Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Характеристика объекта исследования 11
Глава 2. Проблема загрязнения сточных вод нефтепродуктами 16
2.1. Нефть и нефтепродукты как загрязнители гидросферы 16
2.2. Биологические и физические изменения биосферы, обусловленные загрязнением нефтью 19
2.3. Методы очистки сточных вод от нефтепродуктов 30
Выводы 42
Глава 3. Оценка возможности биологической очистки производственных сточных вод 43
3.1. Принцип метода биологической очистки 45
3.2. Микробиологическое окисление органических веществ различных классов 46
3.3. Микробиологическая и микроскопическая характеристики активного ила и биопленки 51
3.4. Методы интенсификации биологической очистки 56
3.5. Иммобилизованные микроорганизмы 65
Выводы 69
Глава 4. Лабораторные исследования по очистке сточных вод от нефтепродуктов с помощью иммобилизованных микроорганизмов 70
4.1. Биологический метод очистки иммобилизованными микроорганизмами
4.2. Влияние различных факторов на процесс биологической очистки 70
4.3. Методы анализа очистки сточных вод 79
4.4. Исследование очистки реальных сточных вод 86
Выводы 94
Глава 5. Опытно-промышленные испытания по очистке сточных вод 98
5.1. Разработка опытно-промышленной установки 98
5.2. Разработка опытно-промышленного регламента процесса очистки сточных вод 110
5.3. Экономическая оценка ущерба окружающей среде от загрязнения нефтепродуктами 111
5.4. Мероприятия по контролю и уменьшению поступления нефтепродуктов в окружающую среду 113
Выводы 119
Заключение и рекомендации 120
Литература
- Характеристика объекта исследования
- Нефть и нефтепродукты как загрязнители гидросферы
- Принцип метода биологической очистки
- Биологический метод очистки иммобилизованными микроорганизмами
Введение к работе
В условиях современной научно-технической революции развитие производственных сил достигло уровня, позволяющего вовлечь в процесс производства все компоненты биосферы. При этом индустриально развитые страны столкнулись с проблемой резкого ухудшения состояния окружающей среды и истощения природных ресурсов во все возрастающих масштабах.
Мировое сообщество, подводя итоги XX столетия, приходит к выводу, что угроза существованию таится не столько в атомной опасности, сколько в катастрофической экологической ситуации. Одно из наибольших опасений вызывает недостаток питьевой воды, ее качественные изменения, несоответствие санитарно-гигиеническим требованиям, серьезные последствия потребления недоброкачественной питьевой воды для здоровья населения.
В 2001 г. из общего объема сточных вод (70 км3) количество нормативно очищенных составило лишь 9%, 27% сточных вод сбрасывались недоста-точно очищенными, а 12% - неочищенными вообще. Зарегистрировано около тысячи аварийных залповых выбросов неочищенных стоков в открытые водоемы. В целом же в 2001 г. в открытые водоемы поступило около 893 тыс. т взвешенных веществ, 19,7 тыс. т нефтепродуктов, 160 тыс. т азота аммонийного, 55 тыс. т фосфора, 48,7 тыс. т железа, более 2 тыс. т цинка, соединений меди, фенола и т.п. В результате 30% проб воды поверхностных источников превышает гигиенические нормативы по санитарно-химическим и 24% по бактериологическим показателям. Крайне загрязнены реки: Волга, Дон, Северная Двина, Урал, Уфа, Тобол, р. Москва ниже г. Москвы, р. Упа ниже г. Тулы, р. Томь, участки р. Белой. Концентрация нефтепродуктов в местах водозабора достигает порой сотен и тысяч ПДК, фенола - 2-7 ПДК, соединений азота - 10-16 ПДК, ионов тяжелых металлов - десятков ПДК. Лишь 1% исходной воды поверхностных источников соответствует первому классу качества, обеспечивающему получение кондиционной питьевой воды при существующих технологиях водоподготовки (Буторина, 2002).
Наиболее распространенными загрязняющими веществами поверхностных вод в России остаются нефтепродукты, фенолы, легкоокисляемые органические вещества, соединения металлов, аммонийный и нитритный азот. Во многих водоемах встречаются повышенные концентрации специфических загрязняющих веществ: лигнина, ксантогенатов, формальдегида и др., основной источник которых - сточные воды различных производств, предприятия сельского и коммунального хозяйства, поверхностный сток. Существенное влияние на содержание загрязняющих веществ в поверхностных водах оказывают вторичные процессы.
