CC BY
0
УДК 504.064:658.567.5
DOI: 10.24412/1728-323X-2024-3-22-26
РЕАКЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ КУЛЬТУР НА ТОКСИЧНОСТЬ ОТХОДОВ ПОСЛЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ ОТХОДОВ ПРИ ОЧИСТКЕ ВАНН КАРБОНИТРАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
А. А. Моисеева, старший преподаватель кафедры безопасности жизнедеятельности, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет», moiseiang@yandex.ru, г. Оренбург Россия
Аннотация. В работе автором проведены исследования токсичности отходов после термического обезвреживания отходов при очистке ванн карбонитрации металлических поверхностей с применением методик биологического тестирования (тест-культуры — Daphnia magna и Scenedesmus quadrcauda). Проанализированы результаты снижения токсикологических свойств отходов после термического воздействия на них. При использовании тест-организмов Daphnia magna выявлено, что термическое обезвреживание приводит к снижению токсичности, так динамика относительной величины живых особей увеличилась с 0 до 23 % (нативный экстракт), а показатель при концентрации 1: 100 изменился с 6,6 до 100 %. Аналогичная ситуация по снижению относительной величины отклонения от контрольной пробы до и после термической обработки зафиксирована и при исследованиях с Scenedesmus quadrcauda. Так, при исследованиях с нативным экстрактом снижение составило 19,04 %, с показателя 78,4 до 59,36 %, а при разведении 1:100 — 33,9 %, показатель снизился с 59,3 до 25,4 %.
Abstract. In the paper, the author conducted the studies of the toxicity of waste after its thermal neutralization when cleaning carbonitration baths of metal surfaces using biological testing methods (test cultures — Daphnia magna and Scenedesmus quadrcauda). The results of reducing the toxicological properties of waste after thermal exposure to it are analyzed. When using Daphnia magna test organisms, it was revealed that thermal neutralization leads to a decrease in toxicity, so the dynamics of the relative size of living individuals increased from 0 to 23 % (native extract), and the same indicator at a concentration of 1:100 changed from 6.6 % up to 100 %. A similar situation with a decrease in the relative value of the deviation from the control sample before and after heat treatment was recorded in the studies with Scenedesmus quadrcauda. Thus, in the studies with the native extract, the decrease was 19.04 % from 78.4 to 59.36 %, and at the dilution of 1:100 — 33.9 %, the figure decreased from 59.3 to 25.4 %.
Ключевые слова: отходы, биологическое тестирование, термическое обезвреживание, Daphnia magna, Scenedesmus quadrcauda.
Keywords: waste, biological testing, thermal neutralization, Daphnia magna, Scenedesmus quadrcauda.
Введение
В машиностроительной отрасли при производстве изделий из металла важным моментом является оптимальное сочетание технических характеристик производимых изделий и экономической целесообразностью применения той или иной технологии обработки. Для увеличения усталостной прочности, износостойкости, долговечности инструмента, деталей машин применяют химико-термическую технологию, благодаря которой упрочняется поверхностный слой металла.
Самыми распространенными способами химико-термической обработки металлов являются: азотирование, цементация, карбонитрация, цианирование. При выборе способа химико-термической обработки металла необходимо учитывать длительность, трудоемкость и энергоемкость процесса, также немаловажным аспектом является экологичность процесса, которая обеспечивается минимальным воздействием на объекты окружающей среды.
Среди используемых способов химико-термического упрочнения поверхностного слоя металлов наиболее приемлемым считается процесс жидкостной карбонитрации, при котором обеспе-
чивается насыщение металла азотом и углеродом при температуре 540—600 °С. Данная технология повышает усталостную прочность и износостойкость металлических деталей, подвергаемых наибольшей нагрузке. Также необходимо отметить, что скорость процесса химико-термической обработки в жидкой среде протекает значительно быстрее, чем при других способах (газовый нагрев, электронагрев), так как процесс насыщения поверхности металлов азотом и углеродом начинается сразу после погружения деталей в расплав солей [1].
Технология карбонитрации широко применяется на металлообрабатывающих предприятиях для достижения упрочняющих свойств поверхности деталей и состоит из таких стадий как:
— диссоциация — запускает механизм активации реагентов для дальнейшего взаимодействия с металлами;
— адсорбция — возникновение химических связей между поверхностью металлов и реагентами, что приводит к появлению защитного слоя;
— диффузия — проникновение молекул реагентов в металлическую структуру обрабатываемых деталей, способствующее изменению химического состава металла.
