Адсорбционные процессы при микробиологической очистке сточных вод, содержащих органические соединения и ионы ртути Манасбаева Алия Бариевна

Содержание к диссертации

Введение

Г'лава I . Роль экологической микробиологии в очистке сточнх вод 5-35

Активный ил и его реакцій на экстремальные воздействия 7-14

Микроорганизмы-деструкторы органических соединений в очистке промышленных сточных вод 15-20

Иммобилизация, клеток микроорганизмов 21-30

Биологическая ^мобилизация металлов 31-35

Г'лава IIОбьекты и методы исследований 36-51

Состав сточных вод ацетальдещцного производства 36-40

Микробиологические и химические методы исследований 40-46

Эксперименты, моделирующие процесс очистки 46-51

Результаты исследований

Глава III Экологическая характеристика микрофлоры їточной воды и активного ила очистных сооружений щетальдегидного производства 52-79

Физико-химические условия 52-55

Физиологические группы микроорганизмов на различных этапах очистки 55-68

Характеристика основных представителей микрофлоры активного ила, участвующих в очистке сточных вод 68-79

Глава IV Исследование путей интенсификации очистки стоков ацетальдегидного производства 80-158

Использование чистых культур микроорганизмов- деструкторов для окисления органических: соединений сточных вод 80-94

Искусственная флоккуляция чистых культур микроорганизмов 94-131

Влияние адсорбции ртути активным илом на его микрофлору и окислительную способностІЗІ-І46

Очистка стоков от ртути путём адсорбции на активном иле и искусственных биофлоках 146-158

159-167

Выводы 168 -169

Литература 170-193

Іриложение 194-197

• Активный ил и его реакцій на экстремальные воздействия
• Иммобилизация, клеток микроорганизмов
• Состав сточных вод ацетальдещцного производства
• Физико-химические условия

Введение к работе

Интенсивное развитие промышленности поставило леред обществом проблему защиты окружающей среды от последствий индустриализации. Бережное отношение к природным богатствам закреплено в ояде постановлений ЦК КПСС и Совета Министров СССР, Охрана и рациональное использование водных ресурсов в нашей стране возведены з ранг закона (Статья 18 Конституции СССР; Правила охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами, 1975).

Серьезную угрозу для водоемов представляют сточные воды пред-триятий органического синтеза. Биологическая очистка промышленных зтоков является наиболее дешевой и доступной. Все большее признание завоевывает микробиологический метод детоксикащш воды. Исполь-зование биохимических возможностей микроорганизмов, отбор наиболее :тойких, активных культур и создание условий, которые способствуют жислению токсических органических соединений, позволяют интенсифицировать процесс очистки сточных вод и практически устранить по-тдание вредных веществ в водоемы.

Карагандинский бассейн Казахстана является высокоразвитым промышленным районом. Только на территории г. Темиртау располага-зтся два крупнейших предприятия: Карагандинский металлургический юмбкнат и производственное объединение ^тгКарбид". П/о "Карбид" іа базе получения ацетальдегида осуществляет многотоннажный вы-іуск органических растворителей и синтетического каучука. Производство ацетальдегида по методу Кучерова обусловливает попадание з сточные воды ионов ртути» Присутствие тяжелого металла затруд-шет процесс биологической очистки, вследствие этого при залповых сбросах бассейн реки Буры загрязняется не только ионами металла» 10 и токсическими органическими соединениями сточных вод п/о 'Карбид".

Цель исследования» Цель исследования состояла в разработке микробиологических способов очистки промышленных СТОЧНЫХ вод от органических загрязнителей с использованием активных культур микроорганизмов-деструкторов, а также в удалении ионов ртути на основе адсорбции металла па активном иле и искусственных биофлоках.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Исследование микрофлоры сточных вод ацетальдегйдного производства.

2. Выделение и изучение высокоактивных штаммов микроорганизмов-деструкторов органических соединений, исследование их деструктивной активности.

3. Изучение искусственной флоккуляции активных культур микроорганизмов как способа иммобилизации клеток для интенсификации процессов очистки,

4, Определение влияния ионов ртути на биохимическую деятельность микроорганизмов активного ила,

5, Изучение возможности очистки сточных вод от ионов ртути путем адсорбции металла активным илом и искусственными биофлокали.

Результаты исследований позволяют прийти к заключению, что в экстремальных условиях очистных сооружений ацетальдегйдного производства, которые обусловлены высокой гетерогенностью состава зточной воды и залповыми сбросами токсических органических веществ д ионов ртути, реальной возможностью интенсификации процесса очистки промышленных стоков является использование чистых культур микроорганизмов, адаптированных к повышенным концентрациям органических компонентов сточной жидкости. Установлено, что основным фактором, снижающим эффективность биологической очистки, является адсорбция ионов ртути на хлопьях активного ила и на клетках микроорганизмов. Одним из элементов экологического подхода к вопросу оптимизации работы микрофлоры активного ила в очистных сооружениях может быть разработка технологии удаления ртути из стоков

- 5 -на ранних этапах очистки путам её адсорбции на активном иле, искусственно внесённом в первичный ОТСТОЙНИК.

Научная новизна* Выделены и описаны чистые культуры микроорганизмов, способные окислять виниловые эфиры гликолей# Методом адаптации получены высокоактивные штаммы Pseudoraonas aeruginosa Т 76 и Pseudomonas alcaligenes КК 81, разлагающие этанол, бута-нол, этилацетат, винилбутиловый эфир. Разработан способ иммобилизация чистых культур микроорганизмов с помощью дивинилетирольно-го латекса с целью получения искусственных: биофлоков, устойчивые в водной среде и активно окисляющих органические соединения. На способ очистки сточных вод искусственными биофлоками получено положительное решение Госколщзобретений ССОР, Доказано, что активный ил после термической обработки и искусственные биошлоки из латекса и агрегированные клеток микроорганизмов служат эффективными биосорбентами ртути.

Практическая ценность. Предложен способ очистки сточных вод, содержащих широкий спектр органических соединений, о помощью чистых: культур микроорганизмов, а также метод детоксикации стоков от ионов ртути искусственными биофлоками чистых культур микроорганизмов и активным илом. Технология очистки сточных вод от ртути путём внесения избыточного ила в первичный отстойник внедрена на очистных сооружениях ацетальдегдцного производства (г.Темиртау).

Г І А В A I. РОЛЬ ЭКОЖИЧЕСКОЙ МИКРОБИОЛОГИИ Б

ОЧИСТКЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД

Разработка новых микробиологических способов очистки воды от токсических компонентов невозможна без научно обоснованного подхо-іа к интенсификации процесса.

Первоначально закономерности микробиологической очистки вода 5ыли изучены на модели коммунальных стоков, содержащих органические вещества естественного происхождения. С развитием промышлен-юоти все более усложняется состав сточных вод, поэтому положения і подходы, сформулированные в микробиологии очистки хозяйственных стоков, требуют внесения коррективов при совершенствовании техно-югии обезвреживания отработанных вод промышленных предприятий. Экологический подход предусматривает принятие таких мер, которые ш обеслечили эффективное функционирование очистных сооружений на >снове предварительной детоксикации органических загрязнителей и удаления ионов тяжелых металлов на ранних этапах очистки.

Весьма перспективна селекция культур микроорганизмов специ-ільно адаптированных к определенным химическим веществам и способных к их трансформации в практике биологической очистки.

Управление системой: многокомпонентный промышленный сток -активные культуры микроорганизмов - требует всестороннего изуче-тя биоценозов очистных сооружений, а также основных токсических факторов, характерных для сточных вод предприятий химической промышленности, в частности тех, которые осуществляют на базе аце-[альдегидного производства синтез полимерных материалов и растворителей.

Промышленные стоки часто содержат ионы тяжелых металлов. Для удаления их до последнего времени использовались физико-химичес-ше методы: осаждение, адсорбция на ионообменных смолах и т.д. 3 микробиологии успешно развивается направление по биоаккумуляции

металлов на биомассе микроорганизмов, активном иле и других биологических субстратах.

Все эти вопросы в той или иной мере необходимо осветить в литературной части настоящей работы.

I. Активный ил и его реакция на экстремальные воздействия

Высокая биохимическая активность микроорганизмов и быстрота их размножения обеспечивают удаление органических загрязнений, что положено в основу работы сооружений биологической очистки сточных вод. Изучение процессов самоочищения водоемов от вредных примесей предшествовало исследованиям по очистке коммунальных и промышленных сточных вод с помощью микроорганизмов, которые окисляют органические соединения до промежуточных или конечных продуктов, В этом процессе формируется биомасса активного ила - основного технологического агента очистных сооружений.

Современные очистные сооружения промышленных предприятий -это искусственные открытые экологические системы. Их специфическим биоценозом, как было отмечено выше, является активный ил, состоящий из бактерий, грибов, простейших и водорослей. Ведущая роль в биологическом окислении загрязнений сточной жидкости принадлежит гетеротрофным микроорганизмам. Важной особенностью бактерий активного ила является их способность образовывать в сточной жидкости зооглейные скопления, или хлопья, представляющие собой желеобразные, .матрицы из внеклеточных полимеров эндогенного происхожде-шя с включениями клеток микроорганизмов и адсорбированными, растворенными и взвешенными веществами сточной жидкости. Именно это свойство позволяет отделять биомассу от очищенной вода.

В очистных сооружениях все внешние факторы вляяют на формирование и свойства активного ила. В течение долгого времени образование хлопьев приписывали особому виду бактерий Zoogloea ramigera , но при определенных условиях этой способностью

)бладают многие виды микроорганизмов ( Fridman et al* , 1969; lato et al. f І97ЇІ Kobayaishi , Suzuki , IB72;Met2, Koeeen , E977). По предположению І.И* Гюнтер (1980), при низком отношении количества субстрата к массе микроорганизмов уровень энергии не >беспечивает достаточного противодействия их взаимному притяжению* Зажную роль играет величина поверхностного заряда бактерий, которая определяется химическим составом бактериальных слизистых капнул ( Tenney, Terhoff , 1973; Л.И, Гюнтер, 1980). Однако встречаются работы, в которых доказывается» что заряд не изменяется три флоккулявди, а агрегирование клеток соответствует определенной азе их развития ( Pavony et al. , 1972)*

Одни исследователи связывают флоккуляцию микрофлоры сточных вод с накоплением внутри клеток полиоксибутирата и синтезом внеклеточного гелеобразного полимера ( Crabtree et al. , 1965; Parsons, Dugan , 1971), другие утверждают, что накопление поли-жсибутирата не играет большой роли в процессе хлопьеобразования Forster , 1971), Слизь активного ила состоит б основном из полисахаридов, поэтому в качестве дефлоккулирующего агента часто ис-юльзуют целлюлазу ( Kato et al., 1971; Krul , 1977в), и агрегирование клеток в зооглейные скопления объясняют образованием целлюлозных фибрилл ( Deinema, Zevenhuizen ,1971), Протеиновым компонентам слизи 25-40 %) отводится роль экзоферментов, ответ-:твенных за ситез углеводов ( Tenney, Verhoff , 1973; Rideau , Morfaux, 1976), Или транспортных белков, обеспечивающих связывание субстрата ( Takiguchi, 1968), Нуклеиновые кислоты, обнаруженное в зооглеях, считаются продуктами лизиса микробной массы(Н1зЫ-їотаДигіуата^Юбв). Между синтезом и деградацией экзополимеров активного ила существует равновесие, это доказывается выделением із слизи экзофермента, способного диспергировать хлопья ( Tago, _Lida , 1975)ф Благодаря этому ферменту, вероятно, появляется глю-

куройовая кислота, которая считается ответственной за изменение

ИОКОГеННЫХ И СеДИМеНТаЦИОННЫХ СВОЙСТВ КЛЄТОЧЖЖ ПОПЄрХІЮСТИ С Steiner et al.» 1976).