За антропогенным воздействием на какой-либо из природных элементов обычно следует цепь из негативных процессов в других частях природной системы. Поэтому, оценка антропогенных воздействий на природную среду должна производиться комплексно.
На современных предприятиях, относятся ли они к нефтедобывающей, нефтехимической или другим отраслям промышленности, образуется большое количество производственных сточных вод, содержащих значительные количества органических загрязнений, в том числе и трудноокисляемых нефтепродуктов, которые представляют серьезную опасность для водоемов.
Наиболее динамичным элементом в природной системе является вода. Именно поэтому, основной причиной загрязнения поверхностных вод являются сбросы специфических веществ, оказывающих существенное влияние как на состояние экологии в целом, так и на конкретные фито- и агроценозы.
Загрязнение водоемов нефтепродуктами ведет к истощению запасов водного кислорода, расходующегося на окисление органических веществ. Наличие на поверхности воды нефтяной пленки резко снижает способность водоемов к самоочищению, поскольку эта пленка препятствует поступлению в воду атмосферного кислорода. В этом случае в водоеме создаются анаэробные условия, что ведет к повышению содержания в воде вредных веществ.
Скорость накопления нефтепродуктов в водных и почвенных экосистемах, в результате техногенного загрязнения далеко опережает их естест-
венную биодеградацию. Для ускорения процессов очистки необходимо использовать биологические резервы микробных сообществ и биоценозов, включающие организмы с различными биохимическими возможностями (Синев, 1983).
Культуры микроорганизмов, традиционно используемые в биотехнологиях очистки от ксенобиотиков, представляют собой изоляты клонов гетеротрофных бактерий и грибов с относительно узким спектром биогеохимических функций, что ограничивает их применение (Форстер, 1990). Природные ассоциации имеют значительно более богатый набор этих функций, так как всегда включают в себя фотосинтетики: высшие растения, микроводоросли и цианобактерии.
При современном развитии научных исследований в области технологии очистка сточных вод идет в основном в двух направлениях: разработка принципиально новых методов глубокой очистки с использованием физико-химических приемов и сочетания их с биологической очисткой и методами доочистки сточных вод, т.е. повышение эффективности существующих способов удаления загрязнений.
В этих условиях первоочередной задачей становится проведение комплекса эффективных природоохранных мероприятий, препятствующих развитию негативных антропогенных факторов. Эти мероприятия в конечном счете должны обеспечивать здоровую природную среду для жизни людей, а также сохранность водных ресурсов в процессе хозяйственной деятельности человека.
Разработка и обоснование таких природоохранных мероприятий может быть произведена на основе комплексной оценки состояния природной среды, включающей в себя анализ условий развития негативных природных процессов, изучение факторов антропогенного воздействия и последствий хозяйственной деятельности человека. Эффективность комплекса природоохранных мероприятий можно оценить в процессе проведения территориального экологического мониторинга, предусматривающего наблюдение за
состоянием природной среды, контроль и прогнозирование последствий хозяйственной деятельности человека.
Данная работа посвящена вопросам снижения экологической нагрузки на окружающую среду при загрязнении сточных вод нефтепродуктами за счет их очистки иммобилизованными микроорганизмами, а также разработке методологических и технологических основ проведения данных процессов.
Актуальность темы. Исследования по очистке сточных вод от нефтепродуктов с помощью микроорганизмов представляют собой актуальную и сложную научную проблему. Острота этой проблемы связана с наличием большого количества предприятий, сбрасывающих со сточными водами нефтепродукты, очистка которых существующими физико-химическими методами нерентабельна.
Поэтому так важна представленная работа, в которой сделана попытка разработать методологические и технологические основы создания процесса очистки сточных вод от нефтепродуктов с помощью иммобилизованных микроорганизмов.
В процессе исследования была определена цель: разработать методологические и технологические основы очистки сточных вод от нефтепродуктов с помощью иммобилизованных микроорганизмов для конкретных процессов, позволяющих резко снизить техногенную нагрузку на окружающую среду.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
проанализировать состояние проблемы очистки сточных вод от нефтепродуктов биологическими методами;
исследовать влияние различных факторов на уровень воздействия рассматриваемых производств на окружающую среду;
разработать лабораторную и опытно-промышленную установки очистки сточных вод от нефтепродуктов с помощью иммобилизованных микроорганизмов.
В представленной работе объектом исследования является Петровский спиртовой завод (п. Петровское Ивановской области).
