Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

продукт имеет высокое содержание аммонийного азота и может быть реализован как органоминеральное удобрение.

Оценим затраты топлива на удаление влаги из очищенного стока при получении сухого товарного органоминерального удобрения с содержанием влаги 10%. Примем t1ст. = 15 оC, теплоемкость стока приблизительно такая же, как теплоемкость воды, т. е. 4,19 кДж/кг или 4,19·103 кДж/м3.

Количество сухих веществ в стоке:

CСВ = Cорг. в-ва + CВВ + CNH4HCO3 + CNa2SO4 =

= 0,4 + 0,432 + 7,633·79/18 + 0,827·142/46 = 36,9 кг/м3

Доля азота в массе сухих веществ

N/СВ = (7,633·14/18)/36,9 = 0,161 = 16,1% по массе.

На 1 м3 очищенного стока при влажности сухого продукта 10% и содержании сухих веществ в очищенном стоке 36,9 кг/м3 требуется удалить воды

Количество тепла, требуемого на подогрев 1 м3 очищенного стока с 15 oC до 100 oC,

Qнагр. = 4,19·103·(100 – 15) = 356,2·103 кДж/м3

Количество тепла на удаление влаги

Qисп. = GВiп = 959·2260 = 2167,3·103 кДж/м3

где iп – удельная теплота парообразования, принимается как для воды iп = 2260 кДж/кг.

Общее количество требуемого тепла на удаление воды с учетом 10% потерь

Q = Qнагр. + Qисп. = 1,1(356,2·103 + 2167,3·103) = 2776·103 кДж/м3 стока

При использовании метана как топлива количество CH4 на удаление воды

Gтопл. = Q/qтопл. = 2776·103/(50,1·103) = 55,4 кг/м3 стока

Денежные затраты на природный газ

Птопл. = 55,4·3,5 = 193,9 руб./м3 стока,

а с учетом расхода на отопление анаэробного реактора

Птопл. = 4,8 + 193,9 = 198,7 руб./м3 стока

В случае использования собственного биогаза потребность в природном газе составит

55,4 – (11,86 – 1,38) = 44,92 кг/м3 стока

Затраты на природный газ составят 157,2 руб./м3 стока. Общие затраты составят

31,3 + 198,7 = 230,0 руб./м3 стока – при использовании только природного газа 31,3 + 157,2 = 188,5 руб./м3 стока – при использовании биогаза и природного газа

или

230,0·1000/36,9 = 6230 руб. и 157,2·1000/36,9 = 4260 руб. за 1 т сухого органоминерального удобрения (в пересчете на 100% сухих веществ).

Полученный сухой продукт может быть реализован как азотное органоминеральноеудобрение,содержащее16,1%масс.азота.Ценынаазотсодержащие минеральные удобрения в пересчете на 100% содержания азота в зависимости от вида удобрения и поставщика варьируют в интервале 15000–22000 руб./т N. Примем среднюю цену 18500 руб. за 1 т азота.

Приравнивая к стоимости минерального и с учетом доли азота, полученное удобрение можно реализовать по цене

18500·0,161 2980 руб./т или 110 руб./м3 исходного стока.

С учетом стоимости реализованной продукции минимальные основные текущие затраты на переработку и обезвреживание стока с использованием биогаза составят около 78,5 руб./м3.

Если подтитровывать сток не NaOH, а KOH или K3PO4, то затраты на щелочь будут компенсированы повышением стоимости получаемых комплексных азотно-калийно-фосфатно-органоминеральных удобрений, т. е. уменьшатся ориентировочно на 24,8 руб./м3 (см. пример 4). Тогда минимальные текущие основные затраты составят 53,7 руб./м3.

П р и м е р 6

Расчет варианта с упариванием исходного жидкого стока

Оценим затраты на утилизацию исходного стока путем его упаривания и сушки с последующей реализацией полученного сухого продукта в качестве органоминерального удобрения.