Качественный состав слизи, величина, структура хлопьев, зависящие от природы субстрата и множества физико-хпшческих факторов, влияют на активность микробных клеток. Наиболее полно этот вопрос изучен для бактерий Soogloea ramigera С Krul, 1977 а,в). Сравнение одиночных^клеток Z.ramigera , которые получали, добавляя в ростовую среду целлюлазу, с хлопьями этой культуры показало, что при большой скорости встряхивания (100-200 раз в минуту) рост биомассы одинаковый, а при меньшей скорости встряхивания (50 раз/мин) синтез белка и полноксибутирата происходил быстрее в культуре одиночных клеток. Диаметр хлопьев в этих условиях был в 5 раз больше. Повышение концентрации кислорода не увеличивало скорости роста. При содержании глюкозы в среде менее 20 мг/мл интенсивность дыхания была пиже у агрегированных клеток. Образование хлопьев б культуре наблюдалось после росуспепдпроваяия отдельных клеток в свежей среде- Добавление хлористого или фосфорнокислого натрия значительно стимулировало процесс при возрастании солей от 0,002 до С,02 М. Хлористый кальций и сернокислый натрий не способствовали флоккуляции. Агрегирование происходило при увеличении соотношения С :Ы , ко подавлялось метаболитами, появляющимися при росте на Ооіатой среде. Целлюлаза полностью диспергировала "молодые" хлопья, а толуол - частично. "Старые" хлопья устойчивы к действию целлюлазы и толуола. Так как целлюлаза частично диспергировала "старые" хлопья после длительной инкубации (43 часов), предполагается, что в "старых" хлопьях клетки связаны не только целлюлозными волокнами, но и волокнами другой природы.

Роль экзополимеров в формировании свойств активного ила изучена А.С, Дэлобовской с сотрудниками (1979)» Механизм хлопье-эбразования характеризуется следующими переходами; клеточно-дис-іерсное состояние *=* ко агу лящюнная структура первого рода^=*= компактное агрегирование =t=s ко агу лящюииая структура второго ро-ца. Коагуляционные структуры первого рода представляют собой микроагрегаты бактериальных клеток, которые разрушаются только после обработки активного ила 8Ы раствором мочевины. Предполагается, іто в организации этой структуры основную роль играют локализован-ше на поверхности клеточных стенок многих бактерий глобулярные зубъединицы белка сМ.в.от 20 до 150 тыс.е. Компактные агрегаты образуются за счет целлюлозных волокон, которые разрушаются при кислых значениях рН среды растворами комдлексообразующих соедине-ш!₉ При этом экстрагируются внеклеточные выделения, содеркашие Ю-70 % полисахаридов, и в агрегировании основная роль принадле-іит шдроксильным группам. Коагуляционная структура второго рода юуществляется при помощи высокополимерных соединений СЛОИНОГО зо отава, состоящих из комплекса ароматического ядра белковой ; 40-45 %) и полисахаридной природы (35 %)_щ Общее содержание экзо-юлимеров является функцией родового и видового состава микроорга-шзмов активного ила, характер организации коагулявдонной струк-:уры хлопьев определяется удельной нагрузкой растворенных и взве-іенньїх загрязнителей сточной жидкости, кислородным режимом и юнным составом. Поэтому делается вывод, что управление процессом :лопьеобразования возможно как на технологическом уровне, так и [утем изменения условий ионного равновесия при внесения добавок макроэлементов*

Изучение А.С. Долобовской (1979) влияния факторов внешней

)реды на формирование свойств активного ила показало, что условия, способствующие формированию зооглей, являются типичными для раз-

- II -

яичных категорий сточных вод и крайне редко встречаются в придонных слоях водоемов. По мнению этого автора, образование хлопьев является приспособительной реакцией бактерий на неблагоприятные условия Ейзнеобитания, связанные с наличием повышенной концентрации мембранотропнкх ингибиторов обмена веществ. А«С* Долобовская доказывает, что в стоках выживают только те виды, которые выдергивают резкие колебания в составе воды, что образование зооглей-ных скоплений и флоккулящя генетически детермированы, а присутствие ионов является фактором, который инициирует сверхсинтез внеклеточных биополимеров.

Исследования окислительных процессов б хлопьях ( Роговокая, 1967; Роговская, Лазарева, 1971; Макеева и др., 1980), влияния на шх концентрации ила (Скирдов и др., 1974; Кухен и др., 1977; ірхипченко, 1979 б), температуры (Ливке и др., 1981), биогенных цобавок (Бочкарев и др«, 1973; Ломова, Кочарова, 1977), концен-грации кислорода { Mitsoh , 1983) вносят вклад в разработку путей интенсификации процесса очистки.

Выявление основных групп микроорганизмов, осуществляющих процесс очистки сточных вод, позволило прийти к заключению, что главная роль принадлежит гетеротрофам, но экологические и физиологические типы определяются химическим составом стоков различных іредприятии и характером их обезвреживания. В зависимости от аэробного или анаэробного метода и величины биохимического показателя ( -j;|^QJTH|), который является критерием возможности биологической эчистки, доминируют различные виды микроорганизмов. В.Г. Поруцким (1975) выделены следующие экологические группы микрофлоры очист-шх сооружений: аэробы облпгатные, окситолерантные, факультатив-ше; галофилы облигатные и факультативные; мезофилы, термофилы еермотолерантные, эвритермные и стенотермные. Классификация физиологических групп дается этим автором в соответствии со спецификой

состава оточшх вод. Выделены следующие группы; окисляющие одно-углеродные соединения; окисляющие углеводороды, содержащие 2-4 атома углерода; окисляющие алифатические углеводороды ( 0,--0-^5 )t ароматические и жирные кислоты, амюнификаторы, денитрификаторы, штрификаторы, серобактерии, сулн?атредущірующие и образующие летан. В зависимости от условий аэрации, температуры, рН среды, содержания солей, окислительно-восстановительного потенциала, давления и других факторов основные и сопутствующие группы микроорганизмов меняются местами, что оказывает влияние на скорость биохимического окисления. Е.Н. Мишустиным (1947) на прішере почвенной микрофлоры показано, что такие соотношения имеют не абсолютно постоянный характер, и это является одним из условий существования злолшых микробных ценозов. Сопутствующие группы подготавливают іочву для существования основных групп, обеспечивают их дитатель-шми и ростовыми веществами, витаминами, утилизируют продукты метаболизма (Поруцкий, 1975).

Исследование экологических и физиологических групп рисует наиболее полную картину микробной деятельности и дает определенную информацию при выборе путей интенсификации процесса очистки СДмитриев, Кршкановский, 1970; Архипченко и др., 1979 )

Б микробиологии очистки воды зіююго-фязиологическое направ-чение играет значительную роль в повышении эффективности биологического метода детоксикации стоков. Главные задачи этого направления: определение основных видов микроорганизмов, участвующих в іроцессе очистки; создание оптимальных условий для их деятельности; изучение основ микробного разложения загрязнений - то есть вопросы, выявляющие взаимодействие между живыми и ленивыми частя-ли экосистемы. Причем очистные сооружения рассматриваются как іскусственная открытая экологическая система, в которой активный їл является техногенным биоценозом. Следовательно, управлять им

- ІЗ -

ложно не только косвенншли методами, изменяя технологические параметры, но и непосредственно, затрагивая тонкие механизмы физиологии и биохимии микроорганизмов. Развитие этого направления дает зозможность рационально и научно обоснованно регулировать активность микрофлоры и интенсифицировать процесс биологической очистки сточных вод. Исследования, обобщенные в работах П. И. Гвоздика, (1973, 1974) и Л.И. Гюнтер (1980) _t в монографиях М.Н. Ротмистрова с соавторами (1975, 1978) и С.С.Ставской (1981), а такке опубликованные за рубежом ( Cook , 1982), свидетельствуют о перспективности именно этого направления.

Особенность промышленных сточных вод заключается в том, что в шх содержится значительное количество токсических для микрофлоры активного ила веществ. Это приходится учитывать при разработке технологии микробиологической очистки таких стоков. На примере воздействия ионов тяжелых металлов, в частности ртути, на микро-шоценоз очистных сооружений представляется важным рассмотреть юпрос о реакции активного ила на экгремальные условия.

Ионы тяжелых металлов являются ингибиторами обменных дроцео-юв, поэтому жизнеспособность микроорганизмов активного ила резко снижается в их присутствии,

В специальных исследованиях, проведенных в США, по взаимодействию активного ила с хромом, медью, никелем и цинком» критерієм токсичности тяжелых металлов служили уровни БПК и ХПК, а акке интенсивность процесса нитрификации ( Ueufeld, Herman, 1975). !ри концентрации отдельных металлов до 10 мг/л происходило снижение ачества очистки на 5 % и почти полное ингибирование нитрификации*

При высоком содержании металлов в сточной воде скорость минерализации органических веществ уменьшается на 90, 50 и 20 % при оздействии Сц²⁺, Cr⁴⁺, Сг³⁺ соответственно (Lamb, Tollefson, 973). Токсичность иона меди зависит от степени адсорбции на

жомассе ила, поэтому снижается при внесении большей дозы ила.

Критический уровень токсичности меда составляет 170 мг/л, а шдмия - 180 мг/л ( Моееу, Huges, 1975). Воздействие кадмия на мікрофлору ила возрастает при значениях рН выше 7,2. Влияние цин-ш менее выражено, так как он легко выделяется в виде карбоната .щнка при рН нщсе 6. Подавление ферментативных процессов в иле келезом происходит только при концентрациях» на порядок превышаю-цих критические уровни токсичности для меди и кадмия.

