Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Изучение возможности снижения уровня техногенного воздействия при выполнении процесса обезжиривания меховой овчины

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата технических наук, Шалбуев, Дмитрий Валерьевич, Улан-Удэ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО Й ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ УРОВНЯ ТЕХНОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ПРОЦЕССА ОБЕЗЖИРИВАНИЯ МЕХОВОЙ ОВЧИНЫ

Специальность 11.00.11 - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Д.б.н., проф., Цыренов Владимир Жигжитович

На правах рукописи

Ш А Л Б У Е В Дмитрий Валерьевич

к.т.н., проф., Думнов Василий Семенович

Улан-Удэ 1999

РЕФЕРАТ

Диссертация 165 е., 38 рис., 52 табл., 133 источника, 1 прил.

СТОЧНАЯ ВОДА, ОБЕЗЖИРИВАНИЕ, СИНТЕТИЧЕСКИЕ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ ВЕЩЕСТВА (СПАВ), МИКРООРГАНИЗМЫ, АДАПТАЦИЯ, КОНТАМИНАНТЫ, ХИМИЧЕСКОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ КИСЛОРОДА (ХПК), КОНЦЕНТРАЦИЯ СПАВ, ДЕСТРУКЦИЯ, МОРФОЛОГО-ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И КУЛЬТУР АЛЬНЫЕ ПРИЗНАКИ.

Объектом исследования являлись синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ) разной химической природы и микроорганизмы, выделенные из сточных вод после процесса эмульсионного обезжиривания меховой овчины.

Цель работы - выделить и изучить возможность использования микробных продуцентов со специфическими свойствами в процессе обезжиривания; разработать условия получения стартовой культуры и новые обезжиривающие составы, на основе СПАВ и выделенных микроорганизмов.

В результате исследования разработана ресурсосберегающая, экологически безопасная технология основанная на использовании микроорганизмов с липолитическими свойствами, способных биодеструктировать как жировые вещества (шерстный жир) в присутствии СПАВ, так и сами СПАВ.

Выделены и изучены микроорганизмы способные вовлекать в конструктивный и энергетический обмен как жировые вещества в присутствии СПАВ, так и сам СПАВ.

Предложен новый прокариотический организм со специфическими свойствами и разработаны условия его культивирования.

Разработаны новые обезжиривающие составы, позволяющие сохранить качество обезжиривания меховой овчины, при снижении уровня техногенного воздействия на окружающую среду.

Эффективность предложенного совмещенного метода обезжиривания определяется его минимальным уровнем техногенного воздействия на окружающую среду, при сохранении качества готовой продукции.

Степень внедрения - апробация разработанной технологии была проведена в производственных условиях учебного научно-производственного комплекса (УНПК) «ЭКОМ» ВСГТУ.

Содержание

Введение 4

Глава 1. Современные методы проведения процесса обезжиривания 8

1.1. Химическая природа животных жиров 8

1.2. Характеристика основных методов обезжиривания 12

1.3. Микроорганизмы-деструкторы поверхностно-активных веществ 18 Глава 2. Организация экспериментов и методы исследования 29

2.1. Объекты исследования и методика проведения эксперимента 29

2.2. Методы исследования 36 Глава 3. Экспериментальная часть 40

3.1. Изучение коллоидно-химических свойств СПАВ 41

3.1.1. Определение типа СПАВ 41

3.1.2. Изучение коллоидно-химических свойств СПАВ 44

3.1.3. Изучение обезжиривающей способности СПАВ 5 8

3.1.4. Изучение влияния типа СПАВ на качество сточных вод после процесса 61 обезжиривания

3.2. Изучение влияния типа СПАВ на количественный и качественный состав 72 микробиоценоза обезжиривающей ванны

3.2.1. Изучение влияния типа СПАВ на рост и развитие микроорганизмов 72 3.2.1.1. Изучение морфолого-физиологических и культуральных признаков 82

выделенных микроорганизмов

3.2.2. Выделение микроорганизмов с липолитическими свойствами 87 3.2.2.1. Изучение влияния типа СПАВ на активность микроорганизмов культуры J 102

