Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор литературы 6
1.1 Характеристика производства целлюлозы сульфатным способом 6
1.2 Состав сточных вод производства сульфатной целлюлозы 8
1.3 Биологическая очистка сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности
1.4 Биохимические процессы в клетках микроорганизмов активного ила 20
1.5 Использование иммобилизованных микроорганизмов при биологической очистке сточных вод
1.6 Контроль биологической очистки сточных вод 25
1.7 Оценка окислительной способности микроорганизмов 28
1.7.1 Методы оценки активных функционирующих клеток микроорганизмов в условиях производственных сред
1.7.2 Методы определения дегидрогеназной активности микроорганизмов 31
активного ила при биологической очистке сточных вод
1.8 Выводы. Постановка цели и задач исследования 36
2. Методическая часть 39
2.1. Характеристика объекта исследования 39
2.2. Отбор проб активного ила 40
2.3. Анализ активного ила
2.3.1 Методика микроскопических исследований активного ила 42
2.3.2 Методики гидрохимических исследований активного ила
2.4 Отбор проб сточной воды 43
2.5 Методика разделения активного ила на фракции 45
2.6 Методика оценки влияния сточных вод на микроорганизмы активного ила 46
2.7 Определение дегидрогеназной активности ила 47
3. Экспериментальная часть 50
3.1 Усовершенствование устройства для оценки окислительной способности 50
активного ила в условиях сильнозагрязннных производственных сточных вод
3.2 Подготовка проб активного ила с использованием лиофильного высушивания
3.3 Оценка дегидрогеназной активности микроорганизмов биоплнки 57
3.3.1 Подготовка проб биоплнки микроорганизмов 57
3.3.2 Измерение дегидрогеназной активности микроорганизмов биоплнки
3.4 Разработка показателей для характеристики процессов биологического окисления в условиях дефицита кислорода
3.5 Результаты мониторинга окислительной способности активного ила в процессе биологической очистки сточных вод производства сульфатной целлюлозы
3.6 Изучение влияния седиментационных свойств активного ила на его окислительную способность
3.7 Оценка влияния технологических потоков сточных вод производства белной сульфатной целлюлозы на окислительную способность активного ила очистных сооружений
3.7.1 Оценка влияния чрного щлока на микроорганизмы активного ила
3.7.2 Оценка воздействия сточных вод производства белной сульфатной целлюлозы на активный ил биоректора с иммобилизованной микрофлорой
3.7.3 Оценка влияния сточных вод производства белной сульфатной целлюлозы на активный ил аэротенка первой ступени очистки
3.7.4 Оценка воздействия сточных вод производства белной сульфатной целлюлозы на активный ил аэротенка второй ступени очистки
3.8 Практические рекомендации по итогам научно-исследовательской работы 98
Выводы 102
Список литературы 104
Приложение
- Биохимические процессы в клетках микроорганизмов активного ила
- Методы оценки активных функционирующих клеток микроорганизмов в условиях производственных сред
- Методика микроскопических исследований активного ила
- Оценка влияния сточных вод производства белной сульфатной целлюлозы на активный ил аэротенка первой ступени очистки
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В настоящее время самым распространн-ным способом производства целлюлозы в мире является сульфатный метод. Производство сульфатной целлюлозы является водомкой отраслью, оказывающей негативное воздействие на окружающую среду. Сточные воды предприятий целлюлоз-но-бумажной промышленности содержат значительное количество взвешенных, коллоидных и растворенных веществ как органической, так и неорганической природы. Наиболее эффективным и распространенным методом очистки производственных сточных вод предприятий химико-лесного комплекса является биологический метод. Сложностью аэробной биологической очистки является образование избыточной биомассы микроорганизмов. На крупных предприятиях ЦБП количество избыточного ила по сухой массе составляет десятки и сотни тонн в сутки.
Перспективным способом, направленным на уменьшение биомассы микроорганизмов и увеличение окислительной мощности традиционных биологических очистных сооружений, является применение иммобилизованной микрофлоры. Однако существуют трудности контроля прикреплнной микрофлоры, связанные в первую очередь с необходимостью отделения клеток от носителя, непостоянным составом микробных агрегатов и наличием анаэробных зон в толще биоплнки.
