Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экспресс-метод контроля для управления процессом биологической очистки сточных вод нефтехимического комплекса

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экспресс-метод контроля для управления процессом биологической очистки сточных вод нефтехимического комплекса"

На правах рукописи

Балымова Елена Сергеевна

ЭКСПРЕСС-МЕТОД КОНТРОЛЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД НЕФТЕХИМИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА (НА ПРИМЕРЕ ОАО «КАЗАНЬОРГСИНТЕЗ»)

03.02.08-Экология (в химии и нефтехимии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005569940

Казань-2015

005569940

Работа выполнена на кафедре промышленной биотехнологии федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет» (ФГБОУ ВПО «КНИТУ»)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент, Закиров Рустем Каюмович

Рудакова Лариса Васильевна,

доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», заведующая кафедрой «Охрана окружающей среды»

Васильев Андрей Витальевич,

доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный технологический университет», заведующий кафедрой «Химическая технология и промышленная экология»

Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, г.Казань

Зашита диссертации состоится «07» июля 2015 года в 14:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.080.02 при ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу: г. Казань, ул. Карла Маркса, д.68, зал заседаний Ученого совета (кабинет 3.30).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» и на сайте www.kstu.ru.

Автореферат разослан «18» мая 2015 года.

Ученый секретарь .. , .. Степанова

диссертационного совета ... Светлана

Д 212.080.02 -—--Владимировна

1 Общая характеристика работы

Актуальность темы. Для химических и нефтехимических предприятий характерно непостоянство как расхода, так и состава сточных вод при наличии в них токсичных и биорезистентных поллютантов, что обусловливает недостаточную эффективность действующих очистных сооружений. В связи с этим к первоочередным технологическим задачам следует отнести организацию и внедрение в практику высокочувствительной и информативной системы технологического экспресс-контроля, особенно в процессе биологической очистки - наиболее широко используемого способа обезвреживания промышленных стоков, зависящего от состояния активной биомассы, осуществляющей ассимиляцию поллютантов различной природы.

В настоящее время ¡фовень антропогенного воздействия на биоценозы искусственных экосистем определяют по химическим показателям очищаемых вод, недостатком которых является техническая усложненность, достаточно высокие продолжительность проведения аналитических работ и затраты, а главное, ограниченная информативность в условиях многокомпонентных промстоков. К последним относятся сточные воды предприятий химическои и нефтехимической отраслей, характеризующиеся непостоянством состава и расхода, наличием токсичных и трудноокисляемых компонентов, практически систематическими залповыми сбросами специфических загрязняющих веществ и в результате, неудовлетворительное качество очищенных вод. не отвечающее нормативным требованиям.

Кроме того, низкая ферментативная активность илов зрелого возраста которым отдается предпочтение в настоящее время при очистке токсичных и биорезистентных промышленных стоков, обусловливает невозможность использовать известный показатель -дегидрогеназную активность для оценки состояния его биоценоза [Ротмистров М.Н. и др

Наиболее надежно характеризуют состояние микроценоза гидробиологические показатели, что связано с высокой чувствительностью биологических методов их способностью выявления интегрального воздействия разнородных поллютантов с учетом возможного синергизма [Жмур Н.С., 2003, Методика технологического.... 1977]

Поэтому разработка экспресс-методов для адекватной оценки и прогнозирования состояния активного ила в процессе биоочистки многокомпонентных сточных вод а также его восстановительного потенциала в изменяющихся условиях формирования смешанной популяции микроорганизмов относится к актуальным проблемам, требующим незамедлительного решения.

Наиболее перспективное решение данной проблемы - реализация диагностирования состояния микробных ценозов, осуществляющих очистку сложных по составу сточных вод в том числе химических и нефтехимических предприятий, базирующихся на сочетании двух методов контроля - химического, оценивающего качество очищаемых стоков более чувствительного - биологического, дающего информацию о состоянии биоагента и регрессионного анализа, что позволит оперативно управлять процессом биологической очистки сточных вод любого состава.

Цель и задачи работы. Целью настоящих исследований являлась разработка экспресс-метода контроля для управления процессом биологической очистки сточных вод химического и нефтехимического комплекса на основе биодиагностики активного ила, функционирующего в изменяющихся условиях его формирования и математической обработки результатов биомониторинга.

Дзя достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

• анализ методов и критериев биодиагностики состояния активного ила осуществляющего процесс биологической очистки промышленных стсков;

• изучение особенностей биоценоза активного ила, формирующегося на сточных

водах производств органического синтеза, как модельного объекта, для выявления индикаторных микроорганизмов,

• изучение влияния индивидуальных специфических поллютантов сточных вод, а также кислород потребляющих веществ на состояние исследуемого активного ила в условиях стабильной и неустойчивой работы очистных сооружений и установление количественных взаимосвязей между контрольными показателями функционирования системы биоочистки и состоянием биоценоза активного ила для сточных вод с одним приоритетным экотоксикантом;

• получение регрессионных уравнений, адекватно описывающих количественные взаимосвязи между приоритетными показателями процесса продленной аэрации сточных вод производств органического синтеза и состоянием биоценоза активного ила в вариабельных условиях его формирования;

• разработка системы экспресс-контроля и прогнозирования состояния активного ила с целью эффективного управления процессом биологической очистки сточных вод нефтехимического комплекса.

Научная новизна работы. Впервые исследованы количественные взаимосвязи между основными экофакторами, определяющими функционирование системы биоочистки, и восстановительным потенциалом активного ила, осуществляющего очистку многокомпонентных сточных вод производств органического синтеза, и получены регрессионные уравнения, адекватно описывающие влияние контрольных поллютантов на состояние биоагента, определяемое по 5-балльной шкале оценок, в динамике, "функционирующего в условиях непостоянства состава и расхода базовых промышленных стоков.

