Содержание к диссертации
Введение
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 10
1.1. Общая классификация сточных вод 10
1.2. Методы очистки сточных вод 12
1.3. Локальная очистка сточных вод 22
1.4. Иммобилизованные микроорганизмы-деструкторы в процессах очистки сточных вод и ремедиации почв и грунтов 27
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 35
2.1. Объекты исследований 35
2.2. Методы исследований 43
2.2.1. Определение численности микроорганизмов 43
2.2.2. Исследование возможности роста микроорганизмов биопрепарата «Ленойл» на отдельных загрязняющих компонентах, присутствующих в сточной воде 43
2.2.3. Изучение эффективности процесса очистки модельных растворов, содержащих углеводороды 44
2.2.4. Измерение массовой концентрации остаточных углеводородов в сточных водах ОАО «Стеклонит» весовым методом с хлористым метиленом 44
. 2.2.5. Изучение эффективности процесса очистки модельных растворов
жиросодержащих сточных вод 45
2.2.6. Определение химического потребления кислорода (ХПК) 45
2.2.7. Иммобилизация микроорганизмов на твердых адсорбентах 47
2.2.8. Определение стабильности видового состава консорциума микроорганизмов-нефтедеструкторов 49
2.2.9. Проверка жизнеспособности иммобилизованных на керамзите микроорганизмов-нефтедеструкторов и возможность их роста на различных углеводородах 49
2.2.10. Определение интенсивности аэрации в лабораторном аэротенке 50
2.2.11. Исследование эффективности процесса биодеградации углеводородов на лабораторном аэротенке 52
2.2.12. Статистическая обработка результатов : 52
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕСТРУКТИВНОЙ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИЗМОВ БИОПРЕПАРАТА «ЛЕНОЙЛ» И БАКТЕРИЙ SERRATIASP.HB 3-1 53
3.1. Исследование процесса биодеградации модельных растворов, содержащих углеводороды 53
3.2. Анализ изменения микробиоты сточной воды предприятия «Стеклонит» при внесении биопрепарата «Ленойл 56
3.3. Исследование процесса биодеградации углеводородов в модельных растворах микроорганизмами биопрепарата «Ленойл» и бактериями Serratia species ИБ 3-1 60
3.4. Исследование процесса биодеградации загрязняющих веществ сточных вод ОАО «Стеклонит» 63
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ИММОБИЛИЗАЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ- ДЕСТРУКТОРОВ НА АДСОРБЕНТАХ 72
4.1. Иммобилизация консорциума микроорганизмов Bacillus brevis и Arthrobacter species, составляющих основу биопрепарата «Ленойл», на твердых адсорбентах 73
4.2. Оценка жизнеспособности иммобилизованных клеток микроорганизмов биопрепарата «Ленойл», бактерий Srratia sp. ИБ 3-ій возможности их роста на различных углеводородах 77
4.3. Определение стабильности видового состава консорциума микроорганизмов-нефтедеструкторов 79
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЛОКАЛЬНОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД, СОДЕРЖАЩИХ УГЛЕВОДОРОДЫ И ИХ ПРОИЗВОДНЫЕ, НА ЛАБОРАТОРНОЙ МОДЕЛИ АЭРОТЕНКА С ИММОБИЛИЗОВАННЫМИ МИКРООРГАНИЗМАМИ-ДЕСТРУКТОРАМИ 81
5.1. Определение интенсивности аэрации культуральной жидкости в лабораторной модели аэротенка 82
5.2. Влияние интенсивности аэрации на способность иммобилизованного биопрепарата «Ленойл» утилизировать дизельное топливо 84
5.3. Исследование процесса очистки сточных вод на лабораторной модели аэротенка с использованием метода флотации 86
5.4. Исследование процесса очистки сточных вод на лабораторной модели аэротенка с использованием метода адсорбции 88
5.5. Исследование процесса очистки сточных вод на лабораторной модели аэротенка микроорганизмами биопрепарата «Ленойл», иммобилизованными на различных сорбентах 91
5.6. Исследование процесса очистки сточных вод на лабораторной модели аэротенка иммобилизованными бактериями Serratia species ИБЗ-1 95
5.7. Исследование возможности реализации непрерывного процесса очистки сточных вод на лабораторной модели аэротенка с иммобилизованными микроорганизмами биопрепарата «Ленойл» 99
6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА УТИЛИЗАЦИИ ЖИРОВ ИММОБИЛИЗОВАННЫМИ МИКРООРГАНИЗМАМИ 105
