С Ю Горбунова, В А Зубко - Использование scenedesmus bijugatus lageth для биологической доочистки сточных вод - страница 1

Страницы:
1  2 

УДК 581.464.09:582.232

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ SCENEDESMUS BIJUGATUS (LAGETH.) ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ДООЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

С. Ю. Горбунова1, В. А. Зубко2

1Институт биологии южных морей им. А. О. Ковалевского НАНУ (ИнБЮМ) 2Керченский государственный морской технологический университет (КГМТУ)

По литературным данным [11] эффективным методом удаления биогенных эле­ментов является использование микроводорослей [7]. Они, как фотоавтотрофные организмы, при фотосинтезе обогащают водную среду кислородом, чем способству­ют ускорению окислительных процессов и минерализации органических примесей в сточных водах. Протококковые водоросли представляют собой одни из наиболее активных агентов очистки загрязнённых и сточных вод. Это обусловлено их физио­логическими особенностями: активным фотосинтезом, способностью непосредствен­но утилизировать ионы азота, фосфора и других биогенных элементов, выдержи­вать высокие концентрации различных токсических веществ, а также бактерицид-ностью продуктов, выделяемых ими в процессе жизнедеятельности [1, 10]. Именно благодаря сочетанию всех этих свойств массовые культуры протококковых водорос­лей можно использовать в очистке сточных вод [8].

Наблюдения, проведённые в течение нескольких лет на различных очистных сооружениях [4], свидетельствуют о богатстве и разнообразии флоры протококко­вых водорослей водоёмов очистных сооружений, принимающих на доочистку сточ­ные воды различного состава [5]. Однако флора протококковых водорослей сточных вод изучена крайне мало [2].

Принимая во внимание изношенность большинства коммунальных очистных сооружений и отсутствие возможности финансирования для их реконструкции, ме­тод альголизации может быть выходом для существенного повышения качества очи­стки сточных вод в первую очередь от соединений азота и фосфора до нормативных показателей без больших капитальных затрат.

Целью эксперимента являлось исследование динамики роста Scenedesmus bijugatus (Lageth.) и проведение сравнительной оценки её продуктивности в нако­пительной культуре на сточных водах и питательной среде.

Эксперимент проводился в двух культиваторах (далее варианты № 1 и 2) мето­дом накопительных культур. В качестве контроля использовали сточную воду, кото­рая на протяжении всего эксперимента находилась в тех же условиях, что и культи­ваторы. В культиватор № 1 был внесён инокулят и питательная среда Тамия в таком количестве, чтобы начальная оптическая плотность культуры составляла (D750 = 0,04).

В культиватор № 2 в качестве питательной среды внесли сточную воду север­ных очистных сооружений г. Севастополя, прошедшую механическую и биологи­ческую очистку, и инокулят в таком количестве, чтобы начальная оптическая плот­ность культуры составляла (D750 = 0,04). Состав используемой сточной воды пред­ставлен в табл. 1.

Для выращивания S. bijugatus использовали культиваторы плоскопараллельно­го типа из стекла объёмом 3 л, размерами 40 х 20 х 5 см, в условиях круглосуточного освещения [3]. В качестве источника света использовали систему ламп GE F18W/ 54-765 со средней освещённостью 10 клк. Интенсивность освещения на поверхнос­ти культуры регистрировали при помощи люксметра Ю-116 с погрешностью не бо­

Таблица 1 - Состав сточной воды, прошедшей механическую и биоло­гическую очистку

Наименование анализа

Концентрация, мг/л

Реакция рН

6

Фосфаты, мг/л

13,28

Нитраты, мг/л

170

Железо, мг/л

2,56

Медь, мг/л

3,87

Кадмий, мг/л

0,01

Цинк, мг/л

0,04

Свинец, мг/л

0,76

лее 5 % от измеряемой величины. Тем­пература суспензии поддерживалась в диапазоне от 29 до 31 °С. Объём сус­пензии в каждом культиваторе равнял­ся 3 л. Культура непрерывно барботи-ровалась воздухом с помощью компрес­сора CR-40R, производительностью 2 л/мин.

На протяжении всего эксперимен­та отбор проб осуществляли ежеднев­но в 12.00. Отключали подачу воздуха и измеряли температуру и pH в культи­ваторах. Прирост биомассы определя­ли по изменению оптической плотно­сти суспензии на СФ-2000 на длине волны 750 нм. Измерения проводили в кварцевых кюветах с длиной рабочей стороны 1 см. Погрешность измерения не превышала 1,0 %. В качестве контроля использовали культуральную среду, соответ­ствующую каждому из вариантов эксперимента.

