Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД МЯСОКОМБИНАТОВ 9
1.1. Качественная и количественная характеристика сточных вод мясокомбинатов и образующегося осадка 9
1.2. Анализ действующих методов очистки сточных вод мясоперерабатывающих предприятий 19
1.2.1. Биологическая очистка сточных вод 26
1.2.1.1. Иммобилизованные микроорганизмы в очистке сточных вод 30
1.2.1.2. Биофлокулянты в очистке сточных вод 34
1.3. Экологические критерии обеспечения качества очистки сточных вод 41
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 46
2.1. Объекты исследований 46
2.2. Характеристика методов исследования 48
2.2.1. Определение ферментативной активности 48
2.3. Методы исследования физических свойств сточных вод 49
2.3.1. Определение мутности воды 49
2.3.2. Определение скорости осаждения грубодисперсных веществ 50
2.4. Методы исследования химического состава сточных вод 50
2.4.1. Определение азота нитритов методом Грисса 50
2.4.2. Определение содержания общего железа 50
2.4.3. Определение азота нитратов 51
2.5. Определение флокулирующего эффекта 52
2.6. Определение -потенциала бактериальных клеток 52
2.7. Проведение научно-производственного эксперимента по кормлению кур-несушек 53
2.8. Статистическая обработка результатов 54
ГЛАВА 3. АКТИНОМИЦЕТЫ КАК БИОФЛОКУЛЯНТЫ В ОЧИСТКЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД 55
3.1. Микробиологический и химический состав сточных вод мясокомбинатов 55
3.2. Выбор актиномицета - продуцента протеолитических ферментов, обладающего флокулирующей способностью 58
3.2.1. Влияние физико-химических факторов на флокулирующие свойства актиномицета Str. chromogenes 0832 67
3.3. Исследование флокуляционных свойств микроорганизма Str. chromogenes 0832 73
3.3.1. Сравнительная характеристика эффективности применения актиномицета Str. chromogenes 0832 и синтетических флокулянтов для очистки сточных вод 76
3.4. Изучение сорбционного взаимодействия микроорганизма Str. chromogenes 0832 и компонентов сточной воды 84
3.5. Оптимизация условий биосорбционной очистки сточных вод 91
ГЛАВА 4. ОБЕЗВОЖИВАНИЕ И УТИЛИЗАЦИЯ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД 99
4.1. Характеристика осадка сточных вод 99
4.2. Обоснование использования осадков сточных вод в составе комбикорма для кур-несушек 103
4.3. Эколого-экономическое обоснование способа биосорбционной очистки сточных иод 111
4.3.1. Определение общей экономической эффективности природоохранных затрат 112
4.3.2. Расчет коэффициента экологичности метода биосорбционной очистки сточных вод 116
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 119
ВЫВОДЫ 120
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 121
ПРИЛОЖЕНИЯ 137
- Качественная и количественная характеристика сточных вод мясокомбинатов и образующегося осадка
- Объекты исследований
- Микробиологический и химический состав сточных вод мясокомбинатов
Введение к работе
Актуальность проблемы В индустриальных странах с высоким уровнем развития производства процесс очистки промышленных стоков, как одно из мероприятий охраны природы, приобрел значение проблемы государственной важности.
Существенный вклад в решение этой проблемы вносят биологические методы очистки сточных вод, связанные с поиском эффективных селективных штаммов микроорганизмов, способных утилизировать органические загрязнения, в том числе из-за их относительной дешевизны и приемлемой производительности.
Установлено, что определенную роль в загрязнении водоемов органическими и биогенными веществами играют сточные воды мясокомбинатов. Превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) по БПК5 в 6 раз (фактически 2000-3000 мг/дм3), по содержанию соединений азота в 9 раз (1-2 мг/дм3), по взвешенным веществам в 8 раз (1000 мг/дм3) создает серьезные трудности как при очистке сточных вод, так и при утилизации образующегося осадка. Несмотря на высокие концентрации загрязнений, подавляющее количество сточных вод (около 80-90 %) сбрасывается практически без очистки.
По расходу воды на единицу выпускаемой продукции мясная отрасль считается наиболее водоемкой: удельный расход воды на 1 тонну выпускаемой продукции 19,4-40,0 м3. Высокий уровень водопотребления обусловливает и больший объем образования сточных вод. Особенностью сточных вод мясокомбинатов является преобладающее загрязнение органическими веществами животного происхождения. Несмотря на высокие концентрации загрязнений, подавляющее их количество (около 80-90 %) сбрасываются практически без очистки.
