МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ
ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ
УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ
КОБИЛЯНСЬКИЙ Володимир Ярославович
УДК 574.64
МЕТОДИ ТА АПАРАТУРА
БІОТЕСТУВАННЯ ßКОСТІ ВОДИ
ДЛЯ ІНТЕНСИФІКАЦІЇ РОБОТИ
СИСТЕМ ВОДОПОСТАЧАННЯ І КАНАЛІЗАЦІЇ
(Спеціальність 05.23.04 – водопостачання, каналізація)
АВТОРЕФЕРАТ ДИСЕРТАЦІЇ
на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 1999
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури, Міністерство освіти України
Науковий керівник кандидат технічних наук, професор
Петросов Валерій Альбертович,
генеральний директор ТВО “Харківкомунпромвод”
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,
Стольберг Фелікс Володимирович,
Харківська державна академія міського господарства,
завідуючий кафедрою
кандидат технічних наук,
Полевич Олег Вадимович,
Харківський державний університет,
завідуючий лабораторією
Провідна установа Київський національний технічний університет будівництва та архітектури
Захист відбудеться “22” жовтня 1999 р. о 11-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056. 03 в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури (310002, Харків, вул.Сумська, 40).
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури
Автореферат розісланий “20” вересня 1999 р.
Вчений секретар М.І.Колотило
спеціалізованої вченої ради
Д 64.056. 03, проф., к.т.н.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Вода – цінний природний ресурс. Сучасне суспільство щорічно витрачає на свої потреби 3300-3500 км3 води. Разом з тим, водні об’єкти забруднюються стічними водами, обсяг яких сягає 1 м3 за добу на одну людину і які містять пестициди, нафтопродукти, феноли, важкі метали та інше.
Захисним бар’єром для водоймищ від токсичних стічних вод є біоочисні споруди. Для управління технологічним процесом біоочищення застосовують апаратуру для оцінки стану активного мулу. Здебільшого це електрохімічні аналізатори для дослідження респіраційної функції активного мулу. Контроль цієї функції – основа інтенсифікації роботи біоочисних споруд, тому що розпад органічних речовин стічної води йде в процесі дихання мулу. В дисертаційній роботі досліджується сучасний рівень електрохімічних методів біотестування. На цій основі виконані наведені розробки методів і приладів біотестування для оцінки стану активного мулу аеротенків.
В 1997 році в Україні затверджено новий ДержСанПіН “Вода питна”, де у відповідності з європейськими нормами вимагається визначати токсичність води методами біотестування. Впровадження на водопровідних господарствах України нових технологій із застосуванням інтенсивних методів обробки води потребує методичної основи контролю якості природної та питної води методами біотестування. Для цього слугують розроблені автором різноманітні по складності і апаратурному оснащенню методи біотестування на мікроводоростях.
Зв’язок роботи з науковими програмами. Робота виконувалася у межах наукових програм філіалу кафедри водопостачання, каналізації і гідравліки ХДТУБА в ТВО “Харківкомунпромвод” і регіональної програми “Екологічне оздоровлення басейну ріки Сіверський Донець та поліпшення якості питної води”.
Мета дисертаційної роботи полягає в розробці та практичному освоєнні науково-методичного забезпечення і технічного оснащення інструментальних методів біотес-тування якості природної, стічної та питної води для оперативного управління та інтенсифікації роботи споруд водопідготовки і водоочищення.
Наукова новизна роботи полягає у наступних теоретичних та практичних результатах:
1. Удосконалено метод оцінки токсичності стічних вод для активного мулу аеротенків біоочисних споруд по контролю його респіраційної функції.
2. Виконано дослідження функціонального стану клітин мікроводоростей та природного фітопланктону флуоресцентним і хемілюмінісцентним методами.
3. Удосконалено флуоресцентний метод визначення концентрації фітопланктону введенням поправок на оптичні характеристики води та розроблено флуориметр, доповнений двома оптичними каналами – світлорозсіювання та світлопропускання.
4. Розроблено хемілюмінісцентний метод та аналізатор для контролю чисельності та функціонального стану мікроводоростей.
Практичне значення роботи. Прилад “Фітометр” впроваджено в хіміко-бактеріологічній лабораторії ВУВГ “Дніпро” для спостереження за процесами “цвітіння” на Краснопавлівському водосховищі. На основі оптичної схеми “Фітометра” розроблено флуориметричний біосигналізатор БСМВ токсичності вод із застосуванням мікроводоростей. Прилад БСАИ та пост КТС впроваджено в Івано-Франківському “Водоканалі” для оцінки токсичності промисло-вих стічних вод, що надходять на біоочисні споруди м.Івано-Франківська. Прилад БСАИ в складі автоматизованої системи контролю якості стічних вод впроваджено на міських біоочисних спорудах МУП “Шебекінкомуночиствод”.
Методичний рівень проведених досліджень. Достатня ступінь достовірності та обгрунтованість наукових результатів, висновків та рекомендацій, що отримані автором, забезпе-чуються використанням в експериментальних дослідженнях сучасних вимірювальних приладів, обладнання, лабораторних пристроїв, сучасної обчислювальної техніки та програмного забезпечення, чітким трактуванням отриманих результатів, які не суперечать відомим даним, та досвідом практичного використання отриманих результатів.
Особистий внесок автора.
1. Отримані емпіричні залежності для розробки методу оцінки токсичності стічних вод по контролю респіраційної функції активного мулу.
2. Отримані результати лабораторних та польових досліджень чисельності та функціонального стану культур мікроводоростей і природних популяцій фітопланктону флуоресцентним та хемілюмінісцентним методами.
