаются, вороша массу ила, в случае образования зон
его залежей. Однако оценку залежей по численности нематод проводить не удается.
По-видимому, отсутствие кислорода в зонах залежей мешает их массовому разви-
тию, а в хорошо аэрируемых участках для них оказывается неблагоприятной турбу-
лентность. Биоэстимационного значения не имеют.
Коловратки. В активном иле встречается более 20 видов коловраток. Они не
требовательны к температуре, солености, кислородному режиму и обнаруживаются
в аэротенках различных типов, обрабатывающих всевозможные стоки, при нор-
мальном и нарушенном технологическом режиме. Поэтому численность коловраток
трудно увязать с действием каких-либо факторов, яркой динамики они не обнару-
живают. Питаются коловратки бактериями и мелкими хлопьями, мощный коловра-
щательный аппарат создает стремительный поток пищевых частиц по направлению
к ротовому отверстию и далее в жевательную глотку, что позволяет коловраткам
получать достаточное количество пищи и в случае ее значительного разрежения, а
не только в случае нарушения флокуляции бактерий. По частоте встречаемости в
активном иле ЗСА можно построить следующий ряд родов коловраток: Monostyla,
Colurella, Trichocerca, Rotaria, Lecane, Catipna, Notommata, Brachionus, Proales,
Platyias и др. Биоэстимационного значения коловратки не имеют.
Малощетинковые. В активном иле чаще всего обнаруживаются роды Aelosoma,
Naias, Tubifex. Тело олигохет, как и всех высших червей, сегментировано. Самые
мелкие олигохеты элосомы в длину редко достигают 2 мм. Они хорошо заметны да-
же невооруженным глазом благодаря характерным красноватым кожным железам.
Если пробу иловой смеси оставить в теплой комнате на сутки, то поверхность
всплывшего активного ила окажется как бы окрашенной в красный цвет. В лупу в
таком случае видна масса копошащихся элосом, выбравшихся на поверхность для
лучшего дыхания. Некоторые авторы связывают наличие элосом с нитрифицирую-
щим активным илом (Голубовская, 1977; Липеровская, 1978 и др.). Однако в аэро-
тенках ЗСА, где всегда идет глубокий процесс нитрификации, эти организмы не вы-
являются по многу месяцев подряд. Наидиды, или водяные змейки, встречаются в
активном иле реже, чем элосомы. Еще реже встречаются трубочники, более круп-
ные, ярко-красные кольчецы. Все олигохеты поедают флокулы активного ила. но на
очистке это не сказывается. Биоэстимационного значения не имеют.
Ракообразные. В активном иле встречаются ветвистоусые (Cladocera) и веслоно-
гие (Copepoda) рачки. Из ветвистоусых в активном иле часто встречается Moina
macrocopa, тело которой заключено в полупрозрачную двустворчатую раковину. На
лобной части головы один фасеточный глаз. Дыхание моин осуществляется через
жабры, в которые кровь поступает по системе полостей, приводимая в движение
сердцем. Сердце, взбалтывающее кровь, содержащую красный пигмент, совершает
несколько сотен ударов в минуту. Когда содержание растворенного кислорода в
очищенной сточной воде резко снижается, кровь моины приобретает ярко-красный
112
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
цвет. В более благоприятных условиях бледнеет. Довольно совершенная кровенос-
ная система помогает моинам переносить периоды ухудшения условий аэрации или
ее отсутствие, например, в отстойниках. Основная пища моин нефлокулированные
бактерии. Размножаются моины главным образом партеногенетически. При ухуд-
шении для них условий среды партеногенетический процесс прерывается, часть от-
ложенных в выводковую камеру яиц развивается в самцов, часть в яйца с редуциро-
ванным набором хромосом. В результате оплодотворения такие яйца превращаются
в покоящиеся, заключенные в так называемые эфиппиумы. Темный хитиновый слой
делает эфиппиумы заметными невооруженным глазом. При осмотре пробы надыло-
вой воды со снующими моинами можно видеть, много ли среди них черных точек и
по ним судить о динамике численности моин. Если пробу воды с моинами помес-
тить в холодильник, то среди теплолюбивых моин уже через сутки можно увидеть
множество черных точек эфиппиальных самок. Вслед за этим численность моин
резко снижается.
Во вторичных отстойниках первых сооружений ЗСА, просуществовавших до
2000 года, постоянно сохранялась оптимальная для моин температура (около 20°),
нетоксичнная вода, содержащая в достаточном количестве нефлокулированные бак-
терии и ювенильные флокулы. При этом моины образовывали в отстойниках рои до
5 м длиной и до 20 см шириной. Наблюдая за поверхностью отстойника, одновре-
менно можно было увидеть до 15 таких роений. Вторичный отстойник в данном
случае может служить моделью биологического реактора для разведения живого
корма для молоди рыб, так как ветвистоусые рачки хорошо известны в качестве
превосходного корма, содержащего по весу 50% белка, 11% жира (Бирштейн, 1968).
Мы наблюдали, как за одно траление из верхнего слоя воды во вторичном отстой-
нике извлекали до 100 кг моин.
Из веслоногих ракообразных в активном иле отмечены хищники - циклопы.
Дыхание у них осуществляется всей поверхностью тела, жабр нет, кровеносная сис-
тема слабо развита, что делает циклопов зависимыми от кислородного режима в аэ-
ротенке. В первые 5 лет работы ЗСА в активном иле из рачков встречались только
циклопы. В этот период времени ЗСА работала с низкими нагрузками, время пребы-
вания сточной воды в сооружениях по всем стадиям очистки было продолжитель-
ным. очищенная вода была исключительно прозрачной и насыщенной кислородом.
По мере роста города количество сточной воды, поступающей на ЗСА, увеличилось,
возросла ее концентрация, очистка становилась все более напряженной. В после-
дующие несколько лет в одной пробе иловой смеси можно было обнаружить одно-
временно циклопов и моин. Затем в течение более чем 15 лет обнаруживались толь-
ко моины. В тех отстойниках, где возникали трудности с выгрузкой осевшего ила,
роений было особенно много. Здесь и вода была более мутной из-за присутствия в
ней большого числа мельчайших фрагментов флокул. Поэтому моины получали
достаточно пищи, а к кислородному режиму они менее требовательны, чем цикло-
пы, дышащие всей поверхностью тала. Если моины роятся во всех отстойниках, то
по обилию роений можно определить, какой из отстойников имеет большие про-
блемы с выгрузкой. Однако моины на станциях аэрации встречаются очень редко.
Биоэстимационного значения рачки не имеют.
Глава 4
ИЗ
Паукообразные. Из этого класса в активном иле встречаются лишь водяные
клещи группы Hydraehnellae. Клещи этой группы хищники, питающиеся рачками и
другими мелкими животными. В активном иле обнаруживаются единично, биоэсти-
мационного значения не имеют.
Тихоходки. В активном иле часто обнаруживаются представители рода Масго-
biotus различного размера, а также их яйца, отложенные в сброшенную при линьке
кутикулу. Численность и ее изменения незначительны. Биоэстимационного значе-
ния не имеют.
Мшанки. В природе пресноводные мшанки рода Plumatella располагаются на по-
груженных в воду предметах и состоят из сотен одинаковых зооидов. В активном
иле мшанки впервые были описаны нами (Никитина, 1987). Колонии мшанок обыч-
но связаны с флокулами и, как правило, не содержат более 10 зооидов, каждый из
которых помещается в отдельной ячейке. В аэротенках мшанки размножаются поч-
кованием. Часто можно наблюдать особый случай бесполого размножения, заклю-
чающегося в том, что внутри особи образуется внутренняя почка статобласт, покры-
тый плотной оболочкой. Образование статобластов знаменует собой то, что условия
в аэротенке больше не соответствуют потребностям мшанок, которые после этого
долгое время не обнаруживаются. Благодаря прочной оболочке статобласты сохра-
няют свое нежное содержимое от неблагоприятных воздействий среды и от механи-
ческих повреждений по мере прохождения очистных сооружений по стадиям очист-
ки. После аэротенков они попадают во вторичные отстойники, затем в барабанные
сетки, потом на фильтры, с которых они уносятся промывной водой в насосную
станцию, а оттуда насосами вместе с водой из города перекачиваются в голову очи-
стных сооружений, где они попадают на песколовки, первичные отстойники и, на-
конец, снова в аэротенки. Такой длительный путь статобласты проходят из-за того,
что они отделяются от основной массы активного ила в отстойниках благодаря на-
личию вокруг капсулы хитинового ячеистого кольца с пузырьками воздуха в ячей-
ках, что позволяет им плавать на поверхности воды. Связать численность мшанок с
определенными условиями в аэротенке очень трудно, так как встречаются они до-
вольно редко и не на всех станциях аэрации. По-видимому, наличие мшанок в аэро-
тенке служит признаком того, что очищенная вода по своему составу близка к воде
природных водоемов. Но биоэстимационного значения они не имеют.
4.4.1. Громии в активном иле
В активном иле различных станций аэрации часто можно обнару-
жить описанную Дюжарденом еще в XIX веке раковинную амебу
Gromia fluviatilis. Этот организм имеет слегка неровную овальную раковинку, раз-
мером 40-50 мкм, само устье не видно, но замечено, как из него выходит цитоплаз-
ма, обволакивает всю раковинку, одновременно в разные стороны вытягиваются
тонкие, анастомозирующие псевдоподии (рис. 4.27). Gromia fluviatilis - типичный
представитель бентоса. Большой численности этот организм не достигает, яркой ди-
намики численности не обнаруживает, учитывается вместе с другими бентосными
раковинными амебами и сидеротеками как биоэстиматор № 6.
114
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Из всех исследованных нами организмов активного ила наиболее яркую дина-
мику численности обнаружил долго не поддававшийся идентификации организм.
Он легко различался при малом увеличении микроскопа, встречался в активном иле
большинства обследованных станций аэрации, его численность изменялась незави-
симо от численности других биоэстиматоров, давал вспышки при неблагоприятных
воздействиях на процесс очистки сточных вод со стороны обрабатываемых стоков с
примесью жиров или нефтепродуктов, то есть отвечал всем требованиям показа-
тельного организма.
Организм был подвергнут нами тщательному изучению и описан как новый вид
(Никитина и др., 1987). В культуру этот организм выделить не удалось, но при от-
стаивании иловой смеси он оседал значительно медленнее основной массы активно-
го ила. Обогащенную им пробу активного ила получили сифонированием воды над
илом после оседания в течение 2-х часов и фильтрованием ее через мембранный
фильтр. В соскобе с фильтра этот организм был представлен очень обильно.
Почти все специальные приспособления, которые выработали планктонные ор-
ганизмы за долгую эволюцию, можно обнаружить у этого организма: выросты тела,
образующие необычайно развитую псевдоподиальную сеть, диаметр которой значи-
тельно превосходит диаметр раковинки (рис. 4.21). Шаровидная раковинка около
10 мкм в диаметре; накопленные в теле жироподобные метаболиты ярко преломля-
ют свет, делая эти организмы хорошо заметными, даже при малом увеличении мик-
роскопа (рис. 4.20); изредка они образуют агрегаты, вытянутые в цепочку. Мы неод-
нократно наблюдали деление организмов надвое. При этом, по-видимому, втягива-
ются псевдоподии (псевдоподиальная сеть у делящихся форм не обнаруживается) и
по средней линии клетки выявляется постепенно утолщающаяся перегородка. При-
близительно через 20 мин. после обнаружения перегородки можно говорить о нали-
чии двух самостоятельных клеток, тесно прижатых друг к другу. При этом клетки
бывают слегка сплюснуты в зоне контакта. Вскоре происходит окончательное раз-
деление клеток, которые приобретают шаровидную форму. Электронограммы пока-
зывают, что организм заключен в тонкую раковинку неравномерной толщины (от
0,05 до 0,10 мкм). В стенке раковинки выявляются внешний и внутренний электрон-
ноплотные слои, между которыми расположен промежуточный матрикс с тонкой
фибриллярной структурой. В области устья, диаметром менее 1 мкм, стенка утолща-
ется до 0,30 мкм. Толщина этого «воротничка» около 1 мкм (рис. 4.22). Плазмалем-
ма примыкает к большей части внутренней поверхности раковинки, но в ряде мест
образует выпячивания типа эпиподий. Ядро одно, расположенное несколько эксцен-
трично, диаметром до 2,5 мкм; имеется одно ядрышко. Внутри ядра выявляются
разрозненные глыбки хроматина. Ядерная оболочка неровная, с многочисленными
выпячиваниями. Цитоплазма чрезвычайно богата включениями. Выявляются мито-
хондрии (до 20 митохондриальных профилей на срезе клетки), цистерны эндоплаз-
матической сети, элементы аппарата Гольджи и рибосомы. Митохондрии характер-
ного для Protozoa типа с трубчатыми кристами (рис. 4.24). В цитоплазме большое
количество вакуолей. В каждой из пищеварительных вакуолей обнаруживается по
одной бактерии, находящейся на разных стадиях переваривания (рис. 4.25). Кроме
пищеварительных, имеются более крупные вакуоли, окруженные концентрически
Глава 4
115
Рис. 4.20. Прижизненная фазово-контрастная микрофотография, х 200
Рис. 4.21. Внешний вид Gromia neglecta,
реконструированный по оптическим срезам
Рис. 4.22. Ультраструктура фрагмента клетки G.neglecta с устьем, х 60000
116
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Рис. 4.23. Электронограмма ультратонкого среза G. neglecta с ядром,
ядрышком и 3-мя вакуолями, заполненными запасным веществом, х 18000
Рис. 4.24. Электронограмма ультраструктуры фрагмента клетки G.neglecta
с митохондриями и вакуолью, в которой формируется запасное вещество, х 45000
расположенными мембранными элементами. В этих вакуолях, по-видимому, фор-
мируется запасное вещество (рис. 4.24). Иногда такие глыбки заполняют значитель-
ную часть клетки; старые клетки бывают заполнены ими целиком. На основании по-
лученных данных мы сделали вывод о принадлежности описываемого организма к
отряду Testacea (тип Protozoa, класс Sarcodina), семейству Gromiidae. По шаровид-
ной раковинке описываемый организм можно отнести к роду Gromia (Dujardin,
1835). Этот род, как и все семейство, чрезвычайно мало изучен. Ни один из описан-
ных ранее видов этого рода не имел достаточного сходства с изученным нами орга-
низмом. Поэтому было выдвинуто предположение, что это новый вид рода Gromia
Duj, для которого мы предложили название Gromia neglecta sp.nova (от neglectus -
незамеченный, пренебреженный^ (Никитина, Семенова, Чибисова, 1980). Такое ви-
довое назван! е связано с тем, что все исследователи активного ила, к которым мы
Глава 4
117
обращались за помощью в определении этого широко распространенного организ-
ма, либо не замечали его, либо замечали, но пренебрегали им при подсчете, по-
скольку не знали, что это за организм.
Рис. 4.25. Ультраструктура фрагментов клетки G.neglecta с бактериями
в пищеварительных вакуолях (хбОООО)
Как отмечалось выше, G. Neglecta, species nova, отвечает всем требованиям,
предъявляемым к биоэстиматорам процесса очистки сточных вод на СА, в частно-
сти имеет ярко выраженную динамику изменения численности в ответ на посту пле-
ние на СА неблагоприятных для процесса очистки, но не бактерицидных стоков.
Эмпирические данные были подтверждены математическим анализом (Носов. Ни-
китина, Максимов, 1981). Оказалось, что первая главная компонента матрицы кова-
риаций полностью описывается численностью G. neglecta. Наибольшие отклонения
первой главной компоненты приходятся на пробы, отобранные в конце февраля
1975 года, в конце июня - начале июля 1976 года, и в марте 1977 года. В это время
на СА поступали неблагоприятные сточные воды, вызвавшие нарушение флокуля-
ции бактерий и измельчение флокул активного ила.
Замечено, что численность G. neglecta колеблется в широких пределах (0-
100 млн. на 1 г сухого вещества активного ила). Расчеты показали, что численность
этого биоэстиматора менее 2,3 млн./г можно считать нормальной, численность в
пределах 2,3-4,7 млн./г промежуточной, когда следует усилить контроль.
Численность, превышающая 4,7 млн./г, сигнализирует о необходимости безотла-
гательного принятия восстановительных мер, даже если в данный момент времени
качество очищенной воды еще не изменилось.
Как видно из таблицы 4.2, в 70-е годы численность биоэстиматора № 10 отобра-
жала увеличение воздействия промышленных стоков на процесс очистки сточных
вод. В молодом Зеленограде в это время интенсивно наращивала мощь промышлен-
ность. В дальнейшем индустриальная активность уменьшилась. В последующие го-
118
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
ды превышение численности этого биоэстиматора встречалось все реже, а в послед-
ние - не наблюдалось.
Таблица 4.2
Возрастание численности G.neglecta по мере возрастания
доли промстоков в общегородском стоке г. Зеленограда
Годы Численность биоэстиматора № 10, млн./г
1976 1,7
1977 5,2
1978 6,7
1979 15,5
4.5. Экоизоморфы и экоизовикты
В биоэстимации при выделении показательных групп организмов
применяется не видовой, а иной принцип. Поскольку существую-
щая терминология не всегда позволяет адекватно описать новые понятия, то мы вы-
нуждены были ввести два новых термина: экоизоморфы и экоизовикты.
Экоизоморфы (от греч. oikos - дом; isos - равный; morphe - форма) - микроор-
ганизмы, объединенные по внешнему сходству, независимо от систематической
принадлежности и экологических предпочтений.
Экоизовикты (от лат. victus - образ жизни, пропитание) - микроорганизмы, объ-
единенные по сходству экологических предпочтений (по функции, по реакции), не-
зависимо от систематической принадлежности и внешнего сходства.
Примеры экоизоморф:
1) Псевдомонадами принято называть все грамотрицательные палочковидные
бактерии с полярно расположенными жгутиками. Сюда относят специализирован-
ные бактерии из различных систематических групп. При столь свободном примене-
нии этого названия оно отражает только морфологическое сходство и не соответст-
вует ни экологической, ни таксономической категории (Шлегель, 1987). Таким об-
разом, псевдомонада - это экоизоморфа различных бактерий (только внешнее сход-
ство).
2) Нитчатые организмы, которые при малом увеличении микроскопа вообще
различить нельзя, развиваются при нарушении процесса по легко окисляемой орга-
нике. Но нитчатые хламидобактерии разрастаются при перегрузке деструкторов по
обычной для водоема органике; цианобактерии - при перегрузке такими специфиче-
скими веществами, как спирты, помогая выявить данное нарушение.
3) Сидеротеки - округлые структуры, образованные различными по системати-
ческому положению организмами, чаще всего бактериями. Эти организмы образуют
микроколонии, погруженные в общий фибриллярный матрикс при слиянии их кап-
сул, причем наружный слой общей капсулы, образующейся таким образом, пропи-
тывается окислами железа, приобретая характерную окраску - различные оттенки
ржавчины.
Глава 4
119
Рис. 4.26. G. pusilia sp. nova, прижизненная микрофотография, 400х.
Микроколонии, состоящие из двух, четырех и сотен клеток
Примеры экоизовикт:
1) Хламидобактериями называют нитчатые формы бактерий. Наиболее извест-
на- Sphaerotilus natans. Эта бактерия растет в загрязненных водах, а одиночная ее
клетка - типичная псевдомонада, но в определенных условиях она растет в виде
длинных нитей, которые состоят из цепочки клеток, удерживаемых вместе тонким
трубчатым чехлом. Чехол этот представляет собой гетерополисахаридную капсулу.
В наружном слое трубчатого слизистого чехла могут накапливаться окислы железа,
что придает разросшимся нитям ржавый оттенок. Эти образования получают массо-
вое развитие при нарушении процесса, вызванном перегрузкой основных деструк-
торов. Но на перегрузку указывают и сидеротеки, совершенно не похожие по форме
на хламидобактерий. Нитевидные и округлые структуры в данном случае представ-
ляют собой экоизовикты.
2) При изучении сидеротек с помощью электронного микроскопа можно обна-
ружить, что по облику клетки в разных микроколониях различаются очень сильно.
Одни клетки - шаровидные, другие - вытянутые, третьи - имеют неправильную
форму с многочисленными впадинами; различаются они и по плотности цитоплаз-
мы, и по структуре мембран, что говорит о принадлежности их к явно разным сис-
тематическим группам. Таким образом, бактериальные клетки внутри сидеротек
можно считать экоизовиктами.
Биоэстиматоры - это одновременно и экоизоморфы, и экоизовикты, причем
один биоэстиматор может объединять различные по систематическому положению
организмы, относящиеся иногда даже к разным царствам.
Так, биоэстиматор № 1 - «жгутиковые» - включает в себя и жгутиконосцев из
простейших животных, и монадные структуры водорослей, и жгутиковые формы
размножения грибов или каких-либо животных. Причем в различных водоемах
видовое наполнение каждого биоэстиматора - различное. Разумеется, монадные
формы водорослей включаются только тогда, когда они утрачивают зеленую окра-
ску в загрязненных водах; в олигосапробных водах они приобретают зеленую ок-
раску и перестают быть экоизовиктными сапротрофными жгутиконосцами; фор-
мы, содержащие хлорофилл, не учитываются как биоэстиматоры. Главное, что все
120
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
«жгутиковые» в малопроточных водах, загрязненных гниющей органикой - не
только экоизоморфны, но и экоизовиктны, поэтому массовое их развитие сигнали-
зирует о нарушении процесса самоочищения воды, помогая обнаружить в водоеме
застойные зоны.
Биоэстиматор № 2 - «амебоиды», куда входят и голые амебы из простейших, и
амебоидные структуры из золотистых водорослей, и амебоидные фазы размножения
других организмов. Все амебоиды - это и экоизоморфы, и экоизовикты. Они очень
слабо защищены от превратностей окружающей среды и предпочитают вести осед-
лый образ жизни или прятаться внутри убежищ: пустых раковинок, впадинок, внут-
ри бактериальных флокул. Оказаться в массовом количестве в толще воды для них-
чрезвычайная ситуация. Это может произойти из-за неудовлетворительной макро-
турбулентности потока, то есть из убежищ их «выгоняет» нарушение массообмена.
В природных водоемах такие ситуации встречаются редко, но часто обнаруживают-
ся в искусственных водных объектах.
Инфузории, входящие в группу факторов «Динамическое обеспечение» процес-
са самоочищения воды, не могут представлять собой один биоэстиматор. Свободно
плавающие инфузории, а также оторвавшиеся от материнской колонии прикреплен-
ные. которых называют «бродяжками» - это биоэстиматор № 3, а прикрепленные
инфузории - это биоэстиматор № 4. Являясь экоизовиктами, они не являются экои-
зоморфами, причем, если «бродяжка» еще не оторвалась, но уже образовала второй
венец ресничек, то она тоже - биоэстиматор № 3, так как стала экоизоморфна сво-
бодно плавающим. При разделении инфузорий на два биоэстиматора мы учли то,
что для энергетического обеспечения организмов, входящих в 3-й биоэстиматор,
нужна хоть и та же самая, но более концентрированная пища, поэтому мы учитыва-
ем не численность, а отношение этих двух биоэстиматоров. Перевес в пользу биоэс-
тиматора № 3 означает нарушение процесса самоочищения воды из-за неудовлетво-
рительного массообмена в микрозонах (микротурбулентности).
Как было сказано выше, на перегрузку деструкторов загрязнений воды указыва-
ют хламидобактерии - экоизоморфы и экоизовикты различных видов бактерий. В
системе биоэстимации они входят в группу факторов «нагрузка», а конкретнее, пе-
регрузка по легко окисляемой органике (биоэстиматор № 5).
Биоэстиматор № 6 - раковинные корненожки и сидеротеки. Те и другие пред-
ставляют собой «ларцы», забитые различными бактериями (только у раковинных
амеб бактерии - в отдельных пищеварительных вакуолях на разных стадиях перева-
ривания). Внешне их можно перепутать - типичные экоизоморфы. К тому же они и
экоизовиктны. так как дают вспышки численности при нарушении процесса очистки
из-за перегрузки деструкторов трудно окисляемой органикой. Будучи экоизовикт-
ными хламидобактериями, они им не экоизоморфны. Поэтому, входя в одну биоэс-
тиматорную группу - «нагрузка», они не могут входить в один биоэстиматор, по-
скольку отображают перегрузку по органическим веществам разного типа.
В бактериальные флокулы объединяются бактерии, различные по систематиче-
ской принадлежности. Флокуляция бактерий происходит только в подвижной среде,
причем форма флокул бывает очень характерной. Так, общеизвестная Zooglea
ramigera не род и не вид (Роговская, 1967). Роговидные флокулы - это именно экой-
Глава 4
121
эоморфа совершенно разных бактерий. В то же время роговидные флокулы получа-
ют массовое развитие в воде, когда процесс ее очищения нарушен из-за попадания в
воду стоков, содержащих сахара. В природе это - чрезвычайная ситуация, а при
очитке сточных вод это наблюдается довольно часто. Роговидные флокулы, являясь
и экоизоморфами, и экоизовиктами, представляют собой биоэстиматор № 7.
Рис. 4.27. Рисунок трех видов громий: G. neglecta, G. fiuviatilis, G pusilia,
отнесенных к разным биоэстиматорам (100х):
G. fluviftilis - к биоэстиматору № 6, a G. neglecta и G. pusilia - к биоэстиматору № 10
Все представители экологической группы сапротрофных водных грибов, насчи-
тывающей сотни видов, по-видимому - экоизовиктны. Но по морфологии они раз-
личаются весьма значительно, следовательно, имеются и свои нюансы в их биоэс-
тиматорной роля. В биоэстиматор № 8 мы включаем только водные гифомицеты,
которые в норме развиваются на погруженных в воду растительных остатках.
Обильное развитие в толще воды эти организмы могут получить только при выпол-
нении таких условий: обилие растворенной органики и отсутствие конкуренции со
стороны бактерий, которые, имея значительно большую скорость размножения и
покрывая гифы грибов толстым слоем, перехватывают у них пищу. Подавить раз-
растание бактерий могут только токсиканты, растворенные в воде, к которым гифо-
мицеты значительно менее чувствительны по сравнению с бактериями. По разраста-
нию гифомицетов в толще воды можно выявить наличие в воде токсикантов, чаще
всего являющихся следствием сброса соответствующих сточных вод. Наиболее при-
годны для этой цели нитчатые, ветвящиеся формы, септированные или несептиро-
ванные, но достаточно похожие, чтобы быть экоизоморфами. В природе, к счастью,
обилие таких форм в толще воды практически не встречается, зато при очистке
сточных вод в аэротенках они могут даже вызывать вспухание активного ила.
К биоэстиматору № 9 относятся те из цианобактерий, которые имеют вид невет-
вящихся нитей. В биотопе, богатом органикой, они не фотосинтезируют, утрачивая
характерную окраску. Здесь также могут присутствовать очень похожие на них три-
хомные скользящие бактерии - органотрофные аналоги цианобактерий, которые
иногда считают бесцветными цианобактериями, и только нуклеотидный анализ по-
122
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
зволяет их различать (в чем при проведении биоэстимации нужды нет). Данные
экоизоморфы и экоизовикты, при нарушении процесса самоочищения за счет посту-
пления в водоем промышленных выбросов, содержащих спирты, а также при бро-
жении сахаров, и образуют в толще воды матики, косы, тяжи, сеточки и т.п. В при-
родных водоемах это редко случается, но в аэротенках, как и гифомицеты, они мо-
гут вызывать вспухание активного ила.
К биоэстиматору № 10 относятся планктонные раковинные саркодовые - сол-
нечники, громии - шаровидные образования с выростами и псевдоподиальной се-
тью, увеличивающей опору на воду «шар в шаре». В этом смысле они экоизоморф-
ны. Для облегчения парения в толще воды они накапливают в своем теле жировые
вещества, поэтому заметного развития получают в воде, загрязненной жирами и
нефтепродуктами, и в этом - экоизовиктны. Относящихся к разным классам живот-
ных объединяет то, что они одновременно экоизоморфны и экоизовиктны, пред-
ставляя собой биоэстиматор № 10, который отображает нарушающее влияние про-
мышленных стоков, содержащих указанные вещества.
Таким образом, чтобы объединить различные микроорганизмы в один биоэсти-
матор, нужно чтобы они были одновременно и экоизоморфами, и экоизовиктами.
Глава 5
РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
БИОЭСТИМАЦИИ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ
СТОЧНЫХ ВОД
История создания биоэстимации служит примером того, что про-
блема, решенная для одних экосистем, впоследствии может с ус-
пехом помочь решению проблем в других, на первый взгляд мало сходных экоси-
стемах. Так, решение проблемы контроля процесса очистки сточных вод в аэротен-
ках оказалось и решением целого ряда проблем, связанных с восстановлением нор-
мального хода самоочищения воды в природных и искусственных водных объектах.
На самих природных водных объектах подобная система контроля в принципе
не могла быть разработана вследствие очень большего временного интервала между
нарушающим воздействием, нарушением хода самоочищения и изменением его ре-
зультата - качества воды, что занимает годы и десятилетия. Продолжительность ин-
тервала между нарушающим воздействием и снижением качества очищенной в аэ-
ротенках сточной воды, в которых аналогичный процесс биотрансформации загряз-
нений ускорен многократно, ограничивается несколькими днями или неделями.
5.1. Из истории разработки биоэстимации
С первых дней работы на Зеленоградской станции аэрации (ЗСА) в
1967 году мы обратили внимание на контролирование только каче-
ства воды на входе биологических очистных сооружений и на выходе из них, и не-
скольких параметров работы аэротенка; сам процесс очистки оставался «черным
ящиком», так как оценить все многочисленные нарушающие его факторы невоз-
можно. О нарушениях процесса судили по снижению качества очищенной воды, то-
гда и начинали отыскивать причины нарушений. Консультации у специалистов на
других станциях аэрации подтвердили такой взгляд. В то же время мероприятия,
принимаемые после снижения качества воды, также малоэффективны, как и лечение
болезни вместо ее предупреждения. И в том и в другом случае внутри биологиче-
ской системы происходят патологические изменения, которые, благодаря гомеоста-
тическому механизму, не сразу сказываются на качестве (состоянии здоровья). В
клинической медицине предпринимаются различные способы исследования, помо-
гающие выявить болезнь до ее явных проявлений. Для оценки же процесса очистки
124
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
воды ничего, кроме установки датчиков, характеризующих все то же качество воды,
не предпринималось.
Для того чтобы понять, что происходит с активным илом при различных режи-
мах работы станции аэрации, одних биологических знаний было явно недостаточно.
Следовало в деталях изучить инженерную и технологическую части работы очист-
ных сооружений и прослушать некоторые курсы лекций в МИСИ. Полученные зна-
ния помогли понять, каким образом такие воздействия, как периодическое включе-
ние в работу и выключение различных единиц оборудования, изменение концентра-
ции активного ила в аэротенках, отключение и включение в работу различных про-
мышленных предприятий, канализуемых в городскую сеть, или горячего водоснаб-
жения горожан, изменение количества поступающих из города стоков и возвратных
потоков, а также взаимозависимые отношения тандема очистка-доочистка, влияют
на активный ил, изменяют процесс биологической очистки, а это, в свою очередь,
через какое-то время отражается на качестве очищенной воды. Мы начали постоян-
но наблюдать за изменениями в сообществе активного ила, акцентируя внимание на
промежутке времени между заведомо нарушающими воздействиями и снижением
качества очищенной воды. Однако серьезная научная проработка собранного мате-
риала была невозможна только в условиях производства, требовалось научное руко-
водство этой темой, привлечение методов вариационной статистики, обобщение ми-
рового опыта в исследуемой области. С этой целью в 1975 году руководство Мос-
ковского государственного предприятия «Мосводоканал» направило автора данной
работы в целевую заочную аспирантуру на кафедру общей экологии и гидробиоло-
гии биофака МГУ. Руководителем по теме был назначен д.б.н. В.Н. Максимов. С
этого времени работа по совершенствованию гидробиологического контроля биоло-
гической очистки сточных вод вступила в новую фазу: на кафедре проводилась ста-
тистическая обработка данных, а на производстве продолжались сбор фактического
материала, наблюдения и эксперименты.
5.2. Некоторые парадоксы, связанные с факторами
воздействия, считающимися определяющими
в биологических процессах
Общеизвестно, что температура очень сильно влияет на биологиче-
ские процессы. На практике мы этого не наблюдали. Например, на
Зеленоградской станции аэрации (ЗСА) температура изменялась в пределах 17-
27°С, но это не сказывалось на качестве очищенной воды, причем без дополнитель-
ных регулирующих мероприятий. Еще большие температурные различия наблюда-
лись на малых очистных сооружениях (ОС), куда подаются стоки из поселков, в ко-
торых нет горячего водоснабжения. Так, на ОС Истринского гидроузла зимой тем-
пература снижалась до 1 —2С°, но очистка была точно такой же, как и летом, не сни-
жалась даже нитрифицирующая способность активного ила.
Общеизвестно, что на биологические процессы оказывает сильное влияние ко-
личество растворенного кислорода. Однако и здесь мы не наблюдали связи. При ко-
личестве растворенного кислорода в иловой смеси ЗСА и 12 мг/дм3, и 2 мг/дм3 про-
Глава 5
125
цесс протекал одинаково. На очистных сооружениях г. Паневежис успешная очист-
ка сточных вод с глубокой нитрификацией наблюдалась при количестве растворен-
ного кислорода меньшем, чем 1 мг/л. Отчасти это можно объяснить обратным от-
ношением этих показателей в воде: чем ниже температура, тем больше в ней может
раствориться кислорода, необходимого для окисления органических веществ, и на-
оборот. Кроме того, окислительные процессы экзотермичны, обеспечивая опти-
мальные температуры для жизнедеятельности бактерий в микрозонах. Д.Г. Звягин-
цев (2003) подчеркивает, что один и тот же микроорганизм проводит тот или иной
процесс в зависимости от конкретных условий окружающей среды, так как поли-
функциональность свойственна всем микроорганизмам. Принцип дублирования в
проведении определенных физиолого-биохимических процессов широко распро-
странен в природе, что позволяет не снижать активность комплекса микроорганиз-
мов при смене температурных условий и при разном насыщении воды кислородом.
Известно, что на биологические процессы оказывает очень сильное влияние pH.
В поступающей на ЗСА воде отмечали значения pH от 2 до 9, но это не сказывалось
на очистке. Прежде всего поступающая сточная вода проходит сооружения механи-
ческой очистки воды и немедленно разбавляется возвратными потоками (циркули-
рующим активным илом, надосадочной водой). Интенсивное перемешивание ниве-
лирует прерывистые поступления воды с неблагоприятными значениями pH. Скорее
всего, если бы эти значения были постоянными, то качество очищенной воды сни-
зилось бы. Но в городских стоках идет обычно усреднение показателей, и экстре-
мальные значения долго не сохраняются. Большое значение для поддержания в
сточной воде оптимальной кислотности имеют установление значений pH 6,5-8,5
для сброса промышленных стоков в канализацию и строгий контроль их соблюде-
ния. Д.Г. Звягинцев (1987), измеряя pH в почве, пришел к выводу, что значения pH
различаются в общей ее толще и в ее микрозонах, где уровень pH был более опти-
мален для жизнедеятельности микроорганизмов. Ц.И. Роговская (1976) иллюстриру-
ет толерантность бактерий, составляющих основу флокул активного ила, по отно-
шению к pH следующими графиками:
Рис. 5.1. Влияние уровня pH на численность бактерий
126
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
По-видимому, устойчивость процесса биодеградации загрязнений при измене-
нии этих трех факторов обусловлена толерантностью по отношению к их воздейст-
вию в тех диапазонах, которые наблюдаются в реальных условиях.
Следует учитывать, что бактериальная флокула - это микроэкосистема, в кото-
рой не только происходит преобразование загрязнений, но и значения отмеченных
параметров могут отличаться от таковых в окружающей среде, что подчеркивает не-
актуальность сведений об этих параметрах, измеренных в воде, для контроля про-
цесса очистки воды.
Температура, pH, кислород - хоть и важны в микрозонах, но не на них следует
делать акцент в контроле процесса в целом. Акцент должен делаться на гораздо бо-
лее значимых для успешного протекания трансформации органических веществ по-
казателях или, корректнее, на факторах воздействия, таких как динамическое обес-
печение процесса, нагрузка на деструкторов и специфические воздействия промсто-
ков. Изучение организмов активного ила проводилось именно с целью понять, как
они реагируют на воздействия именно значимых факторов на процесс очистки сточ-
ных вод.
Первая группа факторов, обусловленная динамическим обеспечением процесса
очистки воды, осуществляется техническими средствами и зависит от конструктив-
ных особенностей очистных сооружений, от набора работающего оборудования и от
надзора за ним.
Вторая группа факторов, обусловленная нагрузкой на деструкторов, зависит от
массы активного ила в аэротенке, которая должна соответствовать массе поступаю-
щих на переработку загрязнений.
Третья группа факторов, обусловленная специфическими примесями, зависит от
состава промышленных стоков предприятий, канализуемых в сеть города.
Отображение воздействий этих групп факторов организмами активного ила бы-
ло положено в основу новой системы показательных организмов.
Поскольку различные авторы уже предпринимали многочисленные безуспеш-
ные попытки применения системы биоиндикации, или системы сапробности, для
оценки работы станций аэрации (Гюнтер и др., 1976; Липеровская, 1977; Роговская,
1967; Сладичек, 1960, 1963), мы с самого начала работы, уяснив, что система са-
пробности в решаемой нами проблеме не поможет, стали предпринимать попытки
построения новой системы показательных организмов, которая бы отображала
именно ход очистки, нарушающее влияние на него разных факторов, а не его ре-
зультат (качество воды).
Наиболее близко к разработке биологического контроля процесса очистки сточ-
ных вод подошел Н.Г. Захаров (1938). Он установил, что колебания в составе посту-
пающей воды и изменения режима ее очистки сопровождаются отчетливыми гидро-
биологическими картинами. Он придавал большое значение наблюдению за структу-
рой хлопьев (флокул) активного ила. Основные выводы Н.Г. Захарова не утратили ак-
туальности и сегодня: при разной конструкции аэротенков биологическими показате-
лями их работы служат одни и те же организмы; наиболее важные показатели нару-
шений, вызванных техническими неполадками и возрастанием нагрузок - это мелкие
голые и раковинные амебы, жгутиковые, свободноплавающие инфузории, малоротые
Глава 5
127
сувойки и хламидобактерии; важно учитывать не только наличие определенных орга-
низмов, но и их количественное соотношение. По существу он обозначил большую
часть будущих биоэстиматоров процесса очистки сточных вод. Но этот выдающийся
исследователь был репрессирован и не смог завершить начатое. Его статьи в малоиз-
вестных изданиях не получили должного резонанса. Многие гидробиологи и в нашей
стране, и за рубежом, изучая активный ил, пошли по пути отображения качества воды
с использованием системы сапробности, на десятилетия обусловив стагнацию в во-
просе биологической оценки процесса очистки сточных вод.
Л.А. Белоголовая (1984), которая работала над использованием различных сис-
тем биоиндикации для оценки процесса очистки сточных вод, обобщила недостатки,
присущие системе сапробности. Но суть не в недостатках а в том, что метод сапроб-
ности предназначен для совершенно других целей, а именно, для оценки качества
воды (с чем биоиндикация, несмотря на ряд недочетов, вполне справляется) и со-
вершенно не пригоден для оценки процесса ее очистки. Создавая новую систему по-
казательных организмов, специально для оценки процесса очистки воды, мы стре-
мились к тому, чтобы эта система, по возможности, была свободна от недостатков,
отмеченных у систем сапробности, выделяя показательные микроорганизмы по дру-
гому принципу.
Следует подчеркнуть, что мы ни в коем случае не хотели бы умалить достоинст-
ва системы сапробности или противопоставить эту систему своей. Каждая система
призвана выполнять свою задачу (подробнее об этом в гл. 10).
5.3. Требования, которым должны отвечать биоэстиматоры
Для того чтобы создать систему биоэстимации не только информа-
тивную, но и удобную для широкого применения в условиях произ-
водства, выбранные биоэстиматоры должны отвечать следующим требованиям:
1) иметь характерный, распознаваемый облик и подсчитываться с помощью све-
тового микроскопа даже не биологами;
2) быть обычными обитателями активного ила различных станций аэрации;
3) иметь ярко выраженную динамику численности в ответ на нарушающие воз-
действия;
4) изменять свою численность в ответ на внешние по отношению к сообществу
воздействия, статистически не обнаруживая численной зависимости, относи-
тельно друг друга.
Первым двум требованиям отвечают организмы, приведенные в табл. 5.1. Они
четко различимы и подсчитываются при увеличении в 200-300 раз под обычным
световым микроскопом, а также являются обычными представителями активного
ила различных станций аэрации.
В графе 1 табл. 5.1 указаны номера предполагаемых биоэстиматоров по порядку
(произвольному); в графе 2 перечислены соответствующие названия организмов, в
последующих графах по датам отбора проб указана численность организмов, выра-
женная в тысячах на 1 г сухого вещества активного ила.
128
О.Г. Никитина «Биоэстимация
Изменение численности предполагаемых биоэстиматоров
в активном иле ЗСА с 1975 по 1977 год
Таблица 5.1
Дата обора проб 7.01.75. 9.01.75 22.01.75 26.01.75
1 2 3 4 5 6
1 Zooglea ramigera 108 147 176 62
2 Хламидобактерии 243 59 259 587
3 Г ифомицеты 54 88 30 11
4 Хищные грибы 216 88 58 И
5 Водоросли 0 0 30 0
6 Мелкие жгутиковые 1189 1350 5882 1250
7 Bodo 0 0 58 500
8 Peranema 405 206 117 100
9 Amoebinae 1676 3700 2765 2750
10 Actinophrys sol. 2 0 58 11
11 Pamphagus sp. 81 206 176 437
12 Centropixis 27 59 58 150
13 Euglifa alveolata 108 0 58 30
14 Euglifa sp. 54 0 0 62
15 Arcella sp. 27 0 0 0
16 Chilodon sp. 81 765 117 62
17 Disteria sp. 622 676 176 0
18 Lacrimaria sp. 162 0 58 30
19 Litonotus sp. 0 0 58 50
20 Aspidisca costata 81 176 117 150
21 Aspidisca sulcata 0 0 0 0
22 Aspidisca turida 1 0 58 62
23 Epistilis plicatilis 135 100 58 44
24 Opercullaria coarctata 0 5 0 0
25 Zootamnium sp. 270 29 180 20
26 Vorticella convallaria 270 88 135 250
27 Vorticella microstoma 2 147 58 25
28 Turicola similis 2 59 117 60
29 Chaetospira mulleri 0 0 0 0
30 Chaetonotus sp. 2 23 0 1
31 Oligohaeta 0 3 0 0
32 Nematodes 0 0 20 30
33 Gromia neglecta 1135 147 0 0
34 Цисты крупные 81 147 50 62
Глава 5
129
Продолжение табл. 5.1
1 2 3 4 5 6
35 Цисты средние 1100 588 529 562
36 Цисты мелкие 100 0 0 0
37 Zecane sp. 0 12 0 0
38 Rotaria sp. 27 0 0 22
39 Trichocerca sp. 1 14 0 30
40 Monostila sp* 27 29 40 2
41 Oolurtlla colurus 27 20 0 11
42 Notommata sp. 0 0 0 0
43 Testudinella sp. 0 0 10 33
44 Catipna luna 0 1 0 0
Всего анализов -159; продолжение таблицы - в архиве
Чтобы выяснить, какие из этих организмов отвечают третьему требованию, т.е.
имеют ярко выраженную динамику численности в ответ на нарушающие процесс
воздействия, математической обработке были подвергнуты результаты гидробиоло-
гических анализов активного ила ЗСА за период времени с 1975 по 1977 год
(табл. 5.1). Особенностями работы ЗСА в этот период были: невысокие удельные
нагрузки; близкая к проектной интенсивность аэрации; довольно стабильная работа
всех звеньев очистки с редкими непродолжительными нарушениями в системе цир-
куляции активного ила, и качество очищенной воды в течение продолжительных от-
резков времени оставалось чрезвычайно высоким. Это благоприятствовало изуче-
нию процесса очистки сточных вод в условиях, когда его ничто не нарушало, а сле-
довательно, и установке численностей ряда биоэстиматоров, которые можно при-
нять за норму. В то же время на станцию периодически поступали стоки, содержа-
щие значительную примесь промышленных сбросов малоизученного состава, при-
чем их доля в общем стоке иногда резко увеличивалась, отображая либо изменение
ритма работы промышленных предприятий («авралы» в конце кварталов года), либо
снижение водопотребления населением в периоды отключения горячего водоснаб-
жения, при плановом потреблении предприятиями. Поэтому наиболее динамичной
оказалась численность биоэстиматоров неблагоприятных для биологической очист-
ки стоков, и прежде всего планктонная раковинная амеба Gromia neglecta sp.nova
(подробно описана в гл. 4).
При математическом анализе гидробиологических данных первая главная ком-
понента матрицы ковариаций почти целиком описывалась численностью G. neglecta
(Носов и др., 1980). Кроме того, при поступлении неблагоприятных стоков увеличи-
вали свою численность цианобактерии и Actinophrys из класса солнечников. В
меньшей мере, но достаточно достоверно, выявлялась корреляция между наруше-
ниями, вызванными временной остановкой отдельных единиц оборудования, и чис-
ленностью мелких жгутиковых и голых амеб. Биоэстиматоры повышенных нагрузок
на этом этапе исследования не были выявлены, поскольку ЗСА в данный период
времени работала в режиме низких удельных нагрузок на активный ил.
130
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
5.4. Независимое изменение численности биоэстиматоров
Для того чтобы биоэстиматоры изменением своей численности сиг-
нализировали об изменении именно внешних воздействий, они не
должны обнаруживать численной зависимости относительно друг друга.
Между различными группами организмов активного ила, как и в природе, выяв-
ляются следующие три типа отношений: отношения метабиоза между гетеротрофны-
ми и нитрифицирующими бактериями; конкурентные отношения между гетеротроф-
ными бактериями и сапрозойными простейшими; отношения «хищник-жертва» меж-
ду ресничными инфузориями и гетеротрофными бактериями. Самым главным трофи-
ческим звеном являются гетеротрофные бактерии. Следующий трофический уровень
представляют организмы, поедающие бактерии. Это главным образом Protozoa и не-
которые Metazoa. На третьем трофическом уровне находятся хищные грибы, сосущие
инфузории, черви, клещи, рачки и другие хищные животные (Гюнтер, 1973).
В аэротенке, в соответствии с его назначением, искусственно созданы все усло-
вия для процветания гетеротрофного звена. Остальные звенья в значительной мере
ослаблены. При этом в результате усиленной аэрации, притока все новых питатель-
ных веществ и постоянного отведения метаболитов взаимное влияние организмов
активного ила практически не выражено. Статистический анализ совместной дина-
мики численности организмов, выбранных на первом этапе в качестве предполагае-
мых биоэстиматоров, приведенных в таблице 5.1, подтвердил это. Выводы сделаны
по результатам гидробиологического контроля 159 проб активного ила ЗСА, ото-
бранных за время с 7 января 1975 года по 16 сентября 1977 года и в результате даль-
нейших исследований полностью подтвердились.
Для учета взаимной зависимости численностей этих организмов были вычисле-
ны коэффициенты корреляции (всего 946). С целью упрощения анализа этих вели-
чин рассмотрена функция распределения fix), показывающая для произвольного х
долю коэффициентов корреляции из общего их количества (946), которые не пре-
восходят по величине х (рис. 5.2). С помощью машинного моделирования были по-
строены аналогичные функции распределения для 44 случайных независимых нор-
мально распределенных величин. Они оказались сходными с функциями распреде-
ления для обрабатываемого экспериментального материала. Так, 94% коэффициен-
тов корреляции, рассчитанных по всему экспериментальному материалу, находи-
лись в пределах от -0,2 до +0,2; в этих же пределах находится 92,8% для заведомо
независимых величин. Количественная оценка этого сходства проводилась непара-
метрическими методами статистики (Терехин, 1978). Все 159 проб были ранжиро-
ваны в соответствии с численностью каждого организма. Так получилось 44 пере-
становки рангов, для которых затем были вычислены коэффициенты ранговой кор
реляции Спирмана. Среднее арифметическое этих коэффициентов, так называемы!
коэффициент конкордации Кендалла, приведен в табл. 5.2, графа II. Сравнение эти
величин со значениями коэффициентов конкордации для независимых случайны]
величин (графа III) показало, что сходство весьма значительное (Носов, Никитин*
Максимов, 1980).
Глава 5
131
Рис. 5.2. Функция распределения коэффициентов корреляции:
между численностями предполагаемых биоэстиматоров
__________между заведомо независимыми величинами
Небольшие различия между модельным и экспериментальным набором данных,
которые, тем не менее, не позволяли говорить о полном статистическом сходстве,
были подвергнуты специальному рассмотрению. Так, было проверено, не вызваны
ли эти различия одновременным отсутствием в ряде проб двух и более организмов.
Но замена всех нулей численности случайными отрицательными числами вызвала
незначительное изменение коэффициента конкордации (графа IV). Обнаруженные
различия находят свое выражение и на рис. 5.2: коэффициенты, не попавшие в ин-
тервал от -0,2 до +0,2, располагаются только в положительной части оси абсцисс
(для функции распределения, изображенной сплошной линией); для независимых
величин среди этих коэффициентов положительные и отрицательные числа пред-
ставлены поровну.
Причиной, по которой выборочные коэффициенты корреляции между отдель-
ными организмами оказались повышенными, может быть одинаковое их безразли-
чие к изменениям окружающей среды в пределах, ограниченных временем данного
наблюдения. В качестве примера можно привести раковинную амебу Euglipha и
панцирную коловратку Testudinella, для которых, несмотря на заведомое отсутствие
биотической связи, коэффициент корреляции был высоким: 0,707. Оба этих орга-
низма являются одинаково хорошо защищенными (раковинкой, панцирем) и устой-
чивыми к изменениям среды их обитания.
С ростом города, вводом в строй новых промышленных предприятий, сбрасы-
вающих свои стоки в городскую канализацию, поступающая на станцию сточная вода
становилась все более токсичной, режим ее очистки все более напряженным. Парал-
лельно в составе активного ила увеличивалась численность «выносливых» организ-
мов. Статистически это нашло свое выражение, как в случае с Euglipha и Testudinella,
в смещении коэффициентов корреляции в положительную сторону. Таким образом,
асимметрия графиков (рис. 5.2) не опровергает вывода о численной независимости
выбранных биоэстиматоров. Встречающиеся в корреляционном анализе большие по-
132
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
ложительные значения коэффициентов представляют собой ложную корреляцию. С
такой ситуацией сталкивались и другие авторы (Четвериков, 1975).
Таблица 5.2
Количественная оценка сходства функций распределения для выбранных организмов
и для заведомо независимых величин
Отрезок времени, по которому вычисляется показатель Коэффициент конкордации для выбранных организмов Границы 95% доверительных интервалов для заведомо независи- мых величин Коэффициент конкордации по экспериментальному ма- териалу при замене нулей
I II III IV
Весь период 0.0477 0.0280 0.0451
1975 г. 0.0349 0.0322 0.0327
1976 г. 0.0531 0.0316 0.0512
1977 г. 0.0512 0.0333 0.0503
Таким образом, коэффициенты корреляции, как правило, невелики. Было прове-
рено, не повторяются ли эти небольшие значения из года в год, а следовательно, нет
ли стабильных связей между выбранными биоэстиматорами, описываемых малыми
коэффициентами корреляции. Для этого на координатной плоскости по оси абсцисс
отложили значения коэффициентов корреляции для 1975 года, а по оси ординат для
1976 года. Величина этих коэффициентов изменялась случайным образом. Так, «об-
лако» из указанных 946 точек плоскости характеризуется коэффициентом корреля-
ции 0.0105. Аналогичные построения для 1975 и 1977 годов дали величину 0,0656,
для 1976 и 1977 годов 0,0377; для организмов со стабильным характером связей этот
коэффициент был бы близок к 1.
Таким образом, математически доказано, что выбранные организмы активного
ила изменяют свою численность главным образом в ответ на внешние воздейст-
вия, а не вследствие взаимного влияния. Несмотря на то что вывод сделан по ма-
териалу ЗСА, есть все основания считать его справедливым для любой другой
станции аэрации.
Обнаруженная закономерность создала предпосылки для построения первого
варианта системы биоэстимации процесса очистки сточных вод, ибо биоэстиматоры
изменением своей численности сигнализируют именно об изменении факторов ок-
ружающей их среды (токсичности стока, нарушении динамического обеспечения
очистки, повышении удельных нагрузок на активный ил), а не о биотических взаи-
модействиях между ними.
5.5. Общие экологические особенности наиболее ценных
биоэстиматоров
Практика показала, что при нарушении нормального хода биологи-
ческой очистки сточных вод группы организмов,- выбранные в ка-
честве биоэстиматоров, активного ила, не уменьшают, а аномально увеличивают
свою численность.
Глава 5
133
Все микроорганизмы активного ила можно подразделить на две группы. Первая,
основная, группа играет главную роль в деструктивных процессах: микроорганизмы
этой группы организованы в аэротенках во флокулы. Вторая, с .меньшей численно-
стью, но с большим разнообразием видов, не имея существенного значения в дест-
руктивных процессах, получает преимущества в среде при подавлении жизнедея-
тельности основных деструкторов, то есть организмов первой группы. Вспышки
численности микроорганизмов второй группы - адаптивная реакция экосистемы на
изменение экологических условий. Именно из второй группы нами выбраны показа-
тельные микроорганизмы-биоэстиматоры, наблюдение за изменением численности
которых помогает проводить оценку хода очистки воды. Для размножения этих ор-
ганизмов условия среды становятся тем благоприятнее, чем неблагоприятнее они
для жизнедеятельности основной, первой группы микроорганизмов-трансформато-
ров загрязнений.
Нарушение процесса очистки воды, то есть нарушение жизнеобеспечения ос-
новной группы организмов-деструкторов, прежде всего выражается в том, что очи-
щаемая вода становится все более мутной вследствие увеличения концентрации в
ней недоокисленных веществ, нефлокулированных бактерий, мельчайших фрагмен-
тов флокул активного ила. В это время массовое развитие получают такие организ-
мы, как нитчатые хламидобактерии, цианобактерии, гифомицеты; мелкие амебы,
жгутиковые, то есть организмы, имеющие большую удельную поверхность и вос-
принимающие питательные вещества через всю поверхность тела. Увеличивают
свою численность и организмы с ротовым аппаратом, мало приспособленным к
сгущению пищи: крупные жгутиковые, свободноплавающие и ползающие инфузо-
рии, из прикрепленных инфузорий Vorticella microstoma, имеющая крохотное рес-
ничное околоротовое поле, а также раковинные амебы и сидеротеки.
По мере оптимизации процесса очистки, которая, в частности, объясняется вос-
становлением флокуляций основных бактерий, количество диспергированного и
растворенного питательного материала снижается и, как следствие этого, законо-
мерно снижается плотность перечисленных выше групп организмов. Они перестают
восполнять свои энергетические затраты в поисках все более рассеянной пищи.
Здесь, как правило, увеличивают численность организмы с хорошо развитой одо-
ральной зоной колониальные инфузории, а также коловратки, мшанки. Однако по-
следние могут и не снижать свою численность во время временных нарушений про-
цесса. поэтому служили лишь подспорьем в характеристике процесса очистки и
впоследствии не учитывались.
5.6. Требования, предъявляемые к системам биологического
анализа
По Вудивису (1977), система биологического анализа должна отве-
чать следующим требованиям:
а) быть цифровой;
б) иметь верхний и нижний пределы, в которые укладываются все возможные
случаи;
134
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
в) быть достаточно простой и не требовать сложных вычислений;
г) не зависеть от идентификации видов;
д) быть гибкой.
Эти требования учитывались и при разработке системы биоэстимации. Опусти-
ли только пункт «б»: следовало выделить состояние очистки (нормальное, промежу-
точное, нарушенное), и в случае нарушения процесса выявить основную его причи-
ну, а не устанавливать пределы, в которые уложатся все возможные случаи. Для то-
го чтобы контроль был действенным, важно в течение одного рабочего дня выявить
причину нарушений и дать рекомендации по регулированию процесса очистки, по-
этому добавили пункт об оперативности. В условиях производства одним из важ-
нейших требований к методике является простота. Множество информативных ме-
тодик не получают на производстве должного применения из-за нехватки либо вы-
сококвалифицированных специалистов, либо дорогостоящего оборудования. Таким
образом, система биоэстимации процесса очистки сточных вод должна отвечать
следующим требованиям, в порядке их важности:
1) быть оперативной;
2) быть простой;
3) не зависеть от идентификации видов;
4) быть цифровой;
5) быть гибкой, оставлять возможность ее дальнейшего совершенствования.
5.7. Критерии нормы и нарушения процесса очистки
Многие авторы составляли списки индикаторных организмов, ха-
рактерных для «хорошей» и «плохой» очистки сточных вод. Но
они не оговаривали, что именно они использовали в качестве критерия нормы (Ро-
говская, 1970; Мамаева, 1970; Истомина и др., 1973 и др.).
При выборе критерия нормы целесообразно обращать внимание на самые уяз-
вимые звенья процесса очистки. Таким особо уязвимым звеном является флокуля-
ция бактерий.
Проблема образования и распада флокул активного ила подробно рассмотрена в
гл. 3; здесь укажем только, что стойкая мутность очищенной воды объясняется пре-
жде всего нарушением флокуляции бактерий.
Поскольку прозрачность очищенной воды после биологической очистки зависит
не только от флокуляции, но и от времени отстаивания во вторичных отстойниках,
особенно от гидравлических толчков, в качестве критерия нормального хода очист-
ки мы применяли прозрачность надыловой воды, причем отстаивание иловой смеси
проводили всегда в одинаковых условиях: при 20° Сив течение двух часов, в лит-
ровом цилиндре. Прозрачность измерялась в сантиметрах чтением стандартного
шрифта через слой испытуемой воды, то есть по Снеллену (Методика технологиче-
ского контроля..., 1977).