Показана необходимость обязательного учета состояния активного ила на начальный момент процесса биологической очистки для получения математической модели, позволяющей адекватно прогнозировать текущее состояние биоценоза и его восстановительный потенциал в процессе водоочистки.

Предложен комбинированный показатель оценки состояния активного ила, учитывающий как степень разрушения флокул активного ила, так и изменение его родового разнообразия, позволяющий получить более достоверную информацию об уровне стресса активного ила при совокупном влиянии на него приоритетных экотоксикантов в процессе биологической очистки химзагрязненных сточных вод.

Проведено углубленное изучение активного ила, формирующегося в условиях продленной аэрации сточных вод ОАО «КазаньОргсинтез», и установлены доминантные биоиндикаторы.

Практическая значимость работы. Разработан экспресс-метод контроля для управления процессом продленной аэрации сточных вод химических предприятий, базирующийся на биодиагностике активного ила с использованием двух количественных показателей состояния активного ила и получении регрессионных уравнений, адекватно описывающих изменение состояния активного ила в процессе очистки химзагрязненных сточных вод.

Подтверждена целесообразность применения комбинированного показателя для оценки состояния активного ила в процессе биологической очистки.

Высокая чувствительность, возможность реализации в производственных условиях и минимизация затрат при внедрении данного метода биодиагностики активного ила обусловливает перспективность предлагаемой системы экспресс-контроля, позволяющей обеспечить своевременность осуществления мероприятий по стабилизации работы очистных сооружений в аномальных условиях функционирования биостанции.

Основные положения работы использованы в учебном процессе при чтении лекций и проведении практических занятий по курсу «Экобиотехнология: теория и практика»,

«Биодиагностика микробных ценозов природных и техногенных сред», «Информационное

ГГ"е„ЭГ™П1ЧеСКИХ систем " методы "х математического моделироввания» в ФГБОУ И1Ю «КНИТУ».

Основные положения, выноси мые на защиту.

1. Отличительные особенности физико-химических, биохимических и гидробиологических свойств активного ила процесса продленной аэрации сточных вод производств органического синтеза.

2. Восстановительный потенциал активного ила, формирующегося на многокомпонентных сточных водах нефтехимического предприятия с аномальным содержанием одного приоритетного поллютанта зависит от его концентрации и исходного состояния биоагента, изменение которого в процессе биологической очистки может быть описано с использованием методов регрессионного анализа.

3. Состояние активного ила в процессе биологической очистки и его восстановительный потенциал зависят от совокупного пресса основных техногенных факторов и описывается полиномиальной зависимостью второго порядка

4. Более объективную и достоверную информацию о состоянии активного ила в процессе биологической очистки дает предлагаемый комбинированный показатель характеризующий уровень стресса и учитывающий степень разрушения флокул активного ила и изменение его родового биоразнообразия.

Апробация работы. Основные положения работы доложены: на Международных конференциях молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2008-2010 LW.I), на VIII и IX Республиканских школах студентов и аспирантов «Жить в XXI веке» Казань, 2008-2009); на IV Научной конференции «Промышленная экология и безопасность» (Казань, 2009); на Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи «Экотоксикология-2009» (Пущине, 2009); на открытом конкурсе научных работ магистров по направлениям: «Химические технологии», «Биотехнологии» и «Технологии наномагериалов» (Казань, 2009); на Международном конкурсе научно-инновационных проектов «Чистая вода Евразии» в рамках 1 Евразийского экономического форума молодежи (Екатеринбург, 2010); „а научной сессии КГТУ (Казань, 2011); „а 15 Международной Пущинскои школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино 2011); ча Международном конкурсе научно-инновационных проектов «Eurasia green» в рамках Евразииского экономического форума молодежи «Путь на север» (Екатеринбург -Астана, 2011); на II Международной конференции; Актуальные проблемы биохимии и бионанотехнологии (Казань, 2011), на 3-ем Байкальском Микробиологическом Симпозиуме с международным участием «Микроорганизмы и вирусы в водных экосистемах» (Иркутск ЛЛ1), на Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Молодежь. Наука. Будущее: технологии и проекты» (Казань 2011) на научно?: сессии КНИТУ (Казань, 2012-2014); 1 Республиканской молодежной экологической конференции» (Казань, 2014).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 18 печатных раоот, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 11 тезисов заявка на изобретение.

Структура и объем работы. Работа включает следующие разделы общая характеристика работы, обзор литературы, материалы и методы исследований результаты исследовании и их обсуждение, выводы, список литературы, приложения. Диссертация

изложена на Ы странице машинописного текста, содержит 35 рисунков, 21 таблицу список литературы включает 205 источников.

Личный склад автора состоит в постановке задач исследований, выборе объектов и методов исследований, непосредственном участии в проведении основных экспериментов систематизации и интерпретации полученных результатов, формулировании научных

положений и выводов, написании статей и тезисов докладов.

2 Материалы и методы исследований Работа выполнена на кафедре промышленной биотехнологии ФГБОУ ВПО «КНИТУ» и проводилась в течение 2009-2013г.г. Объектом исследования являлся активный ил, формирующийся на сточных водах производств органического синтеза. Оценку его состояния проводили в процессе биологической очистки промышленных стоков, включая исходное состояние биоагента з момент смешения со сточной водой, а также после 1, 3, 5 и 19 часов аэрации, при условии индивидуального и совокупного воздействия на активную биомассу контрольных поллютантов (фенол, неионогенные синтетические поверхностно-активные вещества (нСПАВ), гликоли) и нагрузки (химическое потребление кислорода (ХПК)) Экспериментальные исследования проводили на модельной установке биологической очистки сточных вод каскадного типа в условиях, максимально приближенных к производственным. Диапазон изменения концентраций контрольных экотоксикантов составил: Сфс,,,,., = 0,013-50 мг/дм3, Сспав = 0,09-50 мг/дм3, Сгяш«,.„. = 0,09250 мг/дм3, с учетом их реального содержания в химзагрязненных стоках при различных условиях функционирования очистных сооружений. Величина ХПК промышленных стоков варьировалась в диапазоне 160-2000 мг/дм3. Экспериментальные исследования проводили по схеме, приведенной на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема проведения исследований

Проведено микроскопирование более 4170 препаратов 83 проб активного ила в динамике с учетом условий его формирования и более 950 измерений различными методами показателей 300 проб сточных вод.

