CC BY
585
оказывает наркотическое действие, продолжительное пребывание в помещение, в атмосфере которого содержится большое количество винилхлорида, вызывает головокружение и потерю сознания. ПДК в рабочих помещениях составляет
5 3 3
3*10- кг/м . При концентрации 1*10-4 кг/м вызывает раздражение слизистых оболочек, а запах начинает ощущаться даже при 2*10-4 кг/м3. Вдыхание паров при открытом испарении мономера вызывает острое отравление. Другие мономеры, используемые при производстве политетрафторэтилена,
политрифторхлорэтилена, поливинилфторидов также не менее токсичны [4].
Таким образом, ухудшение экологической ситуации и увеличение объёмов производства полимерных материалов требуют поиска путей снижения токсичности при производстве, хранении, эксплуатации и горении полимерных материалов.
Список использованной литературы
1. Асеева Р.М., Зайков Г.Е. Горение полимерных материалов. М.: Наука, 1981. - 280 с.
2. http://www.vestnik.igps.ru
3. http://www.poliolefins.ru
4. http://www.ecologyreality.ru
5. http://www.plastinfo.ru
МИКРОБИОЛОГИЯ СТОЧНЫХ ВОД ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Ю.Н. Шалимов, профессор, д.т.н., А.В. Руссу, аспирант,
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж,
A.В. Епифанов,
B.Д. Епифанов, АО «НКТБ «Феррит» г. Воронеж
М. Лутовац, академик, профессор, д-р, Университет «Унион Никола Тесла» г. Белград, Сербия,
В.Ф. Бабкин, профессор, д.т.н., Е.П. Евсеев, доцент, к.ф.-м.н., Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, г. Воронеж
Принятая и апробированная в большинстве стран технология очистки сточных вод базируется на использовании биологического метода очистки с помощью илов. В последнее время: в связи с реорганизацией системы ЖКХ, эта проблема получила резонансный характер. Это связано, прежде всего, с увеличением объемов водопотребления крупных, очистные сооружения которых без серьезной реконструкции не могут обеспечить необходимое качество переработки стоков.
С другой стороны повысить эффективность работы иловых полей в условиях климатических колебаний температуры возможно только при наличии дополнительных источников энергии. А дополнительные затраты на это вновь приведут к скачку цен на услуги ЖКХ. Выход из создавшейся ситуации мы видим только в интенсивном развитии альтернативной энергетики. Следует тщательно проанализировать возможность и перспективы использования энергоустановок атомной энергетики малой мощности. Предложение представителей к использованию таких установок для обеспечения энергией удаленных районов, по меньшей мере, преждевременно в силу двух причин, а именно:
1) острого дефицита специалистов энергетиков такого профиля;
2) отсутствие систем утилизации и надежных способов замены отработанного топлива.
С позиций эколого-экономических аспектов такие технологии потребуют значительных финансовых вложений не только в создание самих энергоустановок, но главным образом в строительство предприятий по производству уникального ядерного топлива. В конечном итоге сопоставлять стоимость энергии на такой мини-атомной станции и стационарном энергоблоке действующих АЭС - по меньшей мере - нелогично. Что же касается утилизации таких объектов то это пока нерешенная проблема.
Поиск наиболее эффективных, простых в обслуживании и безопасных способов генерации и преобразовании энергии солнца в удобном для потребителя виде естественным образом наталкивает нас на идею уже реализованную природой. В природе мы наблюдаем замкнутый цикл поглощения световой энергии, преобразования ее в биомассу, преобразование биомассы в тепловую и электрическую энергию. Поэтому и задача инженерного поиска состоит в том, чтобы создать системы, эффективно преобразующие различные виды энергии без нарушения экологического равновесия в природе. Начальный этап - получение ресурсной массы для последующей переработки в энергию - переработка отходов. В нашем случае первейшее значение имеет очистка сточных вод.
