CC BY
73
УДК 628/33
Ф. Ю. Ахмадуллина (ст. преп.), Р. К. Закиров (к.т.н., доц.), С. Т. Минзанова (к.т.н., доц.), А. С. Сироткин (д.т.н., проф., зав. каф.)
Деструкционные процессы при ультразвуковой обработке активного ила
Казанский государственный технологический университет, кафедра промышленной биотехнологии 420015, г. Казань, ул. К. Маркса, 68, тел. (843) 2314328, e-mail: office@kstu.ru
F. U. Akhmadullina, R. K. Zakirov, C. T. Minzanova, A. C. Sirotkin
Degrading process during ultrasonic processing of active sludge
Kazan State Technological University 68, K. Marksa Str, 420015, Kazan, Russia; ph. (843) 2314328, e-mail: office@kstu.ru
Исследовано влияние низкочастотного ультразвука на деструкцию биосуспензии активного ила в стационарных и динамических условиях. Получены уравнения регрессии, описывающие взаимосвязь степени разрушения клеточной биомассы и режима озвучивания. Установлено влияние возраста ила на поражающее действие ультразвуковых волн, обусловленное наличием экзополимеров. На основе элементного и ИК-спектрального анализов показан сложный состав внеклеточных полимеров.
Ключевые слова: активный ил; внеклеточные полимеры; возраст ила; ультразвук.
Вопрос о перспективности применения низкочастотного ультразвука для интенсификации процессов биологической очистки сточных вод поднимался давно и получил развитие в работах 1-4. Механизм его влияния на биохимическую активность промышленных илов связывают с частичным разрушением бактериальных клеток, высвобождением ряда биологически активных соединений (ферментов, витаминов, биополимеров, биогенных элементов) и активизацией неразрушенных микроорганизмов за счет повышения клеточной проницаемости, усиления активности ферментов и поверхностно расположенных рецепторов клетки 5.
Однако деструкция части бактериальных клеток ила может привести к снижению эффективности процесса водоочистки, особенно, в случае концентрированных сточных вод, содержащих ксенобиотики и токсиканты, в результате снижения требуемой дозы активного ила, что повлечет за собой отклонение от оптимальной нагрузки на ил и, как следствие, ухудшение качества очищенных стоков. По-
Дата поступления 28.07.09
The influence of low frequency ultrasonic on degradation of active sludge in stationary and dynamic convents is studied. Equations of regression was showed interrelationship between degree degradation of biomass and operation exposure to sound. There are dates about influence age of active sludge to effect ultrasonic waves along of exo-polymers. Composition of exo-polymers was showed based on elementary and infrared spectral analyses.
Key words: active sludge; age of active sludge; exo-polymers; ultrasonic.
этому важнейшим требованием при разработке и внедрении комплексных современных технологий, включающих ультразвуковую обработку промышленных илов, является знание закономерностей развития деструкционных процессов при различных условиях озвучивания иловой суспензии. При этом необходимо учитывать как режимы ультразвуковой обработки, так и особенности илов различного возраста.
Настоятельная необходимость в этом диктуется потребностью практики. Во-первых, это связано с тем, что биостанции предприятий большинства отраслей промышленности, особенно химической, функционируют в условиях использования неадаптированных илов из-за специфики работы основного производства.
Залповые сбросы экотоксикантов и ксенобиотиков приводят к резкому снижению окислительной мощности очистных сооружений. С другой стороны, при очистке высококонцентрированных стоков, а также в процессах продленной аэрации, отличающихся низкой ферментативной активностью биоагента, учитывая непрерывный режим процесса биохимической очистки сточных вод, периодическая ультра-
звуковая обработка активного ила на практике будет являться недостаточной для эффективной работы узла биологической очистки в связи с циклическим характером его биостимулирования за счет высвобожденных биологически активных и биогенных веществ, а также ферментов в иловую смесь.
Что касается возраста промышленных илов, глубина стабилизационных процессов, протекающих в биоокислителях, значительные колебания содержания экзополимерной субстанции, возрастающие для зрелых илов, могут служить причиной значительного увеличения объема обрабатываемой иловой суспензии, ввиду как снижения числа активных бактериальных клеток в биомассе, так и необходимости более жесткого режима озвучивания для илов большого возраста из-за экранирующего действия внеклеточных полимерных веществ (ВПВ). В результате возрастает стоимость обработки ила, а также вероятность ухудшения процесса осветления воды из-за введения в очищаемую систему большого количества мелкодисперсных и коллоидных частиц (не разрушенные клеточные структуры). Это обусловливает реализацию данного приема интенсификации процессов водоочистки двумя способами, а именно, применением ультразвукового воздействия в стационарном и динамическом режимах при различных условиях обработки.