Гидробиологическгш анализ активного m а осуществляли методом микроскопирования препарата «раздавленная капля» в неокрашенных препаратах с использованием микроскопа медицинского Микмед-5 (ОАО «Ломо», Россия, г.Санкт-Петербург) при 80 и 400-кратном увеличении, после чего определяли среднее арифметическое количество гидробионтов для одного поля зрения [Куликова Л.А, 1984; ПНД Ф СБ 14.1.77-96]. В работе предусматривалась оценка состояния активного ила по 5-балльной шкапе [Беляева М.А. и др., 1969], модифицированным индексам Шеннона [Shannon C E. и др., 1948, Одум Ю„ 1986] и Куба [Cuba T.R., 1981]. Для определения доминантных микроорганизмов активного ила использовали индекс Палия-Ковнаики [Палий В.Ф., 1961; Kownacki А., 1971]. Определение дисперсного состава хлопьев активного та осуществляли методом микроскопирования препарата «раздавленная капля» с помощью лазерного сканирующего микроскопа LSM 510 МЕТА (Carl Zeiss, Германия). Количественную оценку размера флокул активного ила проводили с помощью программы «LSM Image Examiner». Определение дггидрогеназной активности та (ДАН) проводили фотометрическим методом с 2,3,5-трифенилтетразол хлоридом на фотоколориметре КФК-2-УХЛ4.2 (производственное объединение «ЗОМЗ», Россия, г.Загорск) [Методические рекомендации..., 1978]. Токсичность сточной воды и надшовой жидкости оценивалась методом биотестирования с использованием в качестве тест-объекта брюхоресничных инфузорий Paramecium caudatum [ПНДФТ 14.1:2:3.13-06].

Определение основных нормативных показателей сточных вод и активного una (ХПК. биологическое потребление кислорода (БПК). содержание фенолов. нСПАВ. ■зтиленгликоля. мутность, доза та. pH) осуществлялось согласно природоохранным нормативным документам [ПНД Ф 14.1:2.100-97, ПНД Ф 14.1:2:3:4.123-97, ПНД Ф 14.1:2.105-97, ПНД Ф 14.1:2:4.194-2003. ПНД Ф 14.1:2.250-2008, ПНД Ф 14.1:2:4 213-05 ФР 1.31.2008,04397, ПНД Ф 14.1:2:3:4.121-97]

Математическую обработку результатов проводили с помощью пакета программ «Statistica 6.0».

Статистическая обработка. Результаты исследований были обработаны с помощью программы статистического аначиза Excel. Значения критерия достоверности определяли на основе распределения Стьюдента с учетом принятого для научных экспериментов уровня значимости (р) 0,05.

3 Результаты исследований и их обсуждение

В работе проведены комплексные исследования активного ила процесса продленной аэрации многокомпонентных и непостоянных по составу сточных вод производств органического синтеза, возраст которого изменялся в диапазоне 42-53 суток (таблица 1 ). Таблт/а I - Результаты экспериментальных исследований по определению возраста та

(при р=0.0 5)

Проба Доза ила исходная, г/дм3 Доза ила конечная, г/дм3 Прирост активного ила, г/дм3 Возраст ила, сут Условия проведения эксперимента

1 2.8410.002 2,89±0,002 0,05 43 Условия смешения сточная вода активным ил -11,6, Время аэрации -19ч

2 2,7810,002 2,8310,004 0,05 42

3 4.2010,002 4,2610.002 0,06 53

4 5,4610,003 5,5410.002 0,08 51

5 4,1210,004 4,1910,005 0,07 44

6 3,21 ±0,002 3,2610,004 0,05 48

7 3.44Ю.002 3,5010,004 0,06 43

Изученные условия функционирования биоагента (рисунок 2а, таблица 2) показали, что активный ил формируется в условиях низких нагрузок, наличия токсичных поллютантов

и отличается низкой ферментативной активностью, характерной для зрелых илов (рисунок 2

1.8 l.d U

I ; 1 -I 5 •> ~ s -> 1-1 и п 13 и Номер пр№Ы

-L'-H-.-u -»-Т'Ш1ЧН1Ч1Ь

ill lllllln

1ч п i: Р i-i

Номерпрооы

а)

б)

Рисунок 2 - Динамика изменения: а - концентрации фенола и токсичности сточных вод: б -ДЛИ

На основании детального гидробиологического анализа установлены индикаторные микроорганизмы и выявлены доминирующие и второстепенные члены микробного сообщества. К первым относятся саркодовые р.р АгсеИа, Тппета, инфузории ■рМрШса (таблица 3).

Проба хпк, мг/дм1 БПК^, мг/дм' бпк5/хпк Нагрузка, кг/кг-сут

1 566±54 98,7±4,5 0,17 0,038

2 582±72 193±9 0,33 0,082

3 446±36 102±5 0,23 0,095

4 572±36 180±9 0,31 0,092

5 971 ±72 302±9 0.31 0,1 15

6 1900±72 687±4,5 0,36 0,263

7 701±54 150±9 0,21 0,064

8 245±9 58,3±0,9 0,24 0,025

9 350±18 97,4±1,8 0,28 0,045

10 150±9 33,9±0,9 0,23 0,038

11 2бз±9 125±5 0,48 0,106

12 613±36 179±9 0,29 0,188

13 909±72 309±1,8 0,34 0,326

14 545±18 58,3±0,9 0,11 0,033

Результаты микроскопирования за период исследования показали значительное влияние условий формирования активного ила на его биоразнообразие (рисунок 3), структуру и характеристики надиловой жидкости (таблица 4).

