Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биологическая очистка сточных вод от тяжелых металлов с использованием сульфатвосстанавливающих бактерий

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Биологическая очистка сточных вод от тяжелых металлов с использованием сульфатвосстанавливающих бактерий"

На правах рукописи

005010782

ХАМИДУЛЛИНА ИННА ВАДИМОВНА

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СУЛЬФАТВОССТАНАВЛИВАЮЩИХ БАКТЕРИЙ

Специальность 03. 02. 08. - Экология (в химии и нефтехимии)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2012

005010782

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет».

Научный руководитель

Доктор химических наук, профессор Кантор Евгений Абрамович

Официальные оппоненты

Зайцев Николай Конкордиевич,

доктор химических наук,

профессор МИТХТ им. М.В. Ломоносова

Зобов Павел Михайлович,

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник РГУ нефти и газа им. И.М.Губкина

Ведущая организация

Институт биологии Уфимского научного центра РАН

Защита диссертации состоится 20 марта 2012 года в 1200 в ауд. 202 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.200.12, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 119991, г. Москва, Ленинский проспект, 65.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина

Автореферат разослан <•

ода.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н.,доц.

Иванова Л.В.

Общая характеристика работы Актуальность работы. В настоящее время многие водоемы мира утратили свое значение как источники рыбохозяйственного и санитарно-бытового водопользования из-за попадания в них сточных вод промышленных предприятий.

Одним из приоритетных видов загрязнений промышленных сточных вод является присутствие в них ионов тяжелых металлов (ТМ) - Сё, КЧ, Сг, Хп, Си, Бе и др. Эти загрязнения, особенно характерны для сточных вод машиностроительной, горнодобывающей отраслей промышленности, а также химической и нефтехимической промышленности (процессы с использованием металлических катализаторов, производство вискозы, свинцовых белил и пр.) и представляют собой угрозу экологическому равновесию природных экосистем и здоровью человека. Попадая в окружающую среду, они существенно влияют на численность, видовой состав и жизнедеятельность почвенной микробиоты, инги-бируют процессы минерализации и синтеза различных веществ в почве, подавляют дыхание почвенных микроорганизмов, способствуют появлению мутаций у растений, произрастающих на загрязненных грунтах.

ТМ обладают общетоксическим, кумулятивным, аллергенным, тератогенным, канцерогенным и мутагенным действием на человека и животных, что приводит к изменению деятельности центральной и периферической нервной системы, кроветворения, внутренней секреции, способствует возникновению злокачественных новообразований и нарушению аппарата наследственности. Таким образом, очистка сточных вод от ТМ является одной из актуальных экологических проблем, как в нашей стране, так и за рубежом.

Очистку промышленных сточных вод от ионов ТМ обычно осуществляют путем гидроксидного или сульфидного осаждения, реже - гальванокоагуляцией. Сульфидное осаждение обычно эффективнее гидроксидного, но имеет ряд недостатков, связанных с токсичностью, дороговизной и сложностью хранения и транспортировки используемых реагентов. Перспективной альтернативой химическим и физико-химическим методам является применение для осажде-

ния ТМ биогенного сероводорода - продукта жизнедеятельности сульфатвос-станавливающих бактерий (СВБ). В ходе культивирования специально адаптированных консорциумов микроорганизмов происходит процесс биохимической сульфатредукции, сопровождающийся одновременным окислением органических субстратов, присутствующих в стоках или специально вносимых в них. Параллельно с осаждением ТМ культивирование СВБ может решить проблему утилизации сульфатов, содержащихся в сточных водах химических и нефтехимических производств. На сегодняшний день разработаны различные биохимические технологии очистки промышленных сточных вод, основанные на процессе анаэробной сульфатредукции, однако за рубежом они применяются значительно чаще, чем в нашей стране.

Совершенствование процесса биохимической очистки стоков от ТМ и сульфатов является актуальной задачей. Этот процесс с использованием СВБ может быть интенсифицирован применительно к условиям конкретного предприятия путем адаптации консорциума микроорганизмов к различным факторам: типу органического субстрата, концентрации питательных веществ, наличию стимуляторов и ингибиторов процесса, температурному режиму и т.п., а также путем совершенствования аппаратурного оформления и технологической схемы биоочистки. Значительного повышения выхода биогенного сероводорода можно добиться за счет иммобилизации клеток СВБ на поверхности инертных носителей, а также за счет применения в малых количествах органических соединений, являющихся стимуляторами роста и развития СВБ.

Работа выполнена в рамках Программы «Старт» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (ФСРМФП в НТС) г. Москва, Государственный контракт №4547р/5375 «Разработка биотехнологического метода удаления тяжелых металлов из промышленных сточных вод» - 2007-2008гг., Государственный контракт №6329р/5375 «Разработка пакета проектно-технологической документации на биотехнологический метод удаления тяжелых металлов из промышленных сточных вод» - 2009г., а также Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инно-

вационной России" на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия 1.4 «Развитие внутрироссийской мобильности научных и научно-педагогических кадров путем выполнения научных исследований молодыми учеными и преподавателями в научно-образовательных центрах», Государственный контракт П1623 от 10 сентября 2009 г., Программы германской службы международных обменов DAAD «Михаил Ломоносов II» (проект «Разработка технологии очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов методом биохимической суль-фатредукции») - 2010г. и Прираммы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК») - 2011г..

Цель работы: разработка принципов и практических мер, направленных на совершенствование метода очистки сточных вод от ионов ТМ и сульфатов с использованием биогенного сероводорода - продукта жизнедеятельности СВБ.

В соответствии с поставленной целью целесообразно решить следующие задачи:

- выделение из природной среды, активизация и родовая идентификация природного консорциума СВБ;

- адаптация выделенного консорциума к росту на разных углеводородных субстратах и к различным условиям культивирования микроорганизмов, определение оптимальных и критических значений основных факторов, влияющих на жизнедеятельность СВБ и процесс сульфатредукции;

- синтез и исследование влияния на выход биогенного сероводорода органических биостимуляторов, а также иммобилизации клеток СВБ на инертных носителях;

- сравнение вариантов аппаратурного оформления процесса очистки сточных вод от ТМ, сульфатов и органических примесей, апробирование различных конструкций биореакторов и схем биохимической очистки, разработка автоматизированной установки очистки стоков.

- математическое моделирование биохимической сульфатредукции, интенсификация процесса очистки стоков от ионов тяжелых металлов в промышленных условиях.

Научная новизна.

Выделены из природной среды консорциумы СВБ. На основании данных по морфологии и с помощью молекулярно-генетических методов определено таксономическое положение основных штаммов консорциумов. Максимальную активность по накоплению сероводорода проявил новый изолированный штамм СВБ, последовательность генов 16Б рРНК которого демонстрирует сходство с последовательностью ОеБ^КтЬпо охагшсш на 98%;

Осуществлено культивирование подобранного консорциума на глицерин-содержащих питательных средах. Выявлено, что содержание ионов цинка (1п2+) 500 мг/л и железа (Ре2+/Ре3+) 1000 мг/л угнетает жизнедеятельность СВБ;

Определено влияние синтезированных фурилзамещенных 1,3-диоксациклоалканов и их ациклических производных на жизнедеятельность СВБ и выход биогенного сероводорода в процессе биохимической сульфатре-дукции;

Разработана автоматизированная установка очистки, предусматривающая разделение потоков сточных вод по содержанию ионов ТМ на концентрированные и разбавленные, что позволяет достичь высокой эффективности очистки стоков от ионов ТМ (свыше 99 %);

Предложена математическая модель кинетики утилизации глицерина и сульфатов, а также накопления биомассы в процессе биохимической сульфат-редукции, осложненной метаногенезом.

