Исследование влияния биологически активных веществ на изменение токсичности осадка сточных вод МУП «Водоканал» г. Казани в процессе его утилизации

УДК 628.3

Е. Г. Полескова, М. В. Мадякина, М. В. Шулаев, И. В. Князев

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ НА ИЗМЕНЕНИЕ ТОКСИЧНОСТИ ОСАДКА СТОЧНЫХ ВОД МУП «ВОДОКАНАЛ» Г. КАЗАНИ В ПРОЦЕССЕ

ЕГО УТИЛИЗАЦИИ

Ключевые слова: осадок сточных вод, биологически активные вещества, гуминовый препарат, Мелафен.

В лабораторных условиях проведены экспериментальные исследования влияния биологически активных веществ гуминового препарата и препарата Мелафен на утилизацию обезвоженного осадка сточных вод МУП «Водоканал» г. Казани. В ходе двухмесячных модельных испытаний препаратов применение в качестве тест-объектов Ceriodaphnia affinis и Paramecium caudatum зарегистрировало снижение токсического действия осадка, позволяющего перевести его из категории умеренно опасные (III класс), в категорию малоопасные (IV класс.) Проведено сравнение классов опасности исходного обезвоженного осадка сточных вод полученных расчетным и экспериментальным методами.

Keywords: sewage sludge, biologically active substances, humic preparation, Melaphene.

The experimental study of the influence of biologically active substances - humic preparation and Melaphene - on utilization of dewatered sewage sludge from municipal unitary enterprise "Vodokanal" (Kazan) was carried out in laboratory conditions. During the two-month study of testing preparations the decrease of sewage sludge's toxic action was registered which allowed to transfer it from "moderately hazardous waste" (hazard category 3) to ''low-hazard waste" (hazard category 4). The Ceriodaphnia affinis и Paramecium caudatum were used as test objects. The comparison of hazard categories of original dewatered sewage sludge, which were obtained by experimental and calculating methods, was carried out.

Введение

Среди проблем, связанных с предотвращением антропогенного загрязнения окружающей среды, одной из наиболее острых является утилизация осадков от биологической очистки городских сточных вод. Последние являются крупнотоннажным отходом, утилизация которого по целому ряду причин затруднена (наличие в их составе экологически опасных загрязнителей - соединений тяжелых металлов, патогенной микрофлоры, коагулянтов и других).

В настоящее время основная масса осадка сточных вод складируется на иловых картах. Организация и содержание иловых площадок требует больших материальных затрат и вывода из хозяйственного оборота обширных земельных территорий [1], приводит к ухудшению санитарного и экологического состояния, прилегающих к ним территорий.

Осадки сточных вод содержат многие ценные вещества, применение которых в народном хозяйстве может дать большой экономический эффект. Обработка осадков необходима также в связи с тем, что они имеют большие объемы, высокую влажность, неоднородный состав и содержат органические вещества, способные к разложению и загниванию с образованием неприятных запахов. Кроме того, осадки заражены бактериальной микрофлорой и яйцами гельминтов, что усугубляет их опасность для человека и окружающей среды [2].

Необходимость упрощения технологии обработки осадков сточных вод, уменьшения площадей иловых полей, снижения антропогенного воздействия требует разработки мероприятий,

направленных сокращение времени их утилизации, снижение их опасности для окружающей природной среды.

Целью исследования являлось изучение влияния биологически активных веществ на снижение класса опасности обезвоженного ОСВ очистных сооружений МУП «Водоканал» города Казани.

Материалы и методы

Для проведения экспериментов

использовались пластиковые ёмкости для рассады размером 8х11х7 см. В три параллельные емкости загружали осадок сточных вод (ОСВ) очистных сооружений МУП «Водоканал» города Казани из расчета по 200 г сухого вещества, учитывая влажность осадка порядка 70%.

