Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Использование термофильных бактерий для очистки минерализованных геотермальных и попутно-нефтяных вод от органических загрязнителей

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Использование термофильных бактерий для очистки минерализованных геотермальных и попутно-нефтяных вод от органических загрязнителей"



На правах рукописи

ТЕТАКАЕВА ЕЛЕНА АНАТОЛЬЕВНА

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМОФИЛЬНЫХ БАКТЕРИЙ ДЛЯ ОЧИСТКИ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ И ПОПУТНО-ПЕФТЯНЫХ ВОД ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ

11.00.11. - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Махачкала - 1998

Работа выполнена на кафедре экологической химии и технологии Дагестанского государственного университета и Всероссийском научно-исследовательском и проектном институте геотермальных гидроминеральных ресурсов («ВНИПИгео-терм») в течение 1987-1998 гг.

Научный руководитель: кандидат химических наук,

доцент Алиев 3. М.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессор Исуев А. Р. кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Курбанова И. 3.

Ведущее учреждение: Институт проблем геотермии Дагестанского Научного Центра Российской Академии Наук, г. Махачкала.

г-о о

Защита состоится 9 » 1998г. в ча-

сов на заседании диссертационного совета К. 179.01.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте прикладной экологии, 0367012 , г. Махачкала, ул. Дахадаева 21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной экологии (ул. Дахадаева 21).

Отзывы просим направлять по адресу: 367012, г. Махачкала, ул. Дахадаева 21, Институт прикладной экологии, ученому секретарю.

Автореферат разослан « » СЫгиЛ^ъ Ь 1998г.

Ученый секретарь диссертационного />

совета , кандидат биологических нау!^^¿¿^сл А.А. Алиева

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Среди экологических проблем вопросы практических мер по охране гидросферы являются особенно актуальными.

Интенсивное антропогенное воздействие на водоемы и прибрежные морские воды Каспийского моря привело к тяжелой экологической ситуации в Республике Дагестан, что обусловлено сбросом сотен миллионов тонн неочищенных канализационных, промышленных, сельскохозяйственных сточных вод, содержащих тысячи тонн биогенных и органических загрязнителей, солей тяжелых металлов, десятки тонн нефтепродуктов.

Кроме того, негативное влияние на окружающую среду оказывают предприятия газовой и нефтяной промышленности, которые сбрасывают отработанные неочищенные геотермальные и попутно-пластовые воды, содержание фенолов и нефтепродуктов в которых превышают в 1000 и более раз нормы ПДК.

Экологическая ситуация в Дагестане усугубляется тем, что нормально не функционируют городские очистные сооружения, а на предприятиях не налажена эффективная локальная очистка стоков.

Для очистки промышленных сточных вод от токсичных веществ известны физико-химические методы (окисление хлором, озонирование, адсорбция и др.), однако, они недостаточно эффективны, технически сложны и дорогостоящие. Наиболее эффективны и перспективны для этих целей биологические методы очистки с использованием прикрепленных селекционированных бактерий, в основном мезофилов, активных при температуре не выше 30°С.

В этой связи актуальной является разработка методов с использованием в биологической очистке селекционированных термофильных бактерий, обладающих высокой скоростью роста, вариабельностью к кислороду и обменом веществ, оцениваемые в 1,5-2 раза выше, чем у мезофилов при высоких температурах.

Особый научный интерес представляют термофильные бактерии рода Bacillus sp. и Arthrobcicter sp., способные окислять, например, фенолы и нефтепродукты в экстремальных условиях (минерализация 10-30 г/л, температура до 80°С).

Цель работы. Разработка эффективных экологически чистых методов биологической очистки минерализованных геотермальных и попутно-нефтяных вод от органических загрязнителей (фенолов, нефтепродуктов и др.) в широком температурном диапазоне 20-60°С с использованием аэробных термофильных бактерий-деструкторов и создание на их основе технологических схем, рекомендаций на проектирование очистных установок.