В связи с этим возникает необходимость в проведении исследований с целью выявления определенных закономерностей развития дест-рукционных процессов при низкочастотном ультразвуковом воздействии, что позволит предсказать с большей степенью вероятности наиболее подходящие режимы ультразвуковой обработки, а также наметить действительно научный, а не чисто эмпирический подход к решению этой сложной проблемы.
Исследование влияния низкочастотного ультразвука в стационарных и динамических условиях изучалось на модельных установках проточного и непроточного типа (рис. 1 а, б).
Эксперименты проводили с промышленными илами (очистные сооружения ОАО «Ка-заньоргсинтез», городские очистные сооружения) различного возраста (45—50 и 8—10 сут соответственно) при следующих режимах: стационарный — интенсивность ультразвукового воздействия 2—10 Вт/см2 и продолжительность 0.5—10 мин; динамический — 2—10 Вт/см2 при скорости истечения иловой суспензии 3, 15, 23 мл/с. При этом определяли дозу озвученного и неозвученного промышленных илов с последующим расчетом процента ее снижения и математической обработкой экспериментальных данных.
Из-за возможного проявления защитного эффекта экзополимерной субстанции для описания деструкционных процессов было использовано уравнение регрессии в виде полиноминальной зависимости второго порядка функции многих переменных с учетом влияния вышеуказанных факторов:
у = b0 + Xbjxi + X X h xjX +Xb»x)
j=1 j=1 i=j+1 j=1
В результате была получена зависимость:
y=b0+b1x1+b2x2+b11x1x1+b22x2x2+b12x1x2,
где у — процент снижения дозы активного ила; х1 — интенсивность озвучивания Вт/см2; х2 — время обработки, мин (скорость истечения мл/с).
Коэффициенты полученных регрессионных уравнений для исследованных промышленных илов при озвучивании в стационарных и динамических условиях приведены в табл. 1.
1 — накопительная емкость; 2 — насос дозатор; 3 — ультразвуковой генератор; 4 — излучатель; 5 — контактный резервуар; 6 — приемная емкость.
а)
б)
1 — ультразвуковой генератор; 2 — излучатель; 3 — контактный резервуар.
Рис. 1. Установка ультразвуковой обработки ила: а) в динамических условиях, б) в стационарных условиях.
1
2
6
3
Высокие значения коэффициентов детерминации свидетельствуют о хорошей сходимости экспериментальных и расчетных данных, подтверждающей адекватность полученного уравнения регрессии.
На рис. 2—5 приведены полученные зависимости, которые представляют собой поверхности (а) функции двух переменных у=f(I,t(v)), описывающие взаимное влияние интенсивности (I) и времени озвучивания (О или скорости протока а также проекции (б) полученных поверхностей на плоскость.
Полученные результаты свидетельствуют о неоднозначном влиянии низкочастотного ультразвука на дезинтеграцию биомассы промышленных илов. Можно отметить, что независимо от возраста активного ила для двух исследуемых режимов озвучивания получены качественно аналогичные, но количественно вариабельные зависимости: для стационарного — асимптотического типа, для динамического — линейного. Однако, чем больше возраст ила, тем менее выражено повреждающее действие ультразвукового воздействия. Так, в непроточных условиях степень деструкции активного ила городских очистных сооружений в поле ультразвуковых волн достигало максимально 30—35 %, а для более зрелого ила очистных сооружений производств органического синтеза — 20—25 % в аналогичных условиях, причем эта область гораздо уже. Аналогичная тенденция характерна и для результатов, полученных в условиях протока иловой суспензии: для 10-суточного ила — эта величина лежит в пределах 9—10 %, в то время как 45-суточный ил разрушается не более, чем на 6—7 %.
Что касается влияния интенсивности и продолжительности (или скорости протока) озвучивания на глубину деструкции клеточной биомассы, анализ зависимостей показывает превалирующую роль интенсивности озвучивания для двух изученных режимов ультразвуковой обработки.
Таким образом, полученная информация подтверждает принципиальную возможность
проявления защитного действия ВПВ активного ила большого возраста при его ультразвуковой обработке, а с другой стороны, позволяет разработать рекомендации для оптимизации условий этого процесса.
Полученные сведения являются косвенным доказательством более выраженного геле-образования для зрелых илов, что не противоречит литературным данным, согласно которым в процессах водоочистки клетки сапрофитных бактерий активного ила при контакте с загрязняющими веществами сточных вод окружают себя слоем слизистотягучего полимерного геля (вязкого коллоидного раствора).
