О возможности инициирования деструкции нитратов целлюлозы компонентами навозной массы

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА

УДК 628.544

Р. З. Агзамов, А. С. Сироткин, А. Н. Шулаева

О ВОЗМОЖНОСТИ ИНИЦИИРОВАНИЯ ДЕСТРУКЦИИ НИТРАТОВ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ КОМПОНЕНТАМИ НАВОЗНОЙ МАССЫ

Ключевые слова: деструкция, обезвреживание, осадки сточных вод, нитраты целлюлозы, конский навоз.

Исследован способ биохимического инициирования обезвреживания осадков сточных вод производства нитратов целлюлозы путем их обработки конским навозом в аэробно-анаэробных условиях. Отмечена эффективная деструкция нитратов целлюлозы в составе осадков сточных вод под действием продуктов микробного разложения навозной массы.

Key words: destruction, deactivating, sewage sludge, nitrocellulose, horse dung.

The biochemical method of initiating of nitrocellulose production sewage sludge deactivation by aerobic-anaerobically conditions into horse dung processing was researched. It was noted that effective destruction of nitrocellulose by action of the products of microbiological decomposition of dung.

Введение

Биологическая утилизация

производственных отходов обладает рядом неоспоримых преимуществ и зачастую позволяет решать проблему возвращения химических соединений в экологические циклы превращения веществ в природе. При этом следует отметить, что существуют определенные ограничения для использования биологических способов утилизации отходов производства нитратов целлюлозы, что связано со спецификой этих отходов [1].

Проведенные ранее экспериментальные исследования показали низкую эффективность непосредственной (прямой) микробиологической обработки нитратов целлюлозы в составе шламов [2], что может быть связано с особенностями химического строения нитратов целлюлозы. Высокозамещенные нитраты целлюлозы имеют в своем составе нитратные группы, пространственно распределенные таким образом, что расстояния между соседними атомами азота недостаточны для их атаки ферментами, имеющими сложную белковую структуру. Тем временем указанные межатомарные расстояния предоставляют возможность простым соединениям

восстановительной природы проявлять

реакционную способность по отношению к кислородному «мостику», который связывает нитратные группы с глюкопиранозным звеном. В качестве таких соединений могут быть использованы ионы натрия, калия, аммония, сульфид-ионы, в некоторых случаях ионы кальция [2, 3].

Результаты исследования прямой биологической деструкции мономерных

нитросоединений, например, тринитротолуола [4] свидетельствует, что указанным выше взаимодействиям химических молекул способствует расщепление длинной цепи нитратов целлюлозы на отдельные низкомолекулярные соединения.

Протекание процессов такого рода могут катализировать целлюлозолитические ферменты.

Поиск дешевых источников, с одной стороны, простых химических соединений восстановительной природы, а с другой стороны -целлюлозолитических ферментов привела к необходимости проведения исследования биохимического способа обработки отходов производства нитратов целлюлозы навозной массой для инициации их биодеструкции.

Результаты и их обсуждение

Эксперимент по исследованию процесса обработки нитратов целлюлозы навозной массой проводился в двух прозрачных емкостях из полиэтилентерефталата объемом 5 дм3. Соотношения компонентов для проведения биологической обработки отходов представлены в таблице 1.

Для сохранения влажности массы отходов и обеспечения режимов аэробно-анаэробной обработки отходов, содержащих нитраты целлюлозы, имитирующих условия пребывания донных осадков на дне отстойных прудов и шламонакопителей, использовались емкости, герметично закрывающиеся крышкой.

С целью повышения эффективности процесса обезвреживания нитратов целлюлозы и для обогащения микробного состава навозной массы в емкость №1 дополнительно вносилось сообщество микроорганизмов, выделенных из биопленки лабораторных биофильтров для биологической очистки сточных вод производства нитратов целлюлозы. Микроорганизмы указанных сообществ обладают высокой нитратредуктазной активностью [5]. Первичное микробное потребление нитрат-ионов в среде культивирования микроорганизмов позволяет смещать равновесие химических реакций нитратов целлюлозы с ионами восстановителей в сторону образования продуктов этих реакций, таких как нитрат- и нитрит-ионы. Указанный эффект

может вносить свой вклад в общий процесс инициирования деструкции нитратов целлюлозы.

Таблица 1 - Постановка биологической обработке

Таблица 3 - Наблюдения протекания процесса компостирования

эксперимента по

Компоненты среды Величина массы или объема компонентов

в емкости №1 в емкости №2

Масса осадков сточных вод, содержащих нитраты целлюлозы, г 90 90

Масса конского навоза, г 410 410

Раствор биогенных элементов, см3 200 200

Сообщество микроорганизмов, см3 50 -

Для дополнительного повышения активности органогетеротрофов в среду вносился раствор, содержащий источники биогенных элементов, состав которого представлен в таблице 2.

Таблица 2 - Состав раствора биогенных веществ

Биогенные вещества Концентрация, мг/дм3

ми4а 118,6

K2PO4 114,6

Крахмал 40

Сахароза 500

Глицерин 40

Na2SO4 517

KNOз 97,8

Для поддержания гомогенности среды 1 раз в 7 суток производилось встряхивание содержимого емкостей. Для снижения ингибирования биологических процессов газообразными продуктами микробной жизнедеятельности емкости периодически открывались и вновь герметично закрывались.

Визуальные изменения среды в процессе биологической обработки, а также изменение температуры массы отходов представлено в табл. 3.

