Влияние сточных вод производства целлюлозы на окислительную способность микроорганизмов очистных сооружений

УДК 579.66

Е. А. Варакин, Д. Г. Чухчин, В. А. Рудакова, Е. В. Новожилов, З.А. Канарская

ВЛИЯНИЕ СТОЧНЫХ ВОД ПРОИЗВОДСТВА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ

НА ОКИСЛИТЕЛЬНУЮ СПОСОБНОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Ключевые слова: сточные воды, дегидрогеназная активность, биологическая очистка, активный ил.

Исследовали влияние сточных вод на окислительную способность активного ила. В качестве параметра биоиндикации состояния микроорганизмов использовали общую дегидрогеназную активность (ДГА). В работе применяли экспресс-способ оценки ДГА микроорганизмов на основе цветной реакции метиленового синего. Получены данные изменения окислительной способности ила от доли цеховых сточных вод в общем потоке сточных завода по производству белёной сульфатной целлюлозы. Наиболее токсичным влиянием на активный ил характеризуются сточные воды цеха разложения сульфатного мыла, а наиболее значительное действие оказывают самые большие по объему сточные воды выпарного и отбельного цехов.

Keywords: waste water, biological treatment, dehydrogenase activity, activated sludge.

Influence of the waste water composition on the oxidative activity of active sludge is studied. Total dehydrogenase activity (DGA) is used as a bioindication parameter of the microorganisms activity. Express-method of DGA evaluation based on the color reaction with methylene blue is realized. The dependence of active sludge oxidative activity on the concentration of local waste water from bleached sulfate pulp production is analyzed. It is observed that waste water from sulfate soap decomposition process is most toxic for the active sludge. Waste water large volume from evaporating and bleaching processes has great impact on the active sludge as well.

Актуальность. Сточные воды предприятий целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) содержат значительное количество взвешенных, коллоидных и растворенных веществ как органической, так и неорганической природы. Их состав очень разнообразен. Общее число идентифицированных компонентов для крупных предприятий превышает 100 [1]. ЦБП считается отраслью, оказывающей крайне негативное воздействие на окружающую среду, в связи с чем решение проблем очистки сточных вод данных производств является весьма актуальной задачей.

Наиболее эффективным и

распространенным методом очистки

производственных стоков является биологический метод [2]. Микроорганизмы активного ила ассимилируют органические загрязнения сточных вод, предварительно деградируя их выделяемыми ферментами. Важной характеристикой активного ила является общая окислительная способность микроорганизмов, ключевую роль в этом играют ферменты дегидрогеназы. В общей цепи реакций, происходящих при биологической очистке, функция дегидрогеназ заключается в переносе протонов и электронов от органических соединений (метаболитов) на акцептор, которым является кислород. Активность дегидрогеназ используется для биоиндикации физиологического и функционального состояния жизнедеятельности микроорганизмов активного ила [3]. Количество данных ферментов определяет скорость и эффективность процессов биологического окисления [4, 5]. Для эффективной биологической очистки сточных вод важной является количественная оценка влияния стоков ЦБП на дегидрогеназную активность ила.

Цель работы: оценить влияние сточных вод отдельных цехов производства белёной сульфатной

целлюлозы на дегидрогеназную активность микроорганизмов активного ила системы биологической очистки (БО).

Для оценки влияния различных сточных вод на окислительную способность ила использовали ранее разработанную методику определения дегидрогеназной активности ила [6]. Преимуществом данного способа является оперативность (длительность анализа не превышает 10 минут).

Методическая часть

Для проведения эксперимента были выбраны сточные воды, образующиеся на разных стадиях производства белёной сульфатной целлюлозы, - стоки древесно-подготовительного цеха (ДПЦ), отбельного цеха (ОЦ), цеха каустизации и регенерации извести (ЦКРИ), цеха разложения сульфатного мыла (ЦРСМ), цеха химводоочистки (ХВО), фильтроочистных сооружений (ФОС), выпарного цеха (ВЦ), потока условно чистых вод (УЧВ).