6.1. Исследование процесса биодеградации жиров в модельных растворах иммобилизованными микроорганизмами биопрепарата «Ленойл» и бактериями рода Serratia species ИБ 3-1 105
6.2. Исследование процесса биодеградации жиров на лабораторной модели аэротенка с иммобилизованными микроорганизмами-деструкторами 108
6.3. Реализация процесса утилизации жиров на жироотстойнике столовой ГУЛ «Опытный завод АН РБ» с использованием биопрепарата «Ленойл» 110
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 113
ВЫВОДЫ 115
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 116
- Общая классификация сточных вод
- Объекты исследований
- Исследование процесса биодеградации модельных растворов, содержащих углеводороды
Введение к работе
Присутствие в сточных водах промышленных предприятий химических загрязнителей в высокой концентрации создает серьезные трудности при их очистке. Микроорганизмы активного ила биологических очистных сооружений, хорошо зарекомендовавшие себя при обезвреживании хозяйственно-бытовых стоков, сталкиваясь с загрязнителями -ксенобиотиками часто страдают от их токсического воздействия, не способны быстро и полно удалять их из очищаемой воды. Перспективным способом преодоления этой проблемы может быть предварительная детоксикация таких вод на установках локальной очистки непосредственно на предприятиях до сброса в городские коллекторы. Использование на установках локальной очистки специальных микроорганизмов-деструкторов, способных к расщеплению трудно разлагаемых органических загрязнителей до простых веществ, позволит добиться почти полной их минерализации без значительных энергозатрат. В случае многокомпонентного загрязнения вод необходимая глубина очистки может быть достигнута за счет комбинирования катаболических возможностей в сообществах микроорганизмов, поскольку их способность к биодеградации выше, чем у чистых культур (Илялетдинов, Алиева, 1990).
Однако применение описанного выше подхода с включением подобных установок в систему очистных сооружений различных предприятий требует разработки индивидуальных технологий и применения специально подобранных микробных культур для обработки промышленных стоков в зависимости от типа органического загрязнения. Одним из наиболее часто встречающихся типов является многокомпонентное загрязнение с преобладанием в его составе веществ углеводородной природы. Поэтому изучение процесса детоксикации и выбор способов очистки таких сточных вод является в настоящее время актуальной проблемой.
Цель исследования. Изучение возможности локальной очистки сточных вод от углеводородов и их производных с помощью микроорганизмов-деструкторов.
Задачи исследования.
1. Изучение возможности утилизации жиров, углеводородов и их
производных, входящих в состав сточных вод, микроорганизмами
биопрепарата «Ленойл» и бактериями рода Serratia.
2. Исследование процесса иммобилизации микроорганизмов
биопрепарата «Ленойл» и бактерий рода Serratia на различных носителях.
Оценка жизнеспособности и деструктивной активности иммобилизованных
клеток микроорганизмов.
3. Исследование процесса локальной очистки жиро и углеводород
содержащих сточных вод с использованием микроорганизмов-деструкторов,
иммобилизованных на адсорбенте.
Научная новизна. Впервые доказана способность консорциума микроорганизмов биопрепарата «Ленойл» и продуцента липолитических ферментов Serratia species ИБ 3-1 к утилизации загрязнителей углеводородной природы в составе промышленной сточной воды сложного химического состава.
Показана возможность иммобилизации штамма-продуцента липолитических ферментов Serratia species ИБ 3-1 на поверхности твердых носителей. Установлено увеличение глубины биологического разложения растворенных и эмульгированных в жидкости органических загрязнителей биопрепаратом «Ленойл» и липолитическим штаммом Serratia species ИБ 3-1 после иммобилизации бактерий на твердых носителях.
Практическая значимость.
Предложен способ локальной очистки сточных вод ОАО «Стеклонит», позволяющий удалить из них значительную часть углеводородов и других органических веществ.. Данный способ после соответствующей доработки
может быть рекомендован для очистки иных углеводородсодержащих промышленных сточных вод.