Практическая значимость. Подобран природный консорциум микроорганизмов, на основе которого, путем культивирования СВБ, осуществлена генерация микроорганизмов в количестве, достаточном для использования на очистных сооружениях промышленных предприятий. Осуществлена адаптация выращенной культуры к росту на нетрадиционном органическом субстрате -глицерине. Проведено усовершенствование технологических схем биоочистки стоков за счет изменения конструкций анаэробных биореакторов, автоматизации процесса, использовании при культивировании СВБ инертного носителя и органических биостимуляторов. Результаты исследований рекомендованы к

внедрению на ОАО «Учалинский горно-обогатительный комбинат (ГОК)» и ОАО «Полиэф».

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на всероссийской заочной электронной конференции «Проблемы экологического мониторинга» (2007г.), III научной международной конференции «Актуальные проблемы науки и образования», (Куба, 2008 г.), научной международной конференции «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», (Италия, 2008 г.), VI международной конференции «Современное состояние микробиологии и биотехнологии» (Минск, 2008 г.), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук» (Уфа, 2009 г.), общероссийской научной конференции «Актуальные вопросы науки и образования», (Москва, 2009 г.), межрегиональной научно-практической конференции «Экология, образование, промышленность» (Уфа, 2009), VI международной конференции «Покрытия и обработка поверхности» (Москва, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 12 статей и тезисы 7 докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов и списка литературы. Список литературы включает_121_наименование. Объем работы составляет 165 страниц, в том числе_45_рисунков и_21_таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1. Отбор и идентификация высокоактивных консорциумов СВБ СВБ являются активными продуцентами сероводорода, образующегося за счет метаболизма сульфатов. Биогенный сероводород может взаимодействовать с ионами ТМ, образуя нерастворимые сульфиды. На этом принципе основано применение СВБ для биохимической очистки сточных вод от сульфатов и ТМ. Однако не все применяемые штаммы обеспечивают активность СВБ в промышленных сточных водах, характеризующихся повышенной концентрацией

токсичных компонентов. Поэтому селекция активных по образованию сероводорода консорциумов микроорганизмов, изучение их видового состава, а также скрининг промышленных штаммов СВБ является важным этапом исследования.

Нами проанализирована активность консорциумов СВБ из донных отложений сульфатных прудов нефтеперерабатывающих заводов (НПЗ), промлив-невых колодцев и естественных водоемов:

Ш - донные отложения из «сульфатного» пруда цеха по производству синтетических жирных кислот ОАО «Уфимский НПЗ», рН 7,2. 1)2 - донные отложения р. Буйды; место отбора пробы - 200 м ниже выпуска с биологических очистных сооружений ОАО «Картон и Упаковка», рН 7,0. 113 - донные отложения промливнего колодца №19 ОАО «Саратовский подшипниковый завод», рН 7,2.

\]4 - отложения из лотка смешения городских сточных вод и очищенных промстоков установки «ВЭМКА» ОАО «Салаватнефтеоргсинтез», рН 7,2. Ш - донные отложения р. Буйды близ ОАО «Учалинский горнообогатительный комбинат»; место отбора проб - нижний слой воды, рН 7,0. Ш - дно хвостохранилища ОАО «Учалинский ГОК» место отбора проб - нижняя зона, рН 7,2.

Наиболее высокий уровень накопления сероводорода достигнут при использовании консорциумов Ш и 115, накопление сульфидов в которых за 20 суток составило 700 мг/л и 800 мг/л соответственно. В то же время наиболее высокую начальную скорость накопления сероводорода обеспечивает консорциум и2 - до 600 мг/л за первую неделю культивирования (рис. 1).

С помощью молекулярно-генетических методов получены данные о разнообразии групп СВБ в пробах. На основании данных по морфологии, физиологии и с помощью молекулярно-генетических методов определено таксономическое положение основных штаммов консорциума февиЦотхсгоЪшт поп>е&ит, Оет^Ьпо охаткив, ВетЦочйпо гегтШ&я). Максимальную активность по накоплению сероводорода проявил новый изолированный штамм

СВБ, последовательность генов 16S рРНК которого демонстрирует сходство с последовательностью Desulfovibrio oxamicus на 98%.

Рисунок 1 - Образование сероводорода консорциумами микроорганизмов в течение 20 дней культивирования

Электронно-микроскопическая фотография клеток данного штамма представлена на рис. 2.

Рисунок 2 - Электронная микроскопия. Клетки Desulfovibrio sp.

2. Подбор оптимальных условий культивирования консорциума СВБ в процессах биологической очистки стоков

Для активизации природной иловой загрузки важно правильно подобрать питательную среду, способную поддерживать устойчивый рост и развитие сульфатредукторов, не создавая при этом благоприятных условий для жизни конкурирующих микроорганизмов, участвующих в процессе метаногенеза и ацетогенеза. В качестве загрузки первого биореактора использовалась питательная среда «DSM 63», разработанная автором совместно с ИБФ.М РАН (сре-

да № 1) следующего состава (г/л): глицерин - 1,0, КН2Р04 - 0,5, МН4С-1 - 1,0, №2804 - 1,0, СаС12.2Н20 - 0,1, 1\^8047Н20 - 2,0, дрожжевой экстракт -0,1.

Во второй биореактор загружали классическую минеральную среду для анаэробных бактерий, с добавлением глицерина (0,3 г/л) и сульфата натрия (0,62 г/л или 0,5 г/л 8042~) (среда № 2).

В третий биореактор загружали питательную среду «\VaDi» (Германия), модифицированную автором (среда №3) следующего состава (г/л): КН2Р04 -0,5, Ш4С1 - 0,75, Са804 -0,1, Мё804-7Н20 -0,1, КГа2804 - 3,2, Ре804,7Н20 -0,1, глицерин - 1 мл/л.

Культивирование проводилось в строго анаэробных условиях. Мониторинг процесса сульфатредукции производили путем измерения рН, окисли-тельно-восстановителыгого потенциала (ОВП), концентраций сульфатов, сульфидов и белка (табл. 1, рис. 3).

Наилучшие показатели процесса достигаются при использовании среды № 1 (за 36 дней культивирования достигнута концентрация сероводорода 600 мг/л). Определены благоприятные условия для культивирования СВБ с использованием этой среды (^27°- 30°С, рН=7,5-7,8, ОВП= -300 мВ, стартовая концентрация 8042"= 1,5-3 г/л, наиболее удачное при использовании глицерина соотношение 80427ХПК, г/г — 1,5/1).

