Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Микрофлора сооружений аэробной биологической очистки сточных вод 10
1.2. Использование иммобилизованной микрофлоры в очистке сточных вод16
1.3. Методы получения иммобилизованных микробных клеток 23
1.4. Действие магнитных и электромагнитных полей на жизнедеятельность микроорганизмов 34
1.5. Применение флокулянтов для кондиционирования осадка при очистке сточных вод 45
Глава 2. Материалы и методы 49
2.1. Объекты исследования 49
2.1.1. Биологические объекты исследования 49
2.1.2 Сорбенты, используемые для иммобилизации микроорганизмов 49
2.1.3. Флокулянты 51
2.2. Питательные среды и реактивы 52
2.3. Методы исследования 52
2.4. Статистическая обработка результатов 54
Глава 3. Собственные исследования 55
3.1. Выделение и идентификация микроорганизмов сооружений биологической очистки 55
3.2. Разработка методов иммобилизации микроорганизмов в магнитные носители 66
3.2.1. Ковалентная иммобилизации микроорганизмов на магнитные носители 66
3.2.2. Иммобилизация путем включения микробных клеток в полимерные гели 71
3.3. Исследование воздействия электромагнитного поля на микроорганизмы очистных сооружений 75
3.3.1. Создание экспериментальной установки 76
3.3.2. Исследование воздействия электромагнитного поля на интенсивность роста микроорганизмов 79
3.3.3. Исследование эффективности роста микроорганизмов, иммобилизованных в магнитные носители 85
3.4. Влияние флокулянтов на жизнеспособность микроорганизмов
сооружений биологической очистки 90
Глава 4. Модификация оборудования для работы со свободными и иммобилизованными микроорганизмами 96
4.1. Установка для культивирования микроорганизмов 96
4.2. Разработка конструкции электробиофильтра і Q І
4.3. Конструкция фильтрующей центрифуги для обезвоживания
отработанной биомассы 103
- Микрофлора сооружений аэробной биологической очистки сточных вод
- Флокулянты
- Выделение и идентификация микроорганизмов сооружений биологической очистки
Введение к работе
В настоящее время все более широкое применение находят природоохранные биотехнологии с использованием иммобилизованной микрофлоры. Закрепленные на твёрдых носителях микроорганизмы в самых разнообразных по конструкциям реакторах (биофильтрах) применяются уже более века. Однако только в последние годы две основополагающие идеи -использование микроорганизмов-деструкторов и их закрепление на нерастворимых в воде носителях - произвели переворот в биологической очистке воды. В системе с иммобилизованными (фиксированными) микроорганизмами отпадает необходимость в рециркуляции воды, а в условиях прямоточности обеспечивается пространственная сукцессия микроорганизмов. Иммобилизация клеток микроорганизмов позволяет осуществлять сложные многостадийные процессы, обусловливает лучшую защищенность клеток от воздействия экстремальных факторов, создает высокую концентрацию клеток в реакторе (Скрябин Г. К., Кощеенко К. А., 1984; Фомичев В. Т., Доскина Э. П., Воронович Н. В. и др., 2001; Форстер К. Ф., Вейз Д. А., 1990). Закрепление способствует прочной фиксации клеточной массы микроорганизмов-деструкторов. Кроме того, иммобилизованные микроорганизмы во многих случаях менее чувствительны к токсичным субстратам (Первушин Ю. В., Куликов Н. И., 1990; Пирог Т. П., Шевчук Т. А., Волошина И. Н. и др., 2005).
В последние годы в некоторых областях биотехнологии используются микроорганизмы, иммобилизованные в магнитные носители. Преимуществом этого является простота управления микроорганизмами с помощью магнитного поля разной напряженности, быстрота сепарации иммобилизованных клеток. Использование иммобилизованных в магнитные носители микроорганизмов для очистки сточных вод является новой и неизученной областью исследований.
Применение магнитных носителей для иммобилизации микроорганизмов неразрывно связано с вопросом воздействия магнитных полей на биологические объекты, осуществляющие биодеградацию загрязнений сточных вод. Накоплен достаточно обширный материал о положительном влиянии электромагнитных полей различной природы на интенсивность роста и накопления биомассы практически важных микроорганизмов (Владимцева И. В., Самыгин В. М., Степин А. А. и др., 2001; Подколзин А.А., 1994; Симаков Ю.Г., 1986). Показано, что под воздействием магнитного поля изменяются такие признаки, как термотолерантность, химическая устойчивость, антибиотикорезистентность, вирулентность, а длительное воздействие может вызвать изменение тинкториальных, морфологических, культуральных и биохимических свойств (Остапенков А. М., Меринов Н. С, Каптерова Ю. В. и др., 1978). В литературе, посвященной вопросам взаимодействия микроорганизмов с энергетическими полями, до настоящего времени отсутствуют чёткие данные о влиянии последних на микрофлору очистных сооружений. Таким образом, перспективность исследования вопросов воздействия электромагнитного поля на иммобилизованные в магнитные носители микроорганизмы очистных сооружений очевидна.