Оценим затраты топлива на удаление влаги из исходного стока при получении сухого товарного органоминерального удобрения с содержанием влаги 10%.

Количество сухих веществ в стоке:

CСВ = Cорг. в-ва = 40 кг/м3

Доля азота в массе сухих веществ 16,0%.

На 1 м3 очищенного стока при влажности сухого продукта 10% и содержании сухих веществ в очищенном стоке 36,9 кг/м3 требуется удалить воды

Количество тепла, требуемого на подогрев 1 м3 очищенного стока с 15 oC до 100 oC,

Qнагр. = 4,19·103·(100 – 15) = 356,2·103 кДж/м3

Количество тепла на удаление влаги

Qисп. = GВiп = 955·2260 = 2158,3·103 кДж/м3

Общее количество необходимого для удаления воды тепла с учетом 10% потерь

Q = Qнагр. + Qисп. = 1,1(356,2·103 + 2158,3·103) = 2766·103 кДж/м3 стока

При использовании метана как топлива количество CH4 на удаление воды

Gтопл. = Q/qтопл. = 2766·103/(50,1·103) = 55,2 кг/м3 стока

Денежные затраты на природный газ

Птопл. = 55,2·3,5 = 193,2 руб./м3 стока

Общие затраты составят

193,2 руб./м3 стока или 193,2·1000/40 = 4830 руб. за 1 тонну сухого органоминерального удобрения (в пересчете на 100% сухих веществ).

Полученный сухой продукт может быть реализован как органоминеральное удобрение, содержащее 16% азота по массе. При средней цене реализации 18500 руб. за 1 т азота полученное удобрение можно реализовать по цене

18500·0,16 = 2960 руб./т или 118,4 руб./м3 исходного стока.

С учетом стоимости реализованной продукции минимальные основные текущие затраты на обезвреживание составят около 74,8 руб./м3 стока.

Таким образом, оценки основных текущих затрат, проведенные при заданных условиях в примерах 1–6, показывают, что наиболее рациональным вариантом является организация переработки стока либо с его упариванием и последующей реализацией как азотсодержащего органоминерального удобрения, либо с анаэробно-аэробной биологической очисткой с последующей реализацией в виде органоминерального азот(калий)содержащего удобрения. В последнем случае потребуются дополнительные затраты на оборудование для биологической очистки. Однако удобрение, полученное после анаэробно-аэробной обработки стока, более качественное, поскольку содержит меньше органического вещества и поэтому менее склонно к загниванию. В нем можно ожидать пониженного содержания тяжелых металлов, поскольку б'ольшая часть их должна сорбироваться на избыточном активном иле, удаляемом из вторичного отстойника на стадии аэробной доочистки. Если же содержание тяжелых металлов в стоке невелико, то можно сточную воду, выходящую их аэротенка, упаривать вместе с активным илом. В этом случае количество получаемого органоминерального удобрения возрастет и соответственно выручка от его реализации увеличится (примерно на 8%).

Ценность получаемого органоминерального удобрения может оказаться более высокой, чем минерального. В этом случае можно ожидать повышения его стоимости.

С учетом того что рассмотренные текущие затраты могут составлять в доле себестоимости 60–80% (включая расходы на очистное оборудование и соответствующие амортизационные отчисления), можно ожидать получения прибыли от реализации анаэробно-аэробного метода переработки стока с получением органоминерального удобрения при цене за удобрение выше 6400–8500 руб./т (в пересчете на сухие вещества).

Приложение 2

МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОКСИЧНОСТИ ВОДЫ

ИМУТАГЕННОГО ДЕЙСТВИЯ

СИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОТЕСТ-СИСТЕМ

Ниже приведены некоторые из методик биотестирования, допущенные для целей государственного экологического контроля и внесенные в Федеральный реестр (ФР) России. Ряд указаний по биотестированию содержится в «Методических основах биотестирования и определения генетической опасности стоков и отходов, поступающих в окружающую среду» РД 64-085-89 и в «Методическом руководстве по биотестированию воды» РД 118-02-90, а также в международных стандартах ИСО 6341-82 и ИСО 8692-89.