Для выяснения правомочности использования предлагаемого метода прогнозирования состояния активного ила в процессе биологической очистки сточных вод были проведены исследования по биодиагностике активного ила в условиях как наиболее распространенных, так и аномальных для действующих очистных сооружений, с последующей количественной оценкой его состояния на основании выявленных ранее индикаторных микроорганизмах и математической обработкой экспериментальных данных.

Рассмотрены различные вариации условий формирования активного ила, включая внештатные ситуации, связанные с воздействием одного, двух и совокупности всех контрольных стрессоров, характерных для изучаемого процесса водоочистки (фенол, нСПАВ, гликоли, нагрузки).

В качестве математической модели было использовано уравнение регрессии в виде полиномиальной зависимости второго порядка функции нескольких переменных:

к А-1 к к

У = К+ Ylb,xl + X Y.b¡¡xjx, + Z

;=1 j=\¡=j+\ ¡,\

где v- количественная оценка состояния активного ила в определенный временной интервал процесса БОВ, баллы; x¡ - исходное состояние биоагента, баллы, x¡.¡ -концентрации приоритетных экофакторов, мг/дм3; хв — продолжительность аэрации, ч. Таблица 3 - Индикаторные микроорганизмы активного ила, формирующегося на стоках

Тип Подтип Класс Род Индекс Палия-Ков наики Значение

Жгутиконосцы Mastigophora Растительные жгутиконосцы Phytomastigophorea Astasia Trachelomonas Euglena 0.06 0.98 0,05 Второстепенные члены Субдоминанты 1 порядка Второстепенные члены

Животные жгу тиконосцы Zoomastigophorea Bodo 0,01 Второстепенные члены

Саркомастигофоры Sarcomastigophora Саркодовые Sarcodina Настоящие амебы Lobosea Acanthomoeba Vahlkarttphia Те tram tins A reel ¡a Centropyxis 0.77 0.82 0.11 25,89 0.98 Субдоминант 1 порядка Субдоминант 1 порядка Субдоминант 1 порядка Доминант Субдоминант 1 порядка

Филозеи Filosea Trinema Euglypha 18.25 0.92 Доминант Субдоминанты 1 порядка

Солнечники Heliozoea Lithocolla 0.07 Второстепенный член

Kmetophragminophora Hemtophrvs 0.81 Субдоминант 1 порядка

OUgohymenophora Paramecium 7.98 Субдоминант

Инфузории Ciliophora Ресничные Cillata Perithelia Epistylis Vorticella Operculars Thuricola Carcheshun Zoothanimum 0.84 0,87 0.24 0.29 0.27 0.81 Субдоминант 1 порядка Субдоминант 1 порядка Субдоминант 1 порядка Субдоминант 1 порядка Субдоминант 1 порядка Субдоминант 1 порядка

Polyhymenophora Aspidisca 19.38 Доминант

Сосущие Sudona Podophrya Tokophrya Rhabdophrya 0.19 0.27 0.32 Субдоминант 1 порядка Субдоминант 1 порядка Субдоминант 1 порядка

Нсматсльминты Nemathelminthes Коловратки Roti/era Calhcfina Phllodina Rotaría Notommata Lecane Euchlanis Colurella 6.82 0.91 7.28 0.16 0.33 0.16 0.14 Субдоминант Су бдоминант 1 порядка Субдоминант Субдоминант 1 порядка Субдоминант 1 порядка Субдоминант 1 порядка Субдоминант 1 порядка

Нематоды Nematodes Tobrihis Nematoda 0.49 0.64 Субдоминант 1 порядка Субдоминант 1 порядка

Кольчатые черви Annelida Малошетинковыс черви Oligochaeta Aelosonia Chaelogaster 0.94 0.95 Субдоминант 1 порядка Субдоминант 1 порядка

ТМ.НШ.-Шф I 'ТГТ

Выбор эмпирико-статистической ,„, модели в виде полиномиальной зависимости второго порядка функции нескольких переменных был обусловлен сложностью изучаемой экосистемы и возможностью полиномиальных зависимостей обеспечить <■качественную интерполяцию широкого к набора различных данных [Шитиков В,К. и »<• др., 2003] :,

На основании первоначальной > математической обработки результатов исследования по индивидуальному влиянию """ 1

специфических поллютантов (фенол, нСПАВ) РисУнок 3 " Количественный усредненный в условиях вариабельности их концентраций в состав биоценоза активного ила в промстоках и стабильных условиях аосолютных единицах

функционирования очистных сооружений по другим приоритетным показателям было

установлено несоответствие экспериментальных и расчетных данных, что подтверждается низкими значениями коэффициентов детерминации соответственно равные 55,94% и 34,61% для фенола и нСПАВ. Дальнейшие исследования показали необходимость обязательного учета состояния активного ила на начальный момент процесса биологической очистки для получения модели, позволяющей адекватно прогнозировать текущее состояние активного ила и его восстановительный потенциал в процессе водоочистки (коэффициент детерминации для фенола и нСПАВ 88,99% и 81,69% соответственно).

