Анализ и обсуждение экспериментального исследования

XVl Международной конференции молодёжи

«ЭКО- 2010»

Влияние СПАВов

различной природы на состояние активного ила

Шанталинская Ирина

СОШ №86 с углублённым изучением отдельных предметов, 10 класс,  г.Казань

Научные руководители:

Ахмадуллина Фарида Юнусова, старший преподаватель кафедры ПБТ КГТУ

Хуснутдинова Дина Хабировна, учитель I категории

Учреждение на базе которого выполнялась работа: кафедра промышленной биотехнологии КГТУ (КХТИ)

г. Москва, 2010 
                                                     Оглавление

1 Введение………………………………………………………………………………..3

2 Анализ и обсуждение экспериментального исследования………………………...7

3 Выводы………………………………………………………………………………12

4 Заключение………………………………………………………………………….12

5 Литература. ………………………………………………………………………...13

6 Приложения………………………………………………………………………...14

1 Введение

С развитием промышленного производства в водные объекты стало поступать неконтролируемое количество трудноразлагаемых и токсичных соединений, что позволяет отнести очистку промышленных сточных вод к основным мероприятиям общегосударственного значения. Наиболее распространенный способ очистки многокомпонентных стоков - биологический, что обусловлено рядом его достоинств [1].

Метод биологической очистки основан на способности гетеротрофных микроорганизмов использовать в качестве питания разнообразные неорганические и органические соединения, подвергая последние деструкции в результате процесса метаболизма бактерий активного ила.

Активный ил представляет собой совокупность микроорганизмов, осуществляющих процесс биологической очистки сточных вод, которые присутствуют в иловой суспензии в виде скоплений, или хлопьев [2].

Однако способ биологической очистки сточных вод очень чувствителен к условиям внешней среды. Содержание в стоках экотоксикантов приводит к инактивации ферментных систем микробного сообщества, что снижает эффективность биохимических процессов в окислителях (аэротенках) [3]. Следовательно, необходим метод прогнозирования состояния биоценоза активного ила для управления процессом водоочистки. Для этого перспективно использование биологических методов контроля состояния микроорганизмов активного ила, участвующих в процессах биологической очистки стоков, т.к. усложняющийся состав промышленных сточных вод обусловливает недостаточность только химического контроля для обеспечения нормальной работы биостанций. Для искусственных экосистем наиболее актуально применение метода биоиндикации, т.е. приема исследования, при котором о качестве среды, факторах, действующих самостоятельно или в сочетании с другими, судят по выживаемости, состоянию и поведению организмов, обитающих в исследуемой среде [4].

При выборе таких организмов приходится соблюдать определенные требования, среди которых возможность фиксировать четкий, воспроизводимый и объективный отклик на воздействие внешних факторов, чувствительность этого отклика на малые содержания загрязнителей и другие. Если биоиндикатор реагирует значительным отклонением жизненных проявлений от нормы, то он является чувствительным биоиндикатором. Наличие очень чувствительных биоиндикаторов приводит к ранней информации о негативном воздействии фактора на биохимические процессы [5, 6].

Преимущества биоиндикаторов состоят в том, что они:

1. Суммируют все биологически важные данные об окружающей среде и отражают ее состояние в целом, ибо воздействие токсических веществ является толчком к разнообразным изменениям внутри экосистемы, компоненты которой связаны между собой;
2. Делают необязательным применение дорогостоящих трудоемких физических и химических методов для измерения биологических параметров;
3. Указывают пути и места скопления различного рода загрязнений в экологических системах и возможные пути попадания этих агентов в пищу человека;
4. Позволяют судить о степени вредности тех или иных веществ для живой природы и человека;
5. Дают возможность контролировать действие многих синтезируемых человеком соединений;
6. Помогают нормировать допустимую нагрузку на экосистемы, различающиеся по своей устойчивости и антропогенному воздействию [7].

Данный метод является весьма перспективным для изучения состояния активного ила и, как следствие, прогнозирования эффективности работы действующих биостанций [5].

В биоценозах активного ила присутствуют представители 6 отделов микрофлоры (бактерии, грибы, зеленые, сине-зеленые, эвгленовые микроводоросли) и 9 таксономических групп микрофауны (жгутиконосцы, саркодовые, инфузории, первичнополостные и вторичнополостные черви, брюхоресничные черви, коловратки, тихоходки, паукообразные) [8].

Суммарный, эффект воздействия разнообразных факторов формирует специфический для каждого очистного сооружения активный ил.

