Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ГРУНТА ОТ
ФЕНОЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ 13
1.1. Структура фенольных загрязнений окружающей среды 12
1.2. Механизмы распространения загрязняющих веществ в окружающей среде 16
1.3. Оценка масштабов подземных загрязнений и выбор метода устранения загрязнителей 19
1.4. Извлечение и захоронение загрязнённого грунта 20
1.5. Извлечение и очистка грунта на специализированных предприятиях 23
1 .б.Технологии термического обезвреживания 25
1.7. Уничтожение загрязнения на месте 28
1.7.1. Физико-механическая очистка грунта 28
1.7.2. Технологии, основанные на химических и электрохимических методах обезвреживания грунта 29
1.7.3. Технологии биологического обезвреживания загрязнённого грунта 31
1.7.4. Метод сверхкритической экстракции углекислым газом 38
1.8. Фиксация загрязнителей на месте 38
1.9. Переработка и захоронение токсичных веществ в земле 41
1.10. Альтернатива — «бездействие» 43
1.11. Системы биологической обработки токсичных загрязнений 44
1.12. Иммобилизованные микроорганизмы 52
1.13. Методы иммобилизации 56
1.13.1. Химические методы иммобилизации клеток 58
1.13.2. Физические методы иммобилизации клеток 58
1.13.3. Клетки, включённые в матрицу геля 59
1.13.4. Адсорбированные клетки микроорганизмов 59
1.14. Виды и свойства адсорбентов 60
1.15. Приёмы адсорбционной иммобилизации клеток микроорганизмов 64
1.16. Выводы 66
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 67
2.1. Объект исследования 67
2.2. Культурально-морфологические особенности штамма 67
2.3. Среды 68
2.4. Хранение культуры 68
2.5. Культивирование штамма 68
2.6. Иммобилизация штамма на носителях 68
2.7. Определение величины адсорбции микроорганизмов 70
2.8. Вымывание клеток и субстрата из насадки биофильтра 70
2.9. Кинетические характеристики 71
2.10. Лабораторная установка для исследования процесса биодеструкции растворённого фенола 71
2.11. Лабораторная установка для исследования процесса десорбции фенола из грунта 74
2.12. Аналитические методы 76
2.13. Статистические характеристики процесса биодеструкции фенола 77
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА БИОДЕСТРУКТОРА НА ОСНОВЕ ИММОБИЛИЗОВАННЫХ ФЕНОЛОКИСЛЯЮЩИХ МИКРООРГАНИЗМОВ 78
3.1. Выделение фенолокисляющих культур из природных источников 79
3.2. Подбор оптимального режима минерального питания фенолокисляющих бактерий A. saperdae 6-204 82
3.3. Выбор носителя для иммобилизации фенолокисляющих бактерий 86
3.4. Изучение кинетики иммобилизации культуры на носителе 89
3.5. Биодеструкция фенола в водных средах с использованием
иммобилизованного штамма 92
3.6. Выводы 94
ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА БИОДЕСТРУКЦИИ ФЕНОЛА ШТАММОМ A. SAPERDAE 6-204 95
4.1. Моделирование процесса биодеструкции фенола 95
4.2. Определение кинетических констант и оптимальной концентрации углеродного субстрата 96
4.3. Расчёт интегральной скорости потребления фенольного субстрата биоплёнкой 99
4.4. Выводы 107
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ОЧИСТКИ ГРУНТА ОТ ФЕНОЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ 108
5.1. Разработка принципиальной технологической схемы очистки грунта от подземных фенольных загрязнений 108
* 5.2. Изучение процесса десорбции фенола из образцов кернов буровых скважин ПО
5.2, Разработка конструкции биофильтра 114
5.3. Выводы 116
ГЛАВА 6. ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОЧИСТКИ ГРУНТОВ ОТ ФЕНОЛЬНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ 117
6.1. Проведение основных инженерно-изыскательских работ непосредственно на месте аварийного разлива загрязняющих веществ 117
6.2. Описание технологической схемы метода биотехнологической очистки грунтов от фенола непосредственно на месте аварии 119
6.3. Разработка конструкции биофильтра 123
6.4. Результаты эксплуатации установки 126
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 130
Список литературы 132
ПРИЛОЖЕНИЯ
- Структура фенольных загрязнений окружающей среды
- Объект исследования
- Выделение фенолокисляющих культур из природных источников
Введение к работе
Промышленное производство неизбежно сопряжено с техногенными аварийными ситуациями, приводящими к выбросам токсичных веществ в окружающую среду. Разливы токсичных жидкостей наиболее опасны, так как сопровождаются распространением вредных веществ одновременно в трёх средах: почве, поверхностных и грунтовых водах, атмосферном воздухе. Процессы самоочищения в естественных условиях очень длительны и мало эффективны, что связано с бедностью микрофлоры, окисляющей токсичные вещества, дефицитом биогенных веществ, низкой температурой окружающей среды.