На основании многолетней практики наблюдений процесса очистки сточных вод
было установлено, что периодам времени, когда ритмично работает оборудование,
Глава 5
135
обеспечивающее процесс очистки, и на станцию аэрации поступают благоприятные
для биологической очистки стоки, соответствует образование флокул с хорошими
седиментационными свойствами, что, в свою очередь, обусловливает прозрачность
надыловой воды 30 см и более. В это время и качество очищенной воды, как прави-
ло, бывает стабильно высоким, то есть соответствующим нормативам.
Для определения численностей биоэстиматоров, отображающих нормальный
ход очистки, из 159 гидробиологических анализов (табл. 5.1) было выбрано около
90, соответствовавших по времени безупречной работе ЗСА. По этим анализам были
рассчитаны средние нормальные численности «т» и средние квадратические откло-
нения «о», приведенные в табл. 5.3. Затем было отобрано около 80 анализов, соот-
ветствовавших небольшим отклонениям в работе станции, когда восстановление
нормального хода очистки происходило без дополнительных вмешательств опера-
тивного персонала. Оказалось, что численности биоэстиматоров по этим анализам
отличались от «т» на 3-7 «о». Остальные анализы соответствовали такой работе
станции, когда для восстановления процесса требовалось вмешательство оператора;
численность биоэстиматоров в этих случаях отличалась от «т» более чем на 7 «о».
Таблица 5.3
Средние нормальные численности «ш» и средние квадратические
отклонения «в» при нормальном ходе очистки
Предполагаемые биоэстиматоры m G
1 428 349
2 561 445
3 351 375
4 42 65
5 76 89
6 504 431
7 151 214
8 130 186
9 1589 1063
10 52 59
11 163 279
12 97 81
13 137 293
14 31 67
15 32 57
16 201 347
17 302 885
18 69 154
19 27 51
20 296 336
21 42 84
22 84 224
23 407 386
136
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Продолжение табл. 5.3
Предполагаемые биоэстиматоры m О
24 174 238
25 223 264
26 112 132
27 33 54
28 84 103
29 10 24
30 30 49
31 4 8
32 21 26
33 431 550
34 378 837
35 512 501
36 463 728
37 19 38
38 8 10
39 21 28
40 27 45
41 28 48
42 4 15
43 26 69
44 1 4
5.8. Этапы построения системы биоэстимации
Математический анализ показал, что не все предполагаемые биоэс-
тиматоры обнаруживали достаточно четкую зависимость числен-
ности от характеристики процесса очистки, а лишь некоторые, приведенные в
табл. 5.4. Эти биоэстиматоры и рассчитанные для них контрольные и пороговые
численности использовались для построения первого варианта системы биоэстима-
ции (Носов, Никитина, Максимов, 1980). В графе 1 табл. 5.4 перечислено шесть
биоэстиматоров, позволяющих установить факт нарушения процесса очистки на
ЗСА за указанный выше период времени.
Номера предполагаемых биоэстиматоров сохранены те же, что и в таблицах 5.1
и 5.2; во второй графе названия этих биоэстиматоров; в третьей графе контрольная
численность биоэстиматоров, непревышение которой означает норму (она равна
m + За). В четвертой графе численность биоэстиматоров, равная m + 7о, являющая-
ся пороговой, превышение которой означает нарушения, требующие вмешательства
оператора. Обращает на себя внимание тот факт, что ни одного представителя
Metazoa математическая обработка не выделила. Кроме того, как было отмечено
выше, при анализе численной корреляции, выявились случаи ложной корреляции с
участием этой группы организмов. Впоследствии мы отказались от использования в
контроле Metazoa.
Глава 5
137
Таблица 5.4
Первый вариант системы биоэстимации процесса очистки сточных вод
№ Биоэстиматоры Численность биоэстиматоров в тыс./г
норма менее нарушение более
2 Хламидобактерии 1898 3676
5 Цианобактерии 343 699
6 Мелкие жгутиковые 1797 3521
9 Амебоиды 4787 9039
10 Actinophris sol. 232 472
33 Gromia neglecta 2081 4281
Проверка первого варианта системы биоэстимации на различных станциях аэра-
ции показала его полную пригодность для оценки нарушений технического обеспе-
чения процесса очистки, а также нарушений за счет поступления неблагоприятных
стоков, и выявила возможность совершенствования этой системы. Так, G. neglecta и
Actinophris sol целесообразно было объединить в одну группу планктонных рако-
винных саркодовых, получающих массовое развитие при поступлении неблагопри-
ятных стоков. Этой группе естественно противопоставлялась группа бентосных ра-
ковинных саркодовых; оказалось, что эта группа получала массовое развитие при
повышенных нагрузках на активный ил. Затем были добавлены флокулы в виде
оленьих рогов, наблюдаемые при нарушающем воздействии сахаров, и гифомицеты
возбудители и биоэстиматоры вспухания, вызываемого поступлением бактерицид-
ных стоков. Имея точно рассчитанные численности для некоторых биоэстиматоров,
мы представляли, каков должен быть порядок численностей добавочных биоэстима-
торов, а уточняли их путем подгонки, исходя из практики контроля очистки на раз-
личных станциях аэрации, неоднократно корректируя их, пока они не стали доста-
точно универсальными.
При сопоставлении средних суммарных численностей свободноплавающих и
прикрепленных инфузорий, характерных для длительно сохраняемого нормального
процесса очистки, оказалось, что отношение этих численностей равно 0,8. Это от-
ношение и было в дальнейшем принято в качестве нормального (подробнее о значе-
нии в контроле инфузорий в гл. 4).
Численность хламидобактерий, найденная в первом варианте, оказалась зани-
женной, а численность амеб завышенной. Последнее объясняется тем, что показа-
тельными являются только голые амебы, амебы с толстой пелликулой, которые по-
началу подсчитывались вместе с голыми, в дальнейшем в этот биоэстиматор не
включались. Практика проверки разрабатываемого варианта биоэстимации помогла
откорректировать и эти показатели.
5.9. Усовершенствованный вариант системы биоэстимации
Как было сказано выше, анализ многолетних наблюдений процесса
очистки сточных вод на многих станциях аэрации позволил нам
выявить из всех многочисленных факторов, воздействующих на процесс, наиболее
138
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
значимые, объединить их в три основные группы и создать соответствующую гра-
фическую модель (рис. 5.3). Круг в центре схемы символизирует биологический
процесс очистки сточных вод (жизнедеятельность основных редуцентов). Три
стрелки, направленные на него, символизируют основные группы факторов воздей-
ствия на процесс очистки сточных вод:
1 динамическое обеспечение процесса;
II нагрузка на деструкторов;
III специфические воздействия промстоков.
Рис. 5.3. Схема основных групп факторов воздействия на процесс очистки сточных вод
Выявленные биоэстиматоры были распределены по трем группам факторов та-
ким образом, чтобы изменением своей численности они отображали изменения воз-
действий на процесс факторов соответствующей группы.
II - группа удельной нагрузки на активный ил. Количество загрязнений обраба-
тываемой сточной воды, подвергающихся деструкции, должно соответствовать мас-
се активного ила; если она недостаточна, возникает перегрузка, а вслед за ней - па-
тологические изменения флокул активного ила, ухудшение его способности к осе-
ванию и снижение качества очищенной воды. В большинстве руководств, даже но-
вых (Яковлев, Воронов, 2002; Хенце и др., 2004), предлагают рассчитывать нагрузку
на активный ил по ВПК. Но ВПК отображает только те загрязнения, которые легко
Глава 5
139
окисляются без перемешивания (анализ на БПК выполняется в герметически закры-
тых колбах, инкубируемых в шкафу). Основное количество загрязнений не окисля-
ется в условиях инкубации БПК, не говоря уже о не окисляющихся веществах, но
перерабатываемых в аэротенках, точнее, в анаэробных центрах бактериальных фло-
кул. Какую часть загрязнений отображает БПК, сказать трудно. Но в любом случае
БПК отображает очень небольшую часть тех загрязнений, которые перерабатывают-
ся в аэротенках. Рассчитанные по БПК очистные сооружения на практике всегда
оказываются перегруженными.
Истинную нагрузку, косвенно, может отобразить масса самого активного ила в
стадии его полной зрелости. Иногда стадию полной зрелости активного ила, не со-
всем корректно, называют стадией самоокисления. По формулам СНиП обычно это
2-3 г/дм3 при возрасте ила 2-5 суток. Но в нашей практике встречались концентра-
ции, превышающие 20 г/дм3, при возрасте ила 30 и более суток, причем, это не было
пределом и не сказывалось отрицательно на очистке, наоборот, улучшало ее.
Если создать оптимальные условия для жизнедеятельности основных микроор-
ганизмов-деструкторов, максимально устранив лимитирующие факторы, то кон-
центрация активного ила будет нарастать до определенной величины, соответст-
вующей сумме всех перерабатываемых загрязнений, и в дальнейшем либо стабили-
зируется, либо будет слабо изменяться в ответ на изменения концентраций, по
принципу обратной связи, обеспечивая нормальный ход очистки.
III. Группа воздействия промстока. Промышленные сбросы в канализацию
строго лимитируются нормативными документами, поэтому резких залповых по-
i ступлений промстоков на городские очистные сооружения практически не бывает.
Но отдельные случаи нарушения процесса очистки по этой группе факторов иногда
наблюдаются, так как модернизация локальных очистных сооружений всегда отста-
ет от модернизации основного производства на предприятиях. В некоторых городах
неблагоприятное воздействие промстоков часто оказывается основной причиной
выведения биологической очистки из строя. Своевременно выявить и устранить та-
кие воздействия - важная задача как по отношению к самим очистным сооружени-
ям, так по отношению к водоему-приемнику очищенных сточных вод. Следует под-
черкнуть, что имеется в виду не концентрация каких-либо ингредиентов, а их нару-
шающее воздействие на процесс биологической очистки сточных вод. Каким бы
многокомпонентным ни был химический контроль, он никогда не охарактеризует
сточную воду во всей полноте, так как не хватает не только методов анализа, но и
наименований всех веществ, содержащихся в сточной воде современных городов.
Показательные организмы незаменимы в деле интегральной оценки сточной жидко-
сти, особенно если они помогают определить, какие именно предприятия своими
сбросами расстроили очистку.
Отображение каждой из основных групп факторов соответствующими биоэсти-
маторами помогало оценить воздействие каждой группы, независимо от двух дру-
гих. На этой стадии усовершенствования биоэстимации мы еще не четко разграни-
чивали оценку отдельных воздействий каждой группы факторов. Так, в описании к
авторскому свидетельству № 1 323 746 (Никитина и др., 1987 - приложение 1) было
сказано: «Если пороговую превышает численность 1-го биоиндикатора, и/или 2-го,
140
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
и/или отношение численности 3-го биоиндикатора к численности 4-го, то наруше-
ния процесса вызваны неполадками в техническом обеспечении; если пороговую
превышает численность 5-го и/или 6-го биоиндикатора, то нарушение вызвано пере-
грузкой активного ила; если пороговую превышает численность 7-го, и/или 8 го,
и/или 9-го, и/или 10-го биоиндикатора, то нарушение вызвано промстоком... (в то
время мы еще показательные группы организмов называли биоиндикаторами, каж-
дый раз подчеркивая, что это - другие, а не те биоиндикаторы, которые применяют-
ся в системе сапробности, что вызывало путаницу, недопонимание). И восстанови-
тельные мероприятия также предлагались без детализации внутри основных групп
факторов.
В состав каждой группы основных факторов входят биоэстиматоры, которые, в
свою очередь, представляют собой группы микроорганизмов, подробно описанные в
гл. 4; здесь перечислим их кратко.
I. Биоэстиматоры технического (динамического) обеспечения.
1. Жгутиковые - все жгутиковые, не зависимо от размера и систематической
принадлежности. В колониальных формах подсчитываются все зооиды.
2. Амебоиды - все голые амебы (амебы с толстой пелликулой, или текамебы -
исключаются).
3. Свободноплавающие и ползающие инфузории, а также оторвавшиеся зооиды
прикрепленных инфузорий (бродяжки). Сюда относятся и зооиды прикреп-
ленных инфузорий, которые еще не оторвались, но уже образовали второй
венец ресничек, а также сувойки, у которых диаметр ротового отверстия
меньше, чем диаметр центральной части (малоротые).
4. Прикрепленные инфузории - все, за исключением отмеченных выше малоро-
тых сувоек. В колониях подсчитываются все зооиды, а делящиеся считаются
за два.
II. Биоэстиматоры нагрузки.
5. Хламидобактерии - при увеличении в 400 раз видны как нити в виде бес-
структурных волосков, часто ложно дихотомически ветвящиеся; иногда в ак-
тивном иле разрастаются актиномицеты, входящие в эту же группу. Разраста-
ние актиномицетов говорит об экстремально возросшей нагрузке на активный
ил, когда все обычные группы деструкторов насыщены, и на остаточном суб-
страте разрастаются эти мало конкурентоспособные организмы.
6. Бентосные раковинные амебы, текамебы (крупные амебы в толстой пеллику-
ле) и микроколонии бактерий в капсулах, окрашенных в различные оттенки
цвета ржавчины (сидеротеки). Часто сидеротеки очень мелки и погружены во
флокулы активного ила. Сидеротеки подробно описаны в гл. 4.
III. Биоэстиматоры воздействия промстока.
7. Флокулы в виде оленьих рогов, бугорков, облачков с зернистой структурой. Под-
считываются с закрытой диафрагмой и при увеличении освещения препарата.
8. Гифомицеты (водные грибы). Нити неравномерной толщины, без перегоро-
док, беспорядочно ветвящиеся, часто веточки в виде бугорков. Иногда нити
ровные с редко расположенными перегородками (длина клетки больше, чем
ширина).
Глава 5
141
9. Цианобактерии. В активном иле - бесцветные, тонкие нити, трудноотличимые
от хламидобактерий, но при увеличении в 300 и более раз, и при быстром
вращении микровинта, можно различить часто расположенные перегородки
(длина клетки меньше, чем ширина). Иногда они напоминают репсовую лен-
ту, иногда - нитку бисера.
10. Планктонные раковинные саркодовые. Они парят в воде, при отстаивании
иловой смеси оседают значительно медленнее, чем основная масса активно-
го ила. Чаще имеют вид отдельных мелких шариков, иногда образуют агре-
гаты, похожие на гроздья винограда. По большей части - это новые виды
(см. гл. 4).
В 1986 году при оформлении авторского свидетельства на этот способ контроля
специалист Государственного комитета по изобретениям и открытиям Вакшуль Га-
лина Ильинична, которую нам назначили в качестве референта, сказала, изучая схе-
му, изображенную на рис. 5.3: «Я советую вам оформить эту схему как открытие,
так как в ней отображена закономерность, справедливая не только для очистки
сточных вод, но и для любой биологической системы». В то время нам это показа-
лось преувеличением, но впоследствии мы убедились, что закономерность, согласно
которой благополучие редуцентов органических веществ зависит от воздействия
именно этих трех основных групп факторов, оказалась справедливой для любого
водного объекта. А в 1994 году, когда автор этих строк оказался на грани потери
трудоспособности из-за тяжелого заболевания дыхательной системы, пришлось об-
ратиться к этой закономерности для восстановления собственного здоровья:
I - динамическое обеспечение - ускорение движения всех физиологических
жидкостей организма путем приема желчегонных, потогонных, мочегонных, отхар-
кивающих, разжижающих кровь и лимфу и др.; различные виды оздоровительной
гимнастики, массажа и др.;
II - снижение нагрузки - интеллектуальной, эмоциональной, физической; вре-
менный отказ от мясной пищи;
III - минимизация всех видов техногенного загрязнения потребляемых продук-
тов, воды, воздуха, предметов быта и др.
В результате - здоровье не только улучшилось, но и стало крепче, чем было в
юности. Читатель, бесспорно, понимает, что человек отличается от объектов приро-
ды, поэтому параллельно с оздоровлением телесной сущности следует добиваться и
позитивных изменений в мировоззрении.
5.10. Специфичность отклика сообщества активного ила
на воздействия основных факторов
Хотя все факторы воздействуют в той или иной степени связанно, на
практике каждую группу факторов можно отследить независимо
от других, так как наблюдается специфичность отклика, то есть биоэстиматоры из-
меняют свою численность в ответ на определенные изменения жизнеобеспечения
основных микроорганизмов-деструкторов, то есть на нарушения процесса биологи-
ческой очистки сточных вод.
142
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
5.10.1. Гидробиологическая картина неудовлетворительного динамического
обеспечения процесса очистки
При нарушениях, вызванных неудовлетворительным динамическим (техниче-
ским) обеспечением процесса очистки сточных вод в активном иле, получают мас-
совое развитие мелкие жгутиковые, голые амебы, численность свободноплавающих
инфузорий превосходит численность прикрепленных. Подобную гидробиологиче-
скую картину при нарушении очистки наблюдали многие авторы (Сладечек, I960;
Болотина, 1971; Липеровская, 1977; Hawkes, 1973 и др.). Однако они лишь конста-
тировали по этой картине факт нарушения, не акцентируя внимания на том, что оно
вызвано именно нарушениями со стороны техобеспечения.
Рис. 5.4. Схематическое изображение биоэстиматоров
Глава 5
143
Наиболее частые нарушения техобеспечения процесса очистки, неблагоприятно
влияющие на активный ил - это недостаточное перемешивание иловой смеси и об-
разование зон залежей в системе циркуляции активного ила. Нарушения могут быть
следствием простоя отдельных единиц оборудования или конструктивных недостат-
ков самой станции аэрации.
В главе 6, в табл. 6.1 приведено несколько примеров отображения нарушений
процесса очистки, вызванных неудовлетворительным техническим обеспечением.
Так, примерами станции, имеющей конструктивные недостатки, не позволяю-
щие наладить надлежащий режим очистки, была ныне закрытая Тушинская станция
аэрации (пример № 1, табл. 6.1). Резкое нарушение техобеспечения обнаружено на
очистных сооружениях Волгоградского биохимического завода (пример № 5,
табл. 6.1).
Многолетние наблюдения за процессом очистки на очистных сооружениях Ист-
ринского гидроузла, относящихся к типу Компактных установок (КУ), показали, что
здесь имели место частые и продолжительные нарушения техобеспечения процесса.
Объясняется это конструктивными недостатками системы циркуляции активного
ила, которые вынуждали оперативный персонал периодически «проталкивать» мас-
су слежавшегося активного ила с помощью каналоочистительной машины.
5.10.2. Гидробиологическая картина возрастания удельных нагрузок
на активный ил
При возрастании удельных нагрузок на активный ил происходит массовое раз-
витие нитевидных образований, в первую очередь представителей хламидобактерий,
реже, актиномицетов, а также увеличение суммарной численности бентосных рако-
винных амеб и сидеротек.
На первую особенность указывают многие авторы (Беляева, 1972; Болотина,
1971; Липеровская, 1977; Голубовская, 1978; Hawkes, 1963 и др.). Но о возрастании
численности раковинных амеб и сидеротек в ответ на возрастание удельных нагру-
зок сведений в литературе нам обнаружить не удалось.
Наиболее яркие примеры перегрузки активного ила, приведенные в табл. 6.1:
№45, на очистных сооружениях Мурманского хлебозавода, № 72 (ОС Алабушево),
№ 100 (ОС г. Ярославль) и другие. Во всех случаях хламидобактериального вспуха-
ния активного ила мы сталкивались с серьезными проблемами в рециркуляции ак-
тивного ила и, как следствие - недостаточной концентрацией активного ила.
5.10.3. Гидробиологическая картина нарушающего воздействия промстоков
При поступлении на станцию аэрации неблагоприятных для биологической очи-
стки промышленных стоков, в сообществе активного ила массовое развитие полу-
чают биоэстиматоры № 7, 8, 9, 10.
Биоэтиматор № 7 - так называемая Zooglea ramigera, хотя это - не вид, а особая,
зернистая, часто роговидная, форма флокуляции бактерий. Б-7 отображает нару-
шающее воздействие сахаров; в табл. 6.1 пример № 64, ОС в г. Талицы.
144
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Биоэтиматор № 7 - ифомицеты, или водные грибы, способны выдерживать рез-
ко токсичные стоки, в чем мы убедились, производя опыты с очисткой стоков галь-
ванических цехов (пример № 2, табл. 6.1); разрастание гифомицетов наблюдалось на
ОС Волгодонского биохимзавода (пример № 5) и на ОС в Шексне при использова-
нии на основном производстве сильнодействующих обеззараживающих реагентов,
убивших все бактериальное население аэротенка (примеры № 112-115).
Биоэстиматор № 9 - цианобактерии - разрастались при нарушающем воздейст-
вии спиртов. На ОС г. Паневежеса в 1986 году (пример № 20, табл. 6.1) наблюдалось
цианобактериальное вспухание активного ила, вызваное тем, что в аэротенки попа-
дали стоки спиртового завода. На ОС г. Мичуринска (пример № 99) и в г. Ярославль
(пример № 100), где причиной цианобактериального вспухания было поступление
на очистку стоков пивоваренных заводов. Характерно, что ученые из университета,
пытавшиеся решить проблему вспухания в этом городе до нас, приняли цианобакте-
рий за хламидобактерий, решить проблему им не удалось.
Биоэстиматор № 10 - планктонные раковинные саркодовые. Не все перечислен-
ные выше биоэстиматоры промышленных стоков получают массовое развитие одно-
временно. Так, планктонные раковинные саркодовые, в первую очередь громии, раз-
виваются при поступлении неблагоприятных, но не бактерицидных стоков. Характер-
но возрастание их численности при попадании в канализацию жидкого печного топ-
лива из котельной в поселке Истринского гидроузла (рис. 5.5). Сопосталение графика
изменения численности биоэстиматора № 10, или Б-10, и такого интегрального пока-
зателя качества очистки, как прозрачность, показывает, что возрастание численности
Б-10 опережает падение прозрачности, и наоборот, то есть подчеркивается прогно-
стичность биоэстимации. Если бы необходимые меры были предприняты по показа-
ниям биоэстимации (для этого было время - около 3-х недель), то и снижения про-
зрачности можно было бы избежать. Чрезвычайно высокая численность Б-10 была
обнаружена во время обследования ОС Пермской ГРЗС (пример №8, табл. 6.1), а
также на ОС Арзамаса 16, пример № 69, Смоленска, № 80, Ярославля, № 103.
В активном иле Паневежской и Истринской станций аэрации, одновременно с
разрастанием цианобактерий, массовое развитие получили флокулы в виде оленьих
рогов.
Практика показала, что мероприятия, направленные на устранение вредного
влияния промышленных стоков, особенно эффективны, если они предпринимаются
по сигналу биоэстиматорного контроля, даже если гидрохимический контроль и не
подтверждает наличие вредных примесей в воде.
Этот вариант системы биоэстимации проверялся автором на многих станциях
аэрации и везде он показал хорошие результаты. Гидробиологи Центральной гид-
рохимической лаборатории Минводхоза, обученные этому методу контроля, про-
веряли его на 691 станции аэрации в различных городах Российской Федерации. И
везде он давал отличные результаты, причем уже во время проверки, 67 станций
удалось вывести на проектный режим очистки, по показаниям этого анализа, хотя
раньше, при традиционном контроле, понять, что именно нарушило процесс очи-
стки и какими должны быть восстановительные мероприятия, было невозможно
(Приложение 2).
Глава 5
145
Рис. 5.5. Изменение численности биоэстиматора № 10 и прозрачности очищенной воды
иа ОС Истринского гидроузла
Во время проверки биоэстимации работники станций аэрации просили допол-
нить этот метод рекомендациями по наладке нормального хода очистки. Это было
не трудно сделать исходя из логики обнаруженных нарушений. Так, если выявляют-
ся нарушения динамического характера, то следует увеличить подвижность среды
(усилить аэрацию и циркуляцию активного ила). Если выявляется перегрузка - уве-
личить концентрацию активного ила. Если выявляется влияние промстоков - следу-
ет обследовать стоки канализуемых промышленных предприятий и решать вопросы,
связанные с локальными очистными сооружениями этих предприятий.
При оформлении авторского свидетельства на этот метод в него вошли восста-
новительные рекомендации как неотъемлемая составная часть, но без детализации
внутри основных групп факторов.
5.11. Современный вариант системы биоэстимации процесса
очистки сточных вод
Постепенно наметились направления дальнейшего совершенствова-
ния биоэстимации. Чем большее число станций аэрации мы обсле-
довали, тем яснее дифференцировались различия внутри 3-х основных групп факте-
146
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
ров. Спустя несколько лет мы могли сказать, что нарушения вызваны не просто не-
удовлетворительным динамическим обеспечением процесса очистки. В одном слу-
чае - «подвела» рециркуляция активного ила, а в другом - аэрация, причем недоста-
точной оказалась макротурбулентность (мало воздуха) или микротурбулентность
(дефект диффузоров); не просто перегрузка, а перегрузка по легко-, либо по трудно-
окисляемым загрязнениям сточной воды; не просто нарушающее воздействие пром-
стока, а конкретнее: сахаров, токсикантов, спиртов, нефтепродуктов.
В таблице 5.5 обобщена современная система биоэстимации процесса очистки
сточных вод. Это - третий, более информативный вариант системы биоэстимации.
Таблице 5.5
Обобщенная характеристика биоэстимации процесса очистки сточных вод
Г руппы факторов Факторы Биоэстиматоры Восстановительные рекомендации
1 2 3 4
I. Динамическое обеспечение процесса 1-1 проточность Б-1 Жгутиковые Выявление и устранение зон застоя; увеличение % рецир- куляции
1-2 макротурбулентность Б-2 Г олые амебы У величение интенсивности аэрации
1-3 м икротурбулентность Б-З/Б-4 Отношение численности свободноплавающих и прикрепленных инфузорий Установка аэраторов с мень- шими отверстиями на фоне увелич. нтенсивн. аэрации
II. Нагрузка деструкторов загрязнений II-1 по легко окисл. органике Б-5 Хл амидобактерии, актиномицеты Увеличение концентрации активного ила в аэротенках на фоне увеличения его ре- циркуляции; по Б-6 - и пре- сечение трудно окисляемых потоков
П-2 по трудно окисл. органике Б-6 Бентосные раковинные саркодовые и сидеротеки
III. Воздействие промышленных стоков । J III-1 сахаров Б-7 Роговидные флокулы бактерий Выявление предприятий- нарушителей сброса соот- ветствующ. промстоков; ус- тановка или модернизация локальных очистных соору- жений при этих предприяти- ях
III-2 токсикантов Б-8 Г ифомицеты
Ш-3 спиртов Б-9 Цианобактерии
III-4 нефтепродуктов, жиров Б-10 Планктонные раковинные саркодовые
В графе 1 - основные группы факторов; в графе 2 - факторы, их всего 9; в графе
3 перечислены биоэстиматоры, их всего 10; в графе 4 приведены типовые восстано-
вительные рекомендации, соответствующие каждому нарушающему фактору. На
основании типовых рекомендаций на местах разрабатываются конкретные меро-
приятия. Например, рекомендация «устранение зон застоя» может включать такие
Глава 5
147
конкретные мероприятия: установка угловых пневмоворошителей, прокладка по дну
дырчатых труб, подача размывочной воды, изменение схемы потоков и т.п.
Дальнейшее совершенствование биоэстимации может заключаться в детализа-
ции показаний каждого биоэстиматора, ведь в каждый биоэстиматор входит много
разных систематических групп микроорганизмов, которые могут отображать какие-
то нюансы выявляемых нарушений. Например, разрастание грибов в активном иле-
это нарушающее воздействие токсикантов, при этом могут разрастаться септиро-
ванные, несептированные, дрожжеподобные грибы. Это может указывать на вид
токсиканта (антибиотики, соли тяжелых металлов, хлоринол и пр.). Но это - направ-
ление отдельных исследований.
5.12. Чувствительность и прогностичность биоэстимации
Между действием какого-либо фактора на процесс очистки и изме-
нением качества очищенной воды проходит значительный про-
межуток времени. Физико-химические методы контроля, используемые обычными
контролирующими лабораториями, в поступающей на очистку воде могут и не об-
наружить вредные вещества, т.к. воздействие часто бывает кратковременным или
прерывистым, а качество выходящей воды изменяется спустя несколько недель по-
сле неблагоприятного воздействия. В то же время в сообществе активного ила идет
непрерывная перестройка, адекватная воздействиям, причем даже таким слабым,
которые еще не могут быть обнаружены средствами современного физико-хими-
ческого контроля. Эту очевидную для исследователей природных водоемов мысль
(Макрушин, 1977) часто трудно бывает доказать администрации станций аэрации, ко-
торая, прежде чем принимать надлежащие меры для восстановления нормального хо-
да очистки, требует, чтобы выводы гидробиолога о нарушении процесса немедленно
были подтверждены общепринятыми показателями качества воды - ВПК, ХПК, нит-
рификацией и т.п. Но такие подтверждения имеют место лишь в запущенных случаях,
когда восстановительные мероприятия оказываются малоэффективными.
В тех случаях, когда меры принимаются по сигналу гидробиолога, несмотря на
то что гидрохимия еще не подтверждает нарушений, восстановительный период
значительно сокращается, даже удается избежать снижения качества очищенной во-
ды, а иногда и ремонта отдельных звеньев оборудования очистных сооружений.
Биоэстимация, вследствие ее необычайной чувствительности, позволяет не
только выявить причину нарушения процесса раньше, чем гидрохимия, но и указать
ориентировочные сроки, когда следует ожидать осложнений в очистке и как долго
продлится восстановительный период.
Так, массовое развитие нитчатых организмов за 12-20 дней сигнализирует о
возможности вспухания активного ила. Если за этот срок меры не будут приняты,
восстановление седиментационных свойств активного ила произойдет не ранее чем
через несколько месяцев, как это и было в случае с очисткой на сооружениях Ист-
ринского гидроузла зимой 1982-1983 годов, описанном ниже.
Превышение пороговой численности биоэстиматоров технического обеспечения
уже за один период аэрации (время пребывания иловой смеси в аэротенке) может
148
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
заблаговременно сигнализировать о последующем массовом всплывании активного
ила во вторичных отстойниках. Так, после проведения пусконаладочных работ на
Кармановской станции аэрации в августе 1986 года (пример № 9, табл. 6.1) очищен-
ная вода имела прозрачность более 30 см, внешне все выглядело благополучно,
только биоэстимация указывала на неудовлетворительное техническое обеспечение
процесса очистки (численность 1-го биоэстиматора более чем в 20 раз превышала
нормальную). Период аэрации на этой станции был около двух суток. Через двое су-
ток и началось массовое всплывание активного ила во вторичных отстойниках. Впо-
следствии выяснилось, что конструкция эрлифтов не позволяла обеспечить полную
выгрузку осевшего ила со дна отстойника, из-за этого часть ила залеживалась и по-
сле насыщения газообразными метаболитами всплывала.
О распаде флокул активного ила на фрагменты, который обусловливает стойкую
мутность очищенной воды, биоэстиматоры технического обеспечения «предупреж-
дают» не менее чем за 12 дней. Измельченные флокулы в очищенной воде значи-
тельно осложняют работу фильтров доочистки и обеззараживание фильтрата. Вы-
явить причину этого нежелательного явления часто невозможно, не имея данных
биоэстимации.
Примером чувствительности биоэстимации может служить практика контроля
работы очистных сооружений Истринского гидроузла. Так, в ноябре 1982 года в ак-
тивном иле этой станции впервые за 5 лет ее эксплуатации численность биоэстима-
тора № 10 значительно превысила норму. Нам было известно, что никаких промыш-
ленных предприятий в этом маленьком поселке нет. Однако численность этого био-
эстиматора продолжала нарастать, а в апреле вновь снизилась почти до исходного
уровня, как видно из графика, представленного на рис. 5.5. Впоследствии выясни-
лось, что в ноябре 1982 года в поселке начала действовать новая финская котельная
на жидком печном топливе, а в конце марта она прекратила работу. Обследование
показало, что во время эксплуатации котельной жидкое печное топливо в морозы
загустевало, приходилось разрезать и прочищать подающие трубы, некоторая часть
топлива разливалась по территории, попадала в канализационные колодцы, а следо-
вательно, поступала на очистные сооружения.
Поступление топлива в канализацию было эпизодическим, связанным с непо-
ладками в системе подачи его в печь. Химический контроль, проводимый на стан-
ции 1 раз в месяц, не фиксировал увеличения количества нефтепродуктов в посту-
пающей на станцию воде. Гидробиологический контроль, пробы на который также
доставлялись один раз в месяц, в такой ситуации оказался намного более чувстви-
тельным.
Нарушение процесса очистки в марте 1983 года было уже настолько значитель-
ным, что флокулированные бактерии стали замещаться нитчатыми бактериями, гри-
бами, водорослями, что привело к вспуханию активного ила. Иловой индекс возрос
до 225 см3/г (для этих очистных сооружений критической величиной илового ин-
декса была 60 см3/г). Если бы не данные по биоэстимации, то невозможно было бы
определить, что послужило причиной нарушения работы станции аэрации, так как
ни один из 30 показателей санитарного анализа, регулярно проводимого контроли-
рующей лабораторией, не обнаруживал отклонений.
Глава 5
149
Начиная с 1 марта, численность биоэстиматора № 10 резко возросла, следова-
тельно, неблагоприятные стоки оказали воздействие на активный ил и следует ожи-
дать нарушения флокуляции. В это время не только прозрачность, но и другие ана-
лизы не фиксировали отклонений от нормы. На рисунке 5.5 видно, что падение про-
зрачности запаздывает по сравнению со вспышкой численности биоэстиматора
№10, и восстановление прозрачности очищенной воды происходит позднее, чем
начала снижаться численность этого биоиэстиматора.
Описанный выше случай, приведенный в качестве примера чувствительности
гидробиологического анализа, может также служить примером прогностических
возможностей биоэстимации. Так, резкое нарастание численности биоэстиматора
неблагоприятных стоков за несколько месяцев сигнализировало о серьезном нару-
шении процесса очистки, которое впоследствии и произошло в марте. Спустя не-
сколько месяцев после биоэстимационноного сигнала, качество очищенной воды
снизилось, и данные гидрохимии тоже начинают указывать на нарушение очистки.
Как было сказано выше, вспышки численности биоэстиматоров не совпадают по
времени со снижением прозрачности воды, а опережают это снижение на срок от 12
до 40 дней. Точное время указать трудно, т.к. наблюдения велись в производствен-
ных условиях, где всегда имеют место наложения действий различных факторов.
Однако и наименьшее время 12 дней достаточный срок, чтобы предпринять профи-
лактические меры и если не предотвратить, то по крайней мере сгладить нежела-
тельные последствия неблагоприятных для биологической очистки воздействий. Те
случаи, когда за вспышкой численности биоэстиматора не следовало снижение про-
зрачности, и объясняются своевременным принятием соответствующих мер по дан-
ным разработанного биоэстимационного контроля, являющегося, по существу, опе-
режающим.
Опережающий контроль позволяет регулировать процесс, не дожидаясь снижения
качества очищенной воды и, таким образом, делает работу станции более устойчивой,
а качество воды высоким и стабильным, что не только предотвращает загрязнение
природной среды, но и превращает очищенную воду в потенциальный товар.
По данным опыта эксплуатации Зеленоградской станции аэрации, экономиче-
ский эффект от внедрения опережающего контроля может быть определен как лик-
видация прямого ущерба водоему при сбросе некондиционных стоков, если очист-
ные сооружения имеют механическую и биологическую очистку. Если же, кроме
этого, сооружения дополнены доочисткой и обеззараживанием, то экономический
эффект значительно возрастает (конкретные расчеты не приводим, так как они отно-
сятся к 1986 году, когда мы работали над первым вариантом биоэстимации).
В течение всего скрытого периода между нарушающим влиянием какого-либо
фактора и снижением качества очищенной воды в сообществе происходит пере-
стройка, своевременно выявить которую и призвана биоэстимация. При этом надо
учитывать, что традиционная станция аэрации - это молодая экосистема и подвер-
жена внешним воздействиям значительно больше, чем зрелые природные экосисте-
мы, компоненты которых имели возможность приспособиться друг к другу в про-
цессе эволюции (Одум, 1975, 1986). Однако и здесь действуют определенные гомео-
статические механизмы, возвращающие экосистему на оптимальный уровень. При
150
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
нарастании стресса система может оказаться неспособной справиться с неблагопри-
ятными воздействиями и потребуется дополнительное вмешательство оператора.
Необходимость такого вмешательства мы устанавливаем по численности биоэсти-
маторов, позволяющих оценить, насколько серьезны воздействия, а также прогнози-
ровать начало, характер и продолжительность нарушений очистки.
Многолетняя практика наблюдений процесса очистки показала, что нарушения,
вызванные неудовлетворительным техническим обеспечением процесса, раньше
выявляются и быстрее устраняются, чем нарушения, вызванные поступлением не-
благоприятных промстоков, сопровождаемых многодневным «шлейфом» снижения
качества очистки, даже после того как поступление этих промстоков было прекра-
щено. Устранение же технических неполадок, как правило, обеспечивает восстанов-
ление нормального хода очистки уже через несколько периодов аэрации.
5.13. Преимущества нового биоэстимационного контроля
и последовательность операций при его выполнении
Таким образом, разработан относительно простой и информативный
метод диагностики, прогнозирования и регулирования процесса
очистки сточных вод - биоэстимация. Метод - экспрессный, так как на его выпол-
нение требуется около часа времени. С его помощью можно выявить нарушения
процесса, даже если другие методы контроля не дают тревожной информации. Ме-
тод - действенный, так как он дополнен типовыми восстановительными рекоменда-
циями.
Биоэстимация - это метод цифровой и универсальный, поэтому он свободен от
субъективизма, с его помощью можно получать сопоставимые результаты по любой
станции аэрации, независимо от ее географического положения, времени года, со-
става стоков, оборудования и пр. Он может использоваться в системах мониторинга.
Метод прогностичен по отношению к качеству очищенной воды и позволяет уста-
новить продолжительность будущих осложнений в работе очистных сооружений. В
метод заложена возможность его дальнейшего совершенствования. Для наглядности
преимущества нового биоэстимационного контроля и последовательность операций
при его выполнении обобщены в таблице 5.6.
В следующих главах будет показано, что этот метод контроля помогает в реше-
нии многих проблем, связанных с очисткой сточных вод и не получивших должного
освещения в мировой научной литературе: вспухание, всплывание, вспенивание,
измельчение флокул, образование плавающего слоя активного ила (гл. 6).
Далее будет показано, как разработанная специально для оценки и регулирова-
ния процесса очистки сточных вод биоэстимация адаптируется для решения различ-
ных задач, и не связанных с очисткой сточных вод. Например, для оценки процесса
самоочищения в природных водных объектах, как пресноводных, так и морских, а
также для оценки искусственно создаваемых сред, таких как аквариумы, пруды, ка-
налы, колодцы и др. (гл. 9). В последние годы этот метод адаптирован для оценки и
регулирования процессов, протекающих в почвенной влаге (гл. 10).
Глава 5
151
Таблица 5.6
Обобщение преимуществ нового биоэстимационного контроля и последовательность
операций при его выполнении
Преимущества Эффективность Последовательность операций
1 2 3
1. Контроль процесса в целом (ранее контролировались лишь единичные параметры) 1. Повышение стабильности процесса очистки за счет ран- ней диагностики и своевре- менного восстановительного вмешательства 1. Отбор пробы иловой смеси на выходе из аэротенка
2. Установление факта нару- шения очистки даже при от- сутствии информации по дру- гим показателям 2. Снижение трудоемкости контроля, доступность его 2. Определение в пробе чис- ленности биоэстиматоров
3. Выявление конкретного фактора, нарушающего про- цесс очистки 3. Отсутствие дополнитель- ных затрат на оборудование и материалы 3. Сравнение конкретной чис- ленности с контрольной, по- роговой и установление факта нарушения процесса
4. Прогнозирование осложне- ний и продолжительности на- рушений 4. Экономия энергоресурсов и реагентов за счет своевремен- ного принятия мер по устра- нению нарушений процесса 4. Выявление нарушающего фактора
5. Универсальность для всех типов сооружений с активным илом 5. Снижение трудовых затрат за счет предотвращения серь- езных ремонтно- восстановительных работ 5. Разработка конкретных восстановительных мероприя- тий
6. Экспрессность 6. Ликвидация ущерба водо- ему-приемнику очищенных сточных вод 6. Устранение нарушающего воздействия фактора, в группу которого входит биоэстима- тор, превысивший пороговую численность
7. Действенность: в биоэсти- мацию включены типовые восстановительные рекомен- дации 7. Получение сравнимых циф- ровых данных, которые могут использоваться в долгосроч- ных программах 7. Повторная биоэстимация, с целью определения эффек- тивности принятых мер
Использование биоэстимации для анализа любой водной экосистемы знаменует
собой новое направление в исследовании этой экосистемы и новые возможности в
управлении процессом биотической трансформации органических веществ в ней.
Глава 6
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОЭСТИМАЦИИ
ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМ, СВЯЗАННЫХ
С БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКОЙ СТОЧНЫХ ВОД
Биологическая очистка сточных вод включает два этапа: 1) изъятие и
переработка загрязнений и 2) отделение активного ила от очищен-
ной им воды. До последнего времени внимание исследователей было сосредоточено,
в основном, на первом этапе очистки; второй, не менее важный, этап изучен недос-
таточно.
На станциях аэрации (СА) отделение активного ила от биологически очищенной
воды происходит, главным образом, во вторичных отстойниках, затем на фильтрах
доочистки и, наконец, во время обеззараживания в контактном резервуаре, который
является своего рода отстойником, где самые мелкие флокулы активного ила, про-
шедшие фильтры, частично выпадают в осадок. В идеальном случае весь активный
ил должен задерживаться вторичными отстойниками, а фильтры доочистки при
этом окажутся не нужны, однако на практике часть активного ила все же выносится
с очищенной водой. Иногда причиной этого служат гидравлические толчки из-за
неравномерности притока воды на СА, но чаще причина выноса активного ила из
вторичных отстойников кроется в свойствах самого активного ила - изменении
структуры его флокул (хлопьев).
В нашей практике встречались шесть патологических изменений структуры
флокул, мешающих успешному отделению активного ила от очищенной им воды:
вспухание, всплывание, вспенивание активного ила, диспергирование, микрофлокуля-
ция и дефлокуляция.
Ряд авторов, обобщая проблемы, связанные с разделением иловой смеси (смеси
активного ила и очищенной им воды), упоминают первые пять из перечисленных
выше проблем (Jenkins and ed., 1982), шестую - дефлокуляцию, или распад флокул
на неоседающие фрагменты - пытались решить другие исследователи (Вавилин, Ва-
сильев, 1979; Вавилин, 1986; Sezgin, Jenkins, 1979).
Приходится констатировать, что к настоящему времени ни одна из этих проблем
в мировой практике до конца не решена. Однако нам удавалось достигнуть успеха в
их решении, используя биоэстимационный подход, который позволяет получить до-
полнительную информацию о процессе очистки сточных вод, за пределами возмож-
ностей традиционного контроля.
Глава 6
Таблица 6.1
Примеры биоэстимации очистки сточных вод на различных станциях аэрации
№№ при- ме- ров Станции аэрации Дата отбора проб Концен- трация АИ г/дм3 Иловой индекс см3/г Прозрач- ность воды над АИ см Пес- ЧИНКИ БИОЭСТИМАТОРЫ млн./г
техобеспечения нагрузки промстока
1 2 3/4 5 6 7 8 9 10
1,0 1,8 1,5 0,8 6,7 2,3 1,5 1,5 0,7 2,3
2,0 3,5 2,9 1,0 15,0 4,7 2,9 2,9 1,5 4,7
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
1 Тушино 10.05.78 1,1 380 2 — 3,8 2,1 4,5 166 2,1 0,1 0,2 0,7 8Д
2 Опыт с гальв. стоками 10.09.78 2,3 378 0 - 0,2 0,3 Инф. нет 2,5 0 0 34,3 0,1 0
3 Сочи 10.12.78 1,1 180 8 — 0,1 0,1 0,5 21,8 16,3 1,2 0,1 0,2 0
4 Свиноферма 10.06.79 2,8 630 3 — 0,1 4,4 2,5 514 197 0 0 6,1 0
5 Волгоград, био- химзавод 17.06.80 1,3 320 0 - 36,0 1,9 Инф. нет 1,4 0 0 108 0 0
6 П/лагерь 19.07.83 0,9 210 2 — 2,5 2,5 11,0 35,5 0,3 0 0 0 179
7 Скадовск 17.01.85 3,0 420 25 — 7,7 1,0 0,8 0,1 0,7 2,5 0 31,4 1,9
8 Пермская ГРЭС 16.03.85 2,0 82 8 — 1,7 0,8 3,0 9,0 0 0,3 0 3,6 49,6
9 Карманово 25.07.86 3,1 49 16 - 42,4 0,2 0,5 3,6 1,1 0 0 0 0,4
10 Зеленоградские ОС 1980 1,8 51 21 - 0,4 0,2 0,5 7,9 0,5 0,1 0,1 0,1 0,8
11 1993 0,9 57 10 9,0 13,7 3,2 18,2 10,9 40,0 0,6 0,3 0,2 7,1
12 1994 1,8 64 10,9 8,5 14,5 2,2 4,7 8,7 39,8 0,2 0,1 0,1 19,7
13 1995 2,9 86 10 4,7 16,3 2,7 4,9 8,8 40,2 0,1 0,1 1,4 14,2
14 1996 — — 10 5,9 20,5 2,6 4,9 12,0 57,1 0,3 0,2 1,4 8,4
15 Зеленоградские ОС 1999 1,5 108 10 5,7 19,8 2,3 5,4 19,3 62,8 0,2 о,1 0,8 6,7
16 2000 1,8 133 12 4,4 14,0 1,4 6,6 12,0 50,6 0,2 0,1 0,5 2,4
17 Люб- ЛИНО 1 блок 14.11.86 2,2 88 6 — 2,9 2,8 3,5 14,3 6,1 0,1 0 0 0
18 2 6. 2 сту- пени I 2,8 95 4 — 25,9 2,2 185 12,2 6,5 0 0,2 0 0,3
19 II 2,1 72 8 - 17,1 4,8 1,4 7,5 4,7 0,2 0,2 0,1 0,5
Продолжение табл. 6.1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
20 Литва Паневе- жис 16.06.83 4,2 410 29 - 0,1 0,2 0,1 0,1 1,2 113 0 15,5 0
21 Паневе- жис Лето 1988 4,0 320 28 1,1 0,1 0,5 100 38,0 2,8 12,5 2,0 0 0
22 Кедайняй 4,0 192 4 1,3 3,2 0,2 12,6 0,5 8,6 0,2 4,0 0 0
23 Утена 3,1 360 18 1,2 0,1 1,5 0,5 22,0 13,6 0 0 20,0 0
24 Алитус 2,0 60 30 1,0 0 1,0 0,1 15,0 0,5 0,1 0 0 0
25 Шауляй 1,8 50 18 1,1 0,1 0,1 0,4 0,1 51,6 0 0 0 0
26 Северодвинск 25.02.88 4,4 215 26 0,2 9,8 0,2 3,2 76,6 6,0 0,2 0 0 0
27 Истр. ГУ КУ 1 Июль 1988 ср. 4,1 170 25 1,9 0,1 0,2 63 36,4 0,4 0 0 0 0
28 КУ 2 3,0 172 4 0,5 0,3 0,1 60,9 163 0,1 0 0 0 0
29 Новые 2,8 68 3 0,1 1,4 0,1 314 36,7 1,9 0 0 0 0,3
30 с/х «Звенигород- ский» 25.07.89 КУ 2,3 39 28 1,9 0,8 0,5 2,8 11,7 2,9 11,0 0 0,9 0,6
31 Ч.В. Биоблок-1 18.09.89 16,0 23 30 1,0 0,7 0,2 0,8 5,5 3,5 0,9 0 0 3,0
32 Томск 8.12.89 1,6 380 10 2,6 2,3 0,7 27,0 2,3 12,0 0 0,8 68,2 0,3
33 Кенгисеп, 28.09.89 3,9 31 35 2,0 0 0 3,6 9,6 0,1 0 0 0 0
34 Act рахань 19.01.90 7,7 40 30 0,5 0,1 0,5 0,3 2,5 2,1 0 0 0 0,1
35 Моги- лев 1 16.03.90 0,8 450 13 2,1 4,6 2.1 167 3,3 3,8 0,4 0 91,7 0,8
36 п 4,9 210 30 0,7 1,9 0,3 1,6 0,7 0,9 0,9 0,2 11,0 4,9
37 I 27.11.02 4,4 59 27 0,3 0,1 0,1 6,5 11,2 11,8 0 0 0 4,4
38 II 5,8 33 18 1,3 2,9 1,3 13,0 16,2 233 0,4 0 3,6 5,8
39 Степногорск 12.01.90 1,3 75 30 0,6 1,2 4,1 76,9 18,5 0,2 0,8 8,2 1,1 0,2
40 Саянский Химпром 10.04.90 3,4 150 30 2,0 8,4 0,4 3,0 33,0 22,8 2,6 0 0,8 0
41 Алабушево 5.02.90 0,4 990 2 3,4 82 0,8 526 1,3 1,8 0 0 0 2,6
42 Промывная вода ЗСА 3.05.90 0,13 - 3 50 2,3 3,1 0 13,1 4,6 0 0 0 0
43 Латвбиофарм 17.05.90 2,1 134 - 0,9 8,8 0,1 1,5 9,8 2,2 0,4 0 0 0
О.Г. Никитина «Биоэстимация
44 ВНИИТФ Челябинск 28.05.90 1,8 184 - 1,9 5,5 0,8 1,0 13,6 8,2 0,8 0 0,3 0
45 Мурманск хлебозавод 10.06 0,2 3375 - 26,7 572 10 2,5 216 26 0 0 40 238
46 Редкино 22.06.90 3,0 90 - 2,5 1,6 0,8 6,0 5,0 10,1 0 0 0 0,8
47 Мурмаши 1.08.90 2,0 78 3 2,5 2,7 0,2 667 48,7 8,9 0 0,1 5,0 0
48 Выборг 6.09.90 1,9 — - 0,6 2,1 1,4 476 1,9 26,0 0,1 0 0 0,8
49 Назарово 14.11.90 2,4 49 10 1,7 3,7 0,1 1,0 5,4 13,0 0,2 1 0,5 0
50 Венспилс 1.12.90 2,2 — - 0,7 1,5 0,5 3,6 10,3 213 0,2 0,2 1,2 3,5
51 Сыктывкар, лесокомбин. 12.01.91 На ОС вода перед аэротенком хлорируется, рециркуляция отсутствует, флокулы не сформированы, очистки не происходит, весь активный ил, называемый «шламом» - в отвал
52 Ефремов 26.03.91 4.,5 - — 1,0 0,4 0 1,0 1,1 3,1 12 0 3,8 0
53 Орел 12.05.91 3,-1 — - 2,3 6,4 0,1 7,5 37,8 30,8 1,6 0 0 0
54 Ковдор 23.05.91 1,-2 — - 1,7 20,3 2,3 582 0,3 105 0,3 0 0 8,0
55 Судогда 5.03.92 0,03 667 2 15,0 327 170 334 150 260 0 0 10,0 0
56 20.03.92 4,1 56 7 0,1 2,8 0,1 180 2,4 20,3 0 0 0,3 0
57 17.12.92 6,4 42 15 0,1 0,8 0 0,1 0,5 15,7 0 0,3 0 0
58 Норильск 6.07.92 4,2 200 15 2,7 3,8 0,1 3,8 13,1 12,4 0 0 14,3 0
59 Ангарск 7.07.92 0,9 60 8 0,4 32,2 0,6 90,9 2,2 14,4 0 0 0 0
60 Волгодонск 29.11.92 5,4 185 3 30,6 120 0,9 13,0 278 11,1 0 2,2 0 0
61 Гомель 10.03.03 1,3 109 9 4,4 6,4 0,3 102 12,8 28,7 2,8 0 1,0 0
62 Самара 14.04.93 0,8 63 4 - 7,2 0,9 312 8,2 35,9 3,1 0,2 13 6,1
63 Уфа 11.11.92 0,8 112 21 3,4 4,6 6,5 8,7 82,2 127 0,3 0 0,3 0
64 Рес- публ. Коми Талицы 12.11.92 3,8 208 13 0,8 20,5 0 309 21,1 26,3 18,4 0 0,3 0,5
65 Сторо- жевой 1,1 200 20 11,8 33,6 10,0 64,9 72,7 81,8 0 0 0,9 0
66 Пажга 3,2 160 13 10,0 7,3 2,4 140 19,0 78,6 0,2 0,1 0 12,1
67 Протвино 17.12.93 1,3 100 6 4,6 2,3 3,4 5,8 40 13,4 0,8 3,8 8,0 0,8
68 Буденновск 17.02.93 3,6 75 3 0,3 2,8 1,7 586 1,0 9,0 2,5 0,1 0 0,7
69 Арзамас-16 18.02.94 1,5 140 30 0,7 5,3 2,5 81,1 1,7 26,3 0,4 0,9 7,1 31,3
Глава 6
Продолжение табл. 6. /
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
70 Люберецкая 16.11.94 2,0 55 6 8,8 6,8 2,0 5,0 11,6 46,8 0,4 0,5 0,4 2,8
71 Новомояковск 29.05.95 2,8 46 9 4,3 5,0 0,7 14,0 2,7 15,7 0,1 0 0 8,6
72 Алабушево 8.06.95 0,1 2200 4 60 80 20 980 391 70 0,4 0,8 0 10,9
73 Вильнюс 10.11.96 5, — - 1,0 4,0 3,0 0,2 3,3 37,8 0,2 0 7,6 0
74 Курь- янов- ская стар. 24.09.97 0,5 175 2 — 36,6 20,7 18,0 153 100 0,4 0 2,5 2,0
75 Нов. 2,2 114 4 - 79,5 2,0 31,3 234 90,6 0,2 0 2,0 1,1
76 Крас- ноар- мейск I 21.01.98 0,7 600 - — 67,1 3,6 10,0 35,6 50,7 1,4 0 0,9 39,3
77 II 1,2 200 — — 26,0 12,0 2,4 33,8 34,0 1,2 0,4 1,8 21,0
78 III 1,1 440 — - 40,0 4,0 0,8 20,8 188 2,8 0,2 2,1 30
79 Молзавод ч. 28.04.99 2,3 — - 0 0 90,4 1,6 1.9 97,8 0,4 0 0 240
80 Смоленск 20.10.99 1,1 225 - - 1,8 36,4 0,3 11,6 284 0,6 0 0 43,6
81 Урай 17.10.00 0,3 77 — - — 154 38,4 0,8 7,7 0,2 0 0 19,9
82 Ушья 17.10.00 3,6 56 - — 1,2 19,4 83,3 29,6 31,9 0 0 0 0
83 Ст. Оскол 15.10.00 1,3 515 20 20 1,5 3,1 1,4 58,9 26,9 0,4 0 1,5 0
84 Сергиев Пасад 19.10.00 2,6 185 — - 8,8 4,2 22,0 12,0 39,6 0,9 0 0,1 0,4
85 Ю. Бутово 16.11.00 1,6 75 3 3 4,4 5,0 5,3 15,1 513 0,1 0,1 0,1 10,6
86 Шарьяплит 6.02.01 4,3 240 0,5 0,5 1,3 6,7 1,0 1,5 213 0 0,4 8,2 0
87 Ильи- ногор- ское I с 26.03.01 4,1 500 2 — 0,2 0,1 0,3 0,2 8,5 10,1 0 63,6 0
88 II с 2,7 270 1 - 4,4 0,4 0,5 1,2 1,1 5,3 0 20,2 0
89 Нижн. Нов- город 1о 6.04.01 1,4 143 20 — 0,2 0,1 866 5,8 80,7 0,1 0 17,6 0
90 По 1,3 315 30 - 0,8 0,2 615 4,5 57,7 0,7 0 1,0 0
91 Ко- домна 1 о 7.05.01 2,4 238 7,5 — 3,8 4,6 2,5 15,0 594 0,5 0 4,7 1,3
92 2 о 3,9 226 5,0 — 4,6 1,5 4,3 14,6 20,0 0,6 0 0,1 6,0
93 Орел 17.05.01 3,5 74 24 8,0 11,4 0,3 11,2 7,6 543 0,6 0 0,1 64
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
94 Гаври- лов Ям I о 31.05.01 2,2 386 20 — 7,0 0 9,0 16,6 121 0,1 0,2 0,2 0
95 II о 1,2 418 16 — 18,0 0 13,0 27,7 144 0 0 0 0
96 Тамбов 18.03.02 4,2 192 27 4,0 1,0 0 48,8 16,9 38,0 0 0 0,5 0
97 Рубцовск 15.03.02 1,3 78 11 2,0 1,7 0 0,2 4,2 80,0 7,1 0 0,6 3,3
98 Ижевск 18.05.02 2,6 85 18 1,9 3,1 0 1,4 3,6 373 1.2 0,2 0,1 0
99 Мичуринск 4.06.02 0,7 111 25 1.0 143 0 23 3,8 1,5 3,0 0 14,5 0
100 Ярославль 18.03.02 0,3 883 15 3,7 48,0 3,7 148 34,9 14,1 4,0 0 28,3 963
101 Ижевск 18.05.02 2,6 85 6 1,9 3,1 0 1,4 3,6 373 1,2 0,2 0,1 0
102 Щелково 28.08.02 4,4 181 24 1,4 1,9 0 15,4 1,6 23,1 0.1 0 25,0 0
103 Ярославль 17.01.03 0,8 226 12 2,4 9,5 0 15,8 54 42 1 0 13,0 1,2
104 В. Луки 19.01.03 1,4 380 22 3,0 21.2 0 37,5 46 35 7 0 5,7 0
105 Клин 13.03.04 1,4 59 22 0,8 1,0 1,2 50 0,4 2,9 0 0 5,4 4,7
106 Воркута 13.03.04 0,3 234 — 0,7 7,6 0 114 ПО 40 0 0 0 0,7
107 Загорье 16.06.05 8,3 — — — 93 0 2,8 11,1 313 6,6 0,6 12,8 0
108 Вороново Биоблок 1 5.11.05 2,9 55 3 0,5 0,2 0 0,4 4,4 8,5 2.0 0 0,2 197
109 Рассказово 15.03.06 7,0 133 20 0,1 0,8 0 9,0 9,1 7,6 0 0 0,1 0
ПО Клинский мясо- комбинат 18.12.07 1,5 - - 0,3 177 0,3 20,0 168 773 0 0,1 0 460
111 Конфетная фаб- рика «Марс» 19.03.08 6,0 161 - 0,4 2,0 0 0 3,3 3,7 0,2 0 343 63,3
112 Шексна маслоза- вод Био- блок-П I 6.11.06 1,2 122 0 Все микроорганизмы погибли из-за ток- сичности средв 213 Погибли
113 II 1,1 102 0 188
114 I 6.04.07 1,4 143 20 0 5,0 0 17,6 10,7 0 39,3 4,8 4,3
115 II 1.5 315 30 0 75,4 97,7 7,9 16,2 1,5 25,9 8,3 9,2
116 I 15.04.08 12,0 58 26 0 2,8 0 6,2 8,1 2,1 0 0 2,5
117 II 15,0 53 30 0 2,9 0 4,6 6,2 1,1 0 0 1,8
118 Анапа 26.05.08 5,6 - 2,0 1,4 2,8 0 9,3 0,6 0 1,3 2,3
119 Егорь- евск 17.10.08 4.5 - 14 7,7 1,2 4,0 1.0 14,4 343 0 0,1 0
120 19.09.08 0,5 -- 3 25 97 40 2.0 12 176 0 0 0
Глава 6
Продолжение табл. 6.1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
121 27.11.08 5,0 - 20 4,8 2,4 0 1.4 1,8 11,2 0,4 0 0
119 Егорь- евск загрузка + 17.10.08 4,5 — 14 7,7 1,2 4,0 1,0 14,4 34,3 0 0,1 0
120 19.09.08 0,5 - 3 25 97 40 2,0 12 176 0 0 0
121 - 27.11.08 5,0 20 4,8 2,4 0 1,4 1,8 113 0,4 0 0
122 Домоде- дово Загрузка аэрот. + 2.12.08 6,4 — 15 10 25,9 1,3 43,5 28,8 37,7 8,4 0 0 0,3
123 - 6,8 - 21 9,1 6,9 0,4 16,1 8,7 38,0 8,7 0 0,1 0
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Глава 6
159
6.1. Вспухание активного ила
Вспухание активного ила (Bulking) - наиболее распространенная
проблема как в нашей стране, так и за рубежом. Любой шаг на пу-
; ти ее решения вызывает большой интерес со стороны практиков, но наметился не-
; который скептицизм относительно возможности устранения вспухания активного
ила. Отмечается, что обычные методы далеко не всегда эффективны, а если и помо-
гают при первом обнаружении вспухания, в дальнейшем могут даже его усиливать.