3.2.3. Выделение микроорганизмов-деструкторов СПАВ 112 3.2.3.1. Изучение способности выделенных микроорганизмов утилизировать 125

различные типы СПАВ

3.3. Оптимизация параметров получения стартовой культуры 135

Глава 4. Технико-экономическое обоснование 146

4.1. Расчет расхода химических материалов 148

4.2. Расчет платы за сброс сточных вод в городские канализационные сети 149 Выводы 152 Список использованных источников 153 Приложение 162

Введение

Актуальность работы. В последнее время, в связи с работами, направленными на интенсификацию технологических процессов, в окружающую среду, к прежде всего в нативные водные объекты, стали поступать различные синтетические химические соединения. Особенностью данных ингредиентов являлось то, что до начала антропогенного воздействия большинство ксенобиотиков поступающих в окружающую среду, в ней отсутствовали. Соответственно, в природных экосистемах не было организмов специализирующихся на данных контаминантах, так как для большинства прокариотов они не могли служить источником питания и энергии, ввиду их сложной химической структуры и токсичности. Все это явилось причиной медленного их разрушения, накопления и аккумулирования в трофических цепях, вызывая нарушения как на физиологическом, так и на генетическом уровнях.

Исключением не являются и предприятия меховой промышленности, которые в последнее десятилетия стали широко применять различные вещества, позволяющие значительно сократить продолжительность технологических процессов, но однако, не учитывая их отрицательного воздействия на сложившиеся экосистемы.

Согласно комплексной системе стандартов, озаглавленной «Нормы допустимых воздействий на экологическую систему озера Байкал», загрязняющие вещества, поступающие в озеро Байкал и его притоки, подразделены на четыре категории: экологически особо опасные; экологически высоко опасные ; экологически опасные и экологически умеренно опасные. Поступление веществ первой категории в нативные водные объекты недопустимо, так как до начала антропогенных воздействий данные вещества в озере отсутствовали. К ним следует отнести, прежде всего, моющие вещества, такие как алкилбензолсульфонат натрия; ОП-7; ОП-Ю и другие синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ). Однако, анализ стоков свидетельствует о нарушении разрешений Госкомэкологии Республики Бурятия по ряду ингредиентам, в том , в том числе и СПАВ, в то время, как данные вещества должны полностью отсутствовать в сточных водах, поступающих в нативные водные объекты.

Одной из причин превышения установленных нормативов СПАВ является то, что в последнее время в Республике Бурятия появилось значительное количество предприятий и цехов по обработке овчины и пушно-мехового сырья. Это связано с тем, что СПАВ применяются практически во всех технологических процессах переработки меховой овчины. Однако, максимальный расход СПАВ до 8 г/дм3, характерен для эмульсионного

обезжиривания, что обуславливает высокие концентрации данного контаминанта в отработанных водах. Кроме того, сточные воды после эмульсионного обезжиривания содержат формальдегид, имеют щелочную реакцию (рН 7.5-8.5), обусловленную введением в обезжиривающую ванну карбоната натрия.

Все это обуславливает необходимость в проведении обязательной очистки данных стоков при сбросе их в нативные водные объекты. Однако, на большинстве предприятий, занимающихся переработкой овчин и пушно-мехового сырья очистные сооружения либо отсутствуют, либо не совершенны, и не могут соответствовать установленным стандартам сбросов без серьезного их обновления. Могут быть необходимы и дополнительные системы трех ступенчатой очистки, включая химическую коагуляцию, фильтрование, удаление тяжелых металлов и токсичных органических веществ, в частности СПАВ.

В связи с этим, становится актуальным при совершенствовании технологических процессов переработки овчины и пушно-мехового сырья, и в частности, процесса обезжиривания, учитывать не только физико-механические и химические свойства, предъявляемые к готовой продукции, но и предполагаемый уровень техногенного воздействия, оказываемый в последствии на окружающую среду, в частности на нативные водные объекты. Одним из направлений, позволяющих решить данную проблему, является совмещение микробиологического и эмульсионного обезжиривания.