В процессе экспериментальных

исследований было отмечено экстремальное повышение температуры среды на 43 сутки эксперимента после внесения источника целлюлозы. Вероятно, это связано с активным ростом аэробной биомассы целлюлозоразрушающих

микроорганизмов, в том числе микромицетов, обладающих богатым ферментативным аппаратом. Дальнейшее охлаждение среды может быть вызвано исчерпанием воздуха и постепенным преобладанием в среде анаэробных процессов.

При визуальном изучении массы отходов в результате биохимической обработки волокна нитратов целлюлозы (НЦ) не были обнаружены. Деструкция нитратов целлюлозы в условиях настоящего эксперимента подтверждается результатами анализа инфракрасных (ИК) спектров образцов отобранных из емкостей (рис. 1).

Время, Температура Характеристика среды

сут среды

0 21 Рассыпчатая увлажненная масса бурого цвета

9 22 Вязкая и слизистая масса, появление белой плесени

18 22-23 Внешний вид без изменений

32 22-23 Добавлены полоски целлюлозы

43 28-29 Темная масса. Полоски целлюлозы визуально не определяются. Вздутие бутылей, сильное газообразование. Появление неприятного гнилостного запаха.

57 22-23 Темная вязкая масса. Незначительное газообразование.

71 22-23 Темная вязкая масса. Неприятный гнилостный запах.

86 22-23 Темная вязкая масса. Неприятный гнилостный запах.

и.

« о

1 °

» -

2000 «11-1

С ЧЭРЧЗ.Т 11» ШКП1«П »

с дяд^т 11Л Ш4«иаии *

Рис. 1 - ИК-спектры образцов

Сглаженные графики распределения ИК-спектров опытных образцов в точках, характерных для нитратов целлюлозы (840 от-1, 1360 от-1 и 1580 от-1), свидетельствуют об отсутствии НЦ в исследуемых образцах. При этом образцы шлама из емкости № 1 обнаружили более глубокое разрушение НЦ, что очевидным образом говорит о вкладе адаптированных микроорганизмов в процесс биодеструкции НЦ.

Заключение

Таким образом, в настоящем исследовании было выявлено, что под действием продуктов микробного разложения навоза в течение 90 суток протекает интенсивная биодеструкция нитратов

целлюлозы, приводящая практически к их полному разрушению. При этом в процессе исследования биохимической обработки нитратов целлюлозы в составе осадков сточных вод отмечено выделение газообразных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов в составе навозной массы.

Обработка навозом в условиях шламонакопителей осадков сточных вод на предприятиях по производству нитратов целлюлозы может быть рекомендована как дешевый и эффективный способ обезвреживания нитратов целлюлозы с точки зрения ликвидации их пожарной и взрывоопасности. Однако протекание процессов в анаэробных условиях ставит остро вопрос о биологической и экологической безопасности полученных твердых, жидких и газообразных продуктов микробной жизнедеятельности.

В связи с этим возникает настоятельная необходимость проведения дальнейших

исследований, направленных на исследование микробных сообществ, принимающих участие в процессе биодеградации нитратов целлюлозы, кинетики их биодеградации в условиях инициирования этого компонентами навоза, а также разработку методов повышения биологической и

экологической безопасности в процессах обработки

отходов производства нитратов целлюлозы.

Литература

1. Агзамов Р.З. Биологические методы утилизации

отходов производства нитроцеллюлозы / Р.З. Агзамов, А.С. Сироткин, О.Б. Братилова и др. // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - т. 15. - № 20. с. 172-175.

2. Агзамов Р.З. Об обоснованности щелочного гидролиза нитратов целлюлозы в технологиях утилизации шламов / Р.З. Агзамов, Т.В. Лапшина, И.У. Абитаева и др. // Вестник Казанского технологического университета. -2014. - т. 17. - № 2. с. 212-214.

3. Петрова, О.Е. Трансформация нитроэфира целлюлозы сульфатредуцирующей бактерией Desulfovibrio desulfuricans 1388: дис. канд. техн. наук / О. Е. Петрова ; Каз. гос.ун-т. - СПб., 2004.-114 л.

4. Хиляс И.В. Трансформация 2,4,6-тринитротолуола клетками Уагго^га Ьро1у1!са в присутствии ферригидрита / И.В. Хиляс, А.Р. Багманова, Р. Герлах, А.М. Зйганшин // Высокие технологии, экономика, промышленность. - 2012. - Т. 1. - С. 252.

5. Сироткин А.С. Оценка эффективности процесса биофильтрации сточных вод производства нитроцеллюлозы / А.С. Сироткин, И.У. Абитаева, Т.В. Лапшина и др. // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - т. 16. - № 6. с. 124-127.

© Р. З. Агзамов - канд. техн. наук, нач. лаб. 1074 Центра по синтезу и разработке компонентов для порохов, сгорающих материалов и топлив «Государственный научно-исследовательский институт химических продуктов», raushan86@yandex.ru; А. С. Сироткин - д-р техн. наук. проф., зав. каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, asirotkin66@gmail.com; А. Н. Шулаева - магистрант той же кафедры, alexakrais@mail.ru.

© R. Z. Agzamov, Head of laboratory 1074, State research institute of chemical products, e-mail: raushan86@yandex.ru, gniihp@bancorp.ru; А. S. Sirotkin, Professor, Department of Industrial Biotechnology of the KNRTU, asirotkin66@gmail.com; A. N. Shulayeva, Master's student, Department of Industrial Biotechnology of the KNRTU, alexakrais@mail.ru.