Для экспериментов по утилизации ОСВ готовился 10 % раствор гуминового препарата, который вносился в ОСВ с рабочей концентрацией 1,5%. Обработка осадка приготовленным раствором производилась однократно в начале эксперимента, после чего осадок с гуминовым препаратом тщательно перемешивался.

Для обработки ОСВ с помощью мелафена готовился раствор с концентрацией 10-4 г/дм3. Раствор вносился в опытные емкости с ОСВ из расчета на начальную концентрацию препарата мелафена 10-6 г/кг, после чего пробы тщательно перешивались. Периодичность обработки ОСВ раствором препарата - 10 дневная [3].

В качестве контроля использовались образцы осадка, в которые вносилась аликвота дистиллированной воды.

Время проведения эксперимента составляло

60 суток. Результаты оценивались по изменению класса опасности осадка сточных вод [4] методом биотестирования с использованием в качестве тест-объектов инфузорий Paramecium caudatum и рачков Ceriodaphnia affinis по смертности [5, 6].

Синтетический препарат мелафен -представляет собой меламиновую соль бис(оксиметил)фосфиновой кислоты, является стимулятором роста растений. Химическая формула соли представлена на рисунке 1 [7].

nh2

N

N

H2N

N'

NH2

0 II

HO—P—CH2OH

1 2

CH2OH

Рис. 1 - Химическая формула препарата Мелафен

Мелафен применяется в различных отраслях науки - биологии, медицине, биотехнологии, в сельском хозяйстве. В почве препарат полностью утилизируется (разлагается) на воду и соли азота и фосфора [8, 9].

Препарат мелафен не обладает токсическим, мутагенным, ДНК-повреждающим, генотоксическим действием в широком диапазоне исследованных концентраций от 0.46.10-9 М до 0.46.10-3 М [10]. Установлено, что препарат относится к IV классу - незначительно опасные вещества со слабо выраженной кумуляцией. Препарат не обладает раздражающим и сенсибилизирующим действием, острой

ингаляционной токсичностью, тератогенным и эмбриотоксическим действием [11, 12].

Гуминовый препарат - суспендированное комплексное гуминовое удобрение. Его состав включает в себя макро- и микроэлементы, природные стимуляторы роста - гуминовые и фульвиновые соединения. Гуминовый препарат представляет собой пастообразное вещество темно-коричневого цвета. Препарат малотоксичен, IV класс опасности. Химическая формула гуминовых кислот представлена на рис. 2.

Рис. 2 - Пример типичной гуминовой кислоты по Ф.Дж. Стевенсону

Обсуждение результатов

Результаты определения токсичности осадков сточных вод с использованием показало следующее.

Эксперименты по биотестированию с использованием в качестве тест-объекта инфузорий Paramecium caudatum показали, что исходная водная вытяжка ОСВ приводит к 100%-й гибели простейших. Однако, при ее разбавлении в 2 раза, смертность инфузорий к концу токсикологического эксперимента не наблюдалась.

При биотестировании с использованием тест-объекта Ceriodahpnia affinis 100%-ая выживаемость рачков была зарегистрирована только при 1000-кратном разбавлении исходной водной вытяжки. При 100-кратном разбавлении смертность тест-объекта составила 50%, а более высокие концентрации, приводили к 100% гибели испытуемых живых организмов.

Действие водной вытяжки на тест-объект Ceriodahpnia affinis устранялось при разведении исходной пробы в 357 раз (Кр10), безвредная концентрация (LC10) составляла 0,28%.

По совокупности полученных на двух тест-объектах результатов, исходный ОСВ относится к III классу опасности отходов [4].

Проведенное определение класса опасности по исходному составу ОСВ расчетным методом, согласно приказа Министерства природных ресурсов Российской Федерации № 511 от 15.06.01 [4], показало, что он относится к IV классу опасности, т.е. не совпадает с классом опасности, полученным экспериментальным методом. Данный факт связан с тем, что расчетный метод не учитывает все возможные взаимодействия, присутствующих в составе ОСВ химических веществ.