В качестве исходных компонентов ванн кар-бонитрации являются цианат (ККСО) и карбонат калия (К2СО3), в результате данной технологии образуется отход III класса опасно [2—4]. В настоящее время в доступных источниках отсутствует информация об оптимальных процессах утилизации или обезвреживания данных отходов, не исследованы безопасные методы дальнейшего обращения с ними. Поэтому целью данной работы является определение реакция биологических культур на токсичность отходов после термического обезвреживания отходов при очистке ванн карбонитрации металлических поверхностей с применением Daphnia magna и Scene-desmus quadrcauda.
1. Материалы и методы
Обезвреживание отходов при очистке ванн карбонитрации металлических поверхностей термическим методом было выполнено с применением промышленной установки УЗГ 1-М при температуре 700—800 °С длительность процесса обезвреживания составила 1 ч.
В результате термического обезвреживания был получен отход порошкообразной консистенции — отход после термического обезвреживания отходов при очистке ванн карбонитрации металлических поверхностей, опасные свойства которого и были идентифицированы в данной работе.
Для определения острой токсичности отходов и установления их классов опасности экспериментальным методом рекомендовано проводить биологическое тестирования с применением таких тест-объектов, как Daphnia magna и Scene-desmus quadrcauda.
Преимущества биологических методов тестирования заключаются в том, что они способны выявлять наличие токсикантов, обладающих мутагенным, генотоксическим и цитотоксическим эффектами, что не всегда доступно при химическом и физико-химическом методах. Также, при биологическом тестировании используется недорогостоящее лабораторное оборудование, что в совокупности с результативностью метода дает положительный момент при выборе метода тестирования. Немаловажным фактором является и время, в течении которого осуществляется эксперимент. То есть за короткий промежуток времени в лабораторных условиях с минимальными затратами удается получить наиболее точный результат о наличии токсичных свойств отходов [5]. Поэтому автором исследования был выбран метод биологического тестирования с применением Daphnia magna и Scenedesmus quadrcauda [6—8].
2. Результаты и их обсуждения
Исследования проводились согласно утвержденным методикам [9, 10]. Так как исследуемый образец представлен в твердой, сыпучей форме, то был применен метод экстрагирования, а в качестве экстрагента — дистиллированная вода (рН 7—7,5), соотношения твердой и жидкой фазы составило 1:10. Далее полученный раствор был тщательно перемешан, отстаивался в течение 12 ч и был профильтрован через фильтр «Белая лента». Полученный экстракт с твердого образца отхода и был исследован на токсичность.
Необходимо отметить, что высокий уровень рН и жесткость могут маскировать токсичность образца, поэтому рН водной вытяжки д олжен находиться в диапазоне 7,0—8,5, так как при таких оптимальных значениях происходит полная идентификация токсичности исследуемого образца отхода. В случае выхода показателя рН за границы оптимального диапазона, необходимо провести нейтрализацию водной вытяжки, при этом исследования необходимо провести как до, так и после нейтрализации с пометкой об этом в протоколе исследования. Температура пробы водной вытяжки должна находиться в интервале от + 18 до +25 °С [9].
В исследованиях уровень рН вытяжки до анализа составил 7,9, после анализа — 8,0 с применением тест-объекта Daphnia magna и 7,9 с использованием Scenedesmus quadrcauda, соответственно проведение процесса нейтрализации экстракта не потребовалось.
Эксперимент с применением Daphnia magna был проведен в трехкратных повторностях контрольной пробы и в следующих концентрациях раствора экстракта отхода: без разбавления; 1:100; 1: 1000; 1: 10 000. Используемая культура в опыте была синхронизирована в третьем поколении, таким образом, было соблюдено условие применения идентичных по своему происхождению мелких ракообразных. Исходное количество Daphnia magna в каждой пробе составило 10 шт.
При исследованиях с Scenedesmus quadrcauda экстракт отхода и его разведения были приготовлен так же, как и при эксперименте с Daph-nia magna. В приготовленные колбы с экстрактом отхода вносилась водорослевая суспензия объемом по 1 см3, при этом первоначальная численность клеток в каждом сосуде составляла по 30 тыс. кл./см3. Длительность эксперимента составила 72 ч при температуре 23 °С, в течение всего периода происходило периодическое встряхивание образцов для поддержания водорослей во взвешенном состоянии и для улучшения газообменного процесса. По истечении времени
эксперимента был произведен подсчет клеток водорослей в каждом опытном образце.
