Изучение токсичности сточных вод целлюлозно-бумажного производства методом биотестирования на Daphnia magna str

М. В. Мичукова, А. В. Канарский, З. А. Канарская ИЗУЧЕНИЕ ТОКСИЧНОСТИ СТОЧНЫХ ВОД ЦЕЛЛЮЛОЗНО-БУМАЖНОГО ПРОИЗВОДСТВА МЕТОДОМ БИОТЕСТИРОВАНИЯ НА DAPHNIA MAGNA STR

Произведен анализ исследований токсичности сточных вод Марийского ЦБК методом биотестирования за четырехлетний период. Определена LC50 производственного стока. Выявлены цеха с наиболее токсичными стоками при различных схемах производства. Изучено влияние различных факторов на изменение токсичности общего производственного стока предприятия, а также его отдельных цехов. Определены цеха, стоки которых наиболее устойчивы к окислению кислородом воздуха. Сделаны рекомендации о постройке локальных очистных сооружений.

Сточные воды целлюлозно-бумажных предприятий представляют собой многокомпонентные смеси растворенного лигнина, продуктов частичной деградации целлюлозы и других веществ, образующихся при варке и отбелке целлюлозы, формовании бумаги и картона, регенерации химикатов и т.д.

Предприятия целлюлозно-бумажной промышленности оснащены биологическими очистными сооружениями. Биологическая обработка снижает содержание общего углерода и до некоторой степени - органически связанного хлора. Может частично редуцировать нейтральные органические компоненты. Однако эффективность работы данных биологических очистных сооружений зависит от токсичности исходных сточных вод, отрицательно влияющих на активность ила. В этой связи является актуальным определение токсичности сточных вод целлюлозно-бумажных предприятий методами биотестирования.[1,2]

Целью данных исследований явилось изучение изменения токсичности сточных вод Марийского сульфат-целлюлозного предприятия методом биотестирования на Daphnia magna при изменении технологического процесса, а также определение факторов, снижающих их токсичность.

В соответствии с намеченной целью были поставлены следующие задачи:

1) оценка снижения токсичности производственного стока в пруде - отстойнике и водотоке - заливе, выполняющего роль биологического пруда, под воздействием процессов самоочищения;

2) контроль токсичности производственного стока в течение периода исследований;

3) определение средней летальной концентрации производственного стока LC50 для Daphnia magna;

4) выявление цеха с наиболее токсичными стоками при различных схемах производства (с отбеливанием и без него);

5) оценка влияния аэрации на изменение токсичности сточных вод, определение минимального период аэрации производственного стока; изучение влияния аэрации на изменение токсичности стоков отдельных цехов предприятия.

Оценка токсичности проводилась методом биотестирования. В качестве тест-объектов использовали лабораторную монокультуру рачков - фильтраторов Daphnia magna Str. (Cladocera, Crustacea). Дафний для опытов разводили в лабораторных условиях [3]. Для контроля брали воду из аквариумов с постоянной аэрацией, которую использовали для

культивирования рачков. Опыты проводили в стеклянных сосудах вместимостью 300 см , в которые помещали по шесть экземпляров 5-6 - суточных дафний, в трех повторностях на каждый опыт. Токсичность определялась по гибели 50% дафний и более в опыте по сравнению с контролем согласно шкале токсичности Н.С. Строганова. В ходе опытов регистрировались следующие показатели: выживаемость, физиологическое состояние дафний и симптомы гибели.

Исследования 2001 года показали, что токсичность стоков сульфат-целлюлозного предприятия, поступающих для очистки в пруд-отстойник и водоток-залив о. Лопатинский р. Волги, снижается по мере прохождения с места сброса от категории «весьма сильная токсичность» до категории «слабая токсичность или отсутствие ее» по шкале Н. С. Строганова (рис. 1).

Проба №1 Проба №2 Проба №3 Проба №4 Проба №5 Проба №6 Проба №7

Рис. 1 - Выживаемость дафний в опыте со сточной водой МЦБК в пробах воды из пруда - отстойника и водотока-залива о. Лопатинский: №1 - производственные сточные воды МЦБК; №2- условно-чистые воды производства МЦБК; №3- вода из пруда - отстойника; №4 - вода после отстойника; №5 - вода на выходе из водотока-залива о. Лопатинский; №6 - вода из устья залива р. Волги; №7 - условно-чистые воды р. Волги

В период исследований с 2001 по 2004 гг. категория токсичности сточных вод сульфат-целлюлозного предприятия, при некотором изменении величины выживаемости дафний в опытах от 0 до 33%, неизменно оставалась «весьма сильной» по шкале Н.С. Строганова (табл. 1).

Таблица 1 - Изменение токсичности производственного стока

Год исследования 2001г. 2002 г. 2003г. 2004г.