Активный ил первой ступени БО, функционирует в условиях высоких переменных нагрузок, что ограничивает возможность его использования для тестирования токсичности сточных вод из-за изменчивости основных свойств. Поэтому в качестве объекта исследования использовали ил, отобранный из аэротенков второй ступени сооружений БО.

В несколько химических стаканов объёмом 500 мл, помещали пробу суспензии активного ила, добавляли заданный объём сточной воды и при подаче воздуха через культуральную жидкость культивировали 3,5 часа при постоянной температуре 25 °С.Для контроля в отдельном стакане ил культивировали без добавки сточной воды. Каждые 45 минут отбирали пробы ила и

определяли ДГА. Изменение среднего значения ДГА ила относительно активности контрольной пробы: прирост или снижение активности, выражали в процентном соотношении.

Определение дегидрогеназной активности

О значении ДГА микроорганизмов ила судили по изменению концентрации метиленового синего (МС), которую непрерывно регистрировали с помощью специально изготовленного устройства[7]. Устройство включает в себя блок определения оптической плотности, блоки перемешивания среды и ее термостабилизации.

Пробу суспензии микроорганизмов вводили в измерительную термостатируемую ячейку (рис. 1). Конструкция ячейки исключает попадание в среду кислорода в процессе анализа. В качестве субстрата для ферментативной реакции использовали глюкозу, в качестве акцептора водорода - раствор МС.

Определяли тангенс угла наклона экспериментально полученной зависимости, соответствующей линейной фазе ферментативной реакции (рис. 2). Вычисленные значения пересчитывали на концентрацию МС по калибровочному коэффициенту [8] и определяли значение ДГА.

Рис. 1 - Схематическое изображение ячейки устройства: 1 - стеклянный стакан, 2 -металлический стакан,3 - слой теплоизоляции; 4 - крышка с встроенной системой измерения, 5 -мешалка, 6 - отражатель света, 7 - блок определения оптической плотности, 8 -ограничительные элементы, 9 - термодатчик; 10 -блок термостабилизации среды, 11 - радиатор, 12 -вентилятор

Методика определения [8] включала выполнение следующих действий: в стакан объёмом 100 мл вносили 60 мл дистиллированной воды, 2 мл тщательно перемешанной суспензии активного ила, 1 мл 10 % раствора глюкозы. На стакан устанавливали крышку с встроенной системой регистрации сигнала измерительной ячейки. Объем смеси доводили водой до метки (83 мл). После этого включали светодиод с фотодатчиком, мешалку, устанавливали требуемую температуру. Далее с помощью дозатора вводили 50 мкл 0,2 % раствора МС.

В ходе ферментативной реакции фотодатчик фиксировал уменьшение концентрации МС. В условиях избытка субстрата и акцептора водорода ход реакции линеен в течение примерно 250 - 300 секунд, по истечении которых процесс измерения останавливали. Показания фотодатчика фиксировались один раз в секунду.

Рис. 2 - Зависимость изменения показаний прибора от продолжительности реакции окисления МС микроорганизмами активного ила

Результаты опытов воспроизводимы, максимальная погрешность при измерении дегидрогеназной активности составляла менее 5 %.

Результаты и их обсуждение

Состав сточных вод производства белёной целлюлозы определяется главным образом особенностями процессов варки и отбелки целлюлозы, свой вклад вносят сточные воды других цехов.

Первоначально было определено влияние на окислительную способность микроорганизмов активного ила отработанного варочного раствора -чёрного щёлока как одного из основных компонентов стоков сульфат-целлюлозного производства. Добавление чёрного щелока в активный ил в количестве 0,5 и 0,1 % по объёму привело к росту дегидрогеназной активности (рис. 3). При этом было выявлено, что изначально микроорганизмы негативно реагируют на добавление чёрного щелока, но с течением времени могут адаптироваться и использовать его как субстрат. Добавление чёрного щёлока до концентрации 1 % от общего объёма иловой смеси, привело к подавлению жизнедеятельности микроорганизмов: ДГА за 3,5 часа возрастала лишь на 10 %. Следовательно, один и тот же субстрат в зависимости от количества может оказывать разнонаправленное действие на окислительную способность микроорганизмов. Это необходимо учитывать при оценке влияния сточных вод на активный ил очистных сооружений.

