Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Очистка сточных вод в условиях интенсифицирующей добавки N,N-дифенилгуанидиниевой соли дигидроксиметилфосфиновой кислоты под влиянием физических и химических факторов

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Очистка сточных вод в условиях интенсифицирующей добавки N,N-дифенилгуанидиниевой соли дигидроксиметилфосфиновой кислоты под влиянием физических и химических факторов"

МАСАГУТОВА ЭЛЬВИРА МАЛИКОВНА

О ЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИФИЦИРУЮЩЕЙ ДОБАВКИ .\,Гч-ДИФЕНИЛГУАНИДИНИЕВОН СОЛИ ДИГИДРОКНСМЕТИЛФОСФИНОВОЙ КИСЛОТЫ ПОД ВЛИЯНИЕМ ФИЗИЧЕСКИХ И ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

03.02.08 - Экология (химия)

5 ДЕК 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Казань-2013

005543329

Работа выполнена на кафедре «Инженерная экология» федерального государственного бюджетного образовательного учрежден™ высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор, Фридланд Сергей Владимирович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Лаптева Людмила Ивановна, доктор химических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский

государственный архитектурно-

строительный университет», профессор кафедры химии и инженерной экологии в строительстве

Валеева Гузель Равильевна, кандидат химических наук, доцент, ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) Федеральный университет», доцент кафедры прикладной экологии

ФГБОУ ВПО «Чувашский

государственный университет имени И. Н. Ульянова», г. Чебоксары

Защита диссертации состоится 18 декабря 2013 г. в 16.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.080.02 в ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» по адресу: 420015. г. Казань, ул. К.Маркса. 68. зал заседаний Ученого совета (А-330).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет».

Автореферат разослан «18» ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета —' _ Степанова Светлана Владимировна

Актуальность темы Развитие промышленного производства ведет к постоянно возрастающему водопотреблению, вследствие чего увеличивается количество сточных вод (СВ). Широко используемым вариантом очистки СВ является биоочистка, для повышения эффективности которой применяют регуляторы активности микроорганизмов. В настоящее время проводят поиск новых синтетических биологически активных веществ (БАВ), способных в низких концентрациях повышать скорость очистки СВ. Такой подход значительно снижает расход БАВ и сводит к минимуму его воздействие на очищенную воду. Одним из перспективных биорегуляторов активности микроорганизмов являются дифенилгуашшиниевая соль дагидрокисметилфосфиновой кислоты (гуанибифос, ГБФ)*. Однако использование в технологии очистки СВ высокоразбавленных растворов БАВ сталкивается с рядом проблем, и прежде всего с отсутствием физико-химического обоснования нелинейных концентрационных зависимостей биоэффектов, то есть чередования «активных зон» . и «зон молчания», характерных для низких концентраций. Помочь решению этой проблемы может недавно обнаруженное явление, вызывающее эффект ультранизких концентраций и электромагнитных полей. Разработанные на этой базе исследования дают возможность объяснения и прогнозирования нелинейных концентрационных профилей биоэффектов растворов БАВ низких концентраций. В этой связи задача изучения самоорганизации и физико-химических свойств растворов ГБФ в широкой области концентраций, включая низкие, в естественных условиях и в условиях пониженного внешнего электромагнитного поля (ЭМП) является весьма актуальной. В настоящее время полностью нерешенными являются также вопросы о том, на каких стадиях очистки СВ возможно использование растворов БАВ низких концентраций, будет ли эффективным их применение в условиях значительного загрязнения СВ гидроперекисными и аминосодержашимн соединениями, негативно влияющими на биоценоз активного ила (АИ), и в какой степени изменения внешнего электромагнитного поля могут воздействовать на биоочистку СВ.

Цель работы Изучение свойств растворов ГБФ для обоснования оптимального интервала низких концентраций, в рамках которого возможна интенсификация биологической очистки сточных вод производств органического синтеза в естественных и стрессовых условиях загрязнений гидроперекисными и аминосодержашимн соединениями, а также влияния изменений внешнего электромагнитного поля на процесс очистки СВ.

Научная новнзна. В результате совместного изучения концентрационных зависимостей электрокинетпческого потенциала частиц, образующихся в растворе ГБФ в широком интервале концентраций (10'2-10'12 моль/л), удельной электропроводности растворов и значений химического потребления кислорода (ХПК), отражающего степень очистки СВ, впервые дано физико-химическое обоснование оптимального интервала низких концентраций (Ю'"-10"1а моль/л), в рамках которого возможна интенсификация биологической очистки сточных вод растворами ГБФ.

При изучении самоорганизации и физико-химических свойств растворов ГБФ в широкой области концентрации в естественных и гипоэлектромагнитных (ГМП)

Выражаю благодарность дх.н., доценту Рыжкнной Крине Сергеевне за соруководство к помощь в

обсуждении результатов при выполнении физико-химических исследований.

•ФридтандС.В., Павлова Т.П., Пантгокова М.Е. Пат. РФ №2404964//Бюл. Изобр. Полез. модели2010. №3;

условиях впервые найдена пороговая концентрация 10"5 моль/л, означающая, что ассоциаты в растворах ГБФ образуются в области концентраций Ю"'2 -10"6 моль/л.

Впервые установлено, что растворы ГБФ низкой концентрации (10'" моль/л), выдержанные в пермаллоевом контейнере, не способные к образованию ассоциатов, практически не оказывают никакого воздействия на процесс очистки СВ, что подтверждает прямую взаимосвязь между образованием ассоциатов в растворах ГБФ и их биоэффектом.

Установлена взаимосвязь между антиоксидантной активностью растворов ГБФ в низких концентрациях и их биоэффектом.

Изучено влияние растворов ГБФ в низких концентрациях на процесс биоочистки СВ с высокими показателями ХПК и в присутствии в производственных стоках гидроперекисных и аминосодержащих соединений, создающих стрессовые условия для биоценоза АИ.

Обнаружено, что повышение эффективности биологической очистки воды, возможно в условиях усиления магнитно-силового потока, воздействующего на процесс биологической очистки.

Практическая значимость работы Установлено, что применение растворов биорегулятора активности микроорганизмов Ы.Ы-дифенилгуанидшшевой соли дигидрокисметштфосфиновой кислоты низкой концентрации МО"10 - МО"11 моль/л на стадии биологической очистки СВ позволит сократить время очистки и энергетические расходы на барботирование. Результаты работы создают научную основу для разработки новых экологически безопасных и ресурсосберегающих технологий.

Апробация. работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Научно-практической конференции «Биологически активные вещества: фундаментальные и прикладные вопросы получения и применения» (Новый Свет, АР Крым, Украина, 2011); XI конференции научно-производственного экологического центра «Экоцентр» «Химия и инженерная экология» (Казань, 2011)»; XII Международной научно-практической конференции «Нанотехнологии в промышленности» (Казань, 2011); VI конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Иваново,

2011); Международной научно-практической конференции «Актуальные научные вопросы: реальность и перспективы» (Тамбов, 2011); Международной молодежной конференции «Экологическая безопасность горнопромышленных регионов» (Казань,

2012); Научной сессии «К столетию академика П.А. Кирпичникова» (Казань, 2013); Международной конференции «Структура воды: физические и биологические аспекты» (Санкт-Петербург, 2013); XXV всероссийской конференции «Современная химическая физика» (Туапсе, 2013).