Таблица 1 - Концентрационные показатели сульфатов и накопления биомассы

Время, Концентрация сульфатов, мг/л Концентрация белка, г/л

сут. Среда Среда Среда Среда Среда Среда

Ко 1 № 2 №3 № 1 №2 №3

0 1104 672 1080 0,075 0,075 0,075

4 912 650 960 0,08 0,075 0,075

8 900 645 902 0,10 0.08 0,08

12 602 _ 550 680 0,21 0.09 0,15

16 438 440 504 0,52 0,18 0,38

20 354 384 440 0,75 0,43 0.62

24 298 350 384 0,93 0,54 0,85

28 202 300 302 1,05 0,55 0,87

32 168 240 200 1,05 0,55 0,89

36 164 241 194 1,1 0,57 0,90

100 о

биореактор 1 биореактор 2 биореактор 3

Рисунок 3 - Накопление сероводорода за 36 дней культивирования СВБ на средах № 1,2,3

Также было изучено влияние на рост и развитие СВБ повышенных концентраций ионов ТМ. Анализ проводился на примере ионов + и Ре2+/ Ре3+, ввиду их частого присутствия в заметных концентрациях в стоках промышленных предприятий. Установлено, что резкое снижение эффективности очистки наблюдалось при концентрациях 7л\ и Ре2+/ Ре3' 500 и 1000 мг/л соответственно (рис.4 а,4 б), при этом замедлялись процессы роста и развития СВБ.

Таким образом, промышленные стоки, подаваемые на биоочистку от ТМ, должны предварительно очищаться рёагентным способом или разбавляться чистой водой или хозбытовыми стоками до указанных концентраций ионов цинка и железа во избежание угнетения жизнедеятельности и гибели СВБ.

Рисунок 4 - Изменение концентрации ионов ТМ при проведении процесса биохимической сульфатредукции: а - ионы цинка; б - ионы железа

1000

■§ 900 800

I 700

| 600

і 500

§ 400 л

Ь 300

? 200 3 * 100

о

0 5 10 15 20 26 30

_ Время культивирования, сут _

| —О— 100 мг/л —О— 200 мг/л —Л—300 мг/л —і—500 мг/л —в—700 мг/л —О-1000 мг/л

О 5 10 15 20 25 30 Время культивирования, сут

3. Культивирование СВБ в анаэробном биореакторе проточного типа со свободно плавающей биомассой

Для культивирования СВБ использован лабораторный реактор Upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASB) (анаэробный реактор с восходящим потоком жидкости через слой гранулированной биомассы - рис. 5а). Сточная вода насосом 6 подается в нижний пробоотборник UASB-реактора из емкости 7 и контактирует со слоем биомассы СВБ, в результате чего происходит удаление сульфатов и органических примесей. Встроенный термостат 1 с автоматическим нагревательным элементом 2 поддерживает оптимальную для культивирования СВБ температуру 30°С. Далее восходящий поток разделяется в газо-илоотделительном устройстве. При этом биомасса СВБ, находящаяся в взвешенном слое, оседает на дно UASB-реактора, а биогенный сероводород отводится в колбу 5, где связывается раствором ацетата цинка. Очищенная вода самотеком через верхний пробоотборник поступает в резервуар 8 (рис. 5а).

Следует учитывать, что в рассматриваемом консорциуме возможно присутствие метанобразующих бактерий, являющихся конкурентами за субстраты с СВБ. Для подавления метаногенов рН модельных сточных вод доводили до 7,5-8 добавлением 1%-го раствора NaOH.

-ПЕ

/R

і

0,20 0,18 0,16

S

- 0,14

I °'12 § 0,10

* 0,08

Iадб -~r~W'

10,04

ї пм de"____J___

/

§ 0,02 * 0,00

w

¥

І

Ш

і

a

О 10 20 ЗО

Время культивирования, сут

а б

Рисунок 5: а - Схема лабораторной установки; б - изменение концентрации биомассы во времени при очистке модельных сточных вод в иАБВ-реакторе.

В качестве первоначальной загрузки биореактора использовалась питательная среда «DSM 63» (среда № 1). В качестве модельных сточных вод использовали водопроводную воду с добавлением субстратов - глицерина (1 г/л) и сульфатов (3 г/л).

Следует отметить, что результаты культивирования консорциума СВБ в UASB-реакторе оказались неудовлетворительными. Концентрация биомассы за 30 дней проведения экспериментов снизилась до 0,12 мг/л (рис. 56), флокули-рование биомассы не происходило, качество очистки модельных стоков после 20 суток культивирования значительно ухудшается. В выходящем же потоке концентрация биомассы повысилась до 0,02-0,04 мг/л.

Указанные факты свидетельствуют о том, что происходит вымывание активной биомассы из реактора потоком восходящей жидкости. Одним из путей решения возникшей проблемы является иммобилизация СВБ на различных искусственных носителях.

4. Выбор нммобнлизационного материала для СВБ

Искусственная иммобилизация микроорганизмов интенсифицирует процессы биодеградации, продлевает срок жизни микроорганизмов в рабочей зоне реактора, стабилизирует ферментативную активность клеток микроорганизмов.

Выбраны и опробованы шесть известных типов носителей, обладающих химической и биологической стойкостью, механической прочностью, устойчивостью, но различающихся по форме исполнения, составу и структуре: загрузка типа «ерш» (гирлянды из лавсанового полотна, вплетенного в витой проволочный сердечник), активированный уголь БАУ-А (ГОСТ 6217-74), полиэтиленовые кольца (производства Германии, 08-10мм, высотой 5 мм с ребрами жесткости внутри), силикагель технический (ГОСТ 3956-76 изм №2), керамзит средней фракции (ГОСТ 9757-90), цеолит NaX марка А (ТУ 38.10281-88).

Приготовленную высококонцентрированную суспензию с концентрацией биомассы Сбиом = 2,648 г/л вводили в контакт с инертными материалами для осуществления иммобилизации клеток СВБ. Иммобилизацию СВБ проводили в различных режимах - статическом, с перемешиванием и динамическом (способ

нанесения в воронке). Установлено, что наилучшие иммобилизационные свойства проявили полиэтиленовые кольца оригинальной конфигурации, предоставленные нашими германскими коллегами из Университета г. Кассель, в рамках совместных работ по программе DAAD. Применение других носителей не способствовало повышению выхода сероводорода и даже в ряде случаев приводило к его снижению (рис. 6).

650 600 550

0 4-!—->-:---ах з?-

0 5 10 15 20 25 30

Время культивирования, сут

Рисунок 6 - Влияние природы иммобилизационного носителя на выход биогенного сероводорода в статическом режиме культивирования.

5. Применение 1,3-диоксациклоалканов в качестве стимуляторов роста СВБ

Одним из способов интенсификации генерации сероводорода может быть внесение в среду культивирования СВБ биостимуляторов - соединений, способных в микроколичествах влиять на биохимические процессы. В качестве биостимуляторов предложены и синтезированы 4 биологически активных соединения класса 2-(фурил-2)-1,3-диоксациклоалканов(1-4) и их кремнийсодер-жащие ациклические производные (5-8), использованных в концентрации 0,05%. В качестве контрольной взята проба без добавления органического стимулятора (табл.3, 4).