Таблица 4 -Влияние условий формирования активного ила на его структуру и

Гликоль. мг/д\г хпк. чг/дм' Фенол, мг/дм3 нСПАВ. чг/дм3 бпк>. мг/дч3 Надиловая жидкость* Характеристика хлопьев активного ила

Токсичность, % Мутность, мг/дм' бти. Кол-во Кол-во

31.5*0.90 446*36 0.71 ±0.18 2.60*0.36 102*5 10*4.5 1.52*0.09 22,64 384 0.074 40

12.5±0.36 572±36 45.1*0.9 0.71*0.18 180*9 20*4.5 7.33*0.18 15.86 1143 0.074 61

156.7*0.72 971*72 2.20±0.45 1.40*0.18 302*9 30*9 9,56±0.09 8.06 5093 0.074 40

10.9±0.36 1900*72 4.20*0.36 1.12*0.09 687*4,5 35*9 12,01*0.18 5.01 6226 0,074 69

4,4*0.18 245*9 0.011*0.002 3.61*0.18 58.3*0.9 0 0,23*0,09 104.53 1778 0.074 27

4.3*0.18 263*9 0.83*0.18 11.2*0.45 125*5 0 0.47*0.09 45.83 1616 0.074 31

20.8±0.36 6131:36 3.91±0.18 4.35±36 179*9 20*3 7.23*0.18 15.26 2930 0.074 73

* - для регенерированного активного ила

В работе предусматривалась проверка значимости коэффициентов уравнений регрессии и адекватности модели с использованием критерия Стьюдента и Фишера соответственно.

Невозможность графически изобразить целевую функцию, зависящую от трех переменных (концентрация поллютанта, время аэрации, исходное состояние активного ила), обусловила для исследования взаимного влияния управляющих факторов построение поверхностей функции двух переменных при определенном значении третьей.

Полученная поверхность имеет сложный экстремальный характер, в связи с чем в практике водоочистки целесообразнее использовать проекции полученных поверхностей на плоскость при заданных величинах контрольных факторов (рисунок 4 а, б в качестве примера).

Полученные результаты свидетельствуют о значительном ингибирующем воздействии фенола на биоценоз активного ила, что согласуется с результатами визуального наблюдения и проявляется в дезинтеграции хлопьев активного ила (рисунок 5), появлении свободноплавающих клеток, что обусловливает устойчивую мутность надиловой жидкости (таблица 5), повреждением индикаторов. При ухудшении исходного состояния биоагента и увеличении концентрации экотоксиканта в стоке его негативное воздействие на биом активного ила возрастает, что наглядно демонстрирует материал, приведенный на рисунке 6.

Учитывая возможность проявления эффекта синергизма, проведена математическая обработка обобщенных данных по биодиагностике активного ила при одновременном проявлении возмущающего воздействия двух контрольных экофакторов были установлены основные закономерности взаимного влияния ХПК - нСПАВ, фенол - ХПК, фенол - нСПАВ на состояние активного ила в процессе биологической очистки и его восстановительный потенциал.

Высокие значения коэффициентов детерминации 92,40%, 92,55%, 89,11% соответственно для вышеуказанных бинарных систем стрессоров свидетельствуют об адекватности полученных моделей.

Графическая интерпретация полученного уравнения регрессии для системы фенол-ХПК (в качестве примера) представлена на рисунке 7.

1" 1:

И 14

Нр-мя .прлцпп <

? «1-: Исгл-дное*'-'

.1кГПВ№ Т-• пп.1 «мп

| г- ■ Д-4

1 ^ ■

Время .г-раппп п

В|К'Г.И.|'.|>.|ШП[ ч

Рисунок 4 - Поверхности (а, в) и проекции (б. г) поверхностей на плоскость функции состояния активного ила в динамике в зависимости от его исходного состояния и концентрации фенола в сточнойводе^аб-С^ =5мг/дм3; в,г-Са™, = 50мг/дм3

I

I ■

I I I

И'.мчньш ■ [г :ив.1г п м

Инг дм* Л'МГ дм1

Рисунок 5 - Влияние концентрации фенола на максимальную площадь поверхности хлопьев

(кходноссостгчнк .»и юного г

НОГЛДМЛ 3 И)МГ дм! □ <1>М1 д\I ■

Рисунок 6 - Влияние концентрации фенола и исходного состояния ила на его восстановительный потенциал

Таблица 5 - Мутность надичовой жидкости, мг/дм3 (в качестве примера) (при р =0,05) Исходная Исходное состояние активного ила, балл

Исходная концентрация фенола, мг/дм3

10±0,9

30±1.8

50±1,8

4,67±0,1 8

5.71 ±0,27

4,97 ±0.27

6,30±0.36

6.88±0.36

19ч

0,93±0,04

1,87±0.18

4,20±0,18

1 ч

3,031:0,18

3,27±0,09

4.32±0,09

3 ч

3,62±0,1 8

3,85±0,09

4,20±0.18

1.17x0,04

1.17±0,04

1,98x0,09

2,92±0.18

3,27±0.18

------—--- --------------------------4,08±0.09 4,43±0 09 2 57±0 09

Результаты микроскопирования показали, что как увеличение нагрузки так ' и повышение концентрации экотоксиканта ухудшает состояние биоценоза активного ила и снижает его восстановительный потенциал. Математическая обработка экспериментальных

1,87±0,04

а) б)

Рисунок 7 - Состояние активного ила в процессе биологической очистки при исходном состоянии активного ила 5 баллов: а - время аэрации 5ч; б - время аэрации 19ч

Следующий этап работы включал экспериментальные исследования по биомониторингу активного ила в процессе биологической очистки при совокупном воздействии всех ключевых стрессоров, характерных для процесса продленной аэрации сточных вод производств органического синтеза: нагрузки, фенола, нСПАВ, гликолей с последующей математической обработкой результатов микроскопирования при условии обязательного учета исходного состояния биоагента, осуществляющего очистку.

На ниже приведенном рисунке представлена графическая зависимость, адекватно описывающая состояния активного ила от концентрации фенола в сточных водах при определенном значении остальных стрессоров (рисунок 8, в качестве.примера).__________.