Биохимический метод очистки сточных вод основан на способности микроорганизмов, использовать в процессе своей жизнедеятельности различные растворенные органические и неокисленные минеральные соединения, такие как сероводород, аммиак, нитриты. Микробы очень разнообразны по своим физиологическим свойствам как в отношении потребности в питательных веществах, так и в отношении изменений, производимых ими в окружающей среде. Условия, в которых они могут жить и развиваться, также очень различны. Поэтому применение биохимического метода дает возможность удалять из сточных вод самые разнообразные соединения, в том числе даже токсичные [1]. Процесс биологической очистки осуществляется сообществами микроорганизмов, через которые проходит поток субстрата и биомассы. В таких системах происходит непрерывная селекция различных типов микроорганизмов. Большая часть таких организмов может размножаться непосредственно в очистном сооружении. Все организмы, обитающие в очистном сооружении, попадают в него из какого-либо внешнего источника: вместе со сточной водой, из воздуха и
почвы.
Обитающие в очистных сооружениях организмы можно разделить на следующие группы: бактерии, грибы, водоросли, простейшие, многоклеточные.
Бактерии. Основная задача бактерий заключается в первичной трансформации и разложении растворенных органических веществ. Они также участвуют в разложении взвешенных органических веществ посредством синтеза внеклеточных ферментов. Основная роль в процессе биологической очистки принадлежит бактериям, число которых составляет от 100 до 1000 особей на 1 г сухого вещества биомассы. Большинство бактерий имеет размеры от 0,5 до 3 мкм. Они обладают чрезвычайным разнообразием форм метаболизма и живут в широком диапазоне температур, содержания кислорода, pH и пр. Обычно оптимальные условия pH бактерий находятся между 6,5 и 7,5. В бактериальной клетке около 80 % воды и 20 % сухого вещества. Около 90 % сухого вещества является органическим и лишь 10 % - неорганическим. Составу органической части приблизительно соответствует эмпирическая формула C5H7O2N.
Грибы. Конкурируют с бактериями за источники питания. Их развитию способствуют низкие значения pH в реакторе. Они выживают в более кислых средах, при более высокой концентрации тяжелых металлов, чем бактерии; обладают низкими требованиями к азоту. Органической части клеточной биомассы грибов может соответствовать эмпирическая формула CioH]706N.
Водоросли. Обнаруживаются водоросли на поверхности биофильтров и в биопрудах, используемых на конечных стадиях очистки стока.
Простейшие. Это одноклеточные водные животные. По размеру они на порядок больше бактерий. Они паразитируют на бактериях, поедают грибы и водоросли, взвешенные органические вещества и выполняют важную функцию во вторичном осаждении сточных вод. Химическому составу протоплазмы соответствует эмпирическая формула C7H24O3N.
Многоклеточные. Развиваются в биофильтрах и активном иле при низкой нагрузке [2]. Активный ил - сложное сообщество микроорганизмов различных систематических групп и некоторых многоклеточных животных. Активный ил биоокислителей формируется под влиянием химического состава обрабатываемой сточной воды, растворенного в ней кислорода, температуры, pH и окислительно-восстановительного потенциала.
Л
Благодаря очень развитой поверхности хлопьев активного ила (около 100 м на 1 г сухого вещества) на них сорбируются коллоидные и взвешенные вещества, в результате чего хлопья активного ила представляют собой сложную совокупность микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности и инертных частиц [3].
Активный ил - это искусственно (антропогенно) созданная экосистема; система антропогенно зависимая, находящаяся в чрезвычайно изменчивых условиях воздействия абиотических и биотических факторов. Культивирование активного ила в ограниченном пространстве аэротенков, в условиях изобилия кислорода и довольно высокой трофности (нагрузки по органическим загрязняющим веществам) и значительного антропогенного стрессирования
(нагрузки по промышленным загрязняющим веществам, включая токсиканты) приводит к формированию своеобразного сообщества, значительно отличающегося от природных экосистем. В активном иле строго разграничены функции входящих в него отдельных популяций и высоки адаптационные свойства организмов, получивших преимущества в результате селекции и отбора. Микробные композиции активного ила отражают изменения в составе сточных вод и подвержены постоянной изменчивости.