В процессах аэробной биологической очистки сточных вод наиболее значимую роль имеют окислительные процессы, центральное положение среди которых занимает дегидрирование. Ответственными за реакцию дегидрирования являются дегидрогеназы, суммарная активность которых является показателем эффективности биологической очистки. Поэтому дегидрогеназную активность (ДГА) микроорганизмов целесообразно использовать в качестве основного интегрального критерия окислительной способности активного ила.
Таким образом, количественное определение дегидрогеназной активности микроорганизмов активного ила в составе биоплнки и суспензии является актуальным направлением исследований, результаты которых могут быть использованы для оперативного контроля и совершенствования биологической очистки сточных вод предприятий ЦБП.
Цель диссертационной работы: оценить окислительную способность активного ила при его функционировании в системе биологической очистки сточных вод производства сульфатной целлюлозы.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи: - разработать методику определения окислительной способности микроорганизмов активного ила;
усовершенствовать устройство для определения окислительной способности микроорганизмов активного ила применительно к сильнозагрязннным производственным сточным водам;
предложить показатели, характеризующие процессы биологического окисления в анаэробных условиях;
на основе разработанной методики провести мониторинг окислительной способности микроорганизмов активного ила, функционирующего на разных ступенях биологической очистки сточных вод производства сульфатной целлюлозы;
оценить взаимосвязь окислительной способности активного ила и его седи-ментационных свойств;
оценить воздействие сточных вод отдельных технологических потоков производства сульфатной целлюлозы на окислительную способность активного ила очистных сооружений.
Научная новизна.
Разработаны новые подходы к экспресс-определению окислительной способности микроорганизмов активного ила в иммобилизованной форме посредством исследования особенностей хода реакции биохимического восстановления метиленового синего (МС).
Определено, что нелинейный характер процесса восстановления МС, объясняется влиянием восстановленных форм медиаторов электрон-транспортных дыхательных цепей микроорганизмов, функционирующих при дефиците кислорода в культивируемой среде.
Предложены новые показатели, характеризующие состояние активного ила -коэффициент аэробности и восстановительная емкость. Коэффициент аэробности позволяет судить о соотношении аэробных и анаэробных процессов в суспензии и биопленке активного ила. Восстановительная емкость - позволяет количественно оценить наличие в активном иле медиаторов дыхательного процесса, находящихся в восстановленной форме, потенциал которых в первую очередь расходуется при реакции с МС.
Выявлены закономерности изменения окислительной способности активного ила в зависимости от его седиментационных свойств.
Количественно оценено воздействие компонентов сточных вод отдельных технологических потоков производства белной сульфатной целлюлозы на окислительную способность активного ила в процессе биологической очистки.
Практическая значимость полученных результатов.
Разработана методика, позволяющая предприятиям ЦБП получать в оперативном режиме важную информацию о физиологическом состоянии активного ила на
различных стадиях его функционирования в системе биологической очистки сточ-4
ных вод. Накопление данной информации и е анализ позволит создать основу для совершенствования очистки сточных вод.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Методика количественного экспресс-определения окислительной способности микроорганизмов активного ила, которые функционируют в сильнозагрязнен-ных производственных средах.
-
Взаимосвязь окислительной способности активного ила и его седиментаци-онных свойств.
-
Показатели, характеризующие процессы биологического окисления загрязнений при дефиците кислорода в среде.
-
Результаты мониторинга дегидрогеназной активности ила при биологической очистке сточных вод производства белной сульфатной целлюлозы.
5. Оценка воздействия сточных вод технологических потоков производства
белной сульфатной целлюлозы на окислительную способность активного ила.
Апробация результатов исследования.