Проблема полной очистки от растворённых в воде токсических веществ, в частности фенолов, является одной из наиболее важных и одновременно трудно решаемых.
Несмотря на огромное количество отечественных и зарубежных разработок, данную проблему нельзя считать решённой. Причин этому несколько. Во-первых, уникальность загрязнённых объектов по химическому составу, а также условиям образования и существования, требует проведения индивидуальных исследований для каждого конкретного случая, что не всегда возможно. Во-вторых, технология достаточно полной очистки, как правило, диктует соблюдение особых условий, которые трудно выполнимы на практике. В-третьих, многие эффективные способы глубокой очистки сопряжены с большими экономическими и ресурсными затратами, использованием дефицитных реагентов с последующей их регенерацией, утилизацией или захоронением отходов.
Наибольшую сложность представляет ликвидация подземных загрязнений из-за трудной доступности токсиканта. Основными недостатками известных способов очистки таких объектов является
7 низкая интенсивность деградации загрязнения, связанная с использованием аборигенной микрофлоры. Кроме того, зачастую эти способы связаны с изменением природного ландшафта, поскольку поступление промывной воды в грунт осуществляется через инфильтрационную траншею.
Среди вешеств-экотоксикантов полиароматические соединения занимают одно из первых мест по урону, наносимому окружающей среде. Все эти вещества имеют в своей структуре бензольное кольцо, которое содержится в природном полимере лигнине, являющимся, наряду с целлюлозой, одним из основных компонентов древесины. Известно, что почвенные микроорганизмы способны разрушать лигнин и размыкать, входящее в его структуру, бензольное кольцо. Вполне возможно, что некоторые из этих микроорганизмов, в процессе селекции могут приобрести способность утилизировать полиароматические соединения в качестве косубстратов или единственных источников углерода и энергии,
Поэтому поиск новых эффективных способов очистки окружающей среды от промышленных выбросов, обеспечивающих ПДК, является по-прежнему актуальным.
Предлагаемая технология решает задачу повышения эффективности очистки грунта от подземных фенольных загрязнений. Предлагаемый способ основан на извлечении грунтовых вод с последующей биодеструкцией загрязнений и дальнейшем экстрагировании загрязнений из грунта очищенной водой. В отличие от ранее известных технологий в качестве микроорганизма-деструктора применяется не аборигенная микрофлора, а штамм бактерий Aureobacterium saperdae 6-204, иммобилизованный на насадке биофильтра. Кроме того, разработанная технология является универсальной, так как может
применятся как в единовременных условиях, на пример, при ликвидации аварийных выбросов, так и в стационарных очистных сооружениях промышленных фенольных стоков.
Целью настоящей работы является разработка технологии очистки грунта, загрязнённого фенолом, с использованием иммобилизованных фенолокисляющих микроорганизмов и аппаратуры для реализации этого процесса.
Для достижения поставленной цели представляется целесообразным решение следующих задач:
выделение культуры микроорганизмов, обладающих высокой фенолокисляющей способностью, определение оптимальных для выбранного штамма параметров культивирования;
подбор носителя для иммобилизации клеток выделенного штамма, обладающего требуемыми технологическими характеристиками;
исследование кинетики адсорбционной иммобилизации выделенного штамма на носителе;
исследование кинетики утилизации фенола иммобилизованным штаммом в водных средах;
разработка конструкции биофильтра с использованием иммобилизованных фенолокисляющих микроорганизмов;
разработка принципиальной технологической схемы очистки загрязнённого фенолом грунта с использованием иммобилизованных фенолокисляющих микроорганизмов.
9 Научная новизна работы
Из природных источников выделен перспективный
бактериальный штамм, обладающий высокой фенолокисляющей
способностью, растущий в широком диапазоне температур 10-т-43сС
и рН среды 3,0-ь8,5. Подобрана минеральная среда для
культивирования штамма, обеспечивающая высокую
фенолокисляющую активность. Выделенный штамм
идентифицирован и запатентован как «Штамм бактерий Aureobacterium saperdae - деструктор фенола» № 2201446 от 02.04.2001 (см. Приложение 1).
