CC BY
57
вод, однако требуют предварительной механохимиче-ской обработки с целью удаления нерастворимых примесей, что влечет за собой недостатки, присущие первой группе методов. Они сложны в аппаратурном оснащении, имеют высокую себестоимость очистки.
Третья группа объединяет деструктивные методы, основанные на глубоких превращениях органических примесей. Реализация этих методов не привносит дополнительных загрязнений, которые в виде хло-ридных, сульфатных и прочих ионов характерны для реагентных методов обработки. Деструктивная очистка, базирующаяся на окислительно-восстановительных реакциях, инициированных различными физико-химическими процессами, позволяет, к примеру, изменять структуру органических примесей вплоть до нарушения хромофорно-ауксохромного строения с последующим глубоким их расщеплением до более простых, легко окисляемых продуктов или минеральных соединений, а так же обеспечивает полную деградацию ПАВ с потерей их поверхностно-активных свойств. Из деструктивных методов наиболее широкое
применение находит очистка сточных вод окислителями, реагентной восстановительно-окислительной, электрохимической и электрокаталитической деструкцией. В связи с этим интерес в технологии водоочистки представляет экологически чистый окислитель -пероксид водорода (Н2О2). Концентрированный Н2О2 бурно реагирует со многими органическими веществами, окисляя их до воды и СО2. В разбавленных растворах, к которым относится большинство категорий сточных вод, этот процесс протекает медленно и поэтому применяют катализаторы. В качестве адсорбента-катализатора рекомендуют пористый силика-гель, покрытый промотирующими добавками оксидов никеля, меди, кобальта при их соотношении соответственно 50-60%, 25-35% и 10-20%. Предварительно концентрацию органических примесей осуществляют аэрацией воздухом. Оптимальной дозой Н2О2 является 4 мг на 1 мг О2 (по ХПК) хемосорбированных органических загрязнений.
Статья поступила 05.12.2014 г.
Библиографический список
1. Новые возможности для очистки сточных вод угольных месторождений / В.А. Гронь, Е.В. Будник, С.Г. Шахрай,
B.В. Кондратьев // Вестник ИрГТУ. 2012. № 9 (68).
C. 183-189.
2. Прандтль Л. Гидроаэромеханика. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000. 576 с.
3. Теоретические основы перемещения, промывки и обогащения полезных ископаемых: монография / К.Л. Ястребов, Б.А. Байбородин, Т.Я. Дружинина, В.В. Надршин. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. 270 с.
4. Технология очистки сточных вод гидролизных произ-
водств / В.В. Коростовенко, В.А. Гронь, Н.М. Капличенко, С.Г. Шахрай, В.В. Кондратьев // Вестник ИрГТУ. 2013. № 7 (78). С. 105-108.
5. Традиционные и перспективные процессы промывки и обогащения полезных ископаемых: монография / К.Л. Ястребов, Б.А. Байбородин, Т.Я. Дружинина, В.В. Надршин. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2011.146 с.
6. Ястребов К.Л. Развитие теории, технологии и совершенствование конструкции оборудования рудного самоизмельчения и гравитационного обогащения полезных ископаемых: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Иркутск, 2002. 29 с.
УДК 57.083.1, 696.135, 696.621.64
БИОТЕСТИРОВАНИЕ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ © Р.Н. Руденко1, Э.Э. Василевич2
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Целью настоящих исследований является оценка экологической безопасности композитных материалов для возможного применения в системах водоснабжения, канализации и очистки сточных вод. Рассмотрены методы биотестирования композитных материалов при их контакте с питьевой и сточной водами. В проведенных лабораторных исследованиях использовались образцы изделий из композитных материалов, производимых в г. Иркутске. Результаты экспериментов математически обработаны, получены среднестатистические значения, на основе которых сделаны соответствующие выводы о безопасности изделий.
Ключевые слова: композитные материалы; биотестирование; экологическая безопасность; применение композитных материалов.