Основные положения диссертационной работы докладывались и получили по
ложительную оценку на научно-практической конференции «Эколого-
аналитические аспекты нормирования и контроля качества сточных вод целлюлоз-
но-бумажной промышленности» (Архангельск, 2013 г.), международной научной
конференции «Биотехнология в химико-лесном комплексе» (Архангельск, 2014 г),
междисциплинарной конференции «INRU Университеты» (Красноярск, 2015 г), а
также на ежегодных конференциях САФУ имени М.В. Ломоносова 2012 - 2016 г.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 научных работах, в числе которых 2 статьи в научных журналах из перечня ВАК и 8 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трх глав, выводов, списка использованных источников. Работа изложена на 117 страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц, 53 рисунка, список использованных источников включает 128 наименований.
Биохимические процессы в клетках микроорганизмов активного ила
Основными потоками сточных вод при сульфатном производстве целлюлозы являются: щлокосодержащие сточные воды варочного, промывного, отбельного и сушильного цехов, конденсаты выпарного и варочного цехов, шламосодержащие воды цеха каустизации и регенерации извести и сточные воды цехов переработки побочных продуктов [13].
В древесно-подготовительном цехе при мокрой окорке древесины образуются коросодержащие сточные воды. В их состав входит волокно, песок, частицы коры, растворенные минеральные и органические вещества. Концентрация взвешенных веществ составляет до 4600 - 4700 мг/л, из них 3-5 % минеральных. Загрязненность растворенными органическими примесями по биологическому потреблению кислорода (БПК) 230 - 400 мг/л. Цветность воды, образующейся при окорке древесины хвойных пород, составляет до 2000 ПКШ, древесины лиственных пород до 4000 ПКШ. Коросодержащие сточные воды целесообразно подвергать локальной очистке.
Сточные воды варочного цеха характеризуется высокой температурой, неприятным запахом сероводорода и меркаптана, щелочной средой, наличием в составе взвешенных и растворенных веществ, высокой окисляемостью и БПК (до 418 мг/л). Конденсаты, отходящие со сточными водами при варочном процессе, отличаются наличием дурнопахнущих веществ – меркаптана (ММ), диметилсульфида (ДМС), диметилдисульфида (ДМДС), скипидара, метилового спирта. Сточные воды отбельно-очистного цеха, количество которых составляет треть всех сточных вод, содержат множество взвешенных веществ (до 450 - 800 мг/л), в связи с чем перед сбросом в канализацию сточные воды проходят локальную очистку. Наиболее эффективным оборудованием для очистки волокносодержащих вод являются дисковые фильтры, которые дают лучшие результаты по улавливанию взвешенных частиц. Наименее загрязненными при производстве сульфатной целлюлозы являются сточные воды сушильного цеха.
Главным источником выбросов в выпарном цехе является парогазовая смесь, которая удаляется вакуум-насосом из межтрубного пространства корпусов. Одним из основных компонентов, загрязняющим воздух, является сероводород. Кроме того, в выбросах также содержатся ММ и в незначительных количествах ДМС, ДМДС и метанол. Появление сероводорода и ММ обусловлено изменением рН при упаривании, разрежением и воздействием температуры. Это приводит к разложению сульфида и меркаптида натрия с последующим выделением этих кислых газов в паровое пространство. Каустизация зеленого щелока является главной задачей содорегенерационного цеха и заключается в реакции между известью и осветленным зеленым щелоком [7]. Сточные воды этого цеха составляют примерно 3-5 процентов общего объема стоков производства и характеризуются наличием большого количества минеральных веществ как в виде взвешенных, так и растворимых соединений, и обладают неприятным запахом.
При производстве целлюлозы по сульфатному методу образуются технологические отходы (побочные продукты), которые на крупных предприятиях перерабатываются с целью получения ценных соединений, таких как скипидар из сдувочных конденсатов, талловое масло и продукты его дистилляции из сульфатного мыла и др. При этом происходит выброс в атмосферу летучих веществ, содержащихся в обрабатываемом отходе. Источником образования токсичных сточных вод являются конденсаты сдувочных парогазов. Конденсаты имеют щелочную реакцию (рН 8 – 11) и характеризуются высокими показателями окисляемости и биологического потребления кислорода. Сдувочные и выпарные конденсаты содержат в себе скипидар и восстановленную серу. В составе сдувочных парогазов с процесса варки содержаться метилсернистые соединения: диметилсульфид метилмеркаптан, а также муравьиная и уксусная кислоты, метиловый спирт, сероводород, ацетон, аммиак и другие летучие вещества [13].