Выживаемость дафний за 24 часа Категория токсичности 0 Весьма сильная токсичность 27.7 Весьма сильная токсичность 33.3 Весьма сильная токсичность 0 Весьма сильная токсичность

Если сравнить данные 1995г. [4] и 2001 г. можно сказать, что токсичность стоков пруда - отстойника значительно снизилась от «гипертоксичности» до «средней токсичности» по шкале Н.С. Строганова. Вода в устье залива стала нетоксичной по шкале Н. С. Строганова. Все работы были проведены осенью и весной, что исключает возможность влияния на результаты исследований более высокой температуры воды летнего периода. Вероятно, различия в результатах исследований имеют другую причину. Возможно, что изменилось соотношение и количество загрязняющих веществ в стоках или изменился объём стоков МЦБК, в связи с уменьшением объема производства.

В 2003 г. были поставлены опыты по определению летальной концентрации стока из дюкера. Острые опыты на дафниях проводились в растворах стока при следующих разбавлениях: 10х, 5х, 2х, неразбавленный сток (рис.2).

Статистический анализ результатов (табл. 2) опыта показал, что различия между выживаемостью дафний в контроле и выживаемостью в неразбавленном стоке, пробах 2х, 5х достоверны, а в пробе 10х недостоверны. Средняя летальная концентрация, полученная графическим методом, равна 1,5, что соответствует 32% концентрации стока, или его трехкратному разбавлению.

Таблица 2 - Критерий достоверности разности между выживаемостью дафний в стоке и контроле

Проба Сток Разбавление

2 - кратное 5 - кратное 10 - кратное

5.0 3.0 3.0 2.0

В 2002 году были поставлены опыты по выявлению цеха с наиболее токсичными стоками. Исследовались стоки варочного, отбельного и химического цехов. В ходе исследования определено, что наиболее токсичными являются стоки отбельного цеха (рис3).

Рис. 3 - Выживаемость дафний в стоках цехов МЦБК в 2002 г.: проба №1 -варочный цех; проба №2 - отбельный цех; проба №3 - химический цех; проба №4 - производственные стоки из дюкера

Выживаемость в стоках отбельного цеха на третьи сутки опыта составила 44,4%, что по шкале Н.С. Строганова свидетельствует о наличии «весьма сильной токсичности». К категории «сильной токсичности» относятся стоки варочного цеха. Выживаемость в данной пробе воды составила 62% на конец опыта. В производственных стоках из дюкера наблюдается усиление токсичности. Выживаемость дафний уже на вторые сутки опыта составила 27,7%.

Анализ симптомов гибели дафний показал, что гибель дафний в стоках варочного цеха наступала из-за наличия большого количества взвешенных частиц, волокон целлюлозы. Фильтровальный аппарат дафний, поскольку они относятся к тонким фильтраторам не может функционировать в данных условиях. Состояние кишечника погибших особей оценивается по шкале Л.А. Лесникова в 2 балла, т.е. содержимое его прозрачно, часто не прилегает к стенкам кишечника. Таким образом, можно говорить о голодании дафний.

В стоках отбельного цеха погибшие особи имели желто-розовую окраску тела, отмечалось помутнение плазмы в области грудных ножек, кишечник дафний был сжат и имел волнообразную форму. Таким образом, гибель дафний, возможно, происходила под воздействием низкой концентрации кислорода в стоках и токсических веществ с раздражающим действием.

В производственных стоках из дюкера у дафний наблюдались следующие симптомы гибели: в области грудных ножек имелись красные точки (гемоглобин), что свидетельствует о дефиците кислорода в стоках, фильтровальный аппарат дафний забит сгустками,

кишечник имел волнообразную форму. Таким образом, здесь действовала совокупность факторов.

В 2003 г. отбельный цех был закрыт, и в 2004 году были проведены повторные исследования токсичности сточных вод отдельных цехов предприятия. На этот раз были взяты пробы сточных вод цехов: варочного (проба №1), промывного (проба №2), выпарной станции (проба №3), содорегенерационного (проба №4), бумажной фабрики (проба №5), ВНИИБ (проба №6), общего производственного стока из дюкера (проба №7).

Наиболее токсичными оказались стоки выпарной станции и промывного цеха, в которых более 50% дафний погибло через одни сутки и через двое суток соответственно (рис. 4). По шкале Строганова эти стоки относятся к категории «весьма сильная токсичность», как и общий производственный сток из дюкера, где выживаемость дафний была равна 0 уже через сутки опыта. Стоки остальных цехов предприятия не обладали острой токсичностью, так как выживаемость дафний в этих пробах статистически не отличалась от контроля.

В ходе данного опыта изучалась токсичность стока, приготовленного в лабораторных условиях из сточных вод всех исследуемых цехов. Для его приготовления было взято по 200 мл каждого стока. Результаты этого опыта показали, что токсичность стока, смешанного в лабораторных условиях, ниже токсичности общего производственного стока из дюкера, что, возможно, связано с тем, что мы смешивали стоки в равном соотношении, а в производстве доля сточных вод отдельных цехов в общем производственном стоке различна.

^♦^Контроль "Проба № 1 А Проба № 2 Проба № 3 —€Э— Проба № 4

Проба № 5  Проба № 6 ^—Проба № 7 • Проба № 8

Рис. 4 - Выживаемость дафний в стоках отдельных цехов в 2004 г.

