CC BY
18ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ
ENERGY AND ECOLOGY
ПРОБЛЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ И БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
PROBLEMS OF FACTORY AND DOMESTIC WASTE UTILIZATION
Статья поступила в редакцию 01.06.11. Ред. рег. № 1033 The article has entered in publishing office 01.06.11. Ed. reg. No. 1033
УДК 581.526,3:(602.4:628.1) (28)
РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ДООЧИСТКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ И БЫТОВЫХ СТОКОВ ОТ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
М.Л. Русских, О.А. Арефьева, Л.Н. Ольшанская
Энгельсский технологический институт (филиал) ГОУ ВПО Саратовский государственный технический университет 413100 Энгельс Саратовской обл., пл. Свободы, д. 17 Тел.: 8-(8453)-558084, e-mail: ecos123@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 15.06.11 Заключение совета экспертов: 20.06.11 Принято к публикации: 25.06.11
Исследовалось воздействие ионов некоторых тяжелых металлов на растения ряска малая под влиянием электромагнитного излучения квазивысоких частот. Установлено, что электромагнитное излучение повышает выживаемость растений в среде с тяжелыми металлами, стимулирует их рост и способность клеток поглощать токсиканты. При этом выявлено, что на выживаемость растений и поглотительную способность растительной мембраны влияют параметры излучения. Наибольший эффект обнаружен при воздействии излучения на частотах 60 и 145 ГГц с плотностью потока энергии 120 мкВт/см2. Обнаруженный эффект может быть использован для усиления процессов очистки воды.
Ключевые слова: тяжелые металлы, электромагнитное излучение, сточные воды, проводимость клеточной мембраны, Lemna minor.
DEVELOPMENT OF THE ENERGY SAVING TECHNOLOGY AFTER-TREATMENT OF INDUSTRIAL AND DOMESTIC WASTE WATER FROM HEAVY METAL IONS
M.L. Russkikh, O.A. Arefyeva, L.N. Olshanskaya
Engelssky institute of technology (branch) of the Saratov state technical university 17 Svobody sq., Engels, Saratov reg., 413100, Russia Tel.: 8-(8453)-558084, e-mail: ecos123@mail.ru
Referred: 15.06.11 Expertise: 20.06.11 Accepted: 25.06.11
The influence of heavy metals upon plants Lemna under the action of electromagnetic radiation ENF was studied. It was established that the electromagnetic radiation improves survival of plants in an environment with heavy metals, stimulates their growth and ability of cells to absorb toxicants. The absorption capacity of plant membrane of heavy metals is influenced by the parameters of radiation. The maximum effect was rendered by radiation with frequencies of 60 and 145 GHz and energy flux densities of 120 ^W/cm2, respectively. Absorption observed effect can be used to strengthen the processes of water purification. Keywords: heavy metals, electromagnetic radiation, waste water, the conductivity of the cell membrane, Lemna minor.
Сведения об авторе: зав. кафедрой «Экология и охрана окружающей среды», профессор, д-р хим. наук Энгельсского технологического института.
Основной круг научных интересов: разработка экологосберегающих технологий, способов контроля, очистки и обеззараживания воды, почвы, переработки и утилизации техногенных образований и отходов в товары народного потребления. Публикации: более 250.
Любовь Николаевна Ольшанская
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Сведения об авторе: доцент кафедры «Экология и охрана окружающей среды», канд. биол. наук Энгельсского технологического института..
Основной круг научных интересов: разработка ресурсо- и экологосберегающих технологий очистки вод и получения сельскохозяйственных препаратов. Публикации: 40.
Оксана Анатольевна Арефьева
Сведения об авторе: аспирант - лаборант кафедры «Экология и охрана окружающей среды» Энгельсского технологического института..
Основной круг научных интересов: разработка ресурсосберегающей технологии доочист-ки стоков.
Публикации: 15.
Марина Леонидовна Русских
Введение
Ежегодно в России образуется порядка 60 кубических километров сточных вод, часть которых после очистки сбрасывается в водоемы. Со сточными водами в водоемы поступают десятки тысяч тонн соединений тяжелых металлов (ТМ). Методы очистки стоков от ионов ТМ, используемые на канализационных очистных сооружениях большинства регионов, имеют ряд недостатков, таких как высокая затратность, технологическая емкость, длительное время очистки.
