Обогащение среды рост стимулирующими веществами при ультразвуковой обработке промышленных илов

Р. К. Закиров, Е. В. Пронина, Ф. Ю. Ахмадуллина,

Д. Г. Победимский

ОБОГАЩЕНИЕ СРЕДЫ РОСТ СТИМУЛИРУЮЩИМИ ВЕЩЕСТВАМИ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИЛОВ

Ключевые слова: активный ил, ультразвук, рост стимулирующие вещества active silt, ultrasound, increase the stimulating substances.

Изучено обогащение среды рост стимулирующими веществами (белки, аминокислоты, аммонийный азот) при низкочастотной ультразвуковой обработке промышленных илов. Показано влияние как режима (стационарный, динамический), так и условий ультразвукового воздействия (интенсивность, продолжительность), а также возраста ила на глубину деструкции активной биомассы. Получены уравнения регрессии, адекватно описывающие дезинтеграцию активного ила разного возраста в поле ультразвуковых волн.

Was studied fortification environment of substances, which promote the growth (proteins, free amino acids, ammonium nitrogen) during low-frequency ultrasonic exposure of industrial muddy material. In our work was educed influence of process (stationary, dynamical), conditions of ultrasonic exposure (intensity, time of exposure), age of muddy material to degree of destruction active biomass. Was obtained regression equations, which describe disintegration of active sludge (of different age) in the field supersonic waves

Разработки последних лет свидетельствуют о возможности и перспективности использования ультразвука в комплексной биотехнологии очистки сложных по составу и токсичных сточных вод, что характерно для промышленных стоков предприятий химической отрасли. При этом целесообразно его применение в двух направлениях: при предобработке химзагрязненных сточных вод и для повышения ферментативной активности промышленных илов, особенно в процессах продленной аэрации [1-3]. В последнем случае возникает необходимость тщательного выбора режима озвучивания, учитывая деструкти-рующее действие ультразвуковых колебаний в результате кавитации и свободнорадикального окисления продуктов распада клеток активной биомассы [4, 5].

Как показали результаты собственных исследований к важнейшим технологическим параметрам, влияющим на данный процесс, следует отнести не только режим

разрушается не более чем на 6-7%., вследствие проявления защитного действия внеклеточных полимерных веществ активного ила большого возраста [6, 7].

Однако деструкция клеточной биомассы, определяемая в вышеизложенном материале по дозе ила, должна приводить к обогащению надиловой жидкости экзо- и эндокомпонентами как клеточного вещества микроорганизмов смешанной популяции, так и содержащимися в внеклеточном полимерном геле, и как следствие - к повышению дегид-рогеназной активности промышленных илов за счет увеличения концентрации рост стимулирующих веществ в среде, к чему склоняются большинство исследователей. Так, ранее была показана стимуляция метаболизма микроорганизмов активного ила при обогащении среды отдельными микробиальными экстрактами и метаболитами, а также продуктами распада активной биомассы при механическом разрушении [8-10]. Следует отметить, что это явление носит общебиологический характер, которое наиболее четко прослеживается между гидробионтами [11].

С другой стороны, значительный рост биологически активных веществ, а при глубокой дезинтеграции также и концентрации биогенных элементов в надиловой жидкости может служить причиной неудовлетворительной работы биоокислителей из-за несбалансированного соотношения последних в субстрате. Как недостаток, так и избыток биогенных элементов снижают ассимиляцию примесей сточных вод вследствие ограничения генерации новых клеток или проявления токсичного воздействия аммонийного азота за счет блокады лежащих на поверхности зооглейных структур электронных зарядов, обладающих противоположным знаком, что приводит к нарушению обменных процессов и поражению клеточных оболочек [12-14 ].