Методы исследования. Методологической основой работы послужили методы: системный анализ, инструментальный и математического моделирования.
В процессе комплексного анализа экологической ситуации рассматриваемого производства использовались современные научно-технические методы с привлечением:
инструментальных анализов (спектрофотомерия, жидкостная и газовая хроматография, атомно-абсорбционный анализ и др.);
системного анализа, позволяющего провести комплексный учет источников техногенного воздействия на природную среду и изучение реакции среды на эти воздействия. При этом широко использовались как результаты собственных натурных исследований, так и данные фондовых источников исследуемых объектов;
- математического моделирования, позволяющего видоизменить и
учесть фактор иммобилизации в существующей модели очистки сточных вод
от нефтепродуктов.
Санитарно-бактериологические исследования проводились в соответствии с ГОСТ 2874-72, ГОСТ 18963-73 по стандартным методикам и рекомендациям по санитарно-бактериологическому изучению внешней среды.
Согласно существующих положений все методы биохимического контроля за качеством очистки сточных вод проводились по стандартным методикам.
Научная новизна и практическая ценность. В представленной работе впервые дана комплексная оценка очистки сточных вод от нефтепродуктов с помощью микроорганизмов, а также изучена возможность использования иммобилизованных микроорганизмов для этих целей.
Эти и другие научные разработки, приведенные в диссертации, позволяют ощутимо снизить техногенное воздействие рассматриваемого произ-
водства на окружающую среду и уменьшить использование чистой воды в технологических процессах за счет возврата очищенной сточной воды в во-дооборотные системы.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международном семинаре «Питьевая вода -99» (г. Дзержинск, 1999 г.), VI Международном конгрессе «Экология и здоровье человека» (г. Самара, 1999 г.), IV Конгрессе «Вода, экология и технология «Экватэк-2000» (г. Москва, 2000 г.), Международном конгрессе «Expoaqua» (Lisboa, Portugal, 2002), Международной конференции «International measurement, test and control technologz show» (Tokyo, Japan, 2002), Международная конференция "Environment, 2002" (Tel-Aviv, Israel, 2002).
Публикации. По теме диссертации опубликовано работ в ведущих отечественных журналах, монографиях, материалах Международных симпозиумов и семинаров. Кроме того, большая часть материалов служебного характера, выполненная по теме диссертации, изложена в научных и научно-производственных отчетах.
Внедрение. Результаты работы внедрены на Петровском спиртовом заводе (п. Петровское Ивановской области), а также в Калужском электродепо Московского метрополитена.
Предложения по использованию иммобилизованных микроорганизмов для очистки сточных вод от нефтепродуктов приняты к исполнению на ряде предприятий топливно-энергетического комплекса.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 232 наименований, в т.ч. 100 иностранных авторов. Общий объем работы - 137 страниц, в т.ч. 121 страниц основного текста, 19 рисунков, 31 таблиц, 15 страниц библиографии.
Положения, выносимые на защиту:
- оценка влияния промышленных предприятий на загрязнение гидросферы нефтепродуктами и нарушения нормального функционирования водных биоценозов;
разработка метода очистки сточных вод от нефтепродуктов иммобилизованными микроорганизмами;
аппаратурно-методическое обеспечение процесса очистки сточных вод от нефтепродуктов с помощью иммобилизованных микроорганизмов;
Личный вклад автора. Автор принимал участие на всех этапах исследования, а именно, в планировании работ, сборе литературной и фондовой информации, разработке и апробации методик исследований, проведении лабораторных и опытно-промышленных испытаний, выполнении измерений; обработке результатов, вводе информации в базы данных; построении моделей.
Представленная работа была выполнена в Государственном университете по землеустройству и ФГУП ГосНИИсинтезбелок. Автор признателен д.г.н. Хабарову А.В., Миркину М.Г., а также сотрудникам этих организаций за неоценимую помощь и поддержку в работе.