Наиболее эффективными, рациональными и экологичными могут стать способы, основанные на сочетании применения энергии электромагнитных излучений и способности водной растительности аккумулировать токсиканты.
Теоретический анализ
Среди распространенных повсеместно высших водных растений, неприхотливых и обладающих фитосорбцией, выделяют растения ряски малой (Lemna minor). Растения семейства Lemnaceae устойчивы к высоким концентрациям вредных веществ, которые поступают в водоемы со стоками. Благодаря быстрому росту растения ряски поглощают огромное количество вредных веществ, тем самым очищая воду [1]. Необычные свойства этих мелких растений позволяют использовать их для биоремедиации сточных вод.
Известно [2, 3], что при воздействии электромагнитным излучением (ЭМИ) квазивысоких частот (КВЧ) на растительные клетки достигается увеличение ионного тока через катионрегулирующие мембранные системы (К+, Са+2, Na+). Повышение ионного тока через растительные мембраны под воздействием ЭМИ связывают с резонансным действием на слабые водородные связи дипольных молекул воды, с усилением конвекции растворов и ускорением транспорта протонов [4, 5, 6].
Кроме того, исследования последних лет указывают на увеличение средней продолжительности жизни организмов и выживаемость под воздействием электромагнитного поля [7].
Традиционно для очистки сточной воды используют биологические методы, такие как биологические пруды, аэротенки, поля фильтрации, биофильтры. Особо важная роль в процессе очистки воды принадлежит биомассе - активному илу. Рециркуляция активного ила, а также поддержание его жизнедеятельности требует значительных энергозатрат. Заменяя биологическую стадию очистки стоков в теплый период времени года на использование биосорбента (Lemna minor) в сочетании с ЭМИ, можно увеличить эффективность очистки и снизить расход электроэнергии.
Поэтому большой интерес вызывает изучение влияния электромагнитного излучения КВЧ-диапа-зона на процессы сорбции ионов ТМ растениями ряски с целью разработки технологий, усиливающих очистку сточных вод от токсикантов.
Методика эксперимента
Для изучения качества очистки воды от ионов тяжелых металлов растениями ряски малой была создана модельная искусственная система. Растения высаживали в дистиллированную воду, в которую дополнительно вводили соли тяжелых металлов до конечной концентрации ионов металлов 1 г/л.
Высадка растений проводилась из расчета 20 г ряски на литр очищаемой воды, покрытие водной поверхности составляло 100%. Освещение модельных систем проводилось лампами накаливания (3500 Лк) при 12-часовом световом дне.
Для изучения усиления эффектов очистки воды растениями под воздействием электромагнитного излучения КВЧ-диапазона тест-объекты подвергали в течение разного времени воздействию резонансных частот (60 Гц и 145 ГГц). Облучение проводили с помощью генератора Г4-142 и высокочастотной установки, источником излучения в которой являлась лампа обратной волны ЛОВ-87 «А». Плотность потока энергии в месте расположения растений составляла 120 мкВт/см2.
В качестве контроля использовали растворы тяжелых металлов с тест-объектами без воздействия ЭМИ КВЧ.
Определение содержания остаточных концентраций ионов тяжелых металлов в растворе после их сорбции растениями проводили методом инверсионной хроновольтамперометрии (ИХВА) на приборе «Экспертиза-ВА-2Б» на основе анализатора «Эко-тест-ВА» и автозамплера 2D-24 с электродом «3 в 1». Суть метода заключается в регистрации вольтампе-рограмм при одних и тех же параметрах измерения одного анализируемого раствора и анализируемого раствора со стандартной добавкой. Содержание ионов тяжелых металлов в растворе анализируемой пробы рассчитывали по значениям аналитических сигналов вольтамперограмм относительно пиков анализируемого раствора в количестве 20 мл и раствора со стандартной добавкой, которую вводили в количестве 5 мл.
Результаты анализа подтверждали спектрофото-метрически.