Данная работа представлена на: 5-ой Биотехнологической выставке-ярмарке «РосБиоТех-2011» (Москва, 2011) и награждена золотой медалью за разработку биостимулятора активного ила для очистки сточных вод; конкурсе «Лучшее изобретение КНИТУ» (Казань, 2011, 3-е место); конкурсе проектных идей «Время удивлять» (Москва, 2011, 3-е место); конкурсе на соискание премии «Акватор» в области водоснабжения и водоотведения в номинашш «Научные исследования в области водоснабжения» (Москва, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи в журналах, рекомендованных к изданию ВАК, 8 тезисов докладов на конференциях различного уровня.

Структура диссертационной работы. Лиссер-гЯ.тт,„„<. работа состоит из введения, литературного обзора экспериментальной части и тематически разделенного обсуждения результатов, выводов и списка цитируемой литературы. Материал диссертационной работы изложен на 123 страницах, содержит 2 таблицы, 32 рисунка и список литературы из 137 наименований. '

Во введении обоснована актуальность, сформулирована цель, изтожены научная новизна и практическая значимость представляемой работы.

В первой главе приведен литературный обзор по применяемым биологически активным препаратам для интенсификации очистки бытовых и промышленных СВ, содержащих углеводороды; о влиянии БАВ на структуру воды и воздействии внешних ЭМП на биологическую очистку СВ. Сделан вывод о том что тема работы является новой и практически значимой, так как направлена на глубокое изучение растворов низких концентраций БАВ, позволяющих применять их в качестве стимуляторов процесса очистки СВ в стрессовых условиях, таких как присутствие гидроперекисных и аминосодержащих соединений.

Во второй главе описаны методики проведения экспериментов.

Третья глава посвящена обсуждению результатов экспериментов на основе проведенных исследований по окислению реальных СВ производств органического синтеза с использованием в качестве биостимулятора растворов ГБФ по изучению влияния растворов ГБФ на процесс очистки СВ в стрессовых условиях, таких как высокие показатели ХПК, содержание в производственных стоках аминосодержгщих и гидроперекисных соединений. Исследование влияния гипоэлекгромагнитных (ГМП) условии на процесс самоорганизации растворов ГБФ и процесс биологической очистки СВ. Так же представлено физико-химическое обоснование действия растворов ГБФ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Объекты и методы исследования

Основными объектами исследования в работе являлись многокомпонентные производственные СВ ОАО «Казаньоргсинтез». поступающие на стадию биологической очистки предприятия.

и-*«-»«3 данную стадню подается СВ с предварительной нейтрализацией до рН-6,5-7,5. Физико-химические показатели этих СВ представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Физико-химические показатели сточных вод

Показатели

ХПК

Фенол

Этиленгликоль

Неионогенные СПАВ

РН

Ед. измерения мг02/л

мг/л

мг/л

мг/л

Значение

500-900

2-4

40-90

2-6

6,5-7,5

Анализ современной литературы показал, что одним из вариантов интенсификации очистки СВ является воздействие на биоценоз АИ биорегуляторами активности микроорганизмов. Применение БАВ приводит к ускорению процесса очистки СВ, в результате чего происходит снижение значения ХПК.

В связи с этим в качестве объекта исследования выбрана ГБФ, синтезированная на кафедре «Инженерная экология» ФГБОУ ВПО «КНИТУ».

Исследования по биологической очистки СВ осуществляли путем смешивания 100 мл СВ и 100 мл АИ в колбе на 250 мл, которую устанавливали на шейкер (US-3504L). Далее в течение каждого часа отбирали пробу очищенной воды и определяли ХПК ускоренным методом.

Самоорганизация растворов ГБФ исследована методами динамического светорассеяния и микроэлектрофореза (анализатор Zetasizer Nano ZS «Malvem Instruments»), физико-химические свойства методами кондуктометрии (inoLab Cond Level 1 (WTW)), рН-метрии (inoLab pH 720 (WTW)), в условиях термостатирования образцов при 25 ± 0.1°С.

Изучение влияния внешних ЭМП на водные растворы исследуемых веществ в широкой области концентраций проводилось сопоставлением данных по параметрам частиц и физико-химическим свойствам для двух параллельных серий одного и того же раствора, выдержанных в течение 18-24 часов на лабораторном столе и в трехслойном пермаллоевом экранирующем контейнере, защищаемом содержимое от воздействия ЭМП.

Исследование влияния внешних ЭМП на биологическую очистку СВ осуществлялось в установке, представляющей из себя тор, внутри которого создавались условия, компенсирующие влияние ЭМП, в результате подачи постоянного тока по проводам, опоясывающим его внешний контур. Отсутствие ЭМП измерялось датчиком Холла.

Приготовление растворов осуществляли с использованием свежеприготовленной бидистиллированной воды, в которой анализатором фиксировалось полное отсутствие частиц. Удельная электропроводность такой воды не превышала 1,5-2 мкСмсм"'. Концентрация растворов достигалась путем последовательных десятичных разбавлений исходного раствора вещества в концентрации МО"2 моль/л.

Относительные ошибки измерения размера частиц в растворах лежат в интервале 2-15%, ^-потенциала - 4-20%, электропроводности и pH - 5-12%. Значения ошибок измерения зависят от концентрации раствора. Относительные ошибки измерения ХПК не превышали 4 %.

Влияние растворов ^Г^-дифеиплгуашишшевои соли дигидрокснметилфосфиновой кислоты низкой концентрации на процесс биологической очистки реальных сточных вод производства органического синтеза с завышенными показателями ХПК

Для получения информации о влиянии растворов ГБФ в концентрации 1-10'" моль/л на процесс биохимического окисления СВ с завышенным содержанием органических и неорганических веществ, проведены эксперименты по биохимическому окислению в присутствии и отсутствии регуляторов активности биоценоза АИ.

Использование растворов ГБФ в концентрации 110"" моль/л обусловлено проведенным ранее экспериментом в поиске оптимальной концентрации на процесс биоочистки СВ, поступающих непосредственно на стадию биологической очистки, то есть значения ХПК были не столь завышены. И доказано нами путем проведения физико-химического анализа, представленного далее.

Из проведенных ранее работ известно, что изменение ХПК СВ в процессе культивирования АИ коррелируют с изменением значений дегидрогеназной

активное!и II приростом биомассы. Для образца с содержанием раствора ГЬФ в концентрации 1 10 '1 моль/л наблюдалось более интенсивное снижение значений ХПК в процессе активного потребления органического субстрата по сравнению с контрольным образцом, отмечалась максимальная активность дегидрогенаэ и более интенсивный прирост биомассы.*

■я» V,

1- \ ч

V

\------^^

Рисунок I - Зависимости ашякиш тгчеим) ХПК 01 времени *ф»ци» С В • присутствии раствора ГБФ в ыыпкнтрацки I 10 " чаи.'л I-6» внесет» ГБФ. 2 - в тфиотствии ГБФ

Зависимости изменения

значений ХПК от времени аэрации СВ в присутствии раствора ГЬФ в концентрации 1 10*" июль/л показаны на рисунке 1.