Характеристика объекта исследования
Петровский спиртовой комбинат расположен на равнинной территории в поселке Петровское Гаврило-Посадского района Ивановской области, на террасе р. Нерль, длина которой 284 км. Она берет свое начало в 3 км выше д. Чернцы из небольшого родника, находящегося в заболоченной части лесного массива Ярославской области и впадает в р. Клязьму во Владимирской области. Площадь водосбора - 6780 км ,
Протяженность реки на территории Ивановской области - 125 км. На этом участке в нее впадают 15 притоков длиной более 10 км. Наиболее крупные из них: реки - Шаха (длиной 65 км), Селекша (длиной 68 км), Ухтома (длиной 71 км). Ресурсы речных вод: в год Р = 50% - 1,120 км3/год - 35,5 м3/с Р - 75% - 0,983 км3/год - 28,3 м3/с Р = 95% - 0,555 км3/год - 17,6 м3/с минимальные месячные расходы Р = 50%-13,6м3/с Р = 75%-8,84м3/с Р = 95% - 4,85 м3/с Запасы подземных вод в бассейне реки не определены. В бассейне реки Нерль водохранилища отсутствуют. На притоках реки имеются 13 прудов, общий объем которых составляет 183,2 тыс. м3. В верхней части бассейна расположено озеро площадью 308 га, используемое в целях рекреации.
Санитарная зона р. Нерль - 500 м от границ затопления при максимальном стоянии паводковых вод.
Хозяйственное использование реки - забор для промышленных и сельскохозяйственных нужд, сброс сточных вод. Ежегодно из р. Нерль забирается около 3 млн. м воды. В 2001 году в бассейн реки было отведено 4,52 млн. м3 воды (для сравнения в 2000 году -6,45 млн. м3). Наиболее крупным предприятием, сбрасывающим сточные воды в реку является Петровский спирткомбинат.
По данным наблюдений за 2001 год в р. Нерль отмечается повышенное содержание железа (до 5-12 ПДК), солей меди (до 2-8 ПДК), нефтепродуктов (до 2-3 ПДК). Протекая по территории двух областей - Ивановской и Владимирской - она питает питьевой водой десятки небольших промышленных предприятий, многочисленные сельскохозяйственные и животноводческие объекты. На берегах р. Нерль находятся сотни культурно-исторических памятников, являющихся гордостью России. Река и лесные массивы, которые тянутся вдоль ее берегов десятки километров, используются "ак спортивно-туристические и рекреационные зоны. Именно поэтому так важно сохранить чистыми воды этой реки для наших потомков. Рассмотрим территорию одного из промышленных объектов, находящегося на берегу р. Нерль - Петровский спиртовой комбинат с геоэкологической точки зрения. Рельеф участка изменен инженерной деятельностью человека, уклон поверхности земли к р. Нерль пологий. Отметки поверхности земли изменяются от 102,7 до 108,4 м. При малых уклонах рельеф изобилует различного размера депрессиями, занятыми болотами и озерами. Четвертичные породы представлены гля-циальными, флювиогляциальными, аллювиальными и элювиально-делювиальными отложениями. Объект расположен в умеренно-континентальной климатической зоне с невысокими амплитудами суточных и сезонных изменений температуры воздуха, достаточно равномерным распределением по сезонам количества выпавших осадков, преобладанием обіг лачной погоды и преимущественно циклоническим характером циркуляции атмосферы (табл. 1).
В геологическом строении участка современные и среднечетвертичные отложения. Территория расположения завода относится к среднерусской провинции дерново-подзолистых почв, почвенный покров которой представлен сочетанием дерново-подзолистых почв разного гранулометрического состава и разной степени оподзоленности с болотно-подзолистыми и болотными почвами. В ближайших окрестностях завода почвы песчаные и супесчаные дер ново-подзолистые. Для них характерен следующий набор генетических горизонтов: А1 - гумусово-элювиальный горизонт; А2 - подзолистый элювиальный горизонт; B(Bf) - иллювиальный горизонт, в основном ожелезненный; С - почвообразующая порода (песок или супесь). Горизонты АО (подстилка) и Ад (дернина) выражены в разной степени или вообще отсутствуют. Профильная дифференциация по гранулометрическому составу выражена весьма слабо. Песчано-супесчаный гранулометрический состав исходных пород определяет рыхлое сложение профиля, очень непрочную комковатую структуру, высокую водопроницаемость и хорошую аэрируемость этих почв.
Почвы имеют кислую реакцию среды: рН постоянно повышается от 3,8-4,4 в гумусовых и гумусово-элювиальных горизонтах до 4,7-5,0 в нижней части профиля. Емкость поглощения и сумма поглощенных оснований очень низкие, насыщенность поглощающего комплекса менее 60%. Содержание гумуса в горизонтах А1 и А1А2 низкое и составляет 1,5-2,7%. Обеспеченность подвижным фосфором и калием также низкая.