Установлено, что среди исследуемых соединений наибольшую стимулирующую активность проявили 2-(фурил-2)-1,3-диоксациклопентан (1) и продукт его восстановительного расщепления - 1-триэтилсилокси-2-(2-фурфурилокси)этан (5).

сн,

сн, сн,

2-(фурил-2)-1,3-диоксациклопентан

2- (фурил-2) -1,3-диоксациклогексан

2-(фурил-2) - 4-метил 1,3-диоксациклогексан

2- (фурил-2) 4,4-диметил -1,3-диоксациклогексан

Таблица 3 - Конверсия сульфатов и генерация сероводорода в процессе культивирования СВБ в присутствии фурилзамещенных циклических ацеталей

Время, Концентрация сульфатов, мг/л Концентрация сероводорода, мг/л

сут. Котроль ! 1 2 3 4 Котроль | 1 2 з 4

0 3000 3000 3000 3000 3000 138 по ] 136 143 152

5 920 905 1180 ГТ06(Г 915 607 ГбТТ" 505 ^ 584 607

10 390 258 480 338 412 665 707 726 798 791

15 388 112 388 180 295 672 799 78Т1 825 ; 808

20 348 98 375 [__ 178 268 775 833 782 823 799

25 338 88 337 175 253 765 826 776 819 783

30 338 15 337 38 238 766 824 772 816 780

35 338 15 337 38 238 763 824 772 816 780 1

(СзНЖв! .о

О

Из

(С2Н5)З5* О (С2115)381 О

,сн3

' СНз

(С,Н,)з8 О

8

1-трютилсилокси- 1-триэтилсилокои- 1-триэтилсилокси- 1-триэтилсилокси-

2-(фурфурилокси)- З-(фурфурилокси)- 3-метил- 3,3-диметил-этан пропан З-(фурфурилокси)- З-(фурфурилокси)-

пропан пропан Таблица 4 - Конверсия сульфатов и генерация сероводорода в процессе культивирования СВБ в присутствии фурилзамещенных силиловых эфиров_

' Время, Концентрация сульфатов, мг/л | Концентрация сероводорода, мг/л

сут.

5

То"

тг

20~

Кон-тр_оль_

1500 820 540" 110

5

1500

730

135"

90

75

1500

830

520

ТТо

75

1500 740 145" 105 "35

Контроль

1500 170

950

230

615 ! 375

230

415

110 530

170 260~ 4КГ 515" 61~5""

170 170 240 | 250

7

390 135~ 155"

405 ~50(Г 605

170 210 360

"400" 520

6. Культивирование СВБ в анаэробном биофильтре (анаэробном реакторе

с насадкой)

Полученные данные об иммобилизации клеток СВБ на инертном носителе и стимуляции их роста с помощью низкодозных органических добавок к питательным средам были использованы при проведении экспериментов в анаэробном биореакторе непроточного типа с прикрепленной биомассой (рис.7). Именно этот лабораторный реактор послужил прототипом промышленного биореактора, установленного на ОАО «Учалинский ГОК» для предварительной очистки хозяйственно-бытовых и ливневых стоков.

Биореактор представляет собой колонку из оргстекла на 80% загруженную инертным носителем (полиэтиленовые кольца) с закрепленной на нем биомассой. Перед началом экспериментов реактор был загружен биомассой СВБ (примерно на треть рабочего объема) и питательной средой «БЭМ 63» (среда №1), с добавлением органического стимулятора роста 1 в количестве 0,5 мл на 1 л среды (0,05 %.). В нижнюю часть реактора подается питательная среда, для интенсификации генерирования сероводорода предусмотрен рецикл. Образующийся сероводород отводится из верхней части реактора путем водоструйной эжекции. Приготовленная в эжекторе сероводородная вода, используется для осаждения ионов ТМ в присутствии гидроксида натрия. Эксперимент проводился с использованием модельных сточных вод аналогичных по составу хозяйственно-бытовым стокам ОАО «Учалинский ГОК», содержащим ионы цинка, меди, железа и марганца (табл. 5). В данных условиях, с учетом зависимости между рН и произведением растворимости сульфида металла, можно проводить осаждение и ионов других ТМ, в частности Со, Сс1 и др. В процессе очистки извлечено свыше 99 % ионов ТМ, таким образом, концентрации ионов ТМ, в очищенной воде оказались ниже установленных норм предельно допустимых концентраций (ПДК) вредных веществ для воды рыбохозяйствен-ных водоемов (0,1 мг/л для железа, 0,01 мг/л для цинка и марганца, 0,02 мг/л для меди). В результате проведенных экспериментов разработан широкий ряд рекомендаций для интенсификации работы узла биохимической очистки на

ОАО «Учалипский ГОК» (применение иммобилизационного носителя, подготовка активной биомассы СВБ для загрузки биореактора, подбор питательной среды, содержащей органические стимуляторы), установлены нормы технологического режима работы установки.

Рисунок 7 - Принципиальная схема очистки стоков от ионов ТМ с использованием биореактора непроточного типа с прикрепленной биомассой (1 - биореактор, 2 - емкость подачи питательных веществ, 3 - отстойник 4 - эжектор, 5 - насос дозирования питательных веществ, б - ре-циркуляционый насос).

Наименование показателя Исходная концентрация загрязняющих веществ, мг/л Концентрация загрязняющих веществ после очистки, мг/л Эффективность очистки, %

Цинк (7л2+) 15 0,01 99,93

Железо общее(Ре2+/Те3+) 4 0,05 98,75

Марганец (Мп2+) 6 0,01 99,83

Медь (Си1+) 2 0,01 99,5

Недостатком предлагаемой технологии очистки является превышающая

нормы сброса остаточная концентрация сульфидов в очищенной воде, что может быть устранено путем разработки автоматизированной установки очистки, предусматривающей разделение потоков сточных вод по содержанию ионов ТМ на концентрированные и разбавленные (рис. 8).

Сточные воды с пониженным (суммарно <2ммодь/л, концентрация не ин-гибирующая жизнедеятельность СВБ) содержанием ионов ТМ (разбавленный раствор) подают в буферную емкость 1, туда же при необходимости вносят до-

Чистая

ввдопрэаодна* вола в эхектэр

Стоинап ооло с

ионами тяхелых

металлов

-<£--

Таблица 5 - Эффективность удаления из воды ионов ТМ

бавки для жизнедеятельности СВБ. Насос 3 осуществляет подачу разбавленного раствора из емкости 1 непосредственно в биореактор 4 (загружен на 80% об. полиэтиленовыми кольцами с иммобилизованным на их поверхности активным консорциумом СВБ). Разбавленный раствор, проходя биореактор 4, насыщается за счет сульфатредукции биогенным сероводородом.

