Исследование возможностей микроорганизмов для очистки сточных вод

Настоящий Федеральный закон регулирует отношения, возникающие в области обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения как одного из основных условий реализации предусмотренных Конституцией РФ прав граждан на охрану здоровья и благоприятную окружающую среду. В зависимости качества воды зависит здоровье населения. Сточные воды должны соответствовать санитарно-эпидемиологическим правилам.

Отношения, возникающие в области охраны окружающей природной среды, в той мере, в какой это необходимо для обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия населения, регулируются законодательством РФ об охране окружающей природной среды и настоящим Федеральным законом.

2.4 ГОСТ 17.1.5.05-85 «Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков»

Указанный стандарт распространяется на поверхностные и морские воды, лед водоемов и водотоков, морской и ледниковый лед и атмосферные осадки (дождь, снег, град). Стандарт устанавливает общие требования к отбору проб для определения их химического состава и физических свойств при проведении государственного контроля за качеством воды, льда и атмосферных осадков. Стандарт не распространяется на отбор проб для определения экстремально высокого уровня загрязненности вод, льда и атмосферных осадков, возникшего в результате аварийных сбросов и выбросов загрязняющих веществ. Опасность загрязнения воды определяется уровнем ее возможного отрицательного влияния на контактирующие среды, пищевые продукты и прямо или опосредовано на человека. Результаты обследования качества воды учитывают при определении и прогнозе степени ее опасности для здоровья и условий проживания населения в населенных пунктах, технических решений по реабилитации и охране водосборных территорий, оценке эффективности санитарно-экологических мероприятий и текущего санитарного контроля над объектами, воздействующими на окружающую среду населенного пункта.

Программа отбора проб должна быть составлена в соответствии с целью последующего определения химического состава и физических свойств воды и предусматривать:

-перечень определяемых компонентов;

-требования к месту отбора проб;

-периодичность и частоту отбора проб, а также, при необходимости, статистическую обработку данных по отбору проб с целью выявления оптимальных величин периодичности и частоты отбора проб.

Способ отбора проб определяется типом воды (поверхностная, морская), глубиной пробоотбора, целями анализа и перечнем определяемых компонентов.

2.5 Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы "Гигиенические требования к охране поверхностных вод. Санитарные правила и нормы»

Требования санитарных правил распространяются на все поверхностные водные объекты на территории РФ, используемые или намечаемые к использованию для нужд населения за исключением прибрежных вод морей.

Указанные санитарные правила являются обязательными для исполнения на территории Российской Федерации всеми юридическими и физическими лицами, деятельность которых связана с проектированием, строительством и эксплуатацией объектов, а также для организаций, осуществляющих государственное управление и государственный контроль в области охраны вод в соответствии с законодательством.

2.6 ГН 2.1.5.689-98 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования»

Включены гигиенические нормативы вредных веществ в питьевой воде. В него входят индивидуальные химические вещества, которые могут присутствовать в питьевой воде в указанном виде и могут быть идентифицированы современными аналитическими методами. Органические кислоты, в том числе пестициды, нормируются по аниону, независимо от того, в какой форме представлена данная кислота в перечне (в виде кислоты, ее аниона или ее соли). Элементы и катионы (п.1 раздела "неорганические вещества") нормируются суммарно для всех степеней окисления, если это не указано иначе.

Перечень имеет следующую вертикальную рубрикацию: в первой колонке перечня приведены наиболее часто употребляемые названия химических веществ, во второй колонке приведены синонимы названий химических веществ и некоторые тривиальные и общепринятые наименования, в третьей колонке приведены величины ПДК или ОДУ в мг/л, где:

ПДК - максимальные концентрации, при которых вещества не оказывают прямого или опосредованного влияния на состояние здоровья человека (при воздействии на организм в течение всей жизни) и не ухудшают гигиенические условия водопотребления;

ОДУ (отмечены звездочкой) - ориентировочные допустимые уровни веществ в водопроводной воде, разработанные на основе расчетных и экспресс-экспериментальных методов прогноза токсичности.