Для определения элементного состава клеток отработанной ряски использовался растровый электронный микроскоп Quanta 600. Применялась методика, позволявшая определять элементный состав по измерявшимся значениям потерь энергии электронов при рассеянии. Такие потери обусловлены возбуждением рентгеновского излучения и выбиванием вторичных электронов в области, через которую проходит электронный пучок. Результаты измерений имели характерный вид серии пиков, по расположению которых определялись присутствовавшие в образце химические элементы, а по величине пиков -их относительные массовые концентрации.
Образцы подготавливались следующим образом. Из образцов брались фрагменты не более 5*5 мм.
Эти фрагменты приклеивались к алюминиевому столику углеродным клеем. Затем столик с приклеенным образцом помещался в вакуумную камеру, где методом распыления наносилась углеродная пленка. Измерения проводились вдоль наиболее информативной секущей шлифа при рабочем напряжении 10 кВ. Шаг измерений задавался постоянным 100 мкм. Получаемые для одного измерения данные соответствовали области размером 10*10 мкм на поверхности шлифа. Погрешность определения концентраций (рассчитывавшаяся автоматически) составляла не более 5,5%.
Результаты и обсуждение
Рассматривая изменение концентрации ионов некоторых тяжелых металлов в пробах, мы выявили зависимость изменения их концентрации в растворе от времени облучения и времени пребывания ряски в растворах сточных вод.
Установлено, что без предварительного облучения ионы кадмия в течение первого часа извлекались из растворов с наиболее высокой скоростью. Остаточная концентрация ионов тяжелых металлов в этом случае оказалась самой низкой - 0,164 мг/л. Эти результаты сравнимы с данными, полученными после воздействия электромагнитного излучения в течение 30 мин (рис. 1). При облучении ряски ЭМИ частотой 60 ГГц и длительности воздействия 5 и 10 мин наблюдается резкое уменьшение концентрации остаточных ионов в растворе. Из данных рис. 1 также следует, что концентрация ионов кадмия начала быстро уменьшаться уже через 5 часов после облучения и через сутки кадмий в растворе практически не обнаруживался.
Рис. 1. Зависимость изменения концентрации ионов кадмия в растворе
Fig. 1. Dependence of change in the concentration of cadmium ions in the solution
Таким образом, можно предположить, что в случае экотоксиканта кадмия электромагнитное излучение оказывает щадящее воздействие на ряску. Концентрация токсичных ионов в фитомассе растений не столь высока, как в контрольной пробе. Вместе с тем известно, что кадмий не участвует в биохимических процессах, протекающих в клетке растений, накапливается в межклеточном пространстве или вакуолях и поэтому не оказывает токсического воздействия на ряску.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Результаты анализа остаточных концентраций ионов цинка в растворах (рис. 2) показали, что в отличие от кадмия наибольшее извлечение ионов цинка происходило в пробах с облученной ряской, что свидетельствует о повышении поглотительной способности ряски по отношению к цинку при воздействии электромагнитного излучения.
Из данных, представленных на рис. 2, видно, что ионы цинка быстрее и лучше всего утилизировались после облучения в течение 30 мин.
Из рис. 3 также следует, что на 7 сутки эксперимента для ряски, подвергшейся облучению в течение 15 мин, произошел обратный выброс ионов железа из фитомассы обратно в раствор. Это может свидетельствовать о величине предельного накопления ряской металла и одновременно о положительном воздействии излучения на растение в процессе фито-
т- 2+
ремедиации Ре .
Анализ данных (рис. 4) по извлечению ионов меди из стоков в начальный период времени (до 60 мин) показал, что Си2+ лучше всего извлекались из пробы с необлученной ряской. После выдержки ряски в растворе в течение часа и более в пробах с облучением длительностью 5, 15 и 30 минут наблюдается лучшее извлечение ионов меди, чем в пробе без облучения.
Рис. 2. Зависимость изменения концентрации ионов цинка в растворе
Fig. 2. Dependence of change in the concentration of zinc ions in the solution
Также как и для Cd +, по истечении 24 часов изменение остаточной концентрации металла в растворе практически не наблюдалось, и она в зависимости от длительности облучения составляла 0,01+0,002 мг/л (10 и 30 мин соответственно) и 0,1+0,05 мг/л при длительности облучения 5 и 15 минут.