—> Очищеная

1,2 - буферные емкости 10- измерительная ячейка

3,4 - насосы подачи 11 - рН-элсктрод

5 -биореактор 12 - рН-метр

6 - реактор смешения 13 - сульфидный электрод

7 - магнитная мешалка 14 - иономер

8 - ОВП-электрод 15 - отстойник

9 - преобразователь регулятор

Рисунок 8 - Лабораторная схема автоматизированной установки В буферную емкость 2 подается сток, сильно загрязненный ионами ТМ (суммарно >2 ммоль/л). Насос 4 перекачивает сток из емкости 2 в реактор смешения 6, сюда же подается насыщенная сероводородом вода из биореактора (перемешивание осуществляется магнитной мешалкой 7). В ходе взаимодействия ионов ТМ с сероводородом в реакторе смешения образуется суспензия (сульфиды металлов). Далее суспензию подают в измерительную ячейку 10, в которой предусмотрен контроль рН и концентраций сульфид-ионов (электроды 11, 13, иономер 14, рН-метр 12). В отстойнике 15 происходит отделение очищенной воды от шлама, содержащего сульфидный осадок. Посредством регулятора 9 в зависимости от ОВП смеси включают или отключают насос подачи разбавленного раствора 3. Таким образом, регулируется подача в биореактор веществ необходимых для генерирования биогенного сероводорода, который в свою очередь используется для осаждения ионовТМ. Предлагаемый способ по-

зволяет обеспечить высокую эффективность очистки сточных вод независимо от концентраций ионов ТМ (табл. 6).

Молельная сточная вода Очищенная сточная вода, мг/л Норма сброса, мг/л Степень очистки, %

Загрязнитель Концентрация в разбавленном растворе, мг/л Концентрация в концентрированном растворе

Цинк 272 1200 1,1 2 99,9

Цинк" 0 1200 1,1 2 99.9

сульфат 2700 0 932 600 64

сульфид 0 0 0,1 1 -

'Варианте отсутствием ионов цинка в разбавленном растворе

Также в ходе исследований показано, что процесс осаждения сульфидов металлов в отстойнике 15 может быть интенсифицирован за счет применения слабоанионных флокулянтов типа Пое^ег АИ 905 БН или Ма§пайос 10 (путем сравнительного анализа, доза флокулянтов составила 0,1 мг/л при концентрации рабочего раствора 0,05% по активной части флокулянта).

7. Моделирование процесса биохимической очистки стоков в анаэробном биореакторе непроточного типа

Представляет интерес определение кинетических параметров процесса биохимической сульфатредукции с учетом побочного метаболического процесса метаногенеза, приводящего к приросту нецелевой биомассы.

В упрощенном виде процесс анаэробной деградации глицерина может быть выражен следующей схемой:

Глицерин + СВБ—^Биомасса (белок) 8С>42'+ Биомасса (белок) —>Н2Б, для нее, можно составить систему кинетических уравнений:

ас

ах ас_ ах ас

— --К,СГСВ; = ^ /С гС 5 —

К 2С е.

50

ах

ас

ах

где Сг-текущая концентрация глицерина, г/л;

С б- текущая концентрация белка, г/л;

^so}' ' текущая концентрация сульфатов, г/л;

Ch2s - текущая концентрация сероводорода, г/л;

К], л/(г*мин); К.2, мин'; Кз, л/(г*мин); К^ л/(г*мин) - константы скоростей реакций, при этом константа К2 учитывает влияние метаногенеза;

1/3 - коэффициент, отражающий стехиометрическое соотношение при превращении сульфата в сероводород.

Задача подбора значений констант К¡, К2, К3, К4 усложнялась большим количеством их возможных комбинаций. Поиск осуществлялся в четырехмерном пространстве значений, поэтому простой подбор нецелесообразен. Для решения этой задачи была разработана программа на ЭВМ. В ее основе лежит численный алгоритм поиска минимума функции по методу деформируемого многогранника.

Таким образом, составленная программа предусматривает:

- интегрирование системы дифференциальных уравнений методом Рун-ге-Кутта 4-го порядка, с получением решений в табличном виде;

- интерполяцию табличных данных в непрерывную функцию;

- вычисление значений целевой функции (суммы квадратов отклонений экспериментальных и расчетных данных);

- поиск констант скоростей реакций, при которых целевая функция достигает минимума.

В качестве среды разработки программы выбрана среда Borland Delphi, в которой языком программирования является Pascal. Исходными данными для работы программы служит таблица экспериментальных данных (табл. 7), полученных путем лабораторных замеров концентраций глицерина, сульфатов, сероводорода, белка в формате текстового файла.

Результатом работы программы является набор значений констант. В таблице 7 приведены значения констант, рассчитанных на основе экспериментальных данных. Рисунок 9 показывает апроксимацию опытных данных расчетными кривыми.

Таблица 7 - Исходные данные для расчета констант скоростей реакций

Время, сут. Сг, г/л С5 , г/л С50,, г/л С„1$, г/л

0 1.643 0.08 3.000 0.050

4 1.589 0.11 2.814 0.086

8 1.512 0.12 2.780 0.128

12 1.380 0.17 2.430 0.229

16 0.823 0.27 1.003 0.638

20 0.182 0.45 0.216 0.778

4 0.173 0.51 0.209 0.785

2 0.167 0.48 0.198 0.782

28 0.151 0.49 0.192 0.784

32 0.243 0.46 0.168 0.784

36 0.263 0.45 0.168 0.783

С„„.,гЛи

Си ,, мг/л

20 30

время, сут.

— расчетные значения

экспериментальные значения

а

20 30

время, сут. расчетные значения экспериментальные значения

Рисунок 9 - Опытная и расчетная зависимости концентрации сульфатов (а) и сероводорода (б) от времени

Разработанная модель может быть использована для дальнейшей обработки экспериментальных данных и прогнозирования эффективности процесса очистки стоков путем биохимической сульфатредукции.

ВЫВОДЫ

1. Выделены из природных экосистем, подвергавшихся антропогенному воздействию, и идентифицированы природные консорциумы сульфатвосстанавли-вающих бактерий.

- определено таксономическое положение основных штаммов консор-циумов(Веви1/откгоЫит погуе&ит, ВевиЦочхЪпо охаткш, Ое$и1/о\пЬпо 1егтШс№).

- максимальную активность по накоплению сероводорода проявил новый штамм. СВБ, последовательность генов 168 рРНК которого демонстрирует сходство с последовательностью Веви^оуНото охагшсш на 98%.

2. Установлены оптимальные условия культивировния СВБ, а также концентрации ионов ТМ, ингибирующие рост и развитие микроорганизмов.

- благоприятными условиями для культивирования СВБ с использованием питательной среды на основе глицерина, содержащей минеральные соли и дрожжевой экстракт, являются: г=27°- 30°С, рН=7,5-7,8, ОВП = -300 мВ, стартовая концентрация БО^"- 1,5-3 г/л, соотношение 80427ХПК, г/г = 1,5/1.

- критические значения концентраций ТМ, при которых полностью угнетается рост СВБ, составляют для ионов цинка и железа 500 и 1000 мг/л соответственно.