3. Розроблені конструкції кисневого датчику та вимірювального мікровічка.
4. Розроблені структурна та оптична схема і конструкція вимірювальної камери флуориметричного біосигналізатору токсичності вод.
5. Розроблені структурна та оптична схема і конструкція вимірювальної камери багатоканального флуориметричного аналізатора для визначення концентрації мікроводоростей.
6. Розроблені структурна блок-схема і конструкції вимірювального вічка та системи дозування реагентів хемілюмінісцентного приладу для контролю чисельності і функціонального стану мікроводоростей.
Апробація роботи. Основні результати роботи і головні положення дисертації доповідалися автором на 41-44-й науково-технічних конференціях ХДТУБА в 1986-1990 р.р., Всесоюзній школі “Біолюмінісценція і хемілюмінісцентний аналіз” 1985 р. у Красноярську, Всесоюзній нараді з хемі-люмінісценції 1986 р. в Уфі, III-й Всесоюзній науковій нараді “Проблеми екології Прибайкалля” 1988 р. в Іркутську, конференції молодих екологів “Людина в біосфері” 1988 р. у Москві, Все-союзній конференції “Лімітування та інгібірування росту мікроорганізмів” 1989 р. в Пущино, конференції “Мікробіологія та біотехнологія очищення води” 1989 р. у Львові, Всесоюзній конфе-ренції “Розробка та впровадження АСУ водопостачанням і водовідведенням в містах” 1990 р. в Краснодарі, Всесоюзній конференції “Методологія екологічного нормування” 1990 р. у Харкові, III-му семінарі “Системи екологічного контролю вод” в 1991 р. в Севастополі, Всеросійській конференції “Екологічний моніторинг в умовах радіаційного та хімічного забруднення навколиш-нього середовища” 1993 р. в Челябінську, Міжнародній конференції “Проблеми та перспективи ресурсосбережения в житлово-комунальному господарстві” 1995 р. у Харкові, конференції “Нормативно-правові аспекти оцінки і прогнозу екологічного стану навколишньої середи адміністративних областей і районів України” 1997 р. в Алушті, Міжнародній конференції “Проблеми забезпечення населення якісною водою” 1997 р. у Києві, Міжнародному конгресі “Екологія, технологія, економіка водопостачання та каналізації” 1999 р. у Ялті. Прилади експо-нувалися на Міжнародних виставках: “Інтерпобутмаш-89” у Москві, 31-а машинобудівна в 1989 р. в Брно (ЧССР), “Екологія-91” у Донецьку.
Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи висвітлений у 24 публікаціях, з них: 2 монографії (у співавторстві), 7 друкованих праць у наукових збірках України, 3 авторських свідоцтва СРСР, 12 тез конференцій України, Росії і колишнього СРСР, у тому числі 7 публікацій без співавторів.
Об’єм роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку. Вона викладена на 145 сторінках і включає 57 рисунків і 5 таблиць. В додатку наведено документи про впровадження результатів роботи.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У ВСТУПІ обгрунтовується актуальність теми, її наукова новизна і практична цінність, сформульовані мета і основні задачі досліджень, зв’язок із науковими програмами і планами.
У ПЕРШОМУ РОЗДІЛІ, на основі огляду літератури розглянуто основні теоретичні положення та сучасний стан методичного та апаратурного забезпечення методів біотестування якості вод. Акцентовано увагу на електрохімічних та люмінісцентних методах з використанням активного мулу (АМ) аеротенків та культур мікроводоростей в якості біотест-об’єктів (БТО), що найбільше відповідають вимогам інструментального оснащення процесу вимірювань і обробки результатів. Відмічено, що основним недоліком відомих методик є надмірно велика тривалість процесу вимірювання (більше 3 діб), що не дає змоги їх ефективно використовувати при вирішенні конкретних оперативних технологічних задач на водоочисних спорудах в екстремальних умовах. Проведений огляд дозволив сформулювати основну мету і задачі дисертаційної роботи.
У ДРУГОМУ РОЗДІЛІ викладено розроблені методи біотестування якості стічних, природних і питної води.
1. Метод визначення функціонального стану мулу по респіраторній активності із використанням неаеруємих мікровічок. Перед надходженням стічних вод на очисні споруди необхідно оперативно оцінювати їх токсичний вплив на активний мул і по його реакції прогнозувати ефективність очищення і приймати міри по інтенсифікації технології водоочищення при встановленні токсичності стоків, що призводить до підвищеного навантаження на активний мул.
Розроблений метод дозволяє визначити токсичність стічної води для АМ.
Кpітеpієм токсичності є зниження респіраційної активності (РА) АМ на 20% і більше у порівнянні з контролем.
РА визначають по зміні концентрації розчиненого кисню (КРК) в дослідній пpобі води після подачі в неї поживного субстpату (ПС) та одночасного пpипинення її аеpації. Вимірювання проводиться в герметично замкненому мікровічку. Склад ПС (в мг на 1 г АМ): глюкоза – 400, CH3COONa – 100, KH2PO4 – 50, NH4Cl – 100, Na2CO3 – 100, MgSO4.7H2O – 10, CaCl2 – 1,5. Для збе-реження функціональної активності АМ, що використовується для біотестування, на протязі 5-7 діб, розроблено технологічний pежим відбоpу і культивації АМ з концентpацією (по сухій речовині) 31 г/л, а КРК в муловій суміші – 2-5 мгО2/л.