Потребление кислорода и прирост биомассы изменяются у микро-организмов активного ила при концентрациях ртути 5 мг/л и выше (Ghosh, Zugger , 1973), Дыхательная активность при дозе 5 мг/л іерез 30 минут инкубации снижается до 35 % от контроля, а при арукратном увеличении дозы-до 16 % Нарастание веса ила в первом случае происходит почти в 3 раза медленнее, чем в контроле, а во втором в 6 раз. Через определенные промежутки времени, зависящие )т концентрации ртути, потребление кислорода и прирост биомассы частично восстанавливаются. Степень восстановления также находится в прямой зависимости от количества металла в среде»

Исследования ингибируюдего действия хлорида ртути на активный ал с помощью меченного С¹⁴ свидетельствует о восстановлении его їйзвеспособности через 24 часа, что объясняется частичной потерей ртути из системы, а также появлением устойчивости к металлу у ликроорганизмов (Caplsm et al. _f 1981)«

В наибольшей степени подавление жизнедеятельности микрофлоры активного ила в присутствии тяжелых металлов определяется концентрацией иона тянелого металла в сточной воде и особенностями его ззашлодействия с живой клеткой. Токсический эффект зависит кроме этого от количества биомассы в аэротенке и общего объема стока, )травление биофлока происходи о? после поглощения его поверхностью 'Юпоз металла.

~ 15 -

2. Микроорганизмы-дестиукторы органических

соединений в очистке промышленных сточных вод*

Биохимическим метод очистки сточных вод с использованием активного ила в качестве главного технологическаго агента оправдал себя при обезвреживании хозяйственно"бытовых стоков, имеющих относительно стабильный состав. Промышленные сточные воды отличаются шогокомпонентностью* Б них большое количество трудноокисляемых соединений, поэтому сложившаяся в течение долгих лет технология не соответствует требованиям современного производства. К недостаткам этого способа относится неполнота очистки воды с большими величинами ІЩ, чувствительность микроорганизмов к токсическим веществам, малая эффективность разложения трудноокисляемых органических соединений, наличие остаточных концентраций загрязняющих веществ даже при полной биохимической очистке (Беличенко, Карпухин, 1980). Это говорит о том, что производительность предприятий биологической детоксикации воды недостаточно высока.

В связи с необходимостью разработки эффективной технологии эчистки промышленных сточных вод внимание исследователей все больше привлекают поиски возможности использования чистых культур микроорганизмов, способных трансформировать трудноразлатаемые органические соединения, порой спещіжческие для каждого отдельного производства.

Преимущества микробиологических методов очистки промышленных

эточных вод следующие: высокая производительность и стабильность;

универсальность процесса, заключающаяся в окислении большого

спектра загрязнений; отсутствие дефицитных материалов и реагентов,

необходимых для проведения процесса; возможность кооперащш этого

метода с другими и создания на этой основе комбинированных схем

глубокой очистки промышленных стоков; рентабельность процесса, обусловленная утилизацией избыточной биомассы в качестве ценного

бєлково-кормового продукта или других препаратов ( Никифоров,

1979).

Наиболее важным моментом экалого-физиологического направления в очистке промышленных сточных зод является изучение чистых культур микроорганизмов, поскольку одним из возможных приемов, позволяющих повысить качество биохимического разложения органических загрязнителей, яеляєтся "микробный метод". Суть его заключается в том, что селекционными методами получают микроорганизмы, адаптированные к высоким (на несколько порядков выше средних) концентрациям токсических и трудноокисляемых веществ. При использовании этих организмов процесс очистки протекает с большой эффективностью.

Литературные данные свидетельствуют о значительных достижениях этого метода. Обзоры научных исследований по получению чистых культур микроорганизмов-деструкторов представлены в монографиях 'Л.М. Ротмистрова с соавторами (1978) и С,С» Ставской (1981), но пе все полученные активные штаммы используются в промышленных масштабах. Это связано с трудностями их культивирования и удержания в хшдкой фазе в очкстных сооружениях. В этом плане представляет интерес история внедрения микробиологичеакого метода очистки :токов от фенолов, цианидов и роданидов. Впервые "микробный" :пособ трансформации этих соединений с помощью комплекса бактерий 5ыл предложен Н.Т. Путилиной (1952 , Путилина и др., 1964). В течение почти 20 лет активные штаммы довольно успешно использовались *а очистных сооружениях коксохимических производств в аэротенках, ^де до этого очистка проводилась активным илом спонтанной микрофлоры. На некоторых коксохимических предприятиях были построены юные сооружения двухступенчатой очистки: сначала от фенолов, а затем от цианидов и роданидов. Комплексы чистых культур для как-іой ступени предполагалось выращивать, начиная с лабораторных

-17"

условий, до объема аэротенков. Б конце 70-х годов эти сооружения 5ыли введены в действие, то есть "микробный" метод был осуществлен в идеальных условиях и дал блестящие результаты.

Как пример использования чистых культур микроорганизмов в эчистке воды с полной научной разработкой всех этапов "микробного" метода южно рассматривать работу М.М.Ротмиетрова с соавторши (1977) по бактериальному разложению гексаметилендиамина и работу З.С.Ставской (1981) по внедрению микробиологического способа деструкции АПАВ на Киевском заводе Укрбытхим*

Б Европе и США для очистки сточных вод нефтеперерабатывающих заводов применяют два бактериальных препаратаїИіеїіоЬаси Petrobac ( WBE, L-ta * Дублин), полученных путем адаптации природных штаммов, Зни содержат смешанные культуры углеводородокислящих бактерий, превосходящие по активности природные популяции и сохраняющие свои свойства в различных условиях среды ( Cook ,1982)»

Эффективность микробиологического метода связана с устранением при его использовании недостатков биохимического способа ааистки, основанной на деятельности спонтанной микрофлоры активного ила, Достоинство чистых культур специфических деструкторов зще и в том, что они могут быть использованы в иммобилизованном эиде на адсорбентах и биофильтрах для предотвращения отравления активного ила при залповых сбросах и при введении в строй новых технологических схем, когда состав сточных вод резко меняется.

Литературные данные позволяют выделить несколько этапов осу-цествления микробиологического метода очистки отработанных вод тромышленных предприятий: I) выделение активных штаммов микроорганизмов -де с тру к то ров; 2) усиление специфической активности путем адаптация к повышенным концентрациям загрязнителей; 3) проверка жислительной способности микроорганизмов по отношению к специфи-іескому веществу-загрязнителю; 4) проверка устойчивости или воз-

можности трансформации других компонентов сточных вод; 5) разработка технологии применения шташэ в -деструкторов в очистных сооружениях; 6) устранение факторов, ингибирующях процесс биологической очистки.

Первый этап связан с определением таксономического положения микроорганизмов» выделенных из очистных сооружений. Изучение активных илов предприятии органического синтеза свидетельствует о многообразии микрофлоры различных биоценозов, о зависимости микробного состава от нагрузки загрязнителей по БПК₅, качественных характеристик соединений стоков и способов выделения отдельных представителей ( Lighthart , Oglesby » 1969; Linghthart , boew , 1972; Grabinska-boniewska , 1974; Поруцкий, 1975), Поэтому особое значение имеют работы по установлению корреляции между химическим строением ряда соединений и микробными таксонами, способными к их разложению (Скрябин и др., IS69; Ротмистров и др„, 1975; 1978). ie менее важным является разработка оригинальных методов выделения высокоактивных культур микроорганизмов (Голозлева и др., 1977; {ривец и др.» 1980; Сгавская, 1981).

Второй этап отражает необходимость насыщения систем микробиологической очистки воды микроорганизмами, разлагающими самые трудноокисляемые соединения, что достигается методами селекции и генетики. Адаптация к токсикантам не исключает отбора штаммов с вмененными в результате воздействия мутагенов свойствами, а таксе приемов ферментативной индукции ( Ротмистров, 1974), Др недав-іего времени наиббее доступным методом управления составом подушили считалось селективное действие среды, с которой легче оперировать, чем с наследственностью* Этот способ адаптации и сейчас іироко применяется, но наряду с ним используется химический мута-'енез (Раппопорт, Васильева» I960) и реконструкция культур с по-;ощью генной инженерии ( Itfakahara et al. , 1979; Головлева, 1983),

Третий этап включает все физико-химические и биохимические методы определения окислительной способности высокоактивных штаммов-деструкторов, а также способы оценки загрязненной и очищенной воды, принятые в практике исследований по детоксикации стоков. При промышленных испытаниях чистых культур микроорганизмов особый интерес представляют такие методы, как газохроматографический и радиоуглеродный ( ^с ) * позволяющие проводить балансовые расчеты 5иотрансформации органических веществ-загрязнителей сточных вод ( Жарова, Чернятинская, 1980; Максимов, 1983), Однако общепринятый в очистке стоков контроль по Х1ТК не теряет своей силы, поскольку количество органического углерода в сточной воде коррелирует с величинами ее бихроматной окисляемости ( Христианова и др., 1980), Ваянои информацией для исследователей является ферметативный контроль за уреазной, протеолитической ( Архипченко, Мишуков,1975; 1976; Архипченко, 1979 б) и особенно дегидрогеназной активностью ( Wellene, Zahn , 1971" Гюнтер, 1972; Teuber, Brodisch ,1977; ІЇахина я др., 1983; Mitsch , 1983). Б качестве критерия оценки кизнеспособности биомассы используется концентрация ДШ микроорганизмов ила ( Шифрин и др., 1980)_в Степень разрушения клеток, определяемая по содержанию белка в супернатанте и осадке, является юказателем биохимической очистки ( Цинберг и др., 1981), Пока эти методы применяются в основном для характеристики биохимических процессов в активном иле, а для чистых культур используются только в лабораторных условиях»

Четвертый этап важен в связи с многокомпонеитностью.состава сточных вод. Исследованиями Ц_#И. Роговской с соавторами (1975) и \Я. Калмыковой с соавторами (1980) показано, что адаптированные с определенному соединению микроорганизмы способны использовать >ез адаптации (при близких путях метаболизма) или после некоторого іериода адаптации различные другие вещества в качестве единствен-

4ого источника углерода. При высокой гетерогенности стоков целесообразно применять комплексы чистых культур ( Макаров"и др., Г974; Фудзи, Осими, 1976).