Определенный положительный опыт применения ферментов различного происхождения накоплен в кожевенной промышленности, который связан в основном с разработкой эффективных способов обезволашивания сырья с сохранением шерсти. Применение в промышленности находят специфические протеолитические ферменты, которые активно воздействуют на межволоконные белки шкуры, что и приводит к ослаблению связи волоса с кожевой тканью.

Поэтому представлялось более перспективным выделение микробных продуцентов со специфическими свойствами, способных деструктировать жировые вещества в присутствии СПАВ. Однако, применяемые в настоящее время СПАВ, в большинстве своем, слабо подвергаются биологическому окислению, отрицательно воздействуют на сложившиеся биоценозы нативных водных объектов. Все это обуславливает необходимость сокращения расхода СПАВ при обезжиривании и выделения специфических микроорганизмов, способных их деструктировать, что позволит снизить их концентрацию в сточных водах, сбрасываемых в природные водоемы.

Цель и задачи исследований. Целью настоящий работы являлось:

1. Обосновать возможность использования специально отобранных микроорганизмов при выполнении обезжиривания меховой овчины, с целью снижения загрязнения сточных вод.

2. Разработать условия культивирования прокариотических организмов, обладающих специфическими свойствами, и новые обезжиривающие составы на основе СПАВ и специально отобранных культур.

Для достижения указанных целей необходимо было решить следующие задачи:

1. Выделить и изучить возможность использования прокариотических организмов со специфическими свойствами в процессе обезжиривания меховой овчины.

2. Провести сопоставимую оценку коллоидно-химических свойств СПАВ, применяемых в меховой промышленности.

3. Оценить влияние различных по химической природе (типов) СПАВ на качество сточных вод, образующихся после процесса обезжиривания.

4. Исследовать влияние типа СПАВ на рост и развитие микроорганизмов.

5. Выделить микроорганизмы, способные деструктировать как жировые вещества в присутствии СПАВ, так и сами СПАВ.

6. Разработать условия культивирования прокариотических организмов со специфическими свойствами.

7. Разработать технологию обезжиривания меховой овчины составом, включающим специально отобранные прокариотические организмы и легкоразлагаемые СПАВ, и исследовать изменения качественного состава сточных вод.

Научная новизна. При выполнении диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Выделены и проведена селективная адаптация микроорганизмов, способных деградировать жировые вещества в присутствии СПАВ.

2. Изучена способность выделенных организмов использовать СПАВ в качестве источника углерода.

3. Подобраны составы сред и разработаны условия культивирования выделенного прокариотического организма, способного деградировать жировые вещества в присутствии СПАВ. Также данный микроорганизм способен использовать СПАВ в качестве единственного источника углерода.

4. Разработаны новые обезжиривающие составы, позволяющие сохранить качество обезжиривания меховой овчины, при снижении уровня техногенного воздействия на окружающую среду.

Практическая ценность. Впервые разработана ресурсосберегающая, экологически безопасная технология обезжиривания меховой овчины, основанная на использовании микроорганизмов с липолитическими свойствами, способные деградировать жировые вещества (шерстный жир) в присутствии СПАВ.На основе представленных научных и экспериментальных исследований выделен и отобран микробный продуцент способный утилизировать как жировые вещества (шерстный жир) в присутствии СПАВ, так и сами СПАВ, а также разработаны условия получения стартовой культуры, с последующим ее использованием при совмещении микробиологического и эмульсионного обезжиривания.