Объем выделяемого полимерного геля распределяется вокруг клеток и хлопьев активного ила, защищая их от неблагоприятного воздействия сточных вод, Различают капсульные и свободно связанные с микроорганизмами макромолекулы ВПВ. В понятие свободных ВПВ входят слизь, коллоидные и растворимые экзополимеры, диффундирующие в жидкую фазу (надиловую жидкость) благодаря гидродинамическим условиям и градиенту концентраций 6. При этом для смешанных популяций микроорганизмов, особенно активных илов, секреция в окружающую среду биополимерного геля осуществляется после предварительного внутреннего синтеза полимеров. Благоприятный процесс гелеобразования зависит от продолжительности биологической очистки и благополучия стадии эндогенного дыхания, которая завершает процесс полной биологической очистки, т. е. взаимосвязан с возрастом ила и, как считает большинство исследователей, по мере старения активного ила он лучше защищен биополимерным гелем от воздействия окружающей среды 7.
На сегодняшний день не существует единого мнения относительно природы экзополи-мерной субстанции. Однако различные исследования свидетельствуют, что внеклеточные полимерные вещества могут быть как полиса-харидной, так и полипептидной природы 8,
Таблица 1
Коэффициенты уравнений регрессии
Коэффициенты регрессии ОАО «Казаньоргсинтез» Городские очистные сооружения
Стационарный режим Динамический режим Стационарный режим Динамический режим
Ьо -5.049 -0.148 -3.256 0.337
Ь1 2.243 0.567 2.861 0.781
Ь2 1.136 0.017 2.268 0.007
Ь11 -0.079 0.017 -0.078 0.030
Ь22 -0.102 -0.001 -0.093 0.0003
Ь12 0.132 -0.016 -0.014 -0.038
Я.2 0.93 0.97 0.91 0.96
а)
а)
имеющие высокую молекулярную массу ( более 10000 а.е.м.). Согласно 9, по своему химическому составу они чаще всего представлены аминокислотами и полисахаридами, включающими глюкозу, галактозу, аминосахара. В состав биополимерного геля кроме гликопротеи-нов (сложных комплексов сахаров и белков) входят также экзоферменты клеток ила, полипептиды, клетчатка и др.
Учитывая значимость внеклеточных полимеров при выборе условий ультразвуковой обработки иловой суспензии, в работе была осуществлена попытка получения дополнительной информации о полимерном геле активного ила сточных вод производства органического синтеза. Исследованию подвергались промышленные илы возраста 18—25 и 45—50 сут, функционирующие в отдельных очередях действующей биостанции. В связи с низким содержанием свободных ВПВ в надиловой жидкости была осуществлена попытка отделения лабильно связанных с хлопьями ила экзо-полимеров с последующим их концентрированием и аналитическим определением. Эксперимент предусматривал двухуровневое решение поставленной задачи: лабораторный и опытно-технологический. В первом случае применялась ультразвуковая обработка промышленного ила (лабораторный ультразвуковой диспергатор УЗДН-А) во втором — механо-кавитационная обработка (полупромышленный роторно-пульсационный аппарат (РПА), технологическая лаборатория ИОФХ им. А. Е. Арбузова КазНЦ РАН).
Для получения корректной информации о природе экзополимерной субстанции обработку иловой суспензии проводили в мягких условиях, обеспечивающих целостность бактериальных клеток, учитывая экспериментальные данные по деструкции промышленных илов. Исследование проводили в стационарном режиме при интенсивности — 2 Вт/см2 и продолжительности озвучивания 30 с и 2 мин в условиях ультразвуковой и механокавитаци-онной обработки соответственно. Обработанную промышленную иловую суспензию далее подвергали центрифугированию с последующей концентрацией фугата. Предварительно проводили элементный анализ полученных фугатов, на основании которого дальнейшая работа проводилась с объединенными пробами. После этого пробу обрабатывали 10% раствором ледяной уксусной кислоты в соотношении 1:1 для осаждения белков, белки отделяли, а фугат смешивали с ацетоном в соотношении 1:2 для выделения полисахаридов.
Выделенные полисахариды отделяли центрифугированием при 3000 об/мин в течение 5 минут. Полученные осадки (полипептиды, полисахариды) сушили до постоянного веса, после чего проводили элементный анализ смеси полученных фракций (табл. 2).
Таблица 2 Данные элементного анализа
Для подтверждения влияния возраста ила на содержание ВПВ оценивали выход внеклеточных полимеров по отношению к сухому весу ила. Он составил 4, 46% и 6.86% соответственно для илов ~20 и ~50-суточного возраста, как и следовало ожидать.Табличные данные подтверждают сложный состав экзополи-меров ила, включающих полисахариды.
Предполагая, что в основе экзополисаха-ридов лежат гексозы, дополнительно проводили ИК-спектральные исследования фракций ВПВ с последующим сопоставлением полученного спектра со спектром глюкозы (рис. 6).