Хід визначення. 50 мл пpоби АМ змішують з 50 мл чистої води і аеpують 20 хв. Збільшення часу аерації з 2 хв. до 20 хв. призводить до збільшення початкової КРК (рис. 1). Після закінчення аерації додають 1 мл ПС у суміш, яку чеpез 30 с пеpекачують в виміpювальне мікровічко. Додання ПС підвищує чутливість методу і скорочує час виміру, бо при цьому швидкість поглинання кисню зростає у 2 рази (рис. 2).
Рис. 1. Вплив часу аерації Рис. 2. Вплив ПС на респіраційну
на респіраційну активність АМ активність АМ
Чеpез 1 хв. і 3 хв. після заповнення мікровічка в ньому виміpють КРК, різниця цих значень є контpольною величиною [O2]к. При вимірюванні суміш постійно перемішують. Потім виміpю-вання повтоpюють при змішуванні АМ зі стічною водою. Одержують величину [O2]о. Ступінь токсичності I стічної води:
I = ([O2]к – [O2]о)/ [O2]к.100%, (1)
де [O2]к – зміна КРК в контpольній пpобі;
[O2]о – зміна КРК в дослідній пpобі.
Якщо I > 20%, воду слід рахувати токсичною для активного мулу.
Дані в табл. 1 показують, що збільшення часу виміру понад 3 хв. практично не змінює токсичність контрольованих розчинів.
Таблиця 1 – Токсичність важких металів
Час аналізу, хв. Параметр токсичності I, %
[Cu2+], 2,5 мг/л [Ni2+], 20 мг/л [Cu2+]+[Ni2+]+[Cr3+], 2 ПДК
3 21,3 23 10,8
4 25,7 22 12,9
5 31,2 28 7,3
6 25,6 26 11,5
Криві зниження КРК (рис.1 та рис.2) в заданий інтервал часу (3 хв.) описуються лінійними функціями, що спрощує апаратурне забезпечення методу.
2. Метод контролю процесів газообміну мікроводоростей в мікровічках розроблено для оцінки якості природної та питної води по показнику токсичності. Критерієм токсичності є відхилення параметру, що вимірюється, від контролю на 40% і більше. Показник токсичності визначають по зміні порівняно з контролем швидкості виділення та/або споживання кисню мікро-водоростями при впливі на них води, що досліджується. В якості БТО використовують культури мікроводоростей Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. та Chlorella vulgaris Beijer.
Культуру Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb. вирощують на поживному субстраті Прата в люміностаті при освітлюваності 2,5-3,5 кЛк, температурі 25-30 оС. Тривалість світлового періоду складає 9 год. на добу. Концентрацію водоростей визначають методом прямого рахунку. При вимірах використовують 7-14-добову культуру.
Культуру Chlorella vulgaris Beijer вирощують на поживному субстраті Успенського №1 як і сценедесмус, тільки при температурі 18-20оС. При вимірах теж використовують 7 – 14-добову культуру мікроводоростей.
Хід визначення. Змішана з еталонною водою у відношенні 1:1 культура мікроводоростей закачується в мікровічко, яке герметично закривається. Фіксується величина [O2]o. Включається світло, при якому у клітин починається процес фотосинтезу з виділенням кисню. На протязі 3-4 хв. реєструють збільшення КРК у мікровічку, визначаючи максимум швидкості збільшення кисню d[O2]k/dt. При досягненні заданої величини КРК [O2]ô світло вимикається. Розпочинається процес дихання та швидкий спад концентрації кисню. При досягненні величини КРК [O2]o знову включається світло. Діапазон [O2]o – [O2]ô визначається на підставі попередніх досліджень.
При вимірюванні з досліджуваною водою процес аналогічний, але попередньо культуру водоростей витримують заданий час в цій воді. Одержують значення d[O2]о/dt. Ступінь токсичності I води:
I = (d[O2]k/dt – d[O2]о/dt)/ d[O2]k/dt .100%, (2)
де d[O2]k/dt – швидкість зміни КРК в контpольній пpобі;
d[O2]о/dt – швидкість зміни КРК в дослідній пpобі.
Якщо I > 40%, воду слід рахувати токсичною.
3. Флуориметричний метод визначення концентрації фітопланктону дозволяє в процесі вимірювання враховувати вплив оптичних характеристик води, що підвищує точність вимірювань, особливо при аналізі висококаламутних та кольорових природних вод на початкових стадіях розвитку процесу “цвітіння”, який негативно впливає на роботу споруд водопідготовки та якість питної води.
Хід визначення. Спочатку проводять калібрування вимірювального приладу. Готують з каолінового стандарту каламутності 7 різних по каламутності розчинів в необхідному діапазоні та вимірюють їх флуоресценцію F і розсіювання R. Розраховують параметри лінійної регресії залеж-ності:
F=Aо+A1R. (3)
Коефіцієнти Aо та A1 розраховують за методом найменших квадратів по експериментально зміряним значенням флуоресценції та розсіювання.
Після цього готують 7 проб води з різними концентраціями C водоростей. Вимірюють флуоресценцію F, пропускання T і розсіювання R проб.
Значення флуоресценції хлорофілу а водоростей Fa обчислюють за формулою:
Fa=F-A1R, (4)
Обчислюють значення оптичної густини D проби:
D=2-lgT (5)
Будують три градуїровочні криві: 1. Fa=f (lgC); 2. Fa=f (D); 3. D=f (lgС).
По кривій 2 визначають значення Dкр, вище якого спостерігається відхилення залежності від лінійного виду. При вимірі для проби води в тій ж кюветі, для якої побудовані градуїровочні криві, вимірюють параметри T, F, R. По формулам (4) та (5) обчислюють значення Fa та D. Якщо величина D не перевищує величини Dкр, то концентрацію водоростей визначають по кривій 1. Якщо D перевищує Dкр, то по кривій 2 знаходять величину Fкр, що відповідає визначеній D. Після цього параметр D множать на відношення Fa / Fкр. По кривій 3 знаходять концентрацію водоростей, що відповідає отриманому результату.
