Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса применения электрического тока и ультразвуковых волн в микробиологии 6
1.1. Влияние электрического тока на микроорганизмы б
1.1.1. Обеззараживающее действие электрического тока б
1.1.2. Электростимулирование роста и ферментативной активности микроорганизмов 8
1.2. Влияние ультразвука на микроорганизмы 17
1.2.1. Разрушающее действие ультразвука 17
1.2.2. Интенсификация жизнедеятельности микроорганизмов... 28
1.2.3. Цель и задачи исследований 31
2. Обьект и методы исследований 32
2.1. Объект исследований 32
2.2. Методы исследований 34
2.2.1. Обработка активного ила ультразвуком 34
2.2.2. Обработка активного ила электрическим током 34
2.2.3. Определение дегидрогеназной активности ила 37
2.2.4. Определение протеолитической и гликолитической активности ила 38
2.2.5. Определение скорости потребления кислорода активным илом 39
2.2.6. Методы учета количества микроорганизмов в иле 40
2.2.7. Химические анализы качества воды 40
2.2.8. Расчет аэротенка-осветлителя 42
2.2.9. Расчет экономической эффективности 43
2.2.10. Мтематическая обработка результатов 44
3. Интенсификация шз недеятельно с ти микрофлоры активного ила ультразвуковыми волнами 46
3.1. Влияние ультразвука на ферментативную активность ила.. 46
3.2. Влияние ультразвука на дыхательную активность микрофлоры ила 57
3.3. Рост и развитие микрофлоры озвученного ила 62
3.4. Влияние ультразвука на некоторые технологические показатели активного ила 68
3.5. Изъятие органических загрязнений 77
4. Интенсификация роста и ферментативной активности микроорганизмов активного ила электрическим током 81
4.1. Электростимулирование дегидрогеназной активности и роста микроорганизмов активного ила 81
4.2. Моделирование процесса электростимулирования ферментативной активности ила 94
5. Полупроизводственные исследования интенсификации очистки сточных вод электрическим током 101
5.1. Технологические показатели качества очистки сточной воды 101
5.2. Расчет ожидаемой экономической эффективности от внедрения аэротенка-осветлителя с электростимулиро ванием ила 125
Литература
- Обеззараживающее действие электрического тока
- Обработка активного ила электрическим током
- Влияние ультразвука на дыхательную активность микрофлоры ила
- Моделирование процесса электростимулирования ферментативной активности ила
Введение к работе
Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов в условиях научно-технического прогресса приобрели огромное экономическое и социальное значение для всех стран мира. В нашей стране этим проблемам уделяется большое внимание. В решениях ХХЯ съезда КПСС предусмотрена расширенная программа охраны природы: ускорение строительства водоохранных объектов в бассейнах Черного, Азовского, Балтийского, Каспийского морей, увеличение мощности систем оборотного и повторного использования воды-, разработка и внедрение на предприятиях бессточных систем водоиспользования.
Охрана окружающей среды закреплена основным законом нашей страны - Конституцией Союза Советских Социалистических Республик.
Значительная роль в успешном выполнении поставленных задач по охране окружающей среды принадлежит исследованиям в области очистки сточных вод.
Интенсивный рост промышленности и урбанизации городов приводит к постоянному увеличению количества промышленных и бытовых сточных вод. Существующие в настоящее время сооружения биохимической очистки не везде удовлетворяют требованиям органов водного и санитарного контроля к степени очистки сточной воды, поступающей в природные водоемы. Вместе с тем, дальнейшее увеличение объемов очистных сооружений требует значительных капитальных вложений. В связи с этим встает вопрос об интенсификации процессов биохимической очистки. Возможны различные пути интенсификации: создание сооружений, обеспечивающих оптимальную технологию; процесса изъятия загрязнений илом; введение химических и биологических активных препаратов, стимулирующих жизнедеятельность микрофлоры активного ила; создание искусст-
венных высокоактивных ассоциаций, микроорганизмов, адаптированных к определенному виду загрязнений; применение физических методов воздействия на микрофлору активного ила.