Таким образом, физические и химические свойства рассматриваемых почв не способствуют закреплению в них загрязнителей, с чем может быть связана миграция и вынос загрязнителей за пределы почвенного профиля в условиях промывного водного режима (Алексеенко, 1990).
Нефть и нефтепродукты как загрязнители гидросферы
Развитие производства некоторых органических веществ, к сожалению, привело к возникновению проблемы утилизации или уничтожения отходов этих производств. К таким веществам в первую очередь можно отнести нефтепродукты.
Самым распространенным загрязняющим веществом гидросферы являются нефть и нефтепродукты. Мономолекулярный слой нефти на 50% снижает газопропускание, нефтяные загрязнения препятствуют нормальному газо- и теплообмену между атмосферой и гидросферой. Эти нарушения способны вызвать неконтролируемые изменения климата планеты, а массовая гибель фитопланктона, который, по некоторым оценкам, продуцирует около 70% кислорода, может привести к серьезным нарушениям баланса кислорода
на Земле. По меньшей мере, 80% проб природных вод в той или иной концентрации содержат нефтепродукты (Глазовская, 1998).
Именно поэтому проблемы защиты окружающей среды, обусловленные использованием углеводородов нефти, привлекают большое внимание. Ниже будут рассмотрены химический состав нефтепродуктов, их действие, а также последствия влияния на окружающую среду.
Сырая нефть впервые была добыта в значительных количествах в 1880 г. С тех пор ее добыча росла экспоненциально и сейчас превышает 3,2 10 т ежегодно (в мире). Очищенные нефтепродукты постоянно расходуются на удовлетворение более 60% мировых энергетических потребностей, в связи с чем практически невозможно избежать значительных потерь. Количество таких потерь, предусмотренных или случайных, постоянно растет, а загрязнение окружающей среды как сырой нефтью, так и продуктами ее переработки сейчас является предметом серьезного беспокойства (Ревель, 1995).
Прежде чем говорить о влиянии нефтепродуктов на окружающую среду, логично рассмотреть химический состав нефти, так как и ее миграция в окружающей среде и результирующее воздействие на флору и фауну зависит от природы индивидуальных химических компонентов.
Состав нефти обычно определяется количественным содержанием углеводородов, которые делятся на парафины, циклопарафины, ароматические и нафтеноароматические углеводороды.
Каждое из этих соединений может рассматриваться как самостоятельный токсикант. В составе нефти обнаруживается свыше 1000 индивидуальных органических соединений, содержащих 83-87% углерода, 12-14% водорода, 0,5-0,6% серы, 0,02-1,7% азота, 0,005-3,6% кислорода и незначительную примесь минеральных соединений. Зольность нефти не превышает 0,1% (Энергетическая политика..., 2001). Основные характеристики нефти представлены в таблице 2.
Сырая нефть содержит 15-25% парафинов. Их обнаруживают главным образом во фракциях с низкой температурой кипения (40-230С).
В зависимости от строения парафины могут подразделяться на углеводороды нормального строения и разветвленные изомеры. Простые парафины (алканы), обнаруженные и идентифицированные в различных сырых нефтепродуктах, включают низшие и высшие углеводороды, сходные с н-тритетраконтаном, который имеет 43 атома углерода. Содержание парафинов в различных сырых нефтепродуктах колеблется в широких пределах. Некоторые нефтепродукты состоят главным образом из парафинов нормального строения, в то время как другие содержат лишь следы этих соединений (Ло-зановская, 1998; Тютюнова, 1987).
Наиболее распространены разветвленные изомеры, содержащие боковые цепи с наименьшим числом атомов углерода. Так, большинство обнаруженных изопарафинов содержат от одной до четырех метильных групп. В нефти были найдены все изомеры с восемью или меньшим числом атомов углерода, а также 30 из 35 изомеров Сд. Можно обнаружить все изопарафи-ны, содержащие 10 и более атомов углерода, однако для этого нужны дополнительные исследования. Они могут быть обнаружены в высококипящих фракциях нефти, которые не изучались так детально, как легкокипящие фракции.
Циклопарафины, которые называют также нафтенами, составляют 30-60% общего состава сырой нефти. Большинство из них являются моноциклическими. Однако во фракциях, кипящих при высоких температурах, обнаружены соединения, содержащие 6 и более колец. Наиболее часто можно обнаружить циклопентан и циклогексан.