На основе полученных результатов исследовано влияния предлагаемого обезжиривающего состава на уровень загрязнения сточных вод и степень удаления жировых веществ с поверхности волосяного покрова меховой овчины.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на конференции «Экологические проблемы микробиологии и биотехнологии Байкальского региона» (Улан-Удэ, 1995 г.), Российской научно-практической конференции «Образование в условиях реформ: опыт, проблемы, научные исследования (Кемерово, 1997 г.); Научно-практической конференции «Возрождение традиционного животноводства, его связь с материальным бытом, культурой, традициями, обычаями населения Байкальского региона (Улан-Удэ, 1998 г.); 3-ем Международном конгрессе ЭКВАТЭК-98 «Вода: экология и технология» (Москва, 1998 г.); 13-ом Международном конгрессе «Chemical and Process Engineering CHISA'98» (Прага, 1998 г.); 1-ой Международной конференции «Промышленность. Технология. Экология. (ПРОТЭК'98)» (Москва, 1998 г.); 4-ой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Сибресурс-4-98)» (Барнаул, 1998 г.); Международной научно-практической конференции «Проблемы водоснабжения и экология водных бассейнов» (Пенза, 1998 г.); Республиканской научной конференции «Биология на пороге XXI века» (Улан-Удэ, 1998 г.); Межрегиональная научно-практическая конференция «Развитие меховой промышленности России» (Москва, 1999 г.) и на конференциях преподавателей, научных сотрудников и аспирантов Восточно-Сибирского государственного технологического университета (Улан-Удэ, 1997, 1998 годы).

Теоретические и экспериментальные результаты исследования обсуждались на научных семинарах кафедр биотехнологии и технологии кожи и меха ВСГТУ, 1996-1998 гг.

Апробация разработанной технологии была проведена в производственных условиях опытного производства «ЭКОМ» ВСГТУ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 печатных

работ.

ГЛАВА 1. Современные методы проведения процесса

обезжиривания меха

В дерме и волосяном покрове некоторых видов меховых шкур, прежде всего в меховой овчине, лямке, морском звере и других, содержится значительное количество жировых веществ. При этом вещества, содержащиеся в дерме, при длительном хранении окисляются, часто вызывая снижение прочности дермы. Жировые вещества, смазывающие волос, затрудняют процесс крашения и получение нужной и равномерной накрашиваемости волосяного покрова/1/.

Наибольшую трудность представляет обезжиривание меховой овчины, так как кроме содержания жиропота, ее волосяной покров загрязнен еще остатками корма, репьем, пылью. Поэтому обезжиривание волосяного покрова овчины является одним из основных процессов ее выделки. Оно обусловливает блеск и рассыпчатость волосяного покрова, равномерность и «живость» его окраски. Обезжиривание должно вестись до содержания жира в волосе в пределах 1.5-2%. При более низком содержании жира ухудшаются физико-механические свойства волоса, появляются хрупкость и ломкость, снижается устойчивость его к истиранию в результате нарушений природной укладки поверхностного (чешуйчатого) слоя волоса /2,3/.

1.1.Химическая природа животных жиров

Жиры представляют собой смесь разнообразных по составу органических веществ. В натуральных жирах содержится около 95-97% глицеридов жирных кислот. В состав глицеридов жиров входят главным образом высокомолекулярные жирные кислоты с числом углеродных атомов 16, 18, 20, 22 и выше (пальметиновая, стеариновая кислоты). Встречаются и низкомолекулярные - с числом углеродных атомов 4, 6 и 8 (масляная, капроновая, каприловая кислоты). В целом, число выделенных из жиров кислот может достигать 170 /4/. Тем не менее, ряд авторов считают, что жирные кислоты могут входить не только в состав глицеридов, но и большинство других липидов - постоянных спутников природных жиров /5,6/. Подавляющая часть жирных кислот в жирах имеет прямую цепь углеродных атомов III. Однако, исследования показали, что насыщенные жирные кислоты с разветвленной цепью атомов углерода встречаются в жирах значительно чаще, чем полагали раньше, но в очень небольших количествах /8/. Относительная плотность жирных кислот чуть меньше единицы /9/. В состав жиров также входит некоторое количество

сопутствующих веществ - фосфатидов, стеринов, восков, продуктов гидролиза глицеридов и другие. Такую сложную смесь в природных жирах, выполняющую важную физиологическую и биохимическую роль в живых организмах, называют липидами /4/.

Липиды в дерме находятся главным образом в мускульно-жировом слое и сетчатом слоях и сосредоточены в жировых клетках, вкрапленных между пучками коллагеновых волокон /10/. Большую часть липидов в различных тканях животных составляют триацилглицериды (ТГ), которые синтезируютс