К физическим методам воздействия относятся электрический ток и ультразвук. Литературные данные по интенсификации жизнедеятельности микроорганизмов электрическим током и ультразвуковыми волнами весьма скудны. Поэтому изучение влияния электрического тока и ультразвука на жизнедеятельность микрофлоры активного ила очистных сооружений представляет собой весьма важную для практики очистки воды и интересную в теоретическом отношении задачу, на решение которой были направлены наши исследования.
В настоящей работе изучалось влияние малых доз электриче--ского тока и ультразвука на развитие и биохимическую активность микроорганизмов активного ила. В результате показана возможность интенсификации биохимической очистки сточных вод путем воздействия на ил электрического тока и ультразвука.
..Электрический ток и ультразвук определенной интенсивности
приводят.к повышению численности микроорганизмов по всем основ
ным физиологическим группам, .принимающим участие в процессе
очистки городских сточных вод. Повышается ферментативная и дыха
тельная активность микрофлоры ила. Ускоряется и углубляется., про
цесс.удаления загрязнений из сточной воды в 1,5-3 раза. Полу
производственные испытания на экспериментальной базе НИКТИ-ГХ.
показали существенное положительное действие электрического то
ка. Это послужило основанием рекомендовать электростимулирова
ние биохимической очистки сточных вод для практического приме
нения на .очистных сооружениях г.Ялта и Симеиз.
Экономические расчеты подтвердили целесообразность практического применения электрического тока-и ультразвука для интенсификации процесса очистки сточных вод.
Обеззараживающее действие электрического тока
Впервые о стимулирующем действии электрического тока на бактериальные клетки упоминается в работе Стоуна [ 153 . Он обнаружил, что при введении суспензии бактерий в электролит, ток, возникший в результате химических реакций на электродах, стимулировал развитие бактерий.
Действие электрического тока на бактерии изучалось в связи с вопросом об электросилосовании. Показано, что электрический ток, пропущенный через силосную массу, в некоторых случаях стимулировал развитие спороносных маслянокислых и молочнокислых бактерий. Двухсуточное действие тока на молочнокислые бактерии привело к увеличению их количества в 2 раза. Ус- . тановлено также, что ток усиливает подвижность бактерий [ 149 J .
Изучалось действие переменного и постоянного тока на культуру кишечной палочки [ 148 . Установлено, что постоянный ток силой 15 и 30 мА в большинстве случаев отрицательно влияет на время генерации кишечной палочки. Только в одном случае при взаимодействии постоянного тока силой 0,2 мА наблюдалось сокращение времени генерации.кишечной палочки на. 1,8$. При воздействии переменного тока силой 30 мВ время генерации культуры уменьшилось на 5,3$.
Сравнивалось действие переменного электрического тока силой 45 мА и частотой 60- гц с действием импульсного тока ЗО/ЗОс той же. силы на культуру кишечной палочки.. В первом варианте опыта увеличение плотности суспензии кишечной палочки наблюдалось после 8-часового, а во втором - после 5-часового воздействия. После 21 часа обработки током плотность суспензии во втором варианте снизилась и достигла плотности первого варианта [ 132 ] .
Изучено влияние электрического тока на развитие культуры bocd. ayife , выделенной из активного ила очистных сооружений [ 67 J . Показано изменение численности бактерий при непрерывном воздействии на их суспензию СІЮ мл) переменным электрическим током, становлено, что максимальный прирост клеток был при силе тока 13,6, 15,2, 18,4 и 23,5 мкА соответственно на 10-ом, 8-ом, б-ом и 2-ом часу роста. При этом количество клеток возросло по сравнению с контролем соответственно в 1,4, 1,5, 1,8 и 1,6 раза. Прирост клеток зависел от рН среды и их концентрации.