В активном иле присутствуют все основные физиологические группы микроорганизмов, обеспечивающие разложение соединений углерода, азота, фосфора, серы и других элементов. Биоценотической особенностью активного ила является отсутствие в нем звена первичных продуцентов (за исключением хемоавтотрофных бактерий), поскольку органическое вещество поступает со сточными водами в готовом виде. В природных биоценозах роль первичных продуцентов принадлежит растениям. В процессах деградации загрязняющих веществ в аэротенках основная роль принадлежит гетеротрофным флокулообразующим бактериям. Осмотрофные простейшие также принимают участие в этом процессе, но их роль усиливается только при ослаблении роли флокулообразующих бактерий и снижении конкуренции за потребление растворенных органических веществ (в случае гибели или каком-либо угнетении флокулообразующих гетеротрофных бактерий или при изобилии органических веществ). Флокулообразующие бактерии - это множество клеток микроорганизмов, объединенных биополимерным гелем в хорошо защищенное и организованное структурнофункциональное целое - хлопок активного ила. Популяции флокулообразующих бактерий составляют в иле 90-95 %, их функциональное состояние, активность и адаптированность к экологическим условиям аэротенков определяют устойчивость и эффективность биохимического окисления загрязняющих веществ, присутствующих в сточных водах.
В биоценозах активного ила развиваются представители семи отделов микрофлоры: бактерии, грибы, актиномицеты, диатомовые, зеленые, эвгленовые, вольвоксовые микроводоросли, а также девяти таксономических групп простейших и многоклеточных животных: жгутиконосцы, саркодовые, инфузории, первичнополостные, вторичнополостные и брюхоресничные черви, коловратки, тихоходки, паукообразные, к которым относятся водные клещи.
Для правильной оценки активного ила в целом необходимо охарактеризовать как состояние бактериальных популяций, основных деструкторов загрязнений, так и простейших и многоклеточных организмов, составляющих приблизительно 5-10 % от общей биомассы и осуществляющих активное поедание бактерий.
Гетеротрофных бактерий раньше считали единственными деструкторами органического загрязнения. Исследования последних трех десятилетий показали, что в некоторых системах очистки зооценозы также играют значительную роль в разложении органического вещества.
Роль простейших в основном заключается в стимулировании роста флокулообразующих бактерий; повышении прозрачности надиловой воды за счет
интенсивного выедания бактерий, не включенных в хлопья ила, а потому наиболее доступных
Более того, было установлено, что простейшие выделяют биологически активные вещества, которые обладают стимулирующим действием на физиологическую активность бактерий. Из культурной жидкости инфузорий получено до 5 биологически активных соединений, оказывающих эффект роста (Николюк, Тапильская, 1976). Таким образом, в разложении загрязняющих веществ участвует вся биота активного ила в целом, а абиотические процессы влияют на его скорость и успешность.
Активный ил представляет собой сложную экологическую систему, организмы которой находятся на разных трофических уровнях. Гетеротрофные бактерии, водоросли, сапрофитные грибы и сапрофитные простейшие -первичные поедатели - составляют первый трофический уровень. Голозойные простейшие - второй, а отдельные виды нематод, хищные коловратки, сосущие инфузории, тихоходки, хищные грибы - третий трофический уровень.
Способ питания организмов активного ила определяет их структурное положение в биоценозе и характер взаимоотношений. Преобладание той или иной группы организмов с определенным типом питания указывает на происходящие процессы структурных изменений в биоценозе и позволяет предположить возможные изменения экологических условий обитания активного ила.