Ионы железа (рис. 3) лучше всего аккумулировались растительной клеткой, не подвергшейся облучению. В пробах, в которых ряска облучалась, наблюдалось уменьшение скорости извлечения ионов железа. Можно предположить, что на ионы железа, обладающие достаточно высокими электромагнитными свойствами в сравнении с вышеперечисленными металлами, излучение не оказывает существенного влияния.
Рис. 4. Зависимость изменения концентрации ионов меди в растворе
Fig. 4. Dependence of change in the concentration of copper ions in the solution
Таблица 1
Изменение эффективности Э очистки раствора в зависимости от длительности облучения т, мин и времени пребывания ряски t, ч в сульфатных растворах тяжелых металлов (С исх =1 мг/л)
Table 1
Change of efficiency Э cleaning of solution depending on duration of exposure т, min and residence time of duckweed t, h in sulfatic solutions of heavy metals (Cint = 1 mg/l)
Рис. 3. Зависимость изменения концентрации ионов железа в растворе
Fig. 3. Dependence of change in the concentration of iron ions in the solution
Металл т, мин Э, % при t, ч
1 5 24 72 120 168
Cd к 83,6 94,8 97,1 98,0 98,8 99,0
30 81,8 92,0 99,2 99,5 99,7 99,9
Zn к 43,4 51,8 84,0 86,3 89,4 91,7
30 34,7 88,4 90,1 98,2 98,5 99,1
Fe к 26,4 30,5 35,6 47,2 63,0 84,7
30 8,4 50,9 52,8 49,9 46,9 40,3
Cu к 8,5 45,7 62,6 80,5 91,4 97,7
30 10,3 27,3 49,9 51,3 75,5 90,6
Таким образом, наши результаты подтверждают данные об активации Са2+-активируемых К+-каналов растительных клеток после однократного облучения ЭМИ КВЧ-диапазона. Наилучший результат очистки сточной воды от всех исследуемых токсикантов наблюдался на седьмые сутки при облучении растений в воде в течение 30 мин (табл. 1) при 60 Ггц, что согласуется с результатами других авторов. По эффективности извлечения ионов тяжелых металлов ряской прослеживается следующая зависимость: Cd > Си > 2п > Бе. Эти данные не противоречат результатам работы [8].
Необходимо отметить, что рабочая концентрация (1 г/л) значительно превышает ПДК для культурно-бытовых водоемов для железа (0,3 мг/л), цинка (1 мг/л), кадмия (0,001 мг/л) и меди (1 мг/л) [9].
Учитывая скорость очистки воды растениями ряски, можно заключить, что с использованием энергии электромагнитного излучения время доочистки сокращается с 10 до 2 часов до соответствия нормативам СанПиН, предъявляемым к культурно-бытовым водоемам.
Кроме раствора через 5 суток с начала эксперимента было также проанализировано содержание указанных ТМ в растительной ткани. Для анализа отбирались листецы ряски, выросшие в растворах, содержащих ионы тяжелых металлов (табл. 2, рис. 5).
Несмотря на то, что растения находились на субстрате, в котором содержание меди, цинка, железа и кадмия в 1, 1, 3, 1000 раз, соответственно, превыша-
ло установленные ПДК для воды данных металлов, растения в зеленой массе накопили данные элементы в незначительном количестве. В целом содержание тяжелых металлов в листьях не превышало установленных ПДК для кормов сельскохозяйственных животных. Поэтому отработанные растения ряски могут быть использованы в качестве удобрения в сельском хозяйстве, для производства ветеринарных препаратов и бумаги.
Таблица 2
Содержание элементов в листецах ряски, мг/кг а.с .б.
Table 2
Content of elements in fronds of duckweed, mg-kg-1 (absolutely dry weight)
Определяемый элемент Концентрация в растительной ткани ПДК для кормов животных
Zn 0,13±0,02 50,0
Сd 0,01±0,002 0,3
Си 0,61±0,02 10,0
Fe 0,01±0,002 0,1
Таким образом, разрабатываемая технология позволит решить основные проблемы экологии - очистки сточных вод с минимальными затратами, быстроты утилизации отходов.