Для оценки влияния аэрации на изменение токсичности сточных вод в 2003 г. были поставлены острые опыты с неразбавленным производственным стоком из дюкера и с его двухкратным разведением. В ходе опытов было выявлено, что в результате длительной аэрации (в течение 6 суток) стоков атмосферным воздухом ликвидирует их острую токсичность. Изменение выживаемости дафний в течение опыта представлены на графике (рис. 5). В дальнейшем был определен минимальный период аэрации, при котором происходит снятие острой токсичности производственного стока. Он составил двое суток.

Рис. 5 - Выживаемость дафний в опыте с аэрированной сточной водой сульфат-целлюлозного предприятия

В 2004 году были поставлены опыты по изучению влияния аэрации в течение двух суток на изменение токсичности сточных вод отдельных цехов предприятия.

Были взяты пробы сточных вод варочного (проба №1*), промывного (проба №2*), выпарной станции (проба №3*), содорегенерационного (проба №4*), бумажной фабрики (проба №5*), ВНИИБ (проба №6*), общего производственного стока из дюкера (проба №7*). Анализ результатов опыта показал, что токсичность стоков выпарной станции и промывного цеха МЦБК в результате их аэрации в течение двух суток снизилась на 100 и 64,7 % соответственно, а производственного стока - на 39%. (табл. 2).

Таблица 2 - Выживаемость дафний в опытах по изучению влияния аэрации на изменение токсичности стоков отдельных цехов

Сутки опыта 22.09.04 25.09.04* 23.09.04 26.09.04* 24.09.04 27.09.04* 25.09.04 28.09.04* 26.09.04 29.09.04* 27.09.04 30.09.04*

Контроль 100 100 100 100 100 100

Проба №1 100 100 100 100 100 100

Проба №1* 100 100 100 100 100 100

Проба №2 100 76,5 41,2 0 0 0

Проба №2* 100 100 100 100 100 100

Проба №3 100 38,9 5,6 0 0 0

Проба №3 * 100 100 94,4 94,4 94,4 61,1

Проба №4 100 100 100 94,4 94,4 94,4

Проба №4* 100 100 100 100 100 100

Проба №5 100 100 100 100 100 100

Проба №5* 100 100 100 100 100 100

Проба №6 100 100 100 100 100 100

Проба №6* 100 100 100 100 94,4 94,4

Проба №7 100 0 0 0 0 0

Проба №7* 100 94,4 77,8 66,7 55,6 38,9

Наиболее устойчивыми к окислению кислородом воздуха оказались выпарные конденсаты целлюлозного производства, тогда как восстановители в стоках других производств легче поддавались окислению. Таким образом, наиболее экономически выгодно будет строительство локальных очистных сооружений только для промывного цеха.

В результате всех проведенных нами исследований можно сделать следующие выводы.

1. Производственные стоки Марийского сульфат-целлюлозного предприятия в течение всего периода исследований, с 2000 г. по 2004 г., обладали «весьма сильной токсичностью» по шкале Н.С. Строганова. Средняя летальная концентрация производственного стока ЬС50 составляла 32%.

2. Токсичность сточных вод снижается под воздействием процессов самоочищения и разбавления в пруде-отстойнике и водотоке-заливе о. Лопатинский от «весьма сильной токсичности» до категории «слабая токсичность или отсутствие ее».

3. В 2002 году наиболее токсичными были стоки отбельного цеха, в 2004 г. - стоки выпарной станции и промывного цеха.

4. Общий сток, полученный в лабораторных условиях из стоков отдельных цехов, обладает более низкой токсичностью, чем производственный сток из дюкера.

5. Аэрация стоков сульфат-целлюлозного предприятия (как производственного, так и отдельных цехов) существенно снижает их токсичность. Оптимальный период аэрации, снимающий острую токсичность производственного стока, равен двум суткам. Наиболее устойчивыми к окислению кислородом воздуха являются стоки выпарной станции.

Литература

1. Мичукова М.В., Канарский А.В. Оценка токсичности стоков МЦБК на БарИта magna и изучение изменения их токсичности под воздействием различных факторов//Экология 2003. Молодежная междунар. конф.: Тезисы докл. Архангельск, 2003. С. 114-115

2. МичуковаМ.В., Джафаров А., Кондратьева В. Оценка токсичности сточных вод предприятий -основных источников загрязнения р. Волги в районе г. Волжска методом биотестирования на БарИта magna // Водные ресурсы. Проблемы и пути их решения. Материалы «Круглого стола». Йошкар-Ола, 2003. С.114-121

3. Руководство по определению методом биотестирования токсичности вод, донных отложений, загрязняющих веществ и буровых растворов. М.: РЭФИА, НИА-Природа, 2002. 118 с.

4. Самойлов К., Вальтер Е. О загрязненности и роли залива на о. Лопатинском в обезвреживании промышленных сточных вод// Экобраз. 1996 г. №2.

© М. В. Мичукова - асп. каф. биотехнологии КГТУ; А. В. Канарский - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; З. А. Канарская - канд. техн. наук, доц. той же кафедры.