Ш40 I I

Рис. 3 - Зависимость значения дегидрогеназной активности от содержания чёрного щёлока в активном иле

В таблице 1 представлены результаты изменения ДГА для сточных вод различных цехов производства белёной сульфатной целлюлозы.

Таблица 1 - Изменение дегидрогеназной активности в зависимости от доли локальных (цеховых) сточных вод в общем потоке сточных вод предприятия, поступающем на БО

Места отбора проб сточной воды Добавка пробы сточной воды в реакционную среду, % от объёма Изменение ДГА, %

Древесно- подготовительный цех 1 - 5 3 - -2

Цех каустизации и регенерации извести 1 - 5 - 1 - -2

Фильтроочистные сооружения 0,2 - 2 3 - -2

Потокусловно чистых вод 1 - 5 7 - -5

Цех химводоочистки 0,1 - 0,4 20 - -6

Цех разложения сульфатного мыла 0,005 - 0,030 20 - -6

Отбельный цех 5 - 20 -8 - -24

Выпарной цех 2 - 10 2 - -8

С учетом вклада каждого локального стока в общий поток, поступающий на биологическую очистку, варьировали количество добавляемой в стаканы с илом сточной воды. Интервал варьирования составлял примерно 1,5 - 2 раза в обе стороны от средних значений.

В составе сточных вод содержатся как легкоокисляемые и трудноокисляемые вещества, так и ингибиторы биохимических процессов. Увеличение значения ДГА по сравнению контролем указывает на активную ассимиляцию компонентов сточной воды и отсутствие ингибирования. Это, как правило, происходит при низкой концентрации загрязнений. Однако имеется очевидная тенденция к снижению активности биомассы ила, уменьшению значений ДГА с увеличением концентрации всех

видов сточных вод, в результате замедляется скорость их биологической очистки.

Как видно из таблицы, при небольшом объеме сточные воды некоторых цехов: ЦКРИ, ДПЦ, ФОС, ХВО, не оказывают значительного воздействия на состояние ила и его ДГА. Большие изменения ДГА ила наблюдались при добавлении проб условно чистых вод, что может быть связано со случайными и резкими колебаниями в их составе.

Наиболее весомым оказалось действие сточных вод отбельного и выпарного цехов, которые при значительном расходе имеют высокие показатели ХПК, цветность и значительную загрязненность органическими веществами [9, 10]. В состав загрязнений щёлокосодержащих сточных вод входят волокно, щелочной лигнин, продукты деструкции углеводов, минеральная часть, представленная солями натрия. В составе конденсатов выпарки чёрного щелока в значительном количестве присутствуют сернистые соединения (метилмеркаптан, диметилсульфид, диметилдисульфид, сероводород). Сточные воды отбельного цеха характеризуются повышенным содержанием хлорорганических веществ лигнинного характера, формальдегида, фенолов. Большинство указанных веществ являются ингибиторами биохимических процессов, в их присутствии происходит подавление ДГА микроорганизмов активного ила [11].

Объем сточных вод цеха разложения сульфатного мыла по отношению к общему потоку наименьший, однако их компоненты оказывают сильное ингибирующее воздействие на микроорганизмы ила. Сульфатное мыло представляет собой смесь, состоящую из приблизительно равных концентраций натриевых солей смоляных и жирных кислот и меньшего количества окисленных и неомыляемых веществ. Имеются данные о токсикологическом воздействии компонентов талловых продуктов на флору и фауну водоёмов [9]. При большом разбавлении субстратом для микроорганизмов могут служить жирные кислоты. Наиболее биологически

трудноокисляемыми являются смоляные кислоты. Их негативное воздействие на ферментативную активность микроорганизмов проявляется при очень низкой концентрации в среде. С учетом этого, было предложено организовать локальную очистку сточных вод цеха разложения сульфатного мыла.

Выводы

1. Показана целесообразность использования методики определения дегидрогеназной активности микроорганизмов активного ила для оценки токсического действия компонентов сточных вод.