Поставленная цель достигалась при решении следующих задач:

1. Выделить из биоценоза минерализованных геотермальных и попутно-нефтяных вод аэробные термофильные бактерии-деструкторы рода Bacillus sp. и Arthrobacter sp., и изучить их фи-зиолого - биохимические свойства.

2. Изучить кинетику окисления органических загрязнителей минерализованных вод в лабораторных и полупроизводственных условиях.

3. Определить оптимальные параметры технологического процесса биологической очистки геотермальных и попутно-нефтяных вод от фенолов, нефтепродуктов и др. с использованием иммобилизованных термофильных бактерий рода Bacillus sp. и Arthrobacter sp..

4. Разработать способы глубокой очистки геотермальных и попутно-нефтяных вод от органических загрязнителей.

5. Разработать технологические схемы, рекомендации на проектирование установок по очистке минерализованных геотермальных и попутно-нефтяных вод с использованием разработанной биотехнологии.

Научная новизна. Установлена возможность эффективной биологической очистки геотермальных и попутно-нефтяных вод с минерализацией 1-30 г/л и температурой от фенолов, нефтепродуктов и других загрязнителей с использованием аэробных термофильных бактерий-деструкторов.

Из исходных минерализованных вод выделены 2 штамма термофильных бактерий-деструкторов рода Bacillus sp. и Arthrobacter sp., и изучены их физиолого-биохимические свойства.

Разработан способ, сокращающий до 3-5 суток время ввода очистных установок в рабочий режим за счет введения "затравки" -термофильных бактерий-деструкторов.

Впервые разработан био-адсорбционный способ очистки сточных и минерализованных вод от органических загрязнителей одновременно иммобилизованными термофильными бактериями и адсорбентом - активированным углем.

Практическая значимость и внедрение результатов работы.

Дано научное обоснование, установлены оптимальные параметры биологических методов очистки. С использованием аэробных термофильных бактерий составлена программа кинетики окисления органических загрязнителей минерализованных вод, отличающихся химическим составом.

Предлагаемая биотехнология очистки испытана в полупроизводственных условиях на реальных геотермальных и попутно-нефтяных водах и рекомендована к внедрению для улучшения экологического состояния гидросферы.

Основные результаты диссертационной работы реализованы в технологических схемах, рекомендациях на проектирование опытно-промышленных установок по глубокой очистке геотермальных (Тернаир, Кизляр — производительностью 500 м3/сут) и попутно-нефтяных (Махачкала-Тарки — производительностью 150 м3/сут) вод.

Материалы исследований биотехнологии очистки сточных и минерализованных вод иммобилизованными термофильными бактериями могут быть использованы в лекционных курсах по экологии и биотехнологии.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на II научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Пути ускорения научно-технического прогресса в использовании глубинного тепла Земли", Махачкала, 1986; Х1П научно-практической конференции по охране природы Дагестана, Махачкала, 1995; Всероссийской научно-практической конференции "Экология и комплексная проблема охраны Каспийского моря и его побережья", Махачкала-Москва, 1997; конференции ДГУ "Актуальные вопросы химии и химической технологии", Махачкала, 1997.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты экспериментальных исследований по разработке биологических методов очистки минерализованных геотермальных и попутно-нефтяных вод от органических загрязнителей с использованием иммобилизованных аэробных термофильных бактерий-деструкторов.

2. Результаты исследований глубокой очистки минерализованных геотермальных и попутно-нефтяных вод от фенолов, нефтепродуктов, гумусовых веществ и других загрязнителей.

3. Сравнительная оценка эффективности методов биологической и глубокой очистки минерализованных вод, технологические схемы и рекомендации на проектирование опытно-промышленных установок по глубокой очистке геотермальных и попутно-нефтяных вод.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, получено 1 авторское свидетельство и 1 патент.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений.

Объем работы составляет 157 страниц и включает 14 рисунков, 9 таблиц, 5 приложений. Список использованной литературы содержит 171 наименования.

Краткое содержание диссертации.

Введение. Обоснована актуальность проблемы и сформулирована цель исследования.