Концентрацию нитратов в растворе определяли ионоселективным электродом на иономере И-160М, концентрацию фосфора - фотокалометрическим методом Мор-фи-Райли [6].

Динамика биомассы накопительной культуры S. bijugatus при культивирова­нии на среде Тамия и сточных водах представлена на рис. 1, коэффициент вариации

составил 2,15 %. Кривые роста в каж­дом из вариантов характеризуются от­сутствием лаг-фазы и экспоненциаль­ной фазы роста. При выращивании S. bijugatus на питательной среде Тамия линейная фаза роста длилась с первых по девятые сутки, а на сточной воде -с момента начала эксперимента по чет­вёртые сутки.

Уравнение динамики биомассы на линейной фазе записывается в виде:

B = B, + Pm (t - t, ), (1)

где Bt - биомасса в момент начала линейной фазы tp

Pm - максимальная продуктив­ность культуры.

Аппроксимация фазы линейного роста [9] уравнением (1) позволяет рас­считать величину максимальной про­дуктивности Pm, представленную в табл. 2.

По мере роста культуры наблюдалось уменьшение концентрации минерального фосфора и нитратного азота в культуральных средах. Динамика нитратного азота и минерального фосфора накопительной культуры S. bijugatus при культивировании на среде Тамия и сточных водах представлена на рис. 2 и 3, соответственно.

£ 1.2 СО

Ч 1

I       I       I       I I

10    11    12    13 14

Рисунок 1 - Динамика биомассы S. bijugatus на культуральной среде Тамия и сточной воде

Таблица 2 - Значения максимальной продуктивности Pm, максимальной биомассы Bm и потребностей культу­ры S. bijugatus в нитратном азоте Y (N) и минеральном фосфоре Y (P)

Культиватор

р

1 m

 

Y (P)

Y (N)

№ 1

0,211

2,192

11,8

53

№ 2

0,144

0,957

10,44

51

Начальная концентрация нит­ратного азота в среде Тамия состав­ляла 691 мг/л, при этом её интенсив­ное уменьшение наблюдалось со вто­рых по восьмые сутки. Далее по че­тырнадцатые сутки отмечалась и ста­билизация.

Начальная концентрация мине­рального фосфора в среде Тамия со­ставляла 220 мг P/л. Линейное сни-

со о;

=г со

Q. I

г

X

о 700 -675 -650 -625 -600 575 550 525 500 475 -450 -425 400

№ 1

"1—IIIIIIIIIIIII

1      2      3      4      5      6      7      8      9     10    11     12    13 14

Время, сут.

\

№ 2

3,52 мг/л (Р) или 19,76 мг/л K2HPO4

і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—і—

0      1       2      3      4      5      6      7      8      9      10    11     12     13 14

Время, сут.

Рисунок 2 - Динамика нитратного азота S. bijugatus в среде Тамия № 1 и на сточных водах № 2

40

35

30

и

со о со

25

со о.

ZT

20

15

10

со о

■е-

о о -8-

=г со

Q. I

г

X

о

№ 1

I I I I I I I I I I I I I I

0      1      2      3      4      5      6      7      8      9     10    11     12    13 14

Время, сут.

СО Q. О

О

о

о;

ZT

со

Q.

:п

ZT

I

3

№ 2      3^2 мг/л (Р) или

19,76 мг/л K2HPO4

"Iг~і—і—і—іГ"1 і—г~і—і—г^Т

Время, сут.

9      10    11     12     13 14

225

4.5

200

4

175

3.5

150

125

2.5

100

75

1.5

50

25

0.5

234

5

Рисунок 3 - Динамика минерального фосфора S. bijugatus в среде Тамия № 1 и на сточных водах № 2жение наблюдалось с момента начала эксперимента по девятые сутки. За весь пери­од культивирования концентрация азота снизилась на 16,7 %, фосфора - на 25,07 %.

Затем следовала фаза замедления роста, и отмирание культуры, несмотря на то, что биогенные вещества еще оставались в среде. Возможно, в этом случае наступи­ло лимитирование роста культуры по свету или CO2.

Начальная концентрация нитратного азота в сточной воде составляла 38,39 мг/л, а минерального фосфора - 4,3 мг/л. Интенсивное снижение концентрации био­генных элементов наблюдалось с первых по четвертые сутки. С пятых по восьмые сутки концентрация азота в культиваторе № 2 стабилизировалась и перестала сни­жаться. Т. е. концентрация нитратного азота в сточной воде снизилась только на 15,56 мг/л и оставалось еще 22,83 мг/л, в то время как наступил лимит по фосфору, ассимилировавшемуся до нуля.