Анализ специальной литературы показал, что система биодиагностики процесса очистки, основанная на данных о населении активного ила, еще мало изучена, несмотря на то, что она дает возможность правильно оценить и прогнозировать процесс очистки, выявить различные нарушения в нем, разработать мероприятия по его интенсификации, основываясь на качественные и количественные характеристики всех групп активного ила [1-12].

Целью настоящей работы являлось исследование закономерностей изменения состояния микроорганизмов активного ила в условиях непостоянства содержания  СПАВов различной природы в сточных водах.

Объектом исследования в данной работе являлся активный ил очистных сооружений производства органического синтеза (ОАО “КазаньОргсинтез”).

Предмет исследования - изучение влияния синтетических поверхностно-активных веществ различной природы на биологическое сообщество искусственной экосистемы.

 Актуальность работы: данная проблема очень важна, т.к. загрязнение окружающей среды и, в первую очередь, воды СПАВами представляет серьезную проблему, которую сегодня по масштабам можно сравнить только с загрязнением почвы и воды нефтью и пестицидами.

Новизна: подход решения проблемы экспресс -биодиагностики промышленных илов и оценке его восстановленного потенциала в процессах продленной аэрации сточных вод. До сих пор данные об илах большого возраста практически отсутствует. Знание их поведения и состояние на определённое время позволяет оперативно управлять процессом водоочистки.

Целевое назначение СПАВ как моющих средств обусловливает  попадание почти всего объема их продукции в сточную воду, которая, в свою очередь, может загрязнять поверхностные водоемы, грунтовые воды, почву.

Химические и физико-химические методы очистки стоков не решают проблемы борьбы с загрязнением воды СПАВами, т.к. при использовании этих методов они, как правило, концентрируются или разрушаются частично, но не разлагаются полностью до СО₂, Н₂О и других простейших продуктов. Полная деструкция детергентов осуществляется микроорганизмами, на использовании которых основаны все биологические методы очистки воды. Однако очистка сточных вод от СПАВ общепринятыми биологическими методами затруднена, поскольку многие из этих веществ сравнительно устойчивы к микробному разложению и проходят через очистные сооружения не изменяясь. При этом, СПАВы из-за высокой способности к пенообразованию, нарушают их работу, влияя на кислородный режим, и снижают скорость оседания активного ила в узле вторичного отстаивания. Сточные воды ОАО «КазаньОргсинтез» не являются исключением.

В настоящей работе основное внимание уделяется влиянию на биоценоз активного ила неионогенного  и катионоактивного СПАВов, в качестве которых были использованы соответственно полиэтиленоксид  (ПЭО) и праестол (приложение 1).

Основной метод исследования - микроскопирование. Метод основан на исследовании микроорганизмов активного ила под микроскопом с помощью раздавленной капли в неокрашенных препаратах. При микроскопировании учету подлежат: микроживотные, простейшие, свободно плавающие бактерии, нитчатые бактерии, черви, цисты простейших, гифы грибов и своеобразные скопления бактерий - Zooglea ramigera [9]. Наблюдению подлежат также состояние надиловой жидкости и наличие цист.

Для получения полной информации о влиянии природы изучаемых поллютантов на микроорганизмы смешанной популяции дополнительно в работе проводились фотоколориметрические исследования по сорбции СПАВов на хлопьях активного ила.

Представленная работа носит как фундаментальный, так и прикладной характер. Во-первых, полученные результаты позволяют установить закономерности влияния различных концентраций СПАВов на индикаторные микроорганизмы активного ила. Во-вторых, выявление их критических концентраций, вызывающих ингибирование биоагента, несомненно, представляет практический интерес. 

         2 Анализ и обсуждение результатов экспериментального исследования

Для достижения поставленной цели экспериментальные исследования проводили следующим образом.

Промышленную иловую суспензию смешивали со сточной водой в соотношении 1:1,6, при условии стабильной работы аэротенков, что моделировало реальные условия функционирования биостанции (приложение 2). Иловую суспензию отстаивали в течение 2-3 минут, затем подвергали микроскопированию. При этом обязателен просмотр двух капель из каждой пробы - с поверхности ила со дна сосуда, так как при отстаивании организмы в зависимости от их массы и поведенческих реакций распределяются в толще ила неравномерно.

Техника микроскопирования препарата заключается в следующем: на предметное стекло наносят небольшую каплю иловой жидкости, покрывают стеклом и просматривают вначале при малом увеличении (окуляр 10 или 15, объектив 8), затем при большом (окуляр 10 или 15, объектив 40) [10].