В первой главе (обзорной) анализируются экологические проблемы, связанные с использованием ресурсов геотермальной энергии в народном хозяйстве и разработкой нефтегазовых месторождений. Приводятся данные физико-химического состава минерализованных вод геотермальных месторождений Северного Кавказа, свидетельствующие о содержании в них органических загрязнителей -фенолов, гумусовых веществ и др. Делается вывод, что обратная закачка в пласт отработанных вод не всегда технологически возможна и экономически целесообразна, в связи с чем альтернативным решением является очистка минерализованных геотермальных и попут-

но-нефтяных вод от токсичных загрязнителей перед сбросом их в зодоем.

Дан обзор физико-химических (окисление хлором, электрохимическое окисление, озонирование, адсорбция, обратный осмос, радиационная обработка, экстракция) и биологических методов очистки промышленных сточных и минерализованных вод от органических загрязнителей.

Анализ литературных данных свидетельствует о недостатках физико-химических методов очистки: реагентно- и энергоемкость процессов, сложность технологического оборудования, коррозионная активность, пожаро-взрывоопасность, высокая удельная стоимость, эграничения по температуре (не выше 30°С) и другие.

Биологическая очистка активным илом и установки нового поко-пения на их основе не эффективны для очистки геотермальных и попутно-нефтяных вод, ввиду ограничений по минерализации (не 5олее 10 г/л) и температуре (4-30°С).

Сделан вывод, что с целью охраны окружающей среды от фено-тов, нефтепродуктов и других загрязнителей актуальны вопросы разработки эффективного экологически чистого биологического способа очистки, основанного на использовании термофильных бактерий, обладающих высокой деструктивной активностью в широком температурном диапазоне.

Во второй главе - "Материал и методы исследований" обосновывается выбор объектов исследования минерализованных геотермальных вод со скважин 27-т (Тернаир), 4-т, 5-т (Кизляр) и попутно-нефтяных с групповой скважины (Махачкала-Тарки), дается их физико-химический состав и описание лабораторных и полупроизводственных установок по их очистке. Приводится методика выделения термофильных штаммов бактерий-деструкторов из исходных минерализованных вод методом накопительной культуры. При идентификации выделенных бактерий пользовались определителем Берги ;1984).

Исследования биотехнологического процесса очистки минерализованных вод осуществляли в лабораторных и полупроизводственных условиях в периодическом и проточном режимах при различных температурах, продолжительности очистки, дозах и состоянии Зактерий.

Для характеристики физиологического состояния термофильных бактерий использовали такие параметры, как удельную скорость роста клеток (р.), биомассу (X). Прирост биомассы определяли весовым методом, а удельную скорость роста клеток - по уравнению Моно.

В пробах воды до и после очистки суммарное содержание фенолов определяли фотометрическим методом с применением амидопирина, нефтепродукты - люминесцентным методом, гумусовые вещества, химическое (ХГЖ), биологическое (БПК5) потребление кислорода, хлориды, кальций, магний, карбонаты - титровальными методами, сульфаты - весовым, а общее железо - фотометрическим методом с роданидом.

В третьей главе - "Биотехнология очистки минерализованных вод от органических загрязнителей" изложены результаты экспериментальных многовариантных исследований с целью определения оптимальных параметров очистки минерализованных геотермальных и попутно-нефтяных вод от органических загрязнителей иммобилизованными термофильными бактериями-деструкторами.

Результаты исследований, представленные в таблице 1, показали возможность биологической очистки минерализованных геотермальных вод на биофильтре с керамзитовой загрузкой.

Делается вывод о целесообразности использования биофильтра с керамзитовой загрузкой в качестве первой ступени с последующей доочисткой минерализованных вод до норм ПДК известными физико-химическими методами. В то же время к недостаткам биофильтров следует отнести трудности наращивания специализированного биоценоза и управление процессом очистки.

Дальнейшие исследования по разработке биотехнологии очистки геотермальных и попутно-нефтяных вод от органических загрязнителей проводили в аэротенке - открытой управляемой системе с иммобилизованными термофильными бактериями-деструкторами.