3. Выявлены пути интенсификации процесса культивирования СВБ с целью очистки сточных вод от ионов ТМ:

- закрепление биомассы в реакторе путем ее иммобилизации на различных инертных носителях способствует повышению выхода биогенного сероводорода, который при использовании в качестве носителя перфорированных полиэтиленовых колец возрастает в среднем на 15%;

органические соединения класса фурилзамещенных 1,3-диоксациклоалканов и их ациклических производных оказывают стимулирующее влияние на процесс биохимической сульфатредукции. Высокую активность проявили 2-(фурил-2)-1,3-диоксолаи и продукт его восстановительного расщепления триэтилсиланом - 1-триэтилсилокси-2-(2-фурфурилокси)этан;

- разделение потока очищаемых сточных вод на разбавленные и концентрированные и автоматизация подачи сероводородной воды в зависимости от ОВП позволяет предотвратить угнетение консорциума СВБ ионами ТМ и достичь степени очистки стоков от ТМ свыше 99%.

4. Разработана упрощенная математическая модель биохимической сульфатредукции, позволяющая производить обработку экспериментальных данных и

прогнозирование эффективности процесса очистки стоков путем биохимической сульфатредукции.

5. На основании проведенных исследований осуществлена интенсификация процесса очистки сточных вод на конкретных промышленных предприятиях Республики Башкортостан (ОАО «Учалинский ГОК» и ОАО «Полиэф»).

Содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Хамидуллина (Хлебникова) И.В. Мониторинг и анализ причин загрязнения поверхностных водных объектов Республики Башкортостан/ Хлебникова Т.Д., Хусаинов М.А., Ерохина Е.Е., Хлебникова И.В. // Проблемы экологического мониторинга: материалы заочной электронной конференции http://www.econf.rae.ru/article/5849. - Москва, 2007// Современные наукоёмкие технологии, 2007, №10, с. 93-95.

2. Хамидуллина (Хлебникова) И.В. Влияние отраслей экономики на загрязнение поверхностных водных объектов Республики Башкортостан/ Хусаинов М.А., Хлебникова Т.Д., Ерохина Е.Е., Хлебникова И.В., Шевченко A.M.// «Фундаментальные исследования», 2008, № 2, с. 73.

3. Хамидуллина (Хлебникова) И.В. Биологическая очистка сульфатсодер-жащих стоков. Оптимизация состава питательных сред для культивирования сульфатвосстанавливающих бактерий / Хусаинов М.А., Хлебникова Т.Д., Смирнов Ю.Ю., Хлебникова И.В., Шевченко A.M. // «Фундаментальные исследования», 2008, № 2, с. 74.

4. Хамидуллина (Хлебникова) И.В. Адаптация сульфатвосстанавливающих бактерий, используемых для очистки промышленных стоков, к различным условиям культивирования в статическом режиме /Хусаинов М.А., Смирнов Ю.Ю., Хлебникова И.В., Хлебникова Т.Д., Кирсанова Т.В. // Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники: материалы научной международной конференции - Италия, 2008// «Успехи современного естествознания», 2008, №7, с. 69.

5. Хамидуллина (Хлебникова) И.В. Селекция высокоактивных консорциумов и скрининг сульфатвосстанавливающих бактерий промышленных штаммов /Вацурина A.B., Акимов В.Н., Смирнов Ю.Ю., Кирсанова Т.В., Хлебникова И.В.// Современное состояние микробиологии и биотехнологии: материалы научной международной конференции - Минск, 2009, с. 230-233.

23

6. Хамидуллина (Хлебникова) И.В. Очистка модельных растворов сточных вод сульфатвосстанавливающими бактериями (СВБ) и выбор условий их культивирования / Смирнов Ю.Ю., Хлебникова И.В., Хлебникова Т.Д., Кирсанова Т.В.// Известия вузов. Серия «Химия и химическая технология», 2009, т.52, № 7, с. 115-118.

7. Хамидуллина (Хлебникова) И.В. Математическое моделирование процесса очистки стоков путем биохимической сульфатредукции в анаэробном биореакторе непроточного типа /Смирнов Ю.Ю., Хлебникова И.В., Кирсанова Т.В., Хлебникова Т.Д.//Башкирский химический журнал, 2009, т.16,№ 2,с.39-42.

9. Хамидуллина (Хлебникова) И.В. Влияние фурилзамещенных 1,3-дегетероциклоалканов на эффективность биохимической сульфатредукции в процессе очистки сточных вод/ Хусаинов М.А., Хлебникова И.В.,Топоркова A.B., Хлебникова Т.Д. // Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук: материалы международной научно-технической конференции - Уфа, 2009, с. 202-203.

10. Хамидуллина (Хлебникова) И.В. Использование глицерина в качестве углеродсодержащего субстрата при биохимической очистке промышленных стоков с помощью сульфатвосстанавливающих бактерий/ Хусаинов М.А., Хлебникова И.В., Динкель В.Г., Топоркова A.B., Хлебникова Т.Д.// Актуальные вопросы науки и образования: материалы общероссийской научной конференции -Москва, 2009// «Современные наукоемкие технологии», 2009, №6, с. 12-13.

11. Хамидуллина (Хлебникова) И.В. Подбор оптимальных условий для культивирования сульфатвосстанавливающих бактерий, используемых при очистке промышленных стоков/ Хлебникова И.В., Хлебникова Т.Д., Топоркова A.B.// Экология, образование, промышленность: материалы Межрегиональной научно-практической конференции - Уфа, 2009, с.57-58.

12. Хамидуллина (Хлебникова) И.В. Разработка биохимического метода очистки сточных вод от тяжелых металлов/ Хлебникова И. В., Смирнов Ю. Ю., Хлебникова Т.Д., Кирсанова Т.В., Кантор П. А. // Безопасность жизнедеятельности, 2009, К» 9, с. 22-25.

13. Хамидуллина (Хлебникова) И.В. Разработка технологии доочистки сточных вод машиностроительных предприятий/ Хлебникова И. В., Смирнов

Ю. Ю., Кирсанова Т.В. //«Покрытие и обработка поверхности, 6-я международная конференция, Москва, РХТУ им Д.И. Менделеева, 2009, с. 136-138.

14. Хамидуллина (Хлебникова) И.В. Подбор флокулянтов для интенсификации процесса осаждения шлама на станции нейтрализации сточных вод горнообогатительного комбината/ Смирнов Ю.Ю., Кирсанова Т.В., Хлебникова И.В.// Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2008. № 9. С. 28-31.

15. Хамидуллина И.В. Выбор иммобилизационного материала с целью оптимизации процесса биологической сульфатредукции/ Хусаинов М.А., Хлебникова Т.Д., Хамидуллина И.В., Федорова А.Б. «Современные наукоемкие технологии» 2010, №8, стр. 156-157.

16. Хамидуллина И.В. Оптимизация процесса осаждения ионов тяжелых металлов из сточных вод в виде нерастворимых сульфидов/ Хлебникова Т.Д., Хамидуллина И.В., Динкель В.Г., Кирсанова Т.В. «Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники», материалы всероссийской заочной электронной конференции http://www.econf.rae.ru/article/5849, Москва, январь, 2011 г.