По нашим наблюдениям, это происходит из-за однопричинного подхода к проблеме и,
как следствие этого, универсализма в восстановительных рекомендациях. В действи-
тельности вспухание вызывается различными причинами, выявление которых и дает
возможность применять в каждом случае соответствующие восстановительные меры.
Немало недоразумений связано с отсутствием четкой терминологии, смешение
таких понятий как, вспухание и всплывание активного ила и т.п. Контролирующие
лаборатории не имеют практических руководств по прогнозированию, диагностике
и устранению различных видов вспухания.
Для разрешения этой запутанной проблемы нужно было прежде всего четко раз-
граничить эту проблему с другими, связанными с отделением активного ила от
очищенной им воды.
И в литературе, и на практике многие используют термин «вспухание» для обо-
значения различных явлений. Томлинсон определяет его как «явление, при котором
ил занимает слишком большой объем и плохо оседает». (Tomlinson, 1932). Это оп-
ределение лишь описывает данное явление, однако оно не вскрывает сущности
вспухания и оказывается несостоятельным в тех случаях, когда вспухание сочетает-
ся с дефлокуляцией, всплыванием ила, измельчением флокул и т.п.
Мы предлагаем такое определение: вспухание активного ила - это увеличение
объема осевшего активного ила при той же его массе за счет разрастания в нем
нитчатых организмов - хламидобактерий, цианобактерий, гифомицетов. Из этого
определения явствует, что вспухание - это увеличение илового индекса, возбудите-
лями вспухания являются нитчатые организмы, причем разные.
Подавляющее число исследователей вспухания активного ила считают, что оно
вызвано нитчатыми бактериями (Ткаченко, Друблянц, 1959; Богомол, 1966; Пота-
пенко, 1966; Ротмистров, 1978; Fowler, 1924; Kolkwitz, 1928; Веек, 1930; Smit, 1932;
Heaeltine, 1932; Sergin, Jenkins, 1978; Wagner, 1982; Яковлев и др., 2003; Хенце и др.,
2004 и др.).
Имеются сообщения о грибковом вспухании активного ила (Карелин, Ренин,
1974; Хаммер, 1979; Hawkes, 1975 и др.).
И только Сайкс и его соавторы приводят данные по вспуханию за счет цианобак-
терий. Они же анализируют причины многочисленных противоречивых высказыва-
ний, которыми полна специальная литература: «... мы не обнаружили публикаций о
цианобактериальном вспухании, хотя хорошо известно, что в активном иле они при-
сутствуют. Называются противоречивые причины вспухания активного ила (низкие
концентрации растворенного кислорода - высокие концентрации растворенного ки-
слорода; высокие концентрации углеводов - токсичные стоки; дефицит азота или
160
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
фосфора - шоковая нагрузка и т.п.). Большинство авторов не идентифицировали нит-
чатые организмы. В ранних публикациях принималось, что вспухание вызывают бак-
терии рода сферотилюс, но сейчас слово «сферотилюс» используется как синоним
нитчатых вообще и не имеет таксономического значения. Несомненно, многие проти-
воречия были бы разрешены, если бы были известны организмы, вызвавшие вспуха-
ние. Возможно, где-то авторы действительно имели дело со сферотилюсом, в то время
как другие, как и в нашем случае, с цианобактериями» (Sykes and ed., 1979).
Безусловно, желательно было бы в каждом случае идентифицировать нитчатые
формы, вызвавшие вспухание активного ила, однако практически это оказывается
невозможным из-за отсутствия в производственных лабораториях специалистов-
систематиков низших растений и из-за несовершенства их систематики, а также из-
за отсутствия определителей.
Опыт показывает, что зачастую достаточно различать основные виды вспухания,
даже если названия конкретных нитчатых и неизвестны. На важность для практиче-
ских целей умения различать организмы, даже не зная их названия, указывает и
Ю. Одум (1975).
6.1.1. Вспухание активного ила за счет хламидобактерий
В природе хламидобактерий разрастаются при загрязнении воды пищевыми от-
ходами; в аэротенках резкое увеличение численности хламидобактерий мы наблю-
дали при увеличении удельных нагрузок на активный ил, главным образом при об-
работке бытовых вод, в курортных городах, поселках.
Диагностика: под микроскопом при увеличении в 300-400 раз хламидобактерий
выглядят как бесструктурные волоски, часто ложно дихотомически ветвящиеся -
рис. 4.1 (1,2) и рис. 6.1 (а) Иногда они, как и большинство нитчатых, образуют клуб-
ки, сеточки, функционирующие как флокулы. Мы предложили для обозначения
таких образований термин «диктиоглеи» (Никитина, 1987). Изредка зооглеи (типич-
ные бактериальные флокулы) почти полностью замещаются диктиоглеями - сетча-
тыми флокулами (рис. 6.1, б).
Диктиоглейный активный ил обладает высокой окислительной способностью,
но оседает чрезвычайно медленно; качество очищенной воды становилось неста-
бильным, особенно при высоком коэффициенте неравномерности притока воды на
СА. Диктиоглейный ил свидетельствует о шоковой нагрузке на активный ил.
Устранение: при образовании диктиоглей, как и в других случаях хламидобак-
териального вспухания, мы рекомендуем снижать удельные нагрузки на активный
ил. Мероприятия по снижению удельных нагрузок зависят от имеющихся возмож-
ностей: ввести в работу резервные мощности - аэротенки, первичные и вторичные
отстойники, увеличить дозу (концентрацию) активного ила на фоне увеличения его
рециркуляции, выявить и устранить несанкционированный сброс концентрирован-
ных стоков (например, разгрузку ассенизационных машин). В том случае, когда
хламидобактериальное вспухание сочеталось с массовым развитием бентосных ра-
ковинных саркодовых - признак хронических перегрузок - данные гидробиологиче-
ского анализа служат обоснованием для строительства дополнительных блоков очи-
стных сооружений.
Глава 6
161
Рис. 6.1. Схематическое изображение биоэстиматоров и возбудителей вспухания активного ила:
в - хламидобактерии; б - диктиоглеи; в - цианобактерии; д - гифомицеты, г - нить циано-
бактерии, в слизистом чехле которой растут хламидобактерии и стебельковые бактерии
Предотвращение: при регулярном проведении биоэстимации имеется возмож-
ность предотвращать вспухание активного ила, если указанные выше меры приме-
нять, когда конкретная численность биоэстиматора № 5 (хламидобактерий) превы-
сит пороговую, а именно, 15 млн./г. При этом иловой индекс может оставаться еще
низким, и внешне никаких признаков патологии не наблюдается. Превентивные ме-
ры всегда более действенные и экономичные, чем меры, применяемые на фоне раз-
витого патологического изменения активного ила, в данном случае вспухания.
Наиболее яркий пример хламидобактериального вспухания - № 45, на очистных
сооружениях Мурманского хлебозавода, где численность Б-5 превысила 2 млд./г и
где иловой индекс превысил 3300 см3/г, а концентрация активного ила в аэротенке
была всего 0,2 г/ см3, не намного лучше обстоит дело на ОС, пример № 72, где ило-
вой индекс 2200 см3/г, характерно, что и здесь крайне низкая концентрация активно-
го ила - 0,1 г/см3. Еще случаи хламидобактериального вспухания - № 4 (ОС при
свиноферме), № 26 (ОС г. Северодвинска), №82 (ОС г. Ушья), № 100 (ОС г. Яро-
славля) и другие. Во всех случаях хламидобактериального вспухания активного ила
мы сталкивались с серьезными проблемами в рециркуляции активного ила и, как
следствие - недостаточной концентрацией активного ила.
162
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
6.1.2. Вспухание активного ила за счет цианобактерий
Как было сказано в главе 4, термин «цианобактерии» в данном случае введен
для удобства обозначения похожих на них структур и не имеет систематического
значения. В активном иле цианобактерии гетеротрофны, бесцветны и напоминают
хлам и добактерии.
Диагностика', если в одном поле зрения встречаются хламидобактерии и циано-
бактерии, то можно заметить их различия: цианобактерии более плотные, упругие,
не ветвящиеся, в них угадывается значительный тургор (давление клеточного сока
на стенку нитей). И клеточная оболочка, и слизистый чехол у них более мощные,
чем у хламидобактерий. При увеличении микроскопа в 30СМ00 раз можно разли-
чить часто расположенные поперечные перегородки между клетками (рис. 4,5; 4,6,
6.1 в). Нити цианобактерий способны активно двигаться - колебаться из стороны в
сторону, вращаться вокруг продольной оси, скользить вдоль нити. Упругость, спо-
собность к активному движению, а также образование ими сложных пространствен-
ных композиций - сочетания спиралей, петель, дуг, кос - делает цианобактерии
крайне нежелательными компонентами активного ила, так как опасность цианобак-
териального вспухания возникает при значительно меньшем количестве нитей, чем
опасность хламидобактериального вспухания. Поэтому и пороговая численность для
цианобактерии (Б-9) - 1,5 млн./г, то есть в десять раз ниже, чем для хламидобакте-
рий (Б-5) -15 млн./г.
Установлено, какие именно компоненты сточных вод вызывают цианобактери-
альное вспухание активного ила - это спирты. Впервые мы отметили массовое раз-
растание цианобактерий в активном иле в 1985 году на ОС г. Скадовска (пример
№ 7). В небольшом детском курорте не было предприятий, связанных со спиртом,
только консервный завод, хлебопекарня. Оказалось, что сахар и дрожжи в канализа-
ционной сети приводили к образованию спирта, так как между городом и очистны-
ми сооружениями - расстояние 7 км, а ночью перекачка сточной воды прекращалась
приблизительно на 10-12 часов. Во всех 7 км канализационной сети в ночное время
ежедневно происходило брожение с образованием этилового спирта, приводящего к
хламидобактериальному вспуханию.
Позднее, обнаружив превышение численности Б-9, мы обращали внимание не
только на наличие спиртовых, винных или пивоваренных предприятий, но и на
стагнацию по пути движения сточной воды. Стагнация наблюдалась на ОС упомя-
нутого выше Мурманского хлебозавода (№ 45), в Ильиногорске (№ 87-88), а на
конфетной фабрике «Марс» (№ 111) застой был не в канализационной сети, а в не-
аэрируемом регулирующем резервуаре, то есть на самих ОС.
На ОС г. Паневежеса в 1986 году (№ 20) этот вид вспухания был вызван тем, что
в аэротенки попадали стоки спиртового завода. После обследования этого завода мы
выяснили, что сам завод за истекшие годы расширял производство несколько раз, а
локальные ОС при нем - ни разу. Вопрос с модернизацией локальных ОС был ре-
шен, и спустя 2 года на ОС г. Паневежиса (№ 21) вспухание за счет цианобактерий
более не наблюдалось, однако оставалась опасность вспухания за счет хламидобак-
терий, но этот вид вспухания быстро устраняется при увеличении концентрации ак-
тивного ила в аэротенках.
Глава 6
163
На ОС г. Мичуринск (№ 99), где иловой индекс 1114 см3/г, и в г. Ярославль, где
иловой индекс 883 см3/г (№ 100) причиной цианобактериального вспухания было
поступление на очистку стоков пивоваренных заводов.
В упомянутой выше работе Сайкса с соавторами также указывается на поступле-
ние на очистку стоков пивоваренного завода. На других ОС такое вспухание отмеча-
лось эпизодически, причем с теми показателями, которые определяют контролирую-
щие лаборатории, это явление не увязывалось. Не увязывалось оно и с изменением
удельных нагрузок на активный ил. То есть выявляется только по биоэстимации.
Для проверки предположения о влиянии спирта на разрастание в активном иле
цианобактерий мы поставили такой эксперимент: в две колбы на качалке налили
иловую смесь; одна - для контроля, а во вторую вносили ежедневно по капле этило-
вого спирта. Результаты приведены в табл. 6.2.
Таблица 6.2
Увеличение численности цианобактерий при внесении в иловую смесь этилового спирта
Численность цианобактерий млн./г
Сутки Контроль Опыт
0 0,11 0,11
1 0,10 0,42
2 0,07 0,63
3 0,08 0,88
4 0,06 1,24
Как видно из табл. 6.2, в контроле численность цианобактерий почти не измени-
лась, имея слабую тенденцию к снижению, а в опыте она заметно возрастала, при-
чем за четверо суток увеличилась в 12 раз.
Существенной чертой цианобактериального вспухания было то, что оно дли-
тельное время не приводило к ухудшению качества очищенной воды, в то время как
другие виды вспухания довольно быстро приводили к ухудшению качества биоло-
гически очищенной воды. Но большие значения илового индекса (в нашей практи-
ке-до 3375 см3/г) значительно затрудняли рециркуляцию активного ила.
Устранение: если биоэстимация выявляет превышение численности биоэстима-
тора № 9 (цианобактерии), следует проверить, не подключился ли к данной канали-
зационной сети новый водопотребитель, если подключился, то ставить вопрос о
строительстве при этом промышленном предприятии локальных очистных соору-
жений. Обычно это - предприятия по разливу вина, пивоваренные заводы, винные
заводы или парфюмерные фабрики. На очистных сооружениях маленьких поселков
сказывалось даже предпраздничное самогоноварение отдельных граждан, сливаю-
щих бурду в канализацию. Иногда причиной разрастания в активном иле цианобак-
терий служит застой сточной жидкости в канализационных трубах или неарерируе-
мых буферных емкостях. При выявлении цианобактериального вспухания и исклю-
чении поступлений спиртов следует прежде всего выявить и устранить застой сточ-
ной жидкости, чтобы обеспечить круглосуточную прокачку сети; обеспечить аэри-
рование буферных емкостей и др.
164
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Предотвращение: при регулярном проведении биоэстимации имеется возмож-
ность предотвращать цианобактериальное вспухание активного ила, если указанные
выше меры применять, когда конкретная численность биоэстиматора № 9 (циано-
бактерий) превысит пороговую (1,5 млн./г). При этом иловой индекс может оста-
ваться еще низким, и внешне никаких признаков патологии не наблюдаться.
6.7.3. Комбинированное вспухание активного ила
Иногда цианобактериальное вспухание осложнялось тем, что в слизистых чех-
лах цианобактерий разрастались хламидобактерии и стебельковые бактерии. Тогда
нити приобретали вид ершиков для мытья бутылок (рис. 6.1, г). Уплотнение такого
активного ила происходило очень медленно, вынос взвеси из вторичных отстойни-
ков резко возрастал. Причиной комбинированного вспухания обычно служило соче-
тание перегрузок активного ила с поступлением на станцию неблагоприятных, но не
бактерицидных стоков, содержащих спирты (последнее определяется только по био-
эстимации, так как химические анализы содержания спиртов в лабораториях при СА
не производятся), примеры № 23, 45 и 100 в табл. 6.1.
Рекомендации по оптимизации процесса очистки в этом случае были те, которые
применялись и при хламидобактериальном, и цианобактериальном вспухании одно-
временно.
6.1.4 Вспухание за счет гифомицетов
В природе водные грибы, или гифомицеты, развиваются на погруженных в воду
растительных остатках. Они - строгие аэробы, наилучшая температура для их раз-
вития - 20-25°С (Сидорова, 1976). В сочетании с обилием органических веществ,
поступающих в аэротенк, постоянная оптимальная температура и аэрация создают
превосходные условия для массового развития гифомицетов. Но они не конкуренто-
способны, и различные бактерии, развиваясь на поверхности гифомицетов, «пере-
хватывают» у них питательные вещества, что приводит к разрыву нитей и гибели
грибов. При поступлении на аэротенки токсичных стоков, приводящих к гибели
бактерий, гифомицеты, будучи более устойчивыми к токсикантам, бурно размно-
жаются и вызывают гифомицетное вспухание активного ила (Cards, Hawkes, 1975).
Примером такого вида вспухания может служить опыт с гальваническими сто-
ками, когда мы в сточную воду, подаваемую в лабораторный аэротенк, специально
добавляли стоки гатьванических цехов (пример № 2); в аэротенках очистных со-
оружений биохимического завода в г. Волгограде (пример № 5), в очистных соору-
жения маслозавода (примеры № 112-115), где численность нитчатых грибов пре-
вышала 200 миллионов на 1 г сухого вещества активного ила. Значения илового ин-
декса при гифомицетном вспухании были небольшие (122-378 см3/г), в то же время
очистка практически прекращалась: прозрачность очищенной воды была нулевой.
Инфузории при гифомицетном вспухании не выявлялись, поэтому особенности
микротурбулентности на данных ОС мы смогли оценить только после устранения
данного вида вспухания, то есть когда сточная вода перестала быть токсичной.
Глава 6
165
Диагностика: На рис. 6.1, д схематически изображены гифы грибов, обычно вы-
зывающих вспухание. Их нити толще, чем нити хламидо- и цианобактерий, септы
(перегородки) у них незаметны. Края нитей неровные, стенки тонкие, ветвление
беспорядочное, с большим числом коротких, в виде бугорков, ответвлений. Иногда
можно различать и перегородки между клетками, и даже флокулы, образованные
спорами этих водных грибов (рис. 7.1,7.2).
В литературе чаще всего упоминается о разрастании грибов в лабораторных уста-
новках (Жарова и др., 1980; Захватьев, Скирдов, 1977; Hawkes, 1965). Некоторые ав-
торы рекомендуют очистку токсичных стоков грибами в качестве первой ступени
(Александрова и др., 1973; Авдеева и др., 1983; Thanh and ed., 1973). При этом огова-
ривается, что вторичные отстойники для разделения массы грибов и очищенной ими
воды не годятся. Первая группа авторов рекомендует для этой цели микрофильтра-
цию, вторая - флотацию, третья - центрифугирование. Действительно, грибное вспу-
хание приводит к полному нарушению работы обычной станции аэрации. Качество
очищенной воды резко снижается, иловой индекс возрастает. Карелин и Репин (1974)
упоминают грибковый ил с иловым индексом около 1000 см3/г. Ряд авторов рекомен-
дует грибковый ил для очистки кислых стоков (Стром, 1965; Хаммер, 1979) и послед-
рожжевой бражки (Жарова и др., 1980). Однако в каждом случае встает вопрос о раз-
делении ила и воды и о дополнительной очистке последней.
Необычная устойчивость грибков к токсинам остается неясной. Возможность
выживать в среде, лишенной бактерий, объясняется тем, что водные грибы - вита-
миноавтотрофы (Сидорова, 1976). Пластичность их обмена веществ приводит к то-
му, что в условиях резкого снижения удельных нагрузок на активный ил гифомице-
ты ведут себя как хищники. Мы наблюдали, как они заполняли тела пойманных в
ловчие сети нематод, коловраток, простейших, тихоходок. Хищные грибы, как и
другие хищные организмы, получали развитие, когда концентрация поступающей
воды резко снижалась, а доза ила оставалась еще высокой. Постепенно доза ила
снижалась за счет окисления или за счет ее искусственного вывода из системы,
удельные нагрузки повышались, а численность хищных организмов снижалась, так
и не достигая массового развития. Хищные грибы не приводили к вспуханию актив-
ного ила. При дальнейшем возрастании нагрузок хищные грибы обычно перестава-
ли образовывать ловчие сети и переходили к сапротрофному способу питания. И
опять, в случае поступления на станцию токсичных стоков, возникала опасность
грибкового вспухания.
Итак, на обычной СА грибковое вспухание должно быть устранено в макси-
мально короткий срок. Но в литературе никаких методов устранения этого вида
вспухания не приводится.
При поиске методов устранения этого вида вспухания мы использовали анало-
гию с методами лечения микозов, известных из медицинской практики. Людям, за-
болевшим кандидомикозом в результате злоупотребления антибиотиками, рекомен-
дуется прекратить прием антибиотиков и заселить кишечник новой флорой, прини-
мая бактериальные препараты (Билибин, 1977).
Этот метод подсказал нам план эксперимента: 1) вызвать грибковое вспухание
действием на активный ил токсичного (бактерицидного) стока; 2) прекратить дейст-
166
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
вие токсиканта; 3) добавить в установку порцию активного ила, не испытавшего
действия токсиканта.
На два лабораторных аэротенка: I - контрольный, II - опытный, подавалась оди-
наковая нетоксичная жидкость. Затем на второй аэротенк подавалась та же жид-
кость, но постоянно в течение 24 часов в нее добавлялась примесь стоков гальвани-
ческих цехов (соли меди, хрома, цинка и никеля в аэротенке в сумме составили
10 мг/дм3). Через сутки подача токсикантов прекратилась, однако активный ил
опытного аэротенка, в котором в первые же сутки воздействия погибла большая
часть обычных обитателей, не восстанавливался. Постепенно в нем нарастала чис-
ленность грибков (пример № 2, табл. 6.1). Подача на опытный аэротенк в течение 14
суток нетоксичной питательной жидкости не приводила к восстановлению активно-
го ила, иловой индекс оставался довольно высоким (378 см3/г), качество очищенной
воды неудовлетворительным. Под микроскопом были видны многочисленные клуб-
ковые скопления гифомицетов, обычные бактериальные флокулы отсутствовали.
Затем в опытный аэротенк была добавлена порция активного ила (0,001 объема
аэротенка) из контрольного аэротенка, в котором на протяжении всего эксперимента
условия оставались оптимальными, качество очищенной воды было высоким и ста-
бильным. Уже через сутки в активном иле опытного аэротенка под микроскопом
были замечены первые мелкие бактериальные флокулы, бактерии облепляли гифы
грибов, отчего те плотнее оседали на дно отстойника - иловой индекс снизился до
300 см3/г; еще через двое суток гифы распались на короткие фрагменты, полностью
покрытые обычными бактериями активного ила. Иловой индекс снизился до
210 см3/г, а через 5 суток - до 80 см3/г.
Устранение: при грибковом вспухании следует выявить и обезвредить источник
токсиканта, затем добавить в систему циркуляции порцию активного ила, не испы-
тавшего действия токсиканта. Требуется многократный завоз иловой смеси ассени-
зационными машинами из соседней СА. Напомним, что Ц.И. Роговская еще в
1972 году рекомендовала иметь запас высушенного активного ила, собранного в пе-
риод оптимальной работы станции аэрации. Но это имеет смысл делать только в
случае значительной изолированности СА от населенных пунктов, так как «рабо-
тающая» иловая смесь быстрее включает механизм оздоровления травмированного
активного ила.
Предотвращение: при таких предприятиях, на которых стоки будут заведомо
токсичными, следует строить локальные очистные сооружения. Разрешать сброс в
канализацию следует только тех стоков, которые прошли тест на токсичность; опыт
показывает, что допустим сброс стоков, относящихся к категории «малотоксичные».
При регулярном проведении биоэстимации на действующей СА имеется возмож-
ность предотвращать грибковое вспухание активного ила. Когда конкретная чис-
ленность биоэстиматора № 8 (гифомицетов) превысит пороговую, следует срочно
провести обследование предприятий или цехов, подозрительных в отношении сбро-
са токсикантов, проверить работу локальных очистных сооружений и немедленно
прекратить попадание в канализацию таких стоков, вплоть до временной остановки
работы предприятия. Одновременно следует завезти из ближайшей СА порцию ак-
тивного ила, не испытавшего токсического воздействия. При этом иловой индекс
Глава 6
167
может оставаться еще низким, и внешне никаких признаков патологии не наблю-
даться. Если же произошло грибковое вспухание, то нормализация работы СА мо-
жет растянуться на многие месяцы, несмотря на упорные дорогостоящие мероприя-
тия. При этом виде вспухания превентивные меры особенно важны.
6.1.5. Подсчет нитчатых организмов и оценка вспухания по иловому индексу
Определив вид вспухания активного ила, следует выяснить, какой численности
достигли те или иные нитчатые, как снижается их численность по мере принятия
соответствующих мероприятий. Особенно важно предвидеть вспухание - в таких
случаях мероприятия особенно эффективны. Практика показала, что превышение
контрольной численности нитчатых для каждого вида вспухания опережает возрас-
тание илового индекса на 12 дней и более, что дает возможность своевременно при-
нять меры профилактики вспухания активного ила,
Уокер, подчеркивая важность количественной оценки нитчатых, сетовал:
«... многие авторы применяют субъективные системы оценки, например, т, -++; сла-
бо, средне, сильно или I О-балльную шкалу; оценку по занимаемой части поля зрения
нитчатыми и зооглейными бактериями. Пайпс точнее оценивал, учитывая общее чис-
ло нитей по фотографиям без измерения их длины, еще точнее учитывали Финстин и
Хикиликайн, которые измеряли общую длину нитей за пределами флокул, а Сизгин и
Джинкинс определяли отношение общей длины нитей к единице веса ила. К сожале-
нию, все это технически очень сложно и непригодно для производственных лаборато-
рий» (Walker, 1982). Сам Уокер предлагает хотя и более простую методику, но тре-
бующую применения особой счетной камеры, которую трудно приобрести.
Метод подсчета, которым пользуемся мы, занимает всего около 20-30 минут и
не требует дополнительного оборудования - только обычный микроскоп с препара-
товодитедем и осветителем, предметные стекла, микропипетка. Этот метод описан в
гл. I. Результаты подсчета сравниваются с контрольными и пороговыми численно-
стями возбудителей и биоэстиматоров вспухания активного ила.
Для количественной оценки вспухания активного ила разработан и общепризнан
такой показатель, как иловой индекс: объем в см3, который занимает 1 г активного
ила (по сухому веществу) при отстаивании в мерном цилиндре в течение 30 минут
(Карелин и др., 1974; Standard methods, 1976). Иловой индекс может принимать раз-
личные значения; в нашей практике встречались значения от 18 до 3375 см3/г. В ли-
тературе нет строгого определения, какой иловой индекс следует считать нормаль-
ным. Вагнер считает, что вспухание активного ила определяется иловым индексом,
превышающим 150 мл/г (Wagner, 1982). По мнению Возной (1979), хорошо оседаю-
щий ил имеет иловой индекс около 60 см3/г, а серьезные нарушения наблюдаются
при иловом индексе 300 мл/г. Хенце с соавторами пишет: «Значения илового индек-
са около 100 мл/г обычно считают приемлемыми. При высоких значениях илового
индекса (более 200 мл/г) для его определения иловую смесь разбавляют» (Хенце и
др., 2004); интересно отметить, что на некоторых СА западного образца так и дела-
ют, то есть разбавляют иловую смесь в 2 раза дистиллированной водой, поэтому в
отчетах высокие значения илового индекса не показаны; о причинах повышения
168
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
илового индекса и о мерах устранения вспухания авторы не сообщают. Томлинсон
упоминает 7 станций аэрации в Англии, на которых иловой индекс был более
200 см3/г и не приводил к повышенному выносу взвешенных веществ из вторичных
отстойников (Tomlinson, 1982). Следовательно, высокий иловой индекс не всегда
осложняет работу станции аэрации. В частности, при большом объеме вторичных
отстойников и мощной иловой насосной станции, обеспечивающей бесперебойную
выгрузку и интенсивный его возврат в зону аэрации, можно избежать выноса ила за
борт вторичного отстойника и при иловом индексе, превышающем 400 см3/г.
Обобщение данных литературы и исследование работы многочисленных стан-
ций аэрации привело нас к мысли о том, что нормальный иловой индекс - это такой
иловой индекс, при котором осуществляется нормальная циркуляция активного ила.
Из этого определения следует, что для каждой СА в процессе ее эксплуатации уста-
навливается своя нормальная величина илового индекса, исходя из оснащенности ее
соответствующим оборудованием. Так, на Паневежиской станции аэрации нормаль-
ная циркуляция ила осуществлялась при иловом индексе не более 160 мл/г; на Зеле-
ноградской - не более 80 мл/г; на компактной установке Истринского гидроузла,
после замены мотора-редуктора, обеспечивающего одновременно и циркуляцию, и
аэрацию - не более 60 мл/г.
Некоторые авторы (Sesgin, Jenkins, Parker, 1978 и др.) связывают величину ило-
вого индекса с общей длиной нитчатых организмов. Не исключено, что такую зави-
симость можно было бы установить, если бы вспухание всегда было следствием
разрастания одного и того же нитчатого организма. Однако структура нитей при ка-
ждом виде вспухания различается весьма существенно. Целесообразнее акцентиро-
вать внимание на той численности нитчатых, которая сигнализирует о возможности
вспухания, а не на соответствии численности нитчатых какой-либо величине илово-
го индекса, поскольку возрастание числа нитчатых опережает изменение илового
индекса на 12 и более суток.
По нашим наблюдениям, иловой индекс менее 50 см3/г определяется не наличи-
ем нитчатых, которые присутствуют в этом случае единично, а структурой флокул
активного ила.
Следует упомянуть некоторые нарушения, иногда сочетающиеся с вспуханием
активного ила. Так, при хламидобактериальном вспухании очищенная вода бывает
мутной из-за наличия большого числа нефлокулированных бактерий. Эта картина
характерна для станций не только перегруженных, но и имеющих нарушения со
стороны аэрации и циркуляции активного ила. Примеров можно привести много:
начиная с № 1 - Тушинской станции аэрации, ныне закрытой, и кончая № 122 - До-
модедовские очистные сооружения до удаления из аэротенков стационарной и пла-
вающей загрузки, которая была помещена туда в соответствии с проектом.
Цианобактериальное вспухание может сочетаться с образованием мельчайших
неоседающих флокул в ответ на поступление неблагоприятных стоков, содержащих
спирты, с нарушением технического обеспечения режима очистки, пример № 45 и
др. Важно выявить причину вспухания активного ила, как бы она ни вуалировалась
наложением других факторов.
Глава 6
169
Именно благодаря биоэстимации - выявлению различных воздействий на процесс
очистки по изменению численности организмов-биоэстиматоров, в данном случае
нитчатых организмов, можно своевременно выявлять, устранять и предотвращать не-
благоприятные факторы, вызывающие любые виды вспухания активного ила.
Вспухание - это адаптивная реакция активного ила на соответствующие
факторы воздействия (нагрузка, промстоки), и при хорошо налаженном техниче-
ском обеспечении процесса очистки не приводит к ухудшению качества очищенной
воды; экономические показатели работы станции аэрации при этом значительно
улучшаются. Исключение представляют токсичные стоки; при отображении биоэс-
тиматорами такого воздействия на процесс очистки следует безотлагательно прово-
дить работу по модернизации локальных очистных сооружений при соответствую-
щих предприятиях и их отдельных цехах или линиях.
6.2. Всплывание активного ила
Всплывание - это поднятие массы осевшего активного ила на по-
верхность отстойника. На практике часто приходится слышать: «на
сооружениях произошло вспухание ила со дна отстойника на поверхность». На са-
мом деле, речь идет о всплывании, причем об одном из видов всплывания. Мы раз-
личаем два вида всплывания: в виде «шапок», и в виде «крупы».
6.2.1. Всплывание в виде «шапок»
Как сказано в главе 3, бактерии объединяются во флокулы с помощью ворсинок.
Ворсинки выходят не только за пределы бактериальных клеток, но и за пределы
флокул так, что флокула, при просмотре в сканирующем электронном микроскопе,
выглядит как растрепанный кокон, с торчащими в разные стороны волосками-
ворсинками (рис. 3.2). Выходящие за пределы флокул ворсинки на этой фотографии
обломаны; на самом деле выходящие далеко за пределы флокул ворсинки способст-
вуют сопряженному оседанию флокул активного ила в виде временной биотической
структуры, названия которой в русской технической литературе нет. Именно этот
механизм оседания лежит в основе сохранения биомассы активного ила в системе; в
противном случае флокулы вымывались бы за пределы отстойника и не участвовали
бы в процессе очистки сточных вод многократно. В английской научной литературе
мы встретили термин «blanket» (буквально, «войлок»), который и обозначает эту
временную структуру (Hawkes, 1962). Попробуем воспользоваться этим термином в
русской транскрипции - бланкит (с ударением на первом слоге).
В норме, бланкит образуется в первые секунды отстаивания иловой смеси, что
хорошо прослеживается при оседании активного ила в цилиндре. Постепенно уп-
лотняясь и опускаясь на дно, он увлекает за собой нефлокулированные организмы
активного ила, обеспечивая высокую прозрачность очищенной воды. Опустившись
на дно отстойника, организмы активного ила продолжают свою жизнедеятельность,
сопровождающуюся выделением различных газообразных метаболитов. На рис. 6.2
изображено начало всплывания бланкита со дна цилиндра. Прозрачная стенка ци-
170
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
линдра позволяет наблюдать, как масса осевшего активного ила (уплотненный
бланкит) постепенно разрыхляется за счет скопления газовых метаболитов, часть
которых прорывается в виде пузырька и тянет за собой вверх бланкит.
Рис. 6.2. Начало всплывания блапкита со дна цилиндра
Задача работников очистных сооружений так организовать работу оборудования
по выгрузке и переброске осевшего активного ила в зону аэрации, чтобы достигший
дна бланкит был без промедления снят со дна отстойника илососами. На практике в
отстойниках это достигается с трудом.
Для удобства выгрузки осевшего активного ила разработано немало различных
приспособлений, в частности, в вертикальных отстойниках, снабженных эрлифтами,
днище сужается. Замечено, во-первых, жерло эрлифта слишком мало по сравнению
с площадью дна даже суженной части отстойника, поэтому эрлифт не может во-
брать весь покрывающий дно суженного приямка активный ил; во-вторых, бланкит
не сползает по наклонной на 40° части приямка к всасу, как было задумано при про-
ектировании (СНиП, 1978).
Лучше обстоит дело с радиальными отстойниками: суммарное жерло щелевид-
ных всасов нескольких илососов, медленно продвигающихся по дну, намного боль-
ше, чем у эрлифта; двигаясь по кругу, они слегка ворошат бланкит, освобождая его
от газов. Однако консоль, к которой прикреплены илососы, возвращается в исход-
ную точку через значительный промежуток времени, иногда достигающий часа. По-
этому в утренние часы на поверхности вторичных отстойников всех обследованных
нами традиционных станций аэрации мы наблюдали плавающие иловые «шапки»,
от 3 до 50 см в диаметре, причем иногда ими была затянута вся поверхность отстой-
Глава 6
171
ника. Верхняя часть плавающей иловой «шапки» - черного цвета. Когда бланкит
лежал на дне отстойника, в той части, которая прилегала ко дну, превалировали вос-
становительные процессы, приведшие к потемнению ила. Кроме того, в толще ле-
жащего на дне бланкита накапливаются газообразные метаболиты, делающие массу
ила легко всплывающей при гидравлических толчках, причем в части, прилегающей
ко дну, более всего накапливается газов; с поверхности бланкита газы, хоть и с тру-
дом, все же диффундируют в воду и далее в атмосферу. Под воздействием этих га-
зов, рвущихся вверх, сплошной бланкит разделяется на фрагменты - «шапки». Про-
ходя сквозь толщу воды, «шапка» опрокидывается, при этом ее черная «подкладка»
оказывается сверху. Часто при этом выявляется и гнилостный запах, как следствие
f образования и накопления в «подкладке» соответствующих газов.
Итак, причина всплывания активного ила в виде «шапок» - несвоевременная вы-
грузка активного ила со дна отстойников и переброска его в зону аэрации. Чаще все-
го такая картина является следствием ошибок проектирования.
Диагностика всплывания активного ила в виде «шапок» очевидна. Предотвра-
щение может проводиться по превышению численности биоэстиматора № 1 (жгути-
коносцы). Примеров этого нарушения очень много: 5, 9, 11-16, 18, 19, 41, 45, 54, 55,
j 64, 64, 74, 75, 99, 100, 110; в таких случаях, не дожидаясь очевидной картины
' всплывания, следует провести ревизию всей системы выгрузки осевшего активного
ила и его переброски в зону аэрации с целью ее интенсификации. Если такая гидро-
биологическая картина остается при введении в работу всех резервов, то требуется
замена части элементов выгрузки осевшего ила, установка более мощных иловых
насосов, увеличение объема иловых камер и др. В тех случаях, когда вода вообще не
поступает на сооружения или не поступает часть суток (а таких случаев довольно
много, если обслуживаемый данной канализацией объект работает в одну смену), то
отстойники на время стагнации можно переводить в режим аэротенков. Для каждых
ОС конкретные мероприятия разрабатываются индивидуально, на основе типовых
восстановительных рекомендаций, полученных с использованием биоэстимации.
Для того чтобы потопить всплывшие «шапки» активного ила, работники бьют
по ним палками, сетчатыми сачками и т.п. При этом всплывшая масса ила как бы
вскипает, освобождаясь от накопленных газов, и опускается на дно отстойника. Мы
рекомендуем в таких случаях орошать всплывшие «шапки» технической водой из
гидранта с соплом. Для предотвращения всплывания в виде «шапок» следует кор-
ректировать стандартную конструкцию отстойников, о чем сказано в гл. 7.
Выгружаемый со дна вторичного отстойника активный ил насосами возвращает-
ся в аэротенк. Поэтому почти каждая проба активного ила, отобранная на очистных
сооружениях, построенных и эксплуатируемых в соответствии с принятыми и в на-
шей стране, и за рубежом строительными нормами и правилами, указывает на на-
рушения, вызванные неудовлетворительным динамическим обеспечением процесса
очистки. Этот вид всплывания не сильно сказывается на качестве очищенной воды в
течение суток, так как гидравлические толчки происходят обычно только по утрам,
и вода между «шапками» активного ила остается прозрачной. Но такое «благополу-
чие» достигается благодаря тяжелому ручному труду персонала СА, разбивающего
«шапки» всплывшего активного ила.
172
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
6.2.2. Всплывание в виде крупы
Второй вид всплывания активного ила, так же как и первый, наблюдается во вто-
ричных отстойниках, но выглядит иначе. Выглядит это нарушение так, как будто
через борт отстойника, вместе с очищенной водой, перетекает «крупа», по размеру
крупинок напоминающая крупу манную, пшенную, рисовую или сорго. Эти кру-
пинки - тоже фрагменты бланкита, только мелкие. Чем мельче крупинки, тем серь-
езнее нарушение. Наблюдение таких крупинок в солнечный день с помощью лупы
показывает, что к каждой крупинке прикреплен пузырек газа, который и поднимает
крупинки вверх. Отловленные и положенные под микроскоп крупинки ничем не от-
личаются от обычного активного ила, а их коричневатый цвет и свежий запах гово-
рит о том, что эти фрагменты бланкита на дне отстойника не побывали.
Если при первом виде всплывания бланкит благополучно опустился на дно и
только там начал разрушаться из-за его несвоевременной выгрузки, то при втором
виде всплывания бланкит разрушился, не доходя до дна, причем на мелкие фрагмен-
ты. Следовательно, конструктивными недостатками отстойника второй вид всплы-
вания объяснить нельзя, и причину этого явления следует искать не в отстойнике, а
в аэротенке.
Причина всплывания активного ила в виде «крупы» - неудовлетворительный
режим работы аэротенка, необеспечение надлежащего массообмена, а также плохое
промешивание (аэрация) иловой смеси.
Механизм этого явления можно объяснить так. Из-за неудовлетворительного
массообмена внутри флокул активного ила накапливаются газообразные метаболи-
ты, образуются экстрацеллюлярные (внеклеточные) газовые баллоны, которые мож-
но видеть только с помощью электронного микроскопа. Часть флокул при этом рас-
падается, другая, большая часть, еще не распавшаяся, продолжает наращивать пар-
циальное давление в своих газовых баллонах. Попадая в отстойник, флокулы немед-
ленно объединяются в бланкит, который сразу же начинает опускаться на дно. Но по
мере высвобождения газа из разрушающихся флокул, еще не достигнув дна, бланкит
распадается на мелкие фрагменты, ставшие ловушками для газа, вышедшего за пре-
делы флокул, но не за пределы крупинок; этот газ и выносит крупинки на поверх-
ность.
Диагностика такого вида всплывания активного ила очевидна. Имеется возмож-
ность предотвращения всплывания в виде «крупы». Если на фоне внешнего благопо-
лучия при регулярном проведении биоэстимации наблюдается превышение отноше-
ния численности биоэстиматора № 3 (свободноплавающих инфузорий) к численности
биоэстиматора № 4 (прикрепленных инфузорий), то это указывает на плохое переме-
шивание в микрозонах, или неудовлетворительная микротурбелентность. Таких при-
меров много, наиболее значительные нарушения - это примеры № 18, 19, 21, 28, 29,
31, 32, 35, 38, 39, 41, 54, 55, 56, 58, 60, 68, 72, 82, 83, 89, 90, 95, 101, 106, 122. На пере-
численных очистных сооружениях всплывание в виде крупы - обычная картина.
Превышение численности биоэстиматора № 2 (голые амебы) указывает на не-
удовлетворительное общее перемешивание, или неудовлетворительную макротур-
булентность. Общее перемешивание, как правило, обеспечивается при расчете очи-
Глава 6
173
стных сооружений по СНиП, поэтому такие нарушения встречаются редко, однако
простой регулировкой они не устраняются (примеры № 55, 72, 74, 120).
Устранение причин всплывания активного ила в виде крупы требует значитель-
но большей интенсивности перемешивания иловой смеси, чем было до тревожного
биоэстимационного сигнала. Если превышена численность и Б-2, то для устранения
всплывания в виде крупы потребуется капитальная реконструкция ОС. Прежде все-
го следует закупить, установить и ввести в работу дополнительные газодувки. Кро-
ме того, полезными являются перекладка устаревших аэраторов, прокладка их попе-
рек движения воды, установка угловых пневмоворощителей и др. Иногда все это
требует значительных капитальных вложений, обосновать которые и помогает био-
эстимация.
Всплывание в виде крупы является более серьезным нарушением процесса очи-
стки, чем всплывание в виде шапок, причем чем мельче крупинки, тем серьезнее,
запущеннее нарушение. «Крупа» присутствует в очищенной воде круглые сутки,
существенно снижая все ее качественные показатели.
6.3. Вспенивание активного ила
Вспенивание - это поднятие активного ила на поверхность в виде
коричневатого рыхлого образования, похожего на плавающее мин-
дальное пирожное, сначала по углам аэротенков, а затем может затянуть всю их по-
верхность. Толщина этого «пирожного» может быть разной, от едва заметной плен-
ки до покрытия довольно толстым слоем значительной поверхности как аэротенков,
так и отстойников.
Мы различаем три вида вспенивания активного ила: за счет разрастания в нем
актиномицетов; за счет поступления с очищаемой водой белка или крахмала; за счет
поступления содержимого пенных огнетушителей. При этом внешне все три вида
вспенивания могут выглядеть одинаково.
Решение этой проблемы в мировой практике осложняется тем, что понятие
«вспенивание иловой массы» подменяется понятием «пенообразование», которое
связывают с воздействием детергентов. Последнее, то есть образование белой пены
за счет детергентов, не может представлять собой проблему, так как наблюдается
только при внезапной потере массы активного ила (при его утечке или некоррект-
ном сбросе). Увеличение концентрации активного ила уже в течение суток прекра-
щает пенообразование. Если концентрация активного ила превышает 3 г/л, пенооб-
разование не наблюдается.
6.3Л. Вспенивание за счет разрастания актиномицетов
Мы вели наблюдения за активным илом Зеленоградской станции аэрации начи-
ная с 1967 года; впервые актиномицеты появились в сентябре 1994 года, и это вы-
глядело катастрофически: вся поверхность отстойника была покрыта пленкой вспе-
ненного активного ила, которая резко ухудшала качество очищенной воды, ослож-
нила доочистку и обеззараживание. Помимо нокардий, в аэротенках могут разрас-
174
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
таться актиномицеты рода Микротрикс. Актиномицеты подробно описаны в гл. 4.
Все актиномицеты, образуя ловушки для пузырьков воздуха, вызывают вспенивание
активного ила (рис. 6.3). Актиномицеты размножаются в десять раз медленнее, чем
обычные организмы активного ила (псевдомонады), то есть в норме они неконку-
рентоспособны и быстро элиминируются, но получают шанс при наличии избыточ-
ного субстрата, недоиспользованного псевдомонадами, поэтому служат показателя-
ми перегрузки активного ила.
Появление в активном иле актиномицетов, даже без подсчета, всегда служит
сигналом для увеличения концентрации (дозы) активного ила. В этом отличие акти-
номицетов, как биоэстиматорных организмов, от хламидобактерий, которые следует
подсчитывать и принимать меры по снижению нагрузки на активный ил только в
случае превышения их численности по сравнению с нормальной (более 15 млн./г),
хотя и актиномицеты, и хламидобактерий входят в состав одного и того же биоэс-
тиматора (Б-5). При недостатке опыта бывает трудно различить хламидобактерий и
актиномицеты. Поэтому рекомендуется окрашивать подсушенные мазки активного
ила на предметных стеклах по Граму: актиномицеты, в отличие от хламидобакте-
рий, приобретают фиолетовое окрашивание (на рис. 4.4 гл. 4 они видны как черные
тонкие нити).
6.3.2. Вспенивание за счет белка и крахмала
Белок крови чаще всего осложняет биологическую очистку на локальных очист-
ных сооружениях при мясокомбинатах, убойных цехах и т.п. Яркий пример - вспе-
нивание активного ила на СА г. Нальчик. Причину этого явления долгое время не
могли установить многочисленные эксперты, приглашенные из Москвы, которые
пытались как-то изменить режим работы самой СА. На очистных сооружениях даже
держали специальных работников для отлавливания коричневой пены, а также при-
думали много приспособлений для этой цели. Но изменение режима очистки стоков
ничего не дало. Мы выяснили, что при мясокомбинате, который сбрасывал свои
стоки в данную канализационную сеть, были плохие локальные очистные сооруже-
ния; часть белков крови сбрасывалась в канализацию и попадала в аэротенки город-
ской СА. О модернизации локальных очистных сооружений при мясокомбинате
встал вопрос только после того, как мы провели обследование с помощью биоэсти-
мации и указали на причину данного вида вспенивания.
Другой вид вспенивания активного ила - за счет крахмала. Крахмал поступал со
стоками предприятий по очистке овощей, особенно картофеля. Крахмал относится к
числу естественных полимеров - полисахаридов. Традиционные методы изготовле-
ния вспененных продуктов из крахмала обычно основываются на быстром падении
давления, вызывающем вспенивание. Однако и при нормальном атмосферном дав-
лении на очистных сооружениях при поступлении крахмала происходит вспенива-
ние активного ила, причем вспенивание наблюдается уже в канализационных сетях
и колодцах по пути движения крахмалосодержащих стоков.
Глава 6
175
6.3.3. Вспенивание за счет сброса содержимого пенных огнетушителей
Этот вид вспенивания носит сезонный характер: обычно в октябре каждого года
проводится замена пенных огнетушителей, старое содержимое, вместо того чтобы
свозить в специальные «могильники», сливают в канализацию. На биологических
очистных сооружениях поднимается паника, но микроскопирование показывает, что
гора бурой пены на поверхности аэротенка - это обычный активный ил, но более
вязкий, и в нем - масса мелких удерживаемых пузырьков воздуха. Но пенные огне-
тушители все более заменяются на углекислотные и порошковые, поэтому третий
вид вспенивания встречается все реже и, возможно, вскоре перестанет быть пробле-
мой для СА.
Диагностика состоит в разграничении причин, вызвавших вспенивание актив-
ного ила. Если в активном иле обнаруживаются актиномицеты: нокардии (в виде
кустиков) или микротриксы (в виде неветвящихся тончайших нитей, образующих
клубки и сеточки), то причина - перегрузка активного ила легко окисляемыми веще-
ствами, а устранение - повышение концентрации (дозы) активного ила. Бывают и
случаи шоковой нагрузки: когда активный ил долгое время «работал» в условиях
низких удельных нагрузок, но внезапно поступили концентрированные стоки (раз-
грузка ассенизационных машин, подача сливных, размывных или дренажных вод и
др.). Иногда доза активного ила может показаться большой (например, 6 г/дм3), но
если наблюдается превышение численности биоэстиматоров нагрузки, значит в дан-
ном, конкретном, случае - эта доза слишком мала.
Предотвращение этого вида вспенивания - увеличение дозы активного ила при
первом обнаружении в нем актиномицетов; о превышении пороговой численности
речь не идет: актиномицетов ни в коем случае не должно быть в активном иле. Са-
мый надежный способ - это поддержание максимальной дозы активного ила, воз-
можной на данной СА, то есть работа со зрелым активным илом. В этом случае от-
падает проблема любых перегрузок активного ила и обеспечивается минимальный
иловой индекс, позволяющий экономить на перекачках. Но на стандартных СА это-
го достигнуть очень сложно, хотя и возможно, если применять специальные, нетра-
диционные меры, которые разрабатываются для каждой СА отдельно по показаниям
биоэстимации.
Если наблюдается вспенивание, но актиномицеты не обнаруживаются, но обна-
руживаются биоэстиматоры воздействия нефтепродуктов (Б-10 - планктонные ра-
ковинные саркодовые), то причина - сброс в канализацию содержимого пенных ог-
нетушителей (наполнители пенных огнетушителей обычно изготавливаются на ос-
нове нефтепродуктов).
Если не обнаруживаются ни актиномицеты (Б-5а), ни планктонные раковинные
саркодовые (Б-10), а вспенивание активного ила происходит, то причина - поступ-
ление на СА либо белка крови, либо белка яиц, либо еще каких-то вспенивающих
агентов, например крахмала. Устранение таких видов вспенивания следует прово-
дить путем обследования соответствующих предприятий, сбрасывающих стоки в
данную канализационную сеть, устройство и модернизация при них локальных очи-
стных сооружений. В настоящее время на таких предприятиях обычно применяются
176
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
механические устройства для вылавливания вспенивающих агентов. Однако это -
всего лишь водоподготовка, а не очистка воды. Значительно эффективнее было бы
локальные сооружения по водоподготовке дополнить небольшими сооружениями по
биологической очистке, например Биоблоками, примеры которых приведены в гл. 7.
Рис. 6.3. Схематическое изображение некоторых показателей процесса очистки воды:
1 - хламидобактерий; 2 - ложнодихотомическое ветвление хламидобактерий; 3 - актиноми-
цеты, рода Nocardia, обильно ветвящиеся и служащие ловушкой для пузырьков воздуха;
4 - истинное ветвление нокардий; 5 - нити цианобактерий; 6 - нити водного гриба; 7 - квар-
цоиды; 8 - сидеротека; 9 - пузырьки воздуха, х 500
Зарубежные авторы считают, что причиной вспухания является разрастание
нитчатых форм бактерий, а причиной вспенивания - разрастание нокаржий и парви-
целл. Поэтому предлагают обрабатывать хлором, сгущать полимерами и удалять с
поверхности различными устройствами (Jenkins, Richard, Daigger, 2003; Seviour,
Nelsen, 2010). Про такую деятельность говорят: «Это - борьба с плесенью вместо
борьбы с сыростью». И называют свои руководства всеобъемлющими. Странно,
ведь почти 20 лет назад безуспешно предлагалось то же самое (Bulking of activated
sludge, 1983), и сейчас это выдается за нечто прогрессивное. Прогресс в этом на-
Глава 6
177
правлении - определение до вида некоторых из нитчатых форм с помощью элек-
тронного микроскопа, но это не для оперативного контроля.
Нами установлено, что, разрастание в активном иле нитчатых форм - это резуль-
тат нарушающего воздействия чрезмерной (шоковой) нагрузки на активный ил, и
надо не хлорировать или озонировать (то есть травить) активный ил, не добавлять
макроэлементы, а увеличивать его массу, чтобы снизить удельную нагрузку (Ники-
тина, 1991). Отлавливание с поверхности аэротенков и отстойников вспененного ак-
тивного ила мы тоже рекомендуем, но не для устранения причины вспенивания, а
для скорейшего восстановления качества очищенной воды, после того как причина
(перегрузка активного ила) будет устранена.
При всех видах вспенивания активный ил, поднявшийся на поверхность, ни при
каких обстоятельствах назад в воду возвращен быть не может. Поэтому в числе мер,
которые необходимо применять при всех видах вспенивания, особо следует под-
черкнуть, что весь вспененный активный ил следует убирать механически. Там, где
это возможно, на вторичных отстойниках сооружают устройства для отлова вспе-
ненного активного ила, например плавающие доски и бункеры, похожие на те, кото-
рые используют в качестве жироловок. Но чаще приходится производить отлов сач-
ками вручную. В отличие от всплывания, когда плавающий активный ил можно
вернуть в толщу воды ударом сачка или струи воды, вспененный активный ил вер-
нуть в воду невозможно. Это обстоятельство вынуждает персонал производить от-
лов вспененного активного ила при первых его признаках, появлении небольших
комочков пены в углах аэротенков, не надеяться на другие мероприятия и не ждать,
когда произойдет катастрофа, описанная в следующем разделе.
6.4. Образование илового плавающего слоя
Диагностика, устранение и предотвращение всех описанных выше
патологических изменений структуры активного ила очень важны,
так как каждое из них приводит к снижению качества очистки сточных вод. Но осо-
бенно тяжелые последствия несвоевременного устранения этих нарушений бывают,
если на одной и той же СА одновременно происходит всплывание, вспухание и
вспенивание активного ила, так как вслед за этим вскоре наблюдается явление, ко-
торое мы назвали образованием илового плавающего слоя.
Иловой плавающий слой (ИПС) внешне напоминает вспененный активный ил,
то есть имеет слегка бугристую поверхность, коричневатый цвет и свежий запах, но
более вязкий и несколько дифференцированный по толщине: с поверхности он
плотный, иногда глянцевитый, а снизу рыхлый. Чем толще плавающий слой, тем яв-
ственнее эти различия. При разбивании этого слоя он тут же смыкается. Иногда
ИПС настолько вязкий, что режется ножом. После извлечения фрагмента ИПС на
его срезе визуально различаются пузырьки воздуха различной величины, местами
образующие небольшие полости, или водовоздушные линзы. Под микроскопом
видны многочисленные микроскопически малые пузырьки, а вся толща ИПС прони-
зана нитчатыми организмами и кишит многочисленными инфузориями, коловрат-
ками, червями и прочими мелкими организмами. Эта картина опровергает утвер-
178
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
ждения, что подобное явление - результат отравления активного ила какими-то
промстоками, в чем убеждены работники СА, на которых обнаруживается ИПС.
Острая нехватка специалистов, владеющих методом биоэстимации, приводит к
тому, что момент, когда происходит накладка вспухания, всплывания и вспенивания
активного ила, оказывается упущенным. Довольно быстро, иногда в течение не-
скольких суток, на поверхности аэротенков образуется сначала тонкий, но непре-
рывно утолщающийся ИПС, который продолжает плавать, несмотря на увеличение
интенсивности аэрации и другие технологические приемы. Оставшийся в толще во-
ды активный ил имеет тропность к ИПС и интенсивно подлипает к нему снизу. Этот
процесс захватывает все большую массу активного ила, в иловой смеси его остается
все меньше, а ИПС становится все толще и плотнее. Нам встречались случаи, когда
он достигал толщины 50 см и более, а в аэротенке аэрировалась только сточная
жидкость, практически без активного ила, так как весь его прирост успевал за пери-
од аэрации подлипнуть снизу к ИПС. При этом сточная жидкость, пройдя механиче-
скую, практически без биологической очистки, сбрасывалась в водоем.
ИПС невозможно потопить, его нельзя использовать в качестве затравочного
ила при перезапуске, но в качестве удобрения для декоративных растений или для
интенсификации компостирования растительных остатков он использоваться может.
Следует предусмотреть, чтобы никакая его часть не могла попасть в водные объек-
ты с ливнестоками, так как он может нарушить самоочищение воды и в них.
Этот вид патологии активного ила не устраняется мерами, действенными при
нарушениях, которые его породили. Это - качественно иное явление, представляю-
щее собой необратимую форму деградации активного ила, вследствие чего устра-
нить это нарушение невозможно мерами, эффективными при вспухании, всплыва-
нии и вспенивании, но его можно предотвратить, проводя регулярный биоэстимаци-
онный контроль. Если же катастрофа уже состоялась, то приходится отлавливать и
вывозить за пределы СА весь ИПС, а затем производить перезапуск СА путем завоза
новой порции затравочного активного ила из ближайших СА, не испытавшей по-
добной беды. При этом следует постоянно отлавливать даже внешне незначитель-
ные фрагменты поднимающегося на поверхность ИПС, выявляемого прежде всего в
углах аэротенков.