Важно правильно отобрать и подготовить анализируемые пробы воды или водные вытяжки из почв, осадков сточных вод и отходов, а также посуду, пробоотборники, рабочие места и т. п. перед проведением биотестирования с целью исключения попадания токсичных веществ из окружающих предметов или из окружающей среды в отбираемые образцы. Большое значение для сохранения неизменного состава проб в интервале времени между их отбором и анализом и для получения достоверных результатов имеют правильные транспортировка и хранение образцов.

Общие правила отбора проб определены в следующих нормативных документах:

ГОСТ Р 51592-2000 «Вода. Общие требования к отбору проб»;

СТ СЭВ 4710-84 «Воды подземные. Общие требования к отбору проб»;

ГОСТ 17.1.5.05-85 «Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к отбору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков»;

ГОСТ Р 51592-2000 «Вода питьевая. Отбор проб»;

НВН 33-5.3.01-85 «Инструкция по отбору проб для анализа сточных вод»;

ГОСТ 12071-84 «Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов»;

ГОСТ 17.4.3.01-83 «Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб»; ГОСТ 17.4.4.02-84 «Почвы. Методы отбора и подготовки проб для хими-

ческого, бактериологического, гельминтологического анализа»; ГОСТ 28168-89 «Почвы. Отбор проб».

Для биотестирования исследуемые пробы разбавляют. Поверхностные, пресные, грунтовые и сточные воды с неизвестной степенью токсичности анализируются без разбавления и при разбавлении чистой заведомо нетоксичной водой в 3, 9, 30 и 100 раз. Сточные и очищенные сточные воды, если неизвестны их токсические свойства, тестируются в первичных опытах без разбавления и при разбавлении нетоксичной водой в 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 раз.

Водную вытяжку из почвы готовят в соотношении 1 часть почвы и 4 части воды (при этом возможно использование дистиллированной воды).

При исследовании участка почвы намечают пробную площадку в виде квадрата со сторонами не менее 10 м и отбирают по схеме конверта 5 единичных проб. На каждые 20 га загрязненной территории или накопителя (хранилища, свалки) закладывают не менее одной пробной площадки, при меньшей территории размер пробной площадки должен быть не менее 5 5 м. Из единичных проб, отобранных с одной пробной площадки, готовят одну промежуточную пробу. Смесь усредненных промежуточных проб образует объединенную пробу, направляемую на исследования. Объединенная проба отходов может быть приготовлена путем смешения одинаковой массы или одинаковых объемов отбираемых образцов отходов. Смешение одинаковых масс чаще применяется при отборе образцов сыпучих твердых или пастообразных отходов с влажностью 30– 70%, а смешение одинаковых объемов – при отборе полужидких отходов и паст с влажностью >70%.

Отбор единичных проб проводят по равномерной сетке, размер которой определяется соответствующими нормативными документами.

Водная вытяжка из осадков сточных вод, отходов и шламов готовится из соотношения твердая фаза : жидкость = 1 : 10. Далее проводится выщелачивание для подготовки проб к биотестированию. рН вытяжки должен быть равен 7,0–8,2, в противном случае вытяжку доводят до требуемого pH кислотой или щелочью.

Температура пробы при биотестировании должна быть 2032 oC, а содержание растворенного кислорода – не ниже 6 мг/л.

1. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов на основании определения смертности и изменения плодовитости дафний (ФР 1.39.2001.00283).

Дафнии относятся к низшим ракообразным, отряду ветвистоусых. Дафнии обитают в планктоне стоячих и слабопроточных пресноводных водоемов

ишироко распространены на территории России. В природе в летнее время

ив лаборатории в оптимальных условиях дафнии круглый год размножаются без оплодотворения – партеногенетически, при этом рождаются только самки. Родившаяся молодь дафний имеет размер в длину 0,7–0,9 мм, половозрелые самки – 2,2–2,4 мм. Период созревания рачков при оптимальной температуре

ихорошем питании 5–8 сут, длительность эмбрионального развития 3–4 сут. Затем происходит вымет молоди каждые 3–4 сут. В природе дафнии питаются взвешенными в воде бактериями, одноклеточными водорослями, детритом, растворенными органическими соединениями.