17. Хамидуллина И.В. Оптимизация процесса отвода биогенного сероводорода из анаэробного биореактора/ Хлебникова Т.Д., Хамидуллина И.В., Кирсанова Т.В., Бычкова О.В. «Современные проблемы загрязнения окружающей среды», материалы международной научной конференции, Москва-Тенерифе, март, 2011«Успехи современного естествознания», 2011, № 4, с. 118-119.

18. Хамидуллина И.В. Изучение эффективности очистки модельных стоков от ионов тяжелых металлов/ Хлебникова Т.Д., Хамидуллина И.В., Кирсанова Т.В., Бычкова О.В. «Современные проблемы загрязнения окружающей среды», материалы международной научной конференции, Москва-Тенерифе, март, 2011, «Успехи современного естествознания», 2011, № 4, с, 119-120.

19. Хамидуллина И.В. Разработка автоматизированной лабораторной установки очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов/ Хлебникова Т.Д., Хамидуллина И.В, Динкель В.Г, Бычкова О.В. «Новые технологии, инновации, изобретения», материалы международной научной конференции, Москва-Мальдивы, март, 2011, «Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований», 2011, № 5, с. 60.

Подписано в печать:

14.02.2012

Заказ № 6647 Тираж -120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Хамидуллина, Инна Вадимовна, Москва

61 12-5/1695

уфимскии государственный нефтяной

технический университет

На правах рукописи

Хамидуллина Инна Вадимовна

биологическая очистка сточных вод от тяжелых металлов с использованием сульфатвосстанавливающих бактерий

Специальность 03. 02. 08. - Экология (в химии и нефтехимии)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Доктор химических наук, профессор

Кантор Е.А.

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ

С.

Введение................................................................................................................................................................................................................................................................................................4

1 Обзор литературы................................................................................................................................................................................................9

1.1 Биохимическая очистка промышленных сточных вод от ионов тяжелых металлов и сульфатов - научные и технологические аспекты, аппаратурное оформление..........................................................................................................................................................................9

1.2 Характеристика используемой микробиологической культуры сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ)......................................................................................................................25

1.2.1. Роль и место СВБ в природных экосистемах....................................................................................25

1.2.2 СВБ - общая характеристика, особенности питания и условия культивирования............28

2 Материалы и методы............................................................................................................................................................................................................................................34

2.1 Характеристика места отбора проб......................................................................................................................................................................34

2.2 Краткая характеристика питательных сред, используемых для анализа и поддержания роста СВБ........................................................................................................................................................................................................................................35

2.3 Консорциумы и штаммы СВБ........................................................................................................................................................................................36

2.3.1 Консорциумы СВБ..............................................................................................................................................................................................................................36

2.3.2 Штаммы СВБ................................................................................................................................................................................................................................................36

2.4 Молекулярно-генетические методы....................................................................................................................................................................36

2.4.1 Выделение ДНК и амплификацию генов 16Б рРНК с универсальными праймерами

и группоспецефичными для СВБ праймерами....................................................................................................................................................................36

2.4.2 Рестрикционный анализ генов 16Б рРНК....................................................................................................................................................37

2.4.3 Секвенирование амплифицированных фрагментов генов 168 рРНК..........................................................37

2.5 Методика синтеза и анализа фурилзамещенных 1,3-диоксациклоалканов и их 37 ациклических производных

2.5.1 Методы анализа синтезируемых соединений < 38

2.5.2 Очистка исходных реагентов 38

38

2.5.3. Методика синтеза 2-(фурил-2)-1,3-диоксациклоалканов

2.5.4 . Методика получения а-триэтилсилокси-со-фурфурилоксиалканов 40

2.6 Химические анализы........................................................................................................................................................................................................................43

2.6.1 Определение сероводорода и сульфидов......................................................................................................................................................43

2.6.2 Определение концентрации сульфат-ионов РД 118.02.10-88....................................................................................43

2.6.3 Определение содержания белка....................................................................................................................................................................................46

2.6.4 Измерение рН и окислительно-восстановительного потенциала (ОВП)................................................47

2.6.5 Измерения концентраций ионов тяжелых металлов и химического потребления 47 кислорода (ХПК)...................................................................................................................................

2.7 Техника безопасности при работе с газообразными и жидкими ядовитыми веществами (растворенный и газообразный сероводород)................................................................................................................47

3 Результаты и обсуждение..............................................................................................................................................................................................................................49

3.1 Отбор и идентификация высокоактивных консорциумов СВБ..................................................................49

3.2 Экспериментальное исследование сульфатредукции в анаэробных биореакторах различной конструкции....................................................................................................................................................................................51

3.2.1 Подбор оптимальных условий культивирования..........................................................................................................................51

3.2.2 Адаптация выбранной активной культуры к ингибирующему воздействию повышенных концентраций органики, сульфатов и ионов тяжелых металлов..........................................................55

3.2.3 Экспериментальное исследование сульфатредукции в анаэробном биореакторе проточного типа со свободно плавающей биомассой (НАБВ - анаэробный реактор с восходящим потоком жидкости через слой гранулированной биомассы)..........................................................................66

3.2.4 Подбор оптимального инертного материала-носителя для иммобилизации СВБ..................76

3.2.5 Изучение влияния иммобилизации СВБ на эффективность процесса сульфатредукции......................................................................................................................................................................................................................................................................83

3.2.6 Изучение влияния органических стимуляторов роста класса 1,3-дегетероциклоалканов на жизнедеятельность СВБ и эффективность процесса биохимической сульфатредукции......................................................................................................................................................................................................................................................................87

3.2.7 Экспериментальное исследование сульфатредукции в анаэробном биореакторе непроточного типа с прикрепленной биомассой («генератор» сероводорода)............................................................95

3.2.8 Разработка автоматизированной лабораторной установки очистки модельных сточных вод от ионов тяжелых металлов......................................................................................................................................................................................99

3.2.9 Оптимизация работы отдельных узлов лабораторной установки очистки сточных

вод от ионов тяжелых металлов....................................................................................................................................................................................................................108

3.3 Математическое моделирование процесса сульфатредукции............................................................................118

3.4 Интенсификация биологической сооружений очистки промышленных и хозяйственно-бытовых сточных вод..........................................................................................................................................................................................125

3.4.1 Интенсификация работы анаэробной биологической, сооружений очистки хозяйственно-бытовых сточных вод ОАО «Учалинский ГОК»..........................................................................................................125

3.4.2 Рекомендации по интенсификации работы сооружений биологической очистки ОАО «Учалинский ГОК» 1 з 1

Выводы..................................................................................................................................................................................................................................................................................................134

Список использованных источников..........................................................................................................................................................................................136

ПРИЛОЖЕНИЕ А............................................................................................................................................................................................................................................................145

ПРИЛОЖЕНИЕ Б............................................................................................................................................................................................................................................................146

ПРИЛОЖЕНИЕ В............................................................................................................................................................................................................................................................162

ПРИЛОЖЕНИЕ Г............................................................................................................................................................................................................................................................163

ПРИЛОЖЕНИЕ Д............................................................................................................................................................................................................................................................164

ПРИЛОЖЕНИЕ Е.......................................................................................................................................................................165

введение

В настоящее время многие водоемы мира утратили свое значение как источники рыбохозяйственного и санитарно-бытового водопользования из-за попадания в них сточных вод промышленных предприятий.