Найдена новая область практического применения биопрепарата «Ленойл» и продуцента липолитических ферментов Serratia species ИБ 3-1, связанная с их использованием в процессе очистки многокомпонентных промышленных сточных вод, загрязненных углеводородами и жирами.
Апробация работы. Основные результаты исследований были представлены на XIX и XXI Международной научно-технической конференции «Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии» (Уфа, 2006, 2008), III Международной научно-технической конференции «Наука, образование, производство в решении экологических проблем» (Уфа, 2006), Международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка. и нефтехимия - 2007» (Уфа, 2007), III Международной научно-практической конференции «Проблемы экологии Южного Урала» (Оренбург, 2007), II Санкт-Петербургском Международном Экологическом форуме «Окружающая среда и здоровье человека» (Санкт-Петербург, 2007), Международной научно-технической конференции «Китайско-Российское научно-техническое сотрудничество. Наука-образование-инновации» (Харбин, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в Перечень ВАК, рекомендованных для соискателей ученой степени кандидата биологических наук.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, экспериментальной части (6 глав), заключения, выводов, списка цитируемой литературы. Работа изложена на 131 странице, содержит 43 таблицы и 4 рисунка. Список использованной литературы включает 132 наименований, из них 107 на русском языке.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность за неоценимую помощь и поддержку при выполнении работы сотрудникам лаборатории биологически активных веществ Института биологии УНЦ РАН с.н.с, к.т.н. Силищеву Н.Н., с.н.с, к.б.н. Бакаевой М.Д., с.н.с, сотрудникам лаборатории прикладной микробиологии с.н.с, к.б.н. Галимзяновой Н.Ф., с.н.с, к.б.н. Бойко Т.Ф.
Общая классификация сточных вод
По своей природе загрязнения сточных вод подразделяются на органические, минеральные, биологические. Органические загрязнения - это примеси растительного и животного происхождения. Минеральные загрязнения - это кварцевый песок, глина, щелочи, минеральные кислоты и их соли, минеральные масла и т.д. Биологические и бактериальные загрязнения - это различные микроорганизмы: дрожжевые и плесневые грибы, микроскопические водоросли и бактерии, в том числе болезнетворные - возбудители брюшного тифа, паратифа, дизентерии и др. (Яковлев, Воронов, 2004). Состав сточных вод и концентрация загрязняющих веществ зависят от специфики производства. Помимо общих показателей, характеризующих степень загрязнения, промышленные сточные воды содержат специфические вещества, которые являются токсичными и при попадании в водоемы способны вызвать серьезные негативные последствия (Меры по очистке и охране вод, 2001).
Развитие промышленности и производство новых видов продукции может приводить к тому, что в сточные воды попадают вещества, действие которых на растительные и животные организмы, неизвестно; вместе с тем именно такие вещества могут оказаться наиболее токсичными (Гляденов С.Н., 2001). Количественный и качественный состав сточных вод разнообразен и зависит от отрасли промышленности, характеристики технологических процессов. Их делят на две основные группы: содержащие неорганические примеси, в т.ч. и токсические, и содержащие яды (Голубовская, 1978).
К первой группе относятся сточные воды содовых, сульфатных, азотнотуковых заводов, обогатительных фабрик свинцовых, цинковых, никелевых руд и т.д., в которых содержатся кислоты, щелочи, ионы тяжелых металлов и др. Сточные воды этой группы, в основном, изменяют физические свойства воды.
Сточные воды второй группы сбрасывают нефтеперерабатывающие, нефтехимические заводы (более 80% от общей массы загрязняющих веществ), предприятия органического синтеза, коксохимические и др. В стоках содержатся различные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смолы, фенолы и другие вредные вещества (Захаров Л.С., 2002). Одной из наиболее распространенных и широко используемых групп загрязнений являются красители — синтетические органические вещества, проявляющие большое разнообразие структур и используемые для различных целей в текстильной, косметической, бумажной, пищевой и фармакологической промышленности (Norano et al., 1975). Вредоносное действие сточных вод этой группы заключается, главным образом, в окислительных процессах, вследствие которых уменьшается содержание в воде кислорода, увеличивается биохимическая потребность в нем, ухудшаются органолептические показатели воды, повышается время деградации поллютантов (Калюжный с соавт., 1991). Особенностью таких промышленных стоков является то, что они содержат значительное количество высокотоксичных соединений, которые создают стрессовые ситуации для микрофлоры активного ила биологических очистных сооружений, тем самым, затрудняя очистку воды и утилизацию образующегося осадка.