В соответствии с данной методикой определяется острая и хроническая токсичность питьевых, грунтовых, поверхностных, сточных вод, а также водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов в лабораторных условиях с использованием в качестве тест-объекта дафний (Daphnia magna Straus) при воздействии на них токсических веществ, присутствующих в исследуемой водной среде. Результаты сравниваются с контрольной культурой в пробах, не содержащих токсических веществ.

При проведении теста с дафниями большое внимание уделяется подготовке культивационной воды для выращивания дафний, для приготовления питательных сред для выращивания водорослей, приготовлению и хранению дрожжевой суспензии – источника питания дафний, а также выращиванию и содержанию маточной культуры дафний. Биотестирование проводят только на синхронной культуре дафний (одновозрастной культуре, полученной от одной самки путем ациклического партеногенеза в третьем поколении) в возрасте 6–24 ч.

Острое токсическое действие определяется по смертности дафний за определенный период экспозиции. Критерием острой токсичности служит гибель 50% и более дафний за 96 ч в исследуемой воде при условии, что в контрольной пробе гибель не превышает 10%. В экспериментах устанавливают:

летальную концентрацию отдельных веществ по кратности разбавления вод, вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов, содержащих сме-

си веществ, вызывающую гибель 50% и более тест-организмов (ЛК50–96, ЛКР50–96);

безвредную концентрацию (не вызывающую эффекта острой токсичности) отдельных веществ (по кратности разбавления), вызывающую ги-

бель не более 10% тест-организмов (БК10–96, БКР10-96).

Для определения острой токсичности исследуемых проб рассчитывается процент погибших в тестируемой пробе дафний (А, %).

При А = 10% проба не оказывает острого токсического действия (безвредная кратность разбавления). При А = 50% наблюдается острое токсическое действие (средняя летальная кратность разбавления). Если экспериментально не удалось получить точного значения кратности разбавления, вызывающей 50% гибель дафний за 96 ч экспозиции, то для получения значения ЛКР50–96 без проведения дополнительных экспериментов используется графический (на основании пробит-анализа) или неграфический метод определения на основании выведения линейной зависимости y = kx +b, где x – десятичный логарифм концентрации исследуемой пробы, а y – численные значения пробитов гибели дафний.

Хроническое токсическое действие определяется по смертности и изменению плодовитости дафний за период 24 сут в исследуемой воде по сравнению с контролем. Критерием хронической токсичности служит гибель 20% и более и/или достоверное отклонение в плодовитости из числа выживших тест-организмов по сравнению с контролем. Определяется безвредная концентрация вещества, не вызывающая хронической токсичности за 24 сут экспозиции, если смертность дафний составит менее 20% и/или в их плодовитости не будет установлено достоверное отклонение от контроля.

408 Приложение 2

Для определения хронической токсичности пробы рассчитывают:

процент погибших дафний в тестируемой пробе для каждой серии разбавлений по сравнению с контролем;

среднее количество родившейся молоди на одну самку за 24 сут для каждой серии разбавлений;

достоверное отклонение в количестве родившейся молоди на одну самку из числа выживших по отношению к контролю. Для статистической обработки результатов проводится расчет для каждой серии разбавлений и контроля.

2. Методика определения токсичности вод, водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов по изменению уровня флуоресценции хлорофилла и численности клеток водорослей (ФР 1.39.2001.00284).

В соответствии с данной методикой определяется острая токсичность проб поверхностных пресных, грунтовых, питьевых, сточных и очищенных сточных вод, а также водных вытяжек из почвы, осадков сточных вод и отходов по снижению уровня флуоресценции хлорофилла и снижению численности клеток зеленых протококковых водорослей Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb под воздействием токсических веществ, присутствующих в тестируемой пробе (опыт), по сравнению с контролем.