COMPOSITE MATERIAL BIOTESTING R.N. Rudenko, E.E. Vasilevich
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
1 Руденко Роман Николаевич, аспирант, тел.: 89501012992, e-mail: [email protected] Rudenko Roman, Postgraduate, tel.: 89501012992, e-mail: [email protected]
2Василевич Эльвира Эрнстовна, кандидат технических наук, доцент кафедры инженерных коммуникаций и систем жизнеобеспечения, тел.: 89021762072, e-mail: [email protected]
Vasilevich Elvira, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Engineering Communications and Life Support Systems, tel.: 89021762072, e-mail: [email protected]
The purpose of the present study is to evaluate the environmental safety of composite materials for their possible use in water supply, sewerage and wastewater treatment systems. The paper considers biotesting methods of composite materials under their contact with drinking and waste water. The samples made of composite materials produced in Irkutsk have been used in conducted laboratory researches. Experiment results have been treated mathematically. Derived mean values allowed to make conclusions on product safety.
Keywords: composite materials; biotesting; environmental safety; use of composite materials.
В современных условиях окружающая среда подвержена комбинированному техногенному загрязнению. В связи с жизнедеятельностью человеческой цивилизации синтезируются и попадают в природную среду тысячи химических соединений порою с невыясненными токсикологическими характеристиками. Так, разнообразные соединения естественного и антропогенного происхождения, накапливаясь в почве, воде и воздухе, обусловливают их загрязненность и токсичность. Для определения токсических свойств окружающих нас сред применяют методы биотестирования.
Биотестирование - это частный случай биоиндикации, когда у тест-объектов, находящихся в стандартизованных условиях, исследуются повреждения или отклонения от нормы, вызванные воздействием неблагоприятных факторов (токсических веществ).
Тест-объект - организм, используемый при оценке токсичности химических веществ, природных и сточных вод, почв, донных отложений и др. [2].
В результате воздействия токсического вещества тест-объект или вся тест-система (совокупность тест-объектов) претерпевает определенную деформацию, что проявляется в виде ряда реакций на различных уровнях ее функционирования. Эти реакции различаются по чувствительности, скорости проявления, легкости наблюдения.
В качестве биоиндикаторов могут быть использованы животные, растения, микроорганизмы. Уровень организации тестируемой биологической системы может варьировать от доклеточного (макромолекулы) до надорганизменного (сообщества).
Биотестирование как метод оценки токсичности является неотъемлемой составляющей химического анализа и включено в стандарты по контролю качества вод различного назначения. Характеристика и качество выполнения биотестирования зависят от трех показателей: выбора тест-объектов; условий проведения экспериментов; регистрирования полученных данных [1].
Методы биотестирования, основанные на ответной реакции живых организмов на воздействие загрязняющих веществ, способны давать достоверную информацию о качестве компонентов окружающей среды [4]. Биотестирование позволяет установить концентрации загрязняющих веществ, присутствующие в исследуемой среде и вызывающие наиболее значимые и легко устанавливаемые отклонения у тест-объектов, такие как: выживаемость, смертность, нарушения в физиологии.
Целями биотестирования являются: оценка токсичности веществ и материалов при контакте с водной
средой, а также степень возможной опасности воды для живых организмов.
К достоинствам биотестирования следует отнести: быстроту, доступность и простоту проведения экспериментов; высокую чувствительность тест-объектов к минимальным концентрациям токсических загрязнений; воспроизводимость, достоверность полученных результатов и объективность полученных данных; экономичность как в материальном отношении, так и по трудозатратам [1].
При проведении экспериментов по биотестированию необходимо учитывать температуру окружающего воздуха, существенно влияющую на результаты биотестов, поскольку ферментные системы наиболее активно функционируют и, соответственно, наиболее уязвимы для действия токсикантов в пределах от 18 до 25°С [1]. Данный фактор был учтен при проведении экспериментов, все пробы, после их подготовки, помещались в термостат.
Объектами исследования являлись изделия из композитных материалов (КМ) при контакте с питьевой (водопроводной) и сточной водами. Направление исследования обусловлено широким спектром возможного применения КМ в системах водоснабжения и во-доотведения, поэтому необходима оценка экологической безопасности материалов [5]. Для эксперимента использовались КМ, производство которых налажено в Иркутске.