Таблица 1

Результаты очистки минерализованных вод на биофильтре с _керамзитовой загрузкой_

Минера- Вре- Фенолы, Степень БПК;, Степень

Варианты лизация, мя, мг/л очистки, % мг/л очистки,

г/л час по фенолу % по БПК,

Геотермаль- 0 12 - 90 -

ные ВОД£1 24 3 6,5 54 65 28

6 3,6 70 54 40

12 1,8 85 34 62

24 1,2 90 30 66

Смешан- 0 6,0 - 120 -

ный 12,1 3 2,1 65 90 25

Сток (1:1) 6 1,2 80 75 37

Геогерм.+ 12 0,6 90 45 62

хоч быто- 24 0,3 95 35 70

вая вода

Из накопительной культуры были выделены два штамма термофильных бактерий- Bacillus sp. и Arthrobacter sp., которые находились в ассоциации и не были патогенными д ля человека и животных.

Штамм Bacillus sp. - аэроб, факультативный анаэроб, образует споры, растет при 0,5-2,0 М NaCl, в диапазоне температур 20-89°С (оптимальная температура роста - 30-55°С), галофил, утилизирует фенолы и нефтепродукты на 96-100%.

Штамм Arthrobacter sp. - аэроб, спор не образует, растет при 1,52,5 М NaCl, диапазон роста 10-85°С (оптимальная температура роста - 37-60 С), галофил, утилизирует углеводороды при

Установлен оптимальный температурный диапазон для очистки минерализованных вод адаптированным активным илом - 20-30°С и иммобилизованными бактериями-деструкторами -

45-60°С (Рис. 1).

Экспериментальные исследования подтвердили литературные данные (Д.Ф. Звягинцев, 1973; П.И. Гвоздяк с соавт., 1989, 1996 и др.) об интенсификации процесса очистки иммобилизованными на инертной загрузке бактериями по сравнению со свободноплавающими (рис. 2).

Как показали исследования, окисление фенолов в геотермальных и попутно-нефтяных водах происходит эффективнее в установках с

иммобилизованными термофильными бактериями-деструкторами (90-98%) при дозе 2-5 г/л (ершовая загрузка 10 г/л), по сравнению со свободноплавающими (70-80%) при дозе 10-20 г/л.

Анализ данных позволил разработать приоритетный способ биологической очистки геотермальных вод от фенолов, предусматривающий введение в качестве "затравки" термофильных штаммов бактерий Bacillus и Arthrobachter в количестве 2-5 г/л (A.C. №179 4891). Были проведены исследования влияния минерализации, химического состава вод и времени очистки на процесс утилизации фенолов. Очистку минерализованных вод проводили в термостатированных аэротенках при 45°С термофильными бактериями-деструкторами дозой 5 г/л и ершовой загрузкой 15 г/л.

Установлено, что воды с минерализацией 6 и 15 г/л через 2 и 3 часа очищались от фенолов соответственно на 92%, 77%, и 95%, 86%, а через 4 часа фенолы в пробах отсутствовали. Геотермальные (24 г/л) и попутно-нефтяные воды (29 г/л) очищались от фенолов через 2 и 3 часа соответственно на 65%, 70% и 79%, при этом и после 6 часовой очистки в пробах содержание фенолов превышало допустимые нормы ПДК в 100 раз.

Таким образом, геотермальные и попутно-нефтяные воды с минерализацией до 15 г/л могут быть очищены по одноступенчатой схеме, а с минерализацией 15-30 г/л требуется глубокая очистка по двухступенчатой.

С целью уточнения технологических параметров экспериментальные исследования проводили на реальных геотермальных и попутно-нефтяных водах в полупроизводственных условиях.

Основные технологические параметры пилотной установки:

Объем установки, л 300

Температура воды, °С 45-50

Доза -"затравка" бактерий, г/л 5

Вес ершовой загрузки, г/л 15 Режим работы установки:

периодический, ч 2, 4, 6

проточный, ч-1 (Д) 0,25-0,5

Интенсивность аэрации, л/л-ч 1-2

Результаты очистки геотермальных и попутно-нефтяных вод от органических и неорганических загрязнителей в полупроизводственных условиях приведены в таблице 2.