Ароматические углеводороды по свойствам сильно отличаются от цик-лопарафинов. Эти различия определяются характером связей. Бензол - простейший ароматический углеводород и его производные преобладают в лег-кокипящих нефтяных фракциях. В высококипящих фракциях содержатся полициклические ароматические углеводороды.
Ароматические углеводороды менее распространены в нефти. Чаще всего в ее состав входят углеводороды сложной структуры, включающие остатки парафиновых, циклопарафиновых и ароматических углеводородов.
Остаточные фракции, приведенные в нижней части таблицы, содержат углеводороды кипящие при высоких температурах. Несмотря на то, что их состав неизвестен, можно утверждать, что они содержат кислород, серу, азот и примеси металлов. Их молекулярная структура состоит из слоев сконденсированных гетероциклических колец, соединенных короткими н-парафиновыми цепочками. Имеются также гетероциклические остатки (Па-ушкин, 1973, Akopova, 1996).
Принцип метода биологической очистки
Биологическая очистка сточных вод включает процесс превращения природных и синтетических органических и некоторых минеральных отходов в биомассу микроорганизмов и утилизацию последней. Метод основан на способности микробов использовать разнообразные органические соединения в своем энергетическом и ростовом обмене.
Биологическая очистка является необходимым этапом обработки сточных вод, так как концентрации загрязнителей, при которых ее применение оптимально (от нескольких миллиграммов до нескольких граммов в литре), для прочих видов очистки слишком низки, а для непосредственного сброса в водоем - слишком велики (Олейник, 1981).
Среди бесспорных преимуществ метода отметим следующие: 1. Сооружения биологической очистки могут быть выполнены в очень широком диапазоне мощностей - от нескольких десятков до сотен тысяч и даже миллионов кубических метров сточной воды в сутки. 2. Сооружения биоочистки достаточно просты в эксплуатации и не требуют дорогостоящего оборудования. 3. Эксплуатационные расходы на биоочистку сравнительно невелики.
Однако метод не пригоден для очистки сточных вод, содержащих токсичные для микроорганизмов вещества, а также соединения, находящиеся в воде в высоких концентрациях. Поэтому промышленные сточные воды до подачи на биологические очистные сооружения, как правило, необходимо подвергать предварительной физико-химической обработке (нейтрализации, коагуляции и др.). Кроме того, в результате биохимической очистки в стоках не снижается содержание основных минеральных загрязнений, интенсивность окраски концентрация органических соединений, не подвергающихся биологической деструкции. Вследствие этого и в связи с растущими требованиями, предъявляемыми к качеству очищенных сточных вод, стоки, прошедшие биологическую очистку, как правило, нуждаются в доочистке методами сорбции, озонирования, коагуляции, электродиализа и т.п. В результате, схемы очистки сточных вод значительно усложняются. И все же именно биологический метод позволяет обезвредить значительное число веществ, содержащихся в сточных водах, и поэтому является одним из наиболее сани-тарно надежных.
Искусственная биологическая очистка представляет собой многократно ускоренный процесс самоочищения, происходящий в естественных водоемах. Классической реакцией водоема на сброс загрязнений является последовательный ряд процессов, в которых доминирующие биологические формы готовят субстрат для следующих популяций (Денисова, 1984; Довбня, 1980; Лукина, 1980). Первичная роль в биохимической деструкции органических загрязнений, попадающих в водоем, принадлежит гетеротрофам (Ротмистров, 1975; Bernard, 1981; Могилевич, 1982). Количество органических веществ, которые могут служить источником питания для таких бактерий, достаточно велико (Рубан, 1973; Головлева, 1979; Куликов, 1982). Положительные результаты получены, в частности, исследователями био деструкции ароматических соединений (Подирван, 1979; Цинберг, 1992; Новые достижения..., 1981; Гвоздяк, 1989). Некоторым исследователям (Altmaath-Sigrun, 1989; Kennedi, 1982) удалось наблюдать биологическое разрушение нитро- и галогенпроизводных ароматических соединений. Далеко не все штаммы микроорганизмов способны утилизировать ароматические соединения. Так, например, исследователи, изучавшие отношение 14 видов почвенных бактерий к 55 ароматическим веществам, установили, что только три из них - бен-зальдегид, фенилацетат и L-тирозин поддерживают рост всех бактерий. Незамещенные ароматические соединения, а также дифенил-, хлор-, нитро- и аминопроизводные не усваиваются выделенными организмами (Swischer, 1970). К аналогичным результатам приходят и другие исследователи (Реагсе, 1975). На наш взгляд, еще не ясно, что является причиной противоречивости этих выводов: различие условий культивирования или отставание приспособительного обмена микроорганизмов за синтезом новых продуктов. Литературные данные (Оршанская, 1997; Парчук, 1994; Андреева, 1985) о способности гетеротрофных микроорганизмов окислять ароматические вещества приведены в табл. 5.