После этого микроскопированию подвергали иловые суспензию с различными концентрациями ПАВов, которые варьировались в диапазоне 5-50 мг/л, согласно колебанию этого загрязнителя в сточных водах. Для этого в реальные сточные воды вводили необходимое количество неионогенного СПАВа – полиэтиленоксид или катионного СПАВа – праестол, для достижения необходимой концентрации данного загрязнителя в иловой суспензии.

При этом обязательно учитывали содержание ПАВов в исходной сточной воде.

Концентрация рабочих растворов ПЭО и праестола составила 1 мг/мл.

Приготовление рабочих растворов СПАВов:

Рабочий раствор праестола (1мг/мл):

объем колбы, в которой готовится раствор V_колбы = 500мл.

масса навески праестола, необходимая для приготовления рабочего раствора:

m_Пр = V_{колбы *} C_Пр = 500мл_*1мг/мл = 500мг = 0,5г

В мерной колбе на 500 мл растворяли 0,5 г праестола, доведя до метки дистиллированной водой.

Аналогично готовили рабочий раствор неионогенного  СПАВа.

Микроскопирование проводили в динамике через 1, 3, 5, 24 часа с целью выявления восстановительного потенциала исследуемого промышленного ила.

В настоящей работе оценка состояния промышленного ила сточных вод производств органического синтеза осуществлялась по следующим индикаторным микроорганизмам, приведенным в приложении 3.

При этом изучение состояния  исследуемого биоценоза промышленного ила включало:

1). Визуальное исследование общих свойств активного ила: цвет, характер надиловой жидкости, запах и т. д.;

2). Определение видового состава организмов биоценоза и анализ физиологического состояния гидробионтов.

При этом учитывались  следующие показатели:

1. Преобладающие группы и виды организмов биоценоза. Надежными индикаторами состояния активного ила могут быть только организмы, встречающиеся в нем в значительных количествах;
2. Степень упитанности (хорошая, удовлетворительная, слабая);
3. Форма тела. Этот признак особенно изменчив у прикрепленных кругоресничных инфузорий. Отклонения от нормы могут быть вызваны различными факторами. При хорошей упитанности форма тела расширенная, почти округлая или бочковидная; при слабой – происходит вытягивание животных и расширение предротовой области. Токсические вещества вызывают возникновение различных уродств (вмятины, складки и т. д.);
4. Состояние ресничного диска у прикрепленных кругоресничных инфузорий (открытой, закрытой). Обычно он открыт и закрывается лишь при отклонении условий от нормы (избыточном количестве растворенной органики, наличии токсикантов).
5. Интенсивность работы ресничного аппарата, обеспечивающего обитание и движение инфузорий (интенсивная, слабая, полная неподвижность).
6. Размеры организмов (нормальные, укрупненные, мелкие). В основном этот показатель связан с условиями питания. Однако известно, что токсические вещества, попадающие на очистные сооружения с промышленными стоками, вызывают также измельчание организмов.
7. Наличие цист. Инцистирование – важное биологическое приспособление большинства простейших, обеспечивающих их сохранность в период наступления неблагоприятных для их существования естественных условий  (постепенное снижение температуры, подсушивание, ухудшение питания). В процессе образования цист, сбрасываются или втягиваются органеллы движения, животные  округляются и выделяют на своей поверхности плотную защитную оболочку. При возвращении благоприятных условий цисты раскрываются, и простейшие вновь становятся активными.
8. Наличие погибших животных. Гибель может быть вызвана или очень быстрым и резким изменением жизненных факторов, при котором животные не успевают инцистироваться, или воздействием чуждых им реагентов. Обычно картина массовой гибели гидробионтов наблюдается при мощных залповых сбросах отходов промышленных предприятий [2].

В работе были проведены систематические исследования состояния биоценоза активного ила, формирующегося на сточных водах производств органического синтеза в условиях его стабильной работы: ХПК: 325 – 445 мг/л; С_фенол < 5 мг/л, С_{гликоль} < 200 мг/л.

В качестве примера в приложениях 4-5 приведены результаты микроскопирования активного ила при его смешении со сточной водой при различных концентрациях праестола и ПЭО соответственно.

Обобщение и анализ данных наблюдения за активным илом в условиях изменения концентраций СПАВов различной природы в сточных водах показало следующее.

Влияние полиэтиленоксида. В условиях эксперимента - ХПК в пределах - 325 - 445 мг/л; концентрация фенола не превышает 5 мг/л при дозе 1,5 г/л в среднем - характеристика промышленного ила отвечает требованиям удовлетворительно работающего ила. При этом хлопки ила компактные, достаточно крупные; надиловая жидкость прозрачная, достаточно большое разнообразие простейших. Наличие простейших Vorticella указывает на низкую нагрузку ила, Opercularia - на созревший ил, а коловратки Rotifera на нитрифицирующий ил [11].