Среди методов, применяемых для решения проблем, связанных с очисткой сточных вод, сорбционный является одним из наиболее эффективных. К преимуществам сорбции можно отнести возможность удаления загрязнений чрезвычай 5 но широкой природы практически до любой остаточной концентрации независимо от их химической устойчивости, отсутствие вторичных загрязнений и эффективный контроль качества процесса водоочистки.
В настоящее время тенденции развития технологий сорбционной очистки воды определяются возрастающим ассортиментом и количеством естественных минеральных и органических веществ, созданием новых сорбентов: биосорбентов и биофлокулянтов. Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует о том, что реализация стратегии устойчивого развития требует создания гибких и надежных технологий очистки сточных вод, использования в технологических процессах очищенной сточной воды, а также переработки и утилизации образующихся осадков.
Культивирование многих видов дрожжей и бактерий сопровождается биофлокуляцией, которая характерна и для микроорганизмов активного ила. Исследованию биофлокуляции дрожжей посвящено много работ, но вопрос остается открытым, т.к. не выявлено влияние состава исходного субстрата на структуру хлопьев (флокул) активного ила. Использование актиномицетов для очистки сточных вод не изучалось, хотя известно, что они обладают высокоразвитой седиментационной способностью и сложной ферментативной системой, благодаря которой хорошо усваивают органические вещества. Седиментацион-ные свойства актиномицетов проявляются нагляднее, чем у дрожжей и бактерий. Хлопья, образуемые актиномицетами, крупнее флоков, образуемых с участием бактериальных и дрожжевых клеток, причем их седиментация проходит за более короткий промежуток времени.
В связи с этим поиск штаммов актиномицетов, обладающих биофлокули-рующей способностью, и исследование возможности их применения для очистки сточных вод является немаловажным вкладом в решение актуальной проблемы охраны окружающей среды.
Цель и задачи исследования Целью работы являлось исследование биофлокулирющей способности актиномицетов и разработка биосорбционного способа очистки сточных вод (СВ) мясокомбинатов с применением актиномицета.
В рамках поставленной цели решались следующие задачи:
- изучить микробиологический и химический состав сточных вод мясокомбинатов;
- провести скрининг актиномицетов - продуцентов кератинрасщепляю-щих протеаз, обладающих флокулирующей способностью;
- подобрать оптимальные условия очистки сточных вод (рН, температура, объемная концентрация биофлокулянта) актиномицетом с максимальным флокулирующим эффектом;
- провести сравнительную оценку эффективности использования синтетических флокулянтов и биосорбента в очистке сточных вод;
- разработать технологическую схему очистки сточных вод и утилизации осадка с применением биофлокулянта на основе актиномицета и определить экологичность предложенной технологии;
- оценить экономическую эффективность применения метода биосорбци-онной очистки сточных вод в условиях производства;
- разработать рекомендации по применению осадка сточных вод (ОСВ) в качестве белкового компонента в составе комбикорма.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Применение биосорбционных методов очистки промышленных сточных вод от органических соединений является одним из эффективных способов их утилизации, что актуально в аспекте охраны природы.
2. Актиномицеты, проявляющие высокую протеолитическую, в частности, кератиназную активность обладают высокой седиментационной способностью, что позволяет использовать их в качестве биофлокулянта для очистки сточных вод, загрязненных белковыми веществами.
3. Образующийся в процессе биофлокуляции сточных вод мясокомбинатов осадок содержит ценные белковые вещества и биологически значимые эле 7 менты в концентрациях, не превышающих ПДК. Результаты экспериментов позволяют полагать, что ОСВ может быть использован в качестве белковой добавки к комбикорму домашней птицы.
Научная новизна
Впервые научно обоснована и практически подтверждена возможность применения акгиномицега Str. chromogenes 0832 для очисгки сгочных вод мясокомбинатов в качестве биофлокулянта.
Впервые установлена корреляционная зависимость между биосинтезом протеолитической активности, накоплением биомассы в культуральной жидкости актиномицета Str. chromogenes 0832 и эффективностью очистки сточных вод, содержащих в качестве загрязнений белковые вещества.
На основе литературных и собственных данных разработана модель биосорбции органических веществ актиномицетом Str. chromogenes 0832. Результаты исследования вносят вклад в решение проблемы охраны природы.
Теоретическая и практическая значимость работы Предложенная модель углубляет и расширяет представления о механизме биосорбции биофлоку-лянтом органических веществ сточных вод.
Метод биосорбционной очистки сточных вод с помощью биофлокулянта Str. chromogenes 0832 использован в условиях ОАО "Алексеевский мясоптице-комбинат" и показал высокую эффективность.