P.(-M4.vi['.ii(mr. 'i

данных также подтвердила более значимый вклад экотоксиканта в ингибирование микроорганизмов смешанной популяции и позволила выявить временной интервал угнетения и восстановления биоагента в зависимости от его исходного состояни_я_(рисун_ок 7).

=.1Д1 Ц'Н) 1 И" геи

ХПК.мгдмЗ

т 9т IW» !■»«• 1 а» хпк. мг дмз

а) б)

Рисунок 8 - Влияние исходного состояния активного ила на биоагент в процессе биологической очистки при: а - ХПК = 700 мг/дм3. Сат = 100 мг/дм . Сфт„ = 5 мг/дм ; Ссплв = 5 мг/дм3; б - ХПК = 1500 мг/дм3, Сгж = 250 мг/дм , С,/тю, = 50 мг/Ом ; Ссплв - 50

мг/дм3 _

При стабильных условиях функционирования действующей биостанции (ХГТК - 400700 мг 02/дм3; Сфс„ол < Ю мг/дм3; Сглив < 100 мг/дм3; Сспав < 15 мг/дм3) и хорошем исходном состоянии активного ила (4,5-5 баллов) по окончании процесса биологической очистки ил восстанавливается Увеличение концентрации основных токсичных загрязняющих веществ однозначно приводит к ухудшению состояния биоагента, пик которого наблюдается при 8-12 часах аэрации смеси ила со сточной водой. Дальнейшая аэрация не приводит к его полному восстановлению даже при хорошем исходном состоянии активного ила (рисунок 8), что позволяет отнести исследованный активный ил к относительно устойчивому биоценозу по восстановительному потенциалу [Жмур Н.С., 1997]. Как правило, такие биоценозы восстанавливаются естественным путем без рекультивационных мероприятий и в достаточно

короткие сроки (до 10 суток).

Что касается взаимного влияния контрольных биорезистентных загрязнителей - фенола и нСПАВ, хорошо согласующиеся экспериментальные и расчетные данные свидетельствуют о более значительном негативном влиянии экотоксиканта на активный ил (рисунок 9, в качестве примера).

Для подтверждения работоспособности предлагаемого метода контроля для прогнозирования состояния биоагента в процессе биологической очистки сточных вод были проведены дополнительные исследования с последующим сопоставлением экспериментальных и расчетных данных по состоянию активного ила (5-балльная шкала оценок), формирующегося на сточных водах вариабельного состава (таблица 6).

Таблица 6 - Данные по состоянию активного ила в различных условиях его функционирования по окончании процесса биологической очистки (при р=0,05)_

Условия функционирования активного ила Баллы

Исходное ХПК, Концентрация, мг/дм" Экспериментальные Расчетные

состояние, балл мг/дм Фенол СПАВ Гликоли

5 1500±36 10±0,09 10±0,45 15±0,9 4 3,8

3 1500±36 10±0,18 10±0,63 15±1,8 2 1,99

5 50(Ы8 50±0,18 50±0,36 250±2,7 2.5 2,45

3 500*18 50±0,45 50±0,45 250±3,6 0,5 0,51

5 500±18 50±0,72 10±0,18 15±3,6 3,5 3,48

3 500» 50±0,36 10±0,36 15±0,9 1.5 1,54

Хорошая согласованность экспериментальных и расчетных данных свидетельствует о правильном выборе математической модели для описания состояния биоагента в процессе продленной аэрации сточных вод производств органического синтеза.

Наряду с 5-балльной системой оценки активного ила в работе его состояние оценивалось по индексу родового биоразнообразия Шеннона [Gaston K.J. и др., 1993; Andersen A.N., 1995; Davidson I.С., 2005],

Однако определенная субъективность 5-бапльной шкалы оценок состояния биоагента и недостаточная информативность индекса Шеннона, не учитывающего состояние флокул активного ила и надиловой жидкости и, как следствие, приводящего к завышенным результатам (рисунок 10) вследствие бифункциональное™ активной биомассы, в работе предложено использование комбинированного показателя, абсолютная величина которого характеризует уровень стресса биоагента в процессе водоочистки непостоянных по составу и токсичных промышленных сточных вод:

КП= М/Нм

где М- мутность надиловой жидкости, мг/дм3, Hiм- модифицированный индекс Шеннона

К его преимуществам следует отнести объективный характер оценки, так как он базируется на данных прямых инструментальных определений.

Для исследованной экосистемы величина КП изменялась в диапазоне 0,039-9,50 в зависимости от условий формирования активного ила.

? м 15 » in I? 5.1

КчНцгшрпцгиОПАБ MJ дм"

Рисунок 9 - Взаимное влияние начальной концентрации СПАВ и фенола на биоагент после 5 ч аэраг/ии при: ХПК= 600 мг/дм3, Сим = 100 мг/дм исходное состояние активного ила 5 баллов

"юо Й'

90 -

Сопоставление регрессионных

уравнений, описывающих зависимость состояния биоагента в процессе водоочистки от контрольных стрессоров, полученных на основании двух количественных показателей состояния активного ила, свидетельствует о высокой чувствительности предлагаемого комбинированного показателя, более реально отражающего изменения, происходящие в биоценозе активного ила (Я = 97,06 % в сравнении с 90,11%) (рисунки 8 и 11).

Возможность и перспективность реализации предлагаемого метода в практике водоочистки подтверждается высокой согласованностью сравнительных результатов по оценке состояния биоагента, полученных в реальных производственных и экспериментально в лабораторных условиях при различных условиях формирования активного ила (таблица 7),_______

О 5 10

Время аэрации, ч Индекс Шеннона

Балды

Рисунок 10 - Относительная оценка состояния активного ила в динамике при ХПК = 650 мг/дм3 Ссплз = Ю мг/дм3, Сфе„т = 10 мг/дм3, Сгяк = 150 мг/дм3

б)

С.)