В зависимости от преобладания загрязнений, сточные воды ЦБП принято классифицировать на следующие потоки: - короволокносодержащие - от мокрой окорки древесины варочно промывного цеха, от барометрических конденсаторов и сальников насосов, проливов выпарных станций, картонной или бумажной фабрики, содорегенерационных котлов, цеха каустизации и регенерации извести; - щелокосодержащие – от варочного, промывного и отбельного цеха (ступеней щелочения); - дурнопахнущие - от выпарных станций; - условно чистые – после охлаждения аппаратуры и ливневые. На практике, как правило, условно чистые стоки являются загрязненными. В состав сульфатных сточных вод со щелочной реакцией среды (в пределах значений рН 7,8 - 10,2 ), входит около 70 % органических веществ, включающих в основном продукты лигнинной природы, лактоны, смоляные и жирные кислоты. Неорганическая составляющая содержит щелочь и растворы солей, состоящие из применяемых в технологии неорганических соединений, в состав которых входят сульфаты, карбонаты и хлориды натрия.
Из органических компонентов сточных вод наиболее трудно биологически окисляются фенолкислоты и смоляные кислоты, количество которых при очистке в аэротенках снижается только на 30 %. В этом плане наиболее опасны стоки цеха регенерации сульфатного мыла. Сырое сульфатное мыло представляет собой смесь, состоящую из приблизительно равных количеств натриевых солей, смоляных и жирных кислот, и относительно меньшего количество лигнина, минеральных и других веществ, содержащихся в чрном щелоке, увлекаемом при отстаивании выделяющимся сульфатным мылом [9]. Данные вещества являются трудноразлагаемыми и оказывают токсичное влияние на микроорганизмы активного ила очистных сооружений.
Среди взвешенных органических веществ в сточных водах производства сульфатной целлюлозы основным является волокно. Количество волокна в стоках, поступающих на биологическую очистку, не должно превышать 100 мг/л. Практически эта величина изменяется в диапазоне 80…250 мг/л.
Методы оценки активных функционирующих клеток микроорганизмов в условиях производственных сред
Условия выполнения анализа не позволяют обеспечивать высокую воспроизводимость результатов. В случае нелинейности процесса одно и то же количество ТТХ может быть восстановлено при участии разного количества ферментов. При продолжительности культивирования около часа количество ферментов в клетке может значительно измениться [107].
Из-за длительности эта методика не может быть использована для проведения экспрессных анализов и в опытах, где необходим постоянный контроль дегидрогеназной активности. Доказано, что соли тетразолия оказывают ингибирующее действие на микроорганизмы. Этот факт нужно учитывать при проведении оценки токсичности химических соединений по отношению к микроорганизмам, так как благодаря синергичности неблагоприятных эффектов оценочные показатели будут смещаться в сторону увеличения отрицательного эффекта.
Существуют альтернативные пути технологического контроля биохимической активности ила. С целью повышения чувствительности способа в качестве фермента индикации окислительной способности микроорганизмов предлагается регистрировать малатдегидрогеназу. Способ предусматривает отбор проб микроорганизмов активного ила регенератора из первой, второй и третьей секций и на выходе из аэротенка. С последующими центрифугированием, дезинтеграцией, определением фракций фермента методом электрофореза в плоских блоках полиакриламидного геля, проведением окрашивания молекулярных форм фермента и определением его относительной активности денситометрией. Доказана чувствительность метода, однако длительность и трудомкость ставят под сомнение использование данного подхода при производственном технологическом контроле [108]. Другим направлением оценки состояния микроорганизмов сооружений биологической очистки является использование в качестве индикатора каталазной активности. Это обусловлено тем, что при использовании технологий продлнной аэрации очистка стоков осуществляется аэробными и анаэробными факультативными микроорганизмами, а глубокое использование субстрата способствует развитию процессов нитрификации и стабилизации. Система переходит на эндогенное дыхание, как следствие ил будет характеризоваться пониженной дегидрогеназной активностью. В данном случае в качестве оценочной характеристики эффективней использовать активность каталаз. Этот показатель актуален при оценке «зрелых» илов [109].