Разработаны рекомендации по использованию ОСВ после термической обработки и обеззараживания в качестве источника белка в составе комбикорма при кормлении кур. Промышленная апробация в условиях ООО "Загорье" подтвердила увеличение продуктивных показателей птицы.
Апробация работы Материалы диссертации доложены и обсуждены на международных, региональных и университетских конференциях: 10-й международной Пущинской конференции молодых учёных "Биология - наука 21-го века" (Пущино, 2006), III Московском международном конгрессе "Биотехнология: состояние и перспективы развития" (Москва, 2005), IV международной научной конференции "Кинетика и механизм кристаллизации. Нанокристалли-зация. Биокристаллизация" (Иваново, 2006), IX международной конференции "Наукоемкие химические технологии - 2006" (Самара, 2006), межрегиональных конференциях, посвященных памяти А.А Землянухина "Организация и регуляция физиолого-биохимических процессов" (Воронеж, 2005, 2006), ежегодной научной отчётной конференции преподавателей и сотрудников Воронежской государственной технологической академии (2005, 2006).
Публикации Материалы, изложенные в диссертационной работе, нашли отражение в 18 опубликованных работах - 8 статьях и 10 тезисах докладов, из них 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Работа изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу, 25 рисунков. Библиографический список включает 141 наименование, в том числе 58 иностранных, приложения (10 стр.).
Качественная и количественная характеристика сточных вод мясокомбинатов и образующегося осадка
Сточные воды - воды, загрязненные бытовыми отбросами и производственными отходами и удаляемые с территорий населенных мест и промышленных предприятий системами канализации. К сточным водам относят также воды, образующиеся в результате выпадения атмосферных осадков в пределах территорий населенных пунктов и промышленных объектов [1]. Содержащиеся в сточных водах органические вещества, попадая в значительном количестве в водоемы или скапливаясь в почве, могут быстро загнивать и ухудшать санитарное состояние водоемов и атмосферы, способствуя распространению различных заболеваний. Поэтому вопросы очистки, обезвреживания и утилизации сточных вод являются неотъемлемой частью проблемы охраны природы, оздоровления окружающей человека среды и обеспечения санитарного благоустройства городов [25, 80].
В зависимости от происхождения, состава и качественных характеристик загрязнений (примесей) сточные воды подразделяются на три основные категории: бытовые, производственные (промышленные) и атмосферные.
Следует отметить характерную нестабильность состава для рассмотренных категорий сточных вод. Состав производственных стоков определяется характером производственного процесса и различается по концентрации загрязняющих веществ, степени агрессивности последних и т.д.
К группе производственных относятся сточные воды в основном предприятий перерабатывающей промышленности: мясной, рыбной, молочной, пищевой, а также микробиологической, химической и др.
Кроме вышеуказанных групп загрязненных производственных сточных вод в России нередко имеет место практика сброса нагретых вод в водоем, что является причиной так называемых тепловых загрязнений.
Рассмотрим качественные и количественные характеристики стоков мясоперерабатывающих предприятий, которые представляют для нас наибольший интерес.
Сточные воды предприятий мясоперерабатывающей отрасли представляют собой многокомпонентные дисперсные системы, состав которых зависит от последовательности технологических операций, ассортимента выпускаемой продукции, внешних факторов и др. [40, 41].
Следует отметить, что очистные сооружения мясокомбинатов относятся к сооружениям открытого типа и предусматривают прямоточную схему образования промышленных стоков. Анализ литературных данных показывает, что расход воды на производственные нужды составляет в среднем 19,4-40,0 м3 на 1 т живого веса скота. На крупных предприятиях суточный расход сточных вод достигает 500-700 м3 [32].
Установлено, что стоки, образующиеся после проведения ряда технологических операций (убой, обескровливание, шпарка туш и т.д.) насыщаются примесями биологического (кровь, мездра, частицы кишок, щетина, каныга) и химического (известь, поваренная соль, моющие средства) характера [33]. Наиболее загрязненные воды поступают из преду бойного, убойно-разделочного, утилизационного и мясожирового цехов, где производится мойка туш, внутренностей животных, разделка и душирование. Кроме того, производственные стоки образуются в отделении обескровливания, при выполнении ряда технологических операции, а также при мытье оборудования, инвентаря и рабочих помещений. В колбасном цехе вода расходуется на приготовление фарша, подготовку специй, кишечной оболочки, посол сырья для приготовления различного вида колбасных изделий и копченостей, а также в агрегатах термической обработки, при мытье оборудования, полов, тары в камерах охлаждения готовых изделий. Сточные воды содержат частицы жира, мясной массы, крови, животного белка, поваренную соль.