20 лет назад образование ИПС нами не наблюдалось, хотя мы обследовали мно-
гочисленные станции аэрации в СССР. Но теперь оно встречается все чаще, не толь-
ко в РФ, но прежде всего за рубежом. К сожалению, это явление во всем мире назы-
вают «ценообразованием», а это - ошибка: пенообразование - это образование бе-
лой пены как результат наличия в воде детергентов при отсутствии (или малом ко-
личестве) активного ила. Называть образование ИПС пенообразованием, значит
блокировать возможность понимания и предотвращения ИПС. Мурыгина В.П., Ка-
люжный С.В. (2004), утверждают: «Пенообразование чаще наблюдается при глубо-
кой очистке сточных вод от азота и фосфора», и это абсолютно верно, но мы бы то
же самое сфомулировали иначе: «Образование ИПС - удел тех станций аэрации, на
которых по пути циркуляции активного ила оборудованы блоки без аэрации (якобы
для денитрификации, в то время как денитрификация происходит в анаэробных цен-
трах зрелых флокул), применяются гипертоксичные реагенты-коагулянты (для оса-
Глава 6
179
ждения фосфора на активный ил), идет интенсивная отбавка «избыточного» актив-
ного ила. Эта беда пришла в нашу страну вместе с перестройкой, открывшей ворота
для ошибочной западной технологии.
6.5. Измельчение флокул активного ила
(диспергирование, микрофлокуляция, дефлокуляция)
77 испергирование, или массовый дисперсный рост бактерий, не спо-
Г~л собных объединяться во флокулы, объясняется отсутствием у бак-
терий ворсинок. Очищаемая вода при этом имеет нулевую прозрачность, в ней под
микроскопом видны активно движущиеся мириады мельчайших организмов. Выявле-
ние причин подавления ворсинкообразования - направление дальнейших исследова-
ний. Отметим только, что диспергирование чаще наблюдается в стоячей воде, а также
в случае воздействия промышленных сбросов, которые, не подавляя роста бактерий,
подавляют у них ворсинкообразование. Нам не приходилось наблюдать диспергиро-
вание в чистом виде; обычно оно сопровождается другими патологическими измене-
ниями активного ила. По-видимому, если предотвращать другие нарушения структу-
ры активного ила, то и диспергирование станет на СА невозможным.
Микрофлокуляция - образование мелких, не укрупняющихся флокул разных ти-
пов. В гл. 3, на рис. 3.3 схематически изображено шесть основных морфотипов фло-
кул активного ила, которых нам приходилось наблюдать.
В пусконаладочный период, когда активный ил наращивался прямо из имею-
щейся сточной жидкости, преобладали молодые рыхлые флокулы первого морфоти-
па. Они содержат небольшое число бактерий и едва различимы, даже при увеличе-
нии микроскопа в 300—400 раз. По мере созревания флокулы укрупняются достаточ-
но долго, иногда в течение нескольких недель, оставаясь рыхлыми и почти прозрач-
ными. Активный ил, в котором преобладают такие флокулы, справедливо называют
молодым, приписывая ему наилучшие окислительные свойства. Для обеспечения
непреходящей молодости активного ила в составе очистных сооружений преду-
смотрены системы устройств для непрерывного удаления и переработки «избыточ-
ного» активного ила. Взяв этот термин в кавычки, мы хотим подчеркнуть, что моло-
дость - не лучшее свойство активного ила, так как молодые флокулы не обеспечи-
вают надлежащей очистки сточной воды и плохо отделяются от нее отстаиванием.
Не выбрасывая «избыточный» активный ил, мы создаем условия для его созревания
и образования наиболее ценных флокул - плотных эллипсоидных, способных пере-
рабатывать широкий спектр различных загрязнений, в том числе восстанавливае-
мых, которые подвергаются деструкции в анаэробных центрах зрелых флокул.
Именно в них, в частности, происходит денитрификация, освобождающая очищае-
мую воду от избытка азота, без специальных зон-денитрификаторов, в которых ак-
тивный ил оказывается в неблагоприятных условиях, а следовательно, утрачивает
способность обеспечивать высокое качество очистки.
Чтобы избежать микрофлокуляции за счет образования мелких рыхлых неук-
рупняющихся флокул, следует максимально сохранять активный ил в системе, не
производя его отбавку и не допуская его утечек. Поскольку микрофлокуляция за
180
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
счет образования флокул первого типа является следствием недостаточного возраста
активного ила, а значит, и его перегрузки, вместе с микрофлокуляцией наблюдается
увеличение в активном иле показателей перегрузки, а именно, актиномицетов и хла-
мидобактерий, входящих в состав Б-5, а также сидеротек, входящих в состав Б-6.
Превышение численности указанных биоэстиматоров позволяет установить причи-
ну микрофлокуляции этого типа (примеры № 4, 27, 38, 40, 45, 47, 53, 60, 63, 65, 68,
73-78, 82, 65, 96, 100, 106, 110, 122). Это - примеры серьезной, хронической пере-
грузки активного ила вследствие необоснованной потери активного ила и его крайне
малого возраста.
Как и флокулы первого морфотипа, флокулы пятого и шестого морфотипов от-
носятся к категории молодых или первичных. Но они обычно не бывают преобла-
дающими, а получают заметное развитие только в случаях нарушений, поэтому яв-
ляются биоэстиматорами соответствующих нарушений процесса очистки.
Флокулы пятого морфотипа - зернистые образования в виде оленьих рогов -
упоминаются почти каждым автором, описывающим активный ил. По нашим на-
блюдениям, когда численность роговидных флокул превышала 1,5 млн. условных
единиц на 1 г сухого вещества активного ила, она служила показателем нарушения
процесса биологической очистки за счет воздействия промышленных стоков, со-
держащих сахара; этот тип флокул вошел в систему биоэстимации процесса очистки
как биоэстиматор № 7 (Б-7), отнесенный к группе факторов «прометок». Сами фло-
кулы в виде оленьих рогов, если они не ассоциировались со зрелыми флокулами, не
успевали оседать во вторичных отстойниках, плохо задерживались фильтрующей
загрузкой сооружений доочистки, осложняли обеззараживание фильтрата. Вода, вы-
ходящая со станции аэрации и содержащая такие флокулы, слегка опалесцировала,
причем количество взвешенных веществ при этом увеличивалось не сильно, но зна-
чительно снижалась прозрачность очищенной воды. Для устранения этого наруше-
ния следует обследовать канализуемые промпредприятия, прежде всего пищевой
промышленности, и добиваться модернизации их локальных очистных сооружений
(примеры № 24, 30, 88, 122, 123).
Флокулы шестого морфотипа мы назвали диктиоглеями, или сетчатыми флоку-
лами. Чаще всего они состояли из нитчатых актиномицетов. Заметного развития та-
кие флокулы достигали при внезапных или шоковых повышениях нагрузки на стан-
циях, работающих обычно в режиме низких нагрузок. Но вспышки численности
диктиоглей не всегда бывают продолжительными: или вслед за падением нагрузки
эти флокулы вымывались из активного ила, так как практически не оседали во вто-
ричных отстойниках, или, если высокие нагрузки сохранялись продолжительное
время, вызывали вспенивание активного ила.
Дефлокуляция - распад флокул на неоседающие фрагменты из всех вышепере-
численных нарушений является наиболее распространенным. Основной причиной
фрагментации флокул является не избыточная аэрация, как утверждают некоторые
авторы, полагающие, что основу их составляет каркас из нитчатых водорослей, раз-
рывающихся при усиленной аэрации (Вавилин, Васильев, 1979; Jenkins, 1973, Хенце
и др., 2004 и др.), а накопление внутри флокул газообразных метаболитов. На
рис. 6.4 видны мелкие газовые баллоны, находящиеся за пределами бактериальных
Глава 6
181
Рис. 6.4. Электронограмма среза фрагмента флокулы.
Внутри флокулы видны мелкие, недавно образованные, газовые баллоны округлой и непра-
вильной формы, х 18000
клеток, то есть экстрацеллюлярные (впервые подобные структуры обнаружил и
описал В.И. Дуда с соавторами (1985) на спороносных бактериях из кишечника ра-
ка). Усиленное перемешивание иловой смеси в аэротенке способствует диффузии
накопившихся метаболитов за пределы флокул. В случае затрудненной диффузии,
когда образуются зоны застоя и залежей активного ила, газовые полости укрупня-
ются, парциальное давление в них растет, постепенно они соединяются каналами,
как это показано на рис. 6.5, что приводит к распаду флокул на фрагменты. Наибо-
лее ярко накопление газообразных метаболитов проявляется во вторичных отстой-
никах при несвоевременной выгрузке осевшего активного ила, когда происходит
всплывание активного ила в виде «шапок», в которых значительная часть флокул
подверглась дефлокуляции.
Прогноз и диагностику дефлокуляции можно проводить по увеличению числен-
ности биоэстиматора № 1 (жгутиковые). Это служит сигналом для проведения реви-
зии всего оборудования, обеспечивающего выгрузку осевшего активного ила из
вторичных отстойников и переброску его в зону аэрации. Устранение неисправно-
стей и увеличение процента рециркуляции активного ила позволит в короткие сроки
приостановить, а затем и предотвратить дальнейшую дефлокуляцию, хотя фрагмен-
ты разрушенных флокул могут еще несколько суток вымываться из системы, вызы-
вая постепенно уменьшающуюся мутность очищенной воды. Биоэстимационный
подход основан на понимании сущности процесса биоочистки, а именно того, что
это - процесс жизнедеятельности органотрофных бактерий. Поэтому все наши вое-
182
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
становительные мероприятия направлены на ее оптимизацию, на создание наиболее
комфортных условий органотрофным бактериям и максимальное сохранение всей
массы активного ила в системе.
Рнс. 6.5. Электронограмма среза флокулы, х 30000.
Газовые баллоны укрупнились и соединились каналом, огибающим микроколонию бакте-
рий (сидеротеку). По каналам, соединяющим газовые баллоны, идет распад флокул на фраг-
менты
Мы категорически отвергаем все, что может им повредить, например предвари-
тельное хлорирование, добавку реагентов, устройство анацидных зон на пути дви-
жения активного ила, наполнение аэротенков стационарной и плавающей загрузкой
и пр. Мы придаем большое значение водоподготовке, снижающей отрицательное
воздействие компонентов сточной жидкости на сапротрофные бактерии: локальной
очистке на предприятиях и отдельных цехах, целостности канализационных сетей,
предупреждающих попадание в сточную воду песка, глины, гумуса, устранению
всех видов застоя в них, интенсификации работы всех звеньев механической очист-
ки воды, предварительную аэрацию и другие меры
Таким образом, используя биоэстимацию, любые нарушения процесса очистки
сточных вод можно не только диагностировать, но и предотвращать.
Г лава 7
НЕТРАДИЦИОННАЯ КОНЦЕПЦИЯ ОЧИСТКИ
СТОЧНЫХ ВОД И РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ
ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЕЕ НА ПРАКТИКЕ
7.1. Критический обзор существующей парадигмы
биологической очистки сточных вод
В предисловии к новой книге «Очистка сточных вод. Биологические
и химические процессы» (Хенце и др., 2004) сказано, что в ней
«суммированы все последние достижения, отображена европейская парадигма био-
логической очистки». Характерно, что все четыре автора не биологи. По-видимому,
в Европе, как и в РФ, при проектировании биологических очистных сооружений
биологов не привлекают.
В соответствии с этой парадигмой, или концепцией, из очистных сооружений
непрерывно удаляется «избыточный» активный ил; нагрузка на активный ил рас-
считывается по ВПК; считается, что в аэротенке протекают исключительно аэроб-
ные процессы, а для активизации денитрификации нужны отдельные устройства; не
учитывается принцип дублирования деятельности микроорганизмов; результаты на-
блюдений над чистыми культурами бактерий с отдельными веществами положены в
расчеты очистки городских стоков с активным илом; для биологического удаления
из воды фосфора добавляется токсичный реагент (хлорное железо) и ставится на пу-
ти циркулирующего активного ила анаэробный блок; утверждается, что чем меньше
возраст ила, тем лучше это для процесса очистки, и что флокулы образуются в ре-
зультате слипания «первичных частиц», а также, что интенсивная аэрация приводит
к распаду «химически организованных флокул». Все это мы считаем в той или иной
мере неверным.
Так, очистные сооружения, или станции аэрации, зарубежного образца, эксплуа-
тируемые в двух районах города, постоянно испытывают затруднения, вызванные
нарушением процесса очистки сточных вод (названия этих сооружений не указыва-
ются из этических соображений). Прежде всего на них наблюдается всплывание,
вспухание и вспенивание активного ила. Ниже, в таблицах 7.1, и 7.2, приводятся ре-
зультаты биоэстимации процесса очистки сточных вод на этих станциях аэрации в
течение 15-ти месяцев.
184
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Таблица 7.1
Биоэстимация процесса очистки сточных вод на СА района А
Пес- ЧИНКИ Биоэстиматоры млн./г
Номера биоэстиматоров техобеспечения нагрузки промстока
1 2 3/4 5 5а 6 7 8 9 10
Нормн. числен. 1,0 1,8 1,5 0,8 6,7 0 3,3 1,5 1,5 0,7 2,3
Порог, числен. 2,0 3,5 2,9 1,0 15,0 0 4,7 2,9 2,9 1,5 4,7
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
29.08.02 1,6 2,9 1,3 47,5 44,2 0,8 28,6 0,4 о,1 0,2 0
25.09.02 6,1 54,3 0,4 84,5 31,7 0,1 42,6 0 0 0,1 0
18.10.02 1,7 3,8 1,4 0,9 7,0 2,0 28,7 0,1 0 0,1 0
14.11.02 2,1 6,2 1,0 21,0 7,3 24,5 47,6 0,1 0 0,1 0
15.01.03 3,2 16,3 1,3 10,2 43,6 2,9 23,5 0,1 0,1 0,1 0
12.02.03 1,8 1,8 0,2 4,8 20,1 0 12,5 0,1 0 0 0
14.03.03 5,3 16,4 0,9 4,5 24,8 0 38,2 0 0 0,2 0
17.04.03 4,3 6,3 0,1 1,0 21,1 0 31,6 0,2 0 0,1 0
16.05.03 8,7 0,4 0,2 12,0 24,1 0,4 10,2 0 0 0,1 0
20.06.03 6,7 3,2 0,5 1,1 19,7 1,2 31,6 0,1 0 0,1 0
16.07.03 3,5 3,0 0 1,3 12,2 0 16,2 0 0 0 0,1
15.08.03 3,4 0,5 0,1 0,2 4,0 0 32,4 0 0 0,2 1,1
17.09.03 2,8 2,7 0 5,3 20,9 0 24,7 0,1 0,1 0,1 0
2 БР 5,7 38,0 0,1 4,5 21,3 0,1 43,3 0 0 0 0
4БР 5,1 10,3 0 4,5 29,6 0,3 39,5 0 0 0 0
Ср. 16.10.03 5,4 24,2 0 4,5 25,5 0,2 41,4 0 0 0 0
Ср. за 14 месяцев 3,8 9,5 0,6 14 20 2,4 30 0,1 0,1 0,2 0,1
из них норм, знач. численн.% 0 100 8 8 46 0 100 100 100 100
Таблица 7.2
Биоэстимация процесса очистки сточных вод на СА района Б
Номера биоэстиматоров Пес- ЧИНКИ Биоэстиматоры млн./г
техобеспечения нагрузки промстока
1 2 3/4 5 5а 6 7 8 9 10
Норм, численность 1,0 1,8 1,5 0,8 6,7 0 3,3 1,5 1,5 0,7 2,3
Пороговая численность 2,0 3,5 2,9 1,0 15,0 0 4,7 2,9 2,9 1,5 4,7
13.08.02 о,з 0,9 0 20 1,7 0 13,5 0,1 0,1 0,1 2,2
26.09.02 3,5 4,6 0,8 10 19,8 0 40,4 0,2 0,1 0,5 0,1
18.10.02 5,0 47,1 0,4 0,3 9,3 0 55,4 0,1 0,1 0,1 0
14.11.02 1,7 5,9 0,4 2,9 11,9 1,3 12,4 0,1 0,1 0,1 0
17.12.02 7,5 15,7 1,8 7,1 23,5 2,5 60,7 0,1 0,2 0,4 0
15.01.03 0,8 9,2 1,1 2,7 13,7 1,6 13,3 0,1 0,1 0 0
13.02.03 0,9 3,2 0 0,7 22,7 2,4 14,7 0 0,1 0,1 0,2
13.03.03 3,2 16,9 1,2 6,0 39,5 0 17,7 0,1 0,1 0,3 0,3
17.04.03 1,1 2,4 0,2 0,2 14,3 0,1 10,5 0 0,1 0 0
Глава 7
185
Продолжение табл. 7.2
Номера биоэстиматоров Пес- ЧИНКИ Биоэстиматоры млн./г
техобеспечения нагрузки промстока
1 2 3/4 5 5а 6 7 8 9 10
Норм, численность 1,0 1,8 1,5 0,8 6,7 0 3,3 1,5 1,5 0,7 2,3
Пороговая численность 2,0 3,5 2,9 1,0 15,0 0 4,7 2,9 2,9 1,5 4,7
16.05.03 8,1 3,1 0,3 2,4 21,1 1,2 46,3 0,1 0,1 0,1 0
18.06.03 5,5 4,2 3,3 8,8 7,8 0,4 51,2 0 0 0,5 1,8
17.07.03 5,1 5,4 0,3 2,5 12,6 0 26,3 0,1 0,1 0,1 0,9
15.08.03 3,4 0,5 0,1 0,2 4,0 0 32,4 0 0 0,2 1,1
17.09.03 2,8 2,7 0 5,3 20,9 0 24,7 0,1 0,1 0,1 0
16.10.03 3,1 17,2 0,3 14,0 42,0 0,3 25,8 0 0,1 0 0
Средняя за 15 месяцев 3,5 9,3 0,7 5,5 18 0,8 30 0,1 0,1 0,2 0.5
из них норм, знамен.% 20 13 93 27 13 47 0 100 100 100 100
Средн, по 2-м СА 3,7 9,4 0,7 9,7 19 1,6 30 0,1 0,1 0,2 0,1
Существенных различий в процессе очистки сточных вод на этих двух станциях
аэрации (СА) нет, так как построены и эксплуатируются они по одной и той же тех-
нологии; заявленная особенность этой технологии - регулирование подачи воздуха
в соответствии с показаниями датчика по приборному определению ВПК. Такой уп-
рощенный механистический подход к биологическому процессу, обусловленному
многочисленными факторами, не совсем корректен.
В каждой исследованной пробе активного ила, отобранной на этих СА, выявля-
лись какие-либо нарушения, но нарушений на СА в районе Б на 20% меньше, чем на
СА района А. Скорее всего, лучшие показатели - это заслуга персонала, обслужи-
вающего СА в районе Б.
В среднем, активный ил на обеих СА оказался нагружен одинаково, как по легко
окисляемым (отображает численность Б-5), так и по трудно окисляемым веществам
(Б-6). Актиномицеты, или Б-5а (показатели шоковой нагрузки), в аэротенках района
Б, в среднем, обнаруживались в 3 раза реже, чем в аэротенках района А.
Биоэстимация динамического (технического) обеспечения процесса очистки
сточных вод, в среднем, отображает хроническое нарушение и со стороны рецирку-
ляции активного ила (численность Б-1, превышает пороговое значение), и со сторо-
ны массообмена (аэрации). Оба эти параметра - интенсивность циркуляции и аэра-
ции активного ила на данных очистных сооружениях большую часть года недоста-
точны. Численность Б-2 лишь один раз превышала норму (Б-2 - показатель общего
перемешивания, или макротурбулентности, которая обычно обеспечивается на тра-
диционных СА, поэтому косвенно может служить показателем обслуживания рабо-
тающего оборудования). В остальное время надлежащая макротурбулентность по-
тока обеспечена.
Нарушения, выявляемые по Б-1 (залеживание и загнивание активного ила по пу-
ти его циркуляции), являются предпосылками для всплывания активного ила.
186
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Биоэстимация нагрузки на активный ил, в среднем, отображает хроническую
перегрузку как по легко окисляемым, так и по трудно окисляемым загрязнениям
(численность Б-5 и Б-6 превышает пороговую). Это говорит о слишком низкой кон-
центрации активного ила в аэротенках в сложившейся технологической ситуации;
по регламенту концентрация активного ила поддерживается в пределах 3,5-4 г/дм3;
такой концентрации активного ила в конкретном случае явно недостаточно. Чис-
ленность актиномицетов в течение данного периода времени колебалась, иногда они
не обнаруживались в активном иле, но на поверхности, при отстаивании иловой
смеси, присутствовали всегда. Наличие актиномицетов - дополнительное подтвер-
ждение того, что активный ил перегружен, поскольку они разрастаются только при
избытке субстрата, когда основным организмам активного ила пищи достаточно, и в
любой момент могут дать вспышку численности и вызвать вспенивание иловой мас-
сы с поднятием ее на поверхность.
В течение всего времени наблюдений постоянно имело место хламидобактери-
альное вспухание активного ила как результат его перегрузки. Из таблицы 7.3 вид-
но, что иловой индекс на обеих СА высокий, в среднем, составляет 188 см3/г, а мак-
симальное значение - 253 см3 г (по регламенту этих СА - 74 см3/г). Такие наруше-
ния обычны для СА, эксплуатируемых на основании расчетов по БПК, то есть без
учета полной нагрузки. По проекту СА в районе Б имеет существенный запас мощ-
ности по объему в сравнении с тем количеством стоков, которое она принимает
фактически, тем более что с введением квартирных счетчиков на воду приток воды
на очистные сооружения продолжает сокращаться и можно было бы, если не устра-
нить, то хотя бы уменьшить воздействие фактора перегрузки на активный ил. Но
строгий регламент этого не допускает. Зарубежные специалисты продолжают счи-
тать регламент безупречным, во всем «обвиняя» загадочную российскую сточную
воду, которую с помощью этого регламента невозможно почистить без проблем.
Биоэстимация воздействия промышленных стоков отображала полное благопо-
лучие по фактору «прометок» в течение всего периода наблюдений на обеих СА.
В октябре 2003 года на СА района А сравнивался процесс очистки сточных вод
на 2-х линиях, маркированных как БР-2 и БР-4. При этом все параметры практиче-
ски совпадали, за исключением рециркуляции: на БР-2 по биоэстимации зон залега-
ния и загнивания ила значительно больше, чем на БР-4. Но наши выводы и рекомен-
дации руководством этой СА не были учтены.
Отстойники на подобных сооружениях строятся без учета контроля выгрузки
активного ила: пробы отобрать невозможно, все скрыто под землей. Считается, что
достаточно точно рассчитать, выставить по нивелиру, и все отстойники будут рабо-
тать одинаково. Но это далеко не так.
Численность пылеватых фракций песчинок в активном иле достигала 8,1 млн./г.
Балласт в виде зерен песка, по нашим наблюдениям, в норме может составлять до
1 млн./г, а 2 млн./г - это пороговое значение, требующее немедленного оперативно-
го вмешательства. Но на данных очистных сооружениях этот показатель не контро-
лируется и не регулируется, поэтому большую часть времени этот показатель пре-
вышен. Песок приносится промывной водой с фильтров доочистки.
Глава 7
187
Таблица 7.3
Традиционные показатели, характеризующие активный ил
Месяцы 2002- 2003 годов Концентрация актив- ного ила, г/дм3 Иловой индекс см3/г Прозрачность воды над илом после 2-х ча- сов отстаивания, см
Район Б Район А Район Б Район А Район Б Район А
1 2 3 4 5 6 7
2002 Сентябрь 3,7 2.8 67 214 7 12
Октябрь 2,6 2.9 181 245 20 22
Ноябрь 3,0 3.6 100 117 17 17
Декабрь 3,6 2,9 164 110 13 8
2003 Январь 2,8 - 243 - 25 -
Февраль 3,6 4,0 222 225 13 9
Март 4,7 4.4 202 214 15 И
Апрель 4.3 4,7 229 164 24 17
Май 4,2 4,9 214 169 23 28
Июнь 3,2 4,5 194 189 10 6
Июль 3,3 3,8 145 239 11 8
Август 3,4 5,1 212 185 9 10
Сентябрь 3,7 2,8 192 214 13 12
Октябрь 4,3 5,8 152 205 10 8
ОС района А БР-2 — 4,9 - 182 - 7
БР-4 — 5,2 - 171 - 8
Октябрь 2003 3,6 5.1 253 177 4 8
Средние значения 3,4 4,1 185 191 14 13
3,8 188 14
Песок в активном иле - одна из причин его перегрузки, так как, во-первых, часть
массового показателя активного ила занимает песок, и технолог может подумать,
что активного ила достаточно и распорядится его отбавлять, во-вторых, песок явля-
ется своего рода нагрузкой на деструкторов загрязнений, так как подвергается дест-
рукции за счет деятельности бацилл-литотрофов. Черный цвет этих песчинок обу-
словлен накоплением на их поверхности восстановленных форм железа и говорит о
том, что это - песчинки из фильтров доочистки (в теле фильтров складываются вос-
становительные условия). Небольшая часть песчинок - это песчинки из города,
имеющие цвет ржавчины (окисленные формы железа).
Для создания лучших условий респирации следует пересмотреть состав исполь-
зуемой зернистой загрузки в фильтрах, а именно, замену традиционного песка на
мелкий кварцевый щебень, который создает лучшую проточность и аэрацию внутри
фильтров доочистки, а также способствует лучшей сохранности зернистого мате-
риала и меньшую загрязненность флокул ее обломками (Никитина, 1995).
Рыжеватый оттенок зерен песка, приносимого сточной водой из города, объяс-
няется тем, что железо на поверхности этих зерен - в окисленной форме. Заметим,
что отсутствие растворенного кислорода в поступающих на очистку стоках является
188
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
заблуждением; в большинстве городов кислород в поступающей на очистку сточной
воде всегда присутствует, а в стоках, поступающих на данные СА, его - до 5 мг/дм3.
Флокулы активного ила в аэротенках обеих СА зарубежного образца неодно-
родные, и почти нет типичных плотных эллипсоидных флокул, характерных для оп-
тимального процесса очистки. Большая часть флокул - конгломераты бактерий не-
определенной формы с невыраженной структурой и неплотной текстурой. Встреча-
ются мелкие, незрелые флокулы - результат недостаточного возраста активного ила,
и его сгустки - признак залеживания и гниения по пути его циркуляции. Прозрач-
ность воды над активным илом, после двух часов отстаивания, в среднем, - 14 см; в
октябре на СА района Б - всего 4 см (норма - 30 см и более).
На обеих СА постоянно откачивается большое количество «избыточного» ак-
тивного ила, за счет чего происходит снижение количества фосфора в очищенной
воде. Осаждение фосфора на активный ил усиливается добавкой к циркулирующей
иловой смеси реагента - хлорного железа. Биотестирование выходящей с очистных
сооружений воды показало, что бывают периоды, когда выявляется токсичность,
обусловленная проскоком части хлорного железа. Наши эксперименты на тест-
объектах (цериодафниях, сценедесмусе) показали, что маточный раствор хлорного
железа является гипертоксичным; его токсичность устраняется только разбавлением
в 1 млн. и более раз (по регламенту, этот реагент разбавляется сточными водами в
40 тысяч раз). Токсическое воздействие хлорного железа тормозит многие биохими-
ческие процессы, происходящие в аэротенках, а это может отражаться не только на
качестве очищенной воды, но и на последующем самоочищении ее в смеси с при-
родной водой реки.
Таким образом, в активном иле обеих СА постоянно имеются предпосылки для
вспенивания, вспухания и всплывания активного ила. Сочетание этих трех патоло-
гических изменений активного ила приводит к периодическому образованию илово-
го плавающего слоя (ИПС). Это явление не следует путать с «пенообразованием» -
образованием белой пены как результата недостаточного изъятия из сточной воды
поверхностно-активных веществ (ПАВ). Для рассматриваемых СА это не является
проблемой. Проблема для них - именно образование ИПС. Его образование на очи-
стных сооружениях данного типа - закономерное явление, оно будет периодически
повторяться до тех пор, пока не будет скорректирован регламент очистки и произ-
ведены соответствующие конструктивные доработки.
В филиале другой зарубежной фирмы, куда нас пригласили для консультаций
(эта фирма продает в РФ очистные сооружения для коттеджей), на стене висели ог-
ромные фотографии, рекламирующие подобные устройства в работе. На них изо-
бражено поднятие активного ила - ИПС: поверхность аэротенков и отстойников по-
крыта приблизительно на 70%. И фотографы, и те, кто эти плакаты заказывал и вы-
ставлял, не понимали, что занимаются антирекламой. Впрочем, отсутствие инфор-
мации о ИПС позволяет указанной фирме с успехом продавать такие устройства. В
беседе с одним из технологов, приехавшим из-за рубежа курировать построенные
его фирмой СА в нашей стране, выяснилось, что он не только не понимает, что не-
годный регламент является причиной образования ИПС, но и считает это явление
обычным, без которого не обходится ни одна СА.
Глава 7
189
Проблемы, возникшие на биологических очистных сооружениях одного из мя-
сокомбинатов Подмосковья - другой пример последствий европейской парадигмы.
Завод был закуплен в Италии в комплекте с очистными сооружениями. Когда мы
приехали туда на наладку, то обнаружили, что в аэротенке лежит слой «торфа», око-
ло 1,3 м толщиной, а система рециркуляции активного ила обеспечивает всего около
10% его возврата в зону аэрации, остальная масса активного ила выносится через
борт отстойника, далее на выход. Даже ПДК для сброса в канализацию (взвешенные
вещества - до 500 мг/дм3) превышалась в 10 раз. Потребовалась полная реконструк-
ция. В результате - стали выполняться ПДК для канализации. Но проблему до конца
мы не разрешили, так как по европейским расчетам отстойник должен быть гораздо
меньше, чем следует, а большой отстойник негде было разместить: все пространство
было занято основным производством. Время отстаивания осталось слишком ма-
лым, а это вызывает повышенный вынос взвешенных веществ.
Также мы обследовали зарубежные очистные сооружения, прибывшие в ком-
плекте с небольшим заводом по переработке молока, построенным в Московской
области. Нас вызвали на наладку, но наладке эти очистные сооружения не подлежа-
ли, так как в них не была предусмотрена рециркуляция активного ила совсем; тре-
бовалась основательная реконструкция всего блока очистных сооружений. Хозяин
молочного завода нам не поверил, вызвал других наладчиков, они что-то дорабаты-
вали, потратив несколько лет. Работа этих сооружений до сих пор сопровождается
неприятными запахами, периодически приходится ассенизационными машинами их
опорожнять как выгребную яму.
Отечественная парадигма мало отличается от только что рассмотренной. Сущест-
венной особенностью отечественных очистных сооружений является большой запас
по объему, а технологов, работающих на них - меньшей идеализацией установленно-
го регламента. Поэтому, переоснастив такие сооружения и изменив регламент очист-
ки, мы добивались на них существенного улучшения качества очищенной воды.
Не будем делать развернутый обзор литературы на данную тему, приведем толь-
ко выдержки из последних монографий.
Так, в учебнике для вузов С.В. Яковлева и Ю.В. Воронова «Водоотведение и
очистка сточных вод» (2002) встречаем следующее утверждение: «Установлено, что
микробиальная масса, подвергшаяся воздействию фазы самоокисления, будучи вве-
дена снова в контакт с питательной средой, восстанавливает свою прежнюю актив-
ность со значительной задержкой по сравнению с биомассой, не подвергшейся это-
му воздействию». То есть, по утверждению авторов, получается, что активный ил,
свободный от накопленных органических веществ, хуже чистит воду, чем тот, кото-
рый насыщен нетрансформированными органическими веществами. Сначала это
высказывание показалось парадоксом, а на деле оказалось, что изучаемая авторами
«фаза окисления» осуществлялась в «стабилизаторах», то есть аэротенках с крайне
низкой аэрацией, и по-существу без перемешивания. Термин «самоокисленный»
ошибочно применялся для обозначения гниющего активного ила, которому для вос-
становления своей прежней активности, безусловно, потребовалось значительное
время, что и было установлено цитируемыми авторами. Далее в учебнике приведе-
ны расчеты нагрузки на активный ил по ВПК, хотя по этим расчетам значительная
190
О. Г. Никитина «Биоэстимация»
часть нагрузки на активный ил фактически оказывается неучтенной. Характерно и
такое утверждение: «Если попытаться произвольно установить высокую концентра-
цию активного ила в аэротенках, то при переходе в отстойники активный ил будет
выноситься вместе с очищенной водой и в аэротенках его концентрация снизится до
уровня, соответствующего иловому индексу. Хорошо оседающий ил имеет иловой
индекс от 60-90 до 120-150 см3/г. Как перегрузка, так и недогрузка приводит к уве-
личению илового индекса, то есть к вспуханию активного ила». Далее следует реко-
мендация: доза ила при низких нагрузках должна быть 3-5 г/дм3, а при высоких - 2-
3 г/ дм3. Мы считаем, что если нагрузки высокие (активный ил перегружен), то сле-
дует увеличивать концентрацию деструкторов загрязнений, а не снижать ее. Мы
увеличивали дозу активного ила даже до 32 г/дм3, но при этом никакого вспухания
не происходило. Наоборот, иловой индекс при такой дозе снизился до 18 см3/г. Со-
ответственно, не было и выноса активного ила из отстойников, рис. 7.3 (из опыта
работы на поселковых ОС, типа КУ-600).
В учебнике В.С. Кедрова с соавторами (2002) сказано: «Жизнедеятельность ак-
тивного ила сопровождается непрерывным его приростом. Образующийся избыточ-
ный ил уплотняется в илоуплотнителях, сбраживается в метентенках, обезвоживает-
ся на иловых площадках, высушивается в термопечах». И - никаких сомнений в
том, что все эти дорогостоящие и трудоемкие процессы могут оказаться ненужны-
ми. На практике встречаются сооружения, в которых активный ил не прирастает в
отдельные периоды времени. Мы специально проектируем очистные сооружения
для биологической очистки без прироста активного ила. И другие позиции традици-
онной парадигмы пришлось пересмотреть.
В соответствии с теорией Томаса Куна, приходит время, когда в рамках старой
парадигмы невозможно объяснить наблюдаемые явления, и происходит смена пара-
дигм (Khun, 1962). Добавим, что невозможность объяснить наблюдаемые явления
имеет следствием невозможность разрешить ряд злободневных проблем. Именно
сейчас в теории очистки сточных вод наступило время, когда старая парадигма не
может предложить решения таких проблем, как вспухание, всплывание, вспенива-
ния активного ила, образование ИПС и многих других.
7.2. Нетрадиционная концепция очистки сточных вод
Обобщим кратко наши нетрадиционные взгляды на очистку сточных
вод. Некоторые положения этой концепции можно рассматривать
как направления дальнейших исследований. На практике эта новая концепция при-
вела к созданию очистных сооружений нового типа - надежных и экономичных
(Никитина, Кагарманов, 2003).
Первичное отстаивание
Считается, что после отстаивания в первичных отстойниках сточная вода лучше
подвергается биоочистке. Но основная часть загрязнений, нагружающих активный
ил, содержится не в осадке, а в растворе. Сам раствор после отстаивания становится
темным, приобретает гнилостный запах и хуже перерабатывается в аэротенках. Оса-
Глава 7
191
док содержит, в основном, легко окисляемые вещества. Если он не почернел (черне-
ет он на дне первичного отстойника вследствие восстановительных процессов в ана-
эробных условиях, то есть в гниющем осадке), а остается свежим, какой и содер-
жится в неотстоянной воде, поступающей на ОС, он не вызывает проблем с биоло-
гической очисткой. Конечно, речь идет об осадке обычных, бытовых и общегород-
ских стоков. Промышленные стоки требуют обязательной предварительной водо-
подготовки, включающей первичное отстаивание на локальных ОС для удаления
зерна, кожной мездры, опилок, творога, сгустков крови и других специфических за-
грязнений.
Отказавшись от первичного отстаивания обычных стоков, мы избавляемся от
проблем с уплотнением, обработкой, транспортировкой и размещением сырого
осадка. Разумеется, решетки для отлавливания отбросов и песколовки для отлавли-
вания тяжелых фракций, приносимых сточной водой, остаются неотъемлемой ча-
стью ОС. Отказавшись от первичного отстаивания, следует уделить особое внима-
ние модернизации и интенсификации работы песколовок и решеток. В отличие от
сырого осадка отбросы с решеток и песковая смесь из песколовок могут без особых
проблем размещаться на обычной городской свалке вместе с твердыми бытовыми
отходами (ТБО). В большинстве западных стран отказались от первичного отстаи-
вания городских стоков; в РФ - в значительно меньшей степени. В то же время ве-
щества, составляющие сырой осадок бытовых сточных вод, могут быть полностью
минерализованы активным илом.
Осадок сточных вод в условиях энергетического кризиса может перерабатывать-
ся и в метантенках с получением горючего биогаза. В этом случае неизбежны ос-
ложнения в биоочистке, вызванные подгниванием органических веществ в воде во
время отстаивания, а также в сливных водах, образующиеся во время уплотнения
сырого и сброженного осадков, но с ними можно смириться ради материальной вы-
годы. Еще следует предусмотреть локальную очистку сливных вод перед подачей их
на аэротенки, и остается проблема весьма затратного обезвоживания сброженного
осадка, его транспортировки, размещения, а зачастую, и уплаты штрафов за размыв
складированных осадков ливнестоками, так что выгода получается минимальной.
Аэробность
Изучение структуры и ультраструктуры флокул активного ила показало, что в
зрелых флокулах происходит послойная дифференциация. На поверхности распола-
гаются аэробы (их около 15% от всей биомассы), в центре - анаэробы (их также
около 15%), а между поверхностью и центром располагаются микроаэрофилы -
около 70%.
В соответствии с традиционной концепцией технически обеспечивается жизне-
деятельность лишь аэробов, то есть 15% сообщества активного ила; жизнеобеспече-
ние остальных 85% «работников» не предусмотрено, так как, в соответствии со ста-
рой парадигмой, их не существует. Нагрузка на активный ил традиционно выража-
ется в граммах ВПК на 1 г беззольного вещества активного ила в единицу времени.
Таким образом, потребность в кислороде отождествляется вообще с потребностью
активного ила, для которого выведение образующихся многочисленных газообраз-
192
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
них метаболитов значительно актуальнее, чем поставка кислорода. Недостаточное
обеспечение массообмена бактерий, расположенных внутри флокул, приводит к то-
му, что выделяемые газы скапливаются внутри. Когда парциальное давление в них
достигает критической величины, происходит распад флокул на неоседающие фраг-
менты (дефлокуляция).
Сохранность целостности флокул - залог успешной переработки всех видов за-
грязнений, в том числе неподвергающихся окислению и разрушающихся только в
анаэробных центрах. Это достаточно обширный класс веществ, таких как водный гу-
мус, некоторые минералы и др. Часто анаэробы, микроаэрофилы и аэробы образуют
пищевую цепь, передавая по ней продукты своего метаболизма как источник пищи
для следующего звена. Кроме того, сохранившие целостность флокулы наиболее пол-
но и плотно оседают на дно вторичных отстойников, обусловливая небольшой объем
при большой массе и обеспечивая высокое качество очищенной воды.
Для обеспечения сохранности флокул мы применяем значительно более интен-
сивное перемешивание, чем предусмотрено традиционным регламентом. Количест-
во подаваемого воздуха мы регулируем не по растворенному кислороду, а по пока-
заниям биоэстимации (новый гидробиологический метод контроля, разработанный
нами для контроля процесса очистки сточных вод; он будет подробно описан в на-
шей следующей статье). Аэраторы мы располагаем таким образом, чтобы исклю-
чить застойные зоны, обычные в традиционных аэротенках.
Нагрузка; возраст активного ила
Обычно нагрузка на биологическую очистку рассчитывается по ВПК (СНиП,
1986; Яковлев, Воронов, 2002 и др.). Но основное количество загрязнений сточной
воды не подвергается деструкции в условиях инкубации ВПК. Какую часть загряз-
нений отображает ВПК, сказать трудно; можно предположить, что очень неболь-
шую. Показателем нагрузки может служить масса самого активного ила в стадии его
полной зрелости. Иногда эту стадию не совсем корректно называют стадией само-
окисления. Рекомендуемая по формулам СНиП концентрация активного ила - 2-
3 г/дм3 при возрасте ила около 1-5 суток. По нашим наблюдениям, концентрация
активного ила и его возраст должны быть значительно больше.
Избыточный ил
Проблему нагрузки обычно связывают с проблемой «избыточного» активного
ила, для удаления которого строятся специальные илоуплотнители и другие устрой-
ства. «Избыточный» активный ил, как и осадок, требует средств на его переработку,
транспортировку, размещение, оплату штрафов при размывании складируемых
шламов дождевыми и талыми водами. Бывает и вынужденное удаление части ак-
тивного ила из-за некорректной технологии или при плохой работе механической
очистки стоков, когда ил оказывался сильно загрязнен отбросами, песком и пр. В
нашей практике был случай, когда на ОС, куда поступали стоки солодового завода,
около 90% концентрации активного ила составляли чешуйки и обрезки корней про-
ростков пивоваренного ячменя.
Глава 7
193
Мы считаем, что понятие «избыточного» активного ила устарело. Масса актив-
ного ила нарастает только в том случае, если в обрабатываемой им воде остаются
еще питательные вещества, не переработанные за период аэрации; когда они исчер-
пываются, масса ила стабилизируется. Это явление часто наблюдалось нами на дей-
ствующих ОС. Концентрация зрелого активного ила может колебаться около неко-
торой максимальной величины, то несколько возрастая, то понижаясь вслед за из-
меняющейся неизвестной концентрацией загрязнений воды, по принципу обратной
связи. Эта максимальная, относительно постоянная масса активного ила становится
косвенным мерилом неизвестной нам нагрузки. Заранее рассчитать максимальный
массовый показатель активного ила невозможно; на каждой станции аэрации он ус-
танавливается в процессе ее эксплуатации. Это связано с тем, что истинная нагрузка
на активный ил в настоящее время не может быть определена (по БПК, и даже по
ХПК, определяется только ее часть). Мы работали с концентрацией активного ила
16-32 г/дм3 при возрасте ила 30--50 суток. На рис. 7.1 сплошной линией обозначен
график наращивания концентрации активного ила при интенсивной аэрации и мак-
симально возможном сохранении ила в системе, а пунктирной линией - график
снижения илового индекса по мере наращивания концентрации активного ила. Гра-
фик показывает, что первоначальную величину илового индекса, равную 281 с.м3/г,
за месяц удалось снизить до 18 см3/г. Эксперимент проводился в одном из поселков
Подмосковья на действующих ОС, типа КУ-600. На эти сооружения, помимо обыч-
ных поселковых стоков, периодически привозили и сливали ассенизационными ма-
шинами содержимое выгребных ям, поэтому активный ил был крайне перегружен. В
самом начале концентрация активного ила оставалась в пределах 2 г/дм3, несмотря
на то что его отбавку персонал прекратил (по регламенту она должна быть около
6 г/дм3). Весь прирост активного ила уходил за борт отстойника в виде взвешенных
веществ, так как существующая система рециркуляции активного ила была рассчи-
тана на значительно меньшую нагрузку и не обеспечивала в сложившихся условиях
его полноценный возврат в зону аэрации. Потребовался ряд мероприятий по усиле-
нию рециркуляции и сохранению ила от выноса. Как видно из графика, при дости-
жении концентрации активного ила 18 г/дм3, а это было на 9-й день от начала экспе-
римента, началось стремительное снижение илового индекса. На 15-й день мы сочли
возможным вернуться к обычному регламенту работы КУ-600, отключив дополни-
тельные временные устройства, которые мы вынуждены были смонтировать для
усиления рециркуляции активного ила. После чего иловой индекс снизился до нор-
мальной для данных ОС величины: 60 см3/г. С этого времени снижение илового ин-
декса стало менее заметным, но продолжалось вплоть до конца эксперимента. Мак-
симальная концентрация активного ила достигла 32 г/дм3, после чего установилась
на относительно постоянной величине, имея тенденцию к небольшому снижению.
Важно отметить, что при достижении максимальной массы активный ил приоб-
ретает дополнительные свойства:
- отсутствие прироста биомассы;
- поддержание минимальной величины илового индекса;
- невосприимчивость ко многим компонентам промышленных сточных вод;
- устойчивость по отношению к шоковым нагрузкам;
- отсутствие болезнетворных агентов.
194
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Сутки от начала эксперимента
Рис. 7.1. Графики изменения величины концентрации активного ила и илового индекса
по мере восстановления процесса очистки сточных вод;
величина илового индекса уменьшена в 10 раз для наглядности
Таблица 7.4
Изменение величины концентрации активного ила и илового индекса к рис. 7.1
Сутки от начала экспер. 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30
Концентр, акт. ила г/дм3 2 7 14 18 22 25 28 32 30 31 29
Иловой индекс см3/г 281 265 252 246 185 61 42 33 25 22 18
Здесь прослеживается аналогия с исследованиями так называемого эффекта кво-
рума, то есть достаточной плотности популяции. В 1988 году Дж. Шапиро писал,
что споры миксобактерий прорастают только при достаточно высокой их концен-
трации в среде. Изучением плотность-зависимых процессов в микробных популяци-
ях активно занимались В.И. Дуда с соавторами (1982). К числу описанных к на-
стоящему времени процессов, протекающих лишь при достаточно высокой плотно-
сти популяции, принадлежат следующие явления: агрегация, биолюминисценция,
коньюгация с переносом плазмид, синтез факторов вирулентности у растительных и
животных патогенов, образование антибиотиков, споруляция у актиномицетов, сти-
муляция роста многих микроорганизмов и др.
Глава 7
195
Согласно известному принципу нулевого максимума, любая экосистема движет-
ся по пути достижения максимальной биомассы при минимальном ее приросте
(Ю. Одум, 1986). Особенно четко это проявляется при очистке сточных вод со зре-
лым активным илом: наиболее экономичны и устойчивы системы с максимальной
массой деструкторов (с максимальной концентрацией активного ила) при отсутст-
вии ее прироста (Никитина, Кагарманов, 2003).
В природе сообщество микроорганизмов, очищающее воду, представляет собой
качественно и количественно саморегулирующуюся систему. Поскольку биологиче-
ская очистка представляет собой многократно ускоренное самоочищение, то все
свойства, присущие как отдельным микроорганизмам, так и всему природному со-
обществу, присущи и биотехническим системам. Мы должны учитывать их и обес-
печивать техническими средствами адекватное жизнеобеспечение микроорганиз-
мов-редуцентов, чрезвычайно интенсивно «работающих» в аэротенках.
Питьевая вода, используемая городом, представляет собой основу сточной. Если
питьевая вода берется из поверхностных источников водоснабжения, в которых в
наших широтах всегда много водного гумуса, то на биологических ОС мы обнару-
живаем серьезные нарушения процесса очистки сточных вод. Они вызываются пе-
регрузкой деструкторов по трудно окисляемым органическим веществам (водный
гумус не изменяет ВПК, поэтому не учитывается в традиционных схемах очистки), в
результате чего большинство СА, рассчитанных по ВПК, не обеспечивает заданного
качества очистки. В таких случаях для получения воды «рыбохозяйственного» каче-
ства необходимо применять не менее двух последовательных ступеней биологиче-
ской очистки. Одна ступень - как бы для очистки питьевой составляющей сточной
воды, а следующая за ней - для устранения тех загрязнений, которые попали в ис-
пользуемую воду благодаря жизнедеятельности города. Норму по нагрузке мы об-
наруживали очень редко в традиционно рассчитанных биологических ОС населен-
ных пунктов; обычно это были «недогруженные» по воде ОС, и при использовании
населением глубинной артезианской воды, в которой водный гумус отсутствует;
только это позволяло добиться высоких качественных показателей в одну ступень
очистки. Если используется подрусловая скважинная вода, то активный ил всегда
перегружен, так как подрусловая вода содержит почти такое же количество водного
гумуса, как и речная вода.
Стоит остановиться на экологической нецелесообразности чрезмерных требова-
ний к качеству очищенных сточных вод, сбрасываемых в наши сильно загрязненные
малые реки. СанПиН 2000 г. предъявляет практически невыполнимые требования,
что позволяет контролирующим службам взимать огромные штрафы. Нигде в мире
нет таких строгих нормативов сброса. Например, в питьевой воде допускается
1 мг/дм3 меди, а при сбросе сточных вод - 0,001 мг/дм3 меди. Особо отметим неце-
лесообразность требования повсеместно удалять из сбросных вод фосфор. Во-
первых, изъятие фосфора блокирует самоочищение загрязненной воды в малых ре-
ках, так как часто в них наблюдается явный дефицит фосфора (например, в р. Сход-
ня). Во-вторых, в реках не бывает пресловутого «цветения», так как цианобактерии,
вызывающие цветение, являются жителями малопроточных и стоячих водоемов; в-
третьих, на самих ОС очистка осложняется из-за применения гипертоксичных фло-
196
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
кулянтов, осаждающих фосфор на активном иле; в-четвертых, удаляется фосфор
только вместе с активным илом, а образование и изъятие из системы огромного ко-
личества активного ила сопряжено со строительством дополнительных сооружений
по его уплотнению, обезвоживанию и размещению. В-пятых, гниющий уплотнен-
ный ил, вместе с осажденным на нем фосфором, при размыве его с площадок ливне-
стоками все равно оказывается в водном объекте. В-шестых, сливные воды при реа-
гентном уплотнении и обезвоживании ила, попадая на аэротенки, производят нару-
шающее процесс очистки воздействие, аналогичное действию промстоков. В-
седьмых, изъятие фосфора из сточных вод значительно удорожает и без того доро-
гие ОС. В-восьмых, нам встречались ОС где биологическая очистка сточных вод
была невозможна без добавки фосфорных удобрений, например в г. Навои. И, нако-
нец, в-девятых, многие хозяева производств предпочитают сразу платить штрафы,
чем тратиться на строительство и эксплуатацию слишком дорогих, благодаря изъя-
тию фосфора, ОС, а потом платить за невыполнимые нормативы сброса. Получает-
ся, что чрезмерно строгие нормативы сброса крайне вредны для тех водных объек-
тов, которые эти нормативы призваны защищать. Мы считаем, изъятие фосфора из
сбросных вод - вопрос спорный и он должен решаться в каждом конкретном случае
отдельно, но не регламентироваться едиными нормативами.
По традиции считают, что при высоких значениях концентрации активного ила
отстойники будут им переполнены, и перекачка его в зону аэрации будет представ-
лять неразрешимую проблему. При этом забывают, что активный ил характеризует-
ся не только массовым показателем (концентрацией), но объемным (иловым индек-
сом). Иловой индекс - это объем в см3, который занимает 1 г активного ила по су-
хому веществу при отстаивании в течение 30 минут. В нашей практике этот показа-
тель изменялся в широких пределах (от 18 до 3337 см3/г). При достижении актив-
ным илом полной зрелости, когда концентрация его стабилизируется на самой
большой величине, какая только возможна на данной станции аэрации, иловой ин-
декс быстро снижается и далее колеблется в пределах 20-25 см3/г. Это обеспечивает
компактное размещение большой массы активного ила на дне отстойника и беспре-
пятственную его перекачку в зону аэрации. При этом обеспечивается высокое и ста-
бильное качество очищенной воды. Однако, по нашим наблюдениям, в период вре-
мени, приблизительно от 3-х до 15-ти дней от начала мероприятий по увеличению
концентрации активного ила, когда иловой индекс еще большой, а концентрация
ила уже большая, его перекачка действительно затруднена.
Обеззараживание
Зрелый активный ил отличается поразительной устойчивостью к стрессам и ток-
сикантам. Кроме того, он освобождает воду от всех видов патогенных агентов. Болез-
нетворные микроорганизмы не могут размножаться и выживать под воздействием же-
сткого пресса органотрофной флоры. Все зачатки болезнетворных микробов, а также
яйца гельминтов, онкосферы тенеид и пр., разрушаются и перерабатываются как
обычные загрязнения. Часть попавшей в аэротенк кишечной флоры, имея пластичный
обмен веществ, переходит на органотрофный образ жизни, образует типичные флоку-
лы активного ила, постепенно утрачивая культуральные свойства отображать свежее
Глава 7
197
фекальное загрязнение. Так решается проблема обеззараживания воды без примене-
ния реагентов, вредных для обслуживающего персонала, нарушающих экологическую
обстановку и блокирующих самоочищение в водоемах-приемниках обеззараженных
вод. Получившие довольно широкое распространение безреагентные способы обезза-
раживания, такие как облучение воды, хотя и не вызывают выраженной токсичности,
далеко не безвредны для персонала и природы. Контроль сбросных вод должен вес-
тись не по кишечной палочке, а по действительно болезнетворным агентам. Когда
речь идет о питьевой воде, важно по кишечной флоре установить, соприкасалась ли
данная вода с фекалиями. Здесь действительно важно определять ОКБ, ТКБ, КОЕ,
БОЕ. По отношению к хорошо очищенной сточной воде, которая заведомо соприкаса-
лась с фекалиями, все эти показатели теряют смысл.
Нитри-денитрификаторы
Часто предлагается технология нитри-денитрификации (СНиП, 1986; Эпов, Са-
вельева, 1995; Яковлев, Воронов, 2002). Этот принцип заимствован из наблюдений
над водоемами, где в одной части, насыщенной кислородом, происходит нитрифи-
кация, а в другой, лишенной кислорода - денитрификация, что способствует выве-
дению из воды различных форм газообразного азота. По нашим наблюдениям, в зре-
лом активном иле и нитрификация, и денитрификация происходят одновременно в
одних и тех же флокулах, но в разных их зонах. Нитрификация - на поверхности
флокул, а денитрификация - в анаэробных центрах зрелых флокул. Поэтому реше-
ние проблемы нитри-денитрификации мы видим в обеспечении формирования и со-
хранения целостности зрелых флокул и в отведении образующихся в глубоких слоях
газов за пределы флокул и далее в атмосферу. Для этого мы изначально предусмат-
риваем возможность менять интенсивность аэрации, вернее, пневмоперемешивания
иловой смеси в широких пределах. Удельный расход воздуха начинаем с высоких,
кажущихся традиционно мыслящим технологам слишком расточительными, значе-
ний, например 20 м3 воздуха на 1 м3 очищаемой воды. Но эти высокие значения, во-
первых, применяются только в период пуска и наладки либо в период нарушения
процесса очистки, во-вторых - перерасход электроэнергии окажется не таким боль-
шим, если учесть отсутствие расходов на устранение, переработку, размещение
осадков и избыточного ила. Затем, когда процесс очистки сточных вод по показани-
ям биоэстимации нормализуется, начинаем снижать количество подаваемого возду-
ха до оптимальных величин как с точки зрения жизнеобеспечения органотрофных
бактерий, так и с точки зрения экономии электроэнергии.
Таблица 7.5
Сравнение положений традиционной и новой концепций
№ Традиционные положения Предлагаемые положения
1 2 3
1 Первичное отстаивание облегчает биоочистку Это справедливо только при плохой работе песко- ловок и решеток. В норме первичное отстаивание вредно для биоочистки, как и всякий неаэрируемый блок на пути движения сточной жидкости
198
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Продолжение табл. 7.5
1 2 3
2 Проектирование и контроль био- очистки следует вести по БПК БПК в поступающем стоке отображает лишь часть загрязнений, перерабатываемых в аэротенках. Рас- считанные по БПК биологические ОС бывают не- обоснованно лимитированы и по объему, и по энер- гозатратам
3 В аэротенках протекают только аэробные процессы В аэротенках около 15% аэробных микроорганиз- мов, они и обеспечены технически по традицион- ным проектам. Остальные деструкторы - их около 85% - существуют в неблагоприятных условиях
4 Водный гумус, песчинки - био- энертны Эти загрязнения перерабатываются в аэротенках, вызывая неучитываемую традиционными методами дополнительную нагрузку
5 Для удаления из сточной воды азо- та нужны денитрификаторы без аэрации Денитрификация происходит в анаэробных центрах бактериальных флокул. Дополнительные неаэри- руемые секции для этого не нужны
6 Биоочищенную сточную воду все- гда следует обеззараживать Биологически очищенная вода, при отсутствии на- рушений процесса, стерильна по любому виду пато- логии, поэтому ее обеззараживание не требуется
7 Сообщество активного ила уни- кально, не имеет аналогов в при- роде, существенно различается даже на разных ОС или в разных городах На всех станциях аэрации в норме активный ил по существу тождественен. Различия - связаны с на- рушениями процесса очистки. В любых водных объектах гидросферы могут создаваться аналогич- ные условия с образованием типичных флокул ак- тивного ила
8 На каждой СА процесс очистки различается существенно, так как зависит от состава стоков, устрой- ства, оборудования, местонахож- дения и др. Все СА являются биологическими реакторами од- ного типа. Но регламент очистки различных стоков может различаться, так как они могут содержать вещества, нарушающие очистку. В норме процесс очистки сточных вод на всех СА по существу тож- дественен
9 В аэротенках непрерывно наращи- вается масса активного ила, часть ее следует удалять как избыточ- ную. Для чего требуются илоуп- лотнители, реагенты, фильтро- прессы, иловые карты и т.п. Концепция образования избыточного активного ила ошибочна; его образуется ровно столько, сколько необходимо для деструкции конкретного количест- ва поступающих на очистку загрязнений. Вся инду- стрия по переработке избыточного ила при оптими- зации процесса очистки является нужна
10 Существует строгий регламент на дозу ила в аэротенках: 1-3 г/л (стандарт РФ) или 3-6 г/л (евро- пейский стандарт), остальное - считать избыточным Концентрация (доза) активного ила в процессе экс- плуатации каждой конкретной СА нарастает до ве- личины, характерной для данного стока и режима эксплуатации. Критерий нормы - прекращение на- ращивания концентрации активного ила, при отсут- ствии его отбавки
Глава 7
199
Продолжение табл. 7.5
1 2 3
11 Активному илу присуще старение; наилучший активный ил - моло- дой, в возрасте нескольких дней Активный ил не стареет, он непрерывно самообнов- ляется в проточной системе при своевременном от- ведении метаболитов. Зрелый активный ил, с воз- растом 30-50 и более суток, чистит воду лучше, чем молодой
12 Размещение в аэротенках мате- риалов-носителей биопленки (раз- личные виды стационарных и пла- вающих пористых загрузок) улучшает процесс биоочистки Любые дополнительные элементы в аэротенке за- трудняют массообмен в активном иле и, следова- тельно, мешают нормальному ходу очистки сточ- ных вод. На носителях образуются микрозоны за- стаивания и загнивания активного ила с последую- щим сползанием и всплыванием
13 Ламинары в отстойниках способ- ствуют лучшему оседанию акт. ила Ламинары мешают сопряженному оседанию актив- ного ила, так как нарушают процесс формирования бланкита
14 Контроль процесса биологической очистки ведется по качественным показателям воды на входе и вы- ходе из системы и по отдельным параметрам, определяемым в аэ- ротенке Контроль процесса очистки сточных вод ведется по биоэстимации, дающей ответ на вопросы: нормально протекает процесс, или он нарушен, по какой причи- не нарушен, как долго продлится нарушение, каков прогноз качества, какие следует предпринять восста- новительные, или превентивные, мероприятия
15 Изменения процесса очистки про- исходят одновременно с измене- ниями качества воды; восстанови- тельные мероприятия принимают- ся после снижения качества очи- щенной воды Изменения процесса очистки опережают изменения его результата (качества) на несколько периодов аэрации. Биоэстимация информирует о всех изме- нениях процесса очистки. Снижение качества выхо- дящей воды можно предотвращать, вмешиваясь в процесс на стадии его формирования
16 При вспухании активного ила его следует обрабатывать реагентами, убивающими нитчатые организмы Вспухание активного ила - это его адаптивная реак- ция на перегрузку или неблагоприятные стоки. Сле- дует устранить нарушающие факторы, и нитчатые организмы постепенно самоустранятся
17 Высокое и стабильное качество воды, выходящей с ОС, возможно только при использовании доочи- стки Доочистка имеет больше недостатков, чем досто- инств. Гораздо эффективнее использование, когда это требуется, второй ступени биологической очи- стки
18 Удаление фосфора возможно только с использованием реаген- тов и выводом из системы боль- шого количества избыточного ак- тивного ила Применение реагентов и отбавка активного ила на- рушает процесс очистки. Удаление фосфора можно производить с использованием особым образом ор- ганизованной третичной очистки
19 Из очищенных сточных вод обяза- тельно следует удалять фосфор Многие малые реки - приемники сточных вод - страдают от недостатка фосфора в них. Не следует без обследования водного объекта требовать всегда удалять фосфор из сбрасываемых очищенных сточ- ных вод. Удаление фосфора необходимо скорее как исключение, а не как правило
200
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Доочистка
В соответствии со строительными нормами и правилами [СНиП, 1986] для обес-
печения высокого и стабильного качества выходящей с ОС воды рекомендуется ис-
пользовать фильтры доочистки. Многолетний опыт наблюдений за работой фильт-
ров доочистки привел нас к выводу, что они имеют больше недостатков, чем досто-
инств. При хорошей работе сооружений биологической очистки структура флокул
не нарушена, они способны объединяться с помощью ворсинок и образовывать вре-
менную структуру - бланкит, увлекающий все взвеси на дно отстойника. В этом
случае и работа фильтров доочистки не нарушается, так как на поверхности фильт-
рующей загрузки бланкит образует как бы волокнистый фильтр на фильтре, задер-
живающий все взвеси и не дающий им загрязнять глубокие слои загрузки фильтра.