Пятый этап .является наиболее трудным в использовании селек-1ШОнированной микрофлоры в очистке воды. Именно он тормозит повсеместное внедрение "микробного" метода* Микробиологическая очистка гребует изменения технологии отделения от воды микробной массы, потому что биомасса не оседает подобно активному илу, и ее надо адсорбировать на носителях различной природы с последующей коагуляцией ( Ротмистров и др., 1978) или применять электроудерживание (Гвоздяк и др., 1974; 1977; 1981),

Шестой этап необходим для эффективной деятельности высокоактивных культур, защиты их от гибельного воздействия отдельных гоксикантов. Для микроорганизмов могут быть созданы специальные условия в установках локальной очистки вода, но еозмокеш оригинальные решения защиты микроорганизмов от внешних воздействий, В этом їлане интересен способ очистки сточных вод от тяжелых металлов с юмощью сульфатреду^цирующих бактерий, помещенных в полупроницае-лую оболочку ( Идялетдинов, Глазунов, IS3I). Микрофлора продундру-вт сероводород, диффундирующий через целлофановую мембрану, в результате чего сульфиды тяжелых металлов легко выделяются из иточной жидкости. В свою очередь бактерии в оболочке защищены от действия токсических компонентов стока. Интенсивно разрабатываются способы иммобилизации клеток микроорганизмов на адсорбентах z целью удержания их в системе в активном состоянии и предохра-іения от вымывания из аэротенка.

Таким образом, анализ литературных данных свидетельствует о сом, что на каждом этапе осуществления "микробного" метода воз-локны рациональные, научно обоснованные решения, и, следовательно, имеются все условия для интенсификации процесса очистки воды шкробиологическим способом.

3. Иммобилизация клеток .микроорганизмов. Важнейшим этапом в разработке технологии очистки сточных вод лдкробным" методом является поиск и реализация способа физически фиксации клеток, при котором .птаммы-деструкторы будут окислять рганическпе соединения. Нельзя вести продесс очистки дисперсными метками, так как они вымываются током жидкости* Активность отдель-±У- микроорганизмов выше, чем у хлопьев ила, но оыи практически не зедают на дно вторичного отстойника, и весь прирост биомассы ухо-/it с очищенной водой, в результате чого возникает новое загрязнено стоков и падение скорости процесса, так как в системе без ре-дркуляцип невозможно создать высокую концентрацию биомассы ( Ва-'ШШ, Васильев, 1978).

Эффективным решением сохранения селекционированных: штаммов в зловиях промышленных очистных сооружений является иммобилизация якробных клеток ( Долобовская, 1978).

В настоящее время существует две ішассификации методов шю-ализацш клеток ( Klein , Wagner , 1978; Воншвилло, Камерницкий, Э78 ), объединяющих свыше 50 возможные вариантов ( Komel , І982). оч^истке сточных: вод обычно используют только физический метод, дк как химический z механические-довольно дороги ( но классификации Войшвилло, Камерницкого, 1978). Физический метод иммобнли-ацпи основан на способности клеток слипаться друг о другом или ^сорбироваться на подходяцих развитых поверхностях, Взаимодейст-де микроорганизмов с различными поверхностями хорошо изучено Звягинцев, 1973) и повсеместно встречается в природе.

В экстремальных условиях очистных сооружений закреплённое эотояпге способствует сохранению жизнеспособности клеток. Изолированные индивидуальные клетки более требовательны к питанию, к реде, чем плотная популяция в целом С Перт, 1978). Эксперимен-

сально доказано,что в среде»лимитированной по источникам углерода и азота»псевдомонады на стекле размножаются вдвое быстрее, чем з незакрепленном состоянии (Ellwood et al. , 1982)_Ф

Для адсорбции микроорганизмов используют самые различные ода-сериалы: силикатель С Hafez-Zedan» Plourde , I97I)_f целлофан, іоролон, полиэтилен, капрон, фторопласт, керамические бусы ( Кол-такчи и др., 1976; Колпакчи, 1978), целлюлозу ( Аринбасарова, {ощеенко, 1978).

В очистке сточных вод адсорбция издавна применяется для создания биопленки в биофильтрах с крупнозернистой загрузкой из ин^-ерт-іого и устойчивого материала. Оригинальным решением удаления из раствора легколетучих примесей является изобретение аэротенка-аэрофильтра, где микроорганизмы, адсорбированные на плотно уложенной пористой загрузке, играют роль фильтра над аэрируемой средой, з которой идет биологическое окисление летучего вещества ( Гвоз-щк и др., 1973). Кроме этого, в очистке сточных вод хорошие результаты получены при иммобилизации клеток на активированном угле, створках мидии, морском песке, глине и древесных стружках С Туль-айнская и др., I983;cj_aid et al-, 1982; Мынбаева, 1982). Особый интерес представляет создание биологической плавающей загрузки, юторал представляет собой нечто среднее между биофильтром и активном илом. Адсорбция микроорганизмов происходит на взвешенных песчаных частицах. Эта система позволяет поднять концентрацию био-лаооы до 40 г/л по сухому весу, что приводит к высокой скорости жисления, хотя удельная скорость реакцій на единицу веса биомассы остается такой же, как при очистке активным илом ( Cooper , [981).

В основе физического метода иммобилизации клеток лекат адгезионные силы, вызывающие сближение частиц. Если при адсорбции адгезионные силы действуют между микроорганизмами и твердыми

поверхностями, то при йлоккуляции они действуют между клетками, преобладая над электростатическим отталкиванием. Вызваны эти силы могут быть различными физическими факторами и химическими соединениями* Б последнем случае стирается грань меаду понятиями йлоккуляция и адсорбция, так как сначала флоккулирующий агент сорбируется клетками, а затем происходит их слипание* Искусственные агрегаты подобны хлопьям активного ила, они легко отделяются ст сточной жидкости, отсутствие твердого носителя предотвращает засорение вторичных отстойников. В то же время при шлоккулнции сохраняется основное преимущество иммобилизации ~ возможность мно-гокртиого использования селекционированной микрофлоры. Агрегирование чистых культур - деструкторов позволяет проводить процесс обезвреживания воды в аэротенках без создания специальных устано-вок локальной очистки*

Б основе искусственной флоккулящи микроорганизмов лежит представление о микробных клетках в водной среде как о коллоидных частицах* Наличие на поверхности микробов ионогенных групп в ассоциированном состоянии обусловливает существование двойного электрического слоя и электрокинетического потенциала (Гузев, Звягинцев, 1973; Ротмистров и др., 1978; Цвид и др., 1981; Твоздяк и др., 1981), что обеспечивает агрегативную и кинетическую устойчивость суспензии. Под агрегативном устойчивостью подразумевается свойство частиц противодействовать слипанию, а под шнетической - удерживаться во взвешенном состоянии. С другой стороны, суспензии являются высокочувствительными системами, 5ыстро реагирующими на изменение в составе дисперсной фазы. Агломерация суспензий, представляющая по сути регулируемую коагуляцию, лояеет быть вызвана добавлением небольших количеств солей, колло-1дных растворов и некоторых других веществ.

Способы флоккуляции микроорганизмов для осуществления промыш-

ленных ферментации отличаются от способов обработки стоков коагулянтами с целью удаления микробной массы ( Шиндала, Бонд, 1933), гак как в первом случае необходимо сохранигь активность микробных клеток. Однако.иногда предлагаемые способы позволяют рассматривать искусственное агрегирование как модель для изучения авто-локкуляции. С этой точки зрения интересен способ шлоккулящш цисперсных клеток, присутствующих в сточных водах винодельческих заводов, активным илом в качестве флоккулирующего агента (Вогіев et al._f 1978). С помощью микроскопических исследований экспериментально доказано, что для агрегирования необходим большой отрезок времени. Через 36 часов перемешивания ила и суспензии в соотношении 1:17 хлопья только начинают образовываться. Хорошие био-локи появляются через 60 часов.

При совместном действии малых количеств солей многовалентных металлов (железо, алюминий и др.) и электрического тока наблюдается интенсивное агрегирование клеток. Микроскопическими исследованиями установлено, что при этом нарушается структура клеточной юверхности (Журавлева, 1973).

При йлоккуляции клубеньковых бактерий 20 %-пим раствором юлиакриламида в сочетании с 20 %-&ш раствором хлористого кальция і 2- 20 дг-ным раствором фосфорнокислого натрия живые клетки составляют 45-52 % в уплотненном осадке, а при коагуляции алшокалие-зыми квасцами (концентрация X г/л) происходит гибель микроорганизмов (Самсонова, 1965).

изучено концентрирование биомассы клубеньковых бактерий в жидких культурах с помощью хлорного железа, препарата ВА-2 (поли-4-винил -її- бензилтриметиламмоний хлорида) и рыбьего клея, который пря-леняется в виноделии для очистки вина от примесей органической ірирода. Хлорное железо оказалось токсичным для клубеньковых Зактерий, а рыбий клей не осаждал клетки. Полйэлектролит ВА-2

з виде 0,4 5S раствора оказался эффективным для концентрирования
5иомассы в культурах с высокой вязкостью. Было установлено, что
з концентрации 0,1 % БА-2 не оказывает токсического действия на
sлетки клубеньковых бактерий ( Соломатина и др., 1975). Разрабо
тан метод осаждения мицелия пенициллиума ацетатом калия в коли
честве 0,3-0,6 %. (Румянцев, Ежов, 1965). Для концентрирования
дрожжевых и бактериальных клеток можно применять силикат кальпия
(Хотянович и др., 1968)- В промышленных ферментациях флоккулявдя
микроорганизмов осуществляется с помощью анионных и катионных
полиэлектролитов ( Tenney , Verhoff , 1973), а также метал-

лических окислов, гидроксидов, сульфатов, фосфатов магния, кальция, бария, марганца (Vishnoi , 1980) и мела ( Глоба и др,,1981). Клетки агрегируют под действием глутаральдегида и люлуолдиизоциа-ната. При этом сохраняется всего 34 % активности ( Chibata et al.» 1974). Аспергили флоккулируются глутаральдегидом и альбуминатом, и активность почти не изменяется ( Hirano et al. , 1977). Для некоторых бактерий установлены критические концентрации металлов, при которых клетки образуют агломераты (Eriksson, Axberg ,1981).

Исследование флоккуляции бактерий гидрофильными коллоидами показало, что изменение рН от 4 до 8 не влияет на процесс агрега-ции, способность коллоидов вызывать хлопъеобразование снижается в присутствии сахарозы, для ускорения флоккуляции необходимы малые количества электролитов» Слипание клеток происходит в результате образования коллоидными частицами мостиков, соединение осуществляется благодаря образованию водородной связи между функциональными группами клеточных полимеров и гидроксильными группами коллоидов ( Hodge, Metcalfe ,1958). Проводится аналогия между химической флоккулящей полимерных синтетических коллоидов и слипанием микробных клеток ( Tenney, Verhoff , 1973).