Уровень флуоресценции измеряется с помощью флюорометра. Численность водорослей определяется под микроскопом методом прямого счета в камере Горяева.

Критерием острой токсичности является подавление уровня флуоресценции хлорофилла водорослей или снижение численности клеток водорослей на 50% и более по сравнению с контролем в течение 96-часовой экспозиции. В экспериментах устанавливают:

ингибирующую концентрацию отдельных веществ (ИК50–96) или ингибирующую кратность разбавления (ИКР50–96) пробы, содержащей смеси веществ, вызывающую снижение уровня флуоресценции хлорофилла или снижение численности клеток водорослей на 50% и более по сравнению с контролем за 96 ч экспозиции;

безвредную (не вызывающую эффекта острой токсичности) концентрацию (БКР20–96) пробы, вызывающую снижение уровня флуоресценции хлорофилла или численности клеток водорослей не более чем на 20% по сравнению с контролем за 96 ч экспозиции.

При подготовке к биотестированию пробы воды фильтруются для освобождения от дисперсных включений и отстаиваются для удаления хлора, рН доводится до 7,0–8,5; в присутствии содержания в воде двухвалентного железа проба отстаивается и осветляется. Пробы почвы отбираются с учетом процедуры усреднения, как это изложено выше. Для биотестирования образцы почв освобождаются от инородных материалов, корневищ, веток, просеиваются через сито с размером ячейки 1 мм и доводятся до воздушно-сухого состояния. В отдельной пробе почвы определяют гигроскопическую влажность и пересчитывают воздушно-сухую пробу на массу абсолютно-сухой. Водную вытяжку готовят из почвы в соотношении 1 часть почвы и 4 части дистиллированной воды. Навеска почвы составляет 100–200 г. Полученную суспензию встряхивают в течение двух часов и далее отстаивают 30 мин.

Водная вытяжка из осадков сточных вод и отходов готовится из соотношения твердая фаза : жидкость 1 : 10.

3.Метод определения токсичности с применением тест-культуры инфузорий Tetrahymena pyriformis (ГОСТ 28178-89 Методы испытаний. Дрожжи кормовые).

Данный метод используется для определения токсичности образцов проб различных кормовых, пищевых и других субстратов, в том числе и почвенных проб и воды.

Метод основан на сравнительной оценке роста инфузорий на стандартной среде в присутствии казеина в заданных количествах по азоту (3, 6, 10, 15, и

20мг) и на стандартной среде в присутствии испытуемого продукта или пробы в количествах, соответствующих содержанию в них такого же количества азота (3, 6, 10, 15 и 20 мг). Соответствующие навески испытуемых проб переносят в конические колбы со стандартной средой, засевают 0,2 мл инокулята 3–4-су- точной культуры инфузорий, инкубируют при температуре 24–26 oC в течение

72ч. Культуру инфузорий микроскопируют в капле на предметном стекле при увеличении объектива 10 в 5–6 полях зрения.

Вслучае гибели инфузорий в течение этого времени хотя бы в одной из концентраций или наличия единичных (до 5) клеток в поле зрения при одновременном снижении активности инфузорий в двух последних концентрациях исследуемая проба считается токсичной.

Культура инфузорий поддерживается пересевом каждые 7 сут на пептонной или триптонной среде.

Состав стандартной (углеводно-солевой дрожжевой) среды, используемой для испытаний: D-глюкоза – 1,5 г; дрожжевой экстракт – 0,1 г; морская соль – 0,1 г. Среда доливается дистиллированной водой до 100 мл; pH 7,1–7,2; стерилизация при 1 ати 15–20 мин.

4.Метод оценки мутагенной активности поллютантов при использовании тестсистем.

Изучение мутагенной активности загрязнений воздушных и водных объектов является составной частью гигиенической оценки их качества и используется при гигиеническом нормировании мутагенных факторов.