Как видно эффект ускорения биохимического окисления отчетливо проявляется уже в первые 1,5-2 часа воздействия растворов ГБФ а к 4-му часу происходит снижение ХПК на 63% Полученный результагтсвидетельствует о возможности использования растворов ГБФ низкой концентрации в качестве биорегулятора активности

микроорганизмов в условиях завышенного показателя ХПК. что приводит к сокращению времени аэрации в два раза. Отметим также, что полученные значения ХПК по истечению 10 часов аэрации, как в присутствии, так и в отсутствии раствора I БФ практически одинаковы. И после 4 часов аэрации в процессе биоочистки существенных изменений не происходит В связи с этим дальнейшие эксперименты проводили в течение 4 часов.

Обоснование действии абиотических факторов на биосистему очистки сточных вод растворами ¡ЧЛ-дифенилгуанндинневой соли дипирокснмсшлфоефниовой кислоты

С целью физико-химического обоснования действия растворов низких концентраций проведено изучение самоорганизации водных растворов ГБФ в широкой области концентраций I 10"': - I IО"3 моль/л методом динамического светорассеяния (ДСР) н микроэлектрофорем. где установлено образование структур размерами от I до 270 нм. По характеру распределения частиц по размерам изученную область концентраций можно разделить на два интервала. В участке ПО*' - МО"4 моль/л распределение части» по размерам ноет бимодальный характер, в растворе фиксируются частицы размером -I нм и 200 нм, представляющие собой небольшие агрегаты ГЬФ и супрамолекулярные домены (рисунок 2 а-в). Как видно из данных рисунка 2, при разбавлении растворов ГЬФ процентное содержание частиц диаметром Ч нм резко падает, составляя 72%(1.2 нм). 27е/, (1.0 нм) и 9%(0.8 нм) при концентрации 1 10 ;. I 10* . I 10 ^ моль/л соответственно. С уменьшением концентрации вещества снижается не только содержание частиц размером -1 нм. но и их эффективный гидродинамический диаметр.

В интервале Г 10' -1 10*" моль/л распределение мономодальное (рисутюк 2 г). Начиная с концентрации I 10 ' моль/л образуются ассоииаты, размер которых нелинейно изменяется от 200 до 270 нм. При концентрации меньше I 10*1: моль/л частицы анализатором не регистрируются

•Диет работа выполнена л Т и . профессором Сиротвмныи А С "

Иимкмияспч Я При исследовании

водных растворов ГЬФ в условиях электрофоре¡2 найдены значения злестроюоктического петенциатэ (С-потенциата). которые нелинейно изменяются при уменьшении концентрации раствора ГБФ (рисунок 3). В области концентраций Г10"®-110'* моль л ¿¡-потенциал изменяется незначительно от • 1мВ до -2,5 мВ, а в 1 1Г" -1 ■ 10"': моль/л - достигает своего максимального значения -4 мВ, при этом в растворе образуются ассоциаты с минимальным размером 200 км. Таким образом, можно выделить интервал I 10"|л-1 • 10"'* моль'л, в котором параметры изменяются

экстремально (рисунок 3). Рклмо« 2 - распределение чястни но ра мерам ■ растворах гбф Изучение самоорганизации и 2»'С к, ниешриши. мол».д I юв - I 10"'. > ■ ■ юЛ удельной электропроводности ,в ■ растворов ГБФ в широкой

области I 10"} • I Ю"1' моль/л (рисунок 3) свидетельствуют о взаимосвязи между параметрами ассошшов и физико- химическими свойствами растворов, что особенно четко наблюдается в интервале I • 10"®-1 10"'г моль/л. который может представлять наибольший интерес с гонки зрения проявления биоэффектов в области низких концентраций.

Для доказательства этого предположения нами изучено влияния добавки растворов ГБФ в широкой области концентраций на процесс биологической очистки сточных вод производства ОАО «Казяиьоргсинтез» (рису нок 3).

Показано, что добавка ГБФ концентрации ПО"* моль/л ухудшает процесс очистки сточной волы, в интервале концентраций I 10" - I 10"'' моль/л • слабо влияет на этот процесс, в области I ■ 10'"* - МО" моль/л -интенсифицирует его. уменьшая ХПК в 2 раза по сравнению с контролем

I «'•»>

ими ниши

"Т-нЯ

|<1 1011 1Ш) |н1И» Л»име1р ч-к Т1М11, мы

\ЛК.«аО/.>

■»С

Рис>нок 3 - Зависимость <;-П01СииИ*Я> ЧЛСТМЦ (1) н ХПК (2) СВ • присутствии растворов ГЬФ от ьониешраши« ГБФ. 3 - качение ХПК в контрольной обраше. 25*С

Conocí явление концентрационных зависимостей ХПК н Í-потенциала частиц (рисунок 3) показывает, что изменении происходят симбагтно в одних и тех же областях концентраций: наиболее значительный биоэффект наблюдается в тех же интервалах, в которых происходят экстремальные изменения ¡¡-потенциала частиц.

Таким образом, покатано, что биоэффекты растворов ГБФ в области концентраций I I0'l!' -I 10"" моль/л коррелируют с образованием ассоциатов с экстремальными параметрами. Прямое доказательство этого яв.тения может быть получено при совместном изучении самоорганизации и биоэффектов растворов 1КФ низких концентраций, выдержанных в пермаллое вом контейнере, в которых ассоииаты етотствуют.

Для выявления области, в которой образуются ассоииаты изучены растворы ГБФ в широкой области концентраций, выдержанные в естественных условиях и экранирующих от воздействия внешнего ЭМП. Использование экранирующего контейнера, защищающего растворы, от воздействия внешних ЭМП выявило пороговую концентрацию ГЬФ I 10'' моль/л, ниже которой частицы в растворе в условиях экранирования не образуются (рисунок 4).

Б

Огсутсние 4JCIHU

Дшмстр частицы, мч

Рисуио* 4 . Распрелелеии? «сш по («мерам • волнам р»С1ВОрг ГБФ. видержияюм • течение 1« ч к> .иборяторвшч столе (А) И ■ Ж|М>шр>юш:и перчылоеюм контейнере <&» Комисетрмвж р*.-1юр» ГБФ I 10" мм/л

В подтверждении исследования о влиянии ассоциатов на биоэффект в процессах биологической очистки СВ растворы, выдержанные в естественных условиях и экранирующих от внешнего ЭМП, полились в систему биоочистки

На рисунке 5 представлены результаты процесса очистки СВ в присутствии ГЬФ. выдержанного в экранирующем контейнере н на лабораторном стояе.

Как видно из рисунка 5 процесс очистки СВ в присутствии раствора ГБФ, выдержанного в пермаллое 1юм контейнере идет аналогично биоочистке без внесения добавок То есть раствор ГЬФ, в котором не произошло образования ассоциатов. не оказывает никого действия на биологическую очистку СВ. что напрямую доказывает взаимосвязь между образованием ассоциатов в растворах ГБФ и их биоэффектом.