Врахування оптичних параметрів води дозволяє працювати з сильноконцентрованою культурою мікроводоростей, що підвищує чутливість методу. Тому наведена методика може використовуватися для проведення токсикологічних досліджень з питною водою.
2.4. Хемілюмінісцентний метод визначення концентрації фітопланктону в природних водах джерел питного водопостачання. Клітини мікроорганізмів активно поглинають з води іони марганцю. Додаючи MnO4- до проби води, по зміні інтенсивності її хемілюмінісценції (ХЛ) можна стежити за процесом поглинання марганцю мікроводоростями і визначати їх стан і концентрацію.
Хід визначення. 1 л культури Sc.quadricauda (або Chl. vulgaris) поділяють на дві рівні частини. Одну частину очищують від мікроводоростей. З очищеної та вихідної культури готують 6 проб з концентрацією водоростей від 107 до 106 кл/л. До 10 мл кожної проби додають 2 мл 0,1 М розчину KMnO4 і перемішують 1 хв. Після цього 0,5 мл суміші вносять в вимірювальну кювету хемілюмінометра і додають 0,1 мл 10-3 М розчину CuSO4 і 0,1 мл 10-3 М розчину люмінолу. Реєструють інтенсивність ХЛ на протязі 110 с. Аналогічно проводять виміри для всіх інших проб. Параметр хемілюмінісценції Sхл визначають за формулою:
Рис.3. Електрохімічний
датчик
де I(t) – інтенсивність хемілюмінісценції; а – t=10 с; b – t=110 с.
Показник Sхл залежить від умов виміру, тому користуються величиною S=Sхл/Sо, де Sо – показник для очищеної від водоростей проби.
Будують калібровочний графік залежності показника S від концентрації мікроводоростей. В заданих межах концентрації (106-107 кл/л) ця залежність описується лінійною функцією:
S=a – bС, (7)
де С – концентрація водоростей, млн.кл/л.
При концентрації більше 107 кл/л спостерігається відхилення від лінійної залежності, зумовлене явищем інгібірування люмінольної ХЛ хлорофілом та його похідними, присутніми в природній воді. При S0,9 слід сконцентрувати пробу.
У ТРЕТЬОМУ РОЗДІЛІ описано розроблену апаратуру біотестування.
Рис.4. Вимірювальний блок
Для реалізації вказаних двох електрохімічних методів було розроблено кисневий датчик (рис.3), захищений а.с.СРСР 1376743. Електpодна вимірювальна головка 2 вміщена в коpпус 1, заповнений 0,1 н. розчином KCl, і закpіплена накидною гайкою 3. Мембpана 6 пpитиснена до коpпусу чеpез кільце 5 накидною гайкою 4. Вимірювальний платиновий електрод 8 закpіплений на тоpці скляного капіляру 9 і закритий мембpаною 6. По капіляру навитий спіpаллю срібний електpод поpівняння 7. На планці 10 закріплено теpмодатчик 11. Коpпус оснащено захисним гумовим кільцем 12 і дpосельним каналом 13.
На основі датчику створено вимірювальний блок (рис.4). Блок складається з освітлювача (галогенна лампа 1, патрон 2 для лампи, кожух 3 для лампи, формувач 4 світлового пучка), кисневого датчику 5, обойми 6 для датчику та вимірювального мікровічка 7. Формувач 4 має тепловий фільтр 8 із спеціального оптичного скла, фокусуючу лінзу 9 і шторку 10 для переривання світлового потіку. До мікровічка йде два канали – підводящий 11 та відводящий 12.
Для реалізації флуориметричного методу визначення концентрації фітопланктону розро-блено багатоканальний аналізатор-концентратомір “Фітометр” (рис.5), що вимірює інтенсивності флуоресценції, світлорозсіювання і світлопропускання проби води і по їх сукупності визначає концентрацію водоростей.
На основі схеми “Фітометра” було розроблено автоматичний біосигналізатор (захищено а.с. СРСР 1659797), оптико-механічний вузол якого показано на рис.6. Джерело світла 1, конденсор 2, блок світлофільтрів 4 і блок нейтральних світлофільтрів 5 формують два пучка збуджуючого випромінення (ЗВ) 10 мм з інтенсивністю до 150 Вт/м2 в спектральному діапазоні 400-560 нм. Теплові світлофільтри 3 поглинають інфрачервоне випромінення. Переривач 6 з еле-ктромеханічним приводом 7 управляє потіком збуджуючого випромінення. Обтюратор 8 с приводом 9 забезпечує модуляцію ЗВ з частотою 200 Гц. Кварцові пластини 10 відображають 8% ЗВ в опорні канали 11 для контролю його інтенсивності. Діафрагма 12 формує пучок ЗВ прямокутної форми.
Рис.6. Схема оптико-механічного вузла біосигналізатора
Кювета 14 з культурою водоростей фіксується в кюветотримачу 13. Пропускання культури вимірюється фотодіодом 16. Шторка 15 захищає фотодіод від зовнішнього світла при заміні проб. Флуоресценція хлорофілу а та розсіювання ЗВ заміряється ФЭУ 21. Спектральний діапазон реєструємого випромінення виділяється блоком світлофільтрів 19 з електромеханічним приводом 22. Оптична система 20 формує паралельний пучок флуоресценції і світлорозсіювання. Шторка 18 з електромеханічним приводом 17 захищає ФЭУ від зовнішнього світла при заміні проб.