Представляют интерес, данные получены при воздействии постоянного электрического тока на микрофлору почвы.[36 . Под воздействием небольших доз постоянного тока, пропускаемого через почву, усиливалось развитие важных физиологических групп микроорганизмов-аммонификаторов, нитрификаторов,.свобод-ноживущих и симбиотических азотфиксаторов, денитрифицирующих, фосфорных бактерий. Изменялись также агрономические показатели почвы, связанные с жизнедеятельностью этих микроорганизмов, в частности, увеличивалась продукция углекислоты, повышалось содержание аммонийного и нитратного азота, подвижной фосфорной кислоты, воднорастворимого гумуса. Происходили.изменения и в видовом составе микроорганизмов почвы. Результаты исследований показали , что в.парующей.почве, подвергшейся воздействию электрическогс тока, число неспоровых аммо-нификаторов возросло.по сравнению с контролем почти в 2 раза, а споровых по вариантах - в 1,2 1,5 раза [ 38 ] . Микроорганизмов, развивающихся на среде Федерова, было особенно много в варианте, где почва обрабатывалась током плотностью 2 х Ю А/см , что говорит об избытке подвижных азотистых веществ, в частности нитратов в наэлектризованной почве. В наэлектризованной почве увеличивалось в 2,3 - 2,7 раза ко личество аммонификаторов, а также их активность. Если в контроле во втором разведении образовалось 317 мг/л азотистой кислоты, то в опыте по вариантам - 323 и 343 мг/л. При этом первая фаза нитрификации в опыте идет до-б разведения, тогда как в контроле только до третьего. Гораздо интенсивнее протекает при электризации почвы и вторая фаза нитрификации. Под влиянием добавочного электричества также повышает титр азотобактера в ризосфере кукурузы.
Небольшое стимулирующее действие электрического тока на микроорганизмы наблюдалось при прохождении через почву перемен-ного тока плотностью 0,5 мА/см . Постоянный ток плотностью 0,01 мА/см оказывал примерно такое же действие. При использовании тока оптимальных плотностей, было получено увеличение урожая, зеленой массы кукурузы на 40% 39] .
Исследования действия постоянного тока на микроорганизмы почвы были продолжены на чистых почвенных культурах азотобак-. тера и клостридия.[ 37 J . Культура азотобактера обрабатывалась электрическим током силой ОД, Ю, 30 и, 40 мА. Дозировки тока в пределах 0,01 - 1,0 мА оказались благоприятными для развития азотобактера и для фиксации им азота атмосферы. Во всех вариантах опыта численность азотобактера и фиксация атмосферного -азота превосходили контрольные. Установлено, что диапазон дозировок постоянного электрического тока, стимулирующего раз-множение азотобактера, очень узок и лежит в пределах 5 х 10" -2,5 х I0"7 А/см2.
Обработка активного ила электрическим током
Объектом исследований служил активный ил Бортнической станции аэрации г.Киева. Станция очищает хозяйственно-бытовые и промышленные стоки. Количество промышленных стоков составляет, примерно 6С$. Сточные воды, поступающие на очистку, характеризуются сложным составом и неравномерной концентрацией загрязнений (приложение I).
Активный ил аэротенков представляет собой хлопья темно бурого цвета размером 5-100 микрон. Хлопок активного ила име ет сложное строение. Он погружен в сетчатую пленку полимера, которая- исчезает после дефлокуляции. Пленка представляет со бой мукополисахарид, состоящий из глюкозоамина, глюкозы, галак тозы и рамнозы с молярным соотношением 1:2;1:0,6:0,9 [155 ].. Глюкоза является, главным компонентом полимера хлопка активного ила [143, 159]. Помимо глюкозы в хлопке ила присутствуют кар богидраты, количество которых увеличивается с возрастом ила.
В хлопке ила обнаружены протеин, ДНК и РНК [145] . Он имеет определенный электрический заряд и движется в электрическом поле.
Хлопок ила-представляет .собой ассоциацию-микроорганизмов, сюда входят бактерии, которым.в процессе очистки отводится главенствующая, роль, грибы, дрожжи.и простейшие, . черви, клещи, а. также, водоросли и вирусы. Хлопок, ила состоит как-из грампо-ложительных,... так из грамотрицательных . бактерий, нитчатых.. микроорганизмов, незначительного количества грибов, актиноми-цетов и дрожжей. Количество и соотношение данных микроорганизмов зависит в основном от состава сточной воды.