Выделенный штамм обеспечивает утилизацию растворённого в воде фенола с концентрацией 1000 мг/л до 99,7% в течение суток, а с концентрацией фенола 2000 мг/л - до 98 % в течение трёх суток. Определены кинетические характеристики процесса деструкции фенола в водных средах культурой A. saperdae.
Исследован метод адсорбционной иммобилизации штамма на природных и синтетических носителях.
Разработана технология очистки загрязнённого фенолом грунта, основанная на использовании фенолокисляющего штамма, позволяющая достигать высокой степени очистки без изменения природного рельефа и структуры грунта. На разработанную технологию получен патент РФ «Способ очистки грунта от подземных загрязнений фенолами» № 2225271 от 23.05.2002 (см. Приложение 2).
Практическая значимость работы
Выделен штамм фенолокисляющих микроорганизмов, позволяющий проводить процесс биотехнологической очистки промывных вод, загрязнённых фенолом. Штамм устойчив в
10 длительном непрерывном процессе, не нуждается в дополнительных факторах роста и обеспечивает высокую эффективность очистки от фенола в широком диапазоне температур и рН среды. В зависимости от вида носителя иммобилизованная культура может использоваться как при однократных ликвидационных работах, так и в стационарных очистных сооружениях.
Предложена технологическая схема очистки грунта от фенола, путём растворения его в промывных водах с дальнейшим извлечением их из зоны загрязнения для очистки на биофильтре с использованием выделенного фенолокисляющего штамма.
Разработана конструкция биофильтра, в качестве загрузки
которого используется иммобилизованный на носителе
фенолокисляющий штамм.
Предложенные в работе технологические и аппаратурные решения заложены в проект очистных сооружений подземных загрязнений, разработанный ООО ПКФ «БИГОР» (г. Москва) для Горьковской железной дороги. Проект был успешно реализован на месте ликвидации последствий железнодорожной аварии в п. Мыслец Шумерлинского р-на Республики Чувашия в период с 2001 по 2003 гг. Основные положения диссертации докладывались на 2-ом Московском международном конгрессе «Биотехнология -состояние и перспективы развития».
Основные положения, выносимые на защиту:
Разработка биодеструктора на основе иммобилизованного фенолокисляющего микроорганизма.
Математическая модель процесса утилизации фенола выделенным штаммом в водных средах.
Принципиальная технологическая схема очистки
загрязненного фенолом подземного грунта, основанная на
использовании иммобилизованного фенолокисляющего штамма.
Конструкция биофильтра с использованием
иммобилизованного на насадке фенолокисляющего штамма.
Работа выполнялась в МГУИЭ и ФГУП ГосНИИсинтезбелок.
В работе участвовали: сотрудники аналитической лаборатории ФГУП ГосНИИсинтезбелок, проводившие анализы образцов грунтовых вод на содержание микроэлементов; сотрудник института экологии и эволюции им. А. Н. Северцова РАН Бродский Ефим Соломонович, любезно оказавший содействие в проведении анализа проб грунта на содержание фенолов и прочих органических соединений по стандартному методу хромато-масс-спектрометрии. Основные публикации выполнены с соавторами Щеблыкиным И.Н., Барботом B.C., Бирюковым В.В., Кустовой Н.А., Биттеевой М.Б. и Зябревой Н,В. Кустова Н.А., Биттеева М.Б. и Зябрева Н.В. осуществляли научное руководство биологической частью работы, в том числе экспериментами по выделению бактериальных штаммов, их культивированию, а также определению оптимальных параметров роста бактерий. Щеблыкин И.Н. и Барбот B.C. участвовали в постановке задачи и оснащении экспериментальной установки, а также при разработке технологических приёмов осуществления процесса очистки грунта. Бирюков В.В., как заведующий кафедрой «Экологическая и промышленная биотехнология» МГУИЭ и заведующий лабораторией ФГУП ГосНИИсинтезбелок, а также Кустова Н.А. принимали участие в обсуждении результатов и в формулировании задач исследования. Зябрева Н.В. принимала участие на всех этапах проведённой
12 работы, также автор выражает признательность сотрудникам фирмы «БИГОР» Барботу А.В. и Зубову Д.В. за оказанную помощь в обработке экспериментальных данных с помощью компьютера.
Структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, состоящей из 5 глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложений. Библиография включает 102 наименования, из них 47 на английском языке. Материал изложен на 140 страницах машинописного текста, иллюстрирован 23 рисунками и 14 таблицами.