Одним из приоритетных видов загрязнений промышленных сточных вод является присутствие в них ионов тяжелых металлов (Сё, №, Сг, Тп, Си, Бе и др.). Эти загрязнения, характерны для сточных вод машиностроительной, горнодобывающей отраслей промышленности, а также химической и нефтехимической промышленности (процессы с использованием металлических катализаторов, производство вискозы, свинцовых белил и пр.) и представляют собой угрозу экологическому равновесию природных экосистем и здоровью человека.

Очистку промышленных сточных вод от ионов токсичных металлов обычно осуществляют путем гидроксидного или сульфидного осаждения, реже - гальванокоагуляцией [1]. Перспективной альтернативой этим методам является применение для осаждения тяжелых металлов в форме нерастворимых сульфидов биогенного сероводорода - продукта жизнедеятельности анаэробных сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ). Процесс биохимической сульфатредукции сопровождается одновременным окислением органических субстратов, присутствующих в стоках или специально вносимых в них. Параллельно с осаждением тяжелых металлов культивирование СВБ может решить проблему утилизации сульфатов, содержащихся в сточных водах многих отраслей промышленности.

На сегодняшний день разработаны различные биохимические технологии очистки промышленных сточных вод, основанные на процессе анаэробной сульфатредукции, однако за рубежом они применяются значительно чаще, чем в нашей стране.

Внедрение нового метода очистки требует детального изучения процесса сульфатредукции, проведения ряда лабораторных исследований,

таких как: комплексное микробиологическое исследование и родовая идентификация природного консорциума СВБ, адаптация его к росту на различных углеводородных субстратах, а также изучения различных условий культивирования микроорганизмов, определение оптимальных и критических значений основных факторов, влияющих на процесс. Для подбора оптимального аппаратурного оформления процесса очистки сточных вод от тяжелых металлов, сульфатов и органических примесей необходимо тщательное сравнение различных конструкций лабораторных и опытно-промышленных биореакторов, а также схем биохимической очистки.

Совершенствование процесса биохимической очистки стоков от тяжелых металлов и сульфатов с использованием СВБ является актуальной задачей. Этот процесс может быть интенсифицирован применительно к условиям конкретного предприятия путем подбора оптимальной технологической схемы биоочистки, а также выбора наилучших условий культивирования СВБ и состава питательной среды. Значительного повышения выхода биогенного сероводорода можно добиться за счет иммобилизации культуры СВБ на поверхности различных инертных носителей, а также за счет применения в малых количествах органических соединений, являющихся стимуляторами роста и развития СВБ.

Отправной точкой для дальнейшего проектирования служит математическое и технологическое моделирование биохимической сульфатредукции, на основании которого производится расчет основных кинетических параметров процесса и составление проектно-технологической документации на биотехнологическое оборудование процесса очистки стоков.

Цель работы; исследование влияния различных абиотических факторов на процесс жизнедеятельности консорциума СВБ, разработка практических мер, направленных на совершенствование процесса биохимической сульфатредукции с целью повышения эффективности

очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов, представляющих угрозу равновесию природных экосистем.

В соответствии с поставленной целью целесообразно решить следующие задачи:

- выделение из природной среды и родовая идентификация природного консорциума СВБ;

адаптация выделенного консорциума к росту на разных углеводородных субстратах и к различным условиям культивирования микроорганизмов, определение оптимальных и критических значений основных факторов, влияющих на жизнедеятельность СВБ и процесс сульфатредукции;

- исследование влияния на выход биогенного сероводорода органических биостимуляторов, а также иммобилизации клеток СВБ на инертных носителях;

- сравнение вариантов аппаратурного оформления процесса очистки сточных вод от тяжелых металлов, сульфатов и органических примесей, апробирование различных конструкций биореакторов и схем биохимической очистки, разработка автоматизированной установки очистки стоков.

Научная новизна.

Осуществлено культивирование консорциума СВБ на глицеринсодержащих питательных средах;

Осуществлен синтез фурилзамещенных 1,3-диоксациклоалканов и их ациклических производных, определено влияние полученных соединений на жизнедеятельность СВБ и выход биогенного сероводорода в процессе биохимической сульфатредукции;

Разработана автоматизированная установка очистки, предусматривающая разделение потоков сточных вод по содержанию ионов тяжелых металлов на концентрированные и разбавленные;

Разработана упрощенная математическая модель, описывающая процесс биохимической сульфатредукции.

Практическая значимость. Выделен из природной среды консорциум микроорганизмов, на основе которого, путем культивирования СВБ, осуществлена генерация микроорганизмов в количестве, достаточном для использования на очистных сооружениях промышленных предприятий. Осуществлена адаптация выращенной культуры к росту на альтернативном органическом субстрате - глицерине. Проведено усовершенствование технологических схем биоочистки стоков за счет изменения конструкций анаэробных биореакторов, автоматизации процесса, использовании при культивировании СВБ инертного носителя и органических биостимуляторов. Результаты исследований внедрены на ОАО «Учалинский горнообогатительный комбинат (ГОК)» и ОАО «Полиэф».

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на всероссийской заочной электронной конференции «Проблемы экологического мониторинга» (Москва, 2007г.), III научной международной конференции «Актуальные проблемы науки и образования», (Куба, 2008 г.), научной международной конференции «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», (Италия, 2008 г.), VI международной конференции «Современное состояние микробиологии и биотехнологии» (Минск, 2008 г.), международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук» (Уфа, 2009 г.), общероссийской научной конференции «Актуальные вопросы науки и образования», (Москва, 2009 г.), межрегиональной научно-практической конференции «Экология, образование, промышленность» (Уфа, 2009 г.), VI международной конференции «Покрытия и обработка поверхности (Москва, 2009 г.). Работа выполнена в рамках Программы «Старт» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (ФСРМФП в НТС) г. Москва, Государственный контракт №4547р/5375 «Разработка биотехнологического метода удаления тяжелых металлов из промышленных сточных вод» - 2007-2008гг., Государственный контракт №6329р/5375

«Разработка пакета проектно-технологической документации на биотехнологический метод удаления тяжелых металлов из промышленных сточных вод» - 2009г., а также Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 гг., в рамках реализации мероприятия 1.4 «Развитие внутрироссийской мобильности научных и научно-педагогических кадров путем выполнения научных исследований молодыми учеными и преподавателями в научно-образовательных центрах», Государственный контракт П1623 от 10 сентября 2009 г., Программы германской службы международных обменов DAAD «Михаил Ломоносов II» (проект «Разработка технологии очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов методом биохимической сульфатредукции») - 2010г. и Программы «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («УМНИК») - 2011г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 12 статей и тезисы 7 докладов.

Автор выражает признательность Кантору Е.А. за внимание и поддержку при проведении исследовательской работы, а также благодарит Смирнова Ю.Ю. Кирсанову Т.В., Хлебникову Т.Д. и Динкеля В.Г. за содействи