В биологической очистке флоккулирующие агенты используются только для повышения плотности активного ила с целью увеличения нагрузки на аэротенки { Беличенко, Карпухин, 1980) или для улучшения седиментавдонных свойств ила ( Foster , 1971; Горемыкина, Парадин, 1979), но не изучены способы искусственной флоккуляции чистых культур микроорганизмов, тогда как это может повысить эф-йективность использования специфических деструкторов в детоксика-ции сточных вод*

Анализ литературных данных позволяет заметить, что исследователей, как правило, интересует природа естественного агрегирования, в частности образование зооглейных скоплений, или конечный результат при искусственной флоккуляции при помощи различных химических соединений. Причины устойчивости суспензий микроорганизмов или коагуляции их под внешним воздействием ча:це всего остаются без внимания, В осноеє же этих причин лежат термодинамические закономерности и адсорбционные процессы.

Исследованиями В,В*Яминокого о соавторами (1982) доказано, что силы отталкивания гидрофильных частиц в воде обусловлены термодинамической невыгодностью вытеснения прослойки воды меяду гидрофильными поверхностями для приведения их в непосредственный контакт, поскольку это требует затраты энергии на разрыв водородных связей.

Мембранные системы клетки и биомакромолекулы укрепляют в своем окружении решеточно-упорядоченную структуру каркаса воды благодаря специфическому взаимодействию с гидрофильными и гидрофобными молекулярными зонагли. У нежизнеспособных клеток распределение воды а растворенных в ней веществ подчиняется законам пассивного пере-йоса, а в живых системах - имеет направленный характер (Бизунок и пр., 1979). При введении молекул неэлектролитов происходит структурирование воды, которое экспериментально обнаруживается по сдвигу инфракрасных полос поглощения воды и обусловлено влиянием

іеполярньк групп молекул неэлектролитов* Упорядочивающая способ-юсть увеличивается с ростом размера и разветвленности неполярной іасти молекул ( Жуковский, Деньгина, 1973).

Сахара в водном растворе повышают прочность каркаса воды, так сак занимают полости и затрудаяют тепловое движение молекул* Методам рентгенографии было установлено, что при этом образуются мно-?огранники различных размеров и форм, в которых заключены молекулы растворенного вещества ( Пушкарь и дір., 1977). При добавлении высокомолекулярных соединений даже в очень небольших концентрациях зуспензии приобретают в отношений устойчивости свойства, присущие эасгворам этих веществ. Это объ_ясняется отличием связанной воды )т свободной по ряду физико-химических характеристик: большая плот-юсть, пониженная температура замерзания и др. ( Григоровичи др., [964). ^пример, плотность связанной воды крахмала достигает 1,28--2,45 г/см³. Согласно современным данным, вокруг аполярных радикалов полисахаридов, белков и нуклеиновых кислот создаются высоко-структурные области. Методом ЕЫР и даэлектрических измерений было /становлено» что при растворении в воде биомакромолекул их поверх-юсть способна структурировать воду на расстоянии до нескольких шкрон. Чем идеальней конфигурация макромолекулы вписывается в ажурную решетку льда, тем выше упорядопивающая способность поверх-іости ( Пушкарь и др., 1977).

3 ориентации и прочности связей молекул воды с биополимерами больную роль играют электрические дотенщалы поверхности биомолекулы, которые зависят от дипольного момента адсорбированных молекул и характера их ориентации в поверхностном слое. Дипольний момент зоды составляет 6,138'Ю""³⁰ кл.м, Дипольные моменты белков превышают его на 2-2,5 порядка. Диполъные моменты бактерий в 2,5 -- 3 млн. раз больше дапольного момента воды ( Толстой и др.,1968).

Гамм образом» гвдратная "шуба" микробных клеток обеспечивает аг-регатизную и кинетическую устойчивость суспензии, поскольку имен-io ионогенные группы в диссоциированном состоянии обусловливают существование двойного электрического слоя. В присутствии растворимых органических соединений флоккуляция микробных клеток не троисходит из-за образования на поверхности частиц адсорбционной гелеобразной оболочки, обладающей высокой механической прочностью. Структурная вязкость такого адсорбционного слоя превышает вязкость цисперсиоппой среды и в пределе обладает свойствами твердого тела ( Ребиндер, IS33).

Наличие на поверхности клеток микроорганизмов функщюнальных групп в днесоидированном состоянии позволяет рассматривать их как аналоги полиэлектролитов» способных к обмену ионов. Адсорбционная способность различных ионов неодинакова: чем больше заряд иона и іем меньше его гидродинамический радиус, тем больше вероятность перехода из свободного раствора и диффузного слоя в адсорбционный злой и вытеснения им одноименно заряженного иона. По адсорбционной способности ионы образуют тот ке ряд, который характерен для коагулирующей способности, а именно - для катионов: А1^-Ва ? За²⁺> Mg²⁺> K^Na^VLi* ( ГригороЕ и др. 1964), Равнозначность юнных рядов объясняется тем, что в основе коагуляционных явлений лежат силы адсорбции, при которых ионы переходят из диффузного слоя в плотный и, ^- потенциал, следовательно, уменьшается.

Многовалентные катионы (Al³⁺ , Fe³⁺ ) обладают способностью

у ю только меньшать 5 - потенциал и тем вызывать коагуляцию, но

логут изменять знак заряда на противоположный из^за способности

адсорбироваться в сверхэквивалентном количестве, чем этого требу-

зтоя для нейтрализации заряда коллоида. Флоккулирующее действие зерноккслого алюминия на отрицательно заряженные клетки и глобулы іатекса связано с тем, что аквакомплексы иона алюминия являются

- 29.-

юлокитэльно заряженными вследствие образования, прочных дояорно-акцепторных связей мезду ионами гддроксония H₃o~, н_до₄ и ai Гаі(н₂0)₆]³⁺ и [аі(Н₂о)₁₂]³⁺ - Аквакомшгексы могут переходить з гидрокомплексы с отщеплением протонов от координированных молекул воды

[аі(н₂о)₆]³⁺ ±= [акн₂о)₅он]²⁺ + н⁺

но они также являются положительно заряженными (Кульсішй, 1968). 4дсорбідоі аквакомшгексов на поверхности микробных клеток приводит я сжатию двойного электрического слоя и уменьшению электрокинети-аеского потенциала, что способствует потере агрегативной устойчивости. Гидратная оболочка клеток не служит препятствием для ионов электролита, потому что при введении ионов в объём раствора работа не затрачивается; происходит даже уменьшение свободной энергии за счёт кулояовских сил при взаимодействии ионов. Конная связь термодинамически более выгодна» чем водородная.

Перемешивание среды является необходимым моментом процесса локкулящш. Коли агрегативная устойчивость гидрофильных коллонд-їо-дисперсиьЕХ сгнетем объясняется термодинамической невыгодностью разрушения водородных связей, то седиментацию иная устойчивость таких систем обусловлена интенсивным тепловым (броуновским) движением. В лиофяльяых дисперсных системах тенденция к агрегированию практически отсутствует или настолько мала, что она преодолевается тепловым движением частиц ( Яминский и др., 1982) Однако -ысокодисперсные коллоидные системы обладают значительной свободной поверхностной энергией вследствие большой поверхности,

то р

10 частиц с диаметром 1'мкм дают поверхность, равную 6 м » а 10 частиц с диаметром 100 нм дают поверхность 60 м^ ( Кн-реев, 1956). С термодинамической точки зрения, агрегативная неустойчивость дисперсных систем определяется избыточной поверх-

- зо -

востноії энергией на границе частица-среда. При введении в суспензию микроорганизмов флоккулирующих агентов турбулентное перемешивание жидкости играет решающую роль, потому что за счет более быстрого по сравнению с броуновский движением перемешивания клеток в турбулентном потоке увеличивается частота столкновений микроорганизмов и латексных частиц. Перемешивание ускоряет процесс хлопьеобразования, способствует уменьшению в растворе концентрации дисперсных клеток ( Вавилин, Васильев, 1979)*

Теоретически разработанные модели для описания фактов устой-чивости и коагуляции смесей частиц разного происхождения практически не примнимы к реальным системам. Если же составными их частями являются живые клеточные организмы и вопрос состоит в том, чтобы жизнедеятельность микроорганизмов не была затронута, использова-Еше количественных теорий часто бывает бесполезным. Поэтому для эценки состояния многокомпонентных коллоидных суспензий исследователи часто ограничиваются простыми показателями,

Б современной литературе (Бейцер, Минц, 1975) процесс флок-^.уляции характеризуется флоккулирующей способностью, которая складывается из трех показателей: I) скорость осветления суспензии ;см/мин); 2) количество осветленной лшдкости при фильтровании за їас; 3) время фильтрации (мин).

Эти параметры удобны для сравнения флоккулирующих агентов, їаиболее важным показателем, именно при биофлоккуляции, когда необходимо сохранить высокую окислительную способность микробных ;леток, является иловый индекс* Его величина характеризует и се-#шентационные свойства, и структуру хлопьев.

Изучение природы факторов, влияющих на устойчивость микробных суспензий, играет важную роль в разработке способов коыцентри-ювания биомассы.

- ЗІ -

4. Биологическая имдабилизация металлов.

Формирование активного ила в сооружениях биологической очистки определяют адсорбционные процессы. Мелкодисперсные взвеси являются центрами коагуляции для коллоидных систем. Дальнейшее разрастание хлопьев происходит за счет закрепления на их поверхности новых клеток микроорганизмов и водорослей. Специфические условия вызывают синтез внеклеточных полимеров- нерастворимых или слаборастворимых фибрилл с многочиоленными функциональными группами, которые удерживают клетки во флоке. Одновременно протекает адсорбция минеральных частиц и ионов металлов.

При значительных концентрациях высокое сродство ионов тяжелых металлов к поверхности микробных клеток обусловливает ингиби-рование окислительной деятельности микроорганизмов активного ила, Эдним из способов предотвращения этого токсического действия мо-кет быть использование именно адсорбционной активности зооглейных скоплений по отношению к ионам тяжелых металлов, С помощью высуженного ила за 7 часов контакта из сточной воды удается извлечь 34 % двухвалентной меди { Lamb , Tollefson , 1973),

По-разному происходит взаимодействие клеточных поверхностей з ионами различных металлов. Многие авторы ( Голубович и др.,

1976; Tornabene , Edwards _t 1972; Murray» Kidby , 1975) наблюдали поглощение тяжелых металлов микроорганизмами Candida utilis, Micrococcus luteus, Azotobacter_f Sacharorayces cereviQLa.