Структура фенольных загрязнений окружающей среды
Группу фенолов образуют ароматические, гидроксилсодержа-щие соединения, в которых гидроксилы находятся в бензольном ядре. Присутствуют фенолы и в бытовых сточных водах, и в разнообразных производственных сточных водах: в водах от пироген-ного разложения топлива и горючих сланцев, в сточных водах ани-локрасочных химико-фармацевтических заводов, заводов, производящих пластические массы, и многих других. Их разделяют на две группы: летучие с паром и нелетучие. Летучие с паром фенолы более токсичны, обладают более интенсивным запахом, чем нелетучие, и потому допустимые концентрации их в водах водоёмов чрезвычайно малы. Особенно жёсткие требования в этом отношении предъявляются к воде, поступающей на водопроводные станции, где она подвергается обработке хлорированием, потому что хлор-производные простого фенола, о-крезола и ц-крезола имеют неприятный запах даже в самых малых концентрациях. По этой причине при анализе вод в первую очередь определяют в них содержание группы летучих фенолов, а часто определением только одних летучих фенолов ограничиваются [1].
В процессе производства пластмасс, салициловой и пикриновой кислот, ПАВ, присадок к маслам и бензинам и т.п. образуются отходы фенола (СбНэОН). Фенол получают из каменноугольного дёгтя и синтетически [2]. Он является токсичным веществом (табл. 1.1. [3]), при попадании на кожу вызывает ожоги.
Фенол служит основным сырьём при получении фенолофор-мальдегидных пластмасс. Отходами производства являются фенольная смола и фенольная вода. Образование фенольной смолы идёт на стадии кислотного разложения гидроперекиси изопропил-бензола на фенол и ацетон [2].
Фенольная смола является кубовым остатком после дистилляции продуктов разложения гидроперекиси кумола. При температуре свыше 50С представляет собой подвижную массу тёмного цвета. Примерный состав (% по массе): фенол - 6-И7; ацетофенон -6-І-16; сложный фенол - 22-г39; димер альфа-метилстирола - 20-гЗО; диметилфенилкарбинол - 1-4-13; тяжелый остаток - 74-28; альфа-метилстирол - 1-т-З. Норма образования фенольной смолы - 130 кг/т фенола. В настоящее время в промышленности известны два основных направления использования фенольной смолы [2]:
1) в качестве добавки к топочному маслу на сланцеперерабатывающих комбинатах. Топочное масло в данном случае используется как котельное топливо, при этом сжижаются все ценные компоненты, содержащиеся в смоле: фенол, изопропилбензол, альфа-метилпиррол, ацетон;
2) прямое использование фенольной смолы, которое позволяет полностью, без остатка использовать смолу взамен дефицитного сырья - фенола - без дополнительных капитальных вложений, В настоящее время фенольную смолу непосредственно используют в производстве двух марок фенолформальдегидных смол № 18 и № 236, идущих на изготовление фенопластов. Общая потребность в фенольной смоле по стране составляет 1,5 тыс. т/год (данные на 1990 год [2]).
При производстве фенолформальдегидных смол фенольную смолу предварительно разжижают фенолом, подогревают до 40С и затем подают в реактор с мешалкой [2]. Обогрев ведётся через рубашку аппарата. Согласно рецептуре, которую составляют отдельно для каждой марки фенолформальдегидной смолы, в ёмкость загружают нужные компоненты и массу всё время перемешивают, пока идёт реакция, и во время сушки, которая осуществляется в том же аппарате. По окончании процесса подслойная вода, представляющая собой отход производства, сливается, продукт - фенолфор-мальдегидную - смолу используют для получения пресс-порошков или текстолита.
Фенольная вода - является сточной водой при производстве фенола, она содержит: фенола - 6+7%, ацетона - до 0,5%, фенолятов -до 5%. Норма образования фенольных сточных вод на предприятиях составляет 200+300 кг на 1 т полученного фенола [2],
Объект исследования
На мясо-пептонном агаре образует жёлтые мелкие блестящие каплевидные цельные колонии, край гладкий, структура колонии однородная, диаметр молодой колонии 2-2,5 мм, старой - 3-3,5 мм. Пигмент не диффундирует в среду. Бактерии грамположительные, неспорообразующие, некислотоустойчивые, короткие палочки 1,05x2,8 - 1,0x3,0 мкм, одиночные, некоторые в парах V-образной конфигурации или полисадные в виде параллельно лежащих палочек, встречаются кокки, 0,7x0,7 - 1,05x1,05 мкм. В старых культурах палочки обычно короткие, мицелий не образует. Клетки слабо подвижные. Аэробы. Метаболизм дыхательного типа с образованием небольшого количества кислоты, но не газа из глюкозы, сахарозы, мальтозы, маннозы. Бактерии каталазоположительные. Желатину не разжижает, молоко не свёртывает и не пептонизирует. Нитраты не восстанавливает. На ломтике картофеля обильный рост с бежево-жёлтым пигментом. В мясо-пептонном бульоне слизистая плёнка, умеренная муть, осадок скудный. Хорошо растёт в диапазоне рН среды 6,5-7,2, при температуре 15-25С. Штамм непатогенен.