Активный ил Бортнической станции аэрации содержал 4-12x бактериальных тел сапрофитов, 5-7x10 грибных и 2-8x10 дрожже-подобных микроорганизмов.
Грибы активного ила представлены в основном p.p. РепісіШиїя AspezcjiCCus f PkusQzium и Mucoz. , дрожжеподобные организмы -- p.p. Candida a RbodotozuCoL.
В активном иле находились микроорганизмы, входящие во все физиологические группы, принимающие участие в разложении субстратов сточной жидкости. Группа аммонифицирующих микроорганизмов составляла 8,5 х 10Р кл/г, амилолитических - 5х10Р кл/г, разлагающих мочевину - 20 х 1(Р кл/г, тарификаторов первой и второй фазы соответственно - 5 и 5,2 х 1(Я кл/г., целлюлозораз- . рушающих - 1,17 х ІСг кл/г и денитрифицирующих - 0,3 х 10 кл/г.
В активном иле присутствовали хорошо сформированные с развитой поверхностью зооглейные скопления бактерий, состоящих из культур XOOQCOQCL ъам/уегсс , численность которых составляла 150-260 особей в одном миллилитре иловодяной смеси.
В активном иле присутствовало 15 видов гидробионтов, которые встречаются наиболее часто. Наибольшее число особей были следующих видов: Opezci/ffoz/o coQzctaia, Орегси а и а ofomezata, cpt styCis pkccctt&s, dzoecL c/f sco/cfest I/bit/ ceo. corivatfazia., vfspi afr sca іаггіс/а. Ibzt сопт(Ха.гїа, часто образовывала колониальные формы, численность которых достигала 20-50 особей на одну коллонию.
Активный ил является сложным комплексом микроорганизмов, поэтому влияние электрического тока и ультразвуковых волн изучалось нами на комплексе в целом и на отдельных физиологических группах микроорганизмов.
Для ультразвуковой обработки ила применили терапевтический аппарат УТП-ЗМ. Частота ультразвуковых колебаний, генерируемых аппаратом, составляла 2,64 Мгц. После изменений в схеме генератора высокой частоты максимальная мощность прибо-ра составляла б Вт/см .
Пробы ила обрабатывали в ванне для озвучивания, которая представляет собой четырехугольную емкость с излучателем ультразвука, заполненную водой для охлаждения излучателя и р пробы ила. Площадь излучателя - 4 см . для озвучивания на го-, ловку излучателя помещали стаканчик с 100 мл иловодяной смеси. Во время проведения экспериментов использовали 2-4 объема.озвученной иловодяной смеси при одной и той же мощности и времени воздействия ультразвука.
В лабораторных опытах обработку активного ила переменным электрическим током осуществляли в прямоугольных ячейках объемом от 200 до 4000 мл. с.помощью плоскопараллельных электродов из нержавеющей стали. Использовали.электроды размером от 33 см (5,5 х б) до 330-см (5,5 х 60). Подачу тока-на .. электроды осуществляли по следующей схеме: источник переменного тока (осветительная сеть) - понижающий трансформатор-реостат-реле- времени-электроды. Силу тока и напряжение измеряли ламповым вольтмиллиамперметром типа Ф-508, класс точности 0,5. .