В нашей практике на протяжении нескольких месяцев биологическая очистка была
настолько хорошей, флокулы настолько совершенны, что бланкит на поверхности
фильтрующей загрузки позволял многократно увеличивать фильтроцикл (т.е. суще-
ствнно сократить число промывок). Но встает вопрос: нужны ли фильтры доочист-
ки, если биологическая очистка и сама способна обеспечить такое качество?
Любые, даже небольшие, нарушения биологической очистки неизбежно вызы-
вают осложнения доочистки. При патологических изменениях флокулы активного
ила во время нарушения процесса биоочистки выносятся из вторичных отстойников,
утрачивают способность задерживаться на поверхности фильтрующей загрузки, за-
грязняют глубокие ее слои, сокращают фильтроцикл и ухудшают качество фильтра-
та. И наоборот, сбои в доочистке нарушают работу биологической очистки. Так,
промывные воды с фильтров, несмотря на систему регулирования, вызывают гид-
равлические толчки, резко увеличивая вынос активного ила из вторичных отстойни-
ков, и так без конца, как в «заколдованном круге». Кроме того, промывная вода, по-
ступающая в голову ОС и представляющая собой пульпу из воды, песка и ила, ос-
ложняет работу механизмов, обеспечивающих механическую и биологическую очи-
стку воды, и приводит к повышенному износу оборудования и трубопроводов. Спе-
циальное исследование показало, что стремительное разрушение дорогостоящей за-
грузки фильтров доочистки - процесс закономерный, обусловленный биодеградаци-
ей зерен загрузки, усиливаемой всем технологическим режимом работы фильтров и
наличием внутри флокул, принесенных очищенной водой, бацилл-литотрофов [Ни-
китина, 1994]. Значительно эффективнее и экономичнее, чем с использованием до-
очистки, высокое и стабильное качество воды на выходе с ОС достигается благодаря
использованию последовательных ступеней биоочистки с отдельной рециркуляцией
активного ила.
7.3. Новый принцип разработки регламента очистки
сточных вод
Все расчеты при проектировании новых очистных сооружений мы
корректируем в зависимости от лабораторных экспериментов с
конкретной сточной жидкостью или с максимально приближенным к ней аналогом.
Глава 7
201
Сначала берется активный ил из любых ближайших ОС, он регенерируется в ла-
бораторных аэротенках. Время регенерации устанавливается по биоэстимации; ино-
гда регенерация занимает несколько недель, пока биоэстимация отобразит полное
благополучие жизнедеятельности основных редуцентов. Затем в контрольный аэро-
тенк помещается сточная вода известного состава, в смеси с регенерированным ак-
тивным илом, а в опытный аэротенк - испытуемая сточная вода (с аналогичного
предприятия), и смешивается с активным илом в таких же пропорциях. Регулярно
проводится биоэстимация, а пробы воды над илом после 2-х часов отстаивания
(аналог очищенной воды) отбирается для определения качественных показателей.
Полученные результаты позволяют разработать параметры будущего очистного со-
ружения, его оснащение и особенности эксплуатации. Кривая снижения загрязнений
в конкретной испытуемой сточной жидкости позволяет принять решение, сколько
ступеней биоочистки потребуется в конкретном случае: одна, две или три. Сравне-
ние с контрольным аэротенком помогает предусмотреть длительность и трудности
пусконаладочного периода.
Реконструкция действующих очистных сооружений облегчается тем, что имеет-
ся конкретная сточная жидкость. Подчеркнем только, что здесь особенно важно ис-
пытывать представительную пробу, то есть ее отбору в течение суток следует уде-
лить особое внимание.
Бывают случаи, когда на идентичных предприятиях пищевой промышленности
получаются стоки, различающиеся весьма существенно, особенно относительно
токсичности. Стоки некоторых предприятий могут быть настолько токсичными, что
биологическая очистка таких стоков становится невозможной. Причиной этому час-
то бывает обработка оборудования новыми, в основном импортными, моющими
и/или дезинфицирующими средствами, применяемыми в соответствии с регламен-
том основного производства (заметим, что все эти средства, как правило, прошли
экологический контроль и имеют соответствующие экологические сертификаты).
Нами установлено, что биологическая очистка справляется только с такими стока-
ми, которые относятся к категориям нетоксичных или малотоксичных. Поэтому не-
известные стоки, которые предстоит очищать, следует проверять на токсичность.
Мы консультировали представителей фирмы, которая построила сооружения, то-
ждественные успешно работающим на подобном предприятии, но пуск их в работу
оказался невозможным. Микроскопирование показало, что в аэротенках этих очист-
ных сооружений обычный активный ил отсутствовал, а разрастались только водные
грибы (показатели токсичного стока), споры которых даже образовали флокулы. Этот
случай описан в гл. 2. (рис. 2.2 и 2.3). Когда по нашему совету на основном производ-
стве отказались от патентованных обеззараживающих средств и перешли на обыч-
ные- перегретый пар и каустическую соду, то постепенно токсичность промстока
была снята. Постепенно стал разрастаться обычный активный ил, биоэстимация вы-
явила и другие нарушения процесса очистки сточных вод: перегрузку активного ила и
недостаточную микротурбулентность. Процесс очистки был откорректирован по по-
казаниям биоэстимации, и ОС стали работать на полную мощность.
Иногда заказчику трудно понять, почему мы предлагаем большие емкости (аэро-
тенки, отстойники) и устанавливаем более мощные насосы и газодувки, чем другие
202
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
исполнители. Но эти вопросы снимаются после расчетов затрат, которые потребова-
лись бы для решения всех проблем, связанных с сырым осадком и избыточным илом,
от которых заказчик избавляется благодаря нашему, более мощному Биоблоку.
7.4. Технологические схемы очистных устройств
типа «Биоблок»
В настоящее время наметилась тенденция децентрализовать очистку
стоков в больших городах. Поэтому ОС будущего должны иметь
минимальные размеры, быть экологически безопасными при размещении в город-
ской черте, а качество очищенных сточных вод позволять их использование на тех-
нические нужды в оборотной системе (Колесников, 2004). Предлагаемые нами уст-
ройства вполне соответствуют этой тенденции, причем не только потому, что более
компактно размещаются, но и из-за их безотходное™ и возможности использовать
очищенную на них воду для различных нужд: мытья машин, улиц, полива зеленых
насаждений, рыборазведения и др.
В отличие от традиционных ОС в Биоблоках для очистки бытовых стоков ис-
пользуются только аэротэнки и вторичные отстойники, а первичные отстойники,
илоуплотнители и все устройства по выделению, уплотнению, обезвоживанию, раз-
мещению осадка и избыточного ила и система доочитски отсутствуют. Разумеется,
очистку, как обычно, предваряет песколовка, а также решетка для отлова отбросов.
Использование Биоблоков в каскаде устройств локальных ОС, в которых имеет ме-
сто сложная водоподготовка в соответствии с особенностями конкретного промсто-
ка, не меняет основных свойств самого Биоблока.
Конструктивные особенности Биоблоков:
- система подачи, распределения воздуха и аэраторов, позволяющая исключить
застой иловой смеси по всему пути следования, обеспечить максимальный
контакт ила и очищаемой воды и отведение образуемых активным илом газо-
образных метаболитов;
- особая форма приямка отстойников, уменьшающая застаивание ила;
- зона отстаивания иловой смеси во вторичном отстойнике дополнена устрой-
ством, включаемым через реле времени периодически и обеспечивающим
полную и своевременную выгрузку осевшего ила;
- активный ил поддерживается в фазе полной зрелости без прироста биомассы;
- количество воздуха, подаваемого на 1 м3 воды, составляет от 30 м3 и может
быть уменьшено по показаниям биоэстимации до оптимального, но более вы-
сокого, чем традиционно рекомендованного количества;
- предусматривается рециркуляция активного ила, регулируемая от 200% по
отношению к объему поступающей воды, и уменьшается по показаниям био-
эстимации; резерв по рециркуляции является гибким технологическим инст-
рументом коррекции процесса очистки сточных вод.
Глава 7
203
Особенности Биоблоков:
- при расчете биоблоков требуется коррекция в зависимости от результатов лабо-
раторных экспериментов с конкретной или с аналогичной сточной жидкостью;
- для обеспечения заданного качества очистки и работы без сырого осадка, без
избыточного активного ила и связанных с ними проблем, как правило, требу-
ются больший объем сооружений, более интенсивная аэрация и более мощная
рециркуляция активного ила, чем при расчете лишь по СНиП.
Типы Биоблоков
В зависимости от назначения, нами приняты три основных типа технологиче-
ских схем биологической очистки стоков:
- одноступенчатая в Биоблоках-1;
- двухступенчатая в Биоблоках-П;
- трехступенчатая в Биоблоках-Ш;
Ниже приводятся примеры этих типов Биоблоков в виде принципиальных схем.
Размеры этих устройств устанавливаются в зависимости от количества обрабаты-
ваемых стоков и тех параметров, которые рассчитываются после проведения лабо-
раторных испытаний конкретных стоков.
Биоблок-1-К - одноступенчатый блок для коттеджей - (рис. 7.2), работает сле-
дующим образом: сточная вода из канализационной трубы, пройдя маленькую гори-
зонтальную песколовку с встроенной решеткой (удаление песка и отбросов - 1 раз в
сутки вручную), самотеком поступает в аэротенк, а затем в отстойник. Осевший на
днище активный ил непрерывно перекачивается эрлифтом в аэротенк. На время от-
сутствия притока в отстойнике включается пневмоворошитель. Очищенная вода от-
водится самотеком в дренажный колодец.
Рис. 7.2. Схема Биоблока-1-К - одноступенчатой очистки для коттеджей.
1. Песколовка. 2 Решетка. 3. Аэротенк. 4. Отстойник. 5. Аэратор, 6. Эрлифт. 7. Пневмоворо-
шитель. 8. Экран. 9. Лоток возвратного ила
204
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Биоблок-П-МТ - двухступенчатый Биоблок для мобильного туалета работает
следующим образом. Сточная вода из унитазов и умывальников собирается в резер-
вуар первого подъема, откуда насосом непрерывно подается в камеру гашения на-
пора, далее в песколовку с встроенной решеткой, затем в аэротенк первой ступени
биоочистки, в отстойник первой ступени, из него - в аэротенк второй ступени и в
отстойник второй ступени биоочистки. Из отстойника второй ступени очищенная
вода поступает в резервуар второго подъема, откуда насосом нагнетается в верхнюю
емкость и распределяется по сливным бачкам. Избыток воды самотеком поступает в
резервуар первого подъема сточной жидкости. Для умывальника используется бак с
питьевой водой, который периодически пополняется. В каждой ступени биоочистки
рециркуляция активного ила раздельная.
Избыточного ила и осадка не образуется, то есть биологическая очистка сточной
воды безотходна. В каждой ступени биоочистки рециркуляция активного ила раз-
дельная. Это устройство, как и другие Биоблоки, не имеет неприятных запахов, так
как процесс аэробен на всех стадиях.
Рассматриваемый вид безотходного биотуалета может компактно размещаться на
шасси грузовика и оперативно доставляться в места временного массового скопления
людей, например во время праздничных гуляний, шествий, митингов, а также может
использоваться МЧС в точках стихийных и других бедствий, в лагерях беженцев.
Двухступенчатый Биоблок можно использовать для мотелей, пансионатов, посел-
ков, дачных кооперативов и др. Сточная вода поступает по канализационной трубе в
песколовку с решеткой и проходит две ступени биоочистки. После второй ступени
воду можно подавать в оборотную систему, например для мойки машин, дорог, поли-
ва зеленых насаждений или сбрасывать в дренажный колодец и далее в биопруд.
Двух-трех ступенчатые Биоблоки могут использоваться для предприятий мясной
и молочной промышленности, но требуют специальной водоподготовки для улавли-
вания творога и вспенившегося ила и его сбора, так как наличие в воде белка крови
вызывает сильное вспенивание иловой массы. Если требуется очистить концентриро-
ванные стоки до норм сброса в городскую канализацию - двухступенчатый блок-
наилучший вариант в таких случаях. Но вода с таких сооружений не может сбрасы-
ваться непосредственно в водоемы; требуется ее третичная очистка в биоканалах.
Если двух-трехступенчатый Биоблок дополнить биоканалом особой конструк-
ции для улавливания биогенных элементов и ионов металлов, а затем любым патен-
тованным устройством, применяемым для очистки водопроводной воды, то можно
из сточной или арычной получить питьевую воду в местах резкого дефицита чистой
воды. В обычной питьевой воде присутствует органическое вещество, в частности в
виде водного гумуса, а две ступени биоочистки все органические вещества перера-
батывают до углекислоты и воды, поэтому значительно меньше засоряются кар-
триджи патентованных устройств. Такой Биоблок, как и безотходный биотуалет,
может устанавливаться на шасси грузовика и оперативно доставляться туда, где есть
электричество, но нет необходимого количества чистой воды. Такие установки по-
лезны при водоснабжении войск в «горячих точках», а также в лагерях беженцев,
других местах временного скопления людей.
Глава 7
205
Рис. 7.3. Схема Биоблока II.
1. Песколовка с решеткой. Аэротенк-I с аэратором. 3. Отстойник-1 с эрлифтом, пневмоворо-
шителем и экраном. 4. Ааэротенк-П с аэратором. 5. Отстойник- II с эрлифтом, пневмоворо-
шителем и экраном. 6. Биоканал. 7. Биопруд
Рис. 7.4. План-схема Биоблока-П-Т -двухступенчатой очистки для передвижных туалетов.
1. Камера гашения напора. 2. Песколовка. 3. Решетка. 4. Аэротенк с аэратором (1-я ступень
очистки). 5. Отстойник с эрлифтом, пневмоворошителем и экраном (1-я ступень очистки). 6.
Аэротенк с аэратором (2-я ступень очистки). 7. Отстойник с эрлифтом, пневмоворошителем
и экраном (2-я ступень очистки)
В эксперименте нам удавалось в три ступени очищать концентрированную
сточную воду кожевенного завода, признанную экспертами не подлежащей биоло-
гической очистке. На выходе вода по основным качественным показателям соответ-
ствовала нормам для санитарного-бытового водоема, но не для рыбохозяйственного
и имела существенное превышение ПДК по хрому. Сложные по составу стоки, даже
если они хорошо биологически очищены, часто имеют превышения по ионам ме-
таллов. Поэтому такие сооружения мы дополняем устройствами по улавливанию
соответствующих ионов со сменными картриджами. В качестве технической вода
после третьей ступени может использоваться и без биоканала, причем, имея нуле-
206
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
вую карбонатную жесткость, она для некоторых производств предпочтительнее во-
допроводной воды.
Размещаться Биоблоки могут в подвальных помещениях ( рис. 7.5), однако тре-
буется вентиляция и, что очень важно для устранения парообразования, температура
воздуха должна быть выше температуры воды хотя бы на 3° С; на открытом воздухе
без отепления, если пансионат работает только в летнее время (рис. 7.6), в контей-
нерах (рис. 7.7), либо в хорошо утепленных наземных сооружениях (рис. 7.8). По-
следние особенно удобны и они используются чаще всего. Биоблоки обязательно
должны быть открытыми, так как процесс очистки сточных вод в них протекает зна-
чительно интенсивнее, чем в бычных станциях аэрации.
Рис. 7.5. Биоблок двухступенчатой очистки для мотеля установлен на 408 км магистрали
Москва - Минск. Он размещен в подвальном помещении. При круглогодичном использова-
нии в наших широтах подвал обеспечивает положительную температуру зимой даже при
минимальном или прерывистом притоке сточной воды
Итак, различные модификации Биоблоков позволяют обеспечить экономичную
и экологически безопасную очистку сточных вод до тех нормативов качества, кото-
рые необходимы заказчику, например, для сброса в городскую канализацию; для
технических нужд; для сброса в водный объект санитарно-бытового либо рыбохо-
зяйственного назначения, в крайнем случае даже до качества питьевой воды.
Конфигурация Биоблока может быть адаптирована к имеющимся у заказчика
помещениям (прямоугольная, округлая, вытянутая в длину или в высоту). Иногда
часть каналов размещается над путепроводами или огибает имеющиеся строения.
Сами устройства могут располагаться на поверхности земли в виде утепленных мо-
дулей или в заглубленных помещениях, в имеющихся подвалах. Биоблоки могут со-
оружаться из пластика, металла или железобетона. Проводится дальнейшее совер-
шенствование Биоблоков с целью сокращения сроков строительства и уменьшения
их стоимости.
Глава 7
207
Рис. 7.6. Биоблоке-П - двухступенчатой очистки для пансионата, расположенного на остров-
ке Вазузского водохранилища. Сооружения расположены на поверхности земли и не отепле-
ны. На зиму их следует опорожнять, что и делает этот заказчик
Рис. 7.7. Биоблок-П-М для Мясокомбината в поселке Самойлово, Гагаринского района, рас-
считанный на 10 м3/сут. В аналогичных контейнерах могут быть смонтированы и мобиль-
ные Биоблоки
208
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Рис. 7.8. Биоблок-П-М для маслозавода в г. Константиново. Биоблок с боков отеплен, но
сверху открыт, массообмен деструкторам максимально обеспечен, но замерзания в любой
мороз не происходит, так как процесс экзотермический и воздух при нагнетании нагревается
Эксплуатация Биоблоков, как и других типов сооружений биологической очист-
ки сточных вод, связана с рядом помех: с изменением состава поступающих стоков,
с отказом различных единиц оборудования и перебоями в энергоснабжении. Все
помехи, даже кратковременные, прерывистые, происходящие в ночное время, ока-
зывают воздействия на процесс очистки и могут быть обнаружены с помощью био-
эстимации, даже в отсутствие информации традиционного контроля.
Биоэстимация включает в себя и контроль процесса очистки, и его регулирова-
ние. Однако использование биоэстимации зачастую ограничивается контролем, так
как регулирование блокируется запретами вышестоящего начальства, требующего
строгого соблюдения некогда установленного регламента, даже в ущерб качеству
очистки. Но все чаще встречаются случаи и успешного регулирования работы стан-
ции аэрации по показаниям биоэстимации. Так, на очистных сооружениях г. Моги-
лева, куда подаются промышленные стоки от предприятий нефтеперерабатывающе-
го завода и завода по производству искусственного волокна с примесью бытовых
вод, раньше каждую неделю приходилось делать «перезапуск» - весь почерневший
ил с отталкивающим запахом выпускать по уклону местности и завозить из соседне-
го города новый активный ил. После того как технолог и гидробиолог этих очист-
ных сооружений прошли у нас курс обучения и внедрили биоэстимацию для кон-
трол т и регулирования, данные очистные сооружения были признаны лучшими в
республике Беларусь (приложение 4).
Глава 7
209
7.5. Принцип безотходной очистки стоков животноводческих
хозяйств; актил-технология
К нам обратилась за консультацией группа специалистов, связанная
с утилизацией отходов животноводства в Белгородской области.
Правительством страны поставлена задача увеличить производство мяса и молока, а
все возрастающие отходы блокируют выполнение этой задачи: размещать их в ре-
гионе больше негде. Общеизвестно, что отходы животноводческих хозяйств в виде
навозной жижи чрезвычайно загрязнены (взвешенные вещества и БПК5 могут пре-
вышать десятки г/л, аммиак - сотни мг/л). Не исключено присутствие патогенных
агентов. Навозная жижа, в отличие от навоза, не подлежит компостированию и не
может использоваться в качестве удобрения.
Не только навозная жижа требует безотлагательной переработки. Подобие навоз-
ной представляет собой жижа, выкачиваемая из широко разрекламированных и рас-
пространенных септиков. Если раньше вокруг Москвы был один пояс - зеленый: дач-
ные товарищества, коттеджные комплексы, то теперь все расширяется еще и «черный
пояс», состоящий из зловонной черной жижи, бесконтрольно сливаемой по лесам. Не-
давно мои знакомые пошли в лес за грибами и чуть не погибли, провалившись в по-
добное рукотворное болото. Мы считаем давно назревшей проблемой создание круп-
ных очистных сооружений по переработке непрерывно возрастающих жидких отхо-
дов, выкачиваемых из септиков. Заказчики могут заключать договор напрямую с соб-
ственниками таких ОС на регулярную откачку и переработку содержимого септиков.
Мы просмотрели множество дешевых и эффективных предложений по перера-
ботке навозной жижи в удобрение. Часть авторов предлагает навозную жижу высу-
шивать, часть - вносить в жижу различные специально подобранные эффективные
микроорганизмы. Особенно настораживают технологии, предлагающие на первом
этапе химическое обеззараживание навозной жижи, то есть уничтожение в ней мик-
роорганизмов и таким образом блокирование биологической очистки. Внесение за-
тем любых активных микробов неэффективно, так как химические вещества унич-
тожат и их. Нужен иной подход. Мы считаем, что навозную жижу непосредственно
перерабатывать нецелесообразно, ее следует разделить на сточную воду и пульпу, а
затем каждую фракцию очищать отдельно. Была разработана принципиальная схема
безотходной переработки навозной жижи (рис. 7.9) на основе комплексной техноло-
гии с использованием активного ила, который образуется на последней ступени на-
шего Биоблока. Этот активный ил состоит из эллипсоидных флокул, в нем активны
и аэробы, и микроаэрофилы, и анаэробы, а его жизнеобеспечение оптимизировано
по биоэстимации. Чтобы его не путать с обычным активным илом, мы его решили
именовать Актил, а эту безотходную технологию мы назвали «АКТИЛ-технология».
Термин «Актил» был предложен Н.Г. Захаровым в 1938 году для того, чтобы уйти
от термина из двух слов - «активный ил», затем предложенный Н.Г. Захаровым
удачный термин был незаслуженно забыт. Теперь, используя этот термин, мы при-
даем ему несколько отличное значение: это действительно активный ил, но много-
кратно более эффективный, чем получаемый по традиционной технологии.
210
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Рис. 7.9. Схема комплекса очистки и утилизации стоков животноводческого хозяйства
с использованием АКТИЛ-технологии
Обратимся к рис. 7.9. Сначала навозная жижа собирается в Резервуаре (I). От-
туда забирается для сепарирования в сепараторе 1 (II), где разделяется на сточную
воду 1 и загущенную фракцию (пульпу 1), которая направляется в смеситель (III), и
после некоторых добавок становится пригодной для термофильного сбраживания в
метантенке - биогазовом ферментере (IV), при нем - газовое хозяйство, а возмож-
но, и перевод газа в электроэнергию. Хорошие ферментеры следует искать не на за-
паде, а на востоке. В частности, в Китае, где даже отдельная семья может организо-
вать для себя цивилизованный быт с освещением, отоплением и горячим водоснаб-
жением, используя собственные отходы. В Китае эксплуатируется более 5 млн. се-
мейных биогазовых ферментеров; имеется 600 больших и средних биогазовых стан-
ций, которые используют органические отходы от животноводства, винных заводов;
действует 24 тысячи биогазовых ферментеров для обработки сырого осадка город-
ских ОС. Там имеется огромный опыт оптимизации этого процесса и по эффектив-
ности, и по цене, и можно подобрать ферментер для каждого конкретного случая.
При термофильном сбраживании уничтожаются все болезнетворные агенты, а
органотрофные микроорганизмы, способные продолжать очистку, остаются в ак-
тивном состоянии.
Сброженную пульпу следует подвергнуть вторичному сепарированию в сепара-
торе 2 (V), в результате чего получится два продукта: сточная вода 2, которая при-
соединяется к сточной воде 1, и пульпа 2, которая присоединяется в смесителе к
пульпе 1 и направляется в биогазовый ферментер. В результате работы первого и
второго сепараторов получается довольно много высококонцентрированной сточной
воды, которая вместе со стоками из административных и бытовых помещений, дре-
нажными, а также ливневыми водами с территории комплекса направляется в сбор-
ный резервуар (VI) перед песколовками и обязательно должна пройти песколовки
(VI). Песковая смесь из песколовок, а это далеко не только песок, а и другие тяже-
Глава 7
211
лые фракции, с помощью гидроэлеватора направляется на песковые площадки
(VII), снабженные дренажем, где песковая смесь подсыхает и может вывозиться на
свалку вместе с другими твердыми отходами (ТБО) в контейнерах.
В случае образования избыточного количества пульпы 2, ее можно направлять
на буртование, пересыпая мелким известняковым щебнем для раскисления. В бур-
тах (XII) можно заниматься вермикультурой и одновременно получать высокоуро-
жайный питательный грунт, формуя его в горшочки для рассады в формовочной.
Все перечисленные выше сооружения, устройства, оборудование и коммуника-
ции могут выполняться в соответствии со СНиП или общепринятыми ТУ. Их стои-
мость будет определена теми специалистами, которые будут приглашены заказчи-
ком для их строительства и наладки. Но биологическая очистка основного по объе-
му продукта - сточной воды, да еще до уровня качества оборотной воды, требует
нетрадиционного подхода, особенно если эта биоочистка должна быть безотходной.
Мы предлагаем всю сточную воду после песколовок направлять на Биоблок
(IX) - новый вариант очистки стоков с активным илом, разработанный нами на ос-
нове многолетнего опыта контроля, наладки традиционных биологических очист-
ных сооружений с учетом их достоинства и недостатков (Никитина, Кагарманов,
2003). Как было сказано выше, биологический процесс в Биоблоке ускорен много-
кратно, по сравнению с таковым на традиционных станциях аэрации. Мы создаем
особо благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов активного
ила, поэтому он и по цвету, и по форме флокул (под микроскопом), существенно от-
личается от традиционного активного ила. Очистка идет в несколько ступеней. Чис-
ло ступеней, объем сооружений, регламент очистки устанавливаются в результате
лабораторных экспериментов с конкретной сточной водой и не могут быть рассчи-
таны по формулам СНиП. Кроме того, пуск, наладка и корректировка работы Био-
блока проводятся с использованием биоэстимации, позволяющей оценить и отрегу-
лировать процесс очистки сточных вод на каждой ступени. Особое внимание при
контроле работы Биоблока уделяется образованию зрелых флокул и сохранению их
целостности как залогу успешной переработки всех видов загрязнений, в том числе
неокисляемых и перерабатываемых только в анаэробных центрах, а это достаточно
обширный класс веществ, загрязняющих сточную воду.
В Биоблоке после последней ступени очистки и вода, и активный ил лишены
всех видов болезнетворных агентом и не требуют обеззараживания. Однако ввиду
предписаний санитарных служб, требующих уничтожения не только болезнетвор-
ных, но и безобидных кишечных палочек, можно на выходе из Биоблока в резер-
вуаре очищенной воды (X) установить дозатор и обрабатывать оборотную воду
хлорамином. Хотя кишечные палочки живут в аэротенке как сапрофиты, образуют
типичные флокулы, имея пластичный обмен веществ и включаясь в очистку сточ-
ных вод. Из резервуара очищенной (оборотной) вода перекачивается для нужд ос-
новного производства, полива зеленых насаждений, мытья территории, машин и др.
Некоторое количество избыточной технической воды направляется в биопруд (XI),
который можно в дальнейшем использовать и как рыбоводческий. Условия в био-
пруде можно отрегулировать в нужном для заказчика направлении также с помо-
щью биоэстимации, как и условия в буртах: биоэстимация подскажет, когда требу-
212
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
ется пескование, когда рыхление, когда дренирование, а когда - добавка активных
микроорганизмов.
Обычно на станциях аэрации большую проблему представляет утилизация
большого количества избыточного активного ила. На Биоблоке мы минимизируем
прирост активного ила так, что остается только небольшое его количество, исполь-
зуемое как высокоэффективная микробная добавка (Актила) для различных целей.
Например, орошение подстилки животным для устранения неприятных запахов, для
этой же цели добавка в резервуар навозной жижи, для ускорения сбраживания в
ферментере, для более успешного сепарирования. Если на данном предприятии про-
изводится компостирование навоза или силосование кормов, то оба эти процесса
значительно ускоряются добавкой Актила из последней ступени Биоблока.
Стоимость Биоблока, как явствует из нашего опыта, вместе с экспериментами,
проектированием, строительством, пуском и наладкой не превышает стоимости тра-
диционных сооружений той же производительности, а зачастую и дешевле, так как
отсутствуют сооружения по переработке «избыточного» активного ила. В Биоблок
требуется круглосуточная подача газодувками воздуха из расчета 20 м3/м3 воды, но
расход электроэнергии на работу газодувок покажется незначительным, если учесть,
что очищенная вода становится оборотной (технической), а вместо отходов получа-
ется высокоэффективная микробная добавка для ускорения различных биологиче-
ских процессов, причем только в необходимом количестве, не более.
Таким образом, Актил-технология - это прежде всего очистка концентрирован-
ных стоков до уровня оборотной воды, а также получение особо эффективного ак-
тивного ила и его использование в качестве добавки для интенсификации различных
биологических процессов.
Смеем надеяться, что нетрадиционная концепция очистки сточных вод и разра-
ботанные на ее основе безотходные Биоблоки могут стать реальным вкладом в бла-
гополучие гидросферы Земли.
Глава 8
О НЕОБХОДИМОСТИ ПРЕПОДАВАНИЯ В ВУЗАХ
НОВОГО СПЕЦКУРСА «БИОТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ
СТОЧНЫХ ВОД»
Подготовка принципиально нового специалиста биолога-биотехно-
лога для биологических очистных сооружений - давно назревшая
проблема. По всей стране работают различные сооружения и устройства биологиче-
ской очистки сточных вод, ежегодно разрабатываются и вводятся в эксплуатацию
тысячи новых. Острая нехватка специалистов, которые бы могли своевременно про-
анализировать процесс биоочистки, приводит к тому, что повсеместно наблюдаются
серьезные хронические нарушения процесса и невозможность выполнения установ-
ленных качественных показателей на выходе с очистных сооружений. Однако ни
один вуз страны таких специалистов не готовит.
8.1. Недостатки современного преподавания по теме:
«Биологическая очистка сточных вод»
Подготовка специалиста, занимающегося биологической очисткой
сточных вод, в настоящее время зависит от уровня знаний, полу-
ченных в техническом вузе, где биология либо совсем не преподается, либо препо-
дается в виде краткого курса под названием: «Химия и микробиология воды». При
этом ни химии, ни микробиологии специалист не усваивает, оставаясь с убеждени-
ем, что достаточно знать техническую сторону проблемы. Не лучше обстоит дело,
если данной проблемой занимаются химики: они убеждены в том, что все биологи-
ческие процессы можно описать химическими формулами. Такие специалисты зани-
маются проектированием, эксплуатацией и контролем биологического процесса. Не
приходится удивляться, что все аспекты биологической очистки сточных вод оказа-
лись не проработанными, она погрязла в массе проблем и обрастает все новыми.
О том, что развитие биологической очистки пошло по тупиковому пути, говорит
существование бесчисленного множества различных, в основном только по форме,
методов очистки, при общем экологическом унынии инженеров, занимающихся
биологической очисткой на местах. Основная проблема заключается в традицион-
ном одностороннем, технико-химическом подходе к биологической очистке, а это в
равной степени технико-химическая и биологическая проблема. Но в настоящее
214
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
время почти все внимание сосредоточено на технико-химической составляющей. К
проектированию и управлению процессом биологической очистки сточных вод
(БОСВ) должны быть подключены специалисты с полноценным биологическим об-
разованием. При этом биотехнолог должен владеть основами знаний по химии и
технологии для возможности корректного общения со специалистами технического
и химического профиля, которых останется на очистных сооружениях большинство.
Главное - это осознание того, что БОСВ осуществляет сообщество живых организ-
мов и помнить об этом на всех стадиях: при проектировании, строительстве, экс-
плуатации и контроле.
На кафедре гидробиологии читается спецкурс по санитарной гидробиологии, в
котором упоминается и БОСВ. Но гидробиологи с таким образованием, столкнув-
шись с проблемами БОСВ на практике, оказываются беспомощными перед лавиной
проблем, которые их там ожидают.
Как дань тому, что биоочистка - не только техническая проблема, с самого начала
в штатном расписании всех крупных СА предусмотрен гидробиолог. Но его наблюде-
ния по традиции всерьез никто не принимает, да и сам гидробиолог не стремится ре-
шать какие-либо технологические проблемы, считая, что это - не его дело.
Показательно в этом плане становление как специалиста в области биоочистки ав-
тора этих строк. С первых дней работы на Зеленоградской станции аэрации (ЗСА) в
1967 году привлекло внимание то, что контролируется только качество воды на входе
в биологические очистные сооружения и на выходе из них, и несколько параметров
работы аэротенка; сам процесс очистки не контролируется, оставаясь «черным ящи-
ком». О нарушениях процесса судили по снижению качества очищенной воды, тогда
и начинали отыскивать причины нарушений. В то же время мероприятия, принимае-
мые после снижения качества воды, также малоэффективны, как и лечение болезни на
поздних стадиях. И в том и в другом случае внутри биологической системы происхо-
дят патологические изменения, которые, благодаря гомеостатическому механизму, не
сразу сказываются на качестве воды (состоянии здоровья). В клинической медицине
предпринимаются различные способы исследования, помогающие выявить болезнь до
ее явных проявлений. Для оценки же процесса биоочистки в аэротенки устанавлива-
лись датчики, характеризующие все то же качество воды.
Гидробиологический метод контроля, известный как метод сапробности (биоин-
дикация), которым пользовались в контроле активного ила, также был направлен на
контроль качества очищенной воды (степени ее загрязнения гниющей органикой).
Хотя попытки связать изменение гидробиологической картины активного ила и из-
менение технологии предпринимались, успеха это не принесло, так как гидробиоло-
ги были далеки от технологии, а технологи - от гидробиологии. Назрела необходи-
мость окинуть обе составляющие единым взором, но биотехнологов-очистников ни
один вуз страны не готовил и не готовит в настоящее время.
Автору этих строк, биологу по образованию, для того чтобы понять, что проис-
ходит с активным илом при различных режимах работы станции аэрации, одних
биологических знаний было явно недостаточно. Следовало в деталях изучить инже-
нерную и технологическую части работы очистных сооружений и прослушать неко-
торые курсы лекций в строительном институте. Только после этого удалось связать
Глава 8
215
различные воздействия на процесс биоочистки с изменениями в составе микроорга-
низмов активного ила и. спустя значительный промежуток времени, с изменением
качества очищенной воды. Накапливался фактический материал, который затем был
обобщен и проанализирован в процессе работы над кандидатской диссертацией под
руководством профессора биофака МГУ В.Н. Максимова. Разработка и совершенст-
вование нового метода контроля - биоэстимации - подробно описаны в гл. 5.
Рис. 8.1. Авторские занятия для слушателей курсов усовершенствования гидробиологов,
специализирующихся по контролю БОСВ
Рис. 8.2. Обучение биоэстимации слушателей курсов повышения квалификации
Если другие области знаний, связанные с водоотведением, могут основываться
только на технических дисциплинах, то биологическая очистка самим названием
взывает к необходимости серьезного биологического обоснования. К сожалению,
216
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
даже самые новые руководства не содержат необходимых сведений. Так, учебник
С.В. Яковлева и Ю.В. Воронова «Водоотведение и очистка сточных вод» (2002) пре-
красно освещает техническую сторону: системы водоотведения и состав сточных
вод, конструкции сетей, насосных станций, очистных сооружений механической
очистки воды, автоматизацию, но разделы, посвященные БОСВ, требуют коренного
пересмотра.
Другой учебник, анонсируемый как содержащий последние достижения миро-
вой науки - «Очистка сточных вод. Биологические и химические процессы» (2004).
Авторы - Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. - четыре профессора из
Дании, среди них - ни одного биолога, все из технического университета. Подроб-
нее о современных учебниках, основанных на традиционной концепции биологиче-
ской очистки сточных вод, требующей пересмотра - в гл. 7.
8.2. Пути подготовки биолога-биотехнолога очистки
сточных вод
Попытаемся наметить пути воспитания и обучения специалиста но-
вого типа - биолога-биотехнолога очистки сточных вод. Здесь
уместно подчеркнуть, что БОСВ - это многократно ускоренный процесс биотиче-
ского самоочищения воды в природных объектах, поэтому биолог-биотехнолог, ос-
воив проблемы, связанные с биоочисткой, легко переквалифицируется в специали-
ста по решению проблем, связанных с самоочищением, причем внесет при этом ве-
сомый вклад в дело сохранения водных ресурсов страны.
Для подготовки специалиста по контролю и регулированию биологической очи-
стки сточных вод нужен университет с классическим набором факультетов, напри-
мер МГУ им. М.В. Ломоносова. Студенту следует поступать на биологический фа-
культет, затем на кафедру общей экологии, так как все спецкурсы, читаемые на этой
кафедре, способствуют формированию личности высокого уровня экологической
культуры. Затем студенту следует прослушать часть спецкурсов на кафедрах гидро-
биологии, микробиологии, низших растений и зоологии беспозвоночных животных.
Из спецкурсов других факультетов МГУ можно рекомендовать биологию почв (фа-
культет почвоведения), общую и неорганическую, органическую, аналитическую
химию, гидрохимию (химический факультет), гидравлику, материаловедение, гид-
ротехнические сооружения и оборудование (физический факультет), инженерную
геологию (геологический факультет). По мере «обкатки» программы отдельные
спецкурсы и практикумы могут заменяться и дополняться. Кроме разработки и со-
вершенствования программы обучения, потребуется создание новых учебных руко-
водств, демонстрационных материалов, максимальная компьютеризация образова-
тельного процесса.
Особое внимание следует уделять непосредственной работе студента с актив-
ным илом на протяжении всех лет обучения. Для этого в одной из комнат биологи-
ческого факультета необходимо смонтировать действующую модель из прозрачного
материала, эмитирующую биологические очистные сооружения с различным набо-
ром подключающихся устройств и позволяющую наблюдать все этапы очистки во-
Глава 8
217
ды благодаря прозрачным стенкам. Сам студент должен иметь навык манипуляции
имеющимся оборудованием и навык изготовления его модификаций с помощью
инженерных служб факультета.
Более чем 40-летний опыт изучения процесса биоочистки обобщен нами в дан-
ной монографии и может использоваться студентами и слушателями курсов повы-
шения квалификации в качестве учебника; готовится также к изданию атлас показа-
тельных организмов активного ила.
В контексте рассматриваемой проблемы представляет интерес и сборник материа-
лов Всероссийской научной конференции «Современные аспекты экологии и эколо-
гического образования», которая проходила 19-23 сентября 2005 года в г. Казани,
особенно раздел «Экологическое образование и воспитание». Здесь мы увидели ис-
креннюю заинтересованность педагогов в улучшении этого направления образования,
а выстраданные ими на собственном опыте наработки перекликаются с нашими и до-
полняют их. Здесь приведем краткий обзор некоторых статей с акцентом на те аспек-
ты, которые мы хотели бы включить в план подготовки нового специалиста.
30 марта 1994 года принято Постановление совместной коллегии Минобразова-
ния и Минохраны окружающей среды и природных ресурсов «Об экологическом
образовании обучающихся в образовательных учреждениях Российской Федера-
ции». Современная экология в настоящее время приобрела интегральный характер,
она затрагивает все сферы экономической, социальной, духовной жизни человека и
общества в целом. Это обязывает поднять уровень экологического образования в
стране (Ибрагимова и др., 2005).
Мы считаем, что формирование новых, востребованных временем учебных про-
грамм и специалистов нового типа, а конкретно — биологов-биотехнологов, является
одним из аспектов этой задачи, то есть будет способствовать поднятию уровня эко-
логического образования.
Во время занятий на кафедре биохимии экологам следует акцентировать внима-
ние на ведущих биохимико-экологических идеях, таких как биохимическое единст-
во живой природы, биохимические основы питания, активаторы и ингибиторы фер-
ментов, биохимическая защита организмов (Лисун, 2005).
Н.М. Мингазова (2005) подчеркивает значимость курса гидробиологии в эколо-
гическом образовании студентов и акцентирует внимание, в частности, на таких на-
правлениеях:
- анализ мирового опыта ошибок водопользования и применения восстанови-
тельных мер;
- структурно-функциональная организация водных экосистем.
Отмечается, что сложности преподавания связаны с несовершенством учебного
плана и не устоявшейся терминологией. Предлагается студентам читать помимо
прочих такие курсы лекций:
- аквакультура и марикультура;
- биоинвазии и акклиматизация гидробионтов;
- восстановление водных систем и сообществ;
- гидрологический и гидрохимический режимы вод;
- гидрология и охрана подземных вод;
218
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
- информационное обеспечение и статистика в гидробиологии;
- ландшафтное планирование водных экосистем на урботерриториях;
- рекреация и водный туризм на водных объектах и др.
В заключение выражается надежда, что понимание необходимости гидроэколо-
гического образования в России, желание дать студентам-экологам полноценное
знание и осознание невозвратимой утраты облика многих водных объектов приведет
в перспективе к позитивным изменениям в учебном плане и в целом в экологиче-
ском образовании страны (Мингазова, 2005). Мы приводим большой фрагмент из
статьи именно потому, что Н.М. Мингазова озабочена совершенствованием образо-
вания наиболее близких к нашей проблеме экологов - водных. Несовершенство
терминологии, отмеченное в данной статье - отдельная проблема.
О подготовке инженеров-экологов в техническом вузе - Камском государствен-
ном политехническом институте - сообщает М.Н. Мифтахов с соавторами (Мифта-
хов и др., 2005). Подготовка специалистов ведется по специальности 320700 «Охра-
на окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов». Можно
предположить, что аналогичных специалистов готовят и другие технические вузы.
А хорошо ли, что технические вузы готовят экологов? Одно дело - знакомить инже-
неров с проблемами экологии, и совсем другое дело - называть их экологами. Ведь
такой дипломированный специалист решит, что можно вмешиваться в природу, не
советуясь с биологами. Становится страшно за природу. С природными объектами
может случиться (и, к сожалению, уже случается) то, что наблюдается в биологиче-
ской очистке сточных вод: повсеместно наблюдаются серьезные, непрекращающие-
ся проблемы. По чьему недосмотру технические и гуманитарные вузы стали гото-
вить экологов, забыв, что экология - это биологическая дисциплина? В частности,
автор этих строк одну из своих специальностей - эколог-менеджер - получил в гу-
манитарном вузе (в Московском государственном институте делового администри-
рования), правда, уже будучи кандидатом биологических наук.
Т.В. Новаковская предлагает дополнительно читать экологам такие разделы:
экологические факторы; учение о биосфере; экология человека, а также тем, кто
предполагает стать преподавателями - педагогические дисциплины и проходить
практику преподавания. При получении этой дополнительной квалификации следу-
ет особо обратить внимание на усвоение студентами и их будущими учениками сле-
дующих экологических идей: воздействие человека на природу сообразно с ее зако-
нами; многогранность ценности природы как источника не только материальных, но
и духовных сил общества; предвидение последствий при хозяйственной деятельно-
сти человека, умение видеть причинно-следсвенные связи; развитие потребности
общения с природой и др. (Новаковская, 2005).
Е.Ф. Марковская с соавторами подчеркивает необходимость использования в
образовательном процессе современных компьютерных технологий. Студент дол-
жен не только творчески относиться к практическим работам, но и уметь проанали-
зировать полученные данные и составить отчет, а также, используя программу Pover
Point, оформить презентацию (Марковская. 2005).
Поступая в вуз, студент уже должен знать, что он будет получать специальность
биолога-биотехнолога, а для этого его профессиональную ориентацию следует осу-
Глава 8
219
ществлять со школьной скамьи. Для этого нужны пособия, в которых в увлекатель-
ной форме рассказывается о новой специальности, лекции с экскурсиями на мест-
ные очистные сооружения водостока и канализации, а также на погибающие, зарас-
тающие пруды и заводи. На важность соответствующей профориентации школьни-
ков указывает Т.В. Новаковская: «Особая роль принадлежит быстро развивающему-
ся игровому направлению в образовании с упором на чувственную сферу. КВНы,
брейн-ринги, экологические марафоны, биотурниры, экологические вечера - вот не-
полный перечень мероприятий для школьников, которые, в частности, могут прово-
дить и студенты» (Новаковская, 2005).
8.3. Вариант нового курса (спецкурса) «Биотехнология
очистки сточных вод»
Нами подготовлен цикл лекционных и практических занятий, рас-
считанный приблизительно на 120 академических часов: теорети-
ческих (около 40 часов) и практических (около 80 часов). В зависимости от кон-
кретных возможностей учебного учреждения число часов может варьировать.
8.3.1. Теоретические занятия
1. Критический обзор традиционных очистных сооружений, включая зарубеж-
ные. Направления совершенствования биологических очистных сооружений.
2. Активный ил (состав, структура, ультраструктура, образование, деградация,
восстановление).
3. Патологические изменения флокул активного ила, то есть агрегатов бактерий,
трансформирующих загрязнения воды (причины этих изменений, следствия, устра-
нение, предотвращение).
3.1. Вспухание активного ила.
3.2. Всплывание и вспенивание активного ила, образование илового плавающего
слоя.
3.3. Измельчение флокул активного ила (диспергирование, микрофлокуляция,
дефлокуляция).
4. Решение проблемы избыточного активного ила и безотходной переработки
сырого осадка. Режим саморегуляции биологических очистных сооружений по кон-
центрации активного ила.
5. Новый гидробиологический метод контроля процесса биологической очистки
сточных вод - биоэстимация.
6. Биоэстимационный метод контроля процесса самоочищения водоемов. Биоэс-
тимационное ранжирование водных объектов и их участков по степени нарушения
процесса самоочищения в них.
7. Сравнительный анализ биоиндикации, биоэстимации и биотестирования.
8. Сущность и оптимизация процессов очистки и самоочищения.
9. Биотестирование (особенности использования различных методов).
10. Доочистка и третичная очистка сточных вод.
220
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
11. Компактные устройства для очистки сточных и сильно загрязненных при-
родных вод.
12. Общие закономерности «здоровья» человека, аэротенка и водоема. Восста-
новительные рекомендации.
13. Послевузовское образование (планирование экспериментов, диссертацион-
ные темы).
8.3.2. Практические занятия
1. Совершенствование навыков работы с микроскопом: уход за ним, фокусиров-
ка точечного света, подготовка и отбраковка предметных и покровных стекол, при-
готовление и окраска препаратов.
2. Приемы рисования препаратов с использованием рисовальных аппаратов раз-
ных систем, изготовление рисунков, пригодных для репродукции. Микрофотогра-
фирование.
3. Изучение и зарисовка биоэстиматоров из образцов активного ила различных
очистных сооружений и проб пресной и морской воды. Составление личного альбо-
ма рисунков и фотографий возможно большего числа гидробионтов, входящих в со-
став биоэстиматоров.
4. Освоение сопутствующих анализов: взвешенные вещества и доза активного
ила, иловой индекс, прозрачность взболтанной и отстоянной воды, экспресс-
анализы качества воды.
5. Подсчет и пересчет биоэстиматоров с учетом качества и количества взвесей.
6. Изучение модельных очистных сооружений и приемов их регулирования; экс-
перименты на действующей модели очистного сооружения с активным илом; экскур-
сии на городские очистные сооружения; изучение и наладка процесса в компактных
очистных установках, в различных аквариумах, дельфинариях, рыбозаводах.
7. Анализы процесса очистки сточных вод и процесса самоочищения воды из
различных природных и искусственных природных объектов; сопоставление полу-
ченных результатов.
8. Разработка конкретных восстановительных мероприятий; принятие мер и их
сопровождение биоэстимационными анализами.
9. Составление отчетов о выполненной работе; подготовка и проведение муль-
тимедийной презентации.
10. Работа со студентами младших курсов; работа со школьниками по профори-
ентации; кружковая и популяризаторская работа студентов и аспирантов.
11. Участие в семинарах, выставках, конференциях; подготовка публикаций, ил-
люстраций к ним, стендовых и устных докладов и др.
12. Планирование и обсуждение послевузовской работы на производстве или в
НИИ; налаживание связи с местом последующей работы (учебы); проведение работ
по заданиям и договорам.
Подчеркнем, что помимо подготовки студентов, в университете следует преду-
смотреть курсы повышения квалификации специалистов, работающих на сооруже-
ниях биологической очистки сточных вод, но не имеющих квалификации биотехно-
Глава 8
221
лога. На этих курсах можно использовать программы отдельно для руководящих ра-
ботников водоканалов, для специалистов-эксплуатационников и для гидробиологов,
контролирующих процесс с использованием микроскопа.
Зачастую требуется и второе высшее образование по специальности «Биолог-
биотехнолог очистки сточных вод». Подготовку таких специалистов следует прово-
дить после собеседования и выполнения контрольных заданий, по ускоренной про-
грамме, рассчитанный на 2-3 года, с акцентом на изучение биологической состав-
ляющей процесса очистки сточных вод. Отдельно следует составить программы по-
слевузовского образования в аспирантуре и докторантуре, так как у специалистов
накопился огромный материал по контролю процесса биологической очистки сточ-
ных вод, и потребуется его осмысление с учетом новой концепции.
Следует подчеркнуть, что устройство или сооружение по биологической очистке
сточных вод - это модель, в которой природные процессы самоочищения воды мно-
гократно ускорены техническими средствами, но сущность самого процесса - одна
и та же, как и большая часть нарушений процесса, а восстановительные мероприя-
тия - аналогичны.
Таким образом, проблема создания столь необходимого нового университетско-
го курса «Биотехнология очистки сточных вод» теперь имеет предпосылки для раз-
решения. Многочисленные слушатели наших семинаров, на которых они получают
знания в соответствие с изложенной программой, присылают отзывы, подтвер-
ждающие полезность этих знаний; один из таких отзывов - в Приложении 3.
В рассматриваемой специальности «Биотехнология очистки сточных вод» мож-
но предусмотреть, кроме того, и специализацию: «Биоэстимация процесса само-
очищения воды». Такие специалисты окажутся востребованными при рекультива-
ции многочисленных пресноводных и морских водных объектов и их участков, а
также при водной рекультивации урботерриторий. В последнее время очень востре-
бованы работы по контролю и восстановлению малых водных объектов, таких как
скважины, колодцы, дачные и рыбоводческие пруды и др. Со временем биоэстима-
ция станет частью мониторинга. А поскольку водные объекты не ограничиваются
водоемами и водотоками: есть и почвенная влага, и скопления жидкости в открытых
полостях растений и др., то потребуются специализации: «Биоэстимация жизнедея-
тельности почвенной микробиоты», «Биоэстимация в фитопатологии» и др.
Глава 9
БИОЭСТИМАЦИЯ ПРОЦЕССА САМООЧИЩЕНИЯ
ПРИРОДНОЙ ВОДЫ И НОВЫЙ ПРИНЦИП
РАНЖИРОВАНИЯ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
Общее ухудшение состояния окружающей природной среды и сни-
жение ее регенерирующего потенциала свидетельствует о явной
неэффективности существующей системы охраны окружающей природной среды и
ее компонентов, в особенности водоемов. Причины этой неэффективности много-
численны и сложны, они требуют всестороннего специального анализа и рассмотре-
ния. Но уже сейчас ясно, что одной из причин того, что охрана вод не дает нужного
результата, является недостаточная разработка ее теоретических и методических ос-
нов. Если качество вод контролируется достаточно хорошо, то процесс, в результате
которого формируется это качество, долгое время оставался в тени. Как заражение
не сразу сказывается на качестве здоровья человека, так и нарушающее воздействие
на водную экосистему не сразу сказывается на качестве воды. Необходима диагно-
стика на стадии формирования качества, чтобы своевременно вмешаться в патоло-
гический процесс, не допустить снижения качественных показателей. Эта задача
была ранее нами решена по отношению к процессу биологической очистки сточных
вод (гл. 5). Практика показала, что разработанный для оценки процесса биологиче-
ской очистки сточных вод метод (биоэстимация) может применяться и для оценки
процесса самоочищения природной воды.
9.1. Обобщенная характеристика биоэстимации биотического
самоочищения воды
В таблице 9.1 обобщена сущность биоэстимации процесса самоочи-
щения воды в природных и искусственных водных объектах. В
графе 1 перечислены наиболее значимые группы факторов воздействия на процесс
биотрансформации органических веществ в очищаемой воде. В графе 2 перечисле-
ны факторы, входящие в соответствующую группу. В графе 3 приведены номера
биоэстиматоров и их биологическая расшифровка. В графе 4 приведены пороговые
численности соответствующих биоэстиматоров, выраженные в тыс./мг. Биоэстима-
ционное значение выявляется только при условии превышения пороговых числен-
ностей; простое обнаружение этих организмов ничего не значит.
Глава 9
223
Таблица 9. /
Обобщенная характеристика биоэстимации самоочищения воды
Группы факторов Факторы Биоэстиматоры и их пороговые численности тыс./ мг Восстановительные рекомендации
1 2 3 4 5
I. Обеспечение подвижности среды (динами- ческое обеспе- чение) 1-1. Проточ- ность Б-1. Жгутиковые 3,5 Выявление и устране- ние зон застоя
1-2 Макро турбулентность Б-2. Амебоиды 2,9 Увеличение скорости движения воды
1-3 Микро турбулентность Отношение Б-3 (числ. своб. плав, инфузорий) к Б-4 (числ. прикрепл.) 1,0 Увеличение промеши- вания движущегося по- тока
11. Нагрузка (типичная) II-1 Легко окисл. вещества Б-5 Хламидобактерий и актиномицеты 15,0 Подсадка дополнитель- ных деструкторов за- грязнений
11-2. Трудно окисл. вещества Б-6. Раковинные амебы и сидеротеки 4,7 Пресечение потоков гумусовых веществ
III. Воздействие промстоков (не- типичная на- грузка) Ш-1 Сахара Б-7. Зернистые, роговид- ные флокулы бактерий 2,9 Выявление и устране- ние соответствующих нарушающих промыш- ленных загрязнений
Ш-2 Токсиканты Б-8 Г ифомицеты 2,9
Ш-3 Спирты Б-9 Цианобактерии 1,5
Ш-4. Жиры, нефтепродукты Б-10. Планкт. раковин- ные саркодовые 4,7
1. Динамическое обеспечение процесса самоочищения воды представляет собой
своевременную поставку пищи микроорганизмам-деструкторам и отведение обра-
зующихся метаболитов. Для этого водная среда должна двигаться, то есть необхо-
дима проточность, общее перемешивание (макротурбулентность потока) и проме-
шивание водной среды в микрозонах (микротурбулентность потока). Под макротур-
булентностью мы понимаем перемещения водной массы поперек основного потока,
что, как правило, бывает обеспечено в любом водоеме за счет движения воды, рель-
ефа, миандрирования, конвекции и др. Под микротурбулентностью мы понимаем
перемешивание воды в микрозонах, в которых, собственно, и происходит трансфор-
мация органических веществ микроорганизмами.
II. Нагрузка - это количество всех перерабатываемых загрязняющих воду ве-
ществ, приходящееся на всех деструкторов этих загрязнений в единицу времени.
Измерить этот показатель в настоящее время не представляется возможным, так как
не известны ни величина числителя, ни величина знаменателя (подробно об этом в
гл. 2). Однако биоэстимация позволяет ответить на вопросы: нормальна ли нагрузка
на деструкторов органических загрязнений, или она превышена; по легко окисляе-
мым веществам она превышена или по трудно окисляемым, и что следует предпри-
нять для нормализации хода самоочищения.