В связи с этим, предметом исследования в настоящей работе являлось влияние низкочастотного ультразвука на изменение концентрации азот содержащих веществ, относящихся к биологически активным и биогенным соединениям при ультразвуковом воздействии на промышленные илы различного возраста, формирующихся на сточных водах производств органического синтеза. Непостоянство состава и расхода, а также наличие в них экотоксикантов и биорезистентных поллютантов обусловливают необходимость осуществления очистки этих стоков в условиях продленной аэрации, что и реализуется на данных очистных сооружениях, где эксплуатируются промышленные илы возраста более 30 суток.

Их систематическое исследование показало, что условия формирования активного ила оказывают существенное влияние на содержание белков и свободных аминокислот в надиловой жидкости, при чем нестабильность состава стоков обусловливает скачкообразный характер изменения содержания данных биологически активных веществ (рис. 1).

Номер пробы | I Аминокислоты ♦ Белок

Рис. 1 - Динамика изменения концентрации белка и аминокислот в надиловой жидкости промышленных илов

Согласно экспериментальным данным, диапазон концентрации белков и аминокислот в надиловой жидкости различных проб исследуемого промышленного ила колеблется в пределах 1,05 - 20 и 0,04 - 0,48 мг/л соответственно.

Сравнение полученных результатов для различных очередей действующей биостанции однозначно выявило более высокие концентрации полипептидов в надиловой жидкости илов большего возраста независимо от химического состава сточных вод на период исследования, что подтверждает графический материал (рис. 2), на котором представлены данные по осдержанию белков в иловых суспензиях в качестве примера при различных ХПК химзагрязненных сточных вод и низких концентрациях ксенобиотиков и экотоксикантов.

12л

520 540 975 986 1013 1020

ХПК, мг/л

I очередь  II очередь

Рис. 2 - Изменение концентрации белка в надиловой жидкости при различных ХПК сточных вод

Наиболее вероятное объяснение наблюдаемого явления - различие в глубине стабилизационных процессов, протекающих в различных очередях очистных сооружений. Для процессов продленной аэрации характерно развитие стабилизационных процессов, глубина которых зависит от возраста ила. С увеличением последнего следует ожидать более высокую степень распада трудноокисляемых внутриклеточных компонентов в результате лизиса клеток микроорганизмов активного ила [15], что и было зафиксировано нами.

При озвучивании иловой суспензии во всех экспериментах наблюдалось повышение концентрации биологически активных веществ (БАВ) в надиловой жидкости, рост которых зависел от режима и условий ультразвуковой обработки активного ила. Однако работа с реальными иловыми суспензиями не позволяет корректно оценить влияние воздействия низкочастотного ультразвука на содержание БАВ в среде вследствие значительного колебания абсолютных величин их концентраций в надиловой жидкости из-за различных условий формирования и функционирования промышленных илов. Использование ранее предложенного приема - определение в относительных единицах изменения концентрации изучаемых компонентов в надиловой жидкости озвученных проб активного ила [16], обусловило возможность выявления общих закономерностей ультразвукового воздейтствия. Как видно из рисунка 3, для илов различного возраста получены качественно аналогичные зависимости, описывающие изменение концентрации белков в среде при различных условиях озвучивания иловых суспензий в стационарном режиме.

%

Точередь

II очередь

б

а

в

Рис. 3 - Влияние условия озвучивания и возраста ила на изменение содержания белков: а) 1=4 Вт/см2; б) 1=6 Вт/см2; в) 1=8 Вт/см2

Анализ графического материала свидетельствует:

- обогащение надиловой жидкости полипептидами зависит как от параметров ультразвуковой обработки, так и свойств активногй биомассы;

- более существенное разрушение клеток с высвобождением в среду белков характерно для илов меньшего возраста, что связано с защитной функцией экзополимерного геля, содержание которого в зрелых илах выше. Последнее получило подтверждение в работе Апплегайта и Врайерса [17]. Они установили, что при недостатке углерода образуется большое количество экзополимерной субстанции по отношению к клеточной биомассе, чем в условиях лимитирования по кислороду. Они связывают воду и образуют своеобразную матрицу с определенной механической прочностью, в которой микроорганизмы могут образовывать стабильные сообщества, выполняют защитную функцию;

- о взаимном влиянии параметров ультразвуковой обработки на рост концентрации компонентов, независимо от возраста ила.