Анализ источников научно-технической литературы показывает, что в целом сточные воды мясоперерабатывающих предприятий включают бытовые, производственные стоки, а также незагрязненные производственные воды, поступающие от охлаждения компрессоров холодильных установок, котельной и т.д. Бытовые сточные воды являются малоконцентрироваными и разбавляют технические стоки и составляют 9-12 % от общего расхода воды на предприятии. В настоящее время в отечественной и мировой практике после охлаждения эти воды используют в оборотной системе водоснабжения [19,20,75].
Сточные воды мясокомбинатов характеризуются следующими показателями (мг/дм3): содержание взвешенных веществ - 800-3500; БПКП - 700-2000; хлориды - 700-1500; уровень рН в среднем 5,5-7,6.
В связи со значительным содержанием органических веществ сточные воды быстро загнивают. Температура промышленных стоков на предприятиях мясоперерабатывающей промышленности варьирует от 18 до 25 С в зависимости от сезона. Они имеют темно-серую, временами (в зависимости от содержания крови) красно-бурую окраску и обладают специфическим запахом [33].
Объекты исследований
Порядок проведения эксперимента, объекты и методы исследований представлены на рис. 2.1. Объектами исследований служили чистые культуры актиномицетов рода Streptomycetes (20 видов). Основным объектом - актино-минет Str. chromogenes 0832. Микроорганизмы были получены во ВНИИ антибиотиков (г. Москва), Всероссийской коллекции промышленных микроорганизмов (ВКПМ, г. Москва) и музейной коллекции микроорганизмов Воронежской государственной технологической академии (ВГТА).
Культуры микроорганизмов поддерживали на агаризованой среде Чапека, рекомендованной ВНИИА, ВКПМ в течение 7 суток при 28±2 С.
Культивирование актиномицета Str. chromogenes 0832 проводили на стандартной питательной среде Чапека с крахмалом, приготовленной по рекомендованной технологии, и жидкой питательной среде с соевой мукой, следующего состава (мае. %): крахмал - 5,0; соевая мука - 1,5; ZnS04 - 0,02; FeS04 - 0,01; СаСОз - 0,4; К2НР04 - 0,08, вода - остальное, рН среды 6,7-6,8 [47]. Различные значения рН среды устанавливали добавлением 1 М НС1 или NaOH [64]. В состав среды вносили 0,5 % измельченного куриного пера в качестве источника кератина. Перо предварительно обезжиривали хлороформом, промывали и высушивали. Глубинное культивирование проводили в колбах емкостью 750 см3 со 100 см жидкой питательной среды, содержащей семисуточную посевную культуру штамма Str. chromogenes 0832, на круговой качалке при температуре 28±2 С и постоянном перемешивании (230 об./мин).
В экспериментах использовали реальные сточные воды, полученные с очистных сооружений ОАО "Алексеевский мясоптицекомбинат" (г. Алексеевка Белгородской обл.).
При выполнении экспериментов были использованы следующие методы исследований: определение плотности стока проводили согласно ГОСТ 3625-84; массовой доли жира - с использованием жиромера по ГОСТ 5867-69 и рефрактометрически; массовую долю сухого вещества, золы и влаги, в соответствии с ГОСТ 3626-73; содержание взвешенных веществ с применением беззольных фильтров согласно ГОСТ 18164-72; определение массовой доли кальция, магния, - методом комплексонометрического титрования; содержание аминно-го азота фотометрически [36]; определение содержания витаминов А, Вг и Вб и каротиноидов в составе осадка сточных вод проводили согласно ГОСТ 7047-55; содержание витамина Е на ФЭКе 56 М [132]; содержание восстановленного (GSH) и окисленного (GSSG) глутатиона в крови, а также восстановленного в печени кур-несушек определяли спектрофотометрически [121]; величину рН -потенциометрически на рН-метре милливольтметре рН-150 МА; определение размера флокул проводили методом светорассеяния. Аминокислотный состав сточных вод и осадка сточных вод после очистки определяли на автоматическом аминокислотном анализаторе ААА-Т 333 (Чехия); содержание ионов металлов - на атомно-абсорбционном спектрофотометре С-115 М.
Протеолитическую активность (ПА) определяли по модифицированному методу Ансона с субстратом казеинатом натрия по ГОСТ 20264.2-88.
За единицу ПА принимали количество фермента, которое за 1 минуту при 30 С катализировало переход в неосаждаемые трихлоруксусной кислотой продукты гидролиза казеината натрия в количестве, соответствующем 1 ммолю тирозина (1 ммоль тирозина равен 0,181 мг аминокислоты).