224
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
III. Воздействие промстоков. Речь идет о нарушении процесса самоочищения,
вызванном воздействием нехарактерных для водных объектов веществ, принесен-
ных стоками или смывами в результате хозяйственной деятельности человека,
обычно называемыми антропогенными загрязнениями. Однако аналогичные веще-
ства могут попасть в воду и в результате природных катаклизмов. Биоэстимация
поможет выявить эти воздействия и даже частично классифицировать их, разделив
на 4 группы, указанные в графе 2, табл. 9.1: сахара, токсиканты, спирты, жиры и/или
нефтепродукты.
О том, что самоочищение зачастую требует восстановительного вмешательства
человека, говорят многие авторы и при этом предлагают различные способы интен-
сификации самоочищения, связывая ее с искусственной аэрацией, эффективность
которой обычно оценивается по приросту содержания растворенного кислорода в
воде. Наиболее часто встречаются следующие устройства. 1) Барбатажный аэратор,
состоящий из заглубленной горизонтальной трубы, с присоединенными к ней дуго-
выми пластмассовыми патрубками с отверстиями (например, 1000 отверстий на
1 погонный метр). 2) Механический аэратор из системы электрических аэраторов,
располагаемых на понтонах, с вертикальными трубами, заглубленными под уровень
воды, например, на 1 м. 3) Механические поверхностные аэраторы, разбрызгиваю-
щие воду в воздушном пространстве. 4) Слив воды через плотину или систему низ-
ких водосливных плотин, высотой до 1 м. 5) Быстроток-аэратор, похожий на обыч-
ную бетонную лестницу различной длины. Иногда сама природа создает подобные
аэраторы (рис. 9.1). 6) Свободный доступ воздуха через отверстия во льду.
7) Струйные аэраторы различного типа. 8) Впуск воздуха в зону разрежения отсасы-
вающих труб гидротурбин. 9) Полезными оказываются различные развлекательные
мероприятия на воде, способствующие перемешиванию водной массы, такие как ак-
вапарки, заплывы, водные лыжи и др.
Рис. 9.1. Пример быстротока-аэратора, созданного самой природой
Главную роль в трансформации органического вещества в воде играют микроаэ-
рофильные органотрофные бактерии, которым большое количество растворенного
Глава 9
225
кислорода не требуется. Однако они очень чувствительны к своевременному отве-
дению образующихся газообразных метаболитов. В то же время следует заметить,
что если нет возможности проводить биоэстимацию, показывающую истинную кар-
тину обеспечения массообмена деструкторов, количество растворенного кислорода
остается единственным косвенным показателем обеспечения массообмена в данной
водной среде.
Таблица 9.2
Примеры конкретных мер, принимаемых по восстановительным рекомендациям
Восстановительные рекомендации Примеры реализации восстановительных рекомендаций
Выявление и устране- ние зон застоя Протягивание волокуши по дну вызывает всплывание почерневшею ила, газирование поверхности, появление гнилостного запаха, что укажет на место наиболее интенсивной залежи ила; подача в такие места размывочной воды насосами
Увеличение скорости движения воды Поиск и реализация подпитки притока воды с адекватным оттоком; прокладка дренажей под всеми дорогами и дорожками, окружаю- щими водоем, для свободного движения воды
Подсадка дополни- тельных деструкторов загрязнений Увеличение шероховатости дна путем устройства порогов либо ис- пользование технических средств для аэрации воды. В зимнее время делать лунки во льду, по возможности с мешалкой в виде лодочного мотора. Иногда в пруды устанавливают списанную турбину с элек- тростанции. Иногда прокладывают дырчатые трубы с подачей воз- духа (постоянной или периодической)
Пресечение потоков гумусовых веществ Рекультивация берегов таким образом, чтобы устранить размывание грунтов и устройство густых зарослей из различных деревьев, кус- тов и трав до самого уреза воды для «перехвата» органических ве- ществ, смываемых с берегов
Выявление и устране- ние нарушающих сбросов Обследование всех потенциальных предприятий-нарушителей по показаниям биоэстимации, постановка их на учет и контроль. После выявленных предприятий-нарушителей модернизация либо строи- тельство новых локальных очистных сооружений
Таблица 9.3
Примеры биоэстимации процесса биотического самоочищения воды в различных объектах
Приме- ры № Дата Место отбора Прозрач- ность, (см) Взвесь (мг/дм3) Биоэстиматоры, тыс./мг Ранги
динамичность нагрузка прометок
1 2 3/4 5 6 7 8 9 10
3,5 2,9 1 15,0 4,7 2,9 2,9 1,5 4,7
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
1 Лето 1990 Черное море Анапа пляж 15 17 1,1 1,2 2,1 29,8 3,8 0 0 0 1,8 III
2 отшну- ровка 7 8 620 32 28 12 6,2 0 0 0 0 IX
3 Г рязеле- чебн. 19 3 0 0 0,5 0 4,4 0 0 0 11,1 1
4 1991 ПЛЯЖ 22 3 1,2 0 2,0 14,2 2,2 0 0 0 0 0
5 Февраль, 2002 р. Воронеж 25 1,5 50 0 10,0 0 ззз 0 7,4 0 0 VII
6 р. Нева у Зимнего дворца 30 1,2 0 0 0 9,2 0 20,8 0 0 0 11
7 Апрель, 2002 р. Волга Н.Новгород 30 2,6 38,2 8,5 12 88,1 456 35,6 0 53,8 0 XV
р. Москва, Рижский мост 8 30 15 0 0 0 0 1,3 0 0,4 0 п
9 4.09.03 р. Чита 29 2 0 0 0 14 410 0 0 0 0 III
10 5.10.03 Пруд Ангстрем 7 8,2 15,1 3,0 0 4.8 39.4 0 0 0 0 IV
И 10.04 2004 Сточная вода из канал из. сети 3 120 41,6 83 0 120,8 66,7 0 0 0 5,6 IX
12 Пруд у МГУП 23 3 333 0 0 0 50 0 0 0 0 4
13 26.08.04 р. Волга у г. Мышкина 21 5 130 0 0 0 25 0 0 0 10 IV
14 25.08.04 Шлюз на канале Москва-Волга 17 12 813 10,4 0 0 54,2 0 0 0 22,9 ИХ
15 Пляж Николаевка, 25 3 0 0 0 633 100,1 0 0 0 0 IV
О.Г. Никитина «Биоэстимация
16 Август 2004 Чер- ное море, Крым Пляж у пане, спортсменов 30 2 0 0 0 15,0 25 0 0 0 0 III
17 Ливадия 30 2 0 0 0 5,0 0 0 0 0 0 0
18 Балаклава, порт 15 16 20,3 0 0 1,2 28,1 3,7 0 0 0 IV
19 Мыс Фиолент 5 24 0 1 0 2.9 34,3 0 0,4 0 0 II
20 Пляж у п. «Поли- мер» 15 10 0 0 0 8,0 30 0 0 0 0 11
21 Севастопольский причал 10 17 13,2 7,4 0 1,2 17,6 0 0 0 0 VI
22 Бухта Двуякорная 17 16 18,7 0 0 8,7 10,9 0 0 0 6,2 V
23 Бухта Коктебельская 15 10 35 0 0 2 22,5 0 0 0 45 V
24 Бухта Геленджикская 12 16 42 0 0 0 18,9 0 0 0 32 VI
25 Святой ист. муж. Купальня 20 3 583 0 0 0 0 0 0 0 0 II
26 3 источника, ку- пальня (1000 ч. в день) 15 15 80 33 0 1,3 6,7 0 0 0 0 V
27 Святое озеро 9 19 52,6 3,9 13 2,1 22,4 0 1,1 0 0 VI
28 Купальня у скита св. Анастасии- Узорешительн. 11 18 4,2 0 0/0 233 20,8 0 0 0 0 IV
29 Река Булганат, село Кольчугино 20 3 8,8 0 8,8 1,5 5,9 0 0 0 0 IV
30 Октябрь, 2004. Красное море, Египет. Шарм- Эль- Шейх. 18 10 50,5 0 0 0,8 17,7 0 0 0 0 IV
31 Хургада 29 2 3,0 0 0 0,1 4,1 0 0 0 0 0
32 28. 04. 2004 Аквариум пресноводный >30 1,3 0 0 0 44,4 3,3 0 0 0 0 I
Глава 9
hJ
hJ
11 роболжение табл. 9.3
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
33 Аквариум с кра- бом морской >30 1,3 233 0 0 0 0 0 0 0 0 III
34 Аквариум с керамз. >30 2,8 976 15,5 0 13,8 0 0 0 0 0 V
35 22.09.05 Средиз. м. Алания, Канаклы 25 е5 60 0 0 24 30 0 0 0 0 V
36 10.06.07 р. Оскол, Рыбхоз «Изруд- ное» Ниже г. Н.Оскол 7,5 20 153 0 ,5 5,6 50 0 5,6 0 0 VII
37 Напротив рыбхоза 14 12,0 158 0 6,7 6,9 46 0 6,9 0 4,2 VII
38 Ниже рыбхоза 5 км. 18 5,0 300 0 2,0 16,7 80 0 22,2 0 40 X
39 15.05.09. Выход из каскада рыбоводческих прудов 20 5 7,5 2,5 0 1,7 2,5 0 0 0 0 I
40 27.08.08. Рыбхоз «Велисто» Малькцех вход 30 3 5 0 0 0 25 0 0 0 0 II
41 выход 21 5 50 10 10 12 25 0 0 0 0 VII
42 21.4.05 река Москва створ сбро- са пр. очищ. СВ. водопро- вода выше 4 30 44,4 0 11,1 7,4 10,2 222 3,7. 0 0 VII
43 ниже 4 30 5,5 0 5,5 3,7 16,8 178 0 0 0 IV
44 20- 23.05.05 Каспий Дельта Волги 7 21 7,1 0 4,8 0 24 0 0 0 0 5
45 Выход из Белин- ского банка 10 15 17 0 1,0 8,9 23 0 0 0 0 3
228 О.Г. Никитина «Биоэстимация
46 19-23.05.05 Оз. Ма- ныч- Г удило ст.10 береговая 13 20 17,5 0 0 5,6 75 0 0 0 0 4
47 ст. 11 центр озера 15 14 60,7 10,7 14,3 7,9 25 0 0 0 0 8
48 ст. 16 Никовск. плотина 4 42 2,4 0 1,2 3,7 13 0 1,6 0 2,4 2
49 Пролетарское в/х у берега 1 365 0,7 0,4 0,3 2,6 2,5 0 0 0 0 0
50 18.23.05.05 Тамань Тузла пролив напр. Соленого Лимана 8 17 29 0 0 5,2 23,5 0 0 0 0 4
51 Нефтетерминал АЗС 10 16 3,1 12,5 12,5 6,3 75,0 0 0 0 3,1 6
52 5.05.05 Р. Сетунь Створ сброса произв. СВ водо- провода Выше 8 17 28,1 313 5,2 8,5 126,6 0 0 0 0 8
53 Ниже 7 18 19,4 22,7 5,0 8,8 52,8 0 9,2 0 0 9
54 25.06.06 Дер. Ма- зюгино КОЛОДЦЫ без прив- куса 30 2 70 0 0 0 15 0 0 0 0 4
55 прив- кус 30 2 0 0 0 0 ПО 0 0 0 0 2
56 16.05.05 Долго- пруднен- ский ручей Створ выпуска СВ 15 10 20 15 0 4,2 260 0 0 0 0 6
57 7 9 12 0 0 2,1 162 0 0 0 0 4
58 12 13 19 0 0 5,3 177 0 7,7 • 0 0 6
59 15 12 7 0 0 4,8 91 0 143 0 0 5
60 Лето 2005 Белое море. Залив Нельма-Губа 14 9 43 5,1 0 0,9 15,1 0 0 0 0 V
Глава 9 229
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15
61 Лето 2006. Белое мо- ре, эстуа- рий реки Черная Ст. 1. Кут эстуария Туркин мыс Про- милле 0,5 10 14,5 24,0 0 11,1 19,0 18,5 0 0 0 3,7 VII
62 СТ. 2. Се- редина залива 8,5 15 9,5 2,6 0 7,9 2,6 42,1 0 0 0 0 IV
63 Ст. 3. Зап. Перейма 9,5 15 9,5 84,2 2,6 13,2 7,0 57,9 0 0 0 5,3 VII
64 Ст. 4. Бос- тон. Пе- рейма И,4 16 8,5 377 0 0 11,8 41,9 0 0 0 0 IV
65 Ст. 5. меж- ду Вост. Пер. и Косой 13,2 20 5,0 250 5,0 5,0 21,7 10,0 0 0 0 170 XI
66 Ст. 6. Коса 14,3 22 3 446 8,3 0 16,6 583 0 0 0 33,3 IX
67 Ст. 7. Мыс П. 18,3 22 3 25,0 0 0 2,8 333 0 0 0 0 IV
68 Ст.8. Гряз- ный залив 18,0 22 3 25,0 0 0 2,8 33,3 0 0 0 0 IV
69 15.08.2010 О. Байкал, пане. «Байкал» у песч. берега 30 3,4 0 0 0 0 29,4 0 0 0 0 II
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Глава 9
231
9.2. Начало применения биоэстимации для контроля
самоочищения воды
В июне 1990 года сотрудники ВНИРО, обследовавшие Черное море
в районе г. Анапы, старались выяснить причины массовой гибели
крабов. Нас привлекли для обследования местных очистных сооружений, сбрасы-
вающих очищенные сточные воды в море, чтобы выяснить, не являются ли эти воды
токсичными и как это положение исправить. Выяснилось, что качество очищенных
сточных вод было высоким, и болезнетворные агенты в ней никогда не обнаружива-
лись, но сбрасываемые в водоем сточные воды все равно было предписано хлориро-
вать; именно вследствие этого очищенные сточные воды и стали токсичными. К со-
жалению, это не единственный случай, когда существующие санитарные нормы и
правила, призванные охранять окружающую природную среду, наносят ей прямой
вред. Зачастую вредоносным оказывается требование без учета местных условий
изымать из сбросных вод фосфор, в то время как в малых, сильно загрязненных ре-
ках фосфора катастрофически не хватает для биотического самоочищения.
Начало использования биоэстимации - анализа процесса самоочищения природ-
ной воды - относится к 1990 году, когда мы получили в посылке три пробы из Ана-
пы, этикетированные только номерами: 1, 2, 3. В таблице 2 они приведены под теми
же номерами. Мы еще не знали, где именно были отобраны эти пробы, и проанали-
зировали их как пробы из аэротенков. По пробе № 1: основные деструкторы испы-
тывают значительную перегрузку по легко окисляемым веществам (превышение
численности Б-5); нарушений по динамическому обеспечению и по воздействию
промышленных стоков нет. Наши рекомендации - увеличить концентрацию актив-
ного ила. По пробе № 2: ярко выраженное нарушение по динамическому обеспече-
нию (превышение численности Б-1, Б-2, Б-З/Б-4); воздействие остальных факторов -
в норме; рекомендации - увеличить интенсивность рециркуляции и аэрации. Выво-
ды по пробе № 3: выявлено нарушающее воздействие нефтесодержащих промстоков
(превышение численности Б-10); нарушений по динамическому обеспечению и по
нагрузке нет. Рекомендации - обследовать соответствующие промышленные пред-
приятия, стоки которых попадают на биологическую очистку, и устранить их воз-
действие путем строительства или модернизации локальных очистных сооружений.
Оказалось, что в доставленных склянках были пробы не из аэротенков, а из при-
бойной зоны Черного моря. Выводы, сделанные как бы для станций аэрации, были
легко экстраполированы на ситуации, сложившиеся в местах отбора этих проб.
В 1-й пробе отмеченная перегрузка деструкторов объяснялась тем, что вода бы-
ла отобрана в море в разгар курортного сезона у городского пляжа. Интенсивная ан-
тропогенная нагрузка не могла не привести к значительному загрязнению воды. В то
же время песчаное дно и частые штормы не давали возможности закрепиться водо-
рослям со всем комплексом сопутствующих микроорганизмов-деструкторов. Для
того чтобы улучшить процесс самоочищения морской воды в районе пляжа, сотруд-
никами ВНИРО было принято решение поместить в воду бетонные блоки различной
величины, то есть создать искусственные рифы (Пупышев, 1998). На этих блоках
вскоре начал развиваться полноценный комплекс из морских растений, животных и
232
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
микроорганизмов, после чего вода в этом районе стала чище. Повторная биоэстима-
ция, проведенная на следующий год (пример № 4, табл. 2), свидетельствует о нор-
мальном ходе самоочищения воды. Хотя качество воды еще оставалось недостаточ-
но высоким, прогноз по качеству был благоприятным.
Во 2-й пробе выявленное нарушение по динамическому обеспечению процесса
было вызвано тем, что морская вода была заброшена во время шторма через песча-
ную косу и потеряла связь с морем. Местом отбора пробы было скопление воды -
«отшнуровка» - небольшое изолированное соленое озерко, в котором, вполне есте-
ственно, динамическая обстановка была критической, на дне скопился гниющий ил.
Численности биоэстиматоров динамического обеспечения значительно превышали
пороговые.
В 3-й пробе нарушающее воздействие нефтесодержащих стоков было вызвано
тем, что в месте отбора пробы, в районе санатория им. Эжени Коттон (в настоящее
время - санаторий «Русь»), находился глубинный выпуск в море стоков после ле-
чебных нафталановых ванн. В этих стоках содержалась примесь нефти, вызвавшая
нарушение процесса самоочищения воды. Выпуск в море отработанных лечебных
грязей без локальной очистки в дальнейшем был прекращен.
Работа с пробами морской воды убедила нас в пригодности биоэстимации не
только для контроля процесса биологической очистки сточных вод на станциях
аэрации, где этот метод был разработан, но и для контроля процесса биотического
очищения воды в любых природных водных объектах. В примерах № 62-66 указана
различная соленость в промилйх, что подтверждает возможность использования
биоэстимации без поправок на соленость.
Применение биоэстимации для обследования различных водных объектов по-
зволяло установить причины неэффективного самоочищения и в тех случаях, когда
традиционный контроль не давал тревожной информации. Так, пример № 32: краси-
вый декоративный аквариум, похожий на картину, с идеально чистой водой не об-
наруживал признаков деградации. Однако превышение численности Б-5 указывало
на то, что органотрофные микроорганизмы перегружены легко окисляемыми орга-
ническими веществами (по-видимому, одна рыбка здесь лишняя), и прогноз по ка-
честву неблагоприятный. При регулярно проводимой биоэстимации деградацию
можно не только выявлять, устранять, но и предотвращать.
Особенно важно отметить, что пороговые численности биоэстиматоров, уста-
новленные ранее для аэротенков (Носов и др., 1981), вполне применимы для опре-
деления нарушений самоочищения воды и в водных объектах, то есть метод остает-
ся цифровым, без его дополнительной доработки. Но выражать численность биоэс-
тиматоров в аэротенке лучше в млн./г, а в природной воде - в тыс./мг, исходя из то-
го, что пересчет при подсчете биоэстиматоров ведется на взвешенные вещества, в
аэротенке определяемые в г, а в воде - в мг.
Глава 9
233
9.3. Применение биоэстимации для анализа самоочищения
в различных водных объектах
Т Динамическое обеспечение процесса самоочищения воды - проточ-
Л. • ность, макротурбулентность и микротурбулентность потока.
Нарушение проточности приводит к илонакоплению и его загниванию. При этом
массовое развитие получают разнообразные жгутиковые, то есть наблюдается пре-
вышение численности 1-го биоэстиматора, или Б-1. В таблице 9.3 таких примеров
немало. Наиболее яркий пример застоя - № 34 - аквариум с керамзитовым фильт-
ром, где численность Б-1 в 279 раз превосходит пороговую. Любые наполнители,
погруженные в воду, вызывают застой и гниение, особенно пористый керамзит. В
примере № 66, где проба воды отобрана с косы в заливчике эстуария Черной речки,
впадающей в Белое море - в 127, а в примере № 33 (аквариум с морским крабом) - в
67 раз превосходит пороговую численность. В этом аквариуме вода была на ред-
кость чистой - взвешенных веществ в ней - 1,3 мг/дм3. Однако все молодые крабы
сразу после вылупления из яйцекладок погибали. Только биоэстимация дала ответ,
почему это происходит, а именно — недостаточная «ротация» воды, которую спо-
койно выносил взрослый краб, но мелкие - погибали, так как находились в зоне
гниения тончайшего, незаметного на глаз, слоя ила. Из других примеров тоже видно
превышение численности Б-1, но в меньшей степени. Интересно отметить, что про-
бы воды, отобранной в Красном море со стороны курорта Шарм-Эль-Шейх, указы-
вают на застойные явления, а со стороны Хургады - нет (примеры № 30 и 31). Объ-
яснение этому - соответствующий рельеф берега, который в районе Хургады более
выпуклый, а значит, и лучше омываемый морем.
Неудовлетворительная макротурбулентность выявляется по превышению чис-
ленности Б-2 (голые амебы и амебоиды). Этот параметр не обеспечен, прежде всего
в стоячих водоемах, например № 2, упомянутая выше «отшнуровка», малопроточ-
ных, пример № 14 - шлюз на канале Москва-Волга, либо маловодных, примеры
№ 52-53 - река Сетунь в створе сброса сточных вод водопроводной станции. Здесь
численность Б-2 в 8-11 раз превышает пороговую.
Неудовлетворительная микротурбулентность выявляется по превышению от-
ношения численностей свободно плавающих инфузорий к численности прикреп-
ленных инфузорий (Б-З/Б-4). Многочисленные примеры, приведенные в табл. 9.3,
свидетельствуют о том, что во многих водных объектах микротурбулентность не
обеспечена в надлежащей мере даже в реках, примеры № 5, 29, 36-38, а также в
эстуарии реки Черной, впадающей в Белое море, примеры 61—63, 65. В обследо-
ванных участках морей, он, как правило, обеспечен, по-видимому, из-за периоди-
ческих штормов.
Пример № 47 может вызвать сомнения: каким образом в центре озера Маныч-
Гудило сложились такие ярко выраженные застойные явления, да еще и по всем
трем факторам, хотя вода здесь чище, чем в других частях того же озера? Но на
примере аэротенков мы наблюдали это очень часто. Вдоль стен массообмен обеспе-
чен отлично, а в центре - аналог болота, так как током воздуха из аэраторов, распо-
ложенных вдоль одной из стен, масса иловой смеси сворачивается в валик, в центре
234
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
которого жидкость остается неподвижной. То же и в озере: у берегов смывы и кон-
векционные потоки создают большую подвижность воды, чем в центре.
//. Нагрузка. По вспышкам численности биоэстиматоров нагрузки можно опре-
делить уровень нарушающего воздействия органических загрязнений на деструкто-
ров и, основываясь на этих показаниях, разрабатывать восстановительные меро-
приятия, то есть процессом можно управлять и не опираясь на качественные показа-
тели воды.
Превышение численности Б-5 (хламидобактерии и актиномицеты) свидетельст-
вует о перегрузке за счет легко окисляемых веществ. Прежде всего это зоны массо-
вого купания - пляжи Черного моря, примеры: № 1 в Анапе, № 15-16, в Николаевке,
№ 35 в Средиземном море (Алания, Канаклы); № 28 - купальня у скита Анастасии-
Узорешительницы в Крыму, № 7 - Волга в центре г. Нижний Новгород, причем
здесь процесс очистки воды не менее напряженный, чем в сточной жидкости, ото-
бранной из канализационного колодца - пример №11.
Перегрузка деструкторов трудно окисляемыми веществами (превышение чис-
ленности Б-6), как видно из табл. 9.3, выявляется почти во всех обследованных вод-
ных объектах, что связано с обилием водного гумуса в воде большинства регионов.
Легче отметить те примеры, где этот фактор не нарушает процесс самоочищения
воды: Черное море в районе Анапы (примеры № 1-4), р. Воронеж (пример № 5), р.
Нева у Зимнего дворца (пример № 6), р. Москва, в районе Рижского моста (пример
№ 8), Черное море в районе Ливадии (пример № 17; это, кстати, и пример абсолют-
но не нарушенного процесса самоочищения), аквариумы со специальной водоподго-
товкой (примеры № 33, 34).
Когда ставится вопрос о выявлении причины привкуса в колодезной воде, то
обычно мы обнаруживаем превышение численности Б-6 (пример № 55), что служит
сигналом для пресечения гумусового потока. В данном случае это означает: обна-
жить кольца колодца на глубину 1,5 м, ликвидировать щели, сделать новый замок из
глины, затем - обваловку землей и обкладку дерном.
III. Воздействие промстоков - это нарушение процесса самоочищения, вызван-
ное попаданием в водные объекты веществ, не характерных для него, принесенных
стоками или смывами в результате хозяйственной деятельности человека, обычно
называемыми антропогенными загрязнениями. Однако аналогичные вещества могут
попасть в воду и в результате природных катаклизмов. Биоэстимация поможет вы-
явить эти воздействия и даже частично классифицировать их, разделив на 4 группы.
Превышение численности Б-7 (роговидные бактериальные флокулы) помогает
выявить нарушающее воздействие сахаров на процесс самоочищения воды, но на-
блюдается редко, чаще такие нарушения обнаруживаются при очистке сточных вод. j
Однако в реке Москва, в створе сброса очищенных сточных вод очистных сооруже-
ний водопровода превышение численности Б-7 было весьма значительным: в 77 ив
60 раз (примеры № 42 и 43). Меньшие превышения - в 7-12 раз отмечены в воде рек
Нева и Волга (примеры № 6 и 7).
Превышение численности Б-8 (гифомицеты), отображающее нарушающее воз-
действие токсикантов, отмечены в р. Воронеж в центре города (пример № 5), в реке
Булганат, г. Кольчугино (№ 29), на протяжении десятка км вдоль реки Н.Оскол, В
Глава 9
235
районе Изрудного, где - явное влияние рудных хвостохранилищ (примеры № 36-
38). В р. Сетунь ниже сброса стоков ОС водопроводной станции также отмечено
превышение Б-8; позднее и по гидрохимическим данным здесь обнаружено превы-
шение ПДК по алюминию и активному хлору (пример 53).
Превышение численности Б-9 (цианобактерии), отображающее нарушающее
воздействие спиртов на процесс самоочищения воды, в отличие от нарушающего
воздействия на процесс очистки сточных вод, встречается крайне редко. Мы обна-
ружили значительное превышение пороговой численности - в 36 раз - лишь в
р. Волга в центре г. Н. Новгород (пример № 7).
Превышение численности Б-10 (планктонные раковинные саркодовые), отобра-
жающее нарушающее воздействие нефтепродуктов или жиров, встречается значи-
тельно чаще, чем воздействие спиртов. Самое большое превышение пороговой чис-
ленности Б-К) было отмечено в неожиданном месте: в эстуарии р. Черная, впадаю-
щей в Белое море — в 36 раз (пример № 65). Когда мы сообщили об этом исследова-
телям этого региона, то нам не поверили и сказали, что в глухой деревне, в которой
с мостков была отобрана данная проба воды, никак не может быть влияния каких-
либо промстоков, поскольку никакой промышленности здесь нет. Но потом вспом-
нили, что во время отлива вся зостера в этом месте блестит от нефтепродуктов, ко-
торыми загрязняют воду рыбаки на моторных лодках. В других местах влияние неф-
тепродуктов не так сильно. Примеры № 22-24 говорят о нарушающем воздействии
нефтепродуктов в бухтах: Двуякорной, Кокт ебельской, Геленджикской, что не уди-
вительно, так как здесь расположены причалы. Превышение численности Б-10 в
р. Н. Оскол ниже рыбхоза говорит о нарушающем воздействии не нефтепродуктов, а
рыбьего жира (пример № 38).
Рис. 9.2. Коктебельская бухта — полузамкнутый водоем с затрудненным массообменном
На рис. 9.2 приведена фотография живописной Коктебельской бухты - полузамк-
нутого водоема с затрудненным водообменом. Биоэстимация процесса самоочищения
воды в Коктебельской бухте свидетельствует о серьезных нарушениях по всем трем
основным группам факторов воздействия (пример № 23). Основными поставщиками
236
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
загрязнения бухты являются реки, приморские города, сельхозугодья и порты. Значи-
тельный объем загрязняющих веществ поступает в морскую воду со смывом с берега
ливневыми потоками. В.В. Крыленко и Н.В. Есин (2001) отмечают, что процесс само-
очищения в бухте зависит от антициклонических вихрей, развивающихся между стру-
ей основного Черноморского течения и берегом. При слабых ветрах (1-2 м/с) течения
оказывают решающее влияние на циркуляцию вод в бухте. При умеренных ветрах (3-
4 м/с) водообмен и циркуляция в бухте формируются совместно режимом течений и
ветром; при штормовых ветрах решающая роль принадлежит действию ветра. Основ-
ное влияние оказывают ветры, которые направлены в бухту или из бухты. Эти авторы,
так же как и мы, подчеркивают важность динамического обеспечения процесса само-
очищения воды в бухте (пример № 23, табл. 9.3).
Таблица 9.4
Биоэстимация воды реки Сходня выше и ниже сброса очищенных сточных вод ЗСА
Примеры № Дата Место отбора проб Прозрачн. воды см Взв. веще- ства мг/дм3 Биоэстиматоры тыс./мг Ранги
техобеспечения нагрузки промстока
1 2 3/4 5 6 7 8 9 10
3,5 2,9 1,0 15,0 4,7 2,9 2,9 1,5 4,7
1 Ср. 1995 выше 18 6,4 57,9 1,5 2,9 7,6 52,6 0 0 0,1 0 VI
2 ниже 20 5,0 13,3 0 0,1 0,3 60,6 0 1,4 0,1 0 IV
3 Ср- 1997 выше 12 14,4 28,1 1,0 4,5 5,7 27,1 0 0,2 0 0 V
4 ниже 17 7,8 11,2 0 1,1 1,8 38,0 0 0,1 0 0,4 III
5 Ср- 1999 выше 14 12.0 14,4 0 1,0 0,2 29,8 0 0 0 0 IV
6 ниже 15 10.0 12,5 0 0,5 0 75,0 0 0 0 0 V
7 Зима 2000 выше 16 7,7 41,9 0 2,5 7,2 46,6 0 0,9 0 0 IV
8 ниже 17 6,1 15,1 0 0,5 1,7 60,6 0 0 0 0 IV
9 Весна 2000 выше 16 И,5 95,2 0,8 1,9 9,0 41,4 0 0,1 0 0 VI
10 ниже 17 6,9 45,5 0 0,8 6,3 42,5 0 0 0 0 IV
И Лето 2000 выше 11 15,6 77,5 о,з 2,1 1,2 19,5 0 0 0 0 V
12 ниже 18 6,7 53,8 0 1,0 0 22,9 0 0 0 0 IV
13 Осень 2000 выше 11 16,0 71,5 0,4 4,0 9,9 23,4 0 0 0 0 VI
14 ниже 17 9,2 21,0 0 2,4 0,1 37,6 0 0 0 0 V
15 Ср. 2000 выше 14 12,7 71,5 0,4 2,6 6,8 32,7 0 о,з 0 0 VI
16 ниже 18 7,2 33,9 0 1,2 2,0 40,9 0 0 0 0 V
17 Ср. 2003 выше 30 4,6 27,2 2,4 3,0 1,0 65,2 0 0 1,0 0 VI
18 ниже 30 2,2 11,4 0 1,о 0 82,4 0 0 0 0 V
В реке Сходня мы имели возможность проводить биоэстимацию чаще, чем в
других водных объектах, при этом проводилось сравнение особенностей процесса
самоочищения воды выше и ниже выпуска сточных вод после очистки их на Зелено-
градской станции аэрации (табл. 9.4). Существенных изменений ни по временам го-
да, ни по годам мы не видим, как по биоэстимации, так и по общепринятым показа-
телям, из которых здесь приведены лишь взвешенные вещества и прозрачность во-
ды. Зато явно видно, что сброс хорошо очищенной сточной воды существенно
Глава 9
237
улучшает процесс самоочищения воды в реке. Это объясняется прежде всего улуч-
шением динамического обеспечения процесса самоочищения воды в этой маловод-
ной речке. Можно было привести и больше данных, но не хотелось перегружать
книгу однотипными таблицами.
Крайне медленная изменчивость показателей во времени подтверждает вывод о
том, что путем наблюдения за природными водоемами разработать биоэстимацию
было бы невозможно. Только на станциях аэрации, где процесс трансформации ор-
ганических загрязнений ускорен в сотни, тысячи раз, процесс меняется достаточно
быстро и воздействия от последействий отстоят на обозримые отрезки времени.
Выводы по биоэстимации воды реки Сходня: превышение численности Б-1 ука-
зывает на то, что на дне реки постоянно накапливается и подгнивает ил вследствие
малой проточности, что характерно для всех маловодных рек. Сравнение численно-
сти Б-1 выше и ниже сброса показывает, что сброс хорошо очищенных сточных вод
существенно, но не до нормы, улучшает картину. Численность показателя макро-
турбулентности - Б-2 - остается в норме, то есть общее перемешивание воды удов-
летворительное. Однако промешивание воды в микрозонах (микротурбулентность)
временами недостаточно эффективно, на что указывает превышение отношения
численностей Б-З/Б-4, причем здесь явно видно положительное воздействие добавки
к речной воде большой массы хорошо очищенных сточных вод г. Зеленоград: этот
показатель ниже сброса либо заметно ниже, либо становится нормальным.
По легко окисляемым веществам Сходня не перегружена: Б-5 остается в норме с
явной тенденцией уменьшаться ниже сброса очищенных стоков. А по трудно окис-
ляемым веществам имеет место перегрузка деструкторов как выше, так и ниже
сброса, причем ниже сброса этот показатель возрастает. Причина этого заключается
в том, что город Зеленоград использует в качестве исходной воды волжскую, про-
шедшую Вазузскую систему и Северные очистные сооружения водопровода. По
всем традиционным показателям - это вода высокого качества.
Но в ней содержатся трудно окисляемые вещества, ускользающие от традицион-
ного контроля, а именно, те фракции водного гумуса, которые не задерживаются ни
водопроводными, ни канализационными очистными сооружениями. В воде реки
Сходня таких веществ меньше, поэтому мы видим увеличение численности Б-6 ни-
же сброса, по сравнению с таковой выше сброса очищенных вод ЗСА. Эти вещества
считаются биоинертными, так как не поглощают кислорода, поэтому для самоочи-
щения воды в самой реке они не опасны.
Мы проводили биоэстимацию воды р. Сходня в створе сброса очищенных сточ-
ных вод ЗСА на протяжении нескольких десятков лет, но при этом ни разу не обна-
руживали в ней превышения показателей промышленных сбросов, ни выше, не ни-
же сброса, то есть нарушающее воздействие промстоков на процесс очищения воды
не выявлено. Это, в частности, объясняется хорошей работой очистных сооружений
ливнесточной канализации, через которые проходят не только ливнестоки, но и во-
ды малых рек Зеленограда, забранных в трубы, подводящие к этим сооружениям.
238
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
9.4. О классификации водных объектов
Во всех сферах своей деятельности человек вынужден принимать
решения. Отыскать верное решение тем труднее, чем больше объ-
ем информации, при этом она всегда недостаточно полна. Формализация исходных
данных об объекте упрощает понимание задачи и отыскание верного решения. Од-
ним из вариантов формализации исходной информации об объектах является их
классификация.
Поскольку человека всегда интересовал не сам процесс самоочищения, а его ре-
зультат, то есть качество воды, то ранее применялись многочисленные классифика-
ции с использованием традиционных методов контроля качества. Кроме того, ис-
пользовались и количественные характеристики, а также классификации по источ-
никам и по расположению водных объектов.
В настоящее время оценка экологического состояния водного объекта произво-
дится с разных позиций. Основных - три: биологическая (главным образом, с точки
зрения продуктивности), медико-социальная (с позиций благополучия человека, то
есть хозяйственно-питьевое, рекреационное и т.д. использование водных объектов)
и гидрологическая - рассматриваются вопросы истощения, усыхания, заиления, за-
мусоривания и т.д. Учитываются и гидрологические, гидрофизические, гидрохими-
ческие, гидробиологические и микробиологические параметры.
В монографии В.К. Шитикова и др. (2003) рассматриваются оценки качества вод
по данным гидробиологических анализов - биоиндикации, на основе которых опре-
деляется качество экосистем по индексам видового разнообразия, а также класси-
фицируются водоемы и биоценозы по сапробности. Рассмотрены оценка качества
экосистем по соотношению количества видов, по соотношению показателей обилия
и по устойчивости и неустойчивости к загрязнению, а также интегральные крите-
рии - оценка качества экосистемы по нескольким показателям с использованием
различных индексов.
Результаты оценки качества вод по гидробиологическим показателям представ-
ляются в виде класса вод. Класс вод определяется на основании данных о состоянии
зообентоса, перифитона, фитопланктона, зоопланктона и бактериопланктона:
«Структурно-функциональная организация...», 1999. Кроме того, в России также
применяется система сапротоксобности (Яковлев, (1984, 1988, 1998 и др). В Госу-
дарственном докладе «О состоянии окружающей природной среды в РФ в 1995 г.»
(1996) акцентируется внимание на целевой составляющей; мониторинг в РФ опре-
деляется как «комплекс выполняемых по научно обоснованным программам наблю-
дений, оценок, прогнозов и разрабатываемых на их основе рекомендаций и вариан-
тов управленческих решений, необходимых и достаточных для обеспечения управ-
ления состоянием окружающей природной среды и экологической безопасностью».
В то же время, как отмечает в своей монографии В.К. Шитиков с соавторами, «Ре-
ально существующие в России «экологически значимые решения», принятые с ис-
пользованием мониторинговых исследований, нам, к сожалению, неизвестны» (Ши-
тиков и др., 2003). В самом деле, мониторинг, основанный лишь на констатации
факта нарушения качества, не может предложить таких решений. Для решения этой
Г лава 9
239
задачи мы предлагаем дополнить существующий мониторинг биоэстимацией, со-
держащей рекомендации по восстановлению процесса формирования качества вод.
Н.Ф. Реймерс упоминает классификацию природных ресурсов по возможности
самовосстановления (Реймерс, 1990). Этот тезис не расшифровывается. Но именно
по этому принципу мы предлагаем ранжировать водные объекты с использованием
биоэстимации. Такой принцип ранжирования не только позволит оценить возмож-
ности самоочищения в конкретной воде, но и рекомендовать восстановительные ме-
роприятия. Ведь природопользование нельзя осуществлять в отрыве от природовос-
становления (В.В. Крючков, 1996; Г.В. Добровольский, Е.Д. Никитин, 2000; А.И. Го-
лованов и др., 2001). Создан даже Университет природообустройства, где студентов
обучают и природопользованию, и природовосстановлению, и охране природы. Но
внимание акцентируется на землеобустройстве; информации об обустройстве вод-
ных объектах недостаточно. Мы акцентируем внимание именно на водных объек-
тах, на восстановлении нормального хода самоочищения природной воды в них, ис-
пользуя оценку этого процесса с помощью биоэстиматоров.
В целом, нормативная правовая база по охране окружающей среды в РФ нахо-
дится в стадии активного формирования и в основном соответствует требованиям
международных соглашений. Однако по-прежнему все внимание сосредоточено на
негативном антропогенном воздействии на водные объекты и недостаточно уделя-
ется внимания восстановительным воздействиям, в то время как некоторые из вод-
ных объектов крайне в этом нуждаются. Встает вопрос об оценке водоемов или их
участков по принципу обратной зависимости между сохранностью в них возможно-
сти самоочищения и необходимости восстановительного вмешательства человека в
их жизнь.
9.5. Биоэстимационный принцип ранжирования
водных объектов
При восстановительной деятельности требуется не только классифи-
кация объектов, но и расстановка приоритетов, то есть установка
критериев, имеющих максимальное значение. В нашем понимании - это выявление
тех водных объектов или их участков, которые требуют восстановительного вмеша-
тельства в первую очередь. Для этой цели мы предлагаем проводить биоэстимацион-
ное ранжирование. Оно помогает принимать решение о том, какой участок водоема
требует первоочередного вмешательства для восстановления нормального хода био-
тического самоочищения. Биоэстимация позволяет оценить, успешно протекает само-
очищение воды в каждом конкретном участке водного объекта или оно нарушено, по
какой причине нарушено, что следует предпринять для его восстановления.
Оценка процесса самоочищения в различных водных объектах методом биоэс-
тимации, при условии ее широкого распространения, позволит собрать обширный
первичный материал о том, насколько в различных участках гидросферы сохрани-
лась возможность самоочищения воды или насколько этот процесс нарушен и тре-
буется восстановительное вмешательство человека.
240
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Мы предлагаем этот первичный материал подвергнуть несложной математиче-
ской обработке для установления ранга каждого обследованного участка с целью:
1) обобщенной принципиальной оценки ситуации - удобной и понятной;
2) создания базы данных для надзорных служб;
3) ускорения получения тревожной информации об объектах;
4) принятия решений о первоочередном восстановительном вмешательстве;
5) оптимизации принимаемых решений;
6) унификации формирования архива при повторных обследованиях.
Рис. 9.3 иллюстрирует идею деления всех видов водных объектов или их участ-
ков на ранги по принципу самоочищение-очистка, то есть обратной зависимости
между возможностью самоочищения водоема и необходимостью вмешательства че-
Рис. 9.3. Схема деления водных объектов на биоэстимационные ранги:
площадь каждого сектора - процесс в целом; белая часть сектора - способность к самоочи-
щению; серая часть сектора - необходимое восстановительное вмешательство человека.
Так, водоемы I ранга, где почти вся площадь остается белой - не нуждаются в
восстановительном вмешательстве, в данном случае помощь может заключаться в
недопущении негативного антропогенного влияния, то есть в охране в полном
смысле этого слова.
Водоемы X ранга, где почти вся площадь серая, не могут обойтись без сущест-
венных восстановительных работ. К этому рангу относятся либо природные водо-
емы в очень запущенном состоянии, либо сточная вода, поступающая на очистные
сооружения. Иногда вычисленный ранг превышает X - это говорит о необходимо-
сти применения специальных очистных сооружений с несколькими ступенями био-
логической очистки для восстановления нормального очищения такой воды. Очист-
ные сооружения можно оборудовать на берегу реки с отводом части загрязненного
потока на очистку и последующим выпуском очищенной воды в основное русло
ниже по течению. Можно организовать строительство передвижных установок для
Глава 9
241
экстренных работ на берегу водных объектов, пострадавших от аварийных массиро-
ванных сбросов загрязнений. Новая концепция очистки сточных вод, описанная в
гл. 7 и ставшая основой нового принципа очищения воды, реализованного в Биобло-
ках с различным набором последовательных устройств, позволяет без промедлений
приступить к их изготовлению, при условии соответствующего финансирования.
Там описаны и мобильные Биоблоки для экстренной очистки сильно загрязненной, в
том числе сточной воды.
В водных объектах II-IX рангов способность к самоочищению в разной степени
нарушена, соответственно, чем больше нарушено самоочищение, тем больше нужно
затратить средств на его восстановление. Таковы, к сожалению, большинство ис-
пользуемых человеком водных объектов или их участков. Кстати, часто один и тот
же водоем в разных участках нуждается в восстановительных дотациях в различной
степени.
После выполнения биоэстимационного анализа ранг конкретного водного объ-
екта по его способности к самоочищению вычисляется по формуле:
Лёранга = Иф. + Ete (^,/7Упор), (9.1)
где Иф - число факторов (из 9-ти), в которых отмечено превышение пороговой чис-
ленности биоэстиматоров (для Б-3 и Б-4 - превышение отношения их численностей
контрольного значения);
lg (jV,/jVnop) - кратности превышения численности биоэстиматоров над ее порого-
вым значением. Вычисленное значение ранга округляется до целых величин.
Разберем примеры, приведенные в табл. 9.5.
Таблица 9.5
Примеры биоэстимационного ранжирования
Биоэстиматоры тыс./мг Ранги
Группы факторов динамичности нагрузки промстока
№№ биоэстиматоров 1 2 3/4 5 6 7 8 9 10
Пороговая численность 3,5 2,9 1,0 15,0 4,7 2,9 2,9 1,5 4,7
1. Пруды в Болдино 714 6,4 2,7 0 0 0 0 0 0 VI
2. Дачный пруд 2 а. до мер. 2 6. после мер. 32,3 2,8 1,8 0 0 0 0 0 0 III
1,2 0 0,9 0 0 0 0 0 0 1
3. Река Сходня выше сброса ниже сброса 14,4 0 0,1 0 9,6 0 0 0 0 III
1,3 0 0,05 0 12,5 0 0 0 0 I
4. ОС водостока в г. Зеленоград 5,2 0 2,0 0,4 14,7 0 14,7 0 7,9 VI
5. Канал в Амстердаме 10,7 1,8 3,6 13,7 62,5 0 0 0 1,8 v
242
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
1. В последние годы каскад прудов в имении Пушкиных в Болдино стал зарас-
тать ряской. Приехавшая туда комиссия, используя традиционные методы контроля,
увидела причину этого явления в илонакоплении на дне прудов и предложила вы-
гребать ил бульдозером. Но эти меры не помогли, т.к. илонакопление - это следст-
вие нарушения процесса самоочищения, а не его причина. Не выявив и не устранив
истинную причину нарушения процесса, можно ежегодно выгребать ил, но так и не
добиться восстановления нормального хода самоочищения.
Причину удалось выявить только посредством биоэстимации. Как видно из
табл. 9.5, наблюдается значительное превышение конкретной численности Б-1, и
небольшое - Б-2 и Б-З/Б-4, что означает хроническое нарушение процесса по группе
факторов «динамическое обеспечение». Это и вызвало застаивание и загнивание ила
на дне пруда, а затем и зарастание его ряской. Выяснилось, что после благоустрой-
ства территории заповедника и прокладки вокруг прудов дорожек без дренажей под
ними, свободное прохождение малых водных потоков было блокировано, проточ-
ность пруда снизилась. Достаточно проложить дренажные трубы под дорожками - и
можно обойтись без бульдозера.
Ранг пруда в Болдино вычислили по вышеприведенной формуле (9.1):
Иф = 3, так как превышены 3 показателя соответствующей группы;
Zlg(M/M>op) = IgWMiopi + lgAWnoP2 + lg^j/ЧорЗ = lg714/3,5 + 1g 6,4/2,9 + lg2,7/1,0 =
=2,3 + 0,3 + 0,4 = 3,0;
таким образом, №ранга = 3 + 3,0 = 6. Шестой ранг говорит о серьезном нарушении
самоочищения воды.
2. Похожая, но не такая запущенная ситуация была обнаружена на нашем дач-
ном пруду: вода в нем была очень мутной, на дне лежал толстый слой ила, а на по-
верхности плавала тина. Биоэстимация показала, что пороговую численность, так же
как и в случае с прудами в Болдино, превышают биоэстиматоры динамического
обеспечения. Пруд до мероприятий - 2а: №ранга = 2 + 1,3 = 3,3, относился к 3-му ран-
гу (III). После того как в пруд завели через канавку воду от ближайшего родника и
сделали отвод из нижней части пруда в лес, в течение 2-х месяцев мы наблюдали,
как вода становится все прозрачней; наконец, стало просматриваться чистое дно.
Пруд после проведения мероприятий - 26: по показаниям биоэстимации, нарушений
процесса в это время уже не выявлялось; такие водоемы относятся к 1 -му рангу.
Далее показано, как сброс сточных вод влияет на самоочищение в реке Сходня.
3. В реке выше сброса выявились нарушения по факторам «динамическое обес-
печение» и «нагрузка». Река Сходня выше сброса очищенных сточных вод имеет
№ранга = 2 + 0,9 = 2,9, то есть 3-й ранг.
Наши малые реки часто страдают от маловодья; возвращение им хорошо очи-
щенной воды всегда улучшает самоочищение, как было показано на примере р.
Сходня. В данном случае сбрасывается очищенная, доочищенная на фильтрах и
обеззараженная ультрафиолетовым облучением сточная вода ЗСА.
4. Та же река Сходня ниже сброса: №ранГа = 1 + 0,4 = 1,4, имеет 1-й ранг (I).
Уменьшение ранга подчеркивает благотворное влияние сбрасываемых вод высокой
степени очистки на процесс самоочищения воды в этой малой реке. Отметим, что в
Глава 9
243
воде реки Сходня ниже сброса увеличилась нагрузка по трудно окисляемым веще-
ствам (превышение Б-6): это вызвано тем, что город Зеленоград использует в каче-
стве питьевой волжскую воду, содержание трудно окисляемого водного гумуса в
которой больше, чем в р. Сходня, а основа сточной воды - питьевая. Поэтому вос-
становление самоочищения воды в реке до нормы еще потребует пресечения гуму-
совых потоков, то есть смывов почвы как в саму реку Сходня, так и в верховье реки
Волга в том месте, где идет забор воды в канал Москва - Волга (источник питьевого
водоснабжения г. Москва и Зеленоградского округа в том числе).
Часто после ливня вода в реке бывает очень мутной, и традиционный контроль
указывает на низкое качество воды. Однако численность биоэстиматоров, разделен-
ная на количество взвешенных веществ в данной пробе воды, может оказаться без
существенных изменений, то есть оценка процесса практически не изменится по
сравнению с таковой до ливня, поскольку биоэстимационный анализ характеризует
не качество, а процесс очистки воды. Следует заметить, что взвеси мы предвари-
тельно анализируем при большом увеличении микроскопа с целью определить в них
процентное содержание примесей, которые затем вычитаются из общего количества
взвешенных веществ для определения отношения численности биоэстиматоров.
5. В «техническом» пруде очистных сооружений водостока в г. Зеленоград с по-
мощью биоэстимации выявлено нарушение процесса по всем трем группам факто-
ров: недостаточное динамическое обеспечение, перегрузка деструкторов и нару-
шающее воздействие промышленных стоков, а именно, токсикантов и нефтепродук-
тов. Пруд-отстойник водостока: №ранга = 5 + 1,4 = 6 - относится к 6-му рангу. Здесь
нельзя полагаться на самоочищение в реке, поэтому вода после «технического» пру-
да подается на биологическую очистку в специальный биопруд и только после это-
го - в реку Сходня.
6. Биоэстимация пробы солоноватой воды из канала в центре города Амстердам
выявила нарушение самоочищения и по динамическому обеспечению процесса, и по
нагрузке деструкторов загрязнений: №ран,а = 3 + 2,2 = 5,2, то есть V, хотя вода на вид
была чистой. В этом случае следует сказать, что прогноз по качеству воды - небла-
гоприятный, если не заняться восстановлением нормального хода ее самоочищения.
Здесь мы могли бы порекомендовать (если бы нас спросили) увеличить количество
дренажей под бетонированными берегами, а также подсадку в канал сплавины с
высшей водной растительностью на специальных плавающих носителях, прорастая
которые, корневища растений создадут нишу для многочисленных микроорганиз-
мов-деструкторов загрязнений, снимая таким образом перегрузку деструкторов в
толще воды.
Осуществив негативное вмешательство в нормальную жизнь водоема, нарушив ее.
человек обязан продолжить вмешательство, уже позитивное, для того чтобы восста-
новить нормальный ход самоочищения воды в нем. Для этого нужно оценить, нор-
мально ли протекает процесс самоочищения, а это - не очевидный факт, одних сведе-
ний о качестве воды недостаточно. Например, после шторма качество воды может
быть чрезвычайно низким, но процесс биотического самоочищения в это время наи-
лучший. И наоборот, если качество воды еще соответствует норме, то процесс ее
очищения может быть нарушен, а прогноз по качеству воды - неблагоприятный.
244
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Таким образом, биоэстимационный анализ дает интегральную характеристику
процесса самоочищения вод в конкретном участке водоема и содержит информацию
о прошлых воздействиях и о тенденциях изменения качества воды; даже разовые
анализы достаточно информативны. Восстановительные рекомендации входят в
биоэстимацию как неотъемлемая составная часть. Биоэстимационное ранжирование
помогает расставить приоритеты при проведении восстановительных работ.
Глава 10
СОПОСТАВЛЕНИЕ БИОИНДИКАЦИИ
И БИОЭСТИМАЦИИ; МЕЖДИСЦИПЛИНАРНОЕ
ЗНАЧЕНИЕ БИОЭСТИМАЦИИ
10.1. Гидробиологические методы в системе экологического
мониторинга
Интегрируя новый элемент в сложившуюся систему знаний, необ-
ходимо соотнести его с существующими элементами данной сис-
темы. Сложившаяся система знаний - это экологический мониторинг, а новый эле-
мент - это биоэстимация, который мы попытались сопоставить с таким неотъемле-
мым для экологического мониторинга гидробиологическим методом, как биоинди-
кация. Сразу отметим, что биоиндикация и биоэстимация - два гидробиологических
метода, вернее два направления гидробиологических исследований, имеющих раз-
личные назначения. Биоиндикация предназначена для оценки качества воды, или
состояния водной среды, а биоэстимация - для оценки процесса ее самоочищения
(обеспечение жизнедеятельности основных редуцентов). Условно назовем первое
направление - качественным, а второе - функциональным. Основное отличие пред-
лагаемого направления - возможность регулирования процесса самоочищения непо-
средственным воздействием на водный объект за счет типовых восстановительных
рекомендаций, являющихся частью методики.
Классическая система показательных организмов, получившая название био-
индикация, была создана ботаником Р. Кольквитцем и зоологом М. Марссоном. В
1902 году они подробно описали гидробиологический анализ воды с помощью
специальных организмов-биоиндикаторов, из которых двум основным группам
организмов-антагонистов, установленным К. Мецем, дали название сапробионты
(от греч. sapros - гнилой, разлагающийся) для обитателей сточных вод и катароби-
онты (от греч. katharos - чистый) для организмов, населяющих исключительно
чистые воды. Под сапробностью авторы системы понимали способность организ-
мов развиваться при большем или меньшем содержании в воде гниющих органи-
ческих загрязнений. В 1908-1909 годах они опубликовали, а затем дополняли об-
ширные списки показательных растительных и животных организмов-
индикаторов, получивших свои индексы сапробности в зависимости от степени за-
грязнения воды (цит. по Вудивиссу, 1981).
246
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Эти списки многими авторами и за рубежом, и в России подвергались тщатель-
ной проверке, в них вносились изменения применительно к местным условиям. Бы-
ло доказано, что ряд показательных организмов в водах России имеет иное значе-
ние, чем в водах Германии, то есть показана региональность этого метода.
С целью унификации разрозненных биоиндикационных методов контроля, на-
чиная с 1962 года, руководителями водоохранных органов стран-членов Совета
экономической взаимопомощи, куда входил и СССР, проводилась большая работа.
Эта работа завершилась в 1976-1977 годах подготовкой и изданием сборника «Уни-
фицированные методы исследования качества вод», один из томов которого цели-
ком состоит из списка и атласа сапробных организмов, включающего более 2000
таксонов с указанием их сапробной валентности. С помощью данных этого атласа
устанавливают степень загрязнения водоема органическими гнилостными вещест-
вами и определяют степень сапробности - от ксеносапробной до гиперсапробной
(Унифицированные методы..., 1977).
Именно по этому руководству в основном составляются базы данных для даль-
нейшей обработки с помощью современных компьютерных программ и создания по
ним систем биоиндикации для различных водных объектов. Гидробиологи всех
стран пользуются данными этого атласа; их модифицируют, корректируют и адап-
тируют согласно постановленным задачам, с целью дать интегральную оценку каче-
ства водной среды в конкретном регионе.
В этом атласе можно встретить и представителей всех десяти групп показатель-
ных микроорганизмов, используемых в биоэстимации. В то же время видовое на-
полнение каждой эстиматорной группы выходит за рамки этого атласа. В частности,
в процессе разработки биоэстимации было описано несколько новых видов микро-
организмов. Но идентификация до вида внутри биоэстиматорных групп и определе-
ние сапробной валентности в биоэстимации не требуются.
Метод биоиндикаци используется на протяжении более чем 100 лет и позволяет
дать интегральную характеристику водной среды в части загрязнения ее гниющей
органикой. Он является одним из основных методов анализа качества вод в различ-
ных водных объектах, применяемым в экологическом мониторинге. Под экологиче-
ским мониторингом понимают разнообразные системы наблюдений за изменениями
состояния окружающей среды в пространстве и времени, вызванными антропоген-
ными причинами позволяющие оценивать и прогнозировать развитие этих измене-
ний (Трифонова и др., 2005). Термин «мониторинг» образован от латинского слова
monitor - предостерегающий. «Современный словарь иностранных слов» (1992) дает
такое определение этому понятию: «мониторинг - это наблюдение, оценка и про-
гноз состояния окружающей среды в связи с хозяйственной деятельностью челове-
ка». То есть в самом определении заложено наблюдение за состоянием водного объ-
екта, но не за процессом формирования качества воды.
Отметим, что неблагополучие природных объектов, в частности водоемов, не
всегда связано с антропогенным воздействием: неблагополучие может быть вызвано
и силами природы (цунами, извержением вулканов, продуктами жизнедеятельности
мигрирующих животных и др.). В то же время многочисленные природоохранные
организации призваны заниматься не только охраной, но и восстановлением при-
Глава 10
247
родной среды посредством его биологической мелиорации, т.е. улучшением его со-
стояния при помощи биологических мероприятий. В этом контексте метод биоэсти-
мации, неотъемлемой частью которого является комплекс восстановительных реко-
мендаций, может быть весьма полезным.
По специфике методов измерения и оценки информации выделяют мониторинг
биологический, геохимический и геофизический. По специфике объектов наблюде-
ния выделяют мониторинг атмосферы, почв, вод, растительных ресурсов, лесов, жи-
вотного мира, антропогенной, транспортной, рекреационной нагрузки, медико-
демографический мониторинг и др. Комплексный экологический мониторинг - это
сложная система, предусматривающая выделение объекта наблюдения, обеспечение
наблюдений техническими средствами измерений, оценку состояния объекта, обес-
печение сбора, обработки, хранения и выдачи необходимой информации ее потре-
бителям. В 1993 году Правительством РФ было принято постановление «О создании
Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ)». Система
призвана решать ряд задач, объединенных в два блока: мониторинг загрязнения эко-
систем; мониторинг экологических последствий загрязнения (Трифонова и др.,
2005). И в этой системе процесс формирования качества остается за кадром.