При оценке мутагенного потенциала отобранных проб наиболее часто используется тест Эймса (система сальмонелла/микросомы) и тесты на индукцию цитогенетических нарушений, хромосомных аберраций, микроядра, сестринские хроматидные обмены in vitro.

Большое значение для достоверности полученных результатов имеет правильный отбор исследуемых проб.

Отбор и подготовка проб воздушно-пылевых (аэрозольных) частиц производится на фильтры (предпочтительно из стекловолокна) с помощью пробоотборников-аспираторов. Количество пропускаемого объема воздуха определяется количеством получаемого привеса фильтра, который не должен составлять менее 200–300 мг. Желательно использовать сочетание аспиратора с каскадным импактором, позволяющим отбирать пробы воздушно-пылевых частиц, фракционированных по размеру, поскольку показана зависимость степени мутагенного воздействия от размера частиц.

Фильтры с осажденными на них частицами подвергаются экстракции органическими растворителями различной полярности (ацетоном, циклогексаном, дихлорметаном, метанолом) или водой. Экстракт выпаривается досуха и растворяется в диметилсульфоксиде. 1 мл полученного экстракта должен соответствовать не менее чем 100 м3 воздуха, пропущенного через фильтр. Экстракт разводят диметилсульфоксидом в соотношениях 1 : 0, 1 : 5 и 1 : 25. Мутагенная активность полученных экстрактов тестируется на штаммах сальмонелл ТА 98 и ТА 100 по стандартной методике. На чашку вносятся количества экстрактов, соответствующие «объему воздуха» 30, 10, 2, и 0,4 м3. Мутагенный эффект считается установленным при превышении числа колоний ревертантов в опытных пробах над контрольными для штамма ТА 98 – в 2 раза, для штамма ТА 100 – в 1,8 раза.

Оценка мутагенного эффекта водных загрязнений

При тестировании водных объектов пробы, как правило, концентрируются. Основными способами концентрирования являются: выпаривание в вакууме, вымораживание, обратный осмос, ультрафильтрация, экстракция органическими растворителями, адсорбция/десорбция на активированном угле и других сорбентах. Поверхностные и сточные воды в основном концентрируются испарением в вакууме и вымораживанием. Объем концентрата, необходимый для анализа, должен быть не менее 20–40 мл. Перед внесением в тест-систему проба стерилизуется. Наиболее пригодным методом стерилизации является холодная стерилизация на мембранных фильтрах «Миллипор» или «Сынпор» с диаметром пор 0,17 или 0,3 мкм.

При оценке мутагенных свойств питьевой воды большое значение имеет степень концентрирования извлекаемых загрязнений. Для этих целей используются колонки с полимерными синтетическими сорбентами. Объем воды, который необходимо пропустить через колонку, должен быть 160–200 л. Полученный экстракт извлекают ацетоном, упаривают при слабом вакууме, затем осадок растворяют в 4 мл диметилсульфоксида, т. е. водные загрязнения оказываются сконцентрированными в 40–50 тыс. раз.

При испытании в тесте Эймса на чашку вносятся количества экстракта, соответствующие 15, 5, 1 и 0,2 л «объема исходной воды».

При анализе результатов устанавливается минимальный «объем воды на чашку», вызывающий достоверное удвоение спонтанного уровня мутирования.

Данные, полученные при определении мутагенной активности воздушных загрязнений методом биотестирования, могут быть использованы:

при мониторинге атмосферного воздуха, при определении источника специфических загрязнений;

при мониторинге воздуха производственных и других помещений, сравнении степени загрязнения мутагенами различных производственных участков, оценке степени мутагенности пылевоздушных выбросов и отдельных стадий их очистки, анализе воздушной среды жилых помещений и др.;

при сравнительной оценке загрязнения мутагенами/канцерогенами водоисточников, а также гидробионтов, оценке различных способов водоочистки; для сравнения качества питьевой воды в различных точках, при оценке

различных способов водоподготовки и т. п.