Липолитическую активность определяли методом, основанным на титри-метрическом определении свободных жирных кислот, образовавшихся в результате гидролиза липидов [64].
За единицу липазной активности (ЛЕ) принимали количество фермента, которое отщепляет 1 мкмоль жирных кислот от эмульсии триолеина за 1 ч при 37 С.
Мутность сточной воды и надосадочной жидкости определяли фотометрически на ФЭКе 56 М при 540 нм в кюветах с толщиной поглощающего слоя 50 мм путем сравнения проб исследуемой воды с дистиллированной водой и последующим пересчетом на содержание примесей (в мг/дм3) по градуировочному графику (рис. 2.2).
Микробиологический и химический состав сточных вод мясокомбинатов
Интенсивные методы очистки сточных вод основаны на интродукции активных микроорганизмов-деструкторов в загрязненную воду в виде суспензии свободных клеток. Однако для успешного функционирования той или иной популяции необходимо учитывать законы ее развития в экосистеме.
В этой связи исследовали состав нативной микрофлоры сточных вод мясоперерабатывающих предприятий. Установлено, что содержание дрожжей и грибов составляет 23,7 % и 25,4 % соответственно. Доминирующими среди микроорганизмов являются бактерии - 50,9 %, причем наиболее высока в их составе доля актиномицетов, которая достигает 38,9 % от общего количества бактерий Актиномицеты характеризуются высокими темпами размножения, способностью к популяционным взрывам при появлении "экологического вакуума", слабовыраженной зависимостью наблюдаемой удельной скорости роста от популяционной плотности, что выгодно отличает их от других микроорганизмов [48,123],
Этот факт явился отправной точкой исследования возможности применения актиномицетов в качестве биофлокулянтов для очистки сточных вод мясоперерабатывающих предприятий.
Определенный нами химический состав сточных вод мясокомбинатов показал, что основная часть органических загрязнений представлена соединениями белковой природы и жирами. Фактическая концентрация данных веществ в сточных водах мясоперерабатывающих предприятий составляет (данные сред-нестатистические, мг/дм): общий растворимый азот - 50,1; аммонийный азот -28,3; азот нитратов - 0,03; азот нитритов - 0,1; азот органический - 23,6; белок по Къельдалю -102,0; жиры - 20,1; углеводы - 0,01.
Следует отметить, что в конструктивном метаболизме микроорганизмов основная роль принадлежит углероду. Однако доля внешних источников углерода (поли- и олигосахариды) в сточных водах мясокомбинатов невелика. Соотношение углерод: азот (С :N) для сточных вод мясоперерабатывающих предприятий составляет 7:2. Следует также подчеркнуть, что молекулы многочисленных биохимических продуктов превращения углеводов в составе стока ассимилируются и используются без предварительного распада, что способствует экономии энергии и углерода.
Азот в составе сточных вод мясокомбинатов представлен в окисленной, восстановленной и молекулярной формах. Подавляющее большинство актиномицетов усваивают азот в восстановленной форме - соли аммония, органические соединения, такие как аминокислоты или пептиды. Окисленные формы азота, главным образом нитраты, также могут потребляться многими актино-мицетами. Поскольку азот в конструктивном клеточном метаболизме используется в форме аммиака, то наиболее выгодным для актиномицетов является использование органических азотистых соединений, поскольку минеральный азот не всегда доступен клеткам.
Одним из основных критериев при выборе штаммов мироорганизмов-деструкторов органических веществ является наличие у них развитой полиферментативной системы, которая позволяет быстрее адаптироваться к новой среде и гибко реагировать на наличие веществ, обеспечивающих нормальное течение биохимических процессов в клетке. Для решения этой задачи проводят поиск эффективных селективных штаммов микроорганизмов, способных утилизировать соответствующие органические загрязнения, относящиеся к определенной группе химических соединений.
Как отмечалось ранее, особенностью состава производственных сточных вод мясоперерабатывающих предприятий является высокое содержание жиров, значительная доля которых удаляется на стадии предварительной (механической) очистки. Содержание белков, протеинов и других органических веществ, преимущественно устойчивого коллоидного состояния, составляет 60 %. В ходе анализа сточных вод установлено, что состав белковых компонентов представлен в основном фибриллярными белками (коллагеном, миозином, тропомиози-ном и т.д.), которые составляют 67,3 % от общего уровня белков стока, а также - альбуминовые и глобулиновые фракции.
Следует отметить, что удаление белковых соединений из сточных вод мясокомбинатов представляет серьезную проблему, которая может быть эффективно решена только с привлечением биотехнологических методов.