Влияние ультразвука на дыхательную активность микрофлоры ила
Для построения микробной клетки кроме питательных веществ требуется приток энергии. Эта потребность микроорганизмов удовлетворяется за счет дыхания. Ь процессе дыхания микрофлора ила потребляет кислород воздуха. . проведенные нами опыты по изучению скорости потребления кислорода микрофлорой ила под влиянием ультразвука показали, что изменение скорости ферментативних процессов в бактериальной клетке влечет за собой изменение в потребности кислорода. Так, об-работка активного ила ультразвуком.мощностью 4 Вт/смс в течение 1-Ю минут вызвала увеличение скорости потребления кислорода по сравнению с контрольными пробами (рис.3.4). Скорость потребления кислорода в контрольных пробах в данном эксперименте составляла в среднем 12 мг О2 в час на один грамм ила по сухому веществу. Потребление кислорода опытными пробами зависело от времени озвучивания ила. Максимальная скорость потребления кислорода наблюдалась при времени озвучивания 6 минут и превысила на 66,6$ значение контрольных проб ила. При дальнейшем увеличении времени озвучивания ила скорость потребления кислорода уменьшалась. Изменение скорости потребления кислорода микроорганизмами наглядно показано на номограммах насыщения активного ила кислородом воздуха (рис.3.5). Так, на II минуте насыщения контрольных проб концентрация кислорода в иловодяной смеси составила 2,37 мг/л, тогда как в опытных пробах, обработанных р ультразвуком мощностью 4 Вт/см при оптимальном времени воздействия, концентрация кислорода достигла лишь 1,27 мг/л. Эта концентрация кислорода в иловодяной смеси контрольных проб достигла уже на 5,5 минуте насыщения.
Таким образом, для насыщения озвученных проб ила до концентрации кислорода в контрольных пробах необходимо израсходовать в 1,86 раза больше кислорода, то есть, увеличить расход воздуха почти в 2 раза.
Наряду с изменением общей дыхательной активности ила изменяется его эндогенная и субстратная дыхательная активность (рис.3.б). Расчет номограмм потребления кислорода (рис.3.6) показывает, что в опытных пробах общая скорость потребления кислорода илом составляла 30 мг/г, эндогенная - 15 мг/г и субстратная - 15 мг/г, тогда как в контрольных пробах она соответственно составляла 18,2 мг/г, 9,5 мг/г и 8,7 мг/г. Под воздействием ультразвука, наряду с увеличением общей скорости потребления кислорода на 64,3$ увеличивается эндогенная дыхательная активность на 58$ и субстратная на 73,4$.
Изучение динамики изменения дыхательной активности ила позволило установить, что скорость потребления кислорода микроорганизмами увеличивается на первом этапе непосредственно во время озвучивания ила и на втором этапе спустя некоторое время (рис.3.7). Увеличение дыхательной активности на первом этапе, по-видимому, происходит из-за лучшего растворения и насыщения кислорода в.илОБОДЯНОЙ смеси. Озвучивание иловодяиой смеси без-термостатирования способствует еще большему увеличению дыхательной активности. Так, озвучивание иловодяиой смеси в течение 15 и 30 секунд ультразвуком мощностью б Вт/см2 с термостатировани-ем способствовало повышению скорости потребления кислорода во время озвучивания на 41 и 52,4тогда как без термостатирования - на 60 и 1%% соответственно по сравнению с значением скорости потребления кислорода контрольного ила звуком в течение 15 и 30 секунд без термостатирования повысила температуру пробы на 5 и Ю градусов. Нагрев иловодяной смеси неозвученного ила на 10 градусов усилил потребление кислорода микроорганизмами ила на 36$ по сравнению с его значением без нагрева. Со временем иловодяная смесь охлаждалась, скорость потребления кислорода резко снижалась, и на 30-й минуте аэрирования она равнялась значению контрольной пробы, без нагрева.
Повышение дыхательной активности на втором этапе происходит за счет активизации метаболических процессов бактерий под влиянием ультразвука. Максимальное увеличение скорости потребления кислорода термостатированным илом после озвучивания в течение 15 и 30 секунд наблюдалось на 25 минуте, а без термостатирования соответственно - на 15 и 10 минуте эксперимента. Максимальная скорость потребления кислорода при озвучивании ила в течение 15 и 30 секунд без термостатирования была на 80 и 93,7$, а с термостатированием - на 55,5 и 77$ выше по сравнению с ее значением в контроле. Таким образом, температурный фактор при озвучивании ила можно, использовать как сои ставную часть стимулирующего действия ультразвука.
Полученные нами результаты показывают, что под влиянием ультразвука определенной мощности и времени воздействия не только увеличивается ферментативная активность и численность микроорганизмов ила, но и скорость потребления кислорода, что необходимо учитывать при применении данного метода для интенсификации процесса биохимической очистки сточных вод.
