Исследование возможности использования микроорганизмов для очистки сточных вод от органических загрязнителей
Подождите немного. Документ загружается.
Введение
Антропогенное воздействие на природную среду приводит к нарушению
экологического равновесия экосистем, так как скорость накопления
загрязняющих веществ превышает процессы их деструкции при самоочищении
природных объектов. Реальную опасность представляет появление в сточных
водах стойких синтетических органических соединений, обладающих
токсичным действием. Среди этой многочисленной группы значительную часть
занимают фенол и его галогенированные производные. Отмечено, что
изменения биологических систем в зонах, подвергнутых действию упомянутых
веществ, происходят постепенно и имеют необратимый характер.
Органические соединения входят в категорию продуктов, производимых в
больших количествах для нужд сельского хозяйства, химической,
деревообрабатывающей, лакокрасочной промышленности, целлюлозно-
бумажного производства, нефтеперерабатывающей и коксохимической
отраслей. Таким образом, они постоянно поступают в окружающую среду,
возвращаясь в реки в виде сточных вод.
Основная роль в деградации хлорированных производных принадлежит
микроорганизмам - деструкторам способным утилизировать трудноразлагаемые
вещества, что обеспечивается наличием в них специфических ферментных
систем. Поиск и исследования свойств микроорганизмов, утилизирующих
синтетические соединения, в настоящее время привлекают все большее
внимание так как биологическая очистка в является наиболее эффективным, и
экологически безопасным методом. В связи с этим особую актуальность
приобретают исследования, посвященные изучению природных сообществ
микроорганизмов и определению их роли в конверсии органических
соединений. В связи с этим рассмотрение данной темы является актуальным.
Экономический аспект. Использование биологических технологий
представляется наиболее перспективным. Скорость и эффективность процессов
конверсии опасных веществ определяется свойствами и активностью
микроорганизмов-деструкторов. По оценкам специалистов микробиологический
способ примерно в 50 раз дешевле стандартных методов. Использование
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
5
3835.000130.000 ПЗ
микроорганизмов позволяет решить проблему вторичных загрязнений, т.к.
разрушение ксенобиотиков можно провести без накопления вредных или
токсичных веществ. Кроме этого, с использованием специальных штаммов
возможно осуществить обезвреживание.
Экологический аспект рассматривает проблемы загрязнения окружающей
среды. В последние годы существенно обострились проблемы, связанные с
загрязнениями поверхностных вод. Сброс неочищенных или плохо очищенных
сточных вод в различные водоемы может привести к исчезновению всякой
жизни в воде. Использование микроорганизмов для очистки сточных вод
является наиболее простым и часто применяемым методом, позволяя с
помощью микроорганизмов превращать органические загрязнения в безвредные
продукты окисления.
Этический аспект рассматривает сохранение природных ресурсов, а
именно поверхностных вод в естественном виде. Недостаточно очищенные
сточные воды - основные источники загрязнения и засорения поверхностных
вод. Загрязняющие вещества, попадая в природные водоемы, приводят к
качественным изменениям воды, которые в основном проявляются в изменении
физических свойств, и в изменении химического состава воды, в частности,
появление в ней вредных веществ. Заболевания, связанные с водой – это любые
существенные и широко распространенные отрицательные последствия для
здоровья человека (такие как смерть, инвалидность, болезнь или расстройство),
непосредственным или опосредованным образом вызванные изменениями в
качестве любых вод.
Социально-политический аспект заключается в решении проблемы
охраны природных вод в масштабах всего человечества при наличии разных
социальных систем. Рассматривает рост загрязненных органическими
соединениями сточных вод, причиной которого является интенсивное развитие
промышленности и увеличение потребностей человечества. Важнейшей задачей
государства является обеспечение санитарно – гигиенического и экологического
благополучия населения.
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
6
3835.000130.000 ПЗ
Концепция устойчивого развития. Экологические проблемы, такие как
изменение климата в результате выброса парниковых газов, недостаток пресной
воды и ее загрязнение, исчезновение лесов и опустынивание, сокращение
биоразнообразия, рост численности населения (и его перемещение),
необходимость удаления отходов, загрязнение воздуха, деградация почв и
экосистем, химическое загрязнение, истощение озонового слоя, урбанизация,
истощение природных ресурсов, нарушение биогеохимических циклов и т.д.