2. Проведено тестирование воздействия сточных вод производства белёной сульфатной целлюлозы на активный ил аэротенков второй ступени БО. Установлено, что наиболее значимое отрицательное влияние на окислительную способность ила оказывают сточные воды

отбельного и выпарного цехов из-за высокой загрязненности и большого объема.

3. Установлено, что самыми токсичными являются сточные воды цеха разложения сульфатного мыла, компоненты которых оказывают наиболее значительное ингибирующее воздействие на микроорганизмы ила.

Работа выполнена по заданию Минобрнауки РФ по базовой части проекта «Биотехнология возобновляемых ресурсов растительного происхождения» (САФУ имени М.В. Ломоносова, 2015).

Литература

1. Казакова Е.Г., Леканова Т.Л. Очистка и рекуперация промышленных выбросов целлюлозно-бумажной промышленности: Уч. пос. Сыктывкар: СЛИ, 192 с. (2013).

2. Закиров Р.К., Ахмадуллина Ф.Ю., Балымова Е.С., Геталов А.А. Вест. Казан. технол. унив. Т. 18. № 4. С. 287-290. (2015).

3. Закиров Р.К., Берестов Р.К., Ахмадулина Ф.Ю., Вербенко И.В., Сироткин А.С. Вест. Казан. технол. унив. № 2. С. 33 - 40. (2009).

4. Югина Н.А., Хабибрахманова А.И., Шайхиева Р.И., Михайлова Е.О., Шулаев М.В. Вест. Казан. технол. унив. Т. 17. № 23. С. 251-253. (2014).

5. Кирсанов В.В. Вест. Казан. технол. унив. Т. 17. № 13. С. 250 - 252. (2014).

6. Патент РФ. № 2476598

7. Патент РФ. № 117149

8. Чухчин, Д.Г., Тупин П.А., Новожилов Е.В., Соколов О.М. Лесной журнал. № 3. С. 119-124. (2010).

9. Личутина Т.Ф., Мискевич И.В., Бровко О.С., Гусакова М.А. Екатеринбург: Уро РАН. 210 с. (2005).

10. Боголицын К.Г., Соболева Т.В., Гусакова М.А., Почтовалова А.С., Личутина Т.Ф. Екатеринбург: УрО РАН. 167 с. (2010).

11. Кирсанов В.В. Вест. Казан. технол. унив. Т. 17. №14. С. 370 - 373. (2014).

© Е. А. Варакин - асп., каф. биотехнологии и биотехнологических систем, Северный Арктический федеральный университет им. М.В. Ломоносова, varakin.ev@yandex.ru; Д. Г. Чухчин - к.х.н, доцент, каф. биотехнологии и биотехнологических систем, Северный Арктический федеральный университет им. М.В.Ломоносова, dimatsch@mail.ru; В. А. Рудакова - к.т.н, кафедра биотехнологии и биотехнологических систем, Северный Арктический федеральный университет им. М.В. Ломоносова, biotech@narfu.ru; Е. В. Новожилов - д.т.н , проф., зав. каф. биотехнологии и биотехнологических систем, Северный Арктический федеральный университет им. М.В. Ломоносова, e.novozhilov@narfu.ru; З. А. Канарская - канд. тех. наук, доц. каф. ПищБТ КНИТУ, zosya_kanarskaya@mail.ru.

© E. A. Varakin - graduate student, Associate professor of the Department of Biotechnology and Biotechnical Systems, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, varakin.ev@yandex.ru; D. G. Chukhchin - PhD (Eng), Assoc. prof., Associate professor of the Department of Biotechnology and Biotechnical Systems, Northern (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov, biotech@narfu.ru; V. A. Rudakova - Ph.D, Associate professor of the Department of Biotechnology and Biotechnical Systems, Northern (Arctic) Federal University named after M.V.Lomonosov, biotech@narfu.ru; E. V. Novozhilov - D. Sc (Eng), Professor, Head of the Department of Biotechnology and Biotechnical Systems, Northern (Arctic) Federal University named after M.V.Lomonosov, biotech@narfu.ru; Z. A. Kanarskaya - Ph.D, Associate Professor, Department of Food Biotechnology, KNRTU, zosya_kanarskaya@mail.ru.