Результаты подсчеты живых особей Daphnia magna и количества клеток Scenedesmus quadr-cauda после эксперимента приведены в таблицах 1, 2.
При использовании тест-организмов Daphnia magna выявлено, что при термическом обезвреживании образца отхода наблюдаются существенные изменения его токсичных свойств. Так, при исследованиях водной вытяжки без разведения динамика относительной величины живых особей увеличилась с 0 до 23 %, а тот же показатель при концентрации 1:100 изменился с 6,6 до 100 % (рис. 1).
Все это свидетельствует, что термическое обезвреживание влияет на уменьшение токсичных свойств. Вероятнее всего, при высоком температурном режиме происходит нейтрализация токсичных веществ [11].
Аналогичная ситуация по снижению относительной величины отклонения от контрольной пробы до и после термической обработки зафиксирована и при исследованиях с Scenedesmus quadrcauda (рис. 2). Так, при исследованиях с на-тивным экстрактом снижение составило 19,04 %, с показателя 78,4 до 59,36 %, а при разведении 1:100 — 33,9 %, показатель снизился с 59,3 до 25,4 %.
Обобщенные результаты исследования токсичности образца после его термической обработки с применением Scenedesmus quadrcauda и Daphnia magna представлены в таблице 3.
Таблица 1
Результаты подсчета живых Daphnia magna после эксперимента
Кратность разведения водной вытяжки Исходное количество, шт. 1-я параллель, шт. 2-я параллель, шт. 3-я параллель, шт. Среднее значение, шт.
Контрольная проба 10 10 10 10 10
1 10 2 3 2 2,3
1:100 10 10 10 10 10
1:1000 10 10 10 10 10
1:10 000 10 10 10 10 10
Таблица 2
Результаты подсчета клеток Scenedesmus quadrcauda после эксперимента
Кратность разведения водной вытяжки Исходное количество, тыс. кл./см3 1-я параллель, 3 тыс. кл. см3 2-я параллель, тыс. кл. см3 Среднее значение, тыс. кл. см3
Контрольная проба 30 478 498 488
1 30 194 200 197
1:100 30 360 368 364
1:1000 30 417 407 412
1:10 000 30 439 451 445
6,61:100 1:1000 Концентрация разведения
---— \ /\ 100
/ 93,3
23
1:10000
- До 'термического обезвреживания После термического обезвреживания
Рис. 1. Зависимость живых тест-организмов (Daphnia magna) от концентрации разведения водной вытяжки до и после термического обезвреживания образца отхода
1:100 1:1000 Концентрация разведения
1:10000
Рис. 2. Зависимость отклонения от контроля количества
клеток тест-объекта (Scenedesmus quadrcauda) при различных концентрациях разведения водной вытяжки до и после термического обезвреживания образца отхода
Таблица 3
Результаты исследования образца на токсичность
Тест-объект
Кратность разведения водной вытяжки Scenedesmus quadrcauda Daphnia magna
Отклонение Острое токсическое Гибель тест Острое токсическое
от контроля, % действие культуры, % действие
1 59,6 Оказывает 77 Оказывает
1:100 25,4 Не оказывает 0 Не оказывает
1:1000 15,6 Не оказывает 0 Не оказывает
1:10 000 8,8 Не оказывает 0 Не оказывает
Анализируя данные таблицы 3, выявлено, что обе тест-культуры прореагировали одинаково при исследованиях с нативным экстрактом отхода после его термического обезвреживания, так с исследованиями Scenedesmus quadrcauda отклонение от контроля составило 59,6 %, а при эксперименте с Daphnia magna зафиксирована гибель 77 % тест-культур, т. е. оба объекта показали, что нативный раствор оказывает токсическое действие на биологические культуры. При дальнейших разведениях экстракта (1:100, 1:1000, 1:10 000) с применением Daphnia magna гибель тест-культур не зарегистрирована, т. е. острое токсическое действие отсутствует. При использовании Scenedesmus quadrcauda отклонение от контроля при разведении 1:100 составило 25,4, т. е. уже при данном разведении также не наблюдается острое токсическое действие.
