Реферат: Загрязнение, контроль, анализ и охрана экологических систем

ЗАГРЯЗНЕНИЕ, КОНТРОЛЬ,

АНАЛИЗ И ОХРАНА

ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ






С.Н. Перов

О.С. Корнеева

д-р биол. наук, проф.

(Воронежская государственная
технологическая академия)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
ФЛОКУЛЯНТОВ В ОЧИСТКЕ СТОЧНЫХ ВОД


Обосновывается целесообразность использования микроорганизмов в качестве биофлокулянтов. Объектом исследования для очистки сточных вод служила культура актиномицета Str. chromogenes s.g. 0832. Установлена зависимость изменения скорости оседания хлопьев и мутности от времени отстаивания. Показано, что наилучший эффект осветления наблюдался через два часа отстаивания. Отмечено, что наибольшая эффективность очистки сточной воды проявлялась при внесении культуральной жидкости (КЖ) после двух суток культивирования микроорганизма, что коррелировало с его максимальной протеолитической активностью (433,8 ед./см3). Сделан вывод о положительном влиянии актиномицета на процесс флокуляции.


The reasons for use of microorganisms as bioflocculants for effluents treatment are presented in the article. The culture of actinomycete Str. chromogenes s.g. 0832 was the object of investigations. A relationship between the in velocity of sedimentation of flakes, turbidity and the time of sedimentation ware established. Is shown, that the best effect of defecation was observed through 2 h of settling. Is marked, that the greatest effectiveness of wastewater clearing was exhibited at importation of a cultural liquid after 2 days of microorganism cultivation that correlated with its maximal proteolytic activity. The conclusion about positive influence of actinomycete on flocculation process on is made.


Введение

В России сооружения биологической очистки составляют 54,8 % от общего числа всех очистных сооружений, а водоотведение на них – 78,9 % от общего объема очищаемых вод, что позволяет определить решающую роль биологической очистки сточных вод [1].

К преимуществам сорбционного метода очистки относятся: возможность удаления загрязнений чрезвычайно широкой природы практически до любой остаточной концентрации независимо от их химической устойчивости и управления процессом. В каче­стве сорбентов используются различные искусственные и природные пористые материалы, имеющие развитую или специфическую поверхность: золы, коксовая мелочь, торф, силикагели, алюмогели, активные глины, пенополистирол и др. [2]. Однако в настоящее время наибольший интерес представляет разработка биофлокулянтов на основе микроорганизмов-деструкторов.

Как известно, мутность – наиболее оперативный, чутко реагирующий на нарушения, показатель качества очистки. Любые, даже незначительные, неблагоприятные изменения в составе сточных вод и в технологическом режиме их очистки приводят к падению прозрачности очищенной воды.

Мутность многих производственных сточных вод в значительной мере обусловле­на присутствием в них грубодисперсных и коллоидных частиц. При отстаивании таких вод частицы оседают с различной скоростью в зависимости от их размеров, плотности, взаимодействия с дисперсной средой и т.д. Грубодисперсные частицы оседают довольно быстро, а коллоидные обладают практически нео­граниченной кинетической устойчивостью, поэтому возникают значительные трудности осветления мутных вод [3].

Цель работы – исследование действия синтетических флокулянтов фирмы NALCO и биофлокулянта, а также их совместного действия.

^ Экспериментальная часть

В качестве биофлокулянта использовали КЖ микроорганизма рода Streptomycetes Streptomyces chromogenes s.g. 0832, полученного из музейной коллекции микроорганизмов кафедры микробиологии и биохимии Воронежской государственной технологической академии (ВГТА). Культуру актиномицета выращивали на стандартной питательной среде Чапека с крахмалом, приготовленной по рекомендованной технологии и жидкой питательной среде с соевой мукой, следующего состава (масс. %): крахмал – 5,0; соевая мука – 1,5; ZnSО4 – 0,02; FeSO4 – 0,01; CaCO3 – 0,4; K2HPO4 – 0,08 [4]. Культивирование

ш

тамма проводили в качалочных колбах объемом 750 см3 со 100 см3 жидкой питательной среды, при 282 °С и постоянном шуттелировании со скоростью вращения 230 об./мин.

Протеолитическую активность определяли по модифицированному методу Ансона с применением субстрата казеината натрия [5]. За единицу протеолитической активности принимали такое количество фермента, которое за 1 мин при 30 ºС катализировало переход в неосаждаемые трихлоруксусной кислотой продукты гидролиза казеината натрия в количестве, соответствующем 1 ммолю тирозина (1 ммоль тирозина соответствует 0,181 мг аминокислоты).

Кинетику выпадения грубодисперсных веществ определяли в цилиндре Лисенко объемом 100 см3 с делениями на 1 см3. Наполняли цилиндр до метки исследуемой сточной водой, тщательно перемешивали и через 1…2 ч отмечали объем выпавшего осадка. Результат выражали в процентах к объему сточной воды и в миллилитрах на 1 л жидкости.

Величину рН определяли потенциометрически на рН-метре pH-150 ML.

Эффективность флокулирующего действия ^ D при внесении КЖ микроорганизма Str. chromogenes s.g. 0832 в сточную воду оценивали, определяя оптическую плотность стока после флокуляции в течение 1 ч на ФЭК КФК-2 при 540 нм в расчете на оптическую плотность исходного стока по формуле



где n0 – оптическая плотность исходного стока, определенная фотометрически; n – оптическая плотность осветленного стока.

Исходные показатели сточной воды перед проведением эксперимента составили: pH 6,63±0,09; мутность 0,39±0,02 мг/дм3; химическое поглощение кислорода (ХПК) 184,3±8,1 мг О2/дм3; содержание общего железа 0,43±0,03 мг/дм3.

При оценке влияния исследуемых флокулянтов на процесс осветления мутных вод предполагалось, что осаждение взвешенных частиц и изменение мутности воды в присутствии катионного коагулянта Nalco CWL-41 и КЖ актиномицета будут происходить с различной степенью интенсивности. В связи с этим определяли оптимальное время отстаивания объекта сточной воды мясокомбината с момента внесения КЖ актиномицета и соответствующего коагулянта.

На рисунке приведена зависимость оптической плотности сточной воды при использовании КЖ актиномицета в соотношении 1:30 к объему стока, катионного коагулянта Nalco CWL-41 с массовой долей 0,03 % (ранее определенные оптимальные соотношения) и их совместного применения за 24 ч отстаивания. Анализ приведенной зависимости показывает, что существенное падение показателя мутности во всех вариантах происходит уже в первые 10…15 мин с момента начала флокуляции, однако оптимальное время отстаивания составляет 2 ч.

Для флокуляционных процессов характерна быстрота образования агрегатов при введении сравнительно небольших доз полимеров. Следовательно, характерно, что в течение первых 10 мин отстаивания оптическая плотность D в случае использования коагулянта Nalco CWL-41 составила 0,15; что на 34,5 % меньше чем в случае использования КЖ актиномицета. Однако наибольший эффект снижения оптической плотности достигнут в случае совместного использования полимерного коагулянта и биофлокулянта, оптическая плотность отстоя при котором составила 0,14. При увеличении времени отстаивания до 2 ч эффективность действия биофлокулянта составляет 51,8 % и достигает уровня значений, соответствующих применению катионного коагулянта. Однако эффект осветления максимален через 24 ч при применении Nalco CWL-41, но учитывая то, что в условиях промышленного применения время отстаивания занимает в среднем 1,5…2 ч, эти данные не являются решающими при оценке сравнительного действия.

Важно отметить, что наибольшая эффективность очистки раствора сточной воды в случае с использованием микроорганизма проявлялась при внесении КЖ после двух суток культивирования актиномицета, что коррелирует с максимальной протеолитической активностью (473,6 ед./см3). По всей видимости, активные протеазы, содержащиеся в культуральной жидкости актиномицета, способствуют деструкции белковых веществ сточных вод.

Для характеристики работы сооружений механической очистки большое значение также имеет количество оседающих веществ, т.е. выпадающих в осадок за два часа отстаивания в лабораторном цилиндре. Таким образом, количество оседающих веществ – это теоретически возможный предел эффективности отстаивания взвеси в условиях первичных отстойников в случае биологической очистки сточных вод.

Д
Таблица 1

^ Влияние времени отстаивания на объем осадка и скорость осаждения хлопьев в процессе флокуляции

Время
отстаивания, τ, мин

Флокулянты

КЖ

Nalco CWL-41

Nalco CWL-41 + КЖ

Объем
осадка, см3

Скорость
оседания за 2 ч, мг/дм3

Объем
осадка, см3

Скорость
оседания за 2 ч, мг/дм3

Объем
осадка, см3

Скорость
оседания за 2 ч, мг/дм3

5

314,3

9,60

200,0

10,40

338,5

8,70

10

278,6

5,05

184,6

5,30

330,8

4,30

15

257,1

3,47

180,8

3,55

323,1

2,93

20

235,7

2,68

176,9

2,68

300,0

2,28

30

221,4

2,18

169,2

2,17

284,6

1,88

60

221,4

2,18

165,4

2,16

276,9

1,86

120

196,4

1,88

161,5

1,81

269,2

1,58


Таблица 2

^ Влияние времени отстаивания на изменение мутности надосадочной жидкости

Наименование

Изменение мутности надосадочной жидкости во времени

10 мин

20 мин

30 мин

1 ч

2 ч

24 ч

Контроль

0,357

0,357

0,357

0,357

0,357

0,349

КЖ

0,256

0,206

0,184

0,167

0,133

0,122

Nalco CWL-41 + КЖ

0,150

0,133

0,128

0,105

0,100

0,083

Nalco CWL-41

0,173

0,161

0,145

0,133

0,117

0,066




ля нормальной работы первичных отстойников объем осадка должен составлять 10…25 % от общего объема стока.

Опираясь на изложенное, и то, что совместное присутствие взвешенных и коллоидных веществ регистрируется прозрачностью и мутностью, определяли влияние времени отстаивания на объем осадка и скорость осаждения хлопьев в процессе флокуляции в целях получения данных о содержании в воде загрязнений различного характера (табл. 1).

Данные табл. 1 позволяют утверждать, что стадия первичной флокуляции проходит в течение первых 5…7 мин после внесения флокулянтов, о чем свидетельствует максимальная скорость седиментации флокул во всех трех случаях.

Важно отметить, что объем осадка, в случае совместного использования полимерного коагулянта и биофлокулянта, через два часа отстаивания составил 26,92 %. Такой уровень образовавшегося осадка в условиях промышленного применения на станциях биологической очистки приводит к нарушению процесса осаждения в первичных отстойниках и изменению режима гравитационного отстаивания, а также выносу взвешенных веществ. При внесении КЖ актиномицета и Nalco CWL-41 объем осадка составил 19,64 и 16,15 % от общего объема стока соответственно, что говорит о незначительной эффективности совместного использования.

Результаты исследования изменения мутности надосадочной жидкости при внесении флокулянтов во времени представлены в табл. 2. Выявлено, что изменение мутности сточной воды во времени прямо пропорционально изменению оптической плотности надосадочной жидкости. Показано, что совместное влияние КЖ актиномицета и катионного коагулянта максимально проявляется через два часа отстаивания. Увеличение времени отстаивания до 24 ч не давало положительных результатов.

Снижение мутности стока связано с фиксацией флокулянтов на поверхности частиц дисперсной фазы сточной воды и как следствие образованием флокул, что согласуется с принятой теорией «мостикообразования». Согласно современным представлениям, причиной флокуляции является адсорбция макромолекул на нескольких твердых частицах и образование мостиков, связывающих частицы между собой.

В связи с чем авторы полагают, что для этой цели могут служить, как ковалентные связи, так и физическая адсорбция. Так как, несмотря на различный эффект, оба процесса, как флокуляция, так и стабилизация имеют одну и ту же физическую природу и связаны с взаимодействием твердых частиц с макромолекулами коагулянта Nalco CWL-41 в одном случае и развитым мицелием актиномицета Str. chromogenes s.g. 0832 – в другом.

Суммируя сказанное, отметим, что проведенными исследованиями выявлено: добавление в объем сточной воды КЖ микроорганизма Str. chromogenes s.g. 0832 в качестве биофлокулянта приводит к эффективному снижению мутности стока, он эффективен и по флокулирующей способности вполне конкурентоспособен синтетическим коагулянтам в частности Nalco CWL-41. Кроме того, если получение синтетических флокулянтов требует создания специального производства, что определяет их высокую стоимость, то использование КЖ актиномицета в качестве биофлокулянта целесообразно и перспективно.

Контактный телефон: (4732) 55-55-57
E-mail: biochem@vgta.vrn.ru

^ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Форстер К.Ф., Вейз Д.А. Экологическая биотехнология: Перев. с нем. / Л.: Химия. 1990.

Хименко Л.Л. Каменщиков А.Л. Способы получения, строение, принцип действия синтетических флокулянтов. Пермь, 1998.

Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й., Арван Э. Очистка сточных вод: Пер. с англ. М.: Мир, 2004.

Шифрин С.М., Иванов Г.В., Мишуков Б.Г., Феофанов Ю.А. Очистка сточных вод мясной и молочной промышленности. М.: Легкая и пищевая промышленность. 1981.

Рухлядева А.П., Полыгалина Г.В. Методы определения активности гидролитических ферментов. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981.




Э КОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ПРИБОРЫ № 4. 2007 г.