Токсикологическое тестирование,

проведенное через 30 и 60 суток после начала экспериментов показало, что водная вытяжка из контрольных и опытных образцов ОСВ не обладает вредным воздействием на инфузорий -выживаемость Paramecium caudatum в ней составляет 100%.

Результаты определения токсичности ОСВ с использованием Ceriodaphnia affinis после обработки препаратом мелафен и гуминовым препаратом через 30 суток представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Токсичность водной вытяжки из ОСВ на Ceriodaphnia affinis на 30 сутки эксперимента

Х хО Контроль Мелафен Гуминовый

Л о^ препарат

s га я о я о К м Я s ¡2 * Si w и Ё я S я с о и я Смертность тест-объекта О J Смертность тест-объекта О J Смертность тест-объекта О J

50 100% 1,68 70% 17,4 100% 5,1

25 100% 30% 100%

10 100% 0% 20%

1 10% 0% 0%

Результаты биотестирования показали, что если по истечении 30 суток эксперимента в контрольном варианте исследуемого ОСВ наблюдалось 6-кратное снижение токсического действия водной вытяжки на тест-объект Ceriodaphnia affinis, то его обработка гуминовым препаратом и препаратом мелафен способствовала, соответственно, 18 и 62 кратному снижению токсических свойств. Класс опасности опытных вариантов ОСВ достоверно снизился с III до IV.

Сходная картина наблюдалась и на 60 сутки эксперимента (табл. 2).

Таблица 2 - Токсичность водной вытяжки из ОСВ на Ceriodaphnia affinis на 60 сутки эксперимента

Х хО Контроль Мелафен Гуминовый

Л ^ препарат

s га я о я о К м Я s ¡2 * я w и Ё я Е я с о и я Смертность тест-объекта О J Смертность тест-объекта О J Смертность тест-объекта О J

50 100% 1,68 100% 12,3 100% 2,3

25 100% 100% 100%

10 100% 0% 70%

1 10% 0% 10%

Результаты биотестирования показали, что по истечении 60 суток эксперимента у обработанных гуминовым препаратом и препаратом мелафен ОСВ класс опасности не изменился и остался IV (рис. 3).

3J7 3 57 ул

S9,fi 429

0 30 ьи

Bpo.vrt, сутки

КПКТрОЛ!,  V |.:ф И | Гу М И HÜfl : И IJX' ll.i JJ .i I

Рис. 3 - Кратность разбавления водной вытяжки ОСВ, при которой устранялось вредное воздействие на Сетюйаркта affinis

Результаты экспериментов показали, что препарат мелафен обладает более эффективным действием. Эффективность его была в 3,4 и 5,3 раза выше, чем у гуминового препарата, соответственно на 30 и 60 сутки опытов.

Следует отметить факт увеличения токсичности обработанных препаратами ОСВ к 60 суткам опытов (в 1,4 и 2,2 для мелафена и гуминового препарата), что может быть связано, как со снижением суммарного содержания органического вещества, так и образованием в

результате жизнедеятельности микроорганизмов, более токсичных метаболитов из веществ, входящих в состав ОСВ.

Снижение класса опасности ОСВ при их обработке препаратом мелафен и гуминовым препаратом свидетельствует об стимулирующем их действии на микроорганизмы ведущие процесс деструкции загрязняющих веществ, входящих в состав ОСВ очистных сооружений МУП «Водоканал» города Казани.

Выводы

1. Определен класс опасности обезвоженного ОСВ очистных сооружений МУП «Водоканал» города Казани экспериментальным (III класс) и расчетным (IV класс) методами. Показано, что при прогнозировании токсикологического действия, экспериментальный метод дает более объективную оценку по воздействию изучаемых отходов на гидробионтов.

2. Проведено экспериментальное исследование влияния биологически активных гуминового препарата и препарата мелафен на изменение токсикологических характеристик обезвоженного ОСВ очистных сооружений МУП «Водоканал» города Казани.