Так как в сточной воде культиватора № 2 оставалось ещё 22,83 мг/л нитратного азота (или 101,10 мг/л, в пересчёте на NO3), превышавшего по концентрации пре­дельно допустимый уровень по ГОСТу 287-82 (на 56,10 мг по нитратному азоту), необходимо было провести расчёт корректировки состава сточных вод для сниже­ния концентрации биогенных элементов до нуля. Для этого необходимо знать ис­тинные потребности культуры в биогенных элементах.

Используя полученные значения кинетических ростовых характеристик культу­ры S. bijugatus, рассчитали потребности в биогенных элементах.

Для культиватора № 1 получили:

Y о = 11,235 • 0,211 - 2 • 0,22 • 0,204 = 53 s 0,2112 .

Для культиватора № 2 получили:

0 = 10,46 • 0,144 - 2 • 8,973 • 0,025 = s = 0,1442 = .

Аппроксимируя экспериментальные данные потребления минерального фос­фора [9], определили значение потребности культуры S. bijugatus для всех вариан­тов: культиватор № 1 - 11,8 мг Р/г АСВ, № 2 - 10,44 мг Р/г АСВ.

Таким образом была рассчитана концентрация минерального фосфора, кото­рую необходимо добавить в сточную воду, чтобы концентрация нитратного азота снизилась до нуля. В стоки было добавлено 19,76 мг/л соли KflPO4 с концентраци­ей минерального фосфора 3,52 мг/л. В культиваторе № 2 после внесения дополни­тельного источника минерального фосфора биомасса S. bijugatus начала увеличи­ваться и на тринадцатые сутки достигла 0,933 г АСВ. При этом наблюдалось сниже­ние концентрации нитратного азота и минерального фосфора, которые достигли нуля на четырнадцатые сутки.

Отношение потребностей культуры S. bijugatus в биогенных элементах соста­вило: N:P = 4,9:1.

После прохождения этапа доочистки сточной воды показатели минерального фосфора и нитратов достигли значений, представленных в табл. 4.

Следовательно, итоговый анализ сточной воды показал, что в контрольном образце сточных вод концентрация биогенных элементов осталась такой же высо­кой, при использовании для доочистки культуры S. bijugatus она может быть сниже­на до ПДК, а при необходимости - даже до нуля. Это говорит о S. bijugatus как о перспективном объекте для доочистки сточных вод.

Таблица 4 - Результаты доочистки сточной воды с помощью S. bijugatus

Наименование анализа

После очистных сооружений, %

После доочистки, %

 

 

I

II

Фосфаты, мг/л

100

0

98,04

Нитраты, мг/л

100

0

96,47

Примечание:  I - доочистка сточных вод с помощью S. bijugatus, II - контроль (сточные воды).

Максимальная продуктивность (Pm) культуры S. bijugatus при культивирова­нии на среде Тамия составила 0,211 г АСВ/лсут.-1, а на сточных водах - 0,144 г АСВ/л-сут.-1. Этого значения достаточно для того, чтобы доочистить сточные воды от биогенных элементов до ПДК или до нуля.

Экспериментально определены истинные потребности S. bijugatus в биоген­ных элементах: Y(N) = 52 мг/г АСВ, Y(P) = 11,1 мг/г АСВ.

Определено количество минерального фосфора, составившее 3,52 мг/л фосфора (или 19,76 мг/л К2НРО4), которое необходимо добавить в сточные воды для их кор­ректировки и доочистки от нитратного азота до нуля.

Толерантность культуры S. bijugatus ко многим экологическим факторам и вы­сокая скорость деления клеток делает её перспективным объектом биотехнологии и даёт возможность рассматривать в качестве объекта для доочистки сточных вод.

Литература

1. Андреева Р. А., Скирдов И. В. Экспериментальная оценка возможности при-

менения хлореллы для очистки сточных вод заводов по производству кормо­вых дрожжей на парафинах нефти // Развитие методов механической и био­логической очистки сточных вод. - М.: НИИ ВОДГЕО, 1982. - С. 34-39.

2. Водоросли: справочник / С. П. Вассер, Н. В. Кондратьева, Н. П. Масюк и др.;

под ред. С. П. Вассер. - К.: Наук. Думка, 1989. - 608 с.

3. Геворгиз Р. Г., Шахматов А. П. Установка для культивирования морских мик-

роводорослей // Экология моря. - 2005. - № 67. - С. 44-47.

4. Догадина Т. В. Альгофлора водоёмов очистных сооружений и её роль в очист-

ке стоков : дис. ... канд. биол. наук. - Харьков, 1969. - 326 с.

Страницы:
1  2 


Похожие статьи

С Ю Горбунова, В А Зубко - Использование scenedesmus bijugatus lageth для биологической доочистки сточных вод