Одним из перспективных реагентов для оценки дегидрогеназной активности является метиленовый синий (МС). При восстановлении МС обесцвечивается. Это свойство используется исследователями для индикации живых и активно функционирующих клеток [110,111]. На том же принципе восстановления МС основан простой метод визуальной оценки колоний живых и мртвых дрожжей [112,113]. Определение числа мертвых клеток проводят микрокопированием, окрасив препарат раствором метиленового синего с рН=4,6, в котором число окрашенных клеток соответствует действительному числу мертвых клеток в суспензии дрожжей. Подсчитывают количество всех клеток, окрашенных в синий цвет, и вычисляют содержание мертвых клеток в процентах.
Метиленовый синий использовался для оценки уровня гигиены полости рта. Было доказано, что количество микроорганизмов пропорционально временем обесцвечивания МС, добавляемого в процессе анализа в пробирки с анализируемой слюной [114]. Позднее получил распространение метод определения степени обсеменения непастеризованного молока микрофлорой, основанный на обесцвечивании красителя в присутствии продуктов жизнедеятельности бактерий. [115-117]. Были попытки автоматизировать данный метод [118].
Реакция восстановления МС используется в экспресс-методе качественного обнаружения антибиотиков в пищевых продуктах [119]. Метод основан на подавлении антибиотиком дегидрогеназной активности тест-культур в жидкой питательной среде. Дыхательные ферменты бактериальных клеток оценивают за счт восстановления МС в анаэробных условиях и обесцвечивания пробирок с пробами, имеющих синий цвет. Имеются исследовательские работы по определению дегидрогеназной активности донных отложений с помощью метиленового синего. Эксперименты основаны на эффекте биохимического реокисления метиленового синего. Данный подход позволяет отслеживать дегидрогеназную активность бактериального сообщества в динамике. При этом не приходиться завершать ход эксперимента в момент регистрации результата. Это в свою очередь дат возможность выбора оптимального временного интервала, когда процесс приобретает линейный характер [105,106].
Перспективным является автоматизированный способ оценки активности микроорганизмов с помощью определения скорости цветных ферментативных реакций. Было установлено, что использование метиленового синего в качестве акцептора водорода в этих реакциях является оптимальным с точки зрения надежности, простоты и воспроизводимости оценки кинетики окислительно-восстановительных реакций. Было изготовлено устройство для измерения оптической плотности непосредственно в пробе, позволяющее непрерывно проводить сбор данных. Авторами предложено проводить анализ дегидрогеназной активности микроорганизмов активного ила посредством определения скорости ферментативной реакции восстановления метиленового синего. К достоинствам данного метода можно отнести дешевизну и доступность реактивов и оборудования для проведения анализов [120,121].
Таким образом, оценка скорости цветных ферментативных реакций является перспективным подходом для количественного определения окислительной способности микроорганизмов, в том числе для анализа активного ила.
Методика микроскопических исследований активного ила
В настоящее время существует большое разнообразие промышленных сооружений, использующих естественную способность микроорганизмов к иммобилизации на носителе. Технологии с использованием прикреплнной микрофлоры эффективно применяются в биологической очистке сточных вод.
В данном исследовании для определения дегидрогеназной активности была поставлена задача отбора представительной, единообразной пробы биоплнки. Исследуемые микроорганизмы активного ила были иммобилизованы на насадке, поэтому требовалось отделить фиксированную площадь биоплнки от носителя.