Если в колонке величины нормативов указано "отсутствие", это означает, что концентрация данного соединения в питьевой воде должна быть ниже предела обнаружения применяемого метода анализа[20].

В четвертой колонке указан лимитирующий признак вредности веществ, по которому установлен норматив:

- с.-т. - санитарно-токсикологический;

- орг. - органолептический с расшифровкой характера изменения органолептических свойств воды (зап. - изменяет запах воды; окр. - придает воде окраску; пен. - вызывает образование пены; пл. - образует пленку на поверхности воды; привк. - придает воде привкус; оп.- вызывает опалесценцию), в пятой колонке указан класс опасности вещества:

1 класс - чрезвычайно опасные;

2 класс - высокоопасные;

3 класс - опасные;

4 класс - умеренно опасные.

В основу классификации положены показатели, характеризующие различную степень опасности для человека химических соединений, загрязняющих питьевую воду, в зависимости от токсичности, кумулятивности, способности вызывать отдаленные эффекты, лимитирующего показателя вредности.

Классы опасности веществ учитывают:

- при выборе соединений, подлежащих первоочередному контролю в питьевой воде;

- при установлении последовательности водоохранных мероприятий, требующих дополнительных капиталовложений;

- при обосновании рекомендаций о замене в технологических процессах высокоопасных веществ на менее опасные;

- при определении приоритетности разработки селективных методов аналитического контроля веществ в воде.

2.7 НВН 33-5.3.01-85(14) Инструкция по отбору проб для анализа сточных вод

Отобранная проба должна с наиболее возможной полнотой представлять основные показатели химического состава сточных вод в данный момент или за определенный промежуток времени.

Способы отбора, консервирования и хранения проб должны гарантировать неизменность химического состава в интервале между отбором проб и их анализом.

Место отбора пробы выбирается в зависимости от цели контроля, характера выпуска сточных вод, а также в соответствии с технологической схемой канализации. К местам отбора проб должен быть свободный доступ.

Для отбора сточных вод должны применять устройства различного типа, которые должны обеспечивать сохранение химического состава исследуемой воды и гарантировать исключение элементов случайности при отборе пробы (попадание механических примесей, недостаточное опорожнение в пробоотборнике), а также исключать загрязнение за счет коррозии и сорбции на стенках пробоотборного устройства.

В процессе отбора проб, легко подвергающихся изменениям, например содержащих растворенные газы, закисное железо и т.д., необходимо избегать перемешивания опробуемой воды с воздухом.

В данном разделе дипломной работы рассмотрены законы, нормативно-правовые документы в области рационального природопользования водными ресурсами, регулирующие нормы допустимого загрязнения природных вод и определяющие предельно допустимые концентрации (ПДК). Задачами законодательства рационального использования природных вод являются регулирование общественных отношений в данной области, в целях охраны вод от загрязнения, вредного воздействия и ликвидации его последствий, улучшения состояния водных объектов, а также охраны прав предприятий, учреждений, организаций и граждан на водопользование.

3. Исследование процесса деградации хлорированных соединений ароматического ряда с помощью микроорганизмов в водной среде

Важное условие правильного проведения исследования - использование генетически однородных лабораторных культур, так как они проходят поверки чувствительности, содержатся в специальных, оговоренных стандартами лабораторных условиях, обеспечивающих необходимую сходимость и воспроизводимость результатов исследований, а также максимальную чувствительность к токсическим веществам. Объектом исследований были выбраны штаммы-деструкторы хлорированных соединений ароматического ряда Citrobacter sp. 36-4 ch, Bacillus cereus 34T, Pantoea agglomerans 36Ф, Brenneria salcis 38Ф, из коллекции группы генетики микроорганизмов института биологии. Пробы бактерий были отобраны в ходе роста через определенные промежутки времени. Анализ морфологических признаков культуры Citrobacter sp. 36-4 ch показал, что при росте образовывались выпуклые полупрозрачные колонии с неровным краем (рис.23). Клетки представляли собой подвижные палочки разной длины с закругленными концами, до сферических. Изучение физиолого-биохимических признаков культуры показало, что для нее характерен аэробный рост в диапазоне температур от +10 С до +37 С с оптимум pH среды около 6,8.