При низких концентрациях ПЭО - 5 мг/л состояние биоценоза активного ила стабильное ингибирующее действие НСПАВа начинает проявляться с 15 мг/л, которое проявляется в состоянии простейших и коловраток (приложение 6-7).

Увеличение дозы до 15 мг/л приводит к заметному ухудшению состояния активного ила, что проявляется в изменении подвижности коловраток, и состоянии ресничной зоны простейших - она замкнута. Даже Aspidisca - наиболее распространенная и толерантная к разнообразным факторам среды и из-за этого часто встречающаяся в илах различных условий очистки - находится в малоподвижном состоянии.

Следует отметить длительность воздействия ПЭО на биоценоз активного ила. Даже по истечении 5 часов состояние активного ила полностью не восстанавливается(малоподвижные инфузории, а также наличие мути в надиловой жидкости). Что касается результатов после 24 часовой выдержки, то при описании состояния ила необходимо учитывать и длительность аэрирования, несоответствующая производственным условиям (16-18 часов), что также отрицательно влияет на ряд индикаторных микроорганизмов, состояние хлопков ила и надиловой жидкости.

Согласно проведенным исследованиям концентрации НПАВ 10-15 мг/л являются критическими.

Концентрации 30 мг/л и выше (50 мг/л) можно отнести к недопустимым для базовых очистных сооружений, т.к. способствуют дестабилизации работы биостанции: резко изменяются размеры хлопков ила, появляются обособленные бактериальные клетки, поврежденные коловратки и простейшие, надиловая жидкость имеет мелкую неоседающую муть, наличие цист, причем, чем выше концентрация, тем больше цист и свободно плавающих бактериальных клеток (приложение 8-9).

Влияние праестола. В отличие от ПЭО праестол оказывает заметное негативное влияние на активный ил (приложение 4) уже при концентрации 5 мг/л, что вероятно связано с  адаптированостью микроорганизмов биоценоза к катионоактивному СПАВу (отсутствие в сточных водах ОАО «КазаньОргсинтез»). Это выражается в уменьшении размера хлопка ила, уменьшением подвижности амеб, закрытым состоянием ресничной зоны инфузорий (приложение 10). Следует отметить продолжительности воздействия праестола на индикаторные микроорганизмы активного ила, наблюдаемые в течение 5-ти часов. Однако ил восстанавливается по истечении 24 часов.

Увеличение концентрации праестола до 10 мг/л (реально до 15 мг/л) приводит к измельчению хлопков активного ила и простейших, деформации и инцистирования последних, вызывает помутнение надиловой жидкости (приложение 11). Через 24 часа происходит восстановление активности индикаторных микроорганизмов.

Критические дозы катионоактивного СПАВов 30-50 мг/л оказывает значительный повреждающий эффект на индикаторные организмы активного ила, происходит еще большее увеличение числа цист и более значительное увеличение свободноплавающих бактериальных клеток (приложение 12).

После длительного аэрирования ил восстанавливается только в отдельных случаях(при низких концентрациях СПАВов). Это свидетельствует о том, что продукты распада исследуемых соединений с большой долей вероятности не обладают токсическими свойствами, что подтверждают визуальные наблюдения (приложения 13-14).

     С целью получения количественной картины влияния различных концентраций СПАВов на биоценоз промышленного ила на основании изменений, наблюдаемых в активной биомассе, каждому состоянию активного ила была дана количественная оценка в пределах 1 - 5 баллов с учетом его состояния в настоящий момент согласно принятым оценочным критериям (приложение 15).

Количественная оценка состояния микроорганизмов смешанной популяции приведена в приложении 4-5 (в качестве примера).

Обобщение этих данных позволило  выявить закономерности влияния  концентраций и природы исследуемых  СПАВов на промышленный ил сточных  вод производств органического синтеза (приложения 16-17).

Как видно из представленного графического материала, для всех исследованных  концентраций неионогенного полиэтиленоксида наблюдаются аналогичные кривые изменения состояния активного  ила во времени, что подтверждает общий характер выявленной зависимости. С течением состояние индикаторных микроорганизмов ухудшается, особенно через 5 часов воздействия СПАВов, после чего происходит постепенное восстановление биоценоза активного ила. Полное его восстановление зависит от концентрации поллютанта (приложение 16).

Кроме того, следует отметить влияние  ХПК сточных вод на восстановительный  потенциал биоценоза (приложение 17). Увеличение ХПК способствует улучшению состояния активного ила, что можно объяснить фактором голодания.