Деструкция ароматических веществ микроорганизмами осуществляется с помощью ферментов, имеющих структуру металлопротеинов. Это сложный многоступенчатый процесс. В аэробных условиях многие деструктивные процессы протекают при участии молекулярного кислорода.
Аналогичные схемы метаболических реакций приведены и в других работах (Удод, 1972; Гвоздяк, 1986; Гарбара, 1975; Деринг, 1975; Helting, 1966). В результате указанных процессов создаются предпосылки для образования в клетках микроорганизмов таких продуктов естественного обмена, как коэнзим А, янтарная, фумаровая и другие кислоты. Способность микробов осуществлять приведенные реакции поэтому можно рассматривать как способ вовлечения трудноутилизируемых ароматических соединений в классические метаболические пути (например, цикл Кребса) и как способ увеличения «фонда» метаболитов разнообразных структур. Ниже приведена схема биологического превращения нитрогруппы ароматических соединений (McKinney, 1962).
Биологический метод очистки иммобилизованными микроорганизмами
Для исследования возможности очистки сточных вод, загрязненных нефтепродуктами, с помощью иммобилизованных микроорганизмов, а также определения степени очистки были проведены лабораторные испытания.
Согласно (Санитарные правила..., 2000) с такими показателями сточную воду нельзя ни использовать в системе оборотного водоснабжения, ни сбрасывать в природные водоемы. Следовательно, встает вопрос о дальнейшей обработке сточных вод, прошедших механическую очистку.
Для проведения данной работы был выбран биологический метод очистки иммобилизованными микроорганизмами, теоретические основы которого были рассмотрены в глгве 3.
В процессе работы исследовались два варианта иммобилизованных микроорганизмов. Изначально в качестве иммобилизованных микроорганизмов (в качестве загрузки использовался гранулированный активированный уголь) использовался уже готовый биопрепарат, разработанный для утилизации нефтепродуктов в воле и почве, представляющий собой бактериальную культуру микроорганизмов p. Acinetobacter, полученную биотехнологическим способом. В дальнейшем, в качестве иммобилизованных микроорганизмов использовалась спонтанная культура микроорганизмов, которая сформировалась в процессе очистки.
В лабораторных испытаниях также исследовались различные типы загрузок аппарата, в котором проводилась непосредственно биологическая очистка. В качестве загрузок использовались такие материалы, как активированный уголь, ерш из лавсановой нити, пористая керамика (керамзит) (диаметр 10-15 мм) и крупнозернистый песок (1-1,2 мм). Эти исследования позволили сделать выбор загрузки аппарата. Первоначально, в качестве загрузочного материала использовался гранулированный активированный уголь марки АГ-3. Результаты, полученные на активированном угле, показали принципиальную возможность очистки сточных вод от нефтепродуктов с помощью иммобилизованных микроорганизмов. При использовании ерша из лавсановых нитей не удалось получить устойчивого обрастания загрузки. При использовании песка и керамзита было получено устойчивое обрастание загрузки и хорошие результаты очистки сточных вод. Однако керамзит оказался менее стойкий к механическому истиранию. Поэтому в дальнейших исследованиях в качестве загрузки аппарата для биологической очистки использовался крупнозернистый песок (1-1,2 мм), а в качестве поддерживающего слоя использовался мелкозернистый (2-2,5 мм) гравий. Соотношение количества песка к гравию составило 3:1.
Исследования проводились на лабораторной установке (рис. 3). Технологическая схема процесса очистки сточных вод от нефтепродуктов состоит из трех стадий: усреднение, отстаивание и двухступенчатая биологическая очистка.
В процессе отстаивания в отстойнике 1 происходит механическое разделение водонефтяной эмульсии и частичное выпадение в осадок взвешенных веществ. Образующаяся сверху нефтяная пленка в дальнейшем собирается и подвергается переработке стандартными методами (Термические методы..., 1975). Процесс отстаивания водонефтяной эмульсии длится не более 15-20 мин. Этого времени вполне достаточно, чтобы всплыла основная масса нефтепродуктов.