Рису мое 5 - Зямсииости ючеиеми тюлений ХПК от времени 1>р*шн СВ бе» внесеим» добавок (I). • присутствии растасф* ГБФ. миерииноы * естественны* ус.ювнвх (2) и мраинрукших от вошеЯствив внешнею ЭМП (3) Ковшектрацк« раствора ГБФ I Iff" мольч

I !•'. *п.Си*см

Так как АИ н СВ представляют собой сложную систему встает вопрос о возможности образования ассоциатов в многокомпонентных системах

Ддя доказательства возможности образования ассоциатов в многокомпонентных системах проведено изучение физико-химических свойств физиологического раствор» (ФР) в присутствии раствора ГБФ в широкой области концентраций

Изучение физико-химических свойств многокомпонентной системы ГБФ +ФР, содержащего ГБФ в широкой области концентраций 110",:-1 Ю"1 моль'л показало, что изменение значений удельной электропроводности

происходит симбатно. в одних и тех же о&тасгах концентраций I Ю"4- I КГ4 моп/л. I 10"10— 1 10 " моль/л и с уменьшением концентрации ГБФ происходит увеличение удельной

электропроводности в смешанном растворе (рисунок 6, кривая 2), аналогично водным растворам (рисунок 6. кривая I).

Таким образом. можно предположить, что в ФР происходит инициированное ГБФ образование ассоциатов Наблюдаемая взаимосвязь

Ржужш « . Эмжихвсть удельной хжктропрмодмостм расIворов ГМ II) и снесиииых ркпоро* ГЬО ♦ ФР (2) от кашетрйики ГЬФ Зючекис >ле.|ыюА ысьгропрсикииихш рж1ворв ФР (3) приведено аи ермнеит

новых структур • смешанных кониен[рационных зависимостей удельной элект ропроводкости водных растворов ГБФ и смешенных растворов ГЬФ+ФР свидетельствует об определяющей роли образования и перестроек ассоциатов в возникновении нелинейных концентрационных зависимостей физико-химических свойств и биоэффектов растворов, к ко торым относится ХПК С В в процессе биологической очистки

Для доказательства возможности образования ассоинатов в многокомпонентных системах также проводилось изучение физико-химических свойств СВ в присутствии раствора ГБФ в широкой области концентраций Выявлен подобный ход зависимостей, что и в исследовании с ФР. однако большое количество присутствующих компонентов в СВ осложняет исследование физико-химических свойств

Влияние раствора ЧЛ'-днфсни.пуанидинневой соли диI ил рим н»1 с ■ илфосфиновой кислоты на биологическую очистку сточных вол в прнсутсшнн иероксида водорода

Литературный обзор показал, что присутствующие в воде органические соединения могут подвергаться как аэробному биохимическому окислению в резу льтате жизнедеятельности бактерий, так и химическим процессам окисления при наличии в пробе воды сильных окислителей и соответствующих условий. В связи с этим предпринято изучение совместного действия биологических и химических факторов с целью выявления оптимальных условий очистки.

Современное гкн имаиие механизма окисления основано на перекненой теории, согласно которой органические вещества реагируют с кислородом.

предварительно переходящим н активное состояние Однако, химическому окислению подвергаются не только загрязняющие вещества, содержащиеся в СВ, но и ЛИ

С целью изучения влияния добавки растворов ГБФ в низкой концентрации на окислительные процессы при биологической очистке СВ в присутствии сильных окислителей (пероксид водорода, ПВ>, получены зависимости ХПК СВ от времени аэрации в системах содержащих АИ+ГБФ (рисунок 7, кривая I). а также ЛИ+ПВ (рисунок 7. кривая 2) и АИ+ПВ+ГБФ (рисунок 7. кривая 3). Концентрация ПВ

составляла I 10 1 - I 10 ' моль/л.

Рмсуно« 7 - Заамсююсш ишемсии* тачашй ХПК oí apcuthii дфяшш СВ ■ прмсу1С»1ш ЛИ-1ЬФ (I). ПВ'АИ (2). ПВ АН* ГБФ (3) Кс«истр.ик. ркгмр» ГБФ | Ю " »алк/и. »оиьнпр.ц« ПВ 2 10 • mmwíi

Как видно, кривые 2 и 3 имеют более сложный характер зависимости, по сравнению с контрольным опытом (кривая 1), который можно интерпретировать в виде

последовательных взаимодействий 11В не только с загрязняющим веществом СВ, но и биоценозом ЛИ, который при »том подвергается разрушению и генерирует растворимые и не окисленные органические соединения.

Однако в системе, содержащей раствор ГБФ (кривая 3), к 4-му часу аэрации наблюдается снижение ХПКна 53% по сравнению с очисткой без внесения раствора ГБФ. То есть раствор ГБФ в концентрации

Г10 ' моль1 л практически в 2 раза снижал отрицательное воздействие Г1В в концентрации 2 10" моль/л на биоценоз АН. что можно обменить действием двух факторов Во-первых, недавно проведенное

«.-» исследование но изучению антиоисклаитной активности растворов ГБФ широкой области концентраций, показало, что растворы ГБФ при концентрации 10 " моль/л обладают высокой антноксидантной активностью (рисунок 8).

Установление антиокошнткая активность растворов ГБФ низких концентраций связана с образованием и перестройкой наноассоцнатов в этой области концентраций, которые в свою очередь оказывают стимулирующее действие на процесс биологической очистки СВ.

Таким образом, растворы ГБФ в концентрации I 10 моль/л, о&тадаюише высокой антноксидантной активностью способствуют рекомбинации сво(одных радикалов, снижая их содержание п системе

•('»бог» имиянпш совместно (ЩИ. «Рентой Л»||Ш1Х«Ха ~

Рисунок I - Змкижкгм сушкрпой илисьеншитмо« •КПШМС1М '21 нм» р«стюро> ГИ> и vikhchukm« accouMíioe <3J • иыккиости oí ымигнтршжм. (I).

У Ажтшииртмтий «им пришлите« л.м срыт им*

лаже при избытке ПВ в десятки тысяч раз по сравнению с концентрацией раствора ГБФ.

Вторым фактором, объясняющим причин» интенсификации биоочистки СВ раствором ГБФ в присутстмш ПВ, может явиться защитное действие растворов ГБФ, оказываемое на биоценоз ЛИ, который подвергается стрессовой ситуации в результате воздействия на него ПВ То естьраслюры ГБФ низкой концентрации, вероятно, регулируют процессы перс<исного окисления липидов биомембран клеток биоценоза АИ, увеличивая стойкость г. повреждающим факторам и окислительному стрессу.

Влияние растворов ^.{Ч-лнфеннлгуанидннмевой соли дигидроксиметнлфосфнмовой кислоты на процесс биологической очистки реальных сточных вод прои luo.uitu органического синтеза, с повышенным содержанием optанических веществ

В связи с содержанием в реальных СВ широкого спектра загрязняющих веществ, вызван интерес проведения работы, направленной на изучение влияния раствора ГБФ в концентрации I 10'" моль'л на стимуляцию очистки СВ в моменты залповых сбросов н возможности конкурентного участия амниосодержащнх соединений в обменном процессе солсобрахжаикя с дит^ксиметтфосфмновой кислотой в присутствии их в большей концентрации, чем N.N-днфенитгуаниднн. Для зтого проведен ряд экспериментов с добавлением к реальной СВотлельных пол люди то в таких, как моноуг анодам ин (МЭА) (10 ' - Ю'1 моль'л), трютаноламии моль'л). аминоанпширин (АЛ) (10"- КГ1 моль^и фенол (ФИЮ4-101 \»ть'л).