Для хемілюмінісцентних вимірювань розроблено хемілюмінометр (захищено а.с. СРСР 1549317), що складається (рис.7) з електронного блоку та оптико-механічного вузла ОМВ.
ОМВ включає вимірювальну кювету (ИК), кювети для реагента (КР) і попереднього змішування (КС), вузол перемішування, дозатори суміші (ДС) і реагенту (ДР) та блок подачі суміші та реагенту. Введення КС дозволяє виключити нерівномірність змішування компонентів ХЛ системи і стабілізувати умови реєстрації хемілюмінісценції, що суттєво підвищує точність вимірювань.
У ЧЕТВЕРТОМУ РОЗДІЛІ викладено результати розробки автоматизованих технічних засобів оперативного контролю якості вод на основі розроблених методів та апаратури біотестування.
Для оцінки токсичності стічної води за методом визначення РА активного мулу створено автономний пост у вигляді комплексу технічних засобів (КТС), який встановлюється в місці скиду промислових стоків в каналізацію та на вході біоочисних споруд. Термін автономної роботи поста – до 5 діб. Оцінка токсичності автоматично проводиться 1 раз на 2 год., що важливо для на-дійного контролю і оперативного регулювання процесів біохімічного очищення стічних вод шляхом встановлення допустимого навантаження на АМ.
Мережа постів КТС, створена на території населених пунктів, особливо мегаполісів типу Харкова, зможе стати важливим компонентом системи інформаційного забезпечення комплексної програми інтенсифікації технологічних процесів ефективного очищення екологічно шкідливих стічних вод та захисту біоочисних станцій від надмірного токсичного навантаження. Крім того, пост КТС може використовуватися як модельна система аеротенку для відпрацювання тех-нологічних процесів біоочищення при різних режимах навантаження.
Для оперативного виявлення на водосховищах – джерелах питного водопостачання моментів раптових, в тому числі в результаті екологічних катастроф, погіршень якості води для своєчасного прийняття захисних мір в системі водопостачання, а також для спостереження за повільними процесами змін якості води в системі автоматизованого збору, обробки, аналізу та зберігання екологічної інформації в регіоні розроблено автоматичний пост безперервного спо-стереження за якістю природних вод (АПНН-ПВ). Чутливість визначення токсичних речовин та елементів – на рівні 1-10 гранично-допустимих концентрацій (ГДК). Термін автономної роботи поста – до 7 діб.
В рамках програми “Екологічне оздоровлення басейну ріки Сіверський Донець та поліпшення якості питної води” планується створення мережі постів АПНН-ПВ для моніторингу якості води в Печенізському водосховищі.
У П’ЯТОМУ РОЗДІЛІ викладено результати використання розроблених методів та апаратури біотестування.
Вивчення якості гальванічних скидів методом оцінки pеспіpаційної активності мулу з використанням посту КТС проводилося на очисних споpудах Івано-Фpанківського фуpнітуpного заводу. Показник РА порівнювався з загально прийнятими показниками оцінки стану мулу – дегідрогеназної активності (ДАМ) і хімічного споживання кисню (ХСК) (див. табл.2 та рис.8).
Рис.8. Порівняння методів Рис.9. Вплив важких металів на РА мулу
оцінки стану активного мулу
Висока сумісність цих показників підтверджує можливість використання експресного методу РА для вирішення оперативних технологічних задач на спорудах біоочищення стічних вод. На рис.9 показана порівняльна токсикологічна характеристика важких металів – Cu, Ni і суміші Cu, Ni та Cr. Параметр токсичності I по відношенню до питної води: мідь – 21,3%, нікель – 23%, суміш металів – 10,8%. Токсична дія на АМ міді в концентрації 2,5 мг/л практично така ж, як нікелю в концентрації 20 мг/л.
Таблиця 2 – Порівняння методів РА и ДАМ
Досліджувана Показник РА Показник ДАМ
рідина, мг/л відн. од. % контр. мг/ л % контр.
1. питна вода (контpоль) 1,06 – 8,4 –
2. стічна вода 1,46 38 5,2 38
3. стічна вода 1,38 30 6,1 27
Апpобація методу контролю процесів газообміну мікроводоростей в мікровічках під впливом природної води пpоводилася із використанням посту АПНН-ПВ на основному водному джерелі м.Харкова – Печенізському водосховищі. Щотижня в період червень-серпень 1993 р. визначався показник токсичності природної води (рис.10). Одночасно проводилася оцінка якості води за гідрохімічними показниками. Встановлено, що показник токсичності корелює з інтегральним показником БСК (див. рис. 11).
Рис.10. Токсичність води Печенізського Рис. 11. Величина БСК води
водосховища Печенізського водосховища
Хемілюмінісцентний метод визначення концентрації фітопланктону використовувався при дослідженнях на Краснопавлівському водосховищі. Встановлено, що залежність показника інтегральної хемілюмінісценції S від концентрації фітопланктону в діапазоні 106 – 107 кл/л описується лінійною функцією:
S = 0,942 – 0,053С, (8)
де С – концентрація мікроводоростей, млн.кл/л.
ВИСНОВКИ
1. На основі аналізу сучасного стану методів біотестування показано, що для оперативного управління інтенсивними технологіями водопідготовки та водоочищення, особливо в екстремальні періоди, за апаратним і методичним забезпеченням переваги мають електрохімічні та люмінісцентні методи із застосуванням у якості біотест-об’єктів активного мулу аеротенків і культур мікроводоростей.