Отстоянная вода, которая содержит 100-300 мг/л нефтепродуктов, подается в усреднитель (2), а затем в биосорбер первой ступени очистки (3), где и происходит биологическая очистка.
В качестве аппарата для биологической очистки (биосорбера) использовалась пластмассовая колонка высотой до слива 0,7 м. Высота поддерживающего слоя была равна 0,13 м, высота песка - 0,39 м.
Для стабилизации работы насоса 7(2) между первым и вторым этапом очистки предусмотрена буферная емкость 4, служащая для накопления воды, прошедшей первую стадию очистки.
Для того чтобы началась биологическая очистка сточных вод необходимо провести иммобилизацию (прикрепление) микроорганизмов на носителе.
В качестве носителя использовался кварцевый песок (1-1,2 мм), а в качестве поддерживающего слоя гравий (2-2,5 мм). Для получения необходимых фракций песок и гравий просеивали через сита размером 1 и 3 мм соответственно. Аппарат заполняли загрузкой так, чтобы до слива оставалось 20-30% от высоты биосорбера для свободного всплывания загрузки во время промывки.
Перед пуском биосорбера необходимо провести промывку носителя водой для очищения его от грязи и мелких фракций, которые мешают нормальному процессу очистки. В нижнюю часть биосорбера подавали воду так, чтобы загрузка поднялась практически до слива воды, но при этом не вымывалась из аппарата. Промывку осуществляли до тех пор, пока вода в пробе по прозрачности практически не отличалась от воды, поступающей на промывку. В процессе промывки следили за тем, чтобы все мелкие (свободно плавающие) фракции песка постепенно вымылись из аппарата. После этого воду выключали. Если высота загрузки уменьшалась, то осуществляли досыпку до прежнего уровня и повторяли процесс промывки.
Как указывалось выше, в процессе работы исследовались два варианта иммобилизованных микроорганизмов.
В первом случае, при использовании готового биопрепарата, его вносили в сточные воды на стадии усреднения. Для этого готовили суспензию биопрепарата из расчета 5 г/л. Суспензию заливали в приемную емкость-усреднитель и смешивали со сточной водой в соотношении 1:4. После этого первую колонку заполняли сточной водой с биопрепаратом. Колонку оставляли на одни сутки без подачи воды под аэрацией, а затем подавали исходные сточные воды 10% от рабочего режима, после чего постепенно увеличивали проток и выходили на рабочий режим. Первые восемь суток шел процесс наращивания микроорганизмов, т.к. необходимо время адаптации. Од нако в процессе очистки наблюдалось вытеснение чистой культуры сопутствующей микрофлорой. Наблюдение проводилось с помощью микроскопиро-вания. Бактерии рода Acinetobacter имеют форму короткоовальных палочек размером 0,6-0,7 х 0,7-1,2 мкм. Однако, через 2 недели непрерывной работы аппарата в загрузке наблюдалось всего наблюдалось всего 10-15% от общего количества таких палочек (после засева в течение 3-4 дней - при доминировании бактерий биопрепарата, их наблюдалось до 70-80%). В основном присутствовали коккообразные и длинные палочки. Поэтому, дальнейшие исследования проводились со спонтанной ассоциацией микроорганизмов.
В этом случае исходили из того, что в каждой среде есть микроорганизмы-аборигены, приспособившиеся к данным условиям. Это тем более ценно потому, что выделенной культуре клеток необходимо время, чтобы приспособиться к данному субстрату. В этом случае первые 5-6 суток про-цесс вели при низкой (0,05-0,1 м /м час) скорости пропускания воды через колонку. В течение такого времени микроорганизмы наращивались и закреплялись на носителе. Контроль за этим процессом велся как визуальный -наблюдения за образованием биопленки, так и микробиологический. Для этого по длине колонки отбирали пробы загрузки в следующих местах: внизу колонки (в гравии) -0,08 м, на границе песок-гравий (0,13 м), в середине слоя песка (-0,32 м) и на границе песок-вода (0,52 м). Затем пробу взвешивали и промывали водой в соотношении 1:5. Изменение количества микроорганизмов (относительное количество) по высоте колонки определяли микро-скопированием в проходящем свете на микроскопе МБИ-6 по количеству клеток микроорганизмов в поле зрения микроскопа (рис. 4). Из этого рисунка видно, что основное количество микроорганизмов находятся в гравии и на границе песок-гравий.
