Влияние аэрации на ускорение разложения органических загрязнений и ведущая роль концентрации растворенного кислорода

Биологическая очистка сточных вод в системе с активным илом

Более 100 лет назад в Англии начали применять аэрацию для удаления бытовых загрязнений в биологических очистных сооружениях с активированным (activated) илом. При этом поддерживалась высокая концентрация растворенного кислорода [1]. В российской терминологии вместо ‘активированного’ укрепилось название ‘активный’ ил. Если первоначально сооружения предназначались лишь для удаления общих органических загрязнений, когда органическое вещество превращается в бактериальную биомассу ила, то к настоящему времени широкое распространение получили многосекционные биологические системы, позволяющие удалять из бытовых сточных вод соединения азота и фосфора. Для технического расчёта таких сооружений широко применяются имитационные модели, подобные Activated Sludge Model N1.

Профиль аммонийных загрязнений в реках

Уровень аммония в озёрах и реках влияет на качество воды, поскольку влияет на концентрацию растворенного кислорода. Поступая в водоёмы в большом количестве вместе с загрязнениями, аммоний потребляется микроорганизмами в процессе нитрификации. Нитрификация имеет большое значение в реках, поскольку не только является ключевым шагом в круговороте азота, преобразуя аммоний в нитриты и нитраты, но также влияет на кислородный баланс. Она может быть ответственна за значительную, а иногда и доминирующую долю кислородного голодания. Для оценки качества воды уже много десятилетий широко используется известная модель Стритера — Фелпса [2]. Она описывает, как концентрация растворенного кислорода уменьшается по течению реки при разложении органического вещества, измеряемого в единицах биохимического потребления кислорода (БПК). Модель была предложена в 1925 г. Стритером (санитарным инженером) и Фелпсом (консультантом службы общественного здравоохранения США) для математического описания полевых данных, полученных для реки Огайо. БПК характеризует количество органического вещества, которое подвергается биохимическому разложению присутствующими в воде микроорганизмами. Это интегральная характеристика всего спектра органических веществ, присутствующих в воде. В модели Стритера — Фелпса вычисляется зависимость от времени между концентрацией органического вещества L, измеренной в единицах БПК и дефицитом кислорода D — разностью между равновесной и текущей концентрацией кислорода:

dLjdt = -kl L

dD/dt = — k1L — k2D

где k2 -коэффициент аэрации через поверхность водной массы, t = x / V- время «добегания» (x — расстояние вдоль течения реки, V — скорость течения). Таким образом, модель Стритера -Фелпса может быть полезным инструментом для быстрой оценки динамики загрязнений вдоль течения реки от точечного источника загрязнений. Однако, классическая модель Стритера — Фелпса, включающая условные переменные, такие как БПК, не описывает материальный баланс вещества. Нами была предложена математическая модель распространения загрязнений, предназначенная для описания профиля растворенного кислорода и азота по течению реки от места поступления органических загрязнений [4], в которой рассматриваются не только субстраты, но и продукты биохимического превращения, когда аммоний последовательно превращается в нитрит и нитрат, а также соответствующая биомасса. При этом решающую роль играет доступность кислорода для нитрифицирующих бактерий.

Органический субстрат полностью расходуется на расстоянии около 200 м от места сброса отходов, что приводит к активной нитрификации. Гетеротрофные бактерии, имея более низкую константу полу-насыщения для кислорода, чем нитрифицирующие (НОБ и АОБ — нитрит и аммоний окисляющие бактерии), при наличии органического субстрата выигрывают у нитрифицирующих бактерий конкуренцию за кислород и, пока органический субстрат не израсходуется, рост нитрифицирующих бактерий подавлен (рис. 1а, в, е). Исчерпание органического субстрата делает кислород доступным для нитрификаторов, и начинается разложение аммония. Содержание кислорода в воде (рис. 1д) сначала резко снижается из-за поглощения гетеротрофами, затем возрастает при исчерпании органического субстрата, далее постепенно снижается из-за работы АОБ и начинает опять повышаться при исчерпании аммония. Как видно, поступление в реку аммонийных загрязнений вызывает сначала рост гетеротрофных, а потом нитрифицирующих бактерий, что приводит к дефициту растворенного кислорода.

Деградация твёрдых бытовых отходов на свалках

Применение современных технологий секвенирования позволяет идентифицировать сотни различных микроорганизмов, участвующих в разложении органического материала на свалках в различных условиях окружающей среды [5]. С помощью этих технологий можно определить текущий состав участвующих микроорганизмов. В то же время, свалка представляет собой большую динамическую систему, где со временем происходит смена одной группы микроорганизмов другой, что отражается в доминировании определённых текущих процессов. Для динамики микроорганизмов решающую роль играет такая характеристика, как максимальная удельная скорость прироста биомассы. Измерение динамики отдельных микроорганизмов в сложной системе взаимодействующих групп и видов далеко не всегда возможно. Измерение динамики стабильных изотопов, входящих в химические вещества, участвующие в биодеградации исходных органических загрязнений, поступающих на свалку, в определённой степени предоставляет такую возможность [6]. С помощью динамической модели нам удалось описать последовательность событий, происходящих при анаэробном и аэробном разложении образцов, отобранных из молодых и старых свалок. Были учтены изотопные данные по углероду и водороду. Основные уравнения изотопного баланса были применены для анаэробных процессов деполимеризации целлюлозы, кислотогенеза мономеров, синтрофного окисления ацетата, водородотрофного и ацетокластического метаногенеза, тогда как в аэробных процессах учитывалось только окисление мономеров целлюлозы и ацетата.

За последние десятилетия аэрация полигонов твёрдых бытовых отходов (ТБО) успешно использовалась как метод ускорения разложения ТБО или как метод рекультивации полигонов для окончательного завершения этого разложения. Согласно нашей динамической модели, в анаэробных условиях растворённый углекислый газ является субстратом для водородотрофного метаногенеза, что приводит к повышению изотопной сигнатуры углерода в углекислом газе и её последующей стабилизации. После введения аэрации образование метана прекращается, и с этого момента углекислый газ остаётся только продуктом микробиологических реакций, что приводит к значительному снижению изотопной сигнатуры углерода в углекислом газе. Первоначально вода обогащается дейтерием, участвуя в микробиологических реакциях, таких как кислотогенез и синтрофное окисление ацетата, являясь в них субстратом. Затем фильтрат разбавляется поступающей в верхнюю часть вертикального реактора водой, обеднённой дейтерием.

Благодарность: Работа выполнена в рамках темы № FMWZ-2025-0002 Государственного
задания ИВП РАН.

Литература

1. В. А. Вавилин, В. Б. Васильев. Математическое моделирование процессов биологической очистки сточных вод активным илом. // М. Наука, 119с. (1979).
2. H. W. Streeter, E. B. Phelps // U.S. Public Health Service Bulletin, V. 146, 1-29 (1925).
3. W. Gujer // Water Research, V. 44, No. 1, 1-19 (2010).
4. Л. Я. Локшина, В. А. Вавилин // Экологическая Химия, 34(2), 69-77 (2025).
5. D. R. Meyer-Dombard, J. E. Bogner, J. A. Malas // Front. Microbiol. V. 11, 1127 (2020).
6. V.A. Vavilin, L.Y. Lokshina // Waste Management, V. 166, 280-293 (2023).

Авторы: Вавилин В.А.*, Локшина Л.Я. Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт водных проблем Российской академии наук, г. Москва