Экспериментально было установлено, что для определения ДГА микроорганизмов, согласно методике 2.7, оптимальная площадь биоплнки микроорганизмов составляет 1 см2. Для отделения заданной площади биоплнки было изготовлено пробоотборное устройство (рисунок 3.9). С помощью ручного усилия, заточенными кромками устройства, отделяли фрагмент пластмассовой насадки фиксированной площадью 0,5 см2 без повреждения микрофлоры. Иммобилизованная биомасса микроорганизмов находилась с двух сторон отделнного фрагмента насадки. Далее образец биоплнки диспергировали в 200 мл дистиллированной воды. Из полученной реакционной смеси отбирали 2 мл суспензии и помещали в измерительную ячейку устройства. Далее определяли дегидрогеназную активность согласно методике 2.7.
Количество биомассы ила, взятой на анализ, ограничено условиями работы устройства, главным образом объмом ячейки и заданным расходом МС. Толщина биоплнки и ее распределение на поверхности насадки, а также концентрация в ней микроорганизмов могут изменяться в широких пределах, что затрудняет отбор усредненной пробы биомассы ила. Использование специального пробоотборника позволило упростить и вместе с тем стабилизировать количество отбираемой пробы биоплнки.
Ранее было установлено, что при определении ДГА микроорганизмов активного ила, взятого из аэротенков, работающих в аэробном режиме, при избытке субстрата (глюкозы) и акцептора водорода (МС) ход ферментативной реакции линеен и определяется только концентрацией и активностью дегидрогеназ [107] (рисунок 3.10). 13600 13200 12800 12400 12000 0 50 100 150 200 250 Продолжительность реакции, с Рисунок 3.10 – Зависимость изменения показаний устройства от продолжительности ферментативной реакции восстановления метиленового синего илом аэротенка 2 ступени В процессе анализа, при восстановлении МС илом биоплнки была обнаружена нелинейность хода ферментативной реакции. Пример полученной зависимости представлен на рисунке 3.11.
Были проведены эксперименты в ходе которых, изменяли концентрацию глюкозы и метиленового синего. Однако это не привело к изменению полученных зависимостей, следовательно, эти вещества взяты в избытке и не лимитируют скорость ферментативной реакции.
Наиболее вероятной причиной нелинейного характера полученных графиков являются биохимические процессы, протекающие в процессе дыхания в клетках микроорганизмов. Как известно, биоплнка активного ила представляет собой довольно объмные по толщине образования, ее толщина обычно 0,5 – 3,0 мм. Диффузия кислорода в глубину крупных агрегатов биоплнки сильно затруднена, поэтому значительная часть микроорганизмов функционирует в анаэробных условиях [46].
В процессе жизнедеятельности микроорганизмы с помощью дегидрогеназ катализируют перенос водорода от субстрата к различным медиаторам ox/red реакции (NAD, NADР, флавопротеин, убихинон, различные виды цитохромов и т.д.). Электроны, поступающие в дыхательную цепь, по мере их продвижения от одного переносчика к другому теряют свободную энергию [39]. Значительная часть этой энергии запасается в форме АТФ. При избытке кислорода медиаторы находятся в окисленном состоянии, скорость реакции окисления субстрата лимитируется активностью и концентрацией дегидрогеназ. При недостатке кислорода скорость реакции окисления субстрата определяется не только ДГА, но и количеством медиаторов в восстановленной форме. Их потенциал расходуется в первую очередь. Отсюда следует, что отклонение от линейной зависимости определяется долей микроорганизмов, функционирующих в анаэробном режиме, а также интенсивностью происходящих дыхательных процессов. Для иммобилизованных микроорганизмов биореактора наличие анаэробных микроорганизмов связано со значительной толщиной крупных агрегатов внеклеточных полимерных веществ, внутрь которых диффузия кислорода затруднена.