11111 I
* К 8 К 9 ?
у ; I
(044 385 0 ЗООР 1ваа 5соо И 00 1(04
Рис. 6. ИК-спектры ВПВ (вверху) и глюкозы
Элементы, % Концентраты
УЗДН-А РПА После обработки 10 %-ой уксусной кислотой После обработки ацетоном
С 7.31 7.45 30.16 2.31
Н 0.78 0.84 3.98 1.89
N 3.58 3.64 8.44 0
Общий белок 22.37 22.75 52.75 0
\ II I I II II I
й = к 5 - -я к
1 1= з « з ; I
Как видно из представленных спектров, в области валентных колебаний О-Н связей для обоих объектов наблюдается широкая полоса поглощения: для глюкозы в области 3443-3320 см-1, для ВПВ - 3535-3405 см-1. Вероятно, смещение полосы О-Н-связи в последнем случае в высокочастотную область объясняется интерполимерным взаимодействием экзополимеров с образованием новой, несколько менее прочной системы Н-связей
Наиболее характерной частотой для сахаров является частота 1040-1010 см-1, соответствующая валентным колебаниям С-О связей. В спектре глюкозы она проявляется в области 1030 см-1 в виде узкого интенсивного пика, в то время, как для ВПВ мы наблюдаем в области 1150-1000 см-1 широкую полосу поглощения с максимумом при 1136 см-1. Видимо, ушире-ние полосы поглощения происходит за счет наложения валентных колебаний С-Ы связи пептидной группы, что подтверждается наличием в спектре ВПВ полос поглощения в области 1684-1622 см-1, которые можно отнести к валентным и деформационным колебаниям соответственно С=О (Амид I) и Ы-Н (Амид II) ассоциированных связей 10.
Следует отметить некоторое расхождение результатов элементного и спектрального анализа ВПВ. Элементный анализ показал отсутствие азота в высаженных экзополимерах, в то время, как в его ИК-спектре обнаруживается присутствие гетеро-связей с участием атома азота. Такое разногласие в определении азота, очевидно, связано с разной чувствительностью используемых методов.
Поэтому в специальных экспериментах был проведен параллельный элементный анализ ВПВ с определением в нем белка методом Кьельдаля (табл. 3).
Таблица 3
Результаты анализа ВПВ
Элементный анализ, % Общий органический азот, % Белки, % Зольность, %
С Н N
2.39 1.82 - 0.377 2.36 8.87
Действительно, точность определения азота по элементному анализу превышает 1%, в нашем случае содержание азота было менее 1% (0.377%), в то время как чувствительность метода Кьельдаля выше.
Полученная величина зольности характерна для полисахаридов и обусловлена возможным комплексообразованием металлов с активными функциональными группами сахаров.
Таким образом, результаты экспериментальных исследований свидетельствуют, что при обработке активного ила низкочастотным ультразвуком для повышения его ферментативной активности обязательно необходимо принимать во внимание как степень деструкции биомассы бактериальных клеток с целью выбора оптимального режима ее акустической обработки, так и возраст промышленного ила, учитывая защитный эффект экзополимеров, сложный состав которых был установлен в нашей работе.
Литература
1. Эльпинер И. Е. // Микробиология.- 1955.-Т.24, вып. 3.- С. 371.
2. Закиров Р. К., Пронина Е. В., Ахмадулли-на Ф. Ю., Сироткин А. С. Перспективы использования низкочастотного ультразвука для интенсификации процессов продленной аэрации промышленных стоков // Известия Самарского научного центра Российской академии наук.- 2008.- Спец. выпуск.- С. 35.
3. Закиров Р. К., Пронина Е. В., Ахмадулли-на Ф. Ю., Хузаянов Р. Х., Победимский Д. Г. / / Экология и промышленность России.-2008.- №6.- С. 31
4. Ткачук Н. Г. Кравец В. В., Никитин Г. А. // Химия и технология воды.- 1989.- Т. 11, вып. 6.- С. 539.
5. Ткачук Н. Г. //Водоснабжение и сан. техника.- 1994.- № 7.- С. 31.
6. Жмур Н. С. Управление процессом и контроль результата очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками.- М.: Луч, 1997.- 172 с.
7. Коновалова С. А. Биосинтез ферментов микроорганизмами.- М.: Пищевая пром-ть, 1973.191 с.
8. Елинов Н. П. Химия микробных полисахаридов.- М.: Высшая школа, 1984.- 256 с.
9. Жмур Н. С. Технологические им биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками.- М.: АКВАРОС, 2003.512 с.
10. Казицына П. А. Применение УФ-, ИК-, и ЯМР- спектроскопии в органической химии.-М.: Высшая школа, 1971.- 230 с.