При биотестировании питьевой воды в качестве тест-объекта решено было использовать семена кресс-салата как наиболее чувствительных к разного рода загрязнениям. Проводилось сравнение пяти повторений трех проб воды: контрольной пробы, пробы воды с помещенным в нее КМ на основе базальта -темный образец, и воды с КМ на основе стекловолокна - светлый образец (рис. 1). Пробы аэрировались в течение 7 суток для моделирования процессов окисления при контакте с воздухом в открытых сооружениях из подобного материала. Для получения максимально достоверных результатов семена кресс-салата подвергли дезинфекции. Сухие семена помещали в 1%-й раствор перманганата калия (КMnO4) с длительностью обработки 30 мин., затем промывали дистиллированной водой и в течение 10 мин. высу-швали в специальном шкафу под действием УФ-излучения.
Далее в 5 чашках Петри помещались по 20 семян кресс-салата и вносилось по 15 мл исследуемой воды (рис. 2). Затем чашки устанавливали в термостат на 72 часа при температуре 24°С, после чего проводился учет опыта, используя в качестве тест-отклика длину побегов и корней проростков [3] (рис. 3, табл. 1).
Рис. 2. Семена салата до проращивания
Таблица 1
Результаты средних значений величин проростков семян_
Пробы Значения величин корней и ростков
1 проба 2 проба 3 проба 4 проба 5 проба
Кор. Рост. Кор. Рост. Кор. Рост. Кор. Рост. Кор. Рост.
Контрольная проба, мм 22,67 10 17,67 9,5 16,83 9,67 20,33 9,5 15,5 8,5
Проба с базальтовым композитом, мм 21,83 9,17 18,3 9,45 14,37 8,81 22,16 7,56 14,93 8,67
Проба со стеклокомпозитом, мм 20,36 8,5 17,3 9,85 15,2 9,4 21,85 7,85 15,5 8,85
По итогам эксперимента видно, что величины прорастания семян во всех пробах неоднородны, это обусловлено физиологическими показателями самих семян (рис. 3).
Из-за повторения измерений возникает необходимость в расчете относительной погрешности результатов (табл. 2).
Таблица 2
Результаты расчета относительной погрешности_
Пробы Тест-отклик Величина погрешности, %
Контрольная проба Корни 2,17
Росток 1,37
Проба с базальтовым композитом Корни 2,09
Росток 1,46
Проба со стеклокомпозитом Корни 2,16
Росток 1,54
Анализ показателей прорастания семян и относительной погрешности позволяет сделать заключение о токсической безопасности изделий. Из этого следует, что применение данных композитных материалов в системах водоснабжения (даже с повышенным содержанием кислорода как окислителя с О2>4 мг/ дм ) возможно.
Исследуемые композитные материалы также предполагается использовать как материал для изготовления септиков и локальных очистных сооружений, поэтому важно оценить их воздействие на микрофлору активного ила, применяемого в процессах биодеструкции. В данном случае методы биотестирования также очень показательны.
Биотестирование КМ со сточными водами проводилось методом интенсивности пенообразования суспензии дрожжей с глюкозой для определения в жидкой среде растворимых токсичных соединений и возмож-
ного влияния композитных материалов на активный ил. Данный анализ проводился с пробами сточной воды и активного ила на левобережных очистных сооружениях г. Иркутска. В качестве образцов были использованы те же изделия из КМ на основе стекловолокна и базальта, так как у представленных видов материала минимальная степень водопоглощения.
В ходе эксперимента в два цилиндра объемом 1л каждый, заполненных сточной водой из регенератора аэротенка, помещались исследуемые образцы композитных материалов и аэрировались в течение 24 часов, через определенные промежутки времени осуществлялся отбор проб смеси. Продолжительность аэрации связана с длительностью процессов нитрификации и денитрификации. В третьем цилиндре была контрольная проба иловой воды без образцов, с ней и проводилось сравнение.
Проба Высота слоя пенообразования, мм Ср. знач. высоты слоя пенообразования, мм Скорость подъема пены, мм/мин. Высота слоя пенообразования, мм Ср. знач. высоты слоя пенообразования, мм Скорость подъема пены, мм/мин. Высота слоя пенообразования, мм Ср. знач. высоты слоя пенообразования, мм Скорость подъема пены, мм/мин. Высота слоя пенообразования, мм Ср. знач. высоты слоя пенообразования, мм Ср. знач. скорости подъема пены, мм/мин.