Результаты экспериментов зависимости ХПК от времени аэрашш СВ для МЭА (3), ТЭА (4) и АА (5) приведены на рисунке 9. в котором видно, что исследуемые аминопроизиолные соединения в больших концентрациях могут вступать в обменные процессы с N.N-дифенидгуанидином с обраюванием зтанолаиинных солей дигн^роксиметилфосфиновой кислоты, которые в свою очередь не проявляют активность пс отношению к процессам биологической очистки СВ

Свидетельством этому являются физико-химические исследования растворов МЭА, ТЭА а широкой области концентраций, в которых не происходит образование наноассоииатов и экстремальных изменений физико-химических параметров

Также присутствие в сточной воде амнносодержашнх соединений в больших концентрациях вызывает токсическое действие, оказываемое на биоценоз АИ.

Сравнительный анализ проведенных экспериментов процесса биоочистки СВ в присутствии загрязняющих веществ отраженный на рисунке 10. свидетельствует о том. что присутствие раствора ГБФ приводит к снижению ХПК. по сравнению с опытом без добавления раствора Г БФ

Рмсуно« 9 - Замкиостк «тентш ииченкй ХПК от времени aiptum СВ * отсутствии jo6aacx (I). > присутствии рсстиро* ГБФ (2). ГБФ ♦ МЭА (3). ГБФ +ТЭА ГВФ +АА (5) Рктюры ло6»м» иссь и лгке пяты а следующих toHucmpauiuK ГБФ • I 10" мол»/л. МЭА - 2,3 10'' моль/л. ТЭА - 0.) 10' моль'л. АА - МО'моль»

Таким образом. можно сделать вывод, что раствор ГБФ так же оказывает влияние на стимуляцию процесса биологической очистки в моменты залповых сбросов в СВ. но в меньшей степени. относительно биоочистки в отсутствие дополнительных загрязняющих

веществ. Интенсификация процессов очистки осуществляется лишь на 510%, относительно биоочистки без добавления раствора ГЬФ. Такой результат объясняется тем. что исследуемые соединения в больших концентрациях, содержащие

аминогруппы, вступают в обменные процессы с Н,М-дифенилгуанианном с образованием паноламинных солей днгилроксиметилфосфиновой кислоты, которые в свою очередь не являются активными по отношеншо к процессам биологической очистки СВ.

Влияние внешнею ъкктромятннгшно поля на биоочистку сточных вол в присутствии ГЧЛ-.шфсни.нуанидинмсвон соли липироксимегилфосфиновой кислоты

Анализ литературы. посвященной изучению влияния ЭМП на фиторемс.тианты (зйхорнию, ряску. лимнофилу и т.д.) и развитие бактерий вызвал интерес исследования влияния внешних ЭМП на процесс биоочистки СВ производства ОАО «Казаньоргсннтез» в присутствии раствора ГБФ. Эксперимент проводили в установке, позволяющей компенсировать влияние внешнего ЭМП.

На рисунке 11 представлены результаты экспериментов очистки СВ. проведенных в естественных и ГМП условиях.

Анализируя результаты эксперимента можно сделать вывод о том. что отсутствие ЭМП исключает процесс очистки С'В. как в присутствии ГБФ, так и в его отсутствии. Па основании этих исследований можно предположить, что внешние ЭМП оказывают влияние не только на образование ассоциатов, обуславливающих биоэффект раствора 1"БФ, но и на биоценоз АИ. участвующего в процессе очистки СВ. что является сопоставимым результатом с проведенными ранее исследованиями в области изучения очистки СВ фоторемелиантами, то есть в исследуемых нами процессах, как можно предположить, происходит ухудшение размножения микроорганизмов, резко понижается их активность.

Из литературных источников так же известно, что усиление силы тока, применительно к водной суспензии, может производить комплексное воздействие, как на структуру самой воды, так и на биологическую активность, присутствующих в ней растений, бактерий. В связи с этим целесообразно провести работу по усилению магнитно-силового потока, воздействующего на тор, в котором происходил процесс биологической очистки СВ (рисунок 12). Как видно из рисунка 12, увеличение силы тока до 2А ведет к улучшению процесса биологической очистки СВ. достигая минимальных значений X1IK уже через два часа аэрации

Рисунок 10 - Сравнительная дпг|ши ХПК СВ процесса биологической очистки а отсутствии добавок (I) и а гфмсутстаии ГБФ (2). MOA 0). ГБФ -МЭД (4). ТЭА (5), ГБФ +ТЭЛ Í6K ЛА(7).ГБФ»АА(»).Ф(9), ГБФ *Ф (10) атлiы\ к 4-ому часу аэрации Раствор Ф в вотегитрацки 0.) 10 ' каола/л

и 1

»11»«

Рисунок И- Зависимости имсненш тиачеиий ХПК от времени атраиии СВ 6« месояк лЛааок в естественных условиях (I) и в ГМП условии (2), в присутствии раствор* ГБО в концентрации I 10'" иопь'л в ГМП условивк (3)

СВ. может служить наличие в любом живом систем.

таких как биологические мембраны и ферменты, которые в естественных условиях способствуют оптимальному протеканию биохимических реакций при различных внешних условиях. Активация же ГМП вызывает повышенную проницаемость биомембран и способствуют более интенсивному действию ферментов

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что повышение эффективности биологической очистки воды, в условиях усиления силы тока в ГМП, происходит за счет активации жизнедеятельности микроорганизмов.

Отметим, что такие значения ХПК полученные в опытах без внесения ГБФ и в (1рис>тствии ГБФ в естественных условиях, а так же в присутствии ГБФ в условиях усиления ЭМП практически одинаковы. различие лишь во времени достижения минимального значения ХПК. В первом случае требуется не менее 8 часов аэрации СВ, в присутствии ГБФ в естественных условиях 4 часов аэрации СВ, а в условиях усиления ЭМП подобный результат виден уже по истечении двух часов.. Объяснением того, что происходит повышение эффективности очистки организме очень тонких и чувствительных

Рисунок I] Зависимости игмеиен^л ткачский ХПК от ареисю! афаиии СВ бе) внесеииа добавок в естественных условиях (I). • присутствии раствора ГБФ а естественных уелошаах (?) и а ГМП условна! прм 1*1 А (3). при 1-1А <<Х 14>и 1-1А (5) Концентрации раствора Г БФ I 10"' wo.iv .1

выводы

1 Впервые установлено, что раствор М.М-дифеиил.-уанидиииеной соли дигидроьсиметюфосфиновой кислоты в концентрации I 10-11 моль/л а присутствии сильных окислителей значительно (на 53%) снижает их отрмшлельное воздействие на биологическую очистку сточных юс. что обменяется дсйствиеы двух факторов. высокоП антиоксидалтмой активностью ГБФ и его протекторным действием на биоиеио) агтнвного ила

2 При изучении влияния растворов ГчМ-лифенмлгуаннаиниеаой соли днгидроясикетилфосфмноаой кислоты низкой концентрации 0 10-11 моль/л) на биоочистку СВ при избыточном содержании аминопроизводных соединений установлено, что в присутствии этих загрязнякнцих веществ значения ХПК увеличиваются в 2-3 раза по сравнению с контрольным, снижаясь на $-10 % при добавлении раствора биорегулятора активности микроорганизмов

3. Изучение растворов Ы.Ы-дифенилгуанидиниевой соли дигидроксиметилфосфиновой кислоты комплексом физико-химических методов в естественных и ГМП условиях показало, что причиной биоэффектов растворов ГБФ низкой концентрации являются ассоциаты, в отсутствие которых растворы не влияют на процессы биоочистки СВ

4. Сравнительное изучение физико-химических свойств водного и солевого (физиологического) растворов в широкой области концентраций Ы,Ы-дифенилгуанидиниевой соли дигидроксиметалфосфиновой кислоты показало образование в многокомпонентной системе смешанных ассоциатов, обуславливающих действие раствороз низких концентраций ГБФ на биоценоз активного ила.