3. Проведенные исследования показали, что применение гуминового препарата и препарата мелафен способствует снижению токсичности исследуемых ОСВ III класса опасности (умеренно опасные), что после 30-суточной обработки позволяет их перевести в менее опасную категорию - IV класс опасности (малоопасные отходы).

4. Результаты экспериментов показали, что препарат мелафен обладает более сильным стимулирующим действием. Эффективность его применения при детоксикации ОСВ была в 3,4 и 5,3 раза выше, чем у гуминового препарата, соответственно на 30 и 60 сутки опытов.

Литература

1. С.В. Мазлова, Журнал экологии и промышленной безопасности, № 3, 51 - 52, (2010).

2. С.В. Свергузова, В.С. Севостьянов, И.Г. Шайхиев, Ж.А. Сапронова, М.Н. Спирин, Вестник Казанского технологического университета, №7, 199-202 (2013).

3. К.А. Захарова. Дисс. канд. техн. наук, Казанский государственный технологический университет, Казань, 2008, 172 с.

4. Об утверждении критериев отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды: приказ Министерства природных ресурсов Российской Федерации № 511от 15.06.01. - М., 2001 - 4 с.

5. ФР.1.39.2007.03221. Методика выполнения измерений. Биологические методы контроля. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости цериодафний. Федеральный реестр [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://law7.ru/russia/government2q/r515.htm, свободный. Проверено 08.04.2014.

6. ПНД Ф Т 14.1:2:3.13-06, ПНД Ф Т 16.1:2.3:3.10-06 Методика определения токсичности отходов, почв, осадков сточных, поверхностных и грунтовых вод методом биотестирования с использованием

равноресничных инфузорий Paramecium caudatum Ehrenberg.

7. Пат. РФ 2158735, (2000).

8. С.Г. Фаттахов, В.С. Резник, А.И. Коновалов В сб. научных трудов 13-ой международной конференции по химии соединений фосфора, СПб., 2002, 80.

9. С.Г.Фаттахов, Н.Л. Лосева, А.И Коновалов, В.С. Резник, А.Ю. Алябьев, О.А. Кашина, Л.Х. Гордон Доклады АН, Т. 394., № 1, 127-129 (2004).

10. Маргулис А.Б, Ильинская О.Н. В сб. материалов Всероссийского семинара-совещания «Состояние исследований и перспективы применения регулятора

роста растений нового поколения «Мелафен» в сельском хозяйстве и биотехнологии», Казань: Школа, 2006, 150.

11. Е.О. Михайлова, С.В. Ахмадиева, Л.И. Хабибуллина, М.В. Шулаев, Вестник Казанского технологического унуниверситета №7, 184-187 (2011).

12. М.Я. Тремасов, А.И. Сергейчев, Э.И. Семенов В сб. материалов Всероссийского семинара-совещания «Состояние исследований и перспективы применения регулятора роста растений нового поколения «Мелафен» в сельском хозяйстве и биотехнологии». -Казань: Школа, 2006, 143.

© Е. Г. Полескова - магистр кафедры химической кибернетики КНИТУ, alyona_poleskova@mail.ru; М. В. Мадякина -аспирант каф. химической кибернетики КНИТУ, scarlett-lynx@mail.ru; М. В. Шулаев - д-р. техн. наук, профессор каф. химической кибернетики КНИТУ, mshulaev@mail.ru; И. В. Князев - научный сотрудник лаборатории экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования Академии Наук Республики Татарстан, kneze3@yandex.ru.

© H. G. Poleskova - graduate student of the Department of chemical Cybernetics, KNRTU, alyona_poleskova@mail.ru; M. V. Madyakina - postgraduate student of the Department of chemical Cybernetics, KNRTU, scarlett-lynx@mail.ru; M. V. Shulaev - Doctor of technical sciences (Full Professor), Professor of the Department of chemical Cybernetics, KNRTU, mshulaev@mail.ru; I. V. Knyazev - Researcher of the Laboratory of Ecological Biotechnologies Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, kneze3@yandex.ru.