Одной из основных проблем использования иммобилизованных микроорганизмов в очистке сточных вод является образование большого количества биомассы. В течение года на одного условного жителя на очистные сооружения поступает 25-30 кг органических и минеральных веществ, которые в процессе очистки сточной воды выделяются в виде суспензий микроорганизмов объемом 600-800л. В отличие от других видов отходов их количество не может быть снижено изменением экономических и социальных стимулов в обществе. Применение современного обезвоживающего оборудования с использованием системы предварительного флокуляционного кондиционирования позволяет на порядок сократить объемы жидких осадков (Запольский А. Г., Баран А. А., 1987), в связи с этим важным вопросом технологии очистки сточных вод на стадии обезвоживания избыточной биомассы является влияние флокулянта на жизнедеятельность микроорганизмов, осуществляющих биологическую очистку.
Цель и задачи исследования. Цель диссертационной работы заключалась в усовершенствовании технологии биологической очистки сточных вод, основанной на использовании иммобилизованных форм микроорганизмов.
Поставленная цель достигалась решением следующих задач:
- из бактериальной популяции активного ила аэротенков выделить штамм, играющий основную роль в очистке сточных вод;
- подобрать методики иммобилизации выделенного штамма в магнитные носители и исследовать интенсивность роста иммобилизованных микроорганизмов;
- изучить воздействие электромагнитного поля на скорость роста свободной и иммобилизованной микробной культуры;
- исследовать влияние флокулянтов, применяемых на стадии обезвоживания избыточной биомассы, на микроорганизмы очистных сооружений;
- усовершенствовать оборудование, применяемое в технологии выращивания свободных и иммобилизованных форм микроорганизмов.
Научная новизна
- впервые установлено, что преобладающим штаммом бактериальной популяции активного ила очистных сооружений острова Голодный Волгоградской области является штамм Pseudomonas pickettii (среднее содержание по сезонам года составляет 60%);
- получены новые экспериментальные данные об интенсификации роста иммобилизованного в магнитные носители бактериального штамма P. pickettii при выращивании в электромагнитном поле;
- предложены новые конструкции установки для культивирования свободных и иммобилизованных микроорганизмов (положительное решение по заявке № 2005108254/13, приоритет от 23.03.2005), электробиофильтра и фильтрующей центрифуги (патент РФ № 2250804).
Практическая и теоретическая значимость
- применение иммобилизованных в полимерные и алюмосиликатные носители микроорганизмов перспективно для интенсификации работы сооружений биологической очистки;
- установленный диапазон пороговых концентраций флокулянтов позволяет определить возможность их использования в технологии очистки сточных вод;
- применение усовершенствованной установки для выращивания микроорганизмов, электробиофильтра и фильтрующей центрифуги способствует повышению эффективности и безопасности работы технологического оборудования;
- материалы диссертации используются в учебном процессе по курсам «Основы микробиологии» и «Основы биотехнологии» для студентов химико- технологического факультета Волгоградского государственного технического университета и оформлены в виде четырех учебно- методических указаний.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
- в активном иле очистных сооружений (острова Голодный Волгоградской области) преобладает штамм Pseudomonas pickettii;
- иммобилизация микроорганизмов активного ила в альгинатные и алюмосиликатные носители увеличивает скорость роста микробной популяции;
- под воздействием электромагнитного поля промышленной частоты происходит интенсификация жизнедеятельности микроорганизмов активного ила;
- для обеспечения эффективной работы сооружений биологической очистки сточных вод необходимо учитывать токсическое влияние флокулянтов на жизнедеятельность микроорганизмов активного ила.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы были представлены и обсуждены на VI научно-технической конференции стран СНГ «Процессы и оборудование экологических производств» (Волгоград, 2002); на научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние пути развития» секция «Биология, медицина, ветеринария и фармацевтика» Научно-исследовательского проектно-конструкторского института морского флота Украины (Одесса, 2005г.); на 8-ой заочной электронной конференции «Современные проблемы загрязнения окружающей среды» Российской академии естествознания (Москва, 2005г.); на IIV, IX, X Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области проводимых в ВолгГАСУ (Волгоград, 2002; 2004; 2005); на 39-43 научных конференциях проводимых в ВолгГТУ (Волгоград, 2002-2006).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 13 научных работ и получен один патент на изобретение.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, результатов собственных исследований, главы «Обсуждение результатов», выводов, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 144 страницах, содержит 19 таблиц, 11 рисунков, список литературы из 178 наименований, включающий 33 зарубежных источников.