В условиях проведения анализа весь потенциал медиаторов для реакции восстановления МС был исчерпан примерно через 140 с после начала реакции (рисунок 3.11), далее в клетках микроорганизмов активировались электрон-транспортные системы. После этого скорость реакции лимитировала только ДГА микроорганизмов. Данная продолжительность определяется конструкцией ячейки устройства и объмом анализируемой пробы активного ила. Поэтому в последующих экспериментах для микроорганизмов биоплнки ДГА рассчитывали, используя тангенс угла наклона линейных участков (140 - 200 с) полученных зависимостей. На рисунке Линейный участок зависимости изменения показаний устройства от продолжительности ферментативной реакции восстановления метиленового синего илом биоплнки Для представленной зависимости (рисунок 3.12) уравнение, описывающее линейный участок кривой в интервале 140 - 200 с, имеет вид у = 3,14х + 20343 с коэффициентом аппроксимации 0,99. Количественно ДГА микроорганизмов биоплнки определяли по формуле в соответствии с методикой 2.6. Расчт ДГА для приведнного примера: А= 3,140,025 60 / 0,030 = 157 нмоль мин-мгбелка Проводили эксперименты, в которых дегидрогеназную активность определяли исходя из начальной скорости реакции и скорости реакции через 140 секунд (участок 0-60 секунд и участок 140 - 200 секунд полученных зависимостей). Активность определяли для разного количества биоплнки активного ила. Построили графики зависимостей изменения ДГА в зависимости от площади поверхности проб биоплнки (рисунок 3.13)
Оценка влияния сточных вод производства белной сульфатной целлюлозы на активный ил аэротенка первой ступени очистки
Результаты проведнных экспериментов показывают, что при небольшом объеме в общем потоке сточные воды некоторых цехов: ДПЦ, ЦКРИ, ХВО, УЧВ, не оказывают значительного воздействия на состояние ила и его ДГА. Наибольшие изменения ДГА ила (-3 до -13%) наблюдались при добавлении сточных вод ОП, ВЦ ЦРСМ.
Увеличение значения ДГА микроорганизмов по сравнению с контролем указывает на активное окисление компонентов сточной воды и отсутствие ингибирования. Это, как правило, происходит при низкой концентрации загрязнений. Однако имеется очевидная тенденция к снижению активности биомассы ила с увеличением концентрации всех видов сточных вод и как следствие замедление скорости их биологической очистки.
Наиболее значительным оказалось действие сточных вод основного производства и выпарного цеха. Данные стоки при значительном расходе имеют высокие показатели ХПК, цветность и значительную загрязненность органическими веществами [15,128]. В состав загрязнений щлокосодержащих сточных вод (варочный, выпарной цеха) входят волокно, щелочной лигнин, продукты деструкции углеводов, минеральная часть, представленная солями натрия. В составе конденсатов выпарки чрного щелока в значительном количестве присутствуют сернистые соединения (диметилсульфид, диметилдисульфид, сероводород). Сточные воды отбельного, варочного цехов характеризуются повышенным содержанием хлорорганических веществ лигнинного характера, формальдегида, фенолов. Большинство указанных веществ являются ингибиторами биохимических процессов, в их присутствии происходит подавление ДГА микроорганизмов активного ила.
Объем сточных вод цеха разложения сульфатного мыла по отношению к общему потоку наименьший, однако их компоненты оказывают сильное ингибирующее воздействие на микроорганизмы ила. Сульфатное мыло представляет собой смесь, состоящую из приблизительно равных концентраций натриевых солей смоляных и жирных кислот и меньшего количества окисленных и неомыляемых веществ. Имеются данные о токсикологическом воздействии компонентов талловых продуктов на флору и фауну водомов [13].
При большом разбавлении субстратом для микроорганизмов могут служить жирные кислоты. Наиболее биологически трудноокисляемыми являются смоляные кислоты. Их негативное воздействие на ферментативную активность микроорганизмов проявляется при очень низкой концентрации в среде. 3.8 Практические рекомендации по итогам научно - исследовательской работы По результатам данной исследовательской работы были разработаны предложения и рекомендации для предприятия, в том числе представлена методика для технологического контроля окислительной способности активного ила.