За 2-5 минут происходит связывание ионов серебра клетками с.utilis*

їивая и убитая культуры одинаково включают Ag⁺ , что указывает іа физико-химическую природу процесса. Адсорбционный характер юглощения ионов серебра клетками подтверждается независимостью іроцесса от температуры. Однако при связывании культурой С.utilis

Дя насыщение достигается через 2 часа, зависит от температуры і по ряду признаков напоминает активный транспорт ионов ( Ховры-1ЄВ, 1973). Включение Со²⁺ в клетки ITeurospora сгазза в перше 20 минут контакта не зависит от температуры, далее ее повыше-ше от 10 до 50С вызывает резкое возрастание количества кобальта з мицелии ( ' Venkatesv/erlu, Siverama , 1970). С возрастанием содержания Со²⁺ в среде происходит увеличение сорбционной емкости ;о определенного уровня насыщения ( 0,2 г/100 г сухого вещества), звыше которого поглотительная активность не меняется.

Опыты с такими метаболическими ядами, как азид натрия, фторид ;алия и 2,4-динитрофенол, которые при концентрациях 0,1-ImM напо-ювину уменьшали включения кобальта в мицелий N*crassa , доказы-іает, что взаимодействие Cb ⁺ с этой культурой является облегчен-юй диффузией, при которой содержание поглощенного вещества в среде 1,5-2 раза ниже, чем б клетке, в отличие от активного транспор-*а, когда градиент концентрации выше на 2-3 порядаа ( V"enk_ates-rerlu, Siverama » 1970).

Убитые клетки Sphaerotilie sp. накапливали медь гораздо в іеньшей степени, чем живые, и при увеличении содержания в среде .х поглотительная способность возрастала незначительно, что свидетельствует об активном характере переноса ионов и значении жизне-пособных клеток при адсорбции металлов в этом случае (Sidoro-wics et al. , 1979).

Проникновение ионов ртути в клетки штамма Enter% металла. Добавление в среду дрожжевого экстракта приводит к езкому снижению скорости поглощения, так как происходит комплекс ообразование ртути с органическим веществом (Hamdy, Uoyes , 975),

Бурые водоросли Ascophyllum nodosum были использованы как

шдикаторные организмы при исследовании загрязнения вод норвежских фьордов ионами тяжелых металлов ( Hong et al* , 1975). В мес-rax сброса стоков металлургического комбината водоросли содержали з своих клетках в 20-40 раз больше меди, цинка и кадмия, чем в жружающей их водной среде. Для ртути эта разница достигала 100 раз, Диатомея Synedra ulna способна поглощать ртуть в концентрациях, превышающих количество металла в воде в 14-61 тысяч раз. извлечение ртути из раствора культурой Sclenastrym caprioornatum іредставляетея как пассивный процесс (Leland et al- , 1974),

Адсорбпдя металлов активным илом обусловлена структурой хлопь-эв, в которой многочисленные функциональные группы способны удерживать ионы с помощью самых разнообразных химических связей. Ак-гивный ил очистных сооружений подобен гумусовым кислотам, обладаю-цим большим количеством функциональных групп, связывающих металлы ( їїлялетданов, 1984), Аккумулятивные свойства ила приводят к значи-гельному содержанию Мп, Си, Si и в во флоках, а концентрации Al,Fe, Zn чрезвычайно высоки. Б сооружениях биологической очистки происходит экстракция металлов. Описана установка, в которой активный ил связывает 44 % хрома, 75 % меди, 28 % никеля и 89 % []Днка ( Barth et al. , 1965),

Т.М. Савранской (1975) изучена сорбционная емкость активного дла при аэрации в течение 30 минут и дальнейшем отстаивании растворов, содержащих хром (трехвалентный) в пределах 2,5-200 мг/л, динк - 1-80 мг/л, медь - 0,9-48 мг/л и никель - Й,5-12,5 мг/л. Эксперименты показали, что изотермы адсорбции для всех металлов амеют аналогичный характер. За 6 часов активный ил в концентрации 2,2 г/л сорбирует хром на 98 %_f цинк - на 96 %₉ медь - на 84 % й никель - на 53 %_f причем за первые 15 минут контакта поглощается 80, 75, 58 и 47 % соответственно. Максимум адсорбции по всем

~ 34 -

металлам достигается за 3 часа. Полученная зависимость описывается модифицированным уравнением Михаэлиса-Ментена, Увеличение дозы лла с 0,55 до 2,2 г/л привода? к возрастанию сорбвдонной емкости для никеля на 35-40 %₉ для меда на 10-15 %_т Для хрома и цинка та-хой закономерности не обнаружено. При увеличении исходной концентрацій металла эффект экстракции его стремится к максимуліу, но чем выше содержание ионов в среде, тем медленнее он достигается.

Металлы включаются в структуру ила не только в виде катионов. Гидроокиси металлов могут быть инициаторами процесса хлопьеобразо-вания, так как являются взвесями. Сточные воды, содержащие гидроокись титана, формируют ил, в котором концентрация этой кислоты постигает 30-40 % (Тарадин, Горемыкина, 1975).

Поглощение металла активным илом шкет происходить за счет органических лигандов, которые входят в его состав (Bender et al., 1970). Хелатные соединения связывают металлы сильнее, чем функциональные группы зооглейных скоплений, но сродство биофлоков к металлам выше, чем у растворенных органических веществ» Хлопья способны аккумулировать концентрации тяжелых металлов, превышающие в тысячи раз их содержание в иловой жидкости. При адсорбции ионов цинка, кадмия и ртути из сточных иод активным илом в осадке может накапливаться 8500 мг/г цинка, 4100 мг/г кадаия и 10000 мг/г ртути, тогда как б растворе остается только I мг/л каждого металла ( lieufeld, Hermann , 1975), Зооглейкые скопления могут удалять из жидкой среды до 51-58 % ртути iphosh» Zugger _f 1973), а в некоторых случаях активированный ил адсорбирует до 99,8 % этого тяжелого металла ( Nakamura et al. , 1974, 1975).

Приведенный обзор данных об аккумуляции металлов дшкробной клеткой приводит к выводу, что поглощение их ионов микроорганизмами в активном иле имеет физико-химическую основу и происходит в

основном за счет физического или химического взаимодействия. Применение активного ила для очистки промышленных стоков является перспективным; к тому же не исключена возможность последующей утилизации металлов.

Экологическая наука вступила в такую пору развития, когда она не только объясняет поведение химических элементов б зоне активной деятельности микроорганизмов, но и подсказывает производству новые технологические решения, направленные на очистку окружающей среды от загрязнений { Млялетдинов, I960 ).

Активный ил и его реакцій на экстремальные воздействия

Высокая биохимическая активность микроорганизмов и быстрота их размножения обеспечивают удаление органических загрязнений, что положено в основу работы сооружений биологической очистки сточных вод. Изучение процессов самоочищения водоемов от вредных примесей предшествовало исследованиям по очистке коммунальных и промышленных сточных вод с помощью микроорганизмов, которые окисляют органические соединения до промежуточных или конечных продуктов, В этом процессе формируется биомасса активного ила - основного технологического агента очистных сооружений.

Современные очистные сооружения промышленных предприятий -это искусственные открытые экологические системы. Их специфическим биоценозом, как было отмечено выше, является активный ил, состоящий из бактерий, грибов, простейших и водорослей. Ведущая роль в биологическом окислении загрязнений сточной жидкости принадлежит гетеротрофным микроорганизмам. Важной особенностью бактерий активного ила является их способность образовывать в сточной жидкости зооглейные скопления, или хлопья, представляющие собой желеобразные, .матрицы из внеклеточных полимеров эндогенного происхожде-шя с включениями клеток микроорганизмов и адсорбированными, растворенными и взвешенными веществами сточной жидкости. Именно это свойство позволяет отделять биомассу от очищенной вода.

В очистных сооружениях все внешние факторы вляяют на формирование и свойства активного ила. В течение долгого времени образование хлопьев приписывали особому виду бактерий Zoogloea ramigera , но при определенных условиях этой способностью)бладают многие виды микроорганизмов ( Fridman et al , 1969; lato et al. f І97ЇІ Kobayaishi , Suzuki , IB72;Met2, Koeeen , E977). По предположению І.И Гюнтер (1980), при низком отношении количества субстрата к массе микроорганизмов уровень энергии не беспечивает достаточного противодействия их взаимному притяжению Зажную роль играет величина поверхностного заряда бактерий, которая определяется химическим составом бактериальных слизистых капнул ( Tenney, Terhoff , 1973; Л.И, Гюнтер, 1980). Однако встречаются работы, в которых доказывается» что заряд не изменяется три флоккулявди, а агрегирование клеток соответствует определенной азе их развития ( Pavony et al. , 1972) Одни исследователи связывают флоккуляцию микрофлоры сточных вод с накоплением внутри клеток полиоксибутирата и синтезом внеклеточного гелеобразного полимера ( Crabtree et al. , 1965; Parsons, Dugan , 1971), другие утверждают, что накопление поли-жсибутирата не играет большой роли в процессе хлопьеобразования Forster , 1971), Слизь активного ила состоит Б основном из полисахаридов, поэтому в качестве дефлоккулирующего агента часто ис-юльзуют целлюлазу ( Kato et al., 1971; Krul , 1977в), и агрегирование клеток в зооглейные скопления объясняют образованием целлюлозных фибрилл ( Deinema, Zevenhuizen ,1971), Протеиновым компонентам слизи 25-40 %) отводится роль экзоферментов, ответ-:твенных за ситез углеводов ( Tenney, Verhoff , 1973; Rideau , Morfaux, 1976), Или транспортных белков, обеспечивающих связывание субстрата ( Takiguchi, 1968), Нуклеиновые кислоты, обнаруженное в зооглеях, считаются продуктами лизиса микробной массы(Н1зЫ-їотаДигіуата Юбв). Между синтезом и деградацией экзополимеров активного ила существует равновесие, это доказывается выделением із слизи экзофермента, способного диспергировать хлопья ( Tago, Lida , 1975)Ф Благодаря этому ферменту, вероятно, появляется глю - 9 куройовая кислота, которая считается ответственной за изменение

Иокогенных и седиментационных свойств клєточжж попєрхіюсти с steiner et al.» 1976). Качественный состав слизи, величина, структура хлопьев, зависящие от природы субстрата и множества физико-хпшческих факторов, влияют на активность микробных клеток. Наиболее полно этот вопрос изучен для бактерий Soogloea ramigera С Krul, 1977 а,в). Сравнение одиночных клеток Z.ramigera , которые получали, добавляя в ростовую среду целлюлазу, с хлопьями этой культуры показало, что при большой скорости встряхивания (100-200 раз в минуту) рост биомассы одинаковый, а при меньшей скорости встряхивания (50 раз/мин) синтез белка и полноксибутирата происходил быстрее в культуре одиночных клеток. Диаметр хлопьев в этих условиях был в 5 раз больше. Повышение концентрации кислорода не увеличивало скорости роста. При содержании глюкозы в среде менее 20 мг/мл интенсивность дыхания была пиже у агрегированных клеток. Образование хлопьев Б культуре наблюдалось после росуспепдпроваяия отдельных клеток в свежей среде- Добавление хлористого или фосфорнокислого натрия значительно стимулировало процесс при возрастании солей от 0,002 до С,02 М. Хлористый кальций и сернокислый натрий не способствовали флоккуляции. Агрегирование происходило при увеличении соотношения С :Ы , ко подавлялось метаболитами, появляющимися при росте на Ооіатой среде. Целлюлаза полностью диспергировала "молодые" хлопья, а толуол - частично. "Старые" хлопья устойчивы к действию целлюлазы и толуола. Так как целлюлаза частично диспергировала "старые" хлопья после длительной инкубации (43 часов), предполагается, что в "старых" хлопьях клетки связаны не только целлюлозными волокнами, но и волокнами другой природы.