могут, если будет продолжаться стихийное развитие цивилизации, привести к
гибели человечества и биосферы. Для устойчивого развития необходима
целостность между природой и обществом, которая может также с легкостью
нарушится в связи с увеличением объема органических выбросов в
поверхностные и сточные воды.
Цель работы исследование способностей микроорганизмов к конверсии
органических загрязнителей в сточных водах.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
- рассмотреть современное состояние проблемы загрязнения сточных вод
органическими загрязнителями;
- охарактеризовать приоритетные органические соединения, поступающих в
сточные воды промышленных предприятий;
- оценить способности микроорганизмов к конверсии органических
загрязнителей;
- проанализировать биологический метод очистки сточных вод от органических
соединений;
- исследовать механизм биодеградации углеводородных загрязнителей, фенола
и его производных;
- рассмотреть оборудования для практического применения микроорганизмов;
- проанализировать нормативно-правовые документы в области рационального
природопользования водными ресурсами;
- исследовать процесс деградации хлорированных соединений ароматического
ряда с помощью микроорганизмов в водной среде.
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
7
3835.000130.000 ПЗ
1. Исследование возможности использования микроорганизмов для
очистки сточных вод от органических загрязнителей
Проблема очистки сточных вод промышленных и сельскохозяйственных
предприятий носит многоплановый характер. Это, в первую очередь, комплекс
мер, направленных на очистку воды до состояния, в котором она может быть
направлена в замкнутый цикл данного предприятия. Во - вторых, снижение
концентрации вредных примесей до норм, предусмотренных предельно
допустимой концентрацией для сброса сточных вод в хозяйственные водоемы.
Помимо классических стандартных методов очистки сточных вод, в
настоящее время во всем мире проводятся работы по применению различных
микроорганизмов, микробной биомассы, активного ила очистных сооружений и
других биосорбентов.
Очистка<сточных вод микроорганизмами подразумевает практически
полное биологическое разложение органических соединений в воде. По
существующим нормам, содержание органических веществ в очищенной воде
не должно превышать 10 мг/л. [1]
Технология использования микроорганизмов для очистки сточных вод от
органических соединений универсальна, так как позволяет удалять любые
органические вещества, используемые человеком в быту и в промышленности,
экологически чиста, так как не использует какие либо химические вещества,
проста в эксплуатации. Для глубокой очистки применяется ступенчатая
технология, на основе комплексного использования прикреплённых (биоплёнки)
и взвешенных (активного ила) культур микроорганизмов. Указанная технология
в большинстве случаев позволяет без дополнительного строительства, только за
счет реконструкции повысить производительность очистных сооружений до 1,5
раз или повысить эффективность очистки сточных вод до требований для
рыбохозяйственных водоёмов. [27]
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
8
3835.000130.000 ПЗ
1.1 Современное состояние проблемы очистки сточных вод
Сточные воды - воды, загрязнённые бытовыми отбросами и
производственными отходами и удаляемые с территорий населённых мест и
промышленных предприятий системами канализации. К сточным водам относят
также воды, образующиеся в результате выпадения атмосферных осадков в
пределах территорий населённых пунктов и промышленных объектов.
Недостаточно очищенные сточные воды - основные источники загрязнения
и засорения поверхностных вод. Загрязняющие вещества, попадая в природные
водоемы, приводят к качественным изменениям воды, которые в основном
проявляются в изменении физических свойств, и в изменении химического
состава воды, в частности, появление в ней вредных веществ.
В зависимости от происхождения, состава и качественных характеристик
загрязнений (примесей) сточные воды подразделяются на 3 основных
категории: бытовые (хозяйственно-фекальные), производственные
(промышленные) и атмосферные. Бытовые сточные воды загрязнены в
основном физиологическими отбросами и хозяйственно-бытовыми отходами.
Производственными сточными водами являются воды, использованные в
различных технологических процессах (например, для промывки сырья и
готовой продукции, охлаждения тепловых агрегатов и т.п.), а также воды,
откачиваемые на поверхность земли при добыче полезных ископаемых.
Производственные сточные воды ряда отраслей промышленности загрязнены
главным образом отходами производства, в которых могут находиться ядовитые
вещества. В зависимости от количества примесей производственные сточные
воды подразделяют на загрязнённые, подвергаемые перед выпуском в водоём
(или перед повторным использованием) предварительной очистке, и условно
чистые (слабо загрязнённые), выпускаемые в водоём (или вторично
используемые в производстве) без обработки.
Содержание органических загрязнений в сточных водах определяется
косвенными показателями:
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
9
3835.000130.000 ПЗ
- ХПК (химическая потребность в кислороде) - выражает количество
кислорода, необходимое для полного химического окисления органических
веществ загрязнений, находящихся в сточных водах;
- БПК (биологическая потребность в кислороде) - выражает количество
кислорода, необходимое для биологического окисления органических веществ
бактериями в аэробных условиях (без расхода кислорода на нитрификацию).[1]
Состав и степень загрязнённости производственных сточных вод весьма
разнообразны и зависят главным образом от характера производства и условий
использования воды в технологических процессах. Компоненты сточных вод
можно разделить на несколько основных групп, как это показано в табл 1.
Таблица 1. Состав стоков.
Компонент Состав компонента стоков Влияние на
окружающую среду
Микроорганизмы Патогенные бактерии,
вирусы и яйца червей
Риск при купании
употреблении в пищу
обитающих в воде
животных
Биоразлагаемые
органические
вещества
Понижение
концентрации
кислорода в реках,
озерах и фьордах
Сокращение
численности водных
обитателей
(снижение
биоразнообразия)
Другие
органические
вещества
Детергенты, пестициды,
жиры, масла и смазки,
красители,
растворители, фенол,
цианид
Токсический эффект,
отрицательный
эстетический эффект,
биоаккумуляция
Макроэлементы Азот, фосфор, аммоний Эвтрофикация,
исчерпание
кислорода,
токсический эффект
Металлы Hg, Pb, Cd, Cr, Cu, Ni Токсический эффект,
биоаккумуляция
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
10
3835.000130.000 ПЗ
продолжение таблицы 1
Другие
неорганические
вещества
Кислоты (сероводород),
щелочи
Коррозия,
токсический эффект
Температурные
эффекты
Горячая вода Смена условий
жизнедеятельности
для флоры и фауны
Запах и вкус Сероводород Эстетически
неприемлем,
токсический эффект
Радиоактивность Токсичность,
накопление
Степень загрязнённости сточных вод оценивается концентрацией примесей,
т. е. их массой в единице объёма (в мг/л или г/м
3
).
Неочищенные сточные воды, содержащие значительные количества
органических веществ, попадая в водоём (реку, озеро), нарушают его
естественный режим: поглощают растворённый в воде водоёма кислород,
ухудшают качество воды, способствуют образованию отложений (осадка) на
дне, водоёмы становятся непригодными для питьевого (а иногда и
технического) водоснабжения, в них погибает рыба. Кроме того, при
загрязнении водоёмов сточными водами ухудшается их эстетический вид и
ограничивается возможность использования для купания, водного спорта,
туризма и т.п.
Сброс сточных вод не является постоянным, он постоянно меняется. Тем не
менее при проектировании и строительстве очистных сооружений необходимо
знать объемы сточных вод, а так же их возможные изменения. Общий объем,
сбрасываемых производственными предприятиями сточных вод, по сравнению с
2004 г. сократился на 0,9 % и составил 589,1 млн. м
3
, в том числе 559,6 млн. м
3
сброшено в поверхностные воды, из них (рис.1):
- загрязненных – 408, 3 млн. м
3
(73 %), в т.ч без очистки – 17,3 млн. м
3
и недостаточно очищенных – 392,2 млн. м
3
;
- нормативно очищенных - 0,7 млн. м
3
(0,1 %);
- не требующих очистки – 150,6 млн. м
3
(26,8 %) [17].
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
11
3835.000130.000 ПЗ
Рис.1 - Объем сточных вод, сброшенных производственными
предприятиями в поверхностные водные объекты РФ в 2005 г., млн. м
3
Общий объем сточных вод, сбрасываемых производственными
предприятиями в окружающую среду по сравнению с 2005 г. увеличился на
1,1% и составил 588,89 млн. м
3
, в том числе 546,08 млн. м
3
сброшено в
поверхностные водные объекты, из них (рис.2):
- загрязненных – 383,03 млн. м
3
(70,1%), в т.ч без очистки – 12,62 млн. м
3
и недостаточно очищенных – 370,41 млн. м
3
;
- нормативно очищенных - 4,14 млн. м
3
(0,8%);
- не требующих очистки – 158,90 млн. м
3
(29,1%) [16].
Рис.2 - Объем сточных вод, сброшенных производственными
предприятиями в поверхностные водные объекты РФ в 2006 г., млн. м
3
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
12
3835.000130.000 ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
12
3835.000130.000 ПЗ
Масса загрязняющих веществ, сброшенных со сточными водами в
окружающую среду, составила 1252,1 тыс. и увеличилась по сравнению с 2005-
2006 на 42,9 тыс. Со сточными водами сброшено 0,95 т. загрязняющих веществ
I класса опасности. Указанный показатель уменьшился по сравнению с
предыдущим годом, на 0,03 т. [10]
1.2 Характеристика приоритетных органических загрязнителей
Исторически сложилось так, что технология почти всех химических
производств разрабатывалась без учета ее влияния на окружающую среду.
Разнообразие и большая численность загрязняющих веществ делают
практически невозможным контроль за содержанием каждого из них. Поэтому
выделяют группу так называемых приоритетных загрязняющих компонентов.
Так, в список составленный в начале 1980-х гг. Агенством по охране
окружающей среды США и ответственными органами стран Европейского
сообщества, входит около 180 соединений, которые можно объединить в 13
групп (табл. 2).
Таблица 2. Приоритетные загрязняющие компоненты
Группа приоритетных
загрязнителей
Соединения
1.Хлороорганические пестициды Алдрин, гексахлорбензол, гекса-
хлорциклогексан, дибензофуран,
ДДТ, хлорпроизводные диоксина,
хлордан и др.
2. Фосфорорганические пестициды Дисульфотон, карбафос, дихлофос,
кумафос, паратион и др.
3. Пестициды на основе
феноксиуксусной кислоты
2,4-Д, 2,4,5-Т
4. Летучие хлорорганические
соединения
Хлорбензолы, трихлорэтилен,
хлоропрен, хлоральдиград и др.
5. Азотосодержащие пестициды на
основе триазина и мочевины
Атразин, линурон, монолинурон и
др.
6.«Малолетучие»
хлорорганические соединения
Дихлорбензолы, хлорнафталины,
хлоруксусная кислота и др.
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
13
3835.000130.000 ПЗ
продолжение таблицы 2
7. Хлорфенолы 2,4 – дихлорфенол, пентахлорфенол,
трихлорфенол, о-, п-, м-хлорфенолы
и др.
8. Хлоранилины и хлорнитро-
ароматические соединения
Хлоранилины, хлорнитротолуолы и
др.
9. Полихлорированные и
полибромированные бифенилы
Хлорбифенилы, бромбифенилы и
др.
10. Ароматические углеводороды Бензол, ксилолы, толуол,
этилбензол и др.
11. ПАУ Антрацен, бенз(а)пирен, нафталин,
флуорен и др.
12. Металлорганические
соединения
Диметилртуть, метилртуть, ацетат
трифенилолова и др.
13. Другие соединения Бензидин, бифенил, дихлобинзедин,
пропанил, пиразон и др.
Из приведенной таблицы видно, что около 60% приоритетных
загрязняющих компонентов относится к хлор- и бромсодержащим соединениям.
Это связано с их высокой персистентностью и липофильностью. Вследствие
этого происходит накопление галогенсодержащих органических соединений в
водных экосистемах, биоаккумулирование и экологичекая магнификация.[2]
Рассмотрим более подробно приоритетные органические соединения.
1.2.1. Фенол и хлорфенолы
Достаточно распространенными поллютантами рек промышленно-
урбанизированных районов является фенол (рис.3) (ароматический углеводород,
в молекуле которого имеется гидроксильная группа, связанная с ароматическим
кольцом).
Рис.3 – Структурная формула фенола
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
14
3835.000130.000 ПЗ