5. Впервые исследовано влияние ГМП условий на биологическую очистку сточных вод в присутствии и отсутствие растворов ГБФ низкой концентрации. Обнаружено, что повышение эффективности биологической очистки сточной воды, возможно в условиях усиления магнитно-силового потока, воздействующего на этот процесс.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

В рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Рыжкина, И.С. Физико-химическое обоснование герметического отклика биосистемы очистки сточных вод на действие растворов Ы.М-дифенилгуанидиновой соли дигидроксиметалфосфиновой кислоты / И С- Рыжкина, Л И, Муртазина, Е.Д. Шерман, М.Е. Пактюкова, Э.М. Масагутова, Т.П. Павлова, С В Фридланд, А.И. Коновалов // Доклады Академии Наук. - 2011. - Т.438. - №2. - С.207 -211.

2 Павлова, Т.П. Влияние Н,Ы-дифенилгуанидииовой соли бис(гидрооксимегпл)фосфиновой кислоты в наноконцентрации на аэробную очистку производственных сточных вод / Т.П. Павлова, Э.М Масагутова, М.Е. Пантюкова, С.В.Фридланд // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - Т. 15. -№7 - С.40-42.

3. Рыжкина, И.С. Самоорганизация растворов хлористого натрия в отсутствии и в присутствии биологически активного вещества низкой концентрации в нормальных и гипоэлектромагнитных условиях / И.С. Рыжкина, Л И. Муртазина, Э.М Масагутова, O.A. Мишина, Т.П. Павлова, С В. Фридланд, A.Ii. Коновалов//Доклады Академии Наук - 2012. -Т.446. - №6. - С.646-652.

4. Масагутова, Э.М. Интенсификация аэробной биологической очистки сточных вод / Э.М. Масагутова, ТП. Павлова, С В. Фридланд // Экология и промышленность России. - 2013. -Х»2. - С.38-39.

Прочие публикации и материалы конференций:

1. Масагутова, ЭМ Физико-химическое обоснование герметического отклика биосистемы очистки сточных вод на действие растворов Ы.Ы-дифенилгуанидиновой соли дигидроксиметалфосфиновой кислоты / Э.М. Масагутова, Л И. Муртазина., И.С. Рыжкина, Е.Д. Шерман, Т.П Павлова, М.Е Пантюкова, С.В Фридланд , А.И. Коновалов // Научно-практическая конференция «Биологически активные вещества.фундаментальные и прикладные вопросы получения и применения». Тезисы докладов - Новый Свет. АР Крым, Украина - 2011 -С. 711.

2 Масагутова, Э.М. Влияние биологически-активных солей в нано-концентрациях на биоценоз активного ила/ Э.М. Масагутова, Т.П. Павлова // XII Международная научно-практической конференция «Нанотехнологии в промышленности» Тезисы докладов. - Казань. - 2011. - С. 87. 3. Масагутова, Э.М. Установление взаимосвязи между концентрационными зависимостями параметроз наноассоциатов, физико-химическими свойствами растворов и скоростью процесса очистки сточной воды / Э.М. Масагутова, Т.П Павлова, Л И. Муртазина., И.С. Рыжкина. // XII Международная научно-практической конференция Нанотехнологии в промышленности». Тезисы докладов - Казань - 2011.- С. 92.

4 Масагутова, Э.М. Изучение самоорганизации и физико-химических свойств водных систем на основе хлорида натрия и солей дпгидроксиметилфосфиновой кислоты в широкой области

15

\

концентраций компонентов/ Э.М. Масагугова, ЛИ. Муртазина., И.С. Рыжкина, Т.П. Павлова, С.В Фридланд // VI конференция молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем». Тезисы докладов. - Иваново. - 2011. - С. 91.

5. Масагугова, Э.М. Влияние Растворов К,!Ч-дифенилгуанидиновой соли дигидроксиметилфосфиновой кислоты широкой области концентраций на самоорганизацию и физико-химические свойства питательной среды RPMI-1640 / Э.М. Масагугова, Л И. Муртазина., И.С. Рыжкина, Т.П. Павлова, С.В Фридланд // Международная научно-практическая конференция «Актуальные научные вопросы: реальность и перспективы». Сборник научных трудов, ч.З. - Тамбов. - 2011. - С. 90.

6. Масагутова, Э.М. Установление взаимосвязи между концентрационными зависимостями параметров наноассоциатов, физико-химическими свойствами растворов и скоростью процесса очистки сточной воды/ Э.М. Масагугова, Т.П. Павлова, С.В Фридланд // Научная сессия «К столетию академика П.А. Кирпичникова». Тезисы докладов. - Казань. - 2013. - С.99.

7. Муртазина, Л.И. Изучение самоорганизации и физико-химических свойств питательной среды RPMI-1640 и растворов ее основных компонентов / Л.И. Муртазина, O.A. Мишина, Э.М. Масагугова, И.С. Рыжкина, А.И. Коновалов // Международная конференция «Структура воды: физические и биологические аспекты». Тезисы докладов. - Санкт-Петербург. - 2013 - С.37.

8. Мишина, O.A. Влияние растворов низких концентраций биорегулятора активности микроорганизмов на самоорганизацию физико-химические свойства питательной среды RPMI-1640/ O.A. Мишина, Л.И. Муртазина, Э.М. Масагугова, И.С. Рыжкина, Т П. Павлова, С.В Фридланд. А.И. Коновалов // XXV всероссийская конференция «Современная химическая физика». Тезисы докладов. - Туапсе. - 2013. - С. 90

Заказ ««?_Тираж 100 экз.