2. Вивчено вплив важких металів на стан активного мулу за його респіраційною функцією. Розроблено прискорений метод оцінки стану активного мулу при токсичній дії важких металів. Одержані емпіричні залежності респіраційної активності активного мулу від вмісту в модельних розчинах і в гальванічних стоках різних концентрацій важких металів (міді, нікелю, хрому) на очисних спорудах Івано-Франківського фурнітурного заводу показали сумісність з методами оцінки активного мулу за дегідрогеназною активністю і за показником ХСК. Для автоматизації та оперативності процесу контролю стану активного мулу аеротенків біоочисних споруд створено прилад і на його основі – автономний пост типу КТС для контролю якості гальванічних скидів і упередження токсичного впливу на міські біоочисні споруди.
3. Виконано дослідження функціонального стану клітин мікроводоростей електро-хімічним методом. Розроблено метод визначення токсичності природної води за динамікою газообміну мікроводоростей в мікровічках, яким на прикладі Печенізського водосховища показано, що параметр токсичності відображає характер протікання продукційно-деструкційних процесів в водосховищі, що визначаються гідрохімічними параметрами – БСК, КРК та вміст аміаку.
4. Для безперервного спостереження за якістю природної води із застосуванням електрохімічного методу біотестування на мікроводоростях з метою своечасного і оперативного виявлення аварійних ситуацій на поверхневих джерелах питного водопостачання та прийняття ефективних захисних заходів створено автономний пост АПНН-ПВ, встановлений на Печеніз-ському водосховищу. Одержані результати дозволили рекомендувати створення на базі постів АПНН-ПВ в межах програми “Екологічне оздоровлення басейну ріки Сіверський Донець та поліпшення якості питної води” мережі моніторингу якості природної води.
5. Встановлено залежності визначення концентрації мікроводоростей у воді флуоресцентним методом із введенням поправок на кольоровість та каламутність за показниками світлопоглинання і світлорозсіювання. Підтверджено, що урахування оптичних характеристик природної води підвищує точність визначення концентрації фітопланктону. Розроблені метод та пристрої “Фітометр” і БСМВ для визначення концентрації мікроводоростей за сукупністю трьох параметрів – флуоресценції, світлорозсіювання та світлопоглинання проби води.
6. Встановлено, що добавлення окислювача перманганат-іону MnO4- до хемілюмінісцентної системи “мікроводорості – метали перемінної валентності – люмінол” впливає на мікроводоростеву складову хемілюмінісценції, що використано при розробці методу і пристрію для оцінки чисельності та стану мікроводоростей.
7. Дослідженнями на Краснопавлівському водосховищі із застосуванням люмінісцентних методів підтверджена їх висока продуктивність і можливість використання в системі спостереження та прогнозування розвитку ситуації на водосховищах для своєчасного прийняття захисних мір від процесу “цвітіння” води для підвищення надійності роботи систем водопідготовки та покращення якості питної води.
8. Розроблені методи та аналітична апаратура впроваджені і експлуатуються в аналітичних лабораторіях на водоочисних спорудах ТВО “Харківкомунпромвод”, МУП “Шебекінкомун-очиствод”, Івано-Франківського “Водоканалу”.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
Автоматизация контроля качества природных и сточных вод / О.А.Богомазов, В.Я. Кобылянский, А.А.Панасенко, А.Т.Шавлов. – Екатеринбург: ИПП “Уральский рабочий”, 1997. – 239 с.
Электрохимические методы биотестирования сточных вод / О.А.Богомазов, А.В.Машанов, В.Я.Кобылянский, Н.А.Колесников, А.В.Чередников – Екатеринбург: Изд-во “СВ-96”, 1997. -207 с.
Кобылянский В.Я. Флуориметрический биосигнализатор токсичности воды // Вестник Харьковского государственного политехнического университета, вып.25. -Харьков, 1998. – С.153-156.
Кобылянский В.Я. Метод биотестирования сточных вод по респираторной активности ила аэротенков // Коммунальное хозяйство городов. – К.: Техника. – 1998. -вып.15. – С.101-106.
Кобылянский В.Я. Многоканальный флуориметрический анализатор концентрации микроводорослей // Респ. межвед. научн.-техн. сб. “Коммунальное хозяйство городов”, вып.18. – Киев: Техника, 1999. – С.108-113.
Кобылянский В.Я. Метод биотестирования токсичности питьевой воды на микроводорослях // Сб. докл. Междунар. конгресса “Экология, технология, экономика водоснабжения и канализации”. – Х.: Изд-во Проспект. – 1999. – С. 51-52.
Верниченко А.А., Кобылянский В.Я. Хемилюминесцентный метод определения численности фитопланктона // Моделирование и контроль качества воды. – Харьков: ВНИИВО, 1988. – С.172-176.
Агаджанов Г.К., Кобылянский В.Я. Принципы разработки системы экспресс-контроля качества поверхностных и сточных вод // Охрана и рациональное использование водных ресурсов. – К.: УМК ВО. – 1990. – С. 17-23.
Мацкивский В.И., Кобылянский В.Я., Поликарпов Г.Г. Оценка устойчивости биосистем с позиций теории надежности в задачах биотестирования // Надежность и гомеостаз биологических систем. -К.:Наукова думка.-1987.-С.184-189.
А.с. 1376743 СССР, G01N 27/46. Фотоактивный электрохимический датчик для оценки токсичности жидкости / В.И.Мацкивский, В.Я.Кобылянский, Г.Г. Курелла (СССР). – №3986656/31-25; Заявлено 06.12.85; Опубл. 87, Бюл. №18. – 3 с.