Рисунок II - Состояние активного una по КП в процессе водоочистки при: а - Сфе,ю:, = 5 мг/дм3. Сспав = 5 мг/дм3. Cím - 100 мг/дм3, ХПК = 700 мг/дм3: б - Сфтт = 50 мг/дм . Сспаб = 50 мг/дм3, Сгшт> = 250 мг/дм3, ХПК = 1500 мг/дм'

Условия функционирования активного ила (концентрация фенола, СПАВ, ХПК, мг/дм' соответственно) Исходное состояние активного ила Состояние активного ила после окончания процесса водоочистки

Балльная система оценки, балл КП Балльная система оценки КП

Экспериментальные данные Производственные данные Экспериментальные данные Производственные данные

0,06,0,28,311 5 0,12 4,5 4,5 0,79 0,82

0,04. 1,93,472 2,5 5,63 3.0 3,5 2,90 2,73

0,01.0,09, 566 5 0,40 4.5 4,5 0,77 0,75

0,1,0,37,245 4,5 0,88 4 4 0,79 0,66

0,03. 3,07, 396 3,5 3,19 3,5 3,5 3,21 3,1 1

0,01, 1,66, '74 2,5 5,14 3 3 3,97 3.84

0,08. 0,09. 302 4 1,72 3,5 4 3,11 2,72

0,18:3,55,293 2,5 5,41 3,5 3,5 3,40 3.37

^ни показываю I, Ч1и ^аьлижмсппс диппт,, л"""----------------г

процесса биологической очистки, представленных в таблице 7, составляет в среднем 15%, что следует признать более чем удовлетворительным.

Схема осуществления экспресс-контроля состояния активного ила и его восстановительного потенциала в производственных условиях приведена на рисунке 12.

Рисунок 12 - Схема осуществления экспресс-контроля с указанием точек отбора проб

Она предполагает на основании текущего аналитического контроля сточных вод и состояния активного ила определение его восстановительного потенциала по полученному уравнению регрессии. При условии величины восстановительного потенциала менее 80% предполагается проведение превентивных и рекультивацнонных мероприятий в зависимости от выявленной точки отбора проб с аномальным содержанием контрольных загрязняющих веществ.

Таким образом, в результате проведения систематического биомо.ниторинга исследованного биома активного ила процесса продленной аэрации сточных вод производств органического синтеза была показана перспективность метода экспресс-контроля, который может служить практическим руководством действий персонала при изменении условий функционирования очистных сооружений, так как позволяет оценить как состояние активного ила в процессе водоочистки, так и его восстановительный потенциал, и, тем самым, прогнозировать эффективность биоочистки сточных вод.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Для оценки воздействия основных абиотических факторов сточных вод производств органического синтеза на состояние активного ила, осуществляющего процесс биологической очистки, изучен его биоценоз который характеризуется достаточно высоким таксономическим разнообразием одно- и многоклеточных организмов, представленных 35 родами, и установлены доминирующие и наиболее информативные индикаторные организмы: p.p. Trinema. Arcella. Aspidisca.

2. Исследован уровень техногенного воздействия приоритетных поллютантов и нагрузки на состояние активного ила в процессе водоочистки. Получены уравнения регрессии, адекватно описывающие воздействие индивидуальных экофакторов (в интервазе концентрации 0,013-50 мг/дм3; 0,09-50 мг/дм3; 160-2000 мг/дм3 соответственно для фенола, нСПАВ и ХПК) на биоценоз активного ила при условии обязательного учета его исходного состояния по 5-баллыюй шкале оценок.

3. На основании биомониторинга активного ила, функционирующего в вариабельных условиях (стабильные и нестабильные) работы действующих очистных сооружений с последующей математической обработкой экспериментальных данных получена адекватная математическая модель б виде полиномиальной зависимости второго порядка функции 6 переменных и установлены основные закономерности совокупного влияния управляющих факторов: фенол, нСПАВ, гликоли, нагрузка, исходное состояние активного ила на состояние биоагента в процессе водоочистки и его восстановительный потенциал.

4. Показано, что в процессе продленной аэрации сточных вод производств органического синтеза формируется низконагружаемый нитрифицирующий ил, относящийся к слабоустойчивым биоценозам с высоким потенциалом естественного восстановления, который требует проведения рекультивацнонных мероприятий только при систематическом токсичном воздействии экополлютантов.

5. Предложен комбинированный показатель состояния биоценоза активного ила, учитывающий степень разрушения его флокул и изменение родового биоразнообразия, что позволяет более достоверно оценить уровень его стресса, обусловленного техногенным прессом. Установлен диапазон его изменения 0,039-9,50 при различных условиях функционирования действующих очистных сооружений. Хорошее согласование экспериментальных данных по восстановительному потенциалу активного ила, полученное для промышленной и модельной экосистем водоочистки, подтверждает возможность и целесообразность использования данного показателя при биодиагностике состояния активного ила.

6. Разработан универсальный метод прогнозирования состояния активного ила, который позволяет без дополнительных капитальных затрат осуществлять управление процессом продленной аэрации сложных и непостоянных по составу промышленных

сточных вод производств органического синтеза

Список работ, опубликованных по теме диссертации

В изданиях из перечня ВАК Шнобрнауки России:

1. Балымова ЕС., Ахмадуллина Ф.Ю, Закиров Р.К. Влияние фенола на биоценоз низконагружаемых активных плов // Вестник Казанского технологического университета 2010. №11. С.339-347.

2. Балымова Е С., Ахмадуллина Ф.Ю., Закиров Р.К. Биомониторинг активных илов процесса продленной аэрации сточных вод //Вода: химия и экология. 2010. №9. С.29-34.