Обобщение полученного материала с последующей математической обработкой экспериментальных данных позволило выявить общую закономерность взаимного влияния ряда технологических факторов (интенсивность и продолжительность ультразвукового воздействия, возраст ила) на обогащение среды белками в виде полиномиальной зависимости второго порядка функции двух переменных [5] (рис. 4), коэффициенты которой приведены в таблице 1

У г-  160-180

180  140-160

160  120-140

140  100-120

120

100 щиишицщ *

4 5 6 7 8 0'5 Х2

Х1

б

2

Рис 4 - Взаимное влияние интенсивности (Х1, Вт/см ) и продолжительности ультразвуковой (Х2, мин) обработки на изменение содержания белка в надиловой жидкости: а) I очередь; б) II очередь

Таблица 1 - Коэффициенты уравнения регрессии

Коэффициенты регрессии I очередь II очередь

Ьо -22,3931 31,36634

Ь1 34,35675 17,85756

Ь2 49,67302 29,83343

Ь11 -2,28571 -1,48838

Ь22 -9,52619 -9,75921

Ь12 0,392857 4,625668

к2 0,964479 0,954862

Высокие значения коэффициентов детерминации позволяют утверждать о хорошей сходимости экспериментальных и расчетных данных. Сопоставляя полученные поверхности, можно отметить существенную роль возраста ила в обогащении белками среды при озвучивании иловой суспензии. Для илов возраста 20-30 суток характерны более глубокие деструкционные явления и практически равноценный вклад как интенсивности, так и продолжительности ультразвуковой обработки на высвобождение в среду полипептидов.

В случае более старого ила (40-50 суток) превалирует влияние времени экспозиции, которое в совокупности с максимально изученной интенсивностью ультразвукового воздействия (1=8 Вт/см2) позволяет достичь сопоставимого с более молодым илом процента повышения концентрации белков в надиловой жидкости. По-видимому это обусловлено двумя взаимодополняющими факторами: высвобождением белков из экзополимерного геля и непосредственно клеточной биомассы в результате повреждающего действия низкочастотного ультразвука. Более явно выраженные стабилизационные процессы в зрелых илах предполагают более высокое содержание эндогенных клеточных компонентов, включая белки, за счет их депонирования в экзополимернуюгель с последующим выделением в среду при озвучивании.

Наряду с белками ультразвуковая обработка приводит к значительному росту содержания свободных аминокислот в надиловой жидкости, который зависит от условий ультразвукового воздействия, достигая ~ 800 %. Однако в абсолютных значениях эта величина не столь значительна и не превышает 3,5 мг/л для всех изученных режимов озвучивания (1=4-8 Вт/см2, 1=0,5-3 мин).

Интересно отметить, что для озвученных проб иловых суспензий величины концентраций аминокислот и белка в надиловой жидкости связаны прямолинейной зависимостью, что демонстрирует графический материал, представленный на рисунке 5.

2.5 -2 -

1.5 -1 -

0,5 -

0

САК, мг/л

0,5 мин

3 мин

2,5 мин

1 мин

10 15

8 вт/см2 ♦ 6 втсм2

20 25

Сбелок> мг/л

0

5

Рис. 5 - Взаимосвязь концентраций белка и аминокислот при ультразвуковой обработке ила

Низкие значения концентрации аминокислот по сравнению с белками, очевидно, объясняются их ассимиляцией клеточной биомассой, а также возможным протеканием процессов прямого и окислительного дезаминирования [18]. Последнее предпочтительнее, учитывая образование активных форм кислорода в водных средах в поле ультразвуковых волн [19, 20].

Аргументом, подтверждающим дезаминирование аминокислот, может служить значительное повышение концентрации аммонийного азота в надиловой жидкости при ультразвуковой обработке иловой суспензии (рис. 6).