Таким образом, отход после термического обезвреживания отходов при очистке ванн карбонитрации металлических поверхностей отно-
сится к IV классу опасности для окружающей природной среды. При использовании метода термического обезвреживания произошло снижение класса опасности с третьего до четвертого. Также необходимо отметить, что термическое обезвреживание способствует снижению объема образовавшихся отходов после процесса карбонитрации.
Очевидно, что необходимо увеличивать потенциал и наращивать объемы в области утилизации и обезвреживания отходов, потому что только таким способом можно снизить нагрузки на объекты размещения отходов и тем самым уменьшить антропогенное воздействие на окружающую природную среду. Существенно важным моментом является и то, что применяемые процессы по обезвреживанию отходов могли бы полностью нейтрализовать их опасные свойства. Однако необходимо понимать, каким способом проводить обезвреживание и всегда ли при данном процессе нейтрализуются токсичность отходов.
Библиографический список
1. Цих С. Г. Современные технологии химико-термической обработки в машиностроении / С. Г. Цих, В. Н. Лисицкий, Ю. А. Глебова // Современные технологии химико-термической обработки в машиностроении. — 2010. — № 1. — С. 66—70.
2. Toxicological evaluation of the waste of carbonitration process at the machine building enterprise / V. F. Kuksanov, O. V. Chek-mareva, A. A. Moiseeva, S. V. Shabanova // Journal of Physics: Conference Series, 2019. — Vol. 1353, Iss. 1: Proceedings of the International Conference on High-Tech and Innovations in Research and Manufacturing, HIRM 2019, 6 May 2019; Krasnoyarsk, Russian Federation. — 6 p.
3. Моисеева А. А. Определение фитотоксичности отходов карбонитрации металлических поверхностей элюатным методом / А. А. Моисеева, В. Ф. Куксанов, О. В. Чекмарева // Экология промышленного производства. — 2020. — № 2 (110). — С. 11—15.
4. Моисеева А. А. Оценка контактным методом фитотестирования токсичности отходов от технологии карбонитрации деталей с последующим оксидированием / А. А. Моисеева, В. Ф. Куксанов, О. В. Чекмарева // Экономика строительства и природопользования. — 2020. — № 2 (75). — С. 116—124.
5. Журавлева Н. В. Комплексная оценка токсичности отходов горной промышленности с использованием химических, физико-химических и биологических методов / Н. В. Журавлева, З. Р. Исмагилов, О. В. Иваныкина // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2014. — № 7. — С. 352—361.
6. Степанова Н. Ю. Сравнение чувствительности тестобъектов при токсикологической оценке донных отложений, загрязненных нефтью разного происхождения / Н. Ю. Степанова, А. Д. Ахметшина, В. З. Латыпова // Поволжский экологический журнал. — 2012. — № 3. — С. 319—325.
7. Chial B., Persoone G. Cyst-based toxicity tests XIII — Development of a short chronic sediment toxicity test with the ostracod crustacean Heterocypris incongruens: methodology and precision // Environmental Toxicology. — 2002 b. — Vol. 17. — № 6. — P. 528—532.
8. ISO 6341:2012. Preview Water quality — Determination of the inhibition of the mobility of Daphnia magna Straus (Cladocera, Crustacea). — Acute toxicity test. — 2012. — 22 p.
9. ФР.1.39.2007.03223 Биологические методы контроля. Методика определения токсичности вод, водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов по изменению уровня флуоресценции хлорофилла и численности клеток водорослей. — М.: Акварос.
10. ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.12—06, Т 16.1:2:2.2:2.3:3.9—06 2021. Токсикологические методы контроля. Методика измерений количества Daphnia magna Straus для определения токсичности питьевых, пресных природных и сточных вод, водных вытяжек из грунтов, почв, осадков сточных вод, отходов производства и потребления методом прямого счета (Москва).
11. Курынцева П. А. Изменение токсикологических характеристик пироугля из куриного помета в процессе химической модификации / П. А. Курынцева, И. Б. Выборнова, П. Ю. Галицкая, С. Ю. Селивановская // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. — 2019. — Т. 161, кн. 1. — С. 77—92. doi: 10.26907/2542-064X.2019.1.77-92.