0 ч 1 ч 3 ч 24 ч
1 проба -с базальтовым образцом 1,6 2 0,13 1,5 2 0,13 2,4 1,933 0,13 1,8 2 0,13
2,1 2 2 2,2
2 2 1,8 2,1
2,5 2,5 2 2
2,1 2 1,7 1,9
1,9 2 1,7 2
2 проба -со стекловолокон-ным образцом 3,5 3,033 0,2 3,6 2,833 0,2 2,4 2 0,13 2,5 2 0,13
2,8 2,5 2,2 2,5
2,8 2,5 1,5 1,5
3,6 3 2 2
2,5 2,4 1,8 1,5
3 3 2,1 2
3 проба -контрольная 3,4 3 0,2 2,2 2 0,13 3,5 3 0,2 2,5 2 0,13
2,5 1,8 2,5 1,5
2,6 1,5 2,5 1,5
3 1,6 3 2
3,4 2,5 3,5 2,5
3,1 2,4 3 2
Таблица 3
Результаты эксперимента биотестирования с использованием дрожжевых культур
По показателю скорости подъема дается оценка степени ингибирующего или стимулирующего воздействия тестируемого соединения на дрожжи. Из результатов сравнения контрольной пробы и проб с образцами материалов следует, что КМ не влияют на качественный состав сточной воды, также при этом не происходит угнетения жизнедеятельности биоценоза. На рис. 4 представлена проба сточной воды с активным илом, прикрепленным к стенке изделия из композитного материала на основе стекловолокна. На рис. 5, 6, 7 представлены некоторые виды прикрепленных форм микроорганизмов, наросших на поверхности композитного материала.
Рис. 4. Изделие из КМ на основе стекловолокна с прикрепленным к поверхности активным илом
Рис. 5. Прикрепленные формы микроорганизмов
Рис. 6. Прикрепленные формы микроорганизмов
Рис. 7. Прикрепленные формы микроорганизмов
По результатам биотестирования можно с уверенностью сказать, что использованные в экспериментах композитные материалы не оказывают токсического воздействия на питьевую и сточную воды.
Исходя из этого, производство изделий из композитных материалов для систем водоснабжения (резервуары чистой воды, трубопроводы, бассейны) возможно. В системе очистки сточных вод изделия из композитов особенно актуальны, поскольку они долговечны и устойчивы к химической коррозии, а также исключено негативное влияние на биоценоз водоема при сбросе сточных вод, обработанных в сооружениях из такого материала.
Статья поступила 20.04.2015 г.
Библиографический список
1. Александрова В.В. Биотестирование как современный метод оценки токсичности природных и сточных вод: монография. Нижневартовск: Изд-во НВГУ, 2013. 119 с.
2. Биотестирование [Электронный ресурс]. URL: http://www.edu.cap.ru/home/6440/aprel%202012/biotestirovanie. doc (10 марта 2015).
3. Некоторые метрологические характеристики биотестирования по методу проростков и планирование эксперимента / Н.А. Куликова, В.А. Холодов, Г.Ф. Лебедева, И.В. Перминова // Экспериментальная информация в почвоведении: теория и пути стандартизации: тр. Всерос. конф. М.: Изд-во МГУ им.
М.В. Ломоносова, 2005. С. 203-204.
4. Особенности биотестирования почв с целью их экотокси-кологической оценки [Электронный ресурс]. URL: http://www.unn.ru/pages/issues/vestnik/99999999_West_2009_ 1/14.pdf (10 марта 2015).
5. Руденко Р.Н., Василевич Э.Э. Коррозия бетонов и методы защиты сооружений очистки сточных вод // Земля, вода, климат Сибири и Арктики в XXI веке: проблемы и решения: сб. докл. Междунар. науч.-практич. конф. (Тюмень, 21 марта 2014 г.). Тюмень: Изд-во ТюмГАСУ, 2014. 337 с.