Офсетная лаборатория ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» 420015, г. Казань, ул.К. Маркса, 68

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата химических наук, Масагутова, Эльвира Маликовна, Казань

КАЗАНСКИМ НАЦИОНАЛЬНЫМ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На прав^р^сописи

04201453386

Масагутова Эльвира Маликовна

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД В УСЛОВИЯХ ИНТЕНСИФИЦИРУЮЩИЙ ДОБАВКИ 1Ч,1Ч-ДИФЕНИЛГУАНИДИНИЕВОЙ СОЛИ ДИГИДРОКСИМЕТИЛФОСФИНОВОЙ КИСЛОТЫ ПОД ВЛИЯНИЕМ ФИЗИЧЕСКИХ И ХИМИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

03.02.08. - Экология (химия)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата химических наук

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор С.В. Фридланд

Казань-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ.......................................................................5

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................6

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР...........................................................13

1.1 Биологически активные вещества стимулирующие биопроцессы................13

1.2 Биологически активные вещества, используемые в качестве биостимуляторов в низких концентрациях...................................................................................23

1.2.1 Меламиновая соль бис(оксиметил)фосфиновой кислоты...................23

1.2.2 Пара-аминобензойная кислота.....................................................25

1.2.3 Салициловая кислота..................................................................26

1.2.4 Янтарная кислота....................................................................28

1.2.5 И,К-дифенилгу анилиновая соль бис(оксиметил)фосфиновой кислоты.............................................................................................29

1.3 Физико-химические и биологические свойства растворов низких концентраций. Эффект сверхмалых доз...................................................34

1.4 Действие биологически активных добавок в условиях стрессирования растений и микроорганизмов...................................................................38

1.5 Влияние электромагнитных полей на живые организмы..........................42

1.6 Заключение..................................................................................50

ГЛАВА 2. ИСХОДНЫЕ ВЕЩЕСТВА. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. ПРИБОРЫ.............................................................................................50

2.1 Объекты исследования.....................................................................50

2.1.1 М,1Ч-дифенилгуанидиниевая соль дигидроксиметилфосфиновой кислоты........................................................................................50

2.1.2 Сточная вода производства ОАО «Казаньоргсинтез»........................50

2.1.3 Характеристика активного ила, используемого для биологической очистки сточных вод......................................................................52

2.1.4 Соединения, используемые для приготовления модельных растворов....................................................................................52

2.2 Приготовление растворов..................................................................54

2.3 Методы исследования........................................................................56

2.3.1 Определение значений ХПК........................................................56

2.3.2 Кондуктометрические методы....................................................57

2.3.3 Измерение размеров ассоциатов методом динамического светорассеяния..............................................................................58

2.3.4 Измерение электрокинетического потенциала методом микроэлектрофореза.......................................................................64

2.3.5 Потенциометрические измерения................................................66

2.3.6 Изучение влияния внешних электромагнитных полей на образование ассоциатов и биологическую очистку сточных вод.................................66

ГЛАВА 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ...................................................68

3.1 Влияние растворов М,1чГ-дифенилгуанидиниевой соли дигидроксиметилфосфиновой кислоты низкой концентрации на процесс биологической очистки реальных сточных вод производства органического синтеза с завышенными показателями ХПК................................................69

3.2 Физико-химическое обоснование действия растворов N,14-дифенилгуанидиниевой соли дигидроксиметилфосфиновой кислоты на биосистему очистки сточных вод.................................................................74

3.3 Влияние растворов Ы,М-дифенилгуанидиниевой соли дигидроксиметилфосфиновой кислоты на биологическую очистку сточных вод в присутствии пероксида водорода.............................................................82

3.4 Влияние растворов 1Ч,1Ч-дифенилгуанидиниевой соли дигидроксиметилфосфиновой кислоты на процесс биологической очистки реальных сточных вод производства органического синтеза с повышенным содержанием органических веществ.........................................................85

3.5 Влияние внешнего электромагнитного поля на биоочистку сточных вод в

присутствии растворов МДЧ-дифенилгуанидиниевой соли

дигидроксиметилфосфиновой кислоты....................................................88

ВЫВОДЫ...............................................................................................92

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................84

Приложение 1.......................................................................................112

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

ГБФ - Ы,М-дифенилгуанидиниевая соль дигидрокисметилфосфиновой кислоты

СК - салициловая кислота

ПАБК - пара-аминобензойная кислота

ХПК - химическое потребление кислорода, мгОг/л

БАВ - биологически активные вещества

АИ - активный ил

ЭМП - электромагнитное поле

ГМП - гипоэлектромагнитное поле

МЭА - моноэтаноламин

ТЭА - триэтаноламин

ПВ - пероксид водорода

Ф - фенол

ФР - физиологический раствор

ДСР - динамическое светорассеяние

ПАВ - поверхностно-активные вещества

н-ПАВ - неогенные поверхностно-активные вещества

ПАБК - парааминобензойная кислота

БПК - биологическое потребление кислорода, мгОг/дм3

ВВЕДЕНИЕ

Применяемые в настоящее время системы очистки сточных вод весьма разнообразны, и значительное место среди них занимают биологические методы. Совершенствование таких методов связано с обеспечением интенсивной деструкции соединений, несвойственных процессам, протекающим в природной воде и весьма существенна экономичность данного метода, так как биологическая очистка осуществляется при относительно минимальных затратах энергии.

Некоторые препараты (органические соединения) активируют работу биовещества. Наиболее часто применяемым препаратом является янтарная кислота и ее производные. Вместе с тем дефицит этого продукта требует изысканий новых эффективных соединений. Таким образом, изучение свойств соединений, способствующих эффективной биоочистке сточных вод в широком диапазоне концентраций является актуальной задачей.

Известно, что многие природные и синтетические биологически активные вещества (БАВ) проявляют биоэффекты в области низких (КГ10 - 10"4 моль/л) и сверхнизких (10"2° - 10'11 моль/л) концентраций [1, 2]. Существующие в настоящее время гипотезы механизма действия водных растворов биологически активных веществ в области низких концентраций не могут объяснить природы этого достаточно распространенного явления [1, 2]. Для объяснения накопившихся фактов высокой физиологической активности водных растворов БАВ необходимо раскрыть физико-химические закономерности, присущие разбавленным водным растворам, выяснить влияние низких и сверхнизких концентраций растворенных веществ на процессы структурообразования в водных системах, установить взаимосвязь структурообразования, свойств водных растворов и их биоэффектов. Учитывая уникальную роль воды в биологических процессах, установление таких закономерностей может открыть пути для решения

многих фундаментальных проблем, в той или иной степени связанных с живыми системами, таких, например, как состояние окружающей среды.

Использование веществ в области низких и сверхнизких концентраций в процессе интенсификации очистки сточной воды производственных стоков решает такие проблемы как:

- экономия вещества в процессе очистки;

- отсутствие отходов после использования веществ;

- исключение действия самого вещества на очищенную сточную воду.

Актуальность темы. Развитие промышленного производства ведет к постоянно возрастающему водопотреблению, вследствие чего увеличивается количество сточных вод. Широко используемым вариантом очистки сточных вод является биоочистка, для повышения эффективности которой применяют регуляторы активности микроорганизмов. В настоящее время проводят поиск новых синтетических БАВ, способных в низких концентрациях повышать скорость очистки сточных вод. Такой подход значительно снижает расход БАВ и сводит к минимуму его воздействие на очищенную воду. Одним из перспективных биорегуляторов активности микроорганизмов являются дифенилгуанидиниевая соль дигидрокисметилфосфиновой кислоты (гуанибифос, ГБФ) [3]. Однако использование в технологии очистки сточных вод высокоразбавленных растворов БАВ сталкивается с рядом проблем, и прежде всего с отсутствием физико-химического обоснования нелинейных концентрационных зависимостей биоэффектов, то есть чередования «активных зон» и «зон молчания», характерных для низких концентраций. Помочь решению этой проблемы может недавно обнаруженное явление, вызывающее эффект ультранизких концентраций и электромагнитных полей [4]. Разработанные на основе этого открытия методики исследования растворов дают возможность объяснения и прогнозирования нелинейных концентрационных профилей

биоэффектов растворов БАВ низких концентраций. В этой связи задача изучения самоорганизации и физико-химических свойств растворов ГБФ в широкой области концентраций, включая низкие, в естественных условиях и в условиях пониженного внешнего электромагнитного поля (ЭМП) является весьма актуальной. В настоящее время полностью нерешенным является также вопросы о том, на каких стадиях очистки сточных вод возможно использование растворов БАВ низких концентраций, будет ли эффективным их применение в условиях значительного загрязнения гидроперекисными и аминосодержащими соединениями, негативно влияющими на биоценоз АИ, и в какой степени изменения внешнего электромагнитного поля могут воздействовать на биоочистку сточных вод.