Установлено, что в "закрытой системе" (при периодическом режиме) прирост биомассы бактерий через 6 часов составил 5-6 кг/м3, при этом удельная скорость роста клеток (ц) составила 0,25 ч-1, а максимальная (|лмах) - 0,5 ч~ . Исследования параметров очистки в проточном режиме проводили с коэффициентом разбавления (Д) -0,25 ч-1 и 0,5 чч, то есть при Д=ц, когда количество бактерий поддерживается в аэротенке на постоянном уровне.

Установлено, что в условиях проточного режима работы пилотной установки интенсифицируется процесс очистки геотермальных и попутно-нефтяных вод, при этом степень очистки от фенолов составила 97-99%, неф тепродуктов - 98%, ХПК, БПК5 - 85-90%, отмечено снижение в очищаемойводе кальция, магния, борной кислоты и других загрязнителей (табл. 2).

Для уточнения основных параметров очистки (скорость и время процесса) были обработаны на ЭВМ данные кинетических кривых окисления органических загрязнителей геотермальных и попутно-нефтяных вод (Рис. 3).

Экспериментальную зависимость эффективности очистки от времени у^) апроксимировали функцией вида:

Х0 = ^ах«[1-еЧ>(-«-01 (1) а=7 (2)

где у,,¡к - значение функции у при 1;—> со ;

а - скорость процесса;

т -время процесса.

Установлено, что оптимальное время очистки геотермальных и попутно-нефтяных вод в аэротенке иммобилизованными термофильными бактериями-деструкторами составляет 1,23-2,45 часа, а скорость процесса - 0,4-0,8 ч-1 с необходимостью дальнейшей до-очистки другими методами.

Таблица 2

Результаты очистки минерализованных вод в полупроизводственных условиях_

До очистки Периодический режим Проточный режим

Показатели, геотермальные воды попутно-нефтя-ные воды 2 час 4 час 6 час В=0,25ч> 0,5ч'

мг/л геот. п-нефт геот. п-нефт геот. п-нефт Геот. а-нефт геот. п-нефт.

РН 7,2 6,0 8,0 7,0 8,0 7,0 8,0 7,0 8,2 7,6 8,2 7,6

Минерализация, г/л 24,3 29,2 24,1 29,0

Фенолы 10,0 3,4 3,8 0,7 2,0 0,2 0,1 0,1 1 0,3 0,1 од 001-0,004

62 80 80 94 99 91 97 97 99 99$

Нефтепродукты отс. 12,0 отс 4,8 60 отс 1,8 85 отс 0,6 95 отс 0,4 97 отс 0,3 98

БГШ, мгО/л 90 61 44,0 24,4 1 8,8 12,2 1 6,2 8,0 15,0 10,0 10,0 6,0

51 60 69 80 82 87 83 83 88 9 0

ХПК, мгО/л 1800 1120 1080 537 630 302 40 6 209 270 1 12 270 102

40 52 65 71 77 81 85 90 85 90

Калыщй 90 200 32,0 52,6 28,8 60,0

64 73 68 70

Магний 54 52,3 1 0,8 34,8 8,7 6,0

80 33 84 88

Железо общ. 1.3 0,75 0,02 0,003 0,02 отс

98 99 99 100

Борная кислота 316 96,7 80,0 32,5 5 6,0 30,0

74 66 82 68

Примечание: в числителе - остаточное содержание, мг/л; в знаменателе - степень очистки, %; Б - коэффициент разбавления, т1.

Проводится анализ существующих методов глубокой очистки сточных вод. Так, доочистку сточных вод В.М. Швецов с соавторами (1980) предлагали осуществлять в двухступенчатой установке во взвешенном слое активированного угля, H.H. Найденко (1990) - озо-но-воздушной смесью и далее на биофильтре, C.B. Яковлев с соавторами (1995)- на биосорберах.