3. Балымова Е.С., Ахмадуллина Ф.Ю., Закиров Р.К. Реализация биоматематического подхода для экспресс-оценки состояния биоценоза активного ила в процессах продленной аэрации сточных вод нефтехимического комплекса // Вода: химия и экология 2011 №11 С.52-57. ' ~ '

4. Балымова Е.С., Закиров Р.К., Гайнетдинова P.P., Ахмадуллина Ф10. Биомониторинг активного ила - перспективный путь решения проблемы экспресс контроля процесса биологической очистки нефтесодержащих сточных вод // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т.15. №2. С.50-52.

5. Балымова Е С., Закиров Р.К., Гайнетдинова P.P., Ахмадуллина Ф.Ю. Биодиагностика активного ила как метод экспресс-контроля биологической очистки сточных вод//Безопасность втехносфере. 2012. №4. С.11-16.

6. Балымова Е.С., Ахмадуллина Ф.Ю., Закиров Р.К. Реализация биоматематического подхода для экспресс-оценки состояния биоценоза активного ила в процессах продленной аэрации сточных вод нефтехимического комплекса//Вода: химия и экологи 2012 Х»2 С 5056.

Патенты:

7.Способ мониторинга активного ила в процессе биологической очистки сточных вод: заявка 2013107859 Рос. Федерация : МПК7 C12Q3/00, C12N1/00 / Балымова ЕС. (RU) Ахмадуллина Ф.Ю (RU), Сотников A.B.(RU), Закиров Р.К. (RU); заявитель Балымова Елена Сергеевна, - № 2013107859/10; заявл. 21.02.13 ; опубл. 27.08.14, Бюл.'№ 24' приоритет 21.02.13,-1 с. : ил.

В других изданиях:

8.Балымова ЕС., Закиров Р.К., Гайнетдинова P.P., Ахмадуллина Ф.Ю. Биодиагностика промышленных илов - как способ управления качеством биоочищенных сточных вод химических предприятий // Журнал экологии и промышленной безопасности 2009. №3. С. 10-11.

9. Балымова Е.С., Гайнетдинова P.P., Ахмадуллина Ф.Ю. Биомониторинг промышленных илов / X Международная конференция молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии»: сборник тезисов докладов. Казань: Изд-во «Отечество» 2009 С.301.

10 Балымова Е.С., Закиров Р.К., Ахмадуллина Ф.Ю. Биодиагностика промышленного ила в процессе очистки сточных вод производств органического синтеза / «Экотоксикология-2009»: материалы Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи Пущине: ИБФМ РАН, 2009. С.109-112.

11 Исследование влияния взаимосвязи состояния активного ила и эффективностью биологической очистки воды / Хайруллина А.Р., Сабирзяноза А.И., Балымова Е.С., Ахмадуллина Ф.Ю. // XI Международная конференция молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии»: сборник тезисов докладов. Часть 2. Казань: Изд-во «Отечество», 2010. С.75-76.

12 Балымова Е С., Ахмадуллина Ф.Ю., Закиров Р.К. Реализация биоматематического подхода для экспресс- оценки состояния биоценоза активного игл / Биология - наука XXI века: 15-я Международная Путинская школа-конференция молодых ученых: сборник

тезисов Пущино, 2011. С.258-259.

13.Балымова Е.С. Биодиагностика активного ила - перспективное решение проблемы экспресс- контроля биологической очистки сточных вод нефтехимического комплекса / Eurasia Green: материалы Междунар. конкурса науч.-исслед. работ молодых ученых и студентов. Екатеринбург: Изд-во Урал. гос. экон. ун-та, 2011. С.8-10.

М.Балымова Е С., Ахмадуллина Ф Ю. Реализация биоматематического подхода для экспресс- оценки состояния биоценоза активного ила в процессах продленной аэрации сточных вод нефтехимического комплекса / Микроорганизмы и вирусы в водных экосистемах: материалы 3-го Байкальского Микробиологического Симпозиума с международным участием. Иркутск: Издательство Института географии им.В.Б Сочавы СО РАН, 2011. С.13-15.

15.Balymova E.S., Akhmadullina F.Yu. Biomathematical approach for rapid assessment of activated sludge in extended aeration sewage of petrochemical complex / Микроорганизмы и вирусы в водных экосистемах: материалы 3-го Байкальского Микробиологического Симпозиума с международным участием. Иркутск: Издательство Института географии им.В.Б.Сочавы СО РАН, 2011. С.15-16.

16Балымова Е С., Ахмадуллина Ф Ю. Биомониторинг активного ила - как способ управления качеством биоочищенных сточных вод / Актуальные проблемы биохимии и бионанотехнологии: сборник трудов II Международной Интернет- конференции. Т.2. Казань: издательство «Казанский университет», 2012. С.30-31.

П.Балымова ЕС., Ахмадуллина Ф.Ю. Экпресс- прогнозирование состояния активного ила в процессе биологической очистки сточных вод непостоянного состава / Молодежь. Наука. Будущее: технологии и проекты: материалы международной науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов. Т.1. Казань: Изд-во «Познание» Института экономики, управления и права, 2012. С.240-242.

18.Балымова Е С. Эспресс- метод контроля и управления процессом очистки сточных вод на основе биодиагностики активного ила / Сборник научных трудов молодых ученых (по материалам I Республиканской молодежной экологической конференции). Качаны Отечество, 2014. С 27-37.

Выражаю особую благодарность и признательность старшему преподавателю кафедры промышленной биотехнологии КНИТУ Ахмадуллннои Фариде Юиусовпе, принимавшей участие в постановке задач работы, проведении технологических консультаций и обсуждении диссертационной работы.

Заказ

Офсетная лаборатория Казанского национального исследовательского технологического университета

420015, Казань, К.Маркса, 68