Моделирование процесса электростимулирования ферментативной активности ила
Изучение возможности интенсификации биохимической, очистки сточных вод переменным электрическим током проводили на двух аэротенках-осветлителях (опытный и контрольный) объемом по 0,2 \?.
Взвешенный слой активного ила опытного аэротенка подвергался электрообработке с помощью двух плоскопараллельных электродов из нержавеющей стали, расположенных в камере взвешенного слоя на боковых стенках сооружения. Размеры электродов позволяли охватить весь взвешенный слой ила зоны осветления.
Используя выведенное нами уравнение (A) ftri = 0,0059М (10 Вт), расчитали необходимую мощность тока для интенсификации ферментативной активности микрофлоры взвешенного слоя активного ила аэротенка-осветлителя. Подставив в формулу соответствующее значение площади электродов (/7= 1500 см ) и межэлектродного расстояния ( С - 50 см), получили необходимое значение мощности тока, которое равнялось 211,3 мВт. Расчетное значение мощности тока проверяли опытным путем. Для этого в камеру взвешенного слоя аэротенка-осветлителя вносили по 75 л ила и каждый раз подвергали его 3-х минутному воздействию тока мощностью 130-560 мВт. При этом сила тока изменялась в интервале 1,2-2,8 мА, а напряжение - 110-200 мВ. После 30-ти минутного аэрирования электрообработанного ила определяли его де-гидрогеназную активность (рис.5.1). Оптимальная мощность тока, при которой регистрировали наивысшее увеличение активного ила, была в пределах 200-300 мВт. Изменение дегидрогеназной актив контрольном аэротенках-осветлителях были идентичны, ток в опытный аэротенк не подавался. В химических показателях очистки сточной воды нет существенных различий в обеих установках. По истечении первых суток был подключен ток к электродам опытной установки. С этого времени наблюдалось различие по всем химическим.показателям очистки воды мевду опытным и контрольным аэротенком. После первых суток воздействия тока на активный ил показатели очистки сточной воды по ШКс повысились на 52$ по сравнению с контролем. По ходу эксперимента это различие возрастает. На девятые сутки и до конца эксперимента очистка сточной воды по БПКс; в опытной установке была в 3 раза выше чем в контрольной (рис.5.2).
Под действием электрического тока резко углубляется процесс нитрификации. На 12 сутки обработки ила током количество образовавшихся нитритов в 12 раз превышало контрольное значение. Это свидетельствует об увеличении активности и количества нитрифицирующих микроорганизмов в иле опытной установки. На 8 сутки эксперимента в иле опытного аэротенка-осветлителя появляются нитраты, что свидетельствует о протекании второй фазы нитрификации. Наличие нитритов и нитратов в очищенной воде служит одним из показателей степени ее очистки, так как процесс нитрификации является конечной стадией, минерализации органических загрязнений 79.
В воде, прошедшей биологическую очистку,в обеих установках присутствовал аммиак. Снижение его концентрации в воде опытной установки наблюдалось не во все дни опыта. Это можно объяснить вторичным загрязнением воды аммиаком вследствие интенсивного разложения белковых веществ сточной воды и малой дегазацией, взвешенного слоя ила обоих аэротенков-осветлителей.
Повышение степени очистки сточной воды в опытной установке соответствует повышению ферментативной, активности микрофлоры активного ила, а также изменению его количественного и качественного состава. С первых дней обработки ила электрическим током возрастает его дегидрогеназная активность (рис.5.3). На II сутки воздействия тока в опытном аэротенке-осветлителе дегидрогеназная активность ила была в 2,8 раза выше активности ила контрольной установки.
Ускорение процесса изъятия загрязнений в опытном аэротен-ке обусловлено повышением численности микроорганизмов в иле. В ходе эксперимента общее количество бактерий, растущих на МПА, превысило в 2-2,5 раза численность бактерий в иле контрольной установки (рис.5.4).