Установлено, что очистка минерализованных (24 г/л) и попутно-нефтяных вод (29 г/л) в двухступенчатой установке ( I ступень - аэротенк с иммобилизационными термофильными бактериями, П ступень - биофильтр с загрузкой — активированным углем) обеспечивала в течение трех часов их глубокую доочистку от фенолов на 98,9-100%, нефтепродуктов 98%, ХПК, БПК5 - 90%.

Известно, что в Дагестане, кроме высокоминерализованных имеются большие запасы слабоминерализованных вод (менее 10 г/л), использование которых в народном хозяйстве сдерживается наличием фенолов и гумусовых веществ, в 10-1000 раз превышающих нормы ПДК.

В этой связи разработан способ био-адсорбционной очистки, включающий обработку минерализованных вод в биореакторе одновременно иммобилизованными термофильными бактериями и адсорбентом - активированным углем (Патент №9610644).

Био-адсорбционным способом эффективно очищали слабоминерализованные воды от фенолов (99-100%) и гумусовых веществ (94-96%). Способ позволяет реализовать многостадийный механизм окисления органических загрязнителей за счет:

- увеличения площади адсорбента, ввиду его раздробленности и сокращения в 3-5 раз расхода дорогостоящего активированного угля по сравнению с известными методами;

- стимулирования скорости роста клеток бактерий, ввиду их адгезии к твердой поверхности адсорбента;

- создания условий для иммобилизации и адгезии клеток, активного их роста и продуцирования фермента монооксидазы, расщепляющего фенолы и другие органические примеси.

В четвертой главе - "Сравнительная оценка эффективности очистки минерализованных вод и рекомендуемые технологические схемы" дается анализ результатов многовариантных исследований

Таблица 3

Технико-экономические показатели различных методов очистки сточных

___и геотермальных вод от фенолов __________

Методы Производитель- Фенолы в нсх. Степень Себестоимость очистки 1 м* воды, в ценах 1998 г., руб.

очистки ность, тыс.м'/сут. очищенной воде, мг/л очистки, % сточные воды геотермальные

1 2 3 4 5 6

Биологический с активным илом 1762 10/0,5 95 1,5-7,5 нет данных

Биофильтр с керамзитовой загрузкой и II 10/0,5-1,0 90-95 1,5-6,0 0,75 - 3,75

Биотехнология с иммобил. термофилами И И 10/0,01-0,00 99-100 0,37 - 0,75 0,15-0,37

Хлорирование II II 10/0,09-0,1 99 0,07 - 0,75 0,45

Адсорбция II к 10/0,1-0,01 99 2,25 - 22,5 2,32

Электрохнмнческо с окисление II __ и 10/0,3-0,05 97-99 2,9-18,7 0,75-1,75

Озонно-сорбцион-ный метод И II 10/0,1-0,001 98-99 2,25 - 7,72 1,5-3,75

по разработке биотехнологии и технико-экономических показателей эчистки сточных и минерализованных геотермальных вод различными методами (табл. 3).

Анализ данных свидетельствует о преимуществе биотехнологии с использованием иммобилизованных термофильных бактерий по сравнению с очисткой активным илом и физико-химическими методами.

Разработанная биотехнология позволяет эффективно очищать минерализованные геотермальные и попутно-нефтяные воды от органических (фенолы, нефтепродукты и др.) и биогенных загрязнителей (бор, магний, кальций, железо и др.), экономична и экологически безопасна.

Высокий эффект очистки достигается за счет иммобилизации термофильных бактерий на стеклоершах и создания большой биомассы в незначительном объеме сооружения. Производительность очистных сооружений увеличивается в 2-5 раз, расход энергии сокращается в 2-3 раза, при этом не требуется специального оборудования и упрощается техническое обслуживание.

Рекомендованы следующие условия выбора методов очистки геотермальных и попутно-нефтяных вод:

- при минерализации до 10 г/л и содержании фенолов до 2 мг/л, гумусовых веществ не более 1000 мг/л рекомендуется совмещенный био-адсорбционный метод;

- при минерализации до 30 г/л и содержании фенолов, нефтепродуктов более 10 мг/л рекомендуется двухступенчатая схема: на первой ступени (аэротенке) - очищать иммобилизованными термофильными бактериями-деструкторами, а на второй - в биофильтре с загрузкой.