Среды
Для выращивания культуры использовали минеральную среду №10 [88]состава (г/л): (NH4)2S04 - 3, КН2Р04 - 6,5, MgS04 - 0,7, микроэлементы: FeS04, ZnS04, MnS04 - по 12,5 мг/л, CuS04 - 3 мг/л и 0,05% дрожжевого автолизата, рН среды 6,8-7,2. В качестве единственного источника углерода в питательную среду вносился фенол в различных концентрациях, указанных по тексту.
Хранение культуры
Штамм хранится на мясо-пептонном агаре при комнатной температуре с пересевом через месяц.
Культивирование штамма
Культивирование проводили в качалочных колбах объёмом 750 мл с 100 мл питательной среды на круговой качалке с частотой вращения платформы 180 об/мин. Ватные пробки качалочных колб закрывали двойным слоем полиэтиленовой плёнки для предотвращения улетучивания фенола. Засев производился после определения оптической плотности односуточной культурой путём смыва косяка стерильной водой в минеральную среду. Температура культивирования 20±2С. Продолжительность ферментации менялась и указана в тексте.
Выделение фенолокисляющих культур из природных источников
14 мая 1996 года у разъезда Мыслец Горьковской железной дороги Шумерлинского района республики Чувашия произошло крушение товарного поезда № 2651. В результате было разрушено 3 вагона с фенолом, 13 вагонов с дизельным топливом. Последующий мониторинг аварийной территории показал, что содержание фенола в грунте составляло от 0,14 г/кг до 1,754 г/кг.
Сложившиеся уникальные условия позволили выделить из образцов грунта, отобранных с места аварии, методом накопительной культуры психрофильный бактериальный штамм «Ф-6», обладающий высокой фенолокисляющей способностью по сравнению с известными ранее культурами.
Проведено периодическое культивирование выделенного штамма «Ф-6» в качалочных колбах на минеральной среде №10, рН среды 6,8-7,2, при температуре 20±2 С. В качестве единственного источника углерода использовали фенол в концентрациях 1000 мг/л. Выращивание длилось в течение 7 суток на круговой качалке с 180 об/мин, ватные пробки качалочных колб были закрыты двойным слоем полиэтиленовой плёнки для предотвращения улетучивания фенола. По окончании ферментации остаточное содержание фенола составляло 2-30 мг/л, то есть процент утилизации составил более 97-99 %, скорость деструкции фенола -6 мг/л-ч.
Для выяснения порога ингибирования растворённым фенолом выделенный штамм «Ф-6» культивировали в течение 7 суток на средах с варьируемым исходным содержанием фенола. Было установлено, что культура обладает высокой толерантностью к фенолу (рис. 3.1). Выделенный штамм при глубинном культивировании обеспечивает утилизацию растворённого в воде фенола с концентрацией 1000 мг/л до 99,7% в течение суток, а с концентрацией фенола 2000 мг/л - до 98% в течение трёх суток.
В серии проведённых опытов дисперсия воспроизводимости значений степени деструкции фенола составляла о =11,259, доверительный интервал є=±1,732.
Была исследована возможность использования штамма «Ф-6» в составе бактериальных ассоциаций с целью более эффективной деструкции растворённого фенола. Культивирование проводили на жидкой среде №10 в качалочных колбах с 1000 мг/л фенола в качестве единственного источника углерода. В работе использованы различные штаммы бактерий-психрофилов из коллекции культур лаборатории №204 ФГУП «ГосНИИсинтезбелок». Критерием оценки приняли степень деструкции растворённого фенола. Как видно на рисунке 3.2, бактериальные ассоциации достаточно активно утилизируют растворённый фенол. Однако, монокультура «Ф-6» оказалась способна окислять до 99 % фенола, что является наиболее высоким показателем по сравнению с известными ранее фенолокисляющими микроорганизмами [41,70,71] и сопоставимо с характеристиками некоторых из исследуемых бактериальных ассоциаций. Кроме того, работа с ассоциациями микроорганизмов сопряжена с определёнными трудностями. Поэтому было принято решение все дальнейшие эксперименты проводить на чистой культуре «Ф-6».
Похожие диссертации на Разработка технологии и аппаратурного оформления процесса биотехнологической очистки подземных фенольных загрязнений