В ходе мониторинга окислительной способности активного ила было установлено, что микроорганизмы аэротенка первой ступени функционируют в частично анаэробном режиме и обладают наименьшей окислительной способностью. Рекомендовано изменить технологическую схему биологической очистки путм исключения аэротенка первой ступени (рисунок 3.42) – распределительная чаша, 2 – первичные отстойники, 3 – усреднитель, 4 – биореактор, 5 – промежуточные отстойники, 7 – насосные подкачки, 7 – аэротенки второй ступени, 9 – вторичные отстойники Рисунок 3.42 - Предложенная технологическая схема биологической очистки сточных вод
По результатам тестирования воздействия сточных вод производства белной сульфатной целлюлозы на активный ил биореактора и аэротенка второй ступени установлено, что воздействие сточных вод на микроорганизмы ила в значительной мере зависит от уровня их начальной ферментативной активности. Одно и то же количество сточной воды, добавленное к разному по составу и состоянию илу, может приводить как к отрицательному, так и к положительному эффекту. Активный ил с высокой окислительной способностью способен ассимилировать даже токсичные стоки в небольших концентрациях. Определено, что наиболее отрицательное влияние на функционирование ила оказывают сточные воды основного производства, цеха разложения сульфатного мыла, а также выпарного цеха. Дегидрогеназная активность ила снижалась в диапазоне от 3 до 13 %.
Стоки цеха разложения сульфатного мыла, имеют очень низкую концентрацию в общем потоке, однако приводят к гибели значительной части микроорганизмов. Предложено выделить этот сток для локальной очистки.
Описанные выше предложения учтены при разработке перечня мероприятий, направленных на повышение эффективности очистки сточных вод и снижения сброса загрязнений в реку Северная Двина. Данный факт подтвержден актом об использовании результатов научно-исследовательской работы (представлен в приложении).
Далее представлена разработанная в ходе данной исследовательской работы методика оценки биохимических свойств активного ила, которая может быть использована при осуществлении оперативного технологического мониторинга биологической очистки, а также для оценки токсичности сточных вод. Методика оценки окислительной способности активного ила Отбор и подготовка проб
Активный ил отбирают отдельно из каждого узла сооружений биологической очистки (аэротенки, регенераторы, вторичные отстойники и т.д.). В случае если ил иммобилизован на насадке в форме биоплнки, отбирают несколько насадок (2-3). Время от отбора пробы до ее анализа необходимо сократить до минимума, к анализу следует приступать не позднее 10 - 20 мин с момента взятия пробы.
Активный ил аэротенков анализируют в виде суспензии. Перед анализом активного ила на носителе (в прикреплнной форме) проводят ряд манипуляций. Образцы биоплнки отделяют специальным пробоотборным устройством. Далее образец биопленки вручную диспергируют в 200 мл дистиллированной воды. Из полученной реакционной смеси отбирают 2 мл суспензии для анализа. Выполнение измерений
Для выполнения измерений используют описанное в разделе 2.7 устройство. При проведении анализа в измерительную ячейку вносят 60 мл дистиллированной воды, 2 мл подготовленной тщательно перемешанной суспензии пробы активного ила. Далее добавляют субстрат - 1 мл 10 %-ого раствора глюкозы. Объем в ячейке доводят дистиллированной водой до метки. После стабилизации показаний фотодатчика с помощью дозатора вводят 50 мкл 0,2 %-ого раствора МС в качестве акцептора водорода.
Фиксируют показания устройства с интервалом в 1 секунду с помощью специального программного обеспечения в течение 300 секунд. Для расчета количественного значения ДГА пробы ила на участке полученной кинетической кривой определяют значение тангенса угла наклона. При линейной зависимости, тангенс угла наклона определяют для участка 0 - 60 секунд. В случае нелинейной зависимости, к примеру, при анализе активного ила биоплнки, тангенс угла наклона определяют для участка 140 - 200 секунд полученной кривой. Обработка результатов измерений Общая формула (3.4) для расчета значений ДГА: N-К-60 нмоль А = , 3.4 т мин мг где N - коэффициент пересчта показаний устройства на количество МС, нмоль (определяют при калибровке устройства); К - тангенс угла наклона линии тренда графика зависимости показаний устройства от продолжительности реакции, 1/с; 60 - перевод из секунд в минуты; m - масса белка в пробе АИ, мг (определяют предварительно, перед анализом, согласно методике 2.1). В условиях производственной лаборатории допускается дегидрогеназную активность выражать на 1 грамм абсолютно сухого ила или на миллилитр суспензии.