Одним из вредных и токсичных загрязнителей промышленных сточных вод является фенол. Он содержится в сточных водах многих нефтехимических предприятий и является высокотоксичным по отношению к микроорганизмам и позвоночным животным (Martirani et al., 1996). Промышленные сточные воды, содержащие фенолы, выделяют в отдельную группу, которая подлежит строгому контролю. Предельно допустимая концентрация фенола в воде водных объектов хозяйственно-питьевого назначения и рыбохозяйственных целей лимитирована до 0,001 мг/л. Это связано с токсичностью и высокой восстановительной способностью
Объекты исследований
Лабораторные эксперименты были осуществлены в лаборатории биологически активных веществ Института биологии Уфимского научного центра РАН.
Объектами исследований являлись консорциум микроорганизмов-нефтедеструкторов биопрепарата «Ленойл» и бактерии Serratia species ИБ 3-1 - продуцент липолитических ферментов, запатентованные в Российской Федерации (Пат. РФ № 2232806, 2308485).
- Биопрепарат «Ленойл».
Основу биопрепарата-нефтедеструктора «Ленойл», составляет природный консорциум микроорганизмов Bacillus brevis и Arthrobacter species, запатентованный в Российской Федерации (Пат. РФ 2232806). Биомассу консорциума бактерий Bacillus brevis и Arthrobacter species получали культивированием на жидкой среде Раймонда (Практикум по микробиологии, 1976) следующего состава, г/л: Na2C03 - 0,1; СаС12 - 0,01; MnS04-7H20 - 0,02; FeS04-7H20 - 0,02; NaH2P04 - 1,5; К2НР04 - 1,0; MgS04-7H20 - 0,2; NH4NO3 - 2,0; источником углерода служило дизельное топливо- 1%; вода дистиллированная - до 1 л.
Выделенный консорциум состоит из двух штаммов микроорганизмов, морфологические и физиолого-биохимические признаки которых представлены в табл. 2.1-2.3 (Пат. РФ 2232806).
Морфология колоний и клеток микроорганизмов, входящих в консорциум ИБ ДТ 5
Диагностическая среда Вид микроорганизма МПА Bacillus brevis Arthrobacter species Прямые палочки с закругленными концами, подвижные. Эндоспоры сферические. Колонии круглые, с ровными краями, плотные в центре матового цвета, непрозрачные, люминесциру-ющие. Короткие палочки, с возрастом укорачиваются до кокков. Колонии круглые, матового цвета, плоские, по краям менее плотные, чем в центре.
Обозначения: + хорошо усваивает +- слабо использует н/о — не определяли Получена токсиколого-гигиеническая характеристика (Дубинина с соавт., 2005) и разработаны основные технологические аспекты опытно-промышленного производства биопрепарата-нефтедеструктора «Ленойл» (Логинов с соавт., 2003, 2004).
Промышленное производство биопрепарата «Ленойл» осуществляется на ГУЛ «Опытный завод Академии наук Республики Башкортостан» в соответствии с ТУ 9291-016-22657427-2002 и ТУ 9291-020-22357427-2004 (СХП). Биопрепарат-нефтедеструктор «Ленойл» в настоящее время широко используется в процессах ремедиации нефтезагрязненных грунтов и почв (Логинов с соавт.,2003, 2004, 2005, 2006; Бакаева с соавт., 2005, 2007; Биккинина с соавт., 2005, 2006, 2007), а также водных объектов (Бойко с соавт., 2003; Нуртдинова с соавт., 2004). В Российской Федерации запатентованы способы биологической рекультивации отработанной отбеливающей земли, загрязненной нефтепродуктами (Пат. РФ 2237711, 2297290), способ очистки водных поверхностей от нефтяного загрязнения (Пат. РФ 2241032), способ биохимической очистки сточных вод при производстве изопропанола (Пат. РФ 2263080), основанные на использовании биопрепарата «Ленойл». Штамм бактерий Serratia species ИБ 3-1.