А.с. 1549317 СССР, G01N 21/76. Устройство для измерения биолюминесценции и хемилюминесценции / В.Я.Кобылянский, Г. К. Агаджанов, А.А.Верниченко (СССР). – №4333671/24-25; Заявлено 27.11.87; Опубл.89, Бюл. №5. – 2 с.
А.с. 1659797 СССР, G01N 21/64. Способ определения концентрации хлорофилла и устройство для его осуществления / Г.В.Хомяков, В.Я.Кобылянский, Г.К.Агаджанов, В.А. Веселовский, В.С.Маренков (СССР). – №4461241/25; Заявлено 18.07.88; Опубл. 30.06.91. – 11 с.
Кобылянский В.Я. Надежность популяции микроводорослей в культуре как динамический показатель роста // Тез. докл. Всесоюз. конф. “Лимитирование и ингибирование роста микроорганизмов”. -Пущино. -1989. -С. 44.
Кобылянский В.Я. Комплексные биофизические показатели состояния водных объектов // Сб. тез. докл. Всесоюз. конф. “Методология экологического нормирования”. – Часть II. – Харьков. – 1990. – С.39-40.
Кобылянский В.Я. Автономный пост непрерывного наблюдения за качеством природных вод // Сб. тез.докл. конф. “Нормативно-правовые аспекты оценки и прогноза экологического состояния окружающей среды административных областей и районов Украины. – Киев. – 1997. – С. 62-63.
Кобылянский В.Я., Хомяков Г.В., Еремичева Е.М. Новый прибор для определения концентрации микроводорослей в природной воде // Тез. докл. научно-техн. конф. молодых экологов “Человек в биосфере”. – М. – 1988. – С. 131.
Кобылянский В.Я., Бандура А.К., Хомяков Г.В. Разработка биосигнализаторов для оценки состояния активного ила // Тез. докл.конф. “Микробиология и биотехнология очистки воды”. – К.: Знание. – 1989. – С.35-36.
Кобылянский В.Я., Федотова Л.А. Оценка показателей роста культур микро-водорослей хемилюминесцентным методом // Тез. докл. Всесоюз. конф. “Лимитирование и ингибирование роста микроорганизмов”. – Пущино. – 1989. – С. 45.
Петросов В.А., Агаджанов Г.К., Кобылянский В.Я. Биотестирование в системе процесса биоочистки воды // Тез. докл. конф. “Микробиология и биотехнология очистки воды”. – К.: Знание. – 1989. – С. 36-37.
Петросов В.А., Агаджанов Г.К., Кобылянский В.Я., Хомяков Г.В. Устройство для оценки токсичности сточных вод в АСУ водоотведением городов // Сб. тез. докл. Всесоюз. научно-техн. конф. “Разработка и внедрение АСУ водоснабжением и водоотведением в городах”. – Краснодар. – 1990. – С.28-29.
Кобылянский В.Я., Федотова Л.А. Применение хемилюминесцентного метода для определения концентрации микроводорослей // Сб. тез. докл. III-го семинара “Системы экологического контроля вод”. – Севастополь. – 1991. – С.75.
Кобылянский В.Я., Иванов В.М. Автоматическая станция многопараметрического контроля качества природных и сточных вод // Тез. докл. Межд. научно-практ. конф. “Проблемы и перспективы ресурсосбережения в жилищно-коммунальном хозяйстве”. – Харьков. -1995. -С.42-43.
Хомяков Г.В., Кобылянский В.Я., Федотова Л.А. Использование биосигнализатора БСМВ-01 для оценки опасности веществ // Сб. тез. докл. III-го семинара “Системы экологического контроля вод”. – Севастополь. – 1991. – С.77.
Кобылянский В.Я., Василенко С.Л. Автономные посты контроля качества природных и сточных вод // Докл. Междунар. научн. конф. “Проблемы обеспечения населения качественной водой”. – К.:Знание. – 1997. – С. 131-134.
АНОТАЦІЯ
Кобилянський В.Я. Методи та апаратура біотестування якості води для інтенсифікації роботи систем водопостачання і каналізації. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.04 – водопостачання, каналізація. – Харківський державний університет будівництва і архітектури, Харків, 1999.
Дисертацію присвячено можливостям методів біотестування якості води з використанням мікроорганізмів активного мулу аеротенків і мікроводоростей в управлінні та інтенсифікації технологій водопідготовки та водоочищення. Íà îñíîâ³ âстановлених залежностей респіраційної функції активного мулу від присутності в стічній воді важких металів розроблено метод оцінки стану активного мулу при очищенні гальванічних скидів промислових підприємств та малогаба-ритний кисневий датчик. Для оцінки стану фітопланктону водоймищ розроблено хемілюмініс-центний метод та прилад. Для використання флуоресцентних методів біотестування якості при-родної і питної води на мікроводоростях розроблено багатоканальний аналізатор і метод визна-чення концентрації мікроводоростей, в тому числі в природних популяціях при польових дослідженнях, а також високочутливий флуориметричний біосигналізатор.
Ключові слова: біотестування, токсичність, електрохімічний кисневий датчик, біосиг-налізатор, флуориметр, хемілюмінометр.
АННОТАЦИЯ
Кобылянский В.Я. Методы и аппаратура биотестирования качества воды для интесификации работы систем водоснабжения и канализации. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.04 – водоснабжение, канализация. – Харьковский государственный университет строительства и архитектуры, Харьков, 1999.
Диссертация посвящена возможностям методов биотестирования качества воды в информационном обеспечении процессов оперативного управления и интенсификации технологий питьевой водоподготовки и очистки сточных вод.