THE REACTION OF BIOLOGICAL CULTURES TO THE TOXICITY OF WASTE AFTER THERMAL NEUTRALIZATION OF WASTE DURING THE CLEANING OF CARBONITRATION BATHS OF METAL SURFACES
A. A. Moiseeva, Senior Lecturer of the Department of Life Safety, Orenburg State University, moiseiang@yandex.ru, Russian Federation, Orenburg
References
1. Cih S. G. Sovremennye tekhnologii himiko-termicheskoj obrabotki v mashinostroenii [Modern technologies of chemical-thermal treatment in mechanical engineering]. S. G. Cih, V. N. Lisickij, Yu. A. Glebova. Sovremennye tekhnologii himiko-termicheskoj obrabotki v mashinostroenii. 2010. No. 1. P. 66—70 [in Russian].
2. Toxicological evaluation of the waste of carbonitration process at the machine building enterprise. V. F. Kuksanov, O. V. Chek-mareva, A. A. Moiseeva, S. V. Shabanova. Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1353, Iss. 1: Proceedings of the International Conference on High-Tech and Innovations in Research and Manufacturing, HIRM 2019, 6May 2019; Krasnoyarsk, Russian Federation. 6 p. [in Russian].
3. Moiseeva A. A. Opredelenie fitotoksichnosti otxodov karbonitracii metallicheskix poverxnostej e'lyuatny'm metodom. A. A. Moiseeva, V. F. Kuksanov, O. V. Chekmareva. Ekologiya promy'shlennogo proizvodstva. 2020. No. 2 (110). P. 11—15. [in Russian].
4. Moiseeva A. A. Ocenka kontaktny'm metodom fitotestirovaniya toksichnosti otxodov ot texnologii karbonitracii detalej s pos-leduyushhim oksidirovaniem. A. A. Moiseeva, V. F. Kuksanov, O. V. Chekmareva. Ekonomika stroitel'stva iprirodopol'zovani-ya. 2020. No. 2 (75). P. 116—124 [in Russian].
5. Zhuravleva N. V. Kompleksnaya ocenka toksichnosti otxodov gornoj promy'shlennosti s ispol'zovaniem ximicheskix, fiziko-ximicheskix i biologicheskix metodov. N. V. Zhuravleva, Z. R. Ismagilov, O. V. Ivany'kina. Gornyj informacionno-analit-icheskij byulleten'. 2014. No. 7. P. 352—361 [in Russian].
6. Stepanova N. Yu. Sravnenie chuvstvitel'nosti testob''ektov pri toksikologicheskoj ocenke donny'x otlozhenij, zagryaznen-ny'x neft'yu raznogo proisxozhdeniya. N. Yu. Stepanova, A. D. Axmetshina, V. Z. Laty'pova. Povolzhskij ekol. zhurn. 2012. No. 3. P. 319—325 [in Russian].
7. Chial B., Persoone G. Cyst-based toxicity tests XIII — Development of a short chronic sediment toxicity test with the ostracod crustacean Heterocypris incongruens: methodology and precision. Environmental Toxicology. 2002 b. Vol. 17. No. 6. P. 528—532.
8. ISO 6341:2012. Preview Water quality — Determination of the inhibition of the mobility of Daphnia magna Straus (Cladocera, Crustacea) — Acute toxicity test. 2012. 22 p.
9. FR. 1.39.2007.03223 Biologicheskie metody' kontrolya. Metodika opredeleniya toksichnosti vod, vodny'x vy'tyazhek iz pochv, osadkov stochny'x vod i otxodov po izmeneniyu urovnya fluorescencii xlorofilla i chislennosti kletok vodoroslej (Moskva: "AKVAROS") [in Russian].
10. PND F T 14.1:2:3:4.12—06, T 16.1:2:2.2:2.3:3.9—06 2021 Toksikologicheskie metody' kontrolya. Metodika izmerenij koli-chestva Daphnia magna Straus dlya opredeleniya toksichnosti pit'evy'x, presny'x prirodny'x i stochny'x vod, vodny'x vy'tyazhek iz gruntov, pochv, osadkov stochny'x vod, otxodov proizvodstva i potrebleniya metodom pryamogo scheta (Moskva) [in Russian].
11. Kury'ntseva P. A. Izmenenie toksikologicheskix xarakteristik pirouglya iz kurinogo pometa v processe ximicheskoj modi-fikacii. P. A. Kury'ntseva, I. B. Vy'bornova, P. Yu. Galiczkaya, S. Yu. Selivanovskaya. Uchen. zap. Kazan. un-ta. Ser. Estestv. nauki. 2019. Vol. 161, Issue 1. P. 77—92. doi: 10.26907/2542-064X.2019.1.77-92 [in Russian].