Сапрофитный способ питания характеризуется тем, что питательные вещества поступают в организм осмотически через поверхность тела. Пищей могут служить только растворенные и частично разложившиеся органические вещества (например, промежуточные продукты распада белков: пептон или аминокислоты). Эти вещества потребляют сапрозойные простейшие и бактерии, между ними существует конкуренция за питательные вещества, что отражается на структурных особенностях биоценоза активного ила. В активном иле, как и в природных биоценозах, при наличии в среде двух групп организмов, потребляющих один и тот же субстрат, организмы с большей скоростью роста и с большей способностью потреблять субстрат вытесняют конкурентную группу.
Бактерии по сравнению с сапрозойными простейшими в удовлетворительных условиях имеют несомненные преимущества в борьбе за потребляемый субстрат. Наименьший размер клеток бактерий, большая поверхность соприкосновения с питательными веществами, а также гораздо меньшее время на воспроизводство у большинства бактерий - основные преимущества над простейшими. При наращивании активного ила в первые недели пуска в работу аэротенков, когда питательных веществ еще много, а биомасса бактерий незначительна, сапрозойные простейшие способны развиваться вместе с бактериями, однако в дальнейшем они начинают вытесняться бактериями. В обычных условиях эксплуатации сооружений биологической очистки периодическое повышение численности сапрозойных простейших (например, жгутиконосцев) в биоценозе ила свидетельствует об угнетении звена флокулообразующих бактерий. По мере изъятия из среды растворенных питательных веществ и последующего роста избыточного
количества бактерий создаются условия для появления голозойных микроорганизмов. Голозойный тип - это второй тип гетеротрофного питания, при котором организмы получают пищу (белки, жиры и углеводы), поглощая цитоплазму других организмов. Одними из первых голозойных в биоценозе активного ила появляются мелкие жгутиконосцы рода Bodo.
Саркодовые (амебы) и ресничные (инфузории) активного ила также обладают голозойным типом питания. Инфузории питаются бактериями, детритом, а также простейшими. Среди свободноплавающих инфузорий к хищникам относятся роды Litonotus, Amphileptus. Сосущие инфузории - типичные хищники активного ила. Коловратки питаются бактериями, органическим детритом, а хищные виды - различными простейшими. Черви питаются в основном иловыми частицами, минерализуя активный ил. Среди алощетинковых червей имеется много хищников [4].
Практически любое природное соединение может быть использовано тем или иным видом микроорганизмов в качестве источника питания или энергии. За последние два десятилетия микробиология очистки воды сделала огромный скачок. Преодолен путь от постулирования невозможности разрушения многих веществ с помощью микроорганизмов до экспериментального доказательства микробной трансформации и деструкции разнообразных неприродных, искусственно созданных человеком соединений и крайне стойких, таких как ДДТ, и необыкновенно токсичных, например, диоксина. Это означает, что микробиологически можно очистить любую загрязненную органическими соединениями воду [2].
Разрушение органических веществ может происходить как в анаэробных, так и в аэробных условиях. Очистка сточных вод анаэробным методом, т.е. без доступа кислорода воздуха, производится в метантенках. Процесс может идти при температуре 20-35 0С (мезофильное сбраживание) и 45-55 0С (термофильное сбраживание). В результате распада органических соединений в анаэробных условиях образуются газы СН4, СО2, Н2, N2 и H2S; кроме того, остается какое-то количество жирных кислот, сульфидов, гуминовых веществ и других соединений. При термофильном сбраживании происходит более глубокий распад органических веществ.
Аэробный биохимический распад веществ производится организмами, нуждающимися в свободном кислороде из воздуха или в кислороде, растворенном в воде. Распад веществ может происходить как в естественных условиях (водоемах, окислительных прудах, на полях орошения), так и на искусственных очистных сооружениях (в аэротенках различных систем, аэрофильтрах, биофильтрах). Возможность быстрого удаления загрязнений из сточных вод на искусственных очистных сооружениях обусловливается большим количеством микробов, быстротой их размножения и чрезвычайно высокой активностью.