Рис.23 - Штамм - деструктор Citrobacter sp. 36-4 ch

Анализ морфологических признаков культуры Pantoea agglomerans 36Ф показал, что при росте штамма на агаризованной пептоно-глюкозной среде образовывались полупрозрачные, гладкие блестящие колонии с плоским ворсинчатым краем (рис. 24). Штамм проявил себя как факультативный анаэроб, обладающий дыхательным и бродильным типами метаболизма. Оптимальный рост наблюдался в диапазоне от +30°С до +37°С, при pH 6,8.

Рис.24 - Штамм - деструктор Pantoea agglomerans 36Ф

Анализ морфологических признаков культуры Brenneria salcis 38Ф показал, что клетки штамма при росте образовывали гладкие приподнятые колонии с бахромчатыми краями (рис. 25). Оптимальный рост культуры наблюдался в диапазоне температур от +10 °С до +41 °С, при pH 6,8 и в аэробных условиях.

Рис.25 - Штамм - деструктор Brenneria salcis 38Ф

В ходе определения основных морфологических и физиолого-биохимических признаков культуры Bacillus cereus 34T было показано, что клетки штамма при росте образовывали беловатые непрозрачные мелкоскладчатые колонии (рис.26). Для штамма был характерен аэробный рост, оптимальный рост наблюдался в диапазоне температур от +22 С до +41 С и значениях pH среды близких к нейтральным (6,8).

Рис.26 - Штамм - деструктор Bacillus cereus 34T

Целесообразностью выбора микроорганизмов в качестве организма, используемого для разложния хлорированных соединений в сточной воде, является его чувствительность к хлорорганике, а также способность использовать 2,4-дихлорфенол (2,4-ДХФ) в качестве единственного источника углерода и энергии. Методом потенциометрии с ионоселективным электродом определялось содержание ионов хлора в культуральной жидкости. Полученные результаты представлены в табл. 6-9.

Табл.6 - Исследование способности микроорганизма Citrobacter sp. 36-4 ch

Табл.7 - Исследование способности микроорганизма Pantoea agglomerans 36Ф

Табл.8 - Исследование способности микроорганизма Brenneria salcis 38Ф

Табл.9 - Исследование спсобности микроорганизма Bacillus cereus 34T

На основании полученных данных были построены графики (рис.26-29)

Рис.26 - Содержание ионов хлора в культуральной жидкости культуры Citrobacter sp. 36-4 ch, производящей конверсию 2,4-ДХФ

Как видно из рис.26 при использовании 2,4 - ДХФ в качестве единственного источника углерода и энергии, культурой Citrobacter sp. 36-4 ch, можно заметить что к 2-м суткам культивирования содержание хлора значительно уменьшилось и составило 42%, и в последствие продолжает уменьшаться, достигнув к 5-м суткам культивирования 29%.

Рис.27 - Содержание ионов хлора в культуральной жидкости культуры Pantoea agglomerans 36Ф, производящей конверсию 2,4-ДХФ

При использовании 2,4-ДХФ в качестве единственного источника углерода и энергии, культурой Pantoea agglomerans 36Ф происходит снижение содержания ионов хлора в культуральной жидкости к 2-м суткам до 82%, к 5-м суткам культивирования содержание ионов хлора составило около 3%.

Рис.28 - Содержание ионов хлора в культуральной жидкости культуры Brenneria salcis 38Ф, производящей конверсию 2,4-ДХФ

При использовании 2,4 - ДХФ в качестве единственного источника углерода и энергии, культурой Brenneria salcis 38Ф можно заметить что к 5-м суткам культивирования содержание хлора уменьшилось и составляет 85%, и в последствие продолжает уменьшаться, достигнув к 9-м суткам культивирования 18%.