Роль экзополимеров в формировании свойств активного ила изучена А.С, Дэлобовской с сотрудниками (1979)» Механизм хлопье-эбразования характеризуется следующими переходами; клеточно-дис-іерсное состояние = ко агу лящюнная структура первого рода = = компактное агрегирование =t=s ко агу лящюииая структура второго ро-ца. Коагуляционные структуры первого рода представляют собой микроагрегаты бактериальных клеток, которые разрушаются только после обработки активного ила 8Ы раствором мочевины. Предполагается, іто в организации этой структуры основную роль играют локализован-ше на поверхности клеточных стенок многих бактерий глобулярные зубъединицы белка сМ.в.от 20 до 150 тыс.е. Компактные агрегаты образуются за счет целлюлозных волокон, которые разрушаются при кислых значениях рН среды растворами комдлексообразующих соедине-ш!9 При этом экстрагируются внеклеточные выделения, содеркашие Ю-70 % полисахаридов, и в агрегировании основная роль принадле-іит шдроксильным группам. Коагуляционная структура второго рода юуществляется при помощи высокополимерных соединений СЛОИНОГО зо отава, состоящих из комплекса ароматического ядра белковой ; 40-45 %) и полисахаридной природы (35 %)щ Общее содержание экзо-юлимеров является функцией родового и видового состава микроорга-шзмов активного ила, характер организации коагулявдонной струк-:уры хлопьев определяется удельной нагрузкой растворенных и взве-іенньїх загрязнителей сточной жидкости, кислородным режимом и юнным составом. Поэтому делается вывод, что управление процессом :лопьеобразования возможно как на технологическом уровне, так и [утем изменения условий ионного равновесия при внесения добавок макроэлементов Изучение А.С. Долобовской (1979) влияния факторов внешней )реды на формирование свойств активного ила показало, что условия, способствующие формированию зооглей, являются типичными для раз - II яичных категорий сточных вод и крайне редко встречаются в придонных слоях водоемов. По мнению этого автора, образование хлопьев является приспособительной реакцией бактерий на неблагоприятные условия Ейзнеобитания, связанные с наличием повышенной концентрации мембранотропнкх ингибиторов обмена веществ. А«С Долобовская доказывает, что в стоках выживают только те виды, которые выдергивают резкие колебания в составе воды, что образование зооглей-ных скоплений и флоккулящя генетически детермированы, а присутствие ионов является фактором, который инициирует сверхсинтез внеклеточных биополимеров.

Иммобилизация, клеток микроорганизмов

Иммобилизация клеток .микроорганизмов. Важнейшим этапом в разработке технологии очистки сточных вод лдкробным" методом является поиск И реализация способа физически фиксации клеток, при котором .птаммы-деструкторы будут окислять рганическпе соединения. Нельзя вести продесс очистки дисперсными метками, так как они вымываются током жидкости Активность отдель-±У- микроорганизмов выше, чем у хлопьев ила, но оыи практически не зедают на дно вторичного отстойника, и весь прирост биомассы ухо-/IT с очищенной водой, в результате чого возникает новое загрязнено стоков и падение скорости процесса, так как в системе без ре-дркуляцип невозможно создать высокую концентрацию биомассы ( Ва- ШШ, Васильев, 1978).

Эффективным решением сохранения селекционированных: штаммов в зловиях промышленных ОЧИСТНЫХ сооружений является иммобилизация якробных клеток ( Долобовская, 1978).

В настоящее время существует две ішассификации методов шю-ализацш клеток ( Klein , Wagner , 1978; Воншвилло, Камерницкий, Э78 ), объединяющих свыше 50 возможные вариантов ( Komel , І982). оч истке сточных: вод обычно используют только физический метод, дк как химический z механические-довольно дороги ( но классификации Войшвилло, Камерницкого, 1978). Физический метод иммобнли-ацпи основан на способности клеток слипаться друг о другом или сорбироваться на подходяцих развитых поверхностях, Взаимодейст-де микроорганизмов с различными поверхностями хорошо изучено Звягинцев, 1973) и повсеместно встречается в природе.

В экстремальных условиях очистных сооружений закреплённое эотояпге способствует сохранению жизнеспособности клеток. Изолированные индивидуальные клетки более требовательны к питанию, к реде, чем плотная популяция в целом С Перт, 1978). Эксперимен - 22 сально доказано,что в среде»лимитированной по источникам углерода и азота»псевдомонады на стекле размножаются вдвое быстрее, чем з незакрепленном состоянии (Ellwood et al. , 1982)Ф

Для адсорбции микроорганизмов используют самые различные ода-сериалы: силикатель С Hafez-Zedan» Plourde , I97I)f целлофан, іоролон, полиэтилен, капрон, фторопласт, керамические бусы ( Кол-такчи и др., 1976; Колпакчи, 1978), целлюлозу ( Аринбасарова, {ощеенко, 1978). В очистке сточных вод адсорбция издавна применяется для создания биопленки в биофильтрах с крупнозернистой загрузкой из ин -ерт-ІОГО и устойчивого материала. Оригинальным решением удаления из раствора легколетучих примесей является изобретение аэротенка-аэрофильтра, где микроорганизмы, адсорбированные на плотно уложенной пористой загрузке, играют роль фильтра над аэрируемой средой, з которой идет биологическое окисление летучего вещества ( Гвоз-щк и др., 1973). Кроме этого, в очистке сточных вод хорошие результаты получены при иммобилизации клеток на активированном угле, створках мидии, морском песке, глине и древесных стружках С Туль-айнская и др., I983;cjaid et al-, 1982; Мынбаева, 1982). Особый интерес представляет создание биологической плавающей загрузки, юторал представляет собой нечто среднее между биофильтром и активном илом. Адсорбция микроорганизмов происходит на взвешенных песчаных частицах. Эта система позволяет поднять концентрацию био-лаооы до 40 г/л по сухому весу, что приводит к высокой скорости жисления, хотя удельная скорость реакцій на единицу веса биомассы остается такой же, как при очистке активным илом ( Cooper , [981).

В основе физического метода иммобилизации клеток лекат адгезионные силы, вызывающие сближение частиц. Если при адсорбции адгезионные силы действуют между микроорганизмами и твердыми поверхностями, то при йлоккуляции они действуют между клетками, преобладая над электростатическим отталкиванием. Вызваны эти силы могут быть различными физическими факторами и химическими соединениями Б последнем случае стирается грань меаду понятиями йлоккуляция и адсорбция, так как сначала флоккулирующий агент сорбируется клетками, а затем происходит их слипание Искусственные агрегаты подобны хлопьям активного ила, они легко отделяются ст сточной жидкости, отсутствие твердого носителя предотвращает засорение вторичных отстойников. В то же время при шлоккулнции сохраняется основное преимущество иммобилизации возможность мно-гокртиого использования селекционированной микрофлоры. Агрегирование чистых культур - деструкторов позволяет проводить процесс обезвреживания воды в аэротенках без создания специальных устано-вок локальной очистки

Состав сточных вод ацетальдещцного производства

Пробы воды для микробиологического анализа отбирали в стерильные склянки, В отстойниках пробы брались на различной глубине и усреднялись.Численность представителей разных физиологических групп определяли по методикам, описанным в руководствах: А.Г.Родиной (1965), В.И.Романенко и С.И.Кузнецова (1974) и в "Практикуме по микробиологии" (1976)- Гетеротрофные дшкроорганизмы учитывали на мясо-пептонном агаре (ША) и на разведённом в 10 раз США 1:10), глубинным и поверхностным методами посева- Аммоинфицирующие микроорганизмы определяли по росту в пептонной воде и на МПА для выяснения тождественности этой группы гетеротрофной микрофлоре очистных сооружении, поскольку такая равнозначность установлена для сапрофитных и аммонифицирующих организмов водоёмов (Кузнецов, 1970; Горленко и др., 1977). Нитрифицирующие бактерии определяли па средах Виноградского, денитрифицирующие - на среде Гильтая. Аэробные азотфиксирующие микроорганизмы учитывали на агаризованной среде Эжби, анаэробные - на среде Виноградского. Аэробные целлкшозоразрушающие бактерии выделяли на среде Гетчин-сона с фильтровальной бумагой. Наличие анаэробных целлюлозораз-рушающих микроорганизмов устанавливали на среде Имшенецкого. Суль-фатредуцирующие микроорганизмы учитывали на среде Штурм. Число организмов, окисляющих синтетические кирные кислоты (СШ) устанав - 41 ливали на среде Л А .Ворошиловой и Е.Д. Диановоп (1952) по методу М,Н. Ерымовской с соавторами (1968) Ф В качестве источника углерода добавляли смесь С}Ш ( CJQ - C-j-g) в концентрации 0,5 г/л. Актиномяцзты выделяли на крахмало-аммиачном агаре. Микроскопические мицелнальные грибы учитывали на среде Чапека. Численность дрожжей определяли растиранием пробы воды или суспензии ила на поверхности сусло-агара.

Высев из каждой пробы на элективные среды производили в трех повторностях. Количество микроорганизмов на плотных питательных средах определяли методом подсчета колоний, на жидких - методом предельных разведенки с использованием таблиц Мак-Креди.

При статистической обработке вычислены характеристики изменчивости численности микроорганизмов различных физиологических групп ( квадратичное, отклонение, коэфйивдент вариации) в соответствии с рекомендациями И.П.Ашмарина и А.А. Воробьева (1962). Коэффициенты вариации для микроорганизмов, учитываемых на агари-зованных средах, не превышали 10 %т

Метод накопительных культур использован для выделения штаммов микроорганизмов, участвующих в очистке сточных вод. Исходный материалом служил активный ил п/о "Карбид". Элективные условия создавались последовательными пересевами микрофлоры ила в жидкую синтетическую среду с биогенными элементами и органическими компонентами сточной жидкости в качестве единственного источника углерода.