В системе ЕГСЭМ водных объектов применяются различные гидробиологиче-
ские методы контроля качества воды. «Гидробиологический анализ - важнейший
элемент системы наблюдений за уровнем загрязнения поверхностных вод и донных
отложений» (Руководство по гидробиологическому контролю..., 1992). Обратим
внимание на слова: «уровень загрязнения» - это, бесспорно, важно знать, но этот
гидробиологический анализ не отвечает на такие вопросы: что является источником
загрязнения и как его устранить.
Биологическая индикация воды - это оценка качества воды по наличию водных
организмов, являющихся индикаторами ее загрязненности (ГОСТ 27065-86, п. 38).
Обратим внимание на слово «наличие» - наличие или отсутствие организма - слу-
чайный показатель, зависящий от прилежания гидробиолога, ведущего учет.
Биологическое тестирование воды - оценка качества воды по ответным реакци-
ям водных организмов, являющихся тест-объектами (ГОСТ 27065-86, пункт 39). От-
ветная реакция, а именно гибель и снижение плодовитости, может ответить на во-
прос, насколько токсична вода, установить класс опасности отходов. Но биотести-
рование не отвечает на вопросы, связанные с причиной и устранением токсичности.
Биологическая эстимация - это оценка процесса очищения воды, то есть форми-
рования ее качества по изменению численности экологических групп, являющихся
биоэстиматорами основных факторов, воздействующих на жизнедеятельность реду-
центов. Биоэстимация призвана ответить на вопросы: нормально протекает процесс
или он нарушен? По какой причине нарушен? Какие восстановительные меры сле-
дует предпринять? (Никитина и др., 2005). Биоэстимация не характеризует само ка-
чество воды, но может ответить на вопрос: «Каков прогноз по качеству воды, ухуд-
шится или улучшится оно в ближайшее время?»
Итак, в существующей системе мониторинга водных объектов определяется
только качество воды, которое является результатом длительного процесса ее само-
очищения, то есть результатом жизнедеятельности сапротрофных микроорганизмов.
248
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
ЕГСЭМ желательно дополнить методом оценки процесса формирования качества
воды, что является залогом превентивных, по отношению к качеству воды, восста-
новительных мероприятий. Гидробиологическая оценка процесса самоочищения во-
ды - биоэстимация - имеет некоторые формальные черты сходства с биоиндикаци-
ей. Эти два гидробиологических метода имеют и существенные различия, которые
следует подробнее рассмотреть в этой связи.
«Биоиндикация - это определение биологически значимых нагрузок на основе
реакций на них живых организмов и их сообществ. В полной мере это относится ко
всем видам антропогенных загрязнений» (Криволуцкий и др., 1988). Следовательно,
по благополучию биоиндикаторов можно судить о благополучии водной среды.
В биоэстимации наоборот: показательные организмы - биоэстиматоры - дают
вспышку численности именно при нарушениях процесса самоочищения, то есть
указывают на неблагополучие системы в целом (гл. 5).
Биоиндикатор - группа особей одного вида, или сообщество, по наличию, со-
стоянию и поведению которых судят об изменениях в среде, в том числе о присут-
ствии и концентрации загрязнителей (Реймерс, 1994). Для выявления разных загряз-
няющих веществ используются разные виды биоиндикаторов (Миркин, Наумова,
2003).
Биоэстиматор - экологическая группа микроорганизмов, зачастую не связан-
ных систематической принадлежностью, но сходным образом реагирующих на из-
менение факторов воздействия на процесс самоочищения воды (Никитина и др.,
2005).
В настоящее время понятие биоиндикации расширилось. Биоиндикация осуще-
ствляется на различных уровнях организации биосферы: на уровне макромолекулы,
клетки, органа, организма, популяции, биоценоза (Биоиндикация..., 1994).
Биоиндикация, вместе с другими методами (химическими, физическими), при
использовании современных методов статистической обработки данных позволяет
оценить качество воды с большой точностью, при этом выявляются и огрехи суще-
ствующего нормирования качества вод. Существенным вкладом в развитие этого
направления исследований является разработанная Н.Г. Булгаковым технология
контроля природной среды, основанная на оригинальных методах статистической
обработки данных экологического мониторинга (Булгаков, 2003).
В качестве биоиндикаторов могут быть использованы практически все группы
организмов, населяющие водоемы и водотоки (планктонные и бентосные беспозво-
ночные, простейшие, водоросли, макрофиты, бактерии и рыбы), при этом каждая
группа организмов имеет свои преимущества и недостатки, которые определяют
возможности ее использования при биоиндикации. В биоиндикации используется
бактериопланктон, фитопланктон, зоопланктон, перифитон и зообентос. Особенно
большое значение имеют простейшие, так как они являются высокочувствительны-
ми индикаторами загрязнения водоемов органическим веществом. Существуют экс-
пресс-методы оценки качества вод по простейшим, что позволяет быстро получать
нужную информацию. Особенно большое количество информации о состоянии вод-
ной среды по зоопланктону удалось получить С.В. Креневой, благодаря разработан-
ным ею новым методическим подходам (Кренева, 2000).
Глава 10
249
Значение простейших очень велико и в биоэстимации. Фитопланктон в биоэсти-
мации используется только гетеротрофный, то есть тот, который из-за обилия пищи
утратил способность фотосинтезировать. Бентосные микроорганизмы, так же как и
представители перифитона, в системе биоэстимации учитываются только при попа-
дании их в толщу воды в результате нарушения процесса самоочищения.
В биоиндикации используются и макроорганизмы: высшие водные растения, их-
тиофауна. Особенно интересна многогранная работа И.Н. Ильина, посвященная эко-
логии океанического обрастания, одна из ее граней - обоснование применения ранее
недостаточно изученных макроорганизмов - морских уточек (Lepadidae) - в качест-
ве биоиндикаторов температуры, солености, глубины, верхней границы термоклина
и динамики вод (Ильин, 2003). В отличие от традиционного подхода к биоиндика-
ции, используемой в пресноводных объектах, И.Н. Ильин разрабатывает биоинди-
кацию океанических вод, выявляя по биоиндикаторам целый комплекс экологиче-
ских показателей.
В биоэстимации ни высшие водные растения, ни многоклеточные животные не
используются, так как они достаточно медленно размножаются, чтобы изменением
своей численности сигнализировать об изменении нарушающих воздействий на
процесс жизнедеятельности микроорганизмов-деструкторов загрязнений. Для этой
цели пригодны только микроорганизмы.
В России иногда биоиндикацию применяют для определения сапротоксобности,
разработанной В.А. Яковлевым (1988) для водоемов и водотоков Кольского Севера
с учетом загрязнений, вносимых различными предприятиями региона.
В биоэстимации нарушения, вызванные токсикантами, также не остались без
внимания. Мы исходим из того, что токсические вещества - это такие вещества, ко-
торые подавляют рост бактерий-деструкторов, вследствие чего в воде разрастаются
организмы, имеющие те же предпочтения, что и бактерии, но уступающие им в тем-
пе размножения, а это - гифомицеты. Такие же типичные сапрофиты, но более ус-
тойчивые к токсикантам, чем бактерии, они дают вспышку численности в тех участ-
ках водного объекта, в которых подавляется рост сапротрофов, а именно в воде с
различными бактерицидными примесями. Именно по превышению численности ги-
фомицетов (биоэстиматора № 8, или Б-8) в воде мы судим о нарушающем воздейст-
вии токсикантов (см. гл. 4 и 5).
Особое внимание в биоиндикации уделяется видовому составу сообществ водного
объекта, так как неточность в определении вида гидробионта искажает результат са-
пробиологического анализа. В системе биоэстимации определение до вида не акту-
ально, так как в каждом водном объекте соответствующая биоэстиматорная группа
может иметь иное видовое наполнение, оставаясь показателем конкретного нару-
шающего фактора, например - проточности, или перегрузки деструкторов органикой.
В некоторых случаях невозможно получить полную гидробиологическую кар-
тину, например, при недостаточной изученности объекта (впервые описываемые,
искусственные, соленые и др., объекты, для которых не разработана система са-
пробности). Здесь биоэстимационный анализ в силу своей универсальности охарак-
теризует, если не качество воды, то, по крайней мере, процесс самоочищения воды и
даст прогноз по качеству воды (его улучшение или ухудшение). Эти сведения могут
250
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
использоваться для разработки восстановительных мероприятий, даже если другие
методы контроля не дают тревожной информации.
Для наиболее полной характеристики водных экосистем желательно использо-
вать различные направления гидробиологических исследований: и биоиндикацию, и
биотестирование, и биоэстимацию.
10.2. Некоторые проблемы, связанные с применением
системы биоиндикации
При разработке нового гидробиологического анализа мы старались
учесть опыт, накопленный исследователями, работавшими над
системой биоиндикации, особенно обращая внимание на отмеченные ими пробле-
мы, связанные с ее применением.
Так, для осуществления любой, самой совершенной и технически оснащенной
системы биоиндикации нужна база данных по биоиндикаторам. Но использование
каждой биоиндикаторной группы имеет свои недочеты.
Бактерии требуют применение специального оборудования для стерилизации,
посева и инкубации; разные методы подсчета дают разные результаты; бактерио-
планктон быстро восстанавливается после стрессовых ситуаций, можно их и не
уловить.
Водоросли не могут использоваться при выявлении фекального загрязнения; они
обладают слабой чувствительностью к тяжелым металлам и пестицидам; даже в те-
чение суток может произойти перераспределение их в пространстве.
Учитывая эти замечания, мы с самого начала не стали применять бактериологи-
ческий и альгологический анализы в разрабатываемой системе.
Показатели сапробности, определяемые по зообентосу, отличаются от анало-
гичных показателей, полученных по зоопланктону, так как на дне водоемов и водо-
токов (даже чистых) всегда скапливаются, пусть и в небольших количествах, мерт-
вые, гниющие органические вещества. Учитывая это обстоятельство, мы стали ис-
пользовать в качестве биоэстиматоров только те организмы, которые находятся в
толще воды, независимо от того, являются они представителями зоопланктона или
зообентоса (мы убедились, что представители зообентоса зачастую оказываются в
толще воды в результате нарушения процесса ее самоочищения).
Ряд авторов (Zimmerman, 1961; Elster, 1966; Макрушин, 1974; Белоголовая, 1984;
Балушкина, 1997, 2002; Шитиков и др., 2003) отмечают некоторые недочеты и само-
го метода биоиндикации.
1. Зависимость результатов определения индексов сапробности от уровня ква-
лификации исследователя (особенно если требуется точное определение видового
состава гидробионтов). Выводы биоэстимации тоже зависят от уровня квалифика-
ции исследователя, но в значительно меньшей степени, так как не требуется опреде-
ления видовой принадлежности биоэстиматоров.
2. Многие системы индикаторных организмов разработаны для определенных
зоогеографических условий и расчеты не могут быть экстраполированы на другие
регионы. В биоэстимации не требуется региональной корректировки.
Глава 10
251
3. Выводы биоиндикации зависят от сезонов года, так как ритмика жизни значи-
тельной части биоиндикаторов, в свою очередь, зависят от времен года. В биоэсти-
мации используются микроорганизмы, жизнедеятельность которых связана не с се-
зонами года, а с изменением таких факторов, как проточность, токсичность и др.
4. Для заключения о качестве вод недостаточно данных, полученных только био-
индикационным методом либо другим методом, если он один; необходимо приме-
нять целый спектр различных биологических, физических и химическиих методов,
подвергая все полученные данные статистической обработке. В отличие от оценки
качества вод, оценка процесса самоочищения воды может быть выполнена с исполь-
зованием только одного метода - биоэстимации. Однако для сравнения биоэстима-
ции в различных водных объектах или по мере принятия восстановительных меро-
приятий в одном объекте целесообразно полученную численность биоэстиматоров
пересчитать на взвешенные в воде вещества (количество взвесей может часто и рез-
ко изменяться, например, после дождей, а ход самоочищения изменяется за месяцы
и годы). Таким образом, для получения сравнимых данных по ходу самоочищения,
помимо биоэстимации, требуется один дополнительный показатель - количество
взвешенных в воде веществ.
5. Большую проблему представляет связь шкал сапробности и токсобности (под
токсобностью предлагается понимать, по аналогии с сапробностью, способность ор-
ганизма развиваться в воде с той или иной степенью загрязнения токсичными веще-
ствами минеральной или органической природы) и создание шкалы сапротоксобно-
сти. Существуют таблицы распределения организмов по четырем зонам токсобно-
сти: политоксобные, а-мезотоксобные, Р-мезотоксобные и олиготоксобные воды.
Гидрохимические показатели с большим трудом соотносимы с комплексными био-
логическими реакциями, т.к. химический анализ все же исследует свойства воды, в
то время как сапробиологический анализ характеризует водоем в целом. Не сущест-
вует «токсичности вообще» (а следовательно, и «токсобности вообще»), а сущест-
вуют сотни и тысячи химических веществ, попадающих в природные водоемы и об-
ладающих различным и глубоко специфическим механизмом вредного действия на
живые организмы. Большинство исследователей полагают, что индикаторные орга-
низмы не могут быть одинаково чувствительными ко всем типам загрязнения: био-
генными веществами, нефтепродуктами, тяжелыми металлами, детергентами, пес-
тицидами и т.п. Л.П. Брагинский (1985) приходит к выводу, что «принципиальные
различия между «обычным» органическим загрязнением и токсическим не позволя-
ют строить систему классификации токсичных вод как простой аналог системы са-
пробности, основанный на учете способности организмов существовать в токсичной
среде, поскольку в такой среде большинство гидробионтов вымирает. Видов, пред-
почитающих токсические среды (особенно при загрязнении ксенобиотиками), в от-
личие от сапробных, в природе не существует». Таким образом, речь может идти
только об определенной степени резистентности отдельных видов к отдельным ти-
пам токсикантов, а не о предпочтениях. Наше мнение по поводу очищения воды с
токсикантами: поскольку вода очищается бактериями, то все вещества, подавляю-
щие рост бактерий, приводят к вспышке численности их конкурентов за органику -
252
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
гифомицетов, устойчивых к бактерицидным загрязнениям, по численности которых
можно судить о степени нарушения процесса за счет токсикантов (см. гл. 4).
6. Использование биоиндикации на быстро текущих реках и на стоячих водо-
емах приводит к разным оценкам качества воды в силу того, что в стоячем водоеме,
в отличие от быстрой реки, происходит накопление гниющей органики. В биоэсти-
мации нет зависимости от качества воды: и в заведомо грязной воде процесс само-
очищения ее может протекать нормально, и в сравнительно чистой - быть нарушен-
ным. Поэтому важно определить не скорость течения, а соответствует ли проточ-
ность конкретному процессу самоочищения.
7. Проводя биоиндикационный контроль, трудно установить причинно-следст-
венную связь типа «воздействие-эффект». Например, промышленные сточные воды
могут содержать как токсичные вещества, так и вещества, способствующие росту и
популяционному развитию отдельных групп водных организмов, в результате чего
отклик экосистемы становится прямо противоположным прогнозируемому. В био-
эстимации выявляется не влияние сточных вод на отдельные гидробионты, а какой
именно сток вызвал нарушение процесса. В настоящее время мы можем выявить на-
рушающее влияние промышленных стоков, содержащих четыре группы загрязне-
ний: сахара, спирты, токсиканты и нефтепродукты (жиры). Основные промышлен-
ные загрязнения, по нашим наблюдениям, укладываются в эти четыре группы.
8. Математизация биоиндикации в реальных условиях относится к классу плохо
формализуемых задач (Мазуров, 1982), поскольку характеризуется следующими
особенностями: существенной многомерностью факторов среды и измеряемых па-
раметров экосистем; сильной взаимообусловленностью всего комплекса измерен-
ных переменных; нестационарностью большей части информации об объектах и
среде; трудоемкостью проведения всего комплекса измерений в единых координа-
тах пространства и времени, в результате чего обрабатываемые данные имеют об-
ширные пропуски. В связи с этим нахождение адекватной связи индикаторов и ин-
дицируемых свойств является типичной операцией с «размытыми» множествами
[Заде, 1974], а следовательно, характеризуется существенной неопределенностью
(стохастичностью). В биоэстимации математические методы применялись лишь на
стадии выбора наиболее ценных биоэстиматоров и при расчете пороговых числен-
ностей, с которыми следует сравнивать результаты конкретного анализа. Во время
проведения биоэстимационного анализа требуется выполнить лишь несколько
арифметических действий.
Критика биоиндикации не умаляет той огромной роли, которую она сыграла и
продолжает играть в деле охраны окружающей природной среды и оценки ее каче-
ства. Учет опыта построения биоиндикации помог в построении нового метода кон-
троля - биоэстимации.
10.3. Особенности системы биоэстимации
1 Метод биоэстимации не дает информации о качестве воды в мо-
• мент отбора пробы, так как качество воды является результатом
процесса ее самоочищения, а изменения процесса опережают изменения качества на
Глава 10
253
значительный срок. Но для определения качества воды существует множество мето-
дов, в то время как для контроля процесса формирования качества - только биоэс-
тимация. Биоэстимация дает информацию о том, улучшится качество воды, которое
было в момент отбора пробы, или оно ухудшится. Биоэстимационный сигнал о на-
рушении процесса очищения воды отстоит от факта снижения качества воды на зна-
чительный срок, который зависит от интенсивности процесса. Например, в аэротен-
ках - это сутки или недели, а в озере - годы, десятки лет.
2. При выполнении биоэстимации требования к оборудованию рабочего места
значительно более строгие, чем при выполнении других гидробиологических мето-
дов, при выполнении которых исследователь имеет дело с более крупными показа-
тельными организмами. Мелкие биоэстиматоры (в среднем их размеры - 2-5 мкм)
хорошо различимы только при надлежащей юстировке микроскопа, большом увели-
чении и особой чистоте оптических и предметных стекол.
3. Некоторые показательные организмы, входящие в биоэстиматорные группы,
недостаточно изучены, встречаются новые виды; некоторые организмы до вида не
идентифицированы, но для подсчета требуется распознавание, а не идентификация.
Из-за малых размеров большинство гидробиологов не обращают внимания на био-
эстиматоров, принимая их за элементы загрязнения. Не все биоэстиматоры распо-
знаются гидробиологами по их описанию (заочно), требуется обучение на специаль-
ных семинарах. Но знаний систематики низших растений и беспозвоночных живот-
ных, а также наличие крайне дефицитных определителей, не требуется, так как при
обучении достаточно показать представителей биоэстиматорных групп, после чего
обучаемые начинают их узнавать в любых водных объектах.
4. Отсутствуют учебные пособия и атласы по биоэстимации. Обучающиеся спе-
циалисты должны сами рисовать для себя атласы показательных организмов, при
этом усиливается запоминание их облика. В настоящее время составлена краткая
инструкция по проведению биоэстимационного контроля и готовится к публикации
подробное иллюстрированное методическое пособие.
5. Для биоэстимации используются только нефиксированные пробы с живыми
гидробионтами, но это обстоятельство несколько компенсируется тем, что проба во-
ды сохраняет репрезентативность в течение многих недель.
6. Биоэстимация открыта для совершенствования. Так, например, превышение
пороговой численности 1-го биоэстиматора в конкретной пробе воды означает, что
процесс нарушен из-за недостаточной проточности, и в любом случае требуется ее
увеличение. Но превышение численности биоэстиматора в 5 или в 500 раз требует
увеличения проточности не в 5 или 500 раз; здесь нужен какой-то коэффициент, ко-
торый пока не установлен. Еще пример: по превышению численности флокул с ярко
выраженной зернистостью - роговидных, шаровидных, лопастных и др., судят о на-
рушающем воздействии на процесс различных сахаров. Намечено проведение ряда
экспериментов по образованию, трансформации, деградации и восстановлению зер-
нистых флокул разной формы и текстуры. Дальнейшая детализация биоэстимации
сделает метод еще более информативным.
7. Некоторые положения биоэстимации не вполне очевидны с точки зрения тра-
диционной системы взглядов на гидробиологический контроль, что осложняет на
254
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
начальных этапах освоение метода, а также его восприятие широкой научной обще-
ственностью. Однако на практике он помогает решать проблемы, которые ранее не
решались, поэтому новый метод приобретает все большую популярность.
8. Существенным преимуществом биоэстимации является возможность ограни-
чить объем доставляемой для анализа пробы воды всего 10-15 см3 (в небольшую ко-
робочку из-под пенициллиновых пузырьков может поместиться 10 проб). Однако при
маркировке проб следует указывать прозрачность данной воды в см (по Снеллену).
10.4. Краткая сравнительная характеристика биоиндикации
и биоэстимации
Обобщение многочисленных гидробиологических методов, осно-
ванных на системе биоиндикации, привело к выводу о том, что все
они направлены исключительно на контроль качества воды или состояния водного
объекта. О том, что с помощью биологического анализа можно контролировать
процесс самоочищения воды, речь вообще не шла: по-прежнему в мировой практике
гидробиологические методы направлены на установление качества воды в водном
объекте и не отвечают на вопросы о самом процессе самоочищения. Но нельзя
предъявлять претензии к термометру за то, что с его помощью нельзя измерять ар-
териальное давление, для этой цели нужен другой прибор. Точно также невозмож-
ность отобразить процесс самоочищения воды с помощью биоиндикации нельзя по-
ставить в упрек этому методу, так как он предназначен для анализа качества воды.
В информационно насыщенной монографии «Количественная гидроэкология:
методы системной идентификации» (Шитиков и др., 2003) рассматриваются совре-
менные теоретические концепции биоиндикации применительно к экологическому
мониторингу пресноводных водоемов, а также предлагаются структурные схемы
функционального и информационного описания экологических систем. Приводятся
и расширенный обзор методов их математического моделирования, конкретные рас-
четные формулы и таблицы, описывающие ГОСТируемые и традиционно употреб-
ляемые методы оценки качества вод, что дает возможность использовать цитируе-
мую монографию в качестве справочного пособия. Подробно обсуждаются крите-
рии и расчетные индексы, применяемые в гидробиологических исследованиях. В
монографии авторы сетуют, что утверждения о прогнозе качества воды с использо-
ванием биоиндикации остаются невыполнимыми. К сожалению, авторы не знакомы
с методом биоэстимации, отображающим сам ход, процесс самоочищения, а изме-
нения процесса опережают изменения качества (результата этого процесса) на зна-
чительный срок. В этом заключается прогностичность биоэстимации по отношению
к качеству воды.
Дальнейшее развитие информационных и интернет-технологий неизбежно при-
ведет к работам по созданию федеральных и всемирных систем, обеспечивающих
доступ заинтересованных лиц и организаций к данным мониторинга окружающей
среды любого уровня детализации. Так, представляет большой интерес для широко-
го круга практических и научных работников информационная система «Экология
пресных вод России» (http://www.ecograde.bio.msu.ru/index.htm), разработанная на
Глава 10
255
кафедре общей экологии Московского государственного университета им. М.В. Ло-
моносова (руководители проекта В.Н. Максимов, В.А. Абакумов, А.П. Левин и
Н.Г. Булгаков). Однако в ней нет сведений о биоэстимации.
В то же время систему биоэстимации используют в своей повседневной работе
тысячи специалистов по очистке сточных вод в РФ и сопредельных странах. Обуче-
ны и начали накапливать фактический материал сотни гидробиологов, исследующих
природные водные объекты, принимающие очищенные сточные воды. Их информа-
ция также со временем пополнит соответствующие информационно-экологи-
ческие сайты.
В таблице 10.1 обобщено сопоставление биоиндикационного и биоэстимацион-
ного методов контроля.
Таблица 10.1
Краткая сравнительная характеристика биоиндикации и биоэстимации
Характеристики методов Гидробиологические методы
Биоиидикация Биоэстимация
общее
Объект исследования Пробы воды
Основной способ исследования Микроскопирование
Местообитание показ, организмов Данная водная среда
Используемые гидробионты Часть микроорганизмов используется в обоих методах
различия
Предмет исследования Качество воды Процесс очищения воды
Выявление Степени загрязнения органич. веществами Влияния нарушающих факторов
Использование макроорганизмов Да Нет
Принцип классификации показа- тельных организмов Видовой: (более 2000 таксонов) Групповой: (10 экологических группы)
Требование квалификации Высокое Среднее
Требования к оборудованию Среднее Высокое
Зависимость от сезонов года Да Нет
Обобщенный результат Индекс сапробности Биоэстимационный ранг
Сфера применения Региональная Повсеместная
Дополнение восстан. рекоменда- циями Нет Да
Цель Оценка качества водной среды Разработка восстановительных мероприятий
Общим для обоих методов является объект, то есть исследуются пробы воды,
причем показательные организмы живут в данной водной среде (этим оба метода
отличаются от биотестирования, в котором тест-объект привносится в испытуемую
воду).
256
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
И в биоиндикации, и в биоэстимации используется сходное оборудование (пре-
жде всего микроскоп). Кроме того, в обоих методах используются многие общие ор-
ганизмы (микроколонии бактерий, хламидобактерий, цианобактерии, гифомицеты и
простейшие животные); однако в биоиндикации, в отличие от биоэстимации, учи-
тываются и макроорганизмы.
Различий у этих двух методов значительно больше, чем общего. В таблице 10.1
отмечено тринадцать таких различий. Главное отличие - это предмет исследования.
Как было изложено выше, биоиндикация отображает качество воды, причем это и
является ее целью. Биоэстимация исследует процесс биотического очищения воды,
причем целью биоэстимации является разработка восстановительных мероприятий
при нарушении процесса трансформации загрязнений, то есть биоэстимация не ог-
раничивается констатацией того факта, что процесс нарушен, и даже тем, по какой
причине он нарушен. Комплекс типовых восстановительных рекомендаций - неотъ-
емлемая часть данного метода.
Остановимся подробнее на различиях биоиндикационного и биоэстимационного
подходов, которые сведены в табл. 10.1, рассмотрев основные применяемые в них
термины. >
В атлас сапробных организмов, упомянутый ранее, включено более 2000 видов
организмов на 106 табельных рисунках. Здесь представлены бактерии, грибы, водо-
росли, мохообразные, папортникообразные и семенные растения, а также простей-
шие, многоклеточные, беспозвоночные и рыбы. Отмечены и некоторые экологиче-
ские группы: бесцветные жгутиковые, инфузории, относящиеся к различным зонам
сапробности.
Если в биоиндикации используются, в основном, виды организмов, то в биоэс-
тимации используются только экологические группы микроорганизмов со сходной
реакцией на нарушающие факторы.
Если в биоиндикации используются как микро-, так и макроорганизмы, то в
биоэстимации - только микроорганизмы.
Признак, получивший отражение в самом названии «микроорганизмы» - это их
малая величина, то есть они видны только под микроскопом. Из микроскопически
малых организмов в биоэстимации используются и те, которые можно найти в «Ат-
ласе сапробных организмов»: агрегированные и нитчатые бактерии, микроводорос-
ли, водные грибы и простейшие (одноклетосные) животные. Часть организмов, вхо-
дящих в состав биоэстиматоров, не упоминается при биоиндикации.
Здесь уместно сказать о часто смешиваемых понятиях: роль в очищении воды и
роль в контроле процесса очищения воды. Основную роль в процессе очищения во-
ды играют бактерии, из-за их выносливости, высокой скорости размножения и пла-
стичности метаболизма. Пластичность метаболизма - это уникальная способность
бактерий вырабатывать необходимый фермент для переработки того субстрата, ко-
торый имеется в данный момент.
Более всего в водоемах распространены бактерии-псевдомонады. Это сборная
группа грамм-отрицательных коротких палочек (корректнее было бы называть их по
форме овоидами) с полярно расположенными выростами-жгутиками. Именно их ме-
таболизм наиболее пластичен: они могут жить в аэробных условиях и могут сущест-
Глава 10
257
вовать за счет анаэробного нитратного дыхания или использовать энергию окисле-
ния водорода.
Как было сказано выше, биоэстиматоры - это обычные обитатели загрязненных
вод. В воде, практически не содержащей органических веществ или где процесс фор-
мирования качества воды протекает без осложнений, биоэстиматоры встречаются в
крайне малых количествах. Чем больше численность биоэстиматоров, тем серьезнее
нарушения процесса очищения воды от органических загрязнений. Именно по увели-
чению численности биоэстиматоров соответствующей группы и проводится оценка,
насколько нарушен процесс очищения воды и по какой причине он нарушен.
Итак, биоиндикатор представляет собой группу особей одного вида, по нали-
чию, состоянию и поведению которых судят об изменениях в среде, в том числе о
присутствии и концентрации загрязнителей. Биоиндикаторы выбираются по видо-
вому принципу, причем неточности в определении вида гидробионта искажают ре-
зультаты сапробиологического анализа. В системе биоэстимации определение вида
не актуально.
Биоэстиматор - это группа организмов со сходной реакцией на изменение ус-
ловий среды обитания. В состав одного биоэстиматора могут входить микроорга-
низмы даже из разных царств. Например, в состав биоэстиматора № 1 (Б-1) входят
жгутиковые и животного, и растительного происхождения; в состав Б-6 входят бен-
тосные раковинные амебы - простейшие животные, а также сидеротеки - ожелез-
ненные колонии бактерий (Никитина и др., 2006). Кроме того, в разных водных объ-
ектах один и тот же биоэстиматор может иметь разный видовой состав, оставаясь
при этом показателем того же нарушающего фактора, например, застоя воды или
перегрузки основных деструкторов.
Выводы на основе биоиндикации зависят от сезонов года, так как ритмика жиз-
ни значительной части биоиндикаторов связана со сменой времен года. В биоэсти-
мации используются микроорганизмы, жизнедеятельность которых не связана с се-
зонами года. Их численность изменяется в ответ на изменения таких групп факторов
воздействия, как динамическое обеспечение процесса очищения воды, нагрузка на
основных деструкторов загрязнений, воздействия специфических загрязнений про-
мышленного происхождения.
Сфера применения биоиндикации распространяется на тот регион, для которого
разработана конкретная разновидность этого метода. В частности, биоиндикация, раз-
работанная для Европейской части Российской Федерации, в Сибири не применима,
так как многие европейские виды там не встречаются. В биоэстимации такой пробле-
мы нет: этот метод применим для анализа процесса очищения воды в любом регионе,
как в пресных, так и в соленых водах, так как указанные 10 биоэстиматорных групп
встречаются повсюду. При этом пороговые численности остаются теми же вне зави-
симости от объекта исследования, будь то биологическая очистка сточных вод в аэро-
тенке или процесс биотического самоочищения воды в природном водоеме.
Таким образом, биоиндикация и биоэстимация - два гидробиологических мето-
да, имеющие различные назначения. Дополнив знание о водном объекте информа-
цией, полученной посредством биоэстимации, можно эффективнее вести работы по
восстановлению и охране водных объектов, а также предотвращать снижение каче-
ства воды, регулируя его на стадии формирования. Совместное применение этих ме-
258
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
тодов сделает экологический мониторинг более эффективным и будет способство-
вать лучшему сохранению и восстановлению качества водных ресурсов.
10.5. Междисциплинарное значение биоэстимации
История создания биоэстимации, описанная в главе 5, служит при-
мером того, что проблема, решенная для одних экосистем, помога-
ет в решении проблем в других, на первый взгляд мало сходных экосистемах. Так,
решение проблемы контроля процесса очистки сточных вод в аэротенках оказалось
и решением целого ряда проблем, связанных с восстановлением нормального хода
самоочищения воды в природных и искусственных водных объектах.
Как было показано в гл. 2, процесс очистки и процесс самоочищения воды -
идентичны. По-видимому, в этом - проявление общего системогенетического зако-
на: биотехнологическая, новая экосистема повторяет черты ее материнской перво-
основы - гидросферы, в которой происходят аналогичные деструктивные процессы.
Используя дополнительный поток энергии, система не теряет упорядоченности,
присущей природным экосистемам (Реймерс, 1994).
Станция аэрации - модель природного водоема, в котором процесс самоочище-
ния воды многократно ускорен техническими средствами. Многие закономерности,
выявленные при наблюдении очистки сточных вод, помогают в понимании законо-
мерностей процесса самоочищения в водоемах, в которых из-за больших интервалов
времени между воздействиями и последействиями эти закономерности ускользают
от наблюдателя.
Станция аэрации - биологический реактор, и как всякая искусственная экоси-
стема, отличается от природных экосистем прежде всего прямой зависимостью от
управления извне, то есть от человека. Необходимо различать позитивное и нега-
тивное антропогенное воздействие, не синонимируя антрпогенное с негатинвным, а
природное с позитивным. Так как человек может восстановить прежнее состояние
природного объекта, как после своего нарушающего воздействия, так и после при-
родных катаклизмов, а природные катаклизмы (например, цунами) могут привести к
катастрофическим загрязнениям воды. Приходится признать, что некоторые при-
родные водоемы уже не могут нормально существовать без восстановительного
вмешательства человека, а также и то, что ряд экологов с интересом наблюдают
процесс деградации многих водных объектов вместо разработки и применения вос-
становительных мер.
Значительное ускорение природных процессов связано с большими затратами на
поддержание искусственных экосистем, но по мере развития общества их значение
будет постоянно возрастать, Прежде всего это связано, с одной стороны, с необхо-
димостью увеличения потребляемой пищи, с другой - с переработкой все возрас-
тающих отходов.
Биоэстимация может использоваться для контроля очищения воды не только в
аэротенках и в различных водных объектах, но и любой водной среде: в почвенной
влаге, в открытых полостях растений и животных.
Глава 10
259
10.5.1. Биоэстимация почвенных растворов
Многие авторы отмечают, что темпы негативного антропогенного воздействия
на природные объекты, в том числе на почвенный покров, нарастают (Трифонова,
2005). Мелиоративные мероприятия направлены прежде всего на повышение потре-
бительской ценности почв (Голованов и др., 2001). Однако в процессе реализации
этих мероприятий могут возникать серьезные нарушения экологических функций
почв (Никитин, 1977, 1990, 2004; Добровольский, Никитин, 1986, 1990, 2000 и др.).
Особая роль в биогеоценотических функциях почв принадлежит почвенным микро-
организмам (Звягинцев, 2003), которые, по существу, являются водными. Микроор-
ганизмы осуществляют трансформацию органических веществ, содержащихся в
жидкой фазе почв, то есть их жизнедеятельность - это процесс, аналогичный тако-
вому в водных объектах. При обзоре литературы по контролю почв мы не встретили
сведений об экспрессных методиках, которые бы позволяли дать комплексную
оценку жизнедеятельности почвенных микроорганизмов-редуцентов органических
веществ и ответить на вопросы: нормально ли протекает процесс жизнедеятельности
редуцентов или он нарушен? По какой причине нарушен? Что следует предпринять
для его восстановления?
Решив эту задачу для водных объектов, мы попытались решить ее и для почв.
Но почвенные растворы представляют собой, как правило, тонкую пленку, в кото-
рой проводить биоэстимацию невозможно, поэтому мы использовали водную вы-
тяжку из почв, причем экстракцию проводили в соответствии с гостированной ме-
тодикой определения токсичности водных вытяжек из почв (гл. 1). Получив почвен-
ную «болтушку», мы с ней поступали как с обычной пробой загрязненной природ-
ной воды: определяли в ней взвешенные вещества и подсчитывали биоэстиматоров.
Как было сказано в гл. 1, данные по биоэстимации почвенных растворов, мы до-
полнили данными по их биотестированию, чтобы «слишком благополучные резуль-
таты», полученные с использованием биоэстимации, не удивляли. Вещественный
состав почвы может поражать обилием потенциально токсичных ингредиентов, но
процесс трансформации веществ в ней может и не нарушаться, вследствие хелати-
рования ряда токсичных элементов гумусовым веществом (Ю. Одум, 1986).
В таблице 10.1 приведены примеры биоэстимации почвенных растворов. Не-
смотря на различное количество взвешенных веществ в водной вытяжке из разных
почв, приведенная численность биоэстиматоров оказалась вполне сопоставимой.
Все пробы отбирались в разных районах г. Зеленограда и в его окрестностях.
Первая проба была отобрана в 1,5 м от шоссе; биоэстимация выявила превыше-
ние численности Б-1, что означает неудовлетворительное динамическое обеспече-
ние жизнедеятельности редуцентов, в данном случае слишком малую дренирован-
ность почвы. Превышение порогового значения Б-3/Б4 в водном объекте означает
неудовлетворительную микротурбулентность потока, и в почве, по-видимому, могут
быть проблемы с перемещением почвенного раствора в микрозонах (почва торфяни-
стая, требуется ее пескование). По загрязнениям промышленного происхождения, в
том числе по воздействию токсикантов, нарушений не выявлено. Зато отмечена зна-
чительная перегрузка редуцентов по трудно окисляемым веществам (превышение
260
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
численности Б-6). Возможно, перегрузка редуцентов не является отрицательным яв-
лением при характеристике почв, ведь обилие органического вещества в почве - од-
но из условий ее плодородия. Но недостаточная мобильность почвенных раство-
ров - явный недостаток. «Благополучие» по токсичности было подтверждено с по-
мощью биотестирования двумя методами: по смертности цериодафний и по сниже-
нию численности клеток микроводоросли сценедесмус. Оба метода констатировали
отсутствие токсичности. Но это, как было сказано выше, не означает отсутствие в
почве токсичных ингредиентов. Главное, что они не воздействуют отрицательно на
биоту в конкретной почве.
Второе место отбора почвы - заболоченный лес. Здесь выводы биоэстимации во
многом похожи на предыдущие, но с микротурбулентностью дело обстоит благопо-
лучно. По-видимому, большая обводненность не означает, что процесс обязательно
идет хуже, чем в местах более сухих, главное, чтобы водная среда двигалась, а боло-
то - не обязательно застой. Биоэстимация не выявляет токсичности, и биотестиро-
вание- в норме.
Третья проба взята из цветочного горшка. Выводы - похожи на предыдущие. Но
обращает на себя внимание большая перегрузка по трудно окисляемым веществам
(превышение численности Б-6). Естественно, эта почва неоднократно удобрялась спе-
циальными органическими удобрениями для цветов. Биотестирование - в норме.
Четвертая проба взята у самого бордюра шоссе (Панфиловский проспект), спе-
циально было выбрано место перед светофором, где останавливаются и «газуют»
автомобили. Кроме того, при мытье улицы сюда попадают загрязнения с асфальта.
Мы ожидали обнаружить здесь значительное превышение численности Б-8 - пока-
зателя токсичности. Но это превышение оказалось незначительным, пограничным.
Биотестирование на сценедесмусе вообще не выявило токсичности, а биотестирова-
ние на цериодафниях выявило малую токсичность, то есть и эти методы дали погра-
ничный результат. Зато превышения численности Б-1, Б-6 и отношения Б-З/Б-4 в
этой пробе среди обследованных почв оказались наибольшими. Процесс жизнедея-
тельности микроорганизмов в этой почве нарушен прежде всего из-за неудовлетво-
рительной подвижности жидкой фазы почвы, что вызвало неудовлетворительный
массообмен деструкторов.
Пятая проба взята на разделительном газоне того же проспекта: результат - поч-
ти как по пробе из цветочного горшка: здесь почва многократно удобрялась торфом,
без пескования.
Шестая и седьмая пробы были взяты в парке: 6-я - под лиственницей, а 7-я - под
елью. По динамическому обеспечению в обеих почвах процесс протекает благопо-
лучно. Но редуценты немного перегружены трудно окисляемыми органическими
веществами. Под лиственницей - перегрузка больше (численность Б-6 в 9 раз пре-
вышает пороговую), а под вечнозеленой елью, с меньшим опадом, она выражена
слабее (в 3 раза). Влияние промышленного загрязнения биоэстимация не выявила;
биотестирование также констатировало норму.
Восьмая проба отобрана в парке на небольшом возвышении, покрытом низкорос-
лой травой. Здесь - полное благополучие и со стороны динамического обеспечения, и
со стороны нагрузки, и со стороны промстока. Биотестирование показало норму.
Глава 10
261
Девятый пример биоэстимации почвы интересен тем, что он помог разрешить
недоразумение при выращивании овощей на территории частного владения. Хозяева
просили нас выяснить, почему на этом участке огурцы растут корявые и урожай
ниже, чем на соседнем, хотя агротехника и семенной материал ничем не отличают-
ся. Биоэстимация выявила здесь превышение численности Б-8, свидетельствующее о
токсическом воздействии на редуцентов. Позднее выяснилось, что именно в этом
месте в начале освоения данного участка из почвы было извлечено около 300 мед-
ных немецких гильз и патронов в магазинах. Известно, что в этих местах в 1942 году
шли жестокие бои за Москву, и мы оказались на месте давнего боя. Здесь можно
было ограничиться биоэстимацией и не проводить биотестирование. Хотя этот кло-
чок земли входит в состав частного владения, на нем нельзя выращивать овощи; мы
рекомендовали на этом месте разбить цветник.
Так же как и при анализе процесса трансформации загрязнений в других водных
объектах, и при биоэстимации почвенных растворов мы не ограничиваемся конста-
тацией факта нарушения процесса, а предлагаем типовые восстановительные реко-
мендации, на основе которых разрабатываются мероприятия в соответствии с выяв-
ленными нарушениями.
Так, превышение численности Б-1 - сигнал для прокладки дренажей для отведе-
ния застоявшейся в почве воды; превышение Б-2 - для рыхления почвы, превыше-
ние БЗ/Б-4 - для пескования.
Превышение численности показателей нагрузки на деструкторы (Б-5 и Б-6), как
было сказано выше, хоть и указывает на трудности с трансформацией органических
веществ, служит косвенным показателем высокого почвенного плодородия.
Превышение численности показателей нарушающего воздействия промышлен-
ных загрязнений служит сигналом для выявления и пресечения дальнейшего загряз-
нения почвы. Кроме того, биоэстимация, которая значительно менее трудоемка, чем
биотестирование, помогает оперативно выводить загрязненные токсикантами участ-
ки из севооборота, ограничиваться выращиванием на них декоративных растений,
что исключит попадание токсических веществ в трофическую цепь человека.
Биоэстимация почв может оказаться полезной не только для комплексной оцен-
ки жизнеобеспечения микроорганизмов-редуцентов в различных почвах, но и для
других целей.
Например, для проведения агробиологических опытов требуются делянки с
идентичными условиями, но общеизвестно, что почвенный покров всегда неодноро-
ден. Биоэстимация поможет выровнять условия. Кроме того, надлежащее жизне-
обеспечение почвенных микроорганизмов тесно связано с почвенным плодородием
[Мишустин, 1975]. Не зря в магазинах продают специальные микробиологические
препараты, повышающие урожай. Микроскопирование показало, что эти препараты
ничем не лучше активного ила из нормально работающих аэротенков. Свои компо-
стники на дачном участке, с целью ускорения процесса компостирования, мы пред-
почитаем орошать именно активным илом.
Своевременное выявление и устранение нарушающих воздействий на почвен-
ную биоту с использованием биоэстимации будет способствовать получению высо-
ких урожаев. Особенно это важно при освоении дачных наделов, когда люди стре-
мятся использовать каждую пядь, обычно крайне мозаичной, земли.
262
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Таблица 10.2
Примеры биоэстимации почвенных растворов
Примеры Дата отбора проб Место отбо- ра проб почвы Взвесь, мг/л Биоэстиматоры тыс./мг Ранги
динамичность нагрузка прометок
1 2 3/4 5 6 7 8 9 10
3,5 2,9 1,0 15,0 4,7 2,9 2,9 1,5 4,7
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
1 17.01.05 1,5 м от шоссе 5070 14,5 0 3,0 0 47,3 0 0,7 0 0 V
2 17.1.05 Заболочен- ный лес 1460 13,7 0 0,1 1,4 54,8 0 1,4 0 0 IV
3 17.1.05 Цветочный горшок 256 65,2 0 0,1 0,9 154,9 0 0,1 0 0 V
4 20.04.05 Дорога у бордюра 1020 126,7 0 3,3 0 246,7 0 3,0 0 2,3 XIII
5 20.04.05 У дороги на газоне 2600 5,8 0 0,1 0,3 107,7 0 0 0 0 IV
6 20.04.05 Под лист- венницей 5300 1,9 0 0,1 0 94,3 0 0 0 0 II
7 20.04.05 Под елью 12300 1,0 0 0 0 12,2 0 0 0 0 I
8 12.5.05 На холме 308 2,7 0 0 0,3 4,2 0 0 0 0 0
9 16.07.05 Участок с гильзами 2840 3,0 2,0 1,0 1,9 22,0 0 7,9 0 0 III
При массовом обследовании участков почвы и назначении восстановительных
мероприятий интегральная оценка, в виде биоэстимационных рангов, может ока-
заться весьма полезной. Численность Б-5 и Б-6 при этом не учитывается.
Интерес к изучению почв с гидробиологической точки зрения возник в значи-
тельной мере под влиянием трудов Е.Д. Никитина, в которых применялся авторский
комплексный подход к изучению почвенной земной оболочки, было сформулирова-
но понятие экологических функций почв, а также предложена идея создания Крас-
ной книги почв. Начиная с 2001 г. совместно с Е.Д. Никитиным был опубликован
ряд работ.
В дальнейшем, когда Е.Д. Никитин перешел от теоретического обоснования к
практическим действиям по созданию Красных книг в различных регионах страны, с
включением изучаемых нами водных объектов, расширилось и наше сотрудничество.
10.5.2. Биоэстиматоры внутри набухших почек липы
В.И. Вернадский (1936) в понятие гидросферы включал и почвенную влагу, и
жидкости живого вещества. В.А. Догель описал малые скопления воды на поверх-
ности некоторых растений и животных. У дудника (Angelica) основание листа охва-
тывает стебель таким образом, что образуется емкость, в которую по желобку с по-
верхности листа стекает вода и сохраняется в течение долгого времени. В этом ма-
Глава 10
263
леньком водоеме, объемом всего 2-3 мл, развивается целое сообщество корненожек,
инфузорий, коловраток, тихоходок, личинок насекомых. Миниатюрные водоемы,
располагающиеся в жаберной полости мокриц между их пластинчатыми ножками,
имеют глубину всего десятые доли миллиметра. Но и здесь обитают прикрепленные
колониальные инфузории Ballodora и свободноплавающие Chilodon, которые пита-
ются многочисленными бактериями (Догель и др., 1962).
М.М. Умаров (2003) считает, что ризосфера растений и кишечный тракт почвен-
ных беспозвоночных животных являются своеобразными природными проточными
биореакторами с наивысшей активностью микробиологических процессов.
Мы не ставили своей целью охватить биоэстимационным контролем все виды
водных объектов, перечисленных в этом разделе, однако даже несколько примеров
дают представление о том, что дальнейшие работы в этом направлении могут быть
перспективными.
Описанные в главе 4 микроколонии бактерий - сидеротеки обнаружены нами во
всех видах водных и увлажненных объектов, в том числе в слизи между чешуйками
набухших почек деревьев, где активно развивались (а значит, и разлагали органиче-
ские вещества) и другие микроорганизмы (рис. 10.1). То есть даже такое местооби-
тание приходится признать водной средой.
Рис. 10.1. Электронограмма сидеротек внутри набухшей почки липы, х 18000
Несколько лет спустя после того как цитолог Г.А. Семенова (соавтор исследова-
ния сидеротек) прислала нам рис. 10.1, нас просили выяснить, почему одна из поса-
женных в аллею лип имеет меньший рост и искривленный ствол. Мы отрезали одну
из веточек этого депева и отнесли в лабораторию. Разрезав на несколько продоль-
ных частей почку и изготовив давленный препарат (раздавили и зажали продольный
264
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
срез набухшей почки между предметным и покровным стеклами), поместили препа-
рат под объектив микроскопа. При увеличении в 400 раз мы увидели, что простран-
ство между волосками опушения молодых листочков липы внутри почки заплетено
водными грибами - гифомицетами (рис. 10.2), которые представляют собой биоэс-
тиматор № 8 (Б-8) - показатель нарушающего воздействия токсикантов.
Можно сделать вывод, что нормальной трансформации органических веществ в
этой микросреде мешает воздействие токсических веществ.
Опрос показал, что под это дерево несколько лет назад были вылиты какие-то
дурно пахнущие реактивы с истекшим сроком годности. При подобном обследова-
нии нормально развивавшихся соседних деревьев разрастания гифомицетов обна-
ружено не было. При соответствующей доработке этот метод исследования может
стать экспрессным методом в фитопатологии.
Рис. 10.2. Гифомицеты, разросшиеся между волосками опушения молодых листочков внутри
почки липы; бугристые комочки, ассоциированные с гифами - сидеротеки, х 300
Глава 10
265
Таким образом, биоэстимация - новый информативный метод контроля ранее не
исследованного объекта - процесса формирования качества воды, помогает решать
многочисленные задачи, связанные с восстановлением самоочищения любой водной
среды, а при включении этого метода в систему мониторинга может вывести на ка-
чественно новый уровень антропогенное воздействие на водные объекты, которое
может и должно стать положительным.
Таким образом, мы располагаем новым, информативным методом - биоэстима-
цией - характеризующим процесс самоочищения или трансформации растворенных
органических веществ в любых водных объектах, независимо от их назначения, ве-
личины, проточности, солености и географического положения. Кроме того, можно
и предотвращать снижение качества воды в чистых водоемах, так как появилась
возможность восстановления нормального хода самоочищения на стадии формиро-
вания качества воды.
Водные объекты - широкое понятие: сюда входит и почвенная влага, и влага от-
крытых полостей растений. Очевидно, возможности биоэстимации не исчерпывают-
ся приведенными примерами и их аналогами.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение кратко перечислим основные результаты проведенно-
го исследования.
1. Разработано, обосновано и реализовано новое направление в исследовании
водных объектов - оценка, прогнозирование и регулирование процесса биотическо-
го очищения загрязненной природной воды (биологической очистки и самоочище-
ния).
2. Для осуществления этого направления разработан новый универсальный циф-
ровой метод гидробиологического контроля - биоэстимация (от лат. aestimatio -
оценка, суждение), первоначально названный биоиндикацией процесса; биоэстима-
ция дополнена типовыми восстановительными рекомендациями. Новый метод кон-
троля позволяет диагностировать и оптимизировать процесс биотического очище-
ния воды, прогнозировать снижение качества воды даже в тех случаях, когда тради-
ционные методы контроля не дают тревожной информации.
3. В основу биоэстимации положена следующая выявленная закономерность:
чем сильнее нарушен процесс биотического очищения воды, являющийся по суще-
ству жизнедеятельностью основных редуцентов - органотрофных бактерий, тем
большей численности достигают показательные микроорганизмы - биоэстиматоры,
являющиеся в экосистеме дополнительными редуцентами (в норме они малочис-
ленны).
4. Конкретизирована причинно-следственная связь: нарушающее воздействие
значимых факторов —> нарушение процесса очищения воды —> последующее сни-
жение ее качества. Установлено, что временной интервал между нарушающим воз-
действием и его последействием, то есть снижением качества воды, сокращается
пропорционально интенсификации самого процесса; так, в аэротенках он составляет
от нескольких дней до нескольких недель; в равнинных природных водных объектах
- годы.
5. Установлено, что биологическая очистка сточной воды в аэротенках по сущест-
ву представляет собой многократно ускоренный природный процесс самоочищения
воды, поэтому все станции аэрации фактически являются биологическими реакторами
одного типа. В природе могут складываться условия, сходные с условиями в аэротен-
ке: в прибойной зоне морей, в подножии водопадов и т.п., где при интенсивном дви-
жении загрязненной воды, как пресной, так и соленой, образуются типичные бактери-
альные флокулы (хлопья), тождественные флокулам активного ила аэротенков. Таким
образом, активный ил - это сконцентрированное в единице объема очищаемой воды
сообщество микроорганизмов, которое может сформироваться в любом водном объ-
екте гидросферы.
Заключение
267
6. Предложена гипотеза механизма формирования бактериальных флокул: бак-
терии объединяются во флокулы с помощью ворсинок (выростов клеточной оболоч-
ки бактерий), покрытых слоем гликокаликса. Ворсинки выходят далеко за пределы
бактериальных клеток, ветвятся и, соприкасаясь, временно соединяются. В молодых
флокулах бактерии разных видов образуют беспорядочный конгломерат. По мере
созревания флокул идет перераспределение бактерий по слоям в зависимости от их
потребности в кислороде: в центре размещаются анаэробы, на поверхности - аэро-
бы, между ними - микроаэрофилы; по мере созревания флокул внеклеточный мат-
рикс постепенно уплотняется, не препятствуя поставке питательных веществ и от-
ведению метаболитов.
7. Выявлена следующая закономерность развития флокул: чем больше возраст
активного ила, тем более его флокулы приобретают универсальную форму эллип-
соида и тем больший относительный объем во флокулах занимает анаэробная зона с
активно делящимися бактериями. Это - не «старение» флокул, а их совершенство-
вание с точки зрения трансформации более широкого спектра веществ и увеличения
надежности процесса очищения воды в целом.
8. Установлено, что образование, созревание и сохранность флокул обеспечива-
ются интенсивным движением водной среды, причем агрегационная способность
микроорганизмов закономерно утрачивается по мере уменьшения подвижности сре-
ды и восстанавливается при усилении ее подвижности.
9. При отстаивании иловой смеси, поступившей из аэротенка в отстойник, вор-
синки, выходящие за пределы флокул, соприкасаясь, соединяются в особое времен-
ное волокнистое образование - бланкит, что способствует сопряженному оседанию
флокул активного ила, увлечению на дно не связанных с ними микроорганизмов и
обеспечению высокого качества очищенной воды.
10. Установлено, что избыточного, т.е. лишнего активного ила при полноценном
обеспечении процесса биотического очищения не образуется. Концентрация актив-
ного ила в системе возрастает не бесконечно, а до предела, соответствующего кон-
кретному количеству поступающих на очистку загрязняющих веществ. Технология
функционирования станции аэрации без образования избыточного ила соответству-
ет экологическому принципу «нулевого максимума».
11. Выявлены и охарактеризованы основные экологические функции активного
ила в экосистеме станции аэрации.
12. Установлено, что процесс биотического очищения (биологической очистки
сточных вод и самоочищения природной воды) находится под непрерывным воз-
действием трех значимых групп факторов: I - динамического обеспечения (под-
вижности водной среды), II - нагрузки (типичной трофической нагрузки), III -
промстока (специфической трофической нагрузки); каждому фактору, входящему
в эти группы, соответствуют биоэстиматоры, позволяющие выявлять воздействия
каждого фактора, независимо от других. Биоэстиматоры представляют собой не
отдельные виды, а экологические группы микроорганизмов со схожей реакцией
относительно внешних изменений; биоэстиматоры являются дополнительными
редуцентами, и при благополучном протекании процесса биотического очищения
они малочисленны.
268
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
13. Выявлены причины и разработаны методы диагностики, прогнозирования,
устранения и предотвращения следующих патологических изменений активного ила:
- дефлокуляция, или распад флокул на неоседающие фрагменты;
- различные виды всплывания активного ила со дна на поверхность отстойника;
- различные виды вспенивания активного ила, то есть поднятие его на поверх-
ность воды, прежде всего в аэротенке, затем и в отстойнике;
- микрофлокуляция - образование мелких флокул, не способных оседать;
- диспергирование, или дисперсный рост бактерий, не способных к флокуляции;
- различные сочетания перечисленных выше нарушений.
14. Установлено, что вспухание активного ила - это его адаптивная реакция на
чрезмерную нагрузку или на неблагоприятные воздействия промышленных стоков.
Сущность вспухания - это разрастание в активном иле различных групп нитчатых
микроорганизмов хламидобактерий, цианобактерий, гифомицетов. Различные виды
вспухания обусловлены разрастанием этих групп нитчатых, причем каждый вид
вспухания вызывается различными причинами, выявляется с помощью разных био-
эстиматоров и устраняется соответствующими мероприятиями. Адаптивность раз-
растания нитчатых организмов выражается в разрыхлении активного ила, что спо-
собствует интенсификации его массообмена в сложившихся условиях, неблагопри-
ятных для органотрофных бактерий.
15. Выявлены ранее неизвестные причины распространенного нарушения, на-
званного нами иловым плавающим слоем (ИПС). По традиции, это явление некор-
ректно называют «ценообразованием». Причина образования ИПС - это сочетание
вспухания, всплывания и вспенивания активного ила на одной и той же станции
аэрации (СА). Виды каждого из трех перечисленных нарушений выявляются и уст-
раняются с помощью биоэстимации. Но ИПС не устраняется мерами, действенными
при нарушениях, которые его породили. Это - качественно иное явление, представ-
ляющее собой необратимую форму деградации активного ила. Образование ИПС
можно предотвратить с помощью биоэстимации. Если ИПС уже образовался, то его
следует механически удалять из СА, а затем производить перезапуск СА, путем за-
воза новой порции затравочного активного ила из ближайшей СА, на которой не на-
блюдается ИПС.
16. Предлагается пересмотреть ряд положений традиционной концепции биоло-
гической очистки сточных вод:
1) проектировать станции аэрации (СА) следует не только на основе качест-
венных показателей предполагаемых поступающих стоков, но и на основе
данных биоэстимации, полученных в результате лабораторных испытаний
аналогичных сточных вод; в частности, следует учитывать возможную
дополнительную нагрузку в виде трудноокисляемых загрязнений, не из-
меняющих ВПК (особенно при водоснабжении из поверхностных источ-
ников);
2) использование первичного отстаивания при очистке городских сточных
вод менее целесообразно, чем преаэрация;
3) традиционно считается, что в аэротенках активны только аэробные бакте-
рии; в то же время в аэротенке, внутри флокул активны микроаэрофиль-
Заключение
269
ные и анаэробные микроорганизмы, которые составляют большую часть
массы активного ила; этими организмами, в частности, обеспечивается
процесс денитрификации, поэтому специальные неаэрируемые емкости
для денитрификации не требуются;
4) благополучно протекающий процесс биоочистки приводит к уничтоже-
нию всех болезнетворных агентов, в этом случае обеззараживание био-
очищенной воды не требуется;
5) биологическая очистка может быть организована без образования избы-
точного активного ила. Оптимальная (различная) концентрация активного
ила вырабатывается в процессе эксплуатации каждой станции аэрации,
поэтому концентрацию (дозу) активного ила регламентировать не следу-
ет; понятие «старение» активного ила следует заменить на понятие «со-
зревание», и чем больше возраст активного ила, тем полнее он перераба-
тывает весь спектр загрязнений;
6) любые погружные и плавающие носители (загрузки) для образования на
них биопленки создают зоны загнивания активного ила и мешают образо-
ванию зрелых эллипсоидных флокул, поэтому применение загрузки прино-
сит больше вреда, чем пользы, особенно в долгосрочной перспективе;
7) ламинарные пластины препятствуют сопряженному осаждению активного
ила в отстойниках, мешая формированию полноценного бланкита;
8) выявляемые биоэстимацией изменения процесса очистки воды опережают
изменение её качества, поэтому восстановительное вмешательство в про-
цесс на стадии формирования качества предотвращает его снижение;
9) при вспухании активного ила следует не уничтожать нитчатые организмы,
а устранять факторы, приведшие к их разрастанию;
10) использование доочистки гораздо менее целесообразно, чем использова-
ние еще одной ступени биоочистки;
11) технологии удаления фосфора с избыточным активным илом нарушают
процесс биологической очистки, а затем и процесс самоочищения в во-
доёме, куда сбрасываются очищенные сточные воды, поэтому удаление
фосфора нецелесообразно.