По результатам исследований разработаны технологические схемы двухступенчатой глубокой очистки высокоминерализованных геотермальных и попутно-нефтяных вод и слабоминерализованных вод био-адсорбционным методом (рис. 4); разработаны рекомендации на проектирование и проекты на строительство опытно-промышленных установок по очистке отработанных геотермальных вод производительностью 500 м3/сут (Тернаир, Кизляр) и попутно-нефтяных вод производительностью 150 м3/сут (Махачкала-Тарки).

выводы

1. Выделены из биоценоза исходных вод и изучены 2 штамма термофильных бактерий - деструкторов. Один штамм бактерий относится к роду Bacillus sp, а другой - Arthrobacter sp.

2. Установлена возможность эффективной биологической очистки геотермальных и попутно-нефтяных вод от органических загрязнителей (фенолов 97-100%, нефтепродуктов 9598% и др.) с использованием иммобилизованных аэробных термофильных бактерий-деструкторов.

3. Разработаны научные основы и определены оптимальные параметры процесса (температура - 45-50°С, время очистки - 1,5-2,5 ч, скорость процесса - 0,4-0,8 ч-1) экологически чистой биотехнологии очистки минерализованных вод от органических загрязнителей с использованием аэробных термофильных бактерий-деструкторов.

4. Разработан способ, позволяющий сократить до 3-f суток время ввода очистных установок в рабочий режим за счел введения в аэротенк "затравки" - термофильных бактерий-деструкторов в дозе 2-5 г/л по сухой биомассе.

5. Разработана математическая модель окисления орга нических загрязнителей минерализованных вод, отличающиха химическим составом.

6. Впервые разработан способ био-адсорбционной очи стки сточных и минерализованных вод от фенолов, гумусовые веществ, нефтепродуктов одновременно иммобилизованным! термофильными бактериями и адсорбентом - активированныд углем.

7. По результатам проведенных исследований и техни ко-экономических расчетов рекомендованы условия выбора ме тода очистки минерализованных вод:

- при минерализации вод до 10 г/л и содержании фенолов до ; мг/л,

гумусовых веществ не более 1000 мг/л может быть рекомен дована био-адсорбционная очистка;

- при минерализации до 30 г/л и содержании фенолов, неф тепродуктов более 10 мг/л рекомендуется двухступенчатая схем; очистки: I ступень в аэротенке иммобилизованными термофиль

ными бактериями с доочисткой на П ступени в биофильтре с загрузкой.

8. Разработанная биотехнология, основанная на использовании иммобилизованных термофильных бактерий-деструкторов реализована в технологических схемах, рекомендациях и проектах на строительство опытно-промышленных установок по очистке геотермальных (Тернаир, Кизляр) и попутно-нефтяных вод (Махач-кала-Тарки).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Тетакаева Е.А., Дандамаев Х.Г. Биологическая очистка геотермальных вод от фенолов. //Тезисы докладов П научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Пути ускорения научно-технического прогресса в использовании глубинного тепла Земли". - Махачкала, 1986. — С. 46.

2. Рыбникова В.И., Тетакаева Е.А. Разработка биотехнологии очистки геотермальных вод от фенолов иммобилизованными микроорганизмами. Отчет НИР ВНИПИгеотерм, ВГФ №461135, -Махачкала, 1991. -40С.

3. A.C. №1794891. Способ биологической очистки геотермальных и попутно-нефтяных вод от фенолов. Авт. Рыбникова В.И., Тетакаева Е.А. Опубл. 15.02.93. Бюл. №6.

4. Тетакаева Е.А., Рыбникова В.И. Экологические проблемы Каспийского моря: оценка и перспективы. //Тезисы докладов ХШ конференции по охране природы Дагестана. - Махачкала, 1995. -С. 213-215.

5. Тетакаева Е.А., Рыбникова В.И. Обзорно-аналитический матери-ал"Интенсификация биологической очистки сточных вод". - Махачкала, вып. 4, ДагЦНТИ, 1996. - 37С.