—8 вт/см2 —10 вт/см2

Рис. 6 - Влияние ультразвука на содержание аммонийного азота в надиловой жидкости

Как видно из рисунка, при всех изученных режимах озвучивания наблюдается рост содержания аммонийного азота в среде. Максимальные результаты были получены при

1=8 Вт/см во всем временном интервале. При этом концентрация аммонийного азота в на-диловой жидкости увеличивалась в 6-19 раз соответственно при продолжительности озвучивания 0,5; 1; 3 мин.

Выявленная тенденция согласуется с ранее полученными данными в работе /21/, в которой было показано, что в растворах как ароматических, так и алифатических аминокислот происходит выделение ионов аммония (аммиака). Распад аминокислот увеличивается по мере длительности озвучивания [22]

Что касается несколько заниженных, чем ожидалось, результатов для интенсивности 10 Вт/см2, то предположительно это можно объяснить тем, что при данном жестком режиме, видимо, в большей степени образуются активные формы кислорода, которые способствуют переходу аммонийного азота в окисленные формы (нитриты и нитраты). Наши предположения согласуются с данными работы [23], где показано, что часть аммиака при дальнейшем озвучивании подвергается окислению до азотистой и азотной кислот. Большее количество НЫОз (в отличие от НЫ02) образуется в растворах аминокислот с меньшей длиной цепи.

Столь значительное увеличение концентрации неорганического азота - важнейшего биогенного элемента - в надиловой жидкости обусловливает экономичечкую целесообразность применения низкочастотного ультразвука, так как позволяет снизить затраты на приобретение азотсодержащих соединений. Подтверждением этому служат данные таблицы 2, из которых видно, что даже при минимальных концентрациях КН4+ в исходных иловых суспензиях озвучивание последних приводит к 2-40 -кратному увеличению содержания этого биогенного элемента в зависимости от условий ультразвуковой обработки.

Таблица 2 - Изменение концентрации аммонийного азота в надиловой жидкости при ультразвуковой обработке

Интенсивность, Вт/см2 Исх., мг/л 0,5 мин 2 мин 5 мин

мг/л % мг/л % мг/л %

2 0,77 0,8 103 2,05 266 2,95 383

4 1 1,08 108 2,96 296 18,6 1860

6 0,62 2,09 337 13,00 2096 25,5 4112

8 1,07 4,19 391,6 19,00 1775 28,10 2626

Таким образом, проведенные исследование показали, что ультразвуковая обработка промышленных илов может стать универсальным средством обогащения среды биологически активными веществами и биогенными элементами, обеспечивая стимуляцию метаболизма микроорганизмов активного ила процессов продленной аэрации при определенной экономии затрат на биогенные элементы.

Литература

1. Ткачук, Н.Г. Применение ультразвука для интенсификации биологической очистки сточных вод /Н.Г. Ткачук //Водоснабжение и сан. техника. - 1994. - № 7. - С.31-32.

2. Закиров, Р. К. Влияние ультразвука низкой частоты на ферментативную активность промышленного ила / Р.К. Закиров [и др.] // Химическая промышленность .-2006. - Т.83.- №. 1. - С. 37-42.

3. Закиров, Р. К. Перспективы использования низкочастотного ультразвука для интенсификации процессов продленной аэрации промышленных стоков / Р.К. Закиров [и др.]// Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2008. - Спец. выпуск. - С. 35-39.

4. Эльпинер, И. Е. О механизме действия ультразвуковых волн на микроорганизмы /И.Е. Эльпи-нер // Микробиология. - 1955. - Т.24.- вып.3. -С. 371.

5. Закиров, Р.К. Интенсификация процесса биологической очистки сточных вод с применением методов реагентной и ультразвуковой обработки: дис. ... канд.'техн. наук / Р.К. Закиров. - Казань, 2001. - 159 с.