Рис. 5. Элементный состав растительной ткани Lemna minor Fig. 5. Lemna minor tissue elemental composition
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 6 (98) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Заключение
Установлено, что наибольшее воздействие излучения на растительные клетки происходит на частотах 60 и 145 Ггц при плотности потока энергии 120 мкВт/см2. По эффективности извлечения независимо от длительности облучения и времени выдержки ряски в растворах ионы тяжелых металлов располагаются в ряд: Cd > Си > 2п > Бе. Установлено, что ЭМИ оказывает различное воздействие на поглотительную способность растительной клетки по извлечению Cd2+, Бе2+, Си2+ и 2п2+. При этом скорость проникновения Cd2+ через мембрану уменьшается, а скорость проникновения ^2+ увеличивается.
Показано, что длительность облучения ряски оказала влияние на извлечение ионов 2п2+. Наилучший эффект достигался при времени облучения 30 минут. В случае аккумуляции Бе2+ наибольшая скорость достигалась в первые часы нахождения растений в растворе при времени облучения ряски 30 мин. При воздействии ЭМИ в течение 15 мин растение проявило слабо аккумулирующие свойства, и уже на 7 сутки эксперимента наблюдался обратный выброс ионов в раствор.
Установлена возможность усиления процесса фи-торемедиации вод ряской малой под воздействием ЭМИ КВЧ от тяжелых металлов. При этом в вегетативной массе ряски, выращенной на загрязненном субстрате в течение 5 суток, не происходит значительного накопления данных элементов, несмотря на то, что происходит значительное снижение концентрации ТМ в растворе.
Эффективность очистки предлагаемым способом увеличивается на 80% по сравнению с традиционными методами.
Полученные данные позволяют предложить схему опытно-лабораторной установки биологического реактора для очистки и доочистки сточной воды.
Исследование выполнено в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 14.740.12.0865 по обобщенной теме «Исследование новых конструкционных и функциональных материалов и технологий их обработки») на оборудовании Центра коллективного пользования «Диагностика структуры и свойств наноматериа-лов» НИУ «БелГУ».
Список литературы
1. Mkandawire M., Taubert B., Dudel G. Resource manipulation in uranium and arsenic attenuation by Lemna gibba I. (duckweed) in tailing water or a former uranium mine // Water, Air, and Soil Pollution. 2005. Vol. 166. P. 83-101.
2. Зотова Е.А. Влияние комбинированного воздействия электромагнитного излучения и химических реагентов на биологические системы: Автореф. дисс...канд. биол. наук. Саратов, 2007.
3. Кулешова М.Л., Арефьева О.А., Ольшанская Л.Н. Оценка влияния электромагнитного излучения КВЧ-диапазона на аккумуляцию меди ряской Lemna m // Татищевские чтения: Актуальные проблемы науки и практики: материалы 7 Международной научно-практической конференции, г. Тольятти 15-18 апр. 2010 г. С. 8-11.
4. Fesenko E.E., Geletyuk V.I., Kazachenko V.N., Chemeris N.K. Changes in the state of water, induced by radiofrequency electromagnetic fields // FEBS Letters. 1995. No. 1. P. 49-52.
5. Кожокару А.Ф. Исследование действия низкоинтенсивного ЭМИ радиочастотного диапазона на водные среды и биологические объекты // Современные наукоемкие технологии. 2010. № 10. С. 13-18.
6. Бецкий О.В. Миллиметровые волны и живые системы. М.: Сайнс-пресс, 2004.
7. Чемерис Н.К., Гапеев А.Б., Фесенко Е.Е. Некоторые физико-химические механизмы действия электромагнитного излучения КВЧ на клетки животных // Электромагнитные поля и здоровье человека. 1999. № 1. С. 45-46.
8. Samkaram U.K., Philip S. Heavy metal uptake and accumulation by Thypha angustifolia from weltlands around thermal poweer station // Int. J. Ecol. and Environ. Sci. 1990. No. 16. Р. 133-144.
9. Беспамятнов Г.П., Кротов Ю.А. Предельно допустимые концентрации химических веществ в окружающей среде: Справочник. Л.: Химия, 1985.