Ниже приведены данные по влиянию на активный ил катионоактивного праестола (приложение 18-19). Как видно из рисунков, для данного поллютанта получены подобные зависимости по влиянию концентрации праестола в динамике. Наряду с микробиологическими исследованиями в работе начаты исследования по фотоколориметрическому исследованию ассимиляции СПАВов промышленным активным илом. В приложение 20 приведены данные по извлечению праестола при его содержании в сточных водах 10 мг/л. Как видно из графического материала, максимальное изъятие СПАВа наблюдается в первые 5 часов аэрирования сточных вод, после чего процесс стабилизируется. Максимальный процент изъятия праестола после суточной аэрации достигает 94%. При этом его остаточное содержание в сточных водах 1,9 мг/л, т.е.качество очищенных вод по содержанию СПАВов не достигает нормативных требований (ПДК=0,5 мг/л, ВДК=0,59 мг/л [12]). Это свидетельствует о том, что исследуемый СПАВ не относится к «мягким».

94%.

       Выводы

          Таким образом, полученные результаты свидетельствуют:

Все исследованные ВМС проявляют ингибирующие действия по отношению к активному илу даже при низких их концентрациях;

Более значительное ингибирование наблюдалось в случае ПЭО;

Пороговая концентрация для всех исследованных ВМС - 15 мг/л;

При длительной аэрации максимальное изъятие катионоактивного СПАВа достигает.

Заключение

1. Изучено влияние СПАВов различной природы: неионогенного полиэтиленоксида и катионоактивного праестола на состояние промышленного ила сточных вод производств органического синтеза.

2. Рассмотрены особенности изменения структуры хлопка активного ила и состояния индикаторных микроорганизмов под действием исследованных концентраций контрольного загрязнителя: 5 - 50 мг/л.

Показано длительное ингибирование активного ила при концентрациях выше 15мг/л для всех изученных ВМС.

3. Осуществлена количественная оценка состояния активного ила по пятибалльной системе учета и получены кривые, описывающие закономерности изменения состояния биоагента при различных концентрациях гликолей в динамике.
4. Начаты исследования по динамике извлечения СПАВов промышленным илом.

Литература

1. Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод / Яковлев С.В., Воронов Ю.В. / Учебник для ВУЗов: - М: АСВ, 2002 - 704с.
2. Жмур, Н. С. Управление процессом и контроль результата очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками / Н. С. Жмур. - М.: Луч, 1997. _ 172 с.
3. Ковалева Н.Г., Ковалев В.Г. Биохимическая очистка сточных вод предприятий химической промышленности / Ковалева Н.Г., Ковалев В.Г - М.: Химия, 1987. - 160с.
4. В. Г. Каплин. Биоиндикация состояния экосистем. Учебное пособие для студентов биологических специальностей университетов и с/х вузов / Самарская ГСХА Самара, 2001.- 143с.
5. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / под ред. Шуберта. - М.: Мир, 1988.-348с.
6. Липеровская, Е. С. Гидробиологические индикаторы состояния активного ила и их роль в биологической очистке сточных вод / Е.С Липеровская // Самоочищение водоемов и биологическая очистка сточных вод. - М.: ВИН и ТИ, 1997. - С. 169-217.
7. Абакумов В.А. О наблюдениях и сравнительных оценках состояния экологических систем. - В кн.: Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Т.1. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - с.64-70.
8. В. Г. Каплин. Биоиндикация состояния экосистем. Учебное пособие для студентов биологических специальностей университетов и с/х вузов / Самарская ГСХА Самара, 2001.- 143с.
9. Экологический мониторинг окружающей среды: Учебное пособие для вузов в 2т. Т. №1. Р. А. Комиссаров, Л. С. Гордеев, Ю.Д. Эдельштейн, Д.П. Вент. - М.: Химия, 2005.-365с.
10. Теппер Е.З. / Практикум по микробиологии / Микробиология. Работа с микроорганизмами // Учебное пособие для вузов/Е.З. Теппер., В.К. Шилькова и др. - 5-е издание - М.: Дрофа 2004. - 256 с.
11. Кутикова, Л. А. Фауна аэротенков / Л. А. Кутикова. - Л.: Наука, 1984. - 263 с.
12. Моисеенко Т.И. Экотоксикологический подход к оценке качества вод / Т.И. Моисеенко // Водные ресурсы. - 2005. №2. С. 184 – 187.

Приложения

Приложение 1 – Изучаемые  синтетические поверхностно-активные вещества

Приложение 2– Схема  экспериментальной установки

Приложение 3 –  Индикаторные микроорганизмы

Приложение 4 – Результаты микроскопирования промышленного ила (праестол)