Одни виды микробов могут вести распад органического вещества до конца, т.е. до образования углекислоты и воды, другие же - только до образования промежуточных продуктов, поэтому при очистке производственных сточных вод
следует пользоваться комплексом организмов, а не отдельной культурой микробов.
Поступившие в клетку микробов питательные вещества подвергаются в ней сложным превращениям и служат как материалом для синтеза различных органических соединений, входящих в состав клетки, так и источником энергии. Процесс усвоения питательных веществ называют ассимиляцией. Одновременно с ассимиляцией в клетке протекают процессы распада веществ, входящих в состав организма - диссимиляция. Продукты диссимиляции выделяются в окружающую среду или же частично вновь используются в обмене веществ.
Синтез органических веществ, рост и размножение микроорганизмов требуют большого расхода энергии, источником которой является энергия, освобождаемая микробами при окислении химических веществ. В тех случаях, когда микробы не до конца окисляют субстрат и не полностью используют содержащуюся в нем энергию, они должны перерабатывать очень большое количество питательных веществ. Установлено, что количество пищи, перерабатываемой бактериальной клеткой за сутки, в 30-40 раз превышает ее вес.
Все необходимые для роста и жизнедеятельности вещества микроорганизмы получают из очищаемой сточной жидкости. Поэтому состав воды, природа веществ (с точки зрения их доступности для микробов) и их концентрация, наличие в жидкости минеральных биогенных элементов (азота, фосфора, калия, железа), а также соответствующие условия среды, т.е. количество растворенного кислорода, pH, температура, имеют очень большое значение при применении для очистки производственных сточных вод биохимического метода.
Многие из веществ, присутствующих в производственных сточных водах, могут нарушать в той или иной степени нормальную жизнедеятельность микробов, ведущих процесс очистки, а в некоторых случаях даже оказывать токсическое действие. Механизм действия разных токсичных соединений неодинаков. Чаще всего он сводится к повреждению каких-либо составных частей клетки. Так, например, фенол и формалин образуют прочные комплексы с белками протоплазмы; производные хлора и перекись водорода инактивируют важные компоненты протоплазмы путем окисления; спирт, эфир, ацетон и другие плазмолитики разрушают липоидную оболочку клетки. Однако обычно ядовитое действие проявляется лишь при высоких концентрациях вещества. Оно значительно ослабляется при разбавлении и может стать настолько незначительным, что при соответствующих условиях среды не будет препятствовать использованию микроорганизмами других соединений, присутствующих в сточных водах, а в отдельных случаях и самих антисептиков. Микробы можно адаптировать (приспособить) к использованию различных химических соединений. Если подвергать их воздействию этих соединений вначале при очень малой концентрации, а затем постепенно увеличивать ее до определенного предела, то микробы способны выдерживать эти вещества, а в отдельных случаях и потреблять их в таких концентрациях, какие первоначально были бы для них гибельными.
Превышение допустимой концентрации токсичного соединения приводит к
гибели микробной клетки. Поэтому при проектировании сооружений для очистки биохимическим методом сточных вод, содержащих токсичные соединения, необходимо предусматривать цеховые аварийные емкости, чтобы предохранить сооружения от поступления залповых сбросов.
Адаптация микробов к различным химическим веществам происходит с неодинаковой скоростью - в одних случаях в течение 1-2 суток, в других - в течение нескольких месяцев.
Постепенным изменением условий среды и основных полезных функций микроорганизмов можно создать такой комплекс организмов, совместная деятельность которых будет обеспечивать разрушение органических соединений, содержащихся в производственных сточных водах. При этом межвидовые взаимоотношения, возникающие в результате совместного культивирования микробов различных видов, имеют очень большое значение.