Цель работы. Изучение свойств растворов ГБФ для обоснования оптимального интервала низких концентраций, в рамках которого возможна интенсификация биологической очистки сточных вод, производств органического синтеза в естественных и стрессовых условиях загрязнений гидроперекисными и аминосодержащими соединениями, а также влияния изменений внешнего электромагнитного поля на процесс биоочистки.

Научная новизна. В результате совместного изучения концентрационных зависимостей электрокинетического потенциала частиц, образующихся в растворе ГБФ в широком интервале концентраций (10"2-10"12 моль/л), удельной электропроводности растворов и значений ХПК, отражающего степень очистки сточных вод, впервые дано физико-химическое обоснование оптимального интервала низких концентраций (10"п-10"10 моль/л), в рамках которого возможна интенсификация биологической очистки сточных вод растворами ГБФ.

При изучении самоорганизации и физико-химических свойств растворов ГБФ в широкой области концентраций в естественных и гипоэлектромагнитных (ГМП) условиях впервые найдена пороговая концентрация 10"5 моль/л,

означающая, что ассоциаты в растворах ГБФ образуются в области концентраций 10"12 -10"6 моль/л.

Впервые установлено, что растворы ГБФ низкой концентрации (МО-11 моль/л), выдержанные в пермаллоевом контейнере, не способные к образованию ассоциатов, практически не оказывают никакого воздействия на процесс очистки сточных вод, что подтверждает прямую взаимосвязь между образованием ассоциатов в растворах ГБФ и их биоэффектом.

Установлена взаимосвязь между антиоксидантной активностью растворов ГБФ в низких концентрациях и их биоэффектом.

Изучено влияние растворов ГБФ в низких концентрациях на процесс биоочистки сточных вод с высокими показателями ХПК и в присутствии в производственных стоках гидроперекисных и аминосодержащих соединений, создающих стрессовые условия для биоценоза АИ.

Обнаружено, что повышение эффективности биологической очистки воды, возможно в условиях усиления магнитно-силового потока, воздействующего на процесс биологической очистки.

Результаты работы обоснованы и достоверны Достоверность полученных результатов обеспечивается:

использованием высокоточной и высокочувствительной поверенной измерительной техники;

- обработкой экспериментальных данных по стандартным программам;

- согласованностью результатов экспериментов, полученных различными методами;

- воспроизводимостью результатов.

Практическая и теоретическая значимость полученных результатов

Установлено, что применение растворов биорегулятора активности микроорганизмов ГБФ низкой концентрации 110-10 - ПО"11 моль/л на стадии

биологической очистки сточных вод позволит сократить время очистки и энергетические расходы на барботирование. Результаты работы создают научную основу для разработки новых экологически безопасных и ресурсосберегающих технологий.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Научно-практической конференции «Биологически активные вещества: фундаментальные и прикладные вопросы получения и применения» (Новый Свет, АР Крым, Украина, 2011); XI конференции научно-производственного экологического центра «Экоцентр» «Химия и инженерная экология» (Казань, 2011)»; XII Международной научно-практической конференции «Нанотехнологии в промышленности» (Казань, 2011); VI конференции молодых ученых «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем» (Иваново, 2011); Международной научно-практической конференции «Актуальные научные вопросы: реальность и перспективы» (Тамбов, 2011); Международной молодежной конференции «Экологическая безопасность горнопромышленных регионов» (Казань, 2012); Научной сессии «К столетию академика П.А. Кирпичникова» (Казань, 2013); Международной конференции «Структура воды: физические и биологические аспекты» (Санкт-Петербург, 2013); XXV всероссийской конференции «Современная химическая физика» (Туапсе, 2013).

Данная работа была представлена на: 5-ой Биотехнологической выставке-ярмарке «РосБиоТех-2011» (Москва, 2011) и награждена золотой медалью за разработку биостимулятора активного ила для очистки сточных вод; конкурсе «Лучшее изобретение КНИТУ» (Казань, 2011, 3-е место); конкурсе проектных идей «Время удивлять» (Москва, 2011, 3-е место); конкурс на соискание премии «Акватор» в области водоснабжения и водоотведения в номинация «Научные исследования в области водоснабжения» (Москва, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи в журналах, рекомендованных к изданию ВАК, 8 тезисов докладов на конференциях различного уровня.

Структура диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части и тематически разделенного обсуждения результатов, выводов и списка цитируемой литературы. Материал диссертационной работы изложен на 123 страницах, содержит 2 таблицы, 34 рисунка и список литературы из 137 наименований.

Во введении обоснована актуальность представляемой работы, сформулирована цель, изложены научная новизна, практическая значимость работы.

В первой главе приведен литературный обзор по применяемым биологически активным препаратам для интенсификации очистки бытовых и промышленных сточных вод, содержащих углеводороды, о влиянии биологически активных веществ на структуру воды и о влиянии пониженного уровня внешних ЭМП. Сделан вывод о том, что тема работы является новой и практически значимой, так как направлена на глубокое изучение растворов низких концентраций биологически активных веществ, позволяющих применять их в качестве стимуляторов процесса очистки сточных вод в стрессовых условиях, таких как присутствие гидроперекисных и аминосодержащих соединений.

Во второй главе описаны методики проведения экспериментов.

Третья глава посвящена обсуждению результатов экспериментов на основе проведенных исследований по окислению реальных сточных вод производств органического синтеза с использованием в качестве биостимулятора растворов ГБФ, по изучению влияния растворов ГБФ на процесс очистки сточных вод в

стрессовых условиях, таких, как высокие показатели ХПК, содержание в производственных стоках амино и перекисных соединений. Исследование влияния ГМП условий на процесс самоорганизации растворов ГБФ и процесс биологической очистки сточных вод. Так же представлено физико-химическое обоснование действия растворов ГБФ.

Работа выполнена в период с 2010 по 2013 годы в лабораториях кафедры «Инженерная экология» ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» и в лаборатории «Физико-химия супрамолекулярных систем» отдела Супрамолекулярной химии ФГБУН Институт органической и физической химии им. А.Е.Арбузова Казанского научного центра Российской академии наук

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Биологически активные вещества стимулирующие биопроцессы

Одним из способов интенсификации процесса биоразложения компонентов сточных вод является применение БАВ в качестве селективного стимулятора процесса биоразложения трудноокисляемых компонентов [5].

Данный метод увеличивает эффективность и качество очистки сточных вод, сокращает сроки запу