Микрофлора сооружений аэробной биологической очистки сточных вод
Биологическая очистка сточных вод основана на способностимикроорганизмов использовать в процессе жизнедеятельности различныеорганические и минеральные соединения, содержащиеся в сточных водах.Очистка осуществляется комплексом микроорганизмов разных систематических групп (бактерий, грибов, простейших, коловраток и других), между которыми устанавливаются сложные экологические и физиологические связи. Преобладающими организмами в таком сообществе являются бактерии и простейшие, но основная роль в биохимическом окислении загрязнений принадлежит гетеротрофным бактериям (Гюнтер Л. И., 1974; Мурина О. А., 2003). Функциональная роль простейших в процессе биоочистки вызывает споры. Многие авторы считают, что они улучшают осветление очищенной сточной жидкости поглощением бактерий и взвешенных органических загрязнений, а также благодаря участию в процессе хлопьеобразования. Хищническая деятельность простейших, в частности инфузорий, по отношению к бактериям рассматривается как средство поддержания бактерий в состоянии непрерывного размножения или в состоянии "физиологической молодости". Активный ил и биопленку сооружений аэробной биологической очистки (аэротенков и биофильтров) можно рассматривать как биоценоз, характеризующийся определённой системой связей популяций между собой и со средой. По данным Роговской Ц.И. и Лазаревой М.Ф. илы, образованные смесью культур, окисляют органические соединения полнее, чем илы, образованные одной культурой. Это явление аналогично природным условиям, где все биохимические превращения осуществляются ассоциациями бактерий. Любому биоценозу свойственна определенная форма организации, критериями которой являются структура, скорости физиологических процессов роста, питания и дыхания, динамика численности отдельных популяций во времени и другие. Для биоценоза активного ила и биопленки характерно большое видовое разнообразие популяций с разными экологическими потребностями. Известно, что биоценоз меняется на протяжении процесса очистки воды. В частности, установлено, что нитрифицирующие бактерии развиваются после удаления из сточной жидкости легкоусвояемых органических загрязнений (Роговская Ц. И., 1967; Рубан Е. Л., 1976; Чубанова И. Н., 1987).
Флокулянты
В экспериментах по изучению влияния флокулянтов на микроорганизмы активного ила были использованы несколько видов флокулянтов: катионный флокулянт на основе диметиламиноэтилметакрилата (КФ-99), катионный флокулянт на основе 2-метил-5-винилпиридина (КФ-91), катионный флокулянт на основе полиакриламида (Росфок КФ) и флокулянт на основе полидиметилдиаллиламмоний хлорида (ВПК-402). Флокулянты КФ-99, КФ-91, Росфок КФ производятся НИИ «КФ» г. Волжский. Флокулянт ВПК-402 производится ПО «Каустик». Опытно-промышленные партии флокулянтов КФ-91, КФ-99 и Росфок КФ прошли испытания по обезвоживанию активного ила в цехе очистки сточных вод МУЛЛ «Волгоградводоканал».
Использованные в экспериментальном исследовании флокулянты представлены в сухом виде (КФ-99, КФ-91 и ВПК-402) и в виде эмульсии (Росфок КФ). Одним из подготовительных этапов исследования явилось приготовление водных растворов флокулянтов с заданной концентрацией. Приготовление растворов сухих флокулянтов осуществлялось весовым методом. Приготовление раствора эмульсионного флокулянта Росфок КФ осуществлялось весовым методом из расчета того, что массовая доля вещества в эмульсии 30%. После разведения растворы флокулянтов перемешивали на магнитной мешалке в течение 1-3 часов без использования нагрева. В работе были использованы растворы флокулянтов концентрацией 1г/л.
Выделение и идентификация микроорганизмов сооружений биологической очистки
Микробиологическим объектом наших исследований были выбраны микроорганизмы, выделенные из активного ила сооружений биологической очистки Волгоградской области. Пробы активного ила отбирали из функционирующего аэротенка в различные сезоны года - в сентябре, марте, июне и декабре. Выделение микроорганизмов путем высева пробы надиловой жидкости на плотные питательные среды. Поскольку численность бактерий в активном иле летом в несколько раз выше, чем зимой, осенью и весной, для получения изолированных колоний пробы надиловой жидкости, отобранные в июне, разводили стерильным физиологическим раствором 1:1000. В результате анализа микробного роста на плотных питательных средах в различные сезоны года было выделено 11 преобладающих культур. Культуральные свойства микроорганизмов, выделенных из активного ила, представлены в таблице 1.
По результатам анализа, приведенного в таблице 1 можно сделать вывод, о том, что выделенные бактериальные культуры отличаются друга по культуральным свойствам. Кроме того, наблюдается явное преобладание культуры 1, образующей на агаре Хоттингера с добавлением глицерина после 24 ч инкубации мелкие округлые колонии диаметром 1 - 2 мм желтовато-белого цвета, с гладкой блестящей поверхностью и ровным краем.
Для получения чистых культур колонии отсевали на скошенный агар Хоттингера с добавлением глицерина. Далее нами было проведено изучение морфологических свойств культур 1-11, выделенных из активного ила. Методами окраски по Граму, окраски спор по Пешкову и светового микроскопирования были изучены морфологические свойства выделенных культур. Для окраски по Граму использовали односуточные и четырехсуточные культуры (поскольку способность клеток окрашиваться по Граму зависит от их возраста). Для окраски спор по Пешкову использовали семисуточные культуры после хранения в холодильнике. Результаты проведенных исследований
Похожие диссертации на Иммобилизация в магнитные носители микроорганизмов, осуществляющих очистку сточных вод