6. Тетакаева Е.А. Биохимическая очистка минерализованных вод от органических загрязнителей. //Сборник трудов молодых ученых ДГУ. - Махачкала, 1996. - С. 75-80.

7. Тетакаева Е.А., Рыбникова В.И. Технологическая схема биологической очистки отработанных геотермальных вод. Информационный листок №53-96. ДагЦНТИ. - Махачкала, 1996. — 4С.

8. Тетакаева Е.А., Рыбникова В.И. Технологическая схема биологической и глубокой очистки попутных нефтяных вод. Информационный листок №57-96. ДагЦНТИ. - Махачкала, 1996. 4С.

9. Тетакаева Е.А., Рыбникова В.И. Технологическая схема очистки отработанных термальных вод на Тернаирском ТВЗ. //Сборник трудов. "Вопросы технологии комплексного освоения геотермальных ресурсов."ВНИПИгеотерм". - Махачкала, 1996. — С.

10. Алиев З.М., Тетакаева Е.А., Рыбникова В.И. Экологические и биотехнологические аспекты утилизации фенолов и нефтепродуктов в морской воде Каспия. // Материалы Всероссийской научно-практической конференции "Экология и комплексная проблема охраны Каспийского моря и его побережья". - Москва-Махачкала, 1997. - С. 83-85.

11. Рыбникова В.И., Тетакаева Е.А. Антропогенное воздействие на бактериальное состояние прибрежных вод Каспия. Там же. -Москва-Махачкала, 1997. - С. 109-110.

12. Патент №2108983 «Способ биохимической очистки сточных вод», авт. Тетакаева Е.А., Рыбникова ВН.

13. Алиев З.М., Тетакаева Е.А., Рыбникова В.И. Биотехнология очистки минерализованных вод от фенолов и нефтепродуктов. //Вестник ДГУ. - Махачкала, 1997. - С. 75 - 80

197-201.

GO

в о

s?

о

$ 40

о ©

Ен

20

0

20-

\ А

1

/ V. 1

40 GO 80

Тешература,°С

Рис Л. Зависимость окисления фенолов от температуры генерализованных еод

1- активный ил;

2- термофильные бактерий.

00

vi. 60

с-» о

у

о

if]

*-М ©

Г-i

&

■

О

40

20

I

-3

2' 4 6 8 10

До за,г/л

Рис.2. Зависимость окисления йеиолсв о? доз] я состояния термофильных бактерий

1- иь-моб плизованнно бактерии (Ï- 30°С);

2- (Т= 45°С);

3- сзободноилавагаие бактерии (Т=45°С),

4 Q.O

Бреет,час

Рис.3. Кднегнка окпслешм органических загрязнителей минерализованных вод

1- химическое потребление кислорода;

2- биологическое потребление кислорода;

3- нефтепродукты; 4- фонолы.

5"

Рис.4. Технологические схема установок по очистке шшерелшзованных вод о) двухступенчатая глубокая схема очистки; 5) бгю-адсорбционная схема очистки. ' 1-отсто1шик-усроднитель .З-аэротенкСбиореактр),, 3~ершя,4-актйВ11рованный уголь,5-комлрессоры,

6-биофильтр,7-регенерацпояизя емкость,8-насос. ^ —

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата биологических наук, Тетакаева, Елена Анатольевна, Махачкала

М- 3/

/ ^

••я**

Министерство общего и профессионального образования Дагестанский государственный университет

На правах рукописи

Тетакаева мена Анатольевна

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМОФИЛЬНЫХ БАКТЕРИЙ ДЛЯ ОЧИСТКИ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ И ПОПУТНО-НЕФТЯНЫХ ВОД ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ

ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ

11.00.11. - Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Научный руководитель: кандидат химических наук, доцент 3, М. Алиев

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ...........................................................................................5

ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР......................................................9

1. Экологические проблемы влияния минерализованных геотермальных и попутно-нефтяных вод, содержащих фенолы, нефтепродукты и другие органические загрязнители на окружающую среