Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные направления в совершенствовании технологических процессов переработки овчинно-шубного сырья
1.1 Характеристика сточных вод меховых предприятий 10
1.2 Современные тенденции повышения качества кожевенно-меховой продукции
1.3 Биологические методы очистки сточных вод от поверхностно-активных веществ
1.3.1 Биодеструкция анионных поверхностно-активных веществ 2 \
1.3.2 Деструкция неионогенных поверхностно-активных веществ 26
1.3.3 Деструкция амфолитных поверхностно-активных веществ 30
1.3.4 Бактериальная деструкция катионных поверхностно- 31 активных веществ
Глава 2. Организация экспериментов и методы исследования 34
2. 1 Объекты исследования и методика проведения эксперимента 34
2.2 Методы исследования 42
Глава 3. Экспериментальная часть 46
3.1 Изучение некоторых морфолого-физиологических свойств выделенных микроорганизмов
3.2 Характеристика выделенных микроорганизмов с свойствами
3.3 Выделение микроорганизмов, растущих в присутствии СПАВ 57
3.4 Изучение липолитической и протеолитической активностей выделенных культур
3.5 Изучение возможности проведения процессов отмоки и обезжиривания меховой овчины с применением культуры Erwinia sp,
3.5.1 Изучение возможности проведения процесса отмоки меховой овчины с использованием культуры Erwinia sp,
3.5.2 Изучение возможности проведения процесса обезжиривания меховой овчины с использованием культуры Erwinia sp.
3.5.3 Оценка уровня токсического загрязнения сточных вод после проведения подготовительных процессов обработки меховой овчины
3.6 Оптимизация процесса обезжиривания меховой овчины с использованием окислителей
Глава 4. Технико-экономическое обоснование. 110
4.1. Расчет стоимости бактериальной суспензии 112
4.1.1 Подбор необходимого оборудования 113
4.2 Расчет расхода химических материалов 115
4.3 Расчет платы за сброс загрязняющих веществ в поверхностные водные объекты
Выводы 125
Список использованных источников 127
Приложение 140
- Характеристика сточных вод меховых предприятий
- Объекты исследования и методика проведения эксперимента
- Изучение некоторых морфолого-физиологических свойств выделенных микроорганизмов
Введение к работе
Актуальность работы. Охрана водных ресурсов в Байкальском регионе — одна из актуальных проблем современности. Внимание к байкальской проблеме не ослабевает в течение последних 30 лет. Необходимость ее решения определяется общей неблагополучной и ухудшающейся экологической обстановкой в этом обширном регионе, с одной стороны, а с другой - уникальностью природного комплекса озера Байкал.
За последние годы увеличивается количество загрязняющих веществ, попадающих в водные объекты Байкальского региона. Одна из основных причин усиливающегося загрязнения водных ресурсов региона заключается в том, что очистные сооружения промышленных и хозяйственных бытовых сточных вод морально и технически устарели и вследствие этого в рабочем режиме они не очищают стоки до установленных нормативов, рассчитанных с учетом требований, действующих в Байкальском регионе.
Требование времени вызывает необходимость массовой замены во многих отраслях народного хозяйства существующих технологий на новые, экологические технологии, не связанные с загрязнением водной среды. Принципиально новая технология, разработанная с учетом требований охраны окружающей среды, должна характеризоваться минимальным содержанием контаминантов, что очень актуально для Байкальского региона.
Овцеводство в Бурятии всегда было одной из ведущих отраслей сельскохозяйственного производства. Этому способствовали наличие огромных площадей, степных и горных пастбищ, климатические условия, позволяющие использовать пастбища зимой, богатый опыт местного населения, потребность в шерсти и баранине, необходимых для людей, живущих в экстремальных природно-климатических условиях. В настоящее время действует программа стабилизации и развития овцеводства на 1999-2005 гг., которая предусматривает увеличить поголовье овец в республике до 385 тыс, голов, производство шерсти довести до 631,5 тонн в мытом волокне и баранины до 5,7 тыс. тонн. Вследствие этого растет количество предприятий по обработке меховой овчины.
В меховом производстве одним из основных компонентов сточных вод являются СПАВ, которые используются, в основном, в подготовительных процессах. Данные вещества являются в большинстве своем биологически жесткими, слабо подвергаются биологическому окислению, отрицательно воздействуют на сложившиеся биоценозы нативных водных объектов. В связи с этим возникает необходимость совершенствования технологических процессов обработки овчинно-мехового сырья, в частности процессов отмоки и обезжиривания. Решение данной проблемы, на наш взгляд, возможно при совмещении микробиологических и химико-технологических методов обработки меховой овчины, что позволит снизить уровень токсического воздействия на окружающую среду за счет сокращения количества СПАВ, исключения гексафторсиликата натрия, формальдегида и карбоната натрия, вводимых в отмочный и обезжиривающий растворы.
Цель настоящей работы - разработка биотехнологического метода обезжиривания меховой овчины на основе использования бактериальной суспензии с сокращенным расходом химических материалов.
В задачи исследования входило:
Выделить из сточных вод мехового производства микроорганизмы, обладающие ли политической, протеолитической активностями, высокой толерантностью к СПАВ, изучить их свойства и определить родовую принадлежность.
Изучить влияние СПАВ различной химической природы на динамику роста и развития микроорганизмов.
Разработать схему получения бактериальной суспензии на основе отобранной культуры и изучить ее свойства.
На основе полученной бактериальной суспензии разработать параметры проведения подготовительных процессов переработки овчины.
Разработать математическую модель оптимизации биотехнологического метода обезжиривания.
Провести сравнительный анализ качественных характеристик готовой продукции и сточных вод, образующихся после отмоки и обезжиривания меховой овчины, выполненных по типовой и опытной методикам.
Научная новизна.
1. Выделена культура Erwinia sp., определены ее морфолого- культуральные и физиолого-биохимические свойства, проведена ее адаптация к СПАВ различной химической природы и жировым веществам.
Изучен процесс утилизации СПАВ различной химической природы культурой Erwinia sp.
Показано влияние внешних факторов на свойства бактериальной суспензии, полученной на основе культуры Erwinia sp.
Методом математического моделирования оптимизирован процесс биотехнологического обезжиривания меховой овчины.
Использование бактериальной суспензии в процессе обезжиривания меховой овчины способствует сокращению расхода СПАВ с 8 до 1 г/дм3, исключению из обезжиривающего состава карбоната натрия и формальдегида.
Практическая ценность.
Разработаны параметры получения бактериальной суспензии на основе культуры Erwinia sp. Показана возможность применения полученной бактериальной суспензии в процессах отмоки-обезжиривания меховой овчины.
Выявлено снижение токсического загрязнения сточных вод за счет уменьшения расхода СПАВ, исключения ряда химических веществ из рабочего состава.
Результаты работы использованы при выполнении Единого заказ-наряда на тему «Изучение механизма деструкции ксенобиотиков и влияния экстремальных факторов окружающей среды на деструктивную активность выделенных штаммов». Апробация разработанный технологий проведена в условиях опытного производства «ЭКОМ» ВСГТУ (Акты №1 от 10.02.2005 г., №2 от 15.09.2005 г. о полупроизводственных испытаниях биотехнологического метода обезжиривания меховой овчины)
Автор защищает: Получение бактериальной суспензии на основе культуры Erwinia sp., выделенной из сточных вод мехового производства.
Биотехнологический способ обезжиривания овчины с использованием бактериальной суспензии, позволяющей снизить уровень токсического воздействия на окружающую среду за счет уменьшения расхода СПАВ с 8,0 до 1,0 г/дм3, исключить использование формальдегида. Возможность получения продукции, соответствующей требованиям ГОСТ 4661-76 «Овчина меховая выделанная. Технические условия».
Апробация работы.
Результаты работы были представлены на ІХ-й Международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (Томск, 2003 г.); XLI-й Международной научной конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2003 г.); 7-й и 8-й Международных школах-конференции «Биология - наука ХХТ века» (Пушино, 2003-2004 гг.); VTI-Й и VIII-й Международных научных школах-конференциях «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, 2003-2004 гг.); I Всероссийской конференции «Актуальные проблемы защиты окружающей среды регионов России» (Улан-Удэ, 2004 г.); Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодые ученые Сибири» (Улан-Удэ, 2004 г.); Всероссийской internet-конференции «Современные проблемы науки и образования» (Москва, 2004 г.) и на конференциях преподавателей, научных сотрудников и аспирантов Восточно-Сибирского государственного технологического университета (Улан-Удэ, 2003-2004 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано П_ печатных работ.
Приношу свою глубокую признательность за всестороннюю поддержку, ценные советы и за помощь в работе кандидату технических наук, доценту Шалбуеву Дмитрию Валерьевичу и кандидату биологических наук, доценту Инешиной Елене Григорьевне.
Характеристика сточных вод меховых предприятий
Сточные воды меховых предприятий представляют собой сложную систему, содержащую большое количество разнообразных минеральных и органических примесей. Загрязняющие вещества в этих сточных вод могут быть в грубодисперсной, коллоидной, молекулярной и ионной формах [3].
Технологический процесс каждого предприятия по переработке мехового сырья имеет свои особенности, что связано с числом видов обрабатываемого сырья, его качеством, а также используемым оборудованием. Поэтому состав сточных вод отдельных предприятий может значительно отличаться друг от друга по концентрации входящих компонентов. В то же время однотипность операций выделки и крашения мехового сырья позволяет определить пределы колебаний их концентрации [4].
Меховое сырье с первой до последней операции обрабатывается с сохранением волосяного покрова, поэтому во всех сбрасываемых технологических растворах присутствует шерсть. Концентрация ее при этом различна: при отмоке и промывке выше, в красильных процессах ниже и в среднем колеблется от 0,2 до 0,9 г/дм3 [5].
В сточных водах меховых и овчинно-шубных предприятий содержится большое количество взвешенных веществ, причем в последних содержание их несколько ниже. Так, средняя концентрация взвешенных веществ в стоках меховых предприятий (без учета грубодисперсных загрязнений) колеблется в пределах 2,5-5,8, а шубных- 1,4-3 г/дм3.
Органическая часть взвешенных веществ обычно не превышает 65% их общего. количества. Во всех жидкостных процессах применяют растворы, содержащие в высоких концентрациях различные химические соединения и красители, поэтому масса сухого остатка сточных вод достаточно велика (в среднем 6-8 г/дм3), а его прокаленная часть составляет 65-70%. Это связано в первую очередь с использованием в жидкостных операциях высоких концентраций хлорида натрия [6].
Вследствие большого разнообразия загрязняющих веществ, поступающих в сточные воды из обрабатываемых шкур, определение концентрации каждого из них чрезвычайно затруднено, и степень загрязненности сточных вод целесообразно характеризовать по обобщающим показателям ХПК и БПК и их отношению. Пределы этих показателей составляют от 850 до 7490 мг/дм при среднем значении 2450 мг/дм (для ХПК) и от 400 до 4500 мг/дм3 при среднем значении 1200 мг/дм3 (для БПК5) [7].
Сточные воды меховых производств характеризуются присутствием таких загрязняющих веществ, как соли хрома (III) и (VI), жиры, ПАВ и красители. Их концентрация зависит от вида перерабатываемого сырья и принятой технологической схемы. Так, при производстве шубной овчины сточные, воды не содержат соединений хрома (VI), а при выделке меха, выпускаемого в неокрашенном виде, в них отсутствуют и эти соединения, и красители. Специфические загрязнения стоков меховых предприятий имеют следующую концентрацию, мг/дм3: хром (III) - 12-И 70, хром (VI) 15-И 50, жиры 70-450, ПАВ 50-650 [8].
Для сточных вод отдельных процессов мехового производства рН колеблется в широких пределах - от 3,5 до 8,5, однако общий сток представляет собой среду с рН около 6,5.
Сточные воды меховых предприятий, как правило, сильно окрашены. Интенсивность их окраски различна (по разведению до бесцветной 1:50 -1:1000) [9].
Концентрация загрязнений меховых предприятий колеблется не только по часам суток, но, так же, как и расход сточных вод, и по дням недели, что связано с цикличностью проведения технологических операций [10].
Таким образом, при обработке пушно-мехового и овчинно-шубного сырья на предприятиях меховой промышленности образуется значительное количество сточных вод, характер которых определяется спецификой технологических процессов. Сточные воды этих предприятий содержат большое количество трудноокисляемых органических веществ (шерстный и натуральный жиры, красители различной химической природы, ПАВ), а также токсичные соединения (трех- и шестивалентного хрома) в совокупности с минеральными и органическими кислотами. В связи с этим представляет интерес использование новых методов обработки мехового сырья, позволяющих снизить уровень токсического загрязнения сточных вод, поступающих в нативные водные объекты.
Объекты исследования и методика проведения эксперимента
Одним из основных ингредиентов, содержащихся в сточных водах меховых предприятий, являются синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), которые широко применяются при выполнении подготовительных процессов обработки овчинно-шубного сырья. Однако данные вещества являются в большинстве своем биологически жесткими, слабо подвергаются биологическому окислению, отрицательно воздействуют на сложившиеся биоценозы нативных водных объектов. Все это обуславливает необходимость снижения концентрации СПАВ в сточных водах, сбрасываемых в природные водоемы. Особенно этот вопрос актуален в Байкальском регионе, в котором установлены «жесткие» нормативы предельно-допустимых концентраций сбрасываемых загрязняющих веществ [79].
На наш взгляд, решение поставленной проблемы возможно при совмещении микробиологических и химико-технологических методов обработки меховой овчины, что позволит снизить уровень токсического загрязнения сточных вод, образующихся после ее переработки при сохранении качества готовой продукции.
Объектами исследования были выбраны микроорганизмы, выделенные из сточных вод после эмульсионного обезжиривания меховой овчины; синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) разного типа: анионак-тивные - Гамма, De-sol-A, неионогенные - Превоцелл W-OF-7, Wetter НАС; полутонкорунная меховая овчина.
1. Меховая овчина полутонкорунная - шерстный покров полутонкорунных овчин на основной площади густой, однородный, штапельного или штапельно-косичного строения, со средней или крупной извитостью. Пло-щадь овчин должна быть не менее 24 дм [80].
2. Превоцелл W-OF-7 представляет собой продукт оксиэтилироваиия технических жирных спиртов. По внешнему виду воскообразная масса белого цвета, устойчив к жесткой воде, а также в кислых и щелочных растворах.
3. Wetter НАС - 100% активный, неионогенный, смачивающий агент, усиленный специальными бактерицидами и фунгицидами. На вид светло-янтарная, немного вязкая жидкость, растворимость неограниченная.
4. De-Sol-A - анионактивное, низкорастворимое моющее средство, на вид представляет собой белую пасту с рН 8-8,5 (1% раствор).
5. Гамма представляет собой смесь высококачественных анионных, не-ионогенных ПАВ, полезных добавок. Легко растворим в воде.
6. Шерстный жир представляет собой смесь эфиров высших жирных кислот с одноатомными спиртами: холестерином, изохолестерином, оксихо-лестерином и др. В виде эфирных соединений в нем содержится от 43 до 52% трудно омыляемых веществ и 10-15% стеаринов. В состав шерстного жира входят следующие жирные кислоты: ланопальмитиновая, стеариновая, пальмитиновая, олеиновая, а также небольшое количество уксусной, масляной и церитиновой кислот. По физическим свойствам шерстный жир представляет собой мягкую жироподобную массу, плавящуюся при температуре около 38С[81].
7. Микроорганизмы были выделены накопительным методом из сточной воды после эмульсионного обезжиривания меховой овчины.
В соответствии с поставленными задачами исследовательскую работу проводили в лабораторных условиях по схеме, представленной на рисунке 1.
Экспериментальные исследования в лабораторных и полу производственных условиях были направлены на решение трех задач.
Изучение некоторых морфолого-физиологических свойств выделенных микроорганизмов
Целью данного этапа эксперимента являлось выделение микроорганизмов из сточных вод после процесса эмульсионного обезжиривания меховой овчины, исследование некоторых их свойств, определение родовой принадлежности. Выделение микроорганизмов проводили накопительным методом с последующим высевом на агаризованные синтетические среды следующего состава (г/дм ): КаНзРОд — 1,0; NH4N03 - 1,0; NaCl - 0,5; MgCl2 - 0,1, содержащую в качестве источника углерода СПАВ различной химической природы (1,0 г/дм3). Селекцию проводили пересевом колоний на чашки с той же средой, но с более высоким содержанием СПАВ. Выделенные культуры были обозначены символами А, В, С, D, Е, F и на основании комплекса мор ф ол о го-кул ьтуральных и физиолого-биохимических свойств определена их родовая принадлежность. Схема получения стартовой культуры представлена на рисунке 2.
Для определения родовой принадлежности выделенных культур были исследованы их морфолого-культуральные признаки [85]. Данные представлены в таблицах 1, 2.
При оценке воздействия составов сред на культуральные свойства микроорганизмов, можно отметить, что при росте на МПА колонии характеризовались более активным ростом (lg КОЕ=3,17 - - 3,76), чем на синтетической среде (lg КОЕ=1,15 -н 1,72). Основная форма колоний -круглая. Преобладали колонии с гладкой поверхностью. Блестящая поверхность колоний была характерна для организмов, культивируемых на плотной синтетической среде. Характер края дифференцирован - гладкий, ворсистый. Профиль рассмотренных колоний в основном выпуклый, за исключением культур В, С, F, культивируемых на плотной синтетической среде; внутренняя структура - однородная и мелкозернистая, преобладающий цвет посевной черты - от грязно-белого до желтого. Колонии на МПА характеризовались большим размером (d»3-4 мм), чем колонии на синтетической среде (d l мм). Уменьшение размеров колоний и изменение культуральных свойств организмов, инкубированных на синтетической среде по сравнению с МПА, вероятно, происходит из-за присутствия в среде токсичных веществ, в частности СПАВ.