6. Исследование природы внеклеточных полимерных веществ активного ила производства органического синтеза: тез. докл. Общерос. конф. «Пищевые технологии» 2006 - Казань. С. 134

7. Жмур, Н.С. Технологические им биохимические процессы очистки сточных вод на сооружениях с аэротенками / Н.С. Жмур - М.: АКВАРОС, 2003. - 512 с.

8. Кришенблат, Я.Д. Телергоны - химические средства воздействия животных /Я.Д Кришенблат.

- М.: Наука, 1968. 104 с.

9. Митчелл, Р. Экологический контроль нарушений микробного равновесия /Р. Митчелл // Микробиология загрязненных сточных вод. - М.: Медицина, 1976. -226 с.

10. Trench, R.K. Cellular and molecular interactions in symbioses between dinoflagellates and merine invertebrates /R. K Trench. //Pure and Appl. Chem.- 1981.- Vol. 53. - № 4. - P. 819.

11. Симаков, Ю.Г. Стимуляция метаболизма микроорганизмов активного ила при их частичном деструктировании /Ю.Г. Симаков //Прикладная биохимия и микробиология. - 1983. - Т.19.-Вып.6. - С. 804-809 .

12. Ковалева, Н.Г. Биохимическая очистка сточных вод предприятий химической промышленности /Н.Г. Ковалева, Ковалев В.Г. - М.: Химия, 1987. - 160с.

13. Найденко, В.В. Определения необходимого количества биогенных элементов при биологической очистке сточных вод /В.В. Найденко [и др.] //Пласт. массы. - 1990.- №11. - С.85-87.

14. Рубан, Е.Л. Биосинтез аминокислот микроорганизмами /Е.Л. Рубан, Н.М. Вербино, С.А. Бутенко. - М.: Наука, 1968. - 296с.

15. Закиров, Р. К. Влияние возраста ила на закономерности процесса аэробной стабилизации промышленных илов /Р.К. Закиров [и др.] // Химическая промышленность .-2003. - Т.80. - №. 7. - С. 323-327.

16. Закиров, Р.К. Использование низкочастотного ультразвука для интенсификации процесса биологической очистки промышленных стоков / Р.К. Закиров [и др.] // Экология и промышленность России. - 2008. - №6. - С. 31-33.

17. Коновалова, С.А. Биосинтез ферментов микроорганизмами / С. А. Коновалова. - М.: Пищевая пром-ть, 1973. - 191 с.

18. Таубе, П.Р. Химия и микробиология воды / П. Р. Таубе, А. Г. Баранов. - М.: Высш. шк., 1983. - 280 с.

19. Эльпинер, И.Е. Химические действие ультразвуковых волн в присутствии активных и инертных газов / И.Е.Эльпинер, А.В. Сокольская //Докл. АН СССР. - 1959. - Т.129. - №1. - С.202-205.

20. Эльпинер, И.Е. О перекисных радикалах белка, возникающих под действием ультразвуковых волн / И.Е. Эльпинер, О.М. Зорина //Докл. АН СССР .-1960. - Т.134.- №6. - С.1472-1474.

21. Эльпинер, И.Е. О действии ультразвуковых волн на биомакромолекулы /И.Е. Эльпинер // Акустический журнал.- 1956. - №3. - С399-408.

22. Эльпинер, И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие /И.Е. Эльпинер - М.: Физматгиз, 1963. - 420 с.

23. Хенох М.А. Воздействие ультразвука на растворы углеводов /М.А. Хенох //Журнал общая химия. - 1955. - С. 928-933.

© Р. К. Закиров - канд. техн. наук, доц. каф. промышленной биотехнологии КГТУ; Е. В. Пронина -

соиск. той же кафедры; Ф. Ю. Ахмадуллина - ст. препод. той же кафедры; Д. Г. Победимский -

д-р хим. наук, проф. каф. биотехнологии МИТХТ (г. Москва).

E-mail:zakrus@mail.ru.