В диссертации получило развитие научно-методическое обеспечение и техническое оснащение производственных и исследовательских аналитических лабораторий водопроводно-канализационных хозяйств, экологических служб и органов санитарно-эпидемио-логического контроля методами биотестирования качества сточной, природной и питьевой воды. Для оценки токсичности сточных вод используется активный ил аэротенков биоочистных сооружений. Биотестирование природной и питьевой воды проводится с использованием культур микроводорослей.
Исследована респирационная функция активного ила при воздействии тяжелых металлов – меди, никеля и хрома, содержащихся в сточных водах гальванических производств. В результате разработан экспрессный метод оценки состояния активного ила по респирационной функции при токсическом воздействии тяжелых металлов. Длительность анализа – не более 30 мин. Чувствите-льность метода – 2 мг/л Cu2+, 0,2 мг/л Ni2+, 0,1 мг/л Cr6+. Полученные эмпирические зависимости респирационной активности активного ила от содержания в модельных растворах и в гальва-нических стоках различных концентраций тяжелых металлов (меди, никеля, хрома) сопоставимы с данными, полученными методами оценки активного ила по дегидрогеназной активности и по показателю ХПК. Для реализации процедуры измерений этим методом разработаны малогаба-ритный, упрощенной конструкции кислородний датчик и измерительная микроячейка. На их основе создан биосигнализатор БСАИ и автономный пост типа КТС для контроля качества гальванических сбросов, прошедший опытно-промышленные испытания на очистных соору-жениях Ивано-Франковского фурнитурного завода.
Для определения параметра токсичности природной и питьевой воды в соответствии с требованиями СанПиН “Вода питьевая” разработан метод определения токсичности воды по динамике газообмена микроводорослей в микроячейках. Выполнено исследование функциональ-ного состояния клеток микроводорослей и природного фитопланктона этим электрохимическим методом. Для реализации метода с целью непрерывного наблюдения за качеством природной воды для своевременного и оперативного обнаружения аварийных ситуаций на поверхностных источниках питьевого водоснабжения и принятия эффективных защитных мероприятий создан автономный пост непрерывного наблюдения за качеством природных вод типа АПНН-ПВ. С помощью поста АПНН-ПВ разработанный метод биотестирования прошел в июне-августе 1993 г. апробацию на природной воде Печенежского водохранилища. Показано, что параметр токсич-ности отражает динамику основных продукционно-деструкционных процессов, протекаемых в водохранилище, оцениваемых по ряду гидрохимических параметров – БПК, концентрация растворенного кислорода и содержание аммиака.
Для оперативного наблюдения за состоянием и развитием фитопланктона природных водоемов, в частности в периоды “цветения”, разработан хемилюминесцентный метод биотес-тирования, основанный на изученном в работе явлении влияния окислителя перманганат-иона MnO4- на микроводорослевую составляющую хемилюминесценции системы “микроводоросли – металлы переменной валентности – люминол”. Метод был применен для исследований на источнике питьевого водоснабжения г.Харькова – Краснопавловском водохранилище. Чувст-вительность метода – 106 кл/л. Высокая производительность анализа (до 20 анализов в час) позволяет проводить мониторинговые исследования по всей акватории водохранилища и своевременно определять начальные моменты процесса “цветения” воды.
Для повышения точности определения концентрации микроводорослей в цветных и мутных природных водах флуоресцентным методом было изучено влияние оптических параметров воды на результаты измерения. Установлены зависимости определения с введением поправок на мутность и цветность, определяемых по показателям светопоглощения и светорассеяния. Для определения концентрации микроводорослей по совокупности трех оптических параметров – флуоресценции, светорассеянии и светопропускании анализируемой пробы воды разработан анализатор-концентратомер “Фитометр”. Высокая чувствительность определения концентрации микроводорослей позволяет использовать метод при оценке токсичности воды по контролю ее воздействия на рост и развитие культуры микроводорослей. Для использования флуоресцентных методов биотестирования качества природной и питьевой воды на микроводорослях разработан автоматизированный флуориметрический биосигнализатор БСМВ.
Разработанные методы и аналитическая аппаратура внедрены и эксплуатируются в аналитических лабораториях на водоочистных сооружениях ТПО “Харьковкоммунпромвод”, МУП “Шебекинкоммуночиствод”, Ивано-Франковского “Водоканала”.
Ключевые слова: биотестирование, токсичность, электрохимический кислородный датчик, биосигнализатор, флуориметр, хемилюминометр.
SUMMARY
Kobylyanskyy V.Y. Methods and apparatures of biotesting water quality for intensification work of water supply and water drain systems. – Manuscript.
Thesis for a degree of the candidate of engineering science by speciality 05.23.04 – water supply, water drain. – Kharkov state university of construction and architecture, Kharkov, 1999.
The dissertation is devoted to development of biotesting methods with use of active sludge and microalgae for estimation of quality drinking, natural and waste water. The study of the characteristics of respiration function has allowed to develop the method of estimation of active sludge state at clearing galvanic of dumps of the industrial enterprises and the small-sized oxygen gauge. For the estimation of a condition phytoplankton a chemiluminescent method and device are developed. For use fluorescent methods of biotesting the multichannel analyzer and method for definition of concentration of microalgae and high-sensitivity fluorimetrical bioindicator are developed.
Key words: biotesting, toxicity, the electrochemical oxygen gauge, bioindicator, fluorimetår, chemiluminometer.
Формат 60х90 1/16. Папір офсетний. Гарнітура “Таймс”
Обл.-вид.лист 1. Тираж 100. Зак. №155 от 15.09.99
Надруковано з готових оригінал-макетів в ТОВ “Картель”
310052, Харків, вул.Червоножовтнева, 13/2
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