Рис.29 - Содержание ионов хлора в культуральной жидкости культуры Bacillus cereus 34T, производящей конверсию 2,4-ДХФ

Из графика видно, что при использовании 2,4-ДХФ в качестве единственного источника углерода и энергии, культурой Bacillus cereus 34T происходит резкое снижение содержания ионов хлора в культуральной жидкости к 2-м суткам составляет 37%, к 7-м суткам культивирования содержание ионов хлора составило 22%.

Таким образом, проведенный эксперимент, показал способность микроорганизмов, а именно штаммов-деструкторов, таких как Citrobacter sp. 36-4 ch, Bacillus cereus 34T, Pantoea agglomerans 36Ф, Brenneria salcis 38Ф к деградации хлорированных соединений, в частности 2,4-ДХФ.Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что в результате биологической конверсии содержание ионов Cl в культуральной жидкости уменьшается, следовательно, не происходит его накопление в качестве продукта метаболизма.

Выводы

В данной дипломной работы рассмотрено современное состояние загрязнения сточных вод и даны характеристики приоритетных органических соединений, поступающих в сточные воды промышленных предприятий, таких как фенол, хлорфенол, ПАУ, ПХБ, пестициды. Приоритетные органические загрязнители обладают токсическим действием и ухудшают органолептические показатели воды, происходит их накопление в водных экосистемах, биоаккумулирование и экологичекая магнификация.

Оценены способности микроорганизмов к конверсии органических загрязнителей а также проанализирован биологический метод очистки сточных вод от органических соединений. Методы биологической очистки являются наиболее универсальными, эффективными и экологически безопасными. Они основаны на способности микроорганизмов использовать разнообразные вещества, содержащиеся в сточных водах, в качестве источника питания. Микроорганизмы - деструкторы способные утилизировать трудноразлагаемые вещества, что обеспечивается наличием у них специфических ферментативных систем.

Исследованы механизмы биодеградации углеводородных загрязнителей, фенола и его производных. Фенол при воздействии микроорганизмов подвергается окислительному разложению до неароматических соединений. А в биодеградации углеводородных органических загрязнителей, углеводородокисляющие микробы (УОМ), выступают в роли основных минерализаторов. Таким образом в обоих случаях микроорганизмы расщепляют органические загрязнения в безвредные продукты.

Рассмотрены оборудования для практического применения микроорганизмов, такие как аэрационные аппараты, работающие по методу полного окисления органических загрязнений, и аэрационные аппараты с аэробной стабилизацией избыточного активного ила. Установки обоих типов обеспечивают стабильную высокую эффективность очистки сточных вод от органических соединений, могут применяться в любых климатических, грунтовых и гидрогеологических условиях и не требую отвода больших площадей земли и являются экономически выгодными.

Рассмотрены законы, нормативно-правовые документы в области рационального природопользования водными ресурсами, регулирующие нормы допустимого загрязнения природных вод и определяющие предельно допустимые концентрации (ПДК). Задачами законодательства рационального использования природных вод являются регулирование общественных отношений в данной области, в целях охраны вод от загрязнения, вредного воздействия и ликвидации его последствий, улучшения состояния водных объектов, а также охраны прав предприятий, учреждений, организаций и граждан на водопользование.

Проведен эксперимент, показывающий способность микроорганизмов, а именно штаммов-деструкторов, таких как Citrobacter sp. 36-4 ch, Bacillus cereus 34T, Pantoea agglomerans 36Ф, Brenneria salcis 38Ф к деградации хлорированных соединений, в частности 2,4-ДХФ. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что в результате биологической конверсии содержание ионов Cl в культуральной жидкости уменьшается, следовательно, не происходит его накопление в качестве продукта метаболизма.

Список использованной литературы

1. Очистка сточных вод: Пер. с англ./ Хенце М., Армоэс П., Ля-Кур-Янсен Й, Арван Э. - М.: Мир, 2006.

2. Физико-химические процессы в техносфере: учебное пособие/ И. В. Кусова, Н. Н. Красногорская; Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - Уфа: УГАТУ, 2008.

3. Борьба с загрязнениями рек, озер и водохранилищ промышленными и бытовыми стоками. Драчев С.М. М., - 1964.

4. Практикум по микробиологии/ Нетрусов А.И., Егорова Н.А., Захарчук Л.М. и др. - М.:Академия, 2005.

5. Гигиеническая оценка химического загрязнения поверхностных вод. Андрюков Б.Г. М., - 1988.

6. Оценка экологического риска загрязнения поверхностных вод стойкими хлорорганическими пестицидами. Галиуллин Р.В. // Агрохимия 1998.

7. Фоновый мониторинг ПАУ. Ровинский Ф.Л., Теплицкя Т.А., Алексеева Т.А. Л.:Гидрометеоиздат, 1998.

8. Экологические основы природопользования. Л, Блинов Л.Н.:Уч.пособие для ссузов // Дрофа 2004.

9. Химия и технология пестицидов. Мельников Н.Н. М., 1994.

10. Экологическая биотехнология: очистка природных и сточных вод макрофитами. Морозов Н.В. Казань: Изд-во КГПУ, 2001.

11. Общая гидробиология. Константинов А.С. М.: Высшая школа, 1986.

12. Современная микробиология. Прокариоты: В 2 т. /Пер. с англ. Под ред. Й. Ленглера, Г.Древса и Г. Шлегеля. М.:Мир, 2005.

13. Микробиоллогические процессы на очистных сооружениях. Коршунова Логинов О.Н. - Уфа: изд-во «Реактив», 2005.

14. Химическая технология. Соколова Р.С.: в 2 т. - М.: Гуманит. 2000.

15. Анализ токсичности сточных вод методом биотестирования. Толкачева В.В.: Дис. …канд. биол. наук. Омск, 2004.

16. Технологические и биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками. Жмур Н.С. М.:Акварос, 2003.

17.Очистка сточных вод в химической промышленности. Проскуряков В.А., Шмидт. Л.И. Л.: Химия, 1977.

18. Биотехнология. Кинетические основы микробиологических процессов. Варфоломеев С.Д., Калюжный С.В. М.: высшая школа, 1990.

19.Экология водных микроорганизмов. Горленко В.М., Дубинина Г.А., Кузнецов С.И. М.: Наука, 1977.

20. Подготовка воды для питьевого и промышленного водоснабжения.. Николадзе Г.М. и др. М.: Стройиздат, 1984.

21. Биохимическая очистка общего стока производства тиокола // Биохимическая очистка сточных вод предприятий химической промышленности. Лебедева М.П., Столчрова Л.И. М.: изд-во Водгео, 1962

22 Бактерии-деструкторы фенола и его хлорированных производных. Маркушева Т.В., Журенко Е.Ю., Кусова И.В.Уфа: Гилем, 2002

23. Технология очистки природных вод. Кульский Л.А., Строкач П.П. Киев.: Высшая школа, 1981.

24.Установка малой производительности для очистки и обеззараживания питьевых и сточных вод. Перлина А.М и др. М.: Стройиздат, 1974.

25. Водоотводящие системы промышленных предприятий. Яковлев С.В. и др. М.: Стройиздат, 1990.

26. Основы гидрохимии. Алекин. О.А. Л.: Гидрометеоиздат, 1970.

27.Журнал прикладной химии. Титова Г.А., Алферова Л.А. т.42 - №1, 1969

28. Очистка природных вод. Клячко В.А., Апельцин И.Э. М.: Стройиздат, 1971.

29 Очистка сточных вод микроорганизмами. Гавриков М.А. Химическая промышленность. №2. 1974.

30. Биологические основы очистки воды. Голубовская Э.К М.: Высшая школа, 1987