Выделен, идентифицирован и запатентован в Российской Федерации новый штамм бактерий Serratia species ИБ 3-1, обладающий высокой липолитической активностью (Пат. РФ 2308485). Культивирование штамма ИБ 3-1 проводят на питательной среде, содержащей, мас.%: соевая мука -2,5, дрожжевой экстракт - 4,0, К2НР04 - 0,5, (NH SC - 0,1.
Исследование процесса биодеградации модельных растворов, содержащих углеводороды
Микробиологический состав сточной воды конкретного предприятия характеризуется определенными особенностями, обусловленными, главным образом, свойствами веществ, используемых в технологических процессах. Определение биологической активности образцов сточной воды ОАО «Стеклонит» показало, что содержание микроорганизмов, выявленных на среде (МПА), невелико КГ-КГКОЕ/мл. С целью более детального изучения микробного ценоза сточной воды был проведен лабораторный эксперимент, в ходе которого сточная вода культивировалась в условиях оптимальной температуры и аэрации с добавлением минеральной основы среды Раймонда. Микробиологический анализ сточной воды показал, что в составе микробиоты представлены различные группы гетеротрофных бактерий, включая представителей рода Psendomonas, денитрифицирующих и углеводородокисляющих микроорганизмов. Широко были представлены в сточных водах олиготрофные микроорганизмы, численность их в среднем в пять раз превышала количество копиотрофных микроорганизмов, регистрируемых на богатой среде МПА. Данный факт может косвенно свидетельствовать о дефиците биогенных веществ в составе изучаемой сточной воды. Бактерии цикла азота были также представлены нитрификаторами, численность которых была на два порядка ниже, чем у других зарегистрированных групп микроорганизмов. Бациллы и микроскопические грибы в составе микробиоценоза изучаемой воды выявлены не были. Динамика численности основных групп микроорганизмов в процессе инкубации сточной воды с минеральными солями среды Раймонда представлена в таблице 3.1.
Инкубация образцов сточной воды, не содержащей минеральные соли, при температуре 28С и аэрации стимулировала размножение гетеротрофов, выделяемых на МПА, и; бактерий p. Pseudomonas лишь в первые трое суток. Однако уже к седьмым суткам количество микроорганизмов всех групп в сточной воде значительно уменьшалось. Тогда как в образцах с внесением минеральных солей численность гетеротрофов неуклонно возрастала и через 7 суток была выше, чем в исходной воде, почти в 10000 раз для гетеротрофов (на МПА), почти в 1000 раз для бактерий p. Pseudomonas, в 290 раз для олиготрофов, в 3,5 раза для углеводородокисляющих и 5,5 раз для денитрификаторов. Очевидно, развитие бактерий лимитируется не содержанием органического вещества в сточной воде, а концентрацией и соотношением других биогенных элементов. Судя по значениям ХПК сточной воды ОАО1 «Стеклонит» (20000-50000 мг/л), содержание органических веществ в сточной воде достаточно для поддержания популяции гетеротрофных бактерий на высоком уровне плотности.
Добавление минеральных солей оказывало существенное влияние и на соотношение различных групп микроорганизмов в сточной воде. Значительную часть микробиоты в сточной воде после культивирования без солей составляли псевдомонады, в варианте с внесением солей они встречались в соотношении (0,59-1,14) ч-1 к гетеротрофам. Однако после добавления минеральных солей соотношение было иным - (0,09-0,3) -ь1. После внесения минеральных солей гетеротрофные микроорганизмы, выделяемые на МПА, размножались активнее олиготрофных, меняя за семь суток их соотношение до 0,06-И в отличие от варианта без солей, где соотношение олиготрофы-ь гетеротрофы было равно 0,49-Н.Таким образом, в сточной воде при благоприятных условиях формировалось разнообразное сообщество, ведущая роль в котором принадлежала не идентифицированным нами гетеротрофным микроорганизмам.
Нитрифицирующие бактерии представлены в сточной воде весьма незначительно, их развитие может лимитироваться высоким содержанием органических веществ, лишь при добавлении солей на 3 сутки инкубирования количество нитрификаторов возрастало, однако к концу эксперимента их численность снижалась до исходного уровня. Денитрифицирующие микроорганизмы в сточной воде без добавления солей, очевидно, исчерпывали ресурсы в первые 3 суток инкубирования, внесение минеральных веществ способствовало поддержанию их жизнедеятельности.