Видовой состав микрофлоры активного ила п/о "Карбид", участвующей в окислении органических соединений сточных вод, устанавлива ли согласно требованиям определителей Берги (Bergey s manual of determinative bacteriology , 1974) и Лоддера ( Louder f 1970) и в соответствии с методическими указаниями, описанными в - 42 шагах И.ПС Бабьевой, Б4К. Голубева (1979) и К.ИР Бельтюковой с соавторами (1368). Методом адаптации, путем последовательных пересевов в кидкие зреды с возрастающим содержанием токсических соединений получены активные штаммы, способные расти в условиях повышенных концентра-ш 4ИЙ органических загрязнителей, представленных в табл. I и 2.

Во всех опытах по выделению, адаптации и культивированию использовали синтетическую среду Чапека без источника углерода. В экспериментах, моделирующих процесс очистки вода, количество клеток микроорганизмов устанавливали высевом на плотные питательные среды, биомассу определяли нефелометрически на ФЭК-56 іри длине волны 540 нгл (светофильтр JS 6) с применением кювет голщиной I см и весовым методом. Скорость окисления этанола, бутанола, этидацетата и винил-5утилового эфира чистыми культурами микроорганизмов исследовали зрямым методом гаэо-жидкостной хроматографии на приборе Цвет-100 : использованием плаэменно-ионизационного детектора (сорбент-кезасорб А или сферохром 2, полиэтиленовая шддкая неподвижная раза - ПЭГ-6000, внутренний стандарт - изоамиловый спирт, растворенный в дистиллированной воде ) согласно "Методической инструкции ю определению органических веществ в сточной воде" (1979). Развитие микроорганизмов на средах с виниловым эфиром глико-лей в качестве единственного источника углерода и энергии, в-виду отсутствия специальной методики, изучали с помощью косвенных методов: определение оптической плотности культуральной ореды на БЭК-56 окислительно-восстановительного потенциала и рН растворов зотенциометрически на иономере универсальном. Для исследований использовали жидкую минеральную среду Чапека, куда в качестве единственного источника углерода вносили эфи-ры в следующих концентрациях: давиниловый эфирэгиленгликоля (ДВЭЭГ) - 8.76 таМ , дивиниловый эфир диэтиленгликоля (ДВЭДЭГ) - 6,29т мо новшш лозый эфир этиленгликоля (ЬШЭЭГ) - II?35mM , моновиниловый эфир диэтилеигликоля { МВЭДЭГ) - 7,57 mM , диметидциоксолан (МЛ) - 8,46, винилбутиловый эфир (БЕЗ) - 9,98 шМ , Эти количества на 3-4 порядка превышают ЇЇДК эфиров для водоемов (табл. I и 2). Биомассу добавляли в концентрации 0,5 г/л Предварительное подращивание микроорганизмов осуществляли на МЇЇА.

Дегидрогеназную активность (ДА.) ила, чистых культур микроорганизмов и искусственных биофлоков определяли по восстановлению трифенилтетразолия хлорида в окрашенный формазан по методике В.Н. Коренькова с соавторами (1978) с использованием для экстракции формазана из ила и клеток ледяной уксусной кислоты, а из биофлоков - этилового спирта.

Иловый индекс, содержание фосфатов, аммонийного азота и ХШ изучали по общепринятым методикам (Лурье, Рыбникова, 1974; Рекомендации по методам производства анализов на сооружениях биохимической очистки промышленных сточных вод, 1970).

Для искусственной флоккуляции чистых культур микроорганизмов был использован дивинилстирольный латекс, стабилизированный дара-финатом натрия (20 %), со средним радиуоом глобул IQ0-II0 игл, полученный из цеха эмульсионной полимеризации п/о "Карбид". Постоянными дисперсионными средами при изучении флоккуляции микробных клеток слукили 0,085 М раствор хлористого натрия и минеральная среда Чапека без источника углерода (ионная сила раствора -0,0586) для создания нормального осмотического давления.

Методика флоккуляции; клетки микроорганизмов выращивали на матрацах, смывали одной из дисперсионных сред, трижды отмывали в этой же среде и готовили суспензию определенной плотности. Биомассу определяли нефелометрически с последующим пересчетом на сухой зес. Латекс добавляли дробно в конечной концентрации 0,025 г/л.

Смесь перемешивали, з случае отсутствия флоккуляции через 5-7 минут помещали на качалку и визуально следили за образованием хлопьев и осветлением дисперсионной среды. Если через 24 часа агрегирование микробных клеток не происходило, дозу латекса увеличивали. После установления пороговой концентрации флоккулянта определяли скорость осветления суспензии, количество осветленной жидкости за час, время фильтрации и величину илового индекса. Биомассу, образовавшую хлопья, определяли взвешиванием после фильтрования и высушивания. Чтобы установить вес латекса во флоках, проводили анализ содержания его в надосадочнои жидкости методом химической коагуляции при нагревании до 80-90С и добавлении сернокислого алюминия с последующей фильтрацией, высушиванием и взвешиванием. Вес флоккулянта вычитали из веса биофлоков Это позволило установить биомассу микроорганизмов, оставшихся в надосадочнои жидкости.

Физико-химические условия

Третья зона - аэротенки, которые представляют основной этапЗиологической очистки, Б них создаются условия для окислительной деятельности микроорганизмов: аэрация, нейтральное значение рН эреды» большое количество легкодоступных органических веществ» поступающих с хозфекальной водой и не задерживающихся при отстаивании, а также синтетических органических соединений, к окислению которых активный ил приспособлен. Активный ил является специфическим биоценозом, существующим только в аэрируемых резервуарах сооружений биологической очистки.

Четвертая экозона - вторичный отстойник, где активный ил отстаивается и далее отправляется в регенератор, а очищенная вода подается на обеззараживание хлорированием. В этом биотопе концентрация растворенных органических веществ снижается, остаются в основном трудноокисляемые соединения, уменьшается количество солей. Аэрация отсутствует, но поступающая иловая смесь насыщена кислородом после аэротенков. Ил быстро оседает, поэтому биоценоз этой зоны представлен микробными клетками, которые находятся во ВЗЕЄШЄННОМ состоянии, потому что не включились в аэротенках в зооглейные скопления.

Можно было бы выделить пятую экологическую зону - регенератор, но по характеру биоценоза он не отличается от аэротенков. Здесь происходит доокисление органических веществ поглощенных хлопьями ила. Поэтому представляется нецелесообразным выделение регенератора в отдельную экологическую зону.

Главной особенностью сточных вод химических предприятий, осуществляющих органический синтез на базе ацетальдегидного производства по методу Кучерова, является постоянное присутствие ионов ртути. Экологическая система очистных сооружений периодически подвергается залповым сбросам металлов. Это существенно отражается на всех биоценозах, но для активного ила имеет особую опасность, поскольку осуществляется возврат ила после регенерации в аэротенкм. При разовом отравлении ионами ртути резко изменяются свойства зооглей. Хлопья становятся пылевидными, плохо оседают, иловый индекс возрастает до 500 мл/г, снижается качество очистки.

Практически жизнь микрофлоры очистных сооружений таких предприятий происходит в экстремальных условиях. На развитие микроорганизмов оказывает влияние не только гетерогенность стоков и действие токсических органических веществ, но и,присутствие мощного ингибитора ферментных систем - ртути Физиологические группы микроорганизмов на различных этапах очистки

Численность основных физиологических групп микроорганизмов на различных этапах очистки определяли в пробах сточной воды из четырех экологических зон.

Основная роль в трансформации синтетических органических соединений принадлежит гетеротрофам Очистка сточных вод предприятий органического синтеза с помощью микроорганизмов возможна только потому, что гетеротрофные представители способны осуществлять свой энергетический и конструктивный метаболизм за счет углерода синтетических органических соединений.

Глубинный метод посева на МПА позволил установить, что в экосистеме биологической очистки анаэробные микроорганизмы не развиваются. Характер роста свидетельствует о присутствии только дакроаэрофильных гетеротрофных организмов. Это связано, в первую зчередъ, с большим объемом сточных вод и высокой скоростью протока ( до 100 м3/час), не позволяющий стокам застаиваться до развития анаэробиоза. В отстойниках аэрация отсутствует» но отрезок времени пребывания здесь сточной воды очень мал ( до 2 часов) для того, чтобы возними анаэробные условия.

Uовременные представления о преобладания олигокарбофильных микроорганизмов в водных экосистемах основаны на принципе конкуренции за источник питания (Горленко и др., 1977)- Чтобы выяснить, в какой мере это справедливо для микрофлоры очистных сооружений, учёт гетеротрофных микроорганизмов проводился на ІЇІІА и ША 1:10-На ША, разбавленном в 10 раз, при поверхностной посеве вырастает в 2-4 раза больше колоний, чем на стадцартном ША (табл. 3). Яри глубинном посеве такой закономерности нет, более того, на богатой среде количество колоний выше, чем на разбавленном мясо-дед-тонном агаре, гісли для первого и второго биоценозов разница находится в пределах ошибки, то для третьего и четвёртого - она значительна. Поэтому об изменении численности аэробных гетеротрофных микроорганизмов судили по числу колонии, выросших на разбавленном ША.

Похожие диссертации на Адсорбционные процессы при микробиологической очистке сточных вод, содержащих органические соединения и ионы ртути

Анаэробное окисление аммония и метаногенез в системах аэробной очистки сточных вод с иммобилизацией микроорганизмовЛитти, Юрий Владимирович

Микробная очистка фенолсодержащих сточных вод Корженевич Вячеслав Исаевич

Интенсификация роста микроорганизмов, осуществляющих очистку нефтезагрязненных сточных водСоколова Ирина Владимировна

Применение комплексных сорбентов для очистки сточных вод от крупномолекулярных органических соединений и ионов тяжелых металловАндреева Наталья Петровна

Математическое моделирование электромембранных процессов очистки воды с учетом гравитационной конвекцииПисьменский Александр Владимирович

Интегрированные процессы очистки воды от углеродсодержащих примесей и создание модулей с использованием металлических мембранЮнусов, Худайназар Бекназарович

Эколого-химические особенности процессов очистки воды с использованием гипохлорита кальция Уразгильдеев Ильдар Хусяинович

Иммобилизация отселектированных углеводородокисляющих микроорганизмов для интенсификации биотехнологических процессов очистки вод от нефтяных загрязненийХуснетдинова, Ландыш Завдетовна

Математические модели электромембранных процессов очистки воды с учетом реакции диссоциации-рекомбинации воды и пространственного заряда Сеидова Наталья Михайловна

Биологические и биосорбционные процессы очистки сточных вод с применением микробных агрегатов на основе культур активного илаШагинурова Гузель Ибрагимовна