В одних случаях микробы не мешают друг другу, в других между ними происходит борьба; одни формы вследствие более быстрого размножения вытесняют другие, некоторые же формы изменяют субстрат и делают его малопригодным или совсем непригодным для развития конкурентов. Это наблюдается, например, при совместном присутствии в сточных водах значительных концентраций неокисленных сернистых и органических соединений. При окислении сернистых соединений до сульфатов концентрация водородных ионов снижается до рН = 2-3, что подавляет жизнедеятельность микробов, окисляющих органические соединения, а в отдельных случаях убивает их.
Механизм привыкания микробов к химическим соединениям полностью не расшифрован. На основании многолетних наблюдений за составом микронаселения в биологических окислителях и сопоставления с данными химического анализа удалось выяснить состав микрофауны при различных степенях очистки. Эти организмы получили название показательных, или индикаторных, организмов. Применение биологических индикаторов для оценки работы биохимических очистных сооружений позволяет не только очень быстро получить ответ о состоянии сооружения, но нередко и указать причины, вызывающие нарушение нормальной его работы.
На основании изложенного возможно, по- видимому, сделать следующие выводы:
- при очистке сточных вод, содержащих органические загрязнители, бактерии и более высокоорганизованные формы являются необходимым звеном в процессе очистки;
- при очистке сточных вод, содержащих неокисленные минеральные соединения, основная роль принадлежит бактериям.
Развитие того или иного организма определяют условия окружающей среды. Поэтому по наличию отдельных организмов, присутствующих в большом количестве, можно судить об условиях, вызвавших их развитие. Различные организмы предъявляют различные требования к составу и концентрации органических веществ, содержанию растворенного кислорода и т.п. Одни
организмы развиваются только в среде, содержащей большое количество органических веществ, для других требуется меньшее их количество, но более высокое содержание растворенного кислорода. Одни могут приспосабливаться к изменяющимся условиям среды, другие не выносят резких их колебаний и погибают [1]. Таким образом, меняя те или иные факторы окружающей среды (температура, pH, освещенность, концентрация 02), возможно регулировать численность и активность различных видов микроорганизмов, необходимых для окисления определенных типов загрязнителей.
Список использованной литературы
1. Роговская Ц.И. Биохимический метод очистки производственных сточных вод. М., 1967.
2. Куликов Н.И., Найманов Л.Я., Омельченко Н.П., Чернышев В.Н. Теоретические основы очистки воды. Макеевка: Изд-во «НОУЛИДЖ», Донецкое отделение, 2009.
3. Александрова Л.П., Жданова Н.Я., Коллерова Е.В. Выяснение токсического действия некоторых органических соединении (аминов, хлорзамещенных и др.) на микроорганизмы, ведущие биохимическую очистку сточных вод. Сб. ВНИИ ВодГео «Биохимическая очистка сточных вод предприятий химической промышленности». М.: Госстройиздат, 1962.
4. Жмур Н.С. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками. М.: Изд-во «АКВАРОС», 2003.
ПОЛУЧЕНИЕ ТОПЛИВА ИЗ ОТХОДОВ ПРЕДПРИЯТИЙ РАСТЕНИЕВОДСТВА ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
В РЕГИОНЕ
Ю.Н. Шалимов, профессор, д.т.н., Л.С. Юрьев, к.ф.-м.н., А.В. Руссу, аспирант, Н.С. Кравцов,
Воронежский государственный технический университет, г. Воронеж
М. Лутовац, академик, профессор, д-р, Университет «Унион Никола Тесла» г. Белград, Сербия,
В.Ф. Бабкин, профессор, д.т.н.,
П.Д. Захаров,
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, г. Воронеж,
Последнее десятилетие отмечено резким увеличением площади территорий, используемых в качестве полигона для захоронения различных отходов. Такая тенденция представляет опасность для людей и окружающей среды. В долгосрочной перспективе это приведет к резкому ухудшению экологии,
374