17. На основе новой концепции спроектированы, построены и внедрены в различ-
ных городах РФ устройства - Биоблоки, позволяющие производить безотходную био-
логическую очистку бытовых и сложных по составу промышленных сточных вод.
18. Разработана и многократно апробирована программа теоретических и прак-
тических занятий по спецкурсу «Биотехнология очистки сточных вод» для студен-
тов и слушателей курсов повышения квалификации.
19. Описаны два новых вида раковинных амеб - Gromia neglecta и Gromia
pusilia- биоэстиматоров нарушающего воздействия жиров и нефтепродуктов на
процесс биотического очищения воды.
20. Описана новая экологическая группа ожелезненных микроколоний бактерий,
для обозначения которых предложен термин - «сидеротеки». Все сидеротеки имеют
внешнее сходство и идентичную реакцию на внешние воздействия, но при этом яв-
ляются представителями различных систематических групп. В частности, одной из
270
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
таких систематических групп являются сидерокапсы Берджи. Сидеротеки, вместе с
бентосными раковинными амебами объединены в составе биоэстиматора № 6 - по-
казателя нарушающего воздействия трудноокисляемых веществ, например водного
гумуса.
21. Показано, что с помощью биоэстимации может быть проанализирован и оп-
тимизирован процесс биотической трансформации органических веществ жидкой
фазы различных природных объектов, например почвенной влаги и влаги между за-
чаточными листьями в почках растений. Это подчёркивает междисциплинарное
значение биоэстимации.
22. В зависимости от выявляемых по биоэстимации нарушений, предложены ти-
повые рекомендации по восстановлению процесса очистки сточных вод на станциях
аэрации и процесса самоочищения воды в природных водных объектах и их участ-
ках; на основе этих рекомендаций разрабатываются конкретные восстановительные
мероприятия исходя из местных условий.
23. Предложен принцип биоэстимационного ранжирования водных объектов и
их участков по степени нарушения в них процесса самоочищения. Дается инте-
гральная оценка процесса самоочищения в виде биоэстимационного ранга, которая
позволяет осуществлять расстановку приоритетов при назначении восстановитель-
ных мероприятий.
ОСНОВНАЯ ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
Аверинцев С.В. Rhizopoda пресных вод. С.-Петербург: СПб.: Тип. М. Меркушева,
1906.-351 с.
Аверкиев Н.Д. Процессы нитрификации при искусственных культурах аэробных
бактерий при очистке и обезвреживании сточных вод биологическим методом. Екатери-
нославль: Изд. Екатеринославского высшего горного училища, 1909. - 23 с.
Александрова Л.П., Жданова Н.Я., Бондарев А.А., Скирдов И.В., Демидов Л.Г.,
Швецов ВЛ.1. Способ биохимической очистки промышленных сточных вод. А.с. III
372181, СССР, заявл. 17.04.70 по кл. С 02с 5/10, опубл. 4.05. 73.
Алекперов И.Х. Атлас свободноживущих инфузорий. (Классы Kinetofragminophora,
Colpodea, Oligohymenophora, Polyhymenophora). Баку: 2005. - 310 с.
Аткинсон Б. Биохимические реакторы. - М.: Пищ. Промышл-сть, 1979. - 280 с.
Ахутин В.М., Немирно А.П., Першин Н.Н., Пожаров А.В., Попечителев Е.П., Рома-
нов СБ. Биотехнические системы: Теория и проектирование. Учеб, пособие: Изд-во
ЛГУ, 1981.-220 с.
Базякина Н.А. Лабораторные исследования процесса очистки сточной жидкости пу-
тем аэрации, 1916-1917 гг., вып. 3, М., 1923. -48 с.
Базякина Н.А. Баланс кислорода при работе аэротенка на полную очистку. М.:
1936.-37 с.
Беляева М.А. Исследование смены популяций биоценозов активного ила в процессе
изъятия загрязнений из сточных вод // В кн: Теория и практика биологич. самоочищения
загрязненных вод. М.: «Наука», 1972. С. 145-148.
Беляева М.А., Гюнтер Л.И. К характеристике биоценозов активного ила в высокона-
гружаемых аэротенках и аэротенках с длительным периодом аэрации. На-
учн.докл.высш.школы. Биол. науки, № 7, 1969. С. 98-103.
Бекер М.Е. Введение в биотехнологию (Авториз. пер. с латыш. И.А. Графф). М.:
Пищ.пром-сть, 1978.-231 с.
Билич Г.Л., Крыжановский В.А. Универсальный атлас/ биология: Вирусы. Прока-
риоты. Растения. Грибы. Слизевики. Животные (сравнительная анатомия). М.: ОНИКС,
2005,- 1135 с.
Бобылев Ю.О. Способ глубокой биологической очистки сточных вод и устройство
для его осуществления. Пат. 2282597 Россия, МПК N 2005117621/15; Заявл. 08.06.2005;
Опубл. 27.08.2006.
Болотина О.Т. Биохимическое изучение сточной жидкости в процессе очистки с ак-
тивным илом. Автореферат диссертации на соискание уч. степени канд. техн. наук. М.,
1954.-23 с.
Болотина О.Т. (ред.). Методика проведения технологического контроля работы очи-
стных сооружений городской канализации. М.: Стройиздат, 1977. - 304 с.
Брызгалов Л.И. Очистка сточных вод гидролизных предприятий. М.: Лесная про-
мышленность, 1987. - 38 с.
272
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Булгаков Н.Г. Технология регионального контроля природной среды по данным
биологического и физико-химического мониторинга. Автореферат диссертации на соис-
кание уч. ст. дбн. М.: МГУ, 2003. - 53 с.
Вавилин В.А. Нелинейные модели биологической очистки и процессов самоочище-
ния в реках. М.: Наука, 1983. - 158 с.
Вавилин В.А. Время оборота биомассы и деструкция органического вещества в сис-
темах биологической очистки. М.: Наука, 1986. - 143 с.
Вавилин В.А., Васильев В.Б. Математическое моделирование процессов биологиче-
ской очистки сточных вод активным илом. М.: Наука, 1979. - 119 с.
Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М.: Наука,
1987,- 139 с.
Возная Н.Ф. Химия воды и микробиология. М.: Высшая школа, 1979. - 341 с,
Вольф И.Б., Ткаченко Н.И. Химия и микробиология природных и сточных вод. Л.:
ЛГУ, 1973.-238 с.
Вопросы очистки сточных вод. Сборник трудов № 175, МИСИ, 1980. - 102 с.
Вудивисс Ф. Биотический индекс р. Трент. Макробеспозвоночные и биологическое
обследование. В кн.: Научные основы контроля качества поверхностных вод по гидро-
биологическим показателям. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. С. 32-161.
Гальченко В.Ф. Метанотрофные бактерии. М., 2001. - 500 с.
Ганин Б.А. Исследование процесса очистки сточных вод методом полного окисле-
ния. Автореф. дисс.... канд. техн. наук. М., 1973. - 23 с.
Гельцер Ю.Г., Корганова Г.А., Алексеев Д.А. Почвенные раковинные амебы и мето-
ды юс изучения. М.: МГУ, 1985. - 78 с.
Гельцер Ю.Г., Корганова Г.А., Алексеев Д.А. Практическое руководство по иденти-
фикации почвенных тестаций. М.: МГУ, 1985. - 82 с.
Голубовская З.К. Биологические основы очистки воды, М.: Высшая школа, 1978. -
268 с.
Гусев. Микробиология. Учебник. 4-е изд. М.: Академия, 2004. -464 с.
Громов Б.В. Строение бактерий. Л.: ЛГУ, 1985. - 190 с.
Гюнтер Л.И. Закономерности развития активного ила и основные направления ин-
тенсификации работы аэротенков. Автореф. дисс. ...доктора техн. наук. М., 1973. - 38 с.
Гюнтер Л.И. Методика оценки технологической эффективности работы городских
очистных сооружений канализации: (Метод, рекомендации). (Акад, коммун, хоз-ва
им. К.Д. Памфилова). М.: ОНТИ АКХ, 1983. - 30 с.
Гюнтер Л.И. Методики оценки технологической эффективности работы городских
очистных сооружений канализации. М.: Стройиздат, 1987. - 12 с.
Гюнтер Л.И., Разумовский Э.С., Терентьева Н.А., Пудовкин В.А., Рожкова Т.Н. Ин-
тенсивные методы биологич. очистки городских сточных вод. Проблемы больших горо-
дов. Обзорная информация. МГЦНТИ, 1983. Вып. 6, М. - 24 с.
Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экологические функции почвы. (Уч. пособие для
ун-тов по спец. «Агрохимия и почвоведение»). МГУ, М.: 1986. - 135 с.
Догель В.А. Зоология беспозвоночных. М.: Высш, школа, 1981. - 606 с.
Догель В.А., Полянский Ю.И., Хейсин Е.М. Общая протозоология. М.-Л., 1962. -
592 с.
Дуда В.И., Тринкунайте Л.Л., Митюшина Л.Л., Кривенко В.В. Новый класс структур
бактериальной клетки - экстрацеллюлярные газовые баллоны. Докл. АН СССР, Том 284,
№5. М., 1985.-С. 256-1260.
Литература
273
Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на со-
оружениях с аэротенками. М.: АКВАРОС, 2003. - 512 с.
Жмур Н.С., Лапшин О.М. Методическое руководство по гидробиологическому кон-
тролю нитчатых микроорганизмов активного ила. М.: АКВАРОС, 2009. - 59 с.
Закономерности гидробиологического режима водоемов разного тапа. М.: Науч,
мир, 2004. - 294 с.
Запорников В.П., Чуфистова О.С. Общая характеристика работы очистных сооруже-
ний гор. Зеленограда. В кн: Доклады V научн.-техн. конференции 25-27 мая. М.: Строй-
издат, 1967.-С. 37-41.
Захаров Н.Г. Немикробиальное население и некоторые внешние свойства активного
ила. В кн: Аэротенк с механической аэрацией. М.-Л. ОНТИ, Глав. ред. строит, лит-ры.
1938.-С. 79-105.
Звягинцев Д.Г. Строение и функционирование комплекса почвенных микроорганиз-
мов // Структурно-функциональная роль почв и почвенной биоты в биосфере. М.: Наука,
2003. С. 102-114.
Звягинцев Д.Г. Взаимодействие микроорганизмов с твердыми поверхностями. - М.:
ШЖ, 1973,- 176 с.
Звягинцев Д.Г. (ред.). Микробные метаболиты: Физиол. активные вещества микробно-
го происхождения в природе и народном хозяйстве. (Сб. статей). М.: МГУ, 1979.-221 с.
Зернов С.А. Общая гидробиология. М.-Л., 1934. - 508 с.
Зилов Е.А. Гидробиология и водная экология. Иркутск, 2009. - 147 с.
Ильин И.Н. Экология океанического обрастания. Диссертация на соискание уч. ст.
доктора биол. наук. М.: МГУ, 2003. - 280 с.
Каненко Г.К. Исследование влияния структуры потоков жидкости на ход очистки
сточных вод в аэротенках. Автореф. дисс.... канд. техн. наук. М., 1972. - 22 с.
Карелин Я.А., Жуков Д.Д., Журов В.Н., Репин Б.Н. Очистка произв.сточных вод в
аэротенках. М.: Стройиздат, 1973. -223 с.
Карелин Я.Л., Попова И.А., Евсеева Л.А., Евсеева О.Я. Очистка сточных вод нефте-
перерабатывающих заводов. М.: Стройиздат, 1982. - 184 с.
Карелин Я.А., Репин Б.М. Биохимическая очистка сточных вод предприятий пище-
вой промышленности. М., 1974. - 165 с.
Количественные методы экологии и гидробиологии. Тольятти: ИЭВБ, 2005 - 404 с.
Константинов А.С. Биологические основы охраны и очистки вод от загрязнения. Са-
ратов: Саратовск. ун-т, 1969. - 31 с.
Коробкин В. И., Передельский Л. В. Экология. Ростов-на-Дону: Феникс, 2001. -
576 с.
Корольков А.А., Петяенко В.П. Философские проблемы теории нормы в биологии и
медицине. М.: Медицина, 1977.-391 с.
Кренева С.В. Применение принципа сукцессионного анализа для оценки и прогноза
состояния водных систем. Автореферат на соискание уч. степени доктора биол. наук. М.:
МГУ, 2000. - 52 с.
Круликовски В., Зезюлин Д.М. Очистка сточных вод в высоконагружаемых аэротен-
ках. - Варшава: Отдел НТЭИ, 1967. - 118 с
Кутикова Л.А. Коловратки фауны СССР. Л.: Наука, 1970. - 244 с.
Кутикова Л.А., Старобогатов Я.И. Определитель пресноводных беспозвоночных ев-
ропейской части СССР (Планктон и бентос). Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - 510 с.
274
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Липеровская Е.С. Роль метода биологических индикаторов в оценке загрязнения во-
доема. Материалы симпозиума «Гидробиологические методы контроля качества вод». //
Методы биологического анализа пресных вод. Л.: АН СССР, 1976. С. 135-137.
Левич А.П., Булгаков Н.Г., Максимов В.Н. Теоретические и методические основы
технологии контроля природной среды по данным экологического мониторинга. М.:
НИА-Природа, 2004.-271 с.
Левич А.П., Максимов В.Н., Булгаков Н.Г. Методика применения детерминационно-
го анализа данных мониторинга для целей экологического контроля природной среды //
Успехи соврем, биол. 2001. Т. 121. № 2. М. С. 131-143.
Липеровская Е.С. Гидробиологические индикаторы состояния активного ила и их
роль в биологической очистке сточных вод. Б сб. «Общая экология. Биоценология. Гид-
робиология, т.4. (Итоги науки и техники. ВИНИТИ АН СССР). М. 1977. С. 169-208.
Липин А.Н. Пресные вода и их жизнь. М.: Учпедгиз, 1950. - 344 с.
Лукиных Н.А. (ред.). Очистка сточных вод, вып. 105, М.: Стройиздат, 1976. 179 с.
Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. М.: Химия, 1984. -
147 с.
Максимов В.Н. Оптимизация микробиологических процессов. - Дисс. ... докт. биол.
наук. М.: 1971. - 441 с.
Максимов В.Н. Многофакторный эксперимент в биологии. М.: МГУ, 1980. -279 с.
Максимовский Н.С. Очистка сточных вод. М.: МКХ РСФСР, 1961. - 352 с.
Механическая и биологическая очистка сточных вод и обработка осадков предпри-
ятий агропромышленного комплекса. Сборник научн.трудов. М.: ВНИИ ВОДГЕО,
1986.- 136 с.
Минин А.А. Формирование структуры сообщества донных макробеспозвоночных
животных в различных экологических условиях: На примере рек Среднего Урала.
Дисс... к.б.н. Тюмень: 2003. -225 с.
Монченко Е.О. Микробиология и гидробиология природных и сточных вод (Учеб,
пособие). - Новочеркасск, 1974. - 201 с.
Москона А. Как клетки объединяются друг с другом. // Живая клетка. М.: Мир,
1966.-С. 111-129.
Морозов Н.В. Экологическая биотехнология. Очистка природных и сточных
вод макрофитами. Казань: Издательство КГПУ. 2001. - 394 с.
Мудрецова-Висс К.Н. Влияние угольной кислоты, сероводорода, метана и отсутст-
вия кислорода на водные организмы. М.: Госстройиздат, 1933. -48 с.
Научная и учебная работа на Кафедре гидробиологии Московского государственно-
го университета / (ред.: В.Д. Федоров) М.: МАКС Пресс, 2006. - 7 с.
Невзоров М. Особенности очистки в аэротенках городских сточных вод со значи-
тельной примесью промышленных выбросов. Дисс. ... канд. техн. наук. Харьков: 1969. -
203 с.
Обоснование необходимости разработки региональных ПДК тяжелых металлов.
Свердловск: РосНИИВХ, 1992. -65 с.
Одум Ю. Основы экологии. М.: Мир, 1975. - 740 с.
Одум Ю. Экология. М.: Мир, 1986. Т. 1. - 328 с. Т. 2 - 376 с.
Определитель бактерий Берджи, Т. 2. М., 1997. С. 437—464.
Определитель пресноводных беспозвоночных европейской части СССР (Планктон и
бентос). Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - 510 с.
Литература
275
Определитель пресноводных водорослей СССР. Синезеленые водоросли. М., 1953.-
651 с.
Охрана природы. Гидросфера. Классификация водных объектов. М.: Госстандарт
России, 1992. - 20 с.
Поруцкий Г.В. Биохимическая очистка сточных вод органических производств. М.:
Химия, 1975. - 253 с.
Практикум по микробиологии / Под ред. Нетрусова А.И. М.: Академия, 2005. - 608 с.
Протисты. Ч. 1. Руководство по зоологии. СПб.: Наука, 2000. - 680 с.
Раменекий Л.Г. Введение в комплексное почвенно-геоботаническое исследование
земель. М.: Селъхозгиз, 1938. - 620 с.
Реймерс Н.Ф. Природопользование. Словарь-справочник. М.: Мысль, 1990. - 639 с.
Реймерс Н.Ф. Экология //Теория законы, правила, принципы и гипотезы. М.: Россия
Молодая, 1994. - 365 с.
Ремезова Т.С. Исследование процесса нитрификации при аэрации с активным илом.
М.-Л.: ОНТИ, Глав.ред. строит, лит-ры. 1938. - 84 с.
Роговская Ц.И. Биохимический метод очистки производственных сточных вод. М.:
Стройиздат, 1967. - 140 с.
Роговская Ц.И. Рекомендации по методам производства анализов на сооружениях
биохимической очистки промышленных сточных вод. М.: Стройиздат, 1970. - 104 с.
Роговская Ц.И. Рекомендации по пуску, наладке и эксплуатации сооружений биохи-
мической очистки некоторых производственных сточных вод, содержащих моющие ве-
щества. М.: Стройиздат, 1972. - 104 с.
Рошистров М.Н., Гвоздяк П.И., Ставская С.С. Микробиология очистки воды. - Киев:
Паукова думка, 1978. - 267 с.
Руководство по методам гидробиологического анализа поверхностных вод и донных
отложений. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 239 с.
Сабодина Е.П., Никитин Е.Д., Кочергин А.Н., Шоба С.А. Развитие экологических
движений. М., 2008. - 275 с.
Семин В.А. Основы рационального водопользования и охраны водной среды. - М.:
Высш.шк., 2001. - 320 с.
Смирнов Н.Н. Биология ветвистоусых ракообразных. - В кн: Итоги науки и техники,
сер. Зоология беспозвоночных. М., 1975, т. 3. 115 с.
СНиП 2.04.02-84 Строительные нормы и правила. Водоснабжение. Наружные сети и
сооружения. М.: Стройиздат, 1985. - 136 с.
Современные аспекты экологии и экологического образования, Труды конференции,
19-23 сентября, Казань, 2005. - 320 с.
Строганов С.Р. Обзор современного состояния очистки сточных вод посредством
искусственной аэрации с активным илом. В кн.: Аэрация с активным илом как метод
очистки сточных вод. М.: МКХ, вып. 6, 1925. - С. 172-316.
Строительные нормы и правила. Канализация. Наружные сети и сооружения. М.:
Госстрой СССР, 1986.-72 с.
Стром А.Д. Биохимический метод очистки сточных вод производства синтетических
жирных кислот. Автореф. дисс... канд. биол. наук Киев.: 1965. - 23 с.
Структурно-функциональная организация пресноводных экосистем разного типа
(Ред. Алимов А.Ф., Иванова М.Б.), Тр. Зоолог. Ин-та, т. 279, СПб., 1999. - 332 с.
Таубе П.Р., Баранова А.Г. Химия и микробиология воды. М.: Высшая школа, 1983. -
280 с.
276
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Технический справочник по обработке воды. Degremont. Том 1 Изд-во: «Новый жур-
нал», СПб., 2007. - 878 с.
Трифонова Т.А., Селиванова Н.В., Мищенко Н.В. Прикладная экология. М.: Тради-
ция, 2005. - 382 с
Тышкевич В.С. Прогресс в очистке сточных вод вследствие применения рац. биол.
метода. Киев.: 1901.-27 с.
Унифицированные методы исследования качества вод. ч. Ш приложение 2. Атлас
сапробных организмов. М.: СЭВ, 1977. -227 с.
Фауна аэротенков: (Атлас) АН СССР. Л.: Наука, 1984. - 264 с.
Федоров В.Д., Гильманов Т.Г. Экология. М.: МГУ, 1980. -464 с.
Хайлов К.М. Экологический метаболизм в море. Киев: Паукова думка. 1971. - 252 с.
Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й„ Арван Э. Очистка сточных вод. Биологиче-
ские и химические процессы. М.: Мир, 2004. - 480 с.
Хаммер М. Технология обработки природных и сточных вод. М.: Стройиздат.
1979.-400 с.
Чорик Ф.П. Свободноживущие инфузории водоемов Молдавии, Кишинев: АН Мол-
дав.ССР. Ин-т зоологии, 1968.-251 с.
Шашелько-Ловачева Г.М. Биологическая очистка сточных вод с использованием
иммобилизованных клеток и ферментов микроорганизмов. Новое в науке, технике и
производстве. Укр. НИИНТИ, Киев, 1982. -9 с.
Шишло Г.В. Унифицированная модульная установка для биохимической очистки
сточных вод Пат. 2280622 Россия, МПК N 2004120207/15; Заявл. 01.07.2004; Опубл.
27.07.2006.
Шитиков В.К., Розенберг Г.С., Зинченко Т.Д. Количественная гидроэкология: мето-
ды системной идентификации. Тольятти: ИЭВБ РАН, 2003. - 463 с.
Экология микроорганизмов. М.: Академкнига, 2004. -271 с.
Экологический мониторинг. Методы биомониторинга. Под ред.. Гелашвили Д.Б.
ННГУ, Вып. 1., Н. Новгород, 1995. - 190 с.
Яковлев СБ., Карелин Я.А., Жуков А.И., Колобанов С.К. Канализация. Учебник. М.:
Стройиздат, 1975. - 631 с.
Яковлев СВ., Карелин Я.А., Ласков Ю.М., Воронов Ю.В. Очистка производственных
сточных вод. М.: Стройиздат, 1985. - 335 с.
Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод. М., 2002. -704 с.
***
Ardem Е., Lockett W.T. Laboratory tests for ascertaining the conditions of activated
sludge. - Surv. N 2305, 1936. - P. 475-476.
Arthur R.M. (Ed.). Activated sludge process control series, Vol. 1. Application of on-line
analytical instrumentation to process control, 1981, Chicago. - p.222.
Bartos E. Vimici-Rotatoria. Fauna CSR, Praha, Daklad. Ceskoslov. Akad. Ved. 15,
1959.-969 s.
Bartsch G., Ltxlke H.J., Jaschnof H., Mach F. Vergleichende elektronenmikroskopische
Untersuchungen der Belebtschlamm-flocken in Anlagen zur biologischen Reinigung industriel-
ler Abwasser. Z. allg. Mikrobiol, 1970, 10, № 3, 157-164.
Bergey's manual of Systematic Bacteriology, v.l. ed Noel R» Krieg, London, Williams
wilkins Baltimore, 1984. - 964 s.
Литература
277
Bergey's Manual of Systematic Bacteriology, 2nd Edition, /Ed/ G. M. Garrity, New York.:
2001-2003.
Bick H. Okologische Untersuchungen an Giliaten des Saprobiensystems. II. Ergebnisse von
Sukzessionstadien mit besonderer Berucksichtigung der Autokologie von Goleps hirtus. -
Verh. Int. Ver0 theoret. und angew. SimnoL, 16, t. 2, 1966. - S. 845-853.
Bick H. Ciliated Protozoa an illustrated quide to the species used as biological indicators in
fresliwater biology. Geneva, World Health Organic., 1972. - 198 s.
Corliss J.O. The ciliated Protozoa characterization, classification and guide to the litera-
ture. Oxford.: Pergamon Press., 1961. -310 p.
Curds C.R/ An illustrated key to the Protozoa commonly found in activated sludge. Lon-
don.: 1969. - 90 p.
Cards C.R., Hawkes H.A. «Ecological aspects of used water treatment. v.I.The organisms
and their Ecology. London, 1965.-414 p.
Oyrus L., Sladka A. Several interesting organisms presented in activated sludge* Hydrobi-
ologia, 35, N 3-4, 1970. - P. 383 396.
Cyres 2., Sladecek V. Urcovaci atlas organisma Tz cistiran odpadnich vod. Vyzkumny us-
tav vodohos v Prage, N 133, 1973. - 159 s.
Hjaburg-Bisenberg E. Biologisohe Beobaohtungen heim Schlammbelebungsverfahren.
Zbl. F. Bact. Abi 2, 88, N 8-12, 1933. - S. 200-208.
Hawkes H.A. The ecology of waste water treatment. Oxford.: Pergamon press, 1963. - 203 p.
Liebmann H. Handbuoh der Frischwasser und Abwasserbiologie, Bd.l. Munchen, Olden-
burg: 1962,-588 s.
Pennak R.W. Fresh-water inverterbates of the United States Hew York, Ronald Press Co.,
1953,-763 p.
Schoenichen W. Einfachste Lebensformen des Tier- and Pflanzenreich.es. Bd.2. Berlin-
Licher felde, Hugo Bergmulles, Berlin.: 1927. - 522 s.
Sladecek VI. Sistem of water quality from the biological point of view. - Ergebnisse Lim-
nol., 7 Stuttgart.: 1973.-218 p.
Standard methods for the examination of water and waste-water. - Washington.: 1971, -
874 p. .
Tomlinson, E. J., and Chambers, B. eds. Bulking of Activated Sludge: Preventative and
Remedial Methods. Ellis Horwood Limited, Chichester, West Sussex.: 1983. - 279 p.
Tuller K., Lovelock D.W. (ed.) Microbial ultra structure. London.: Academic press.,
1976,-339 p.
Jenkins D., Richard M.G., Daigger, G.T. Manual on the Causes and Control of Activated
Sludge Bulking, Foaming, and Other Solids Seperation Problems. IWA Publishing, London.:
2003.-216 p.
Seviour R., Nielsen P.H. (Editors) Microbial Ecology of Activated Sludge. IWA Publish-
ing, London.: 2010. - 688 p.
Mara M., Horan N.J., Eds. Handbook of Water and Wastewater Microbiology., Academic
Press, London.: 2003. - 832 p.
Tandoi, V., D. Jenkins and J. Wanner Activated sludge separation problems - Theory.
Control Measures, Practical Experiences. IWA Publishing, London.: 2005. - 216 p.
278
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Список публикаций О.Г. Никитиной
1. Никитина О.Г. Метод ступенчатого подсчета микроорганизмов активного ила //
Удостоверение на рационализаторское предложение № 353, 25.10.74. М., 1974.
2. Никитина О.Г. Способ определения выноса фильтрующего материала по количе-
ственному и качественному составу при промывке фильтров. // Удостоверение на ра-
ционализаторское предложение № 579, 25.07.75. Комплекс канализационных сооруже-
ний г. Зеленограда. М., 1975.
3. Никитина О.Г., Свешников В.Н. К методике подсчета микроорганизмов активного
ила И Жилищное и коммунальное хозяйство, № 8. М.: Стройиздат, 1976. - С. 35-36.
4. Никитина О.Г. Характеристика гидробиологического населения активного ила,
работающего на полную нитрификацию // Совершенствование процессов очистки при-
родных и сточных вод. М.: Московский рабочий, 1979. - С. 96-100.
5. Носов В.Н., Никитина О.Г., Максимов В.Н. Опыт построения системы биоинди-
кации процесса очистки сточных вод. ВИНИТИ, № 5434 а. М.: Деп. 1980. 31 с.
6. Никитина О.Г., Семенова Г.А., Чибисова О.И. Новый вид раковинной амебы
и его использование в биоиндикации процесса очистки сточных вод // Биологиче-
ские науки. М.: Высшая школа, № 5.1981. С. 28-32.
7. Носов В.Н., Никитина О.Г., Максимов В.Н. Некоторые особенности измене-
ния биологической структуры активного ила. И Биологические науки. - М.: Выс-
шая школа, 1981. - № 6. - С. 84-87.
8. Максимов В.Н., Никитина О.Г., Носов В.Н. Биоиндикация нарушений очистки
сточных вод // Тезисы докладов 1У съезда Всесоюзного гидробиологического общества,
Киев, 1-4 декабря 1981, 3 часть. Киев: Наукова думка, 1981. С. 36-37.
9. Никитина О.Г., Жмур Н.С., Горбань Н.С. Гидробиологический контроль работы
городских очистных сооружений // Контроль качества природных и сточных вод, Харь-
ков, 1982.-С. 44-51.
10. Никитина О.Г., Жмур. Использование индикаторных организмов активного ила
при контроле за работой сооружений биологической очистки // Практические вопросы
биотестирования и биоиндикации. Черноголовка, 1^83. - С. 32-36.
11. Никитина О.Г., Догадаева О.С., Носов, Максимов В.Н. Новый метод оценки про-
цесса очистки сточных вод на станциях аэрации // Удостоверение на рационализатор-
ское предложение № 567, 5.04.83. Комплекс канализационных сооружений г. Зелено-
град. М., 1983.
12. Никитина О.Г. Индикаторное значение корненожек активного ила.// Простейшие
активного ила Л.: Наука, 1983. - С. 130
13. Носов В.Н., Никитина О.Г., Максимов, В.Н., Построение системы биоинди-
кации процесса очистки сточных вод И Вестник Московского университета. Серия
Биология. М.: 1983, № 4. - С. 60' 0g.
14. Никитина О.Г., Жмур Н.С., Серебрякова С.А. Методические рекомендации по
проведению гидробиологического контроля на станциях аэрации. М.: Рот. Треста «Ро-
соргтехводстрой», МВХ, РСФХР, 1983. - 23 с.
15. Никитина О.Г. Подсчет индикаторных организмов активного ила // Временные
методические рекомендации по проведению оперативного гидробиологического контро-
ля на сооружениях биологической очистки. - Алма-Ата: Рот. Института Казгипроводхоз,
1984.-С. 9-11.
Литература
279
16. Никитина О.Г., Догадаева О.С., Носов В.Н., Максимов В.Н. Система биологиче-
ской индикации организмов активного ила // Временные методические рекомендации по
проведению оперативного контроля гидробиологического контроля на сооружениях
биологической очистки. - Алма-Ата: Рот. Института Казгипроводхоз, 1984.
17. Никитина О.Г., Догадаева О.С., Носов В.Н., Максимов В.Н. Способ контроля
процесса очистки сточных вод с активным илом. Авторское свидетельство № 1343746,
зарегистрированное 8.06.87г. в Государственном реестре изобретений. М.: 1987.
18. Никитина О.Г. Экспресс-способ контроля процесса очистки сточных вод с ак-
тивным илом // Рекламный проспект. М.: МосводоканалНИИпроект. 1987.
19. Никитина О.Г. Усовершенствование способа определения илового индекса //
Удостоверение на рационализаторское предложение № 52, 11.03.87. Комплекс канализа-
ционных сооружений г. Зеленограда. М., 1987.
20. Никитина О.Г. Метод микроопределения состава взвесей. Удостоверение на ра-
ционализаторское предложение № 7, 29.05.87. Производственное управление «Зелено-
градводоканал». М„ 1987.
21. Никитина О.Г., Гришин В.А., Новосельцев В.И. Способ и устройство для устра-
нения хламидобактериального вспухания активного ила. Удостоверение на рационали-
заторское предложение № 8, 30.06.87. Производственное управление «Зеленоградводо-
канал». М., 1987.
22. Никитина О.Г. Устройство для отбора калиброванной капли иловой смеси. Удо-
стоверение на рационализаторское предложение № 85, 15.06.88. Производственное
управление «Зеленоградводоканал». М., 1987.
23. Никитина О.Г. Биоиндикация процесса очистки сточных вод // Диссертация на
соискание ученой степени кандидата биологических наук. М., 1987. - 228 с.
24. Никитина О.Г. Биоиндикация процесса очистки сточных вод. Автореферат дис-
сертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук. М., 1988. - 26 с.
25. Тушина В.Ф., Жирова Е.В., Никитина О.Г. Исследование природного цеолита-
клиноптилолита, рекомендованного в качестве фильтрующей загрузки для доочистки
сточных вод // Экспериментальные работы МГУП «Мосводоканал». - М.: 1990. - С. 60-62.
26. Никитина О.Г. Микропетрографические исследования при выборе новых видов
загрузки для фильтров доочистки сточных вод // Экспериментальные работы МГУП
«Мосводоканал». - М.: 1990. - С. 63-68.
27. Никитина О.Г. Нетрадиционные концепции в очистке сточных вод // Тезисы док-
ладов республиканского научно-технического семинара «Интенсификация работы стан-
ций очистки сточных вод путем внедрения новейших достижений науки и техники».
Томск, 1990.-С. 31-34.
28. Никитина О.Г. О вспухании активного ила // Жилищное и коммунальное хозяй-
ство № 1. М., 1991,-С. 34.
29. Никитина О.Г. Погибель // Экологический раздел газеты «Сорок первый»,- Зеле-
ноград, № 26, 1991. - С. 2.
30. Никитина О.Г. Погибель-2. Экологический раздел газеты «Сорок первый». - Зе-
леноград, № 6, 1992. - С. 2.
31. Никитина О.Г. Деградация загрузки в фильтрах доочистки сточных вод // Экспе-
риментальные работы МГУП «Мосводоканал». М., 1994. - С. 27-32.
32. Никитина О.Г. Метод определения прочности зернистой загрузки для фильтров
доочистки сточных вод (в контакте с биологически очищенной водой). Удостоверение
на рационализаторское предложение № 121, 18.11.94 г. Производственное управление
«Зеленоградводоканал». М., 1994.
280
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
33. Никитина О.Г. Критерий оценки зернистых материалов при лабораторном иссле-
довании // Экспериментальные работы МГУП «Мосводоканал». 1996. - С. 308-317.
34. Никитина О.Г. Новые индикаторные организмы активного ила // Эксперимен-
тальных работы МГУП «Мосводоканал». М.: 1996. - С. 369-375.
35. Никитина О.Г. Новый вид фильтрующей загрузки - кварцевая крупка // Удосто-
верение на рационализаторское предложение № 128, Производственное управление «Зе-
леноградводоканал». М.: 1995.
36. Никитина О.Г. Сравнительный биоиндикационный контроль процесса очистки
сточных вод и его практическое значение // Экспериментальные работы МГУП «Мосво-
доканал. - 1996. - С. 318-333.
37. Никитина О.Г., Кагарманов А.Ф. Нетрадиционная концепция в очистке сточных
вод и примеры её реализации // Научно-техническая конференция «Экологическая защита
городов» М., 4—5 декабря 1996, тезисы докладов. ВИМИ и др. М., 1996 г. - С. 142-144.
38. Никитина О.Г. Новый метод определения зольности осадка и активного ила //
Экспериментальные работы МГУП «Мосводоканал». М., 1997. - С. 261-268.
39. Никитина О.Г. Оценка возможности применения дезинфекционного средства
Септодор для обеззараживания доочищенных сточных вод // Экспериментальные работ
МГУП «Мосводоканал». М., 1997. - С. 227-238.
40. Никитина О.Г. История рождения нового метода. Зеленоградская система кана-
лизации, Мосводоканал, М., 1998. - С. 80-81.
41. Никитина О.Г. Разработка метода биоиндикации для природных водоемов //
Экспериментальные работы МГУП «Мосводоканал». - 1998. - С. 359-374.
42. Никитина О.Г. Листая памяти страницы. Сто лет канализации Москвы. - М.:
Прима-Пресс, 1998. - С. 210-211.
43. Никитина О.Г. Использование нового биоиндикационного контроля самоочище-
ния водоемов на примере реки Сходня // Экспериментальные работы МГУП «Мосводо-
канал». М.: 1999. - С. 360-379.
44. Никитина О.Г. Биоиндикация самоочищения водоемов // Тезисы доклада на 2-й
международной конференции. Устойчивое развитие, местные проблемы и решения. М.,
2000.-С. 32-33.
45. Тушина В.Ф., Волкова А.М., Мысина Л.Г., Никитина О.Г., Кривошеина Н.В.,
Гаврилова М.А. Внедрение системы экологического менеджмента в ПУ «Зеленоградво-
доканал» (путь к устойчивому развитию предприятия) // Открытое общество и устойчи-
вое развитие. МИДА, М.: 2000. - С. 105-107.
46. Никитина О.Г., Никитин Е.Д. О функциональном сходстве активного ила и
почв // Материалы международного симпозиума: «Функции почв в геосфере и экосисте-
мах». М.: 2001.-С. 90-91.
47. Никитин Е.Д., Шоба С.А., Никитина О.Г., Воронцова Е.М. Экологический фонд
почв и экосистем России и его биосферное значение // Тезисы доклада на 5-й междуна-
родной конференции «Освоение Севера и проблемы природовосстановления». Сыктыв-
кар: 2001.-С. 88-89.
48. Никитина О.Г. Новая концепция очистки сточных вод // Открытое общество и
устойчивое развитие. МИДА, М., 2002. - С. 129-132.
49. Никитин Е.Д., Березина Н.А., Воронцова Е.М., Никитина О.Г., Сабодина Е.П.
Взаимодействие гидросферы, почвенной оболочки, антропосферы и сохранение био-
сферного фонда гидроморфных почв и экосистем // Тезисы доклада на Всероссийской
конференции «Гидроморфные почвы: генезис, мелиорация, рациональное использова-
ние, охрана». М., 2002. - С. 23.
Литература
281
50. Никитина О.Г., Дядиченко А.И. Разработка дополнений к методике определения
токсичности воды по смертности и изменению плодовитости цериодафний. // Сб. экспе-
риментальных работ МГУП «Мосводоканал», М., 2002. - С. 382-388.
51. Никитин Е.Д., Шоба С.А., Скворцова Е.Б., Никитина О.Г., Сабодина Е.П. О
функциональной роли почв в устойчивости наземных и водных экосистем. // Тезисы
доклада на Всероссийской конференции 24-25 апреля 2002 г. «Устойчивость почв к ес-
тественным и антропогенным воздействиям». М., 2002. - С. 339.
52. Никитина О.Г., Дядиченко А.И. Сравнительный токсикологический анализ сточ-
ных вод московских водопроводных станций и их влияния на водоемы // Сб. экспери-
ментальных работ МГУП «Мосводоканал» , 2002. - С. 289-301.
53. Никитин Е.Д., Шоба С.А., Скворцова Е.Б., Никитина О.Г., Сабодина Е.П. О
функциональной роли почв в устойчивости наземных и водных экосистем. // Тезисы
доклада на Всероссийской конференции 24-25 апреля 2002 г. «Устойчивость почв к ес-
тественным и антропогенным воздействиям». М., 2002. - С. 339.
54. Никитин Е.Д., Шоба С.А., Никитина О.Г., Сабодина Е.П. Теоретические, фило-
софские и природоохранные аспекты экологии речных бассейнов. Сб. «Экология речных
бассейнов». Владимир: 2002. - С. 8-10.
55. Никитина О.Г., Кагарманов А.Ф. Новая концепция биологической очистки сточ-
ных вод и примеры ее реализации, Рузаевский печатник, Рузаевка: 2003. - 26 с.
56. Никитин Е.Д. Кочергин А.Н., Никитина О.Г., Сабодина Е.П., Мякокина О.В. От
красной книги почв к комплексной красной книге природы. // Почвы - национальное
достояние России: Материалы IV съезда Докучаевского общества почвоведов: В 2-х кн.
Наука-Центр, Новосибирск: 2004. - С. 394.
57. Никитина О.Г. Оценка процесса самоочищения воды // Биотехнология - охране
окружающей среды. М.: 2004. - С. 132.
58. Никитин Н.Е., Никитина О.Г. Экспресс-анализ сероводорода в сточной воде //
Всероссийский симпозиум «Биотехнология микробов». М.: МАКС Пресс, 2004. - С. 65.
59. Никитина О.Г. Биоблок для мобильного туалета // Всероссийский симпозиум
«Биотехнология микробов». М.: МАКС Пресс, 2004. - С. 66.
60. Никитина О.Г. Новый метод оценки процесса самоочищения воды в природных
и искусственных водоемах // Труды научной конференции: «Водные экосистемы и орга-
низмы-6», М.: 2004. - С. 64-66.
61. Никитина О.Г., Кагарманов А.Ф. Новая концепция очистки сточных вод. Сайт:
http://www.waterestimate.com/ 2004.
62. Никитина О.Г., Максимов В.Н., Никитин Е.Д., Никитин Н.Е. Новое направление
в исследовании акваэкосистем // Теоретические проблемы экологии и эволюции (Чет-
вертые Любищевские чтения). Тольятти: 2005. - С. 159-168.
63. Никитина О.Г. Доработка методики определения токсичности с использованием
микроводоросли сценедесмус // Тезисы доклада на XI ежегодном научно-практическом
семинаре: «Вопросы аналитического контроля качества вод». М.: 2006. - С. 27-29.
64. Никитина О.Г., Никитин Н.Е. Новый принцип ранжирования водных объектов. //
Сб. Водные экосистемы и организмы-7, М.: 2006. - С. 68-69.
65. Никитин Е.Д., Шоба С.А., Кочергин А.Н., Никитина О.Г., Никитин Н.Е., Сабоди-
на Е.П., Мякокина О.В.. Функциональный биоосферно-ноосферный подход при созда-
нии комплексной красной книги биологических, почвенных, водных и др. объектов //
Материалы II международной научно-практической конференции: «Почва как связую-
282
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
щее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем».
Иркутск: 2006. - С. 12-15.
66. Никитина О.Г., Дядиченко А.И. Доработка метода определения токсичности воды
и водных вытяжек из отходов по изменению численности клеток микроводоросли сцене-
десмус И Экспериментальные работы МГУП «Мосводоканал». М., 2006. - С. 320-331.
67. Никитина О.Г. Новый метод подсчета клеток микроводорослей // Удостоверение
на рационализаторское предложение № 195, 23.06.06 г. Производственное управление
«Зеленоградводоканал». М., - 2006.
68. Никитина О.Г., Семёнова Г.А., Максимов В.Н., Никитин Н.Е. Микроколо-
нии бактерий в биоэстимации - биологической оценке процесса очистки воды. И
Вестник Московского университета сер. 16, Биология № 1, М., 2007 - С. 39-43.
69. Никитин Е.Д., Скворцова Е.Б., Никитина О.Г., Кочергин А.Н., Сабоди-
на Е.П., Мякокина О.В. Комплексная красная книга природных ресурсов И Почво-
ведение № 3, М., 2007. - С. 365-372.
70. Никитина О.Г., Никитин Е.Д. Новый метод контроля биотрансформации растворен-
ных органических веществ в почвенных системах // Труды XV Всероссийской Школы «Эко-
логия и почвы: Круговорот элементов в экосистемах и почвах». Пущино, 2007. - С. 70.
71. Никитин Е.Д., Шоба С.А., Скворцова Е.Б., Никитина О.Г., Сабодина Е.П.
Красная книга почв и природных комплексов Сибири как условие сохранения рос-
сийского суперрегиона биосферы-ноосферы // Сибирский экологический журнал
№ 5, Новосибирск, 2007. - С. 725-727.
72. Никитин Е.Д., Шоба С.А., Никитина О.Г., Сабодина Е.П., Никитин Н.Е. Функции
почв и биогеосоциосферы и стратегия их охраны. // Материалы международной научно-
практической конференции, посвященной 80-летнему юбилею Ивлева А.М. Владиво-
сток, 2007. - С. 328-330.
73. Никитин Е.Д., Шоба С.А., Трифонова Т.А., Никитина О.Г., Сабодина Е.П., Мя-
кокина О.В. Комплексная красная книга Владимирской области (бассейново-
экологический подход) // Труды IV международной научно-практической конференции:
Экология речных бассейнов, 28-30 сентября 2007 г. Владимир, 2007. - С. 91-94.
74. Никитин Е.Д., Щеглов Д.И., Никитина О.Г., Сабодина Е.П. О создании ком-
плексной Красной книги природных и природно-культурных объектов // Вестник
Воронежского государственного ун-та, № 2. Воронеж, 2007. - С. 75-78.
75. Никитин Е.Д., Скворцова Е.Б., Сабодина Е.П., Никитина О.Г., Мякокина О.В.,
Воронцова Е.М., Шарганова О.Л., Ливеровская Т.Ю. Проблемы реализации особой ох-
раны почв и природно-культурных объектов // Материалы V съезда Всероссийского об-
щества почвоведов им. В.В. Докучаева. Ростов-на-Дону, 2008. - С. 475.
76. Никитин Е.Д., Шоба С.А., Никитина О.Г., Сабодина Е.П. О функциональ-
ном сходстве активного ила и почв в контексте междисциплинарных исследований
и сохранения биосферы И Вестник МГУ, Почвоведение, сер. 17. № 2, М„ 2008. -
С. 47-51.
77. Никитина О.Г. О необходимости преподавания в вузах нового спецкурса;
«Биотехнология очистки сточных вод» И Вода: химия и экология. № 8. М., - 2009. -
С. 30-35.
78. Никитина О.Г., Максимов В.Н., Булгаков Н.Г., Никитин Н.Е. Биоэстима-
ция - новый метод контроля процесса очищения воды и его сравнение с биоинди-
кацией // Водные ресурсы, том 36, №4. М., 2009. - С. 475—480.
Литература
283
79. Никитина О.Г., Жирова Е.В. Климатостат Н-1. Удостоверение на рационализа-
торское предложение № 201, 09.11.2009, выдано Производственным управлением «Зе-
леноградводоканал». М., 2009.
80. Никитина О.Г. Современная концепция биологической очистки сточных
вод: новый взгляд И Вода: химия и экология. М., 2009. - С. 9-20.
81. Никитина О.Г. Биоэстимация процесса очистки сточных вод // Труды научной
конференции: «Экосистемы, Организмы, Инновации-11» М., 2010. - С. 70.
82. Никитин Е.Д., Шоба С.А., Скворцова Е.Б., Никитина О.Г., Сабодина Е.П. Особая
охрана почв Сибири и Дальнего Востока и ее социально-экологическое значение //
Сборник материалов IV Всероссийской научной конференции с международным уча-
стием. Томск, 2010.-С. 170-172.
83. Никитина О.Г. О необходимости преподавания в вузах нового спецкурса. Труды
научной конференции: «Экосистемы, Организмы, Инновации-11». М., 2010 - С. 71.
84. Никитина О.Г., Никитин Н.Е. Безотходный биокомплекс по очистке и утилиза-
ции стоков животноводческих хозяйств на основе Актил-технологии // IDO, №3 (де-
кабрь). М., 2010.-С. 16-19.
85. Никитин Е.Д., Скворцова Е.Б., Кочергин А.Н., Никитина О.Г., Иванов О.П.
Сабодина Е.П., Воронцова Е.М. Развитие учений об экофункциях почвенного по-
крова и других геосфер И Почвоведение, №7. М.: 2010. - С. 771-778.
86. Никитина О.Г., Максимов В.Н., Никитин Н.Е. Использование нового метода
контроля процесса самоочищения воды - биоэстимации // Водные ресурсы (приня-
та к публикации).
87. Nikitina O.G., Nikitin E.D. On Functional Similarity of Activated Sludge and Soil.
Materials of the international Simposium. Moscow Lomonosov State University, Moscow,
Russia, Avgust 27-30, 2001. - P. 98-99.
Примечание:
жирным шрифтом отмечены работы, опубликованные в научных журналах ВАК.
284
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Приложение 1
Начальник отасла
СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ
«окшашниьаю
с/У -
На основании полномочий, предоставленных Правительством СССР,
Государственный , комитет СССР по делам изобретений и открытий
выдал настоящее авторское свидетельство на изобретение:
"Способ контроля процесса очистки сточных вод с
активным илом" 1 .; =.
Автор (авторы): Никитина Ольга Георгиевна, Догадаева Ольга
Семеновна,'Носов Виктор Николаевич и Максимов Виктор
Николаевич:
Заявитель: трест П0 ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД И УПРАВЛЕНИЕ
ВОДОПРОВОЖО-КАНАЛИЗАЦИОННОГО ХОЗЯЙСТВА
МОСГОРИСПОЛКОМА
4021175 Приоритет изобретения 23декабря 1985г
Зарегистрировано в Государственном реестре
изобретений СССР
8 ИЮЛЯ 1987г.
Действие авторского свидетельства распро-
страняется на нею территорию Союза ССР.
Председатель Ни.ишнста
Приложения
285
Приложение 2
Исх. Цл 264/15
от 11.07.86
Вх. 82-24186
от 15.07.86
В ГОСКОМИЗОБРЕТЕНИЙ
Отдел лицензий
Т. Галенкиной Л.И.
103621, Центр,
М. Черкасский пер., д. 2/6
О патентной заявке № 4021175/26
/174370/от 23.12.85
Центральная гидрохимическая лаборатория сообщает, что в период с 1980 по 1986
год в ЦГХЛ Минводхоза РСФСР проводилась широкая проверка «Способа контроля
процесса очистки сточных вод с активным илом» (авторы Никитина О.Г., Догадае-
ва О.С., Носов В.Н., Максимов В.Н.). который в настоящее время находится на патенто-
вании. Заявке № 4021175/26 /174370/ от 23.12.85.
Способ проверялся на территории РСФСР на 691 очистном сооружении, мощностью
от 30 тыс. м’/сут. до 3 млн. м3/сут (в том числе на крупных очистных сооружениях Мо-
сочиствода). ЦГХЛ Минводхоза РСФСР, имея достаточный опыт использования этого
способа контроля, считает его универсальным для любой станции аэрации.
Использование данного способа позволило контрольной службе Минводхоза РСФСР
оперативно выявлять причины неэффективной очистки сточных вод и выдавать практи-
ческие рекомендации по улучшению работы очистных сооружений. По данным, имею-
щимся в ЦГХЛ, за указанный период на проектный режим работы было выведено 67
очистных сооружений благодаря рекомендациям гидробиологов, использовавших в сво-
ей работе этот способ контроля.
Центральная гидрохимическая лаборатория может представить в работе данный
способ контроля процесса очистки сточных вод с активным илом.
Зам. начальника ЦГХЛ Л. С. Пономарева
286
О.Г. Никитина «Биоэстимация»
Приложение 3
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
Управление коммунальных предприятий
Могилевского горисполкома
МОГИЛЕВСКОЕ ГОРОДСКОЕ КОММУНАЛЬНОЕ УНИТАРНОЕ
ПРЕДПРИЯТИЕ "ГОРВОДОКАНАЛ"
212009, г. Могилев, ул Космонавтов,! 7
Р/с 3012205060014 в ГФ ОАО Белинвестбвнк г. Могилева
МФО 153801712 УНН 700033714 ОКПО 058924057
Тел/факс 28-22-63, тел. 27-40-11
ЗАВОД ПО ПЕРЕРАБОТКЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД И
ОБРАБОТКЕ ОСАДКА
тел./факс: 32-21-23, тел.32-20-33
От /4 09. IPS' Ха
На Ха от
О работе Могилевских очистных
сооружений
124460, Москва, Зеленоград,
дом 1110, кв. 166.
Никитиной О.Г.
Настоящим удостоверяем, что мы с апреля 1990г. используем в своей работе на
Могилевских очистных сооружениях «Новый метод биологического контроля» и
«Новую концепцию биологической очистки» О.Г. Никитиной.
Так, до внедрения метода не могли справиться со вспуханием ила, например, 25
апреля 1990г. доза ила по массе в распредчаше вторичных отстойников первой
технологической линии (после биологической очистки) была 1,5 г/л, иловый индекс
443.Налицо сильное вспухание ила. По рекомендациям бноконтроля стали наращивать
дозу ила, и 3.05.1990г. доза ила по массе была уже 2,5 г/л, индекс 168.
В настоящее время мы, используя максимально возможности имеющегося
илоциркуляционного оборудования (без капвложений ), достигли на первой
технологической линии дозы ила в иловой смеси после биологической очистки 6 t/л, иа
второй технологической лннии-8 t/л (максимально достигали 12г/л).
По «Новой концепции» ил после 1990г. по настоящее время весь возвращается в
систему (т.е. так называемый «избыточный ил» не удаляется нз системы). Доза ила по
массе при исправном оборудовании колеблется, отслеживая изменения нагрузки.
Постоянно ведется журнал биологического контроля технологического процесса,
где отмечается прозрачность надиловой жидкости после двух часов отстаивания
иловой смеси (последний год прозрачность иа обеих линиях 40), дозы ила по массе,
иловые индексы, количество биоиндикаторов биоконтроля. В отдельном журнале
отмечается азот аммонийный в биологически очищенной воде. Все журналы
сохранены.
В настоящее время построена новая Илоциркуляционная станция, которая
позволят увеличить процент циркуляции до 250% и дозу нла по массе в системе иа
очистных сооружениях ft
Рекомендуем выше указанный метод и «Новую концепцию» к внедрению.
Главный технолог оч. сооружений
Нач. лаборатории
Инженер-технолог
Е.А. Масленников
Т.А. Савицкая
Г.И. Крук
Приложения
287
Росзс'-hl x ‘3>еде[_)с^1_,^5Ч
Респуси н/хо Мордовии ।
h/lywp4_ii/in<arit>»~»oe уш^ггар» юе I
прерпсзр’ъч! ив воАОгтроаодьчо- I
камагтиэа^41лоь«~»ог и хоганйсзтюо 1
МО Руэп^иакы--
Приложение 4
отзыв
на лекции к.б.н. Никитиной О.Г. по нетрадиционному методу
биологической очистки сточных вод
и консультации по биоэстимации
Курс лекций, прослушанный инженером - технологом нашей
городской станции аэрации Мухиным В.А. позволил по новому подойти к
реконструкции и переустройству аэротенков, песколовок и отстойников.
Нами были проведены работы по аэрированию песколовок, увеличена
интенсивность аэрации иловой смеси в аэротенках, изменена система
поступления сточной жидкости в аэротенки, доведен возврат иловой смеси из
вторичных отстойников в аэротенки до 100 %. Эти работы проведены в
исправление проектного технологического регламента. В результате
достигнуты существенные улучшения качества очищенной воды, решен
вопрос об образовании и размещении избыточного активного ила. В
настоящее время решается вопрос о возможности переоборудования
первичных отстойников в предварительную ступень очистки и возможности
устройства доочистки в канале выпускающем очищенную сточную воду в
реку.
Кроме вышеперечисленного проведенная консультация сотрудников
лаборатории Никитиной О.Г. при посещении ею станции аэрации в 2004 г.,
позволила оперативно определять причины нарушения процесса очистки
сточных вод и вносить своевременно нужные коррективы.
Считаем необходимым рекомендовать организациям,
эксплуатирующим станции аэрации использовать предложенный
нетрадиционный метод очистки сточных вод и контроль за ходом процесса
очистки методом биоэстимации в целях повышения качества очистки
сточных вод.
Зам. директора МУП «Водоканал»
В.А. Шураев
Научное издание
НИКИТИНА Ольга Георгиевна
БИОЭСТИМАЦИЯ:
КОНТРОЛЬ ПРОЦЕССА
БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ
И САМОЧИЩЕНИЯ ВОДЫ
Редактор издательства Е.М. Бу гачена
Подготовка оригинал-макета:
Издательство «МАКС Пресс»
Компьютерная верстка: М.А. Комарова
Корректор: Н.А. Балашова
Дизайн обложки: В.В. Кононов
Подписано в печать 27.12.2010 г.
Формат 70x100 1/16. Усл.печ.л. 23,40. Тираж 500 экз. Изд. № 659.
Издательство ООО “МАКС Пресс"
Лицензия ИД N 00510 от 01.12.99 г.
119992, ГСП-2. Москва. Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова.
2-й учебный корпус, 627 к.
Тел. 939-3890,939-3891. Тел./Факс 939-3891.
ISBN ч?а-5-э1?-озьчч-г
Отпечатано в ППП «Типография «Наука>
121099, Москва, Шубииский пер., 6
Заказ № 3123
Разработанный О.Г. Никитиной метод сначала
именовался «Биоиндикацией процесса очистки
сточных вод», а впоследствии получил назва-
ние «Биозстимация». Разработана и обоснована
технология безотходной биологической очистки
сточных вод, внедренная на очистных сооружени-
ях в различных городах РФ.
Биозстимация применима не только для ис-
следования процесса биологической очистки
в аэротенках, но и для исследования процесса са-
моочищения морей, рек, озер, каналов, а также
прудов, аквариумов, колодцев и почвенной влаги.
При исследовании любых водных объектов появи-
лась возможность не только оценить, но и нор-
мализовать процесс очищения путем прямого
воздействия на водный объект, так как восста-
новительные рекомендации входят в биозсти-
маиию как составная часть.
О.Г. Никитина много лет являлась лектором
Российского общества «Знание», а сейчас ведёт
авторские семинары на тему: «Биозстимация
очищения природных и сточных вод».
Ольга Георгиевна Никитина,
кандидат биологических наук,
окончила биофак МГУ имени
М.В. Ломоносова, там же аспи-
рантуру и докторантуру. Руко-
водя группой биологического
контроля природных и сточных
вод в одной из лабораторий
Мосводоканала, разработала
(с соавторами) принципиально
новый метод контроля процес-
са очистки сточных вод с ак-
тивным илом. Метод признан
изобретением (АС №1343746),
не имеющим аналогов, так как
контролируется ранее неис-
следованный объект - процесс
формирования качества водной
среды (до этого контролирова-
лось лишь само качество водной
среды).
Внешний вид
Gromia neglecta sp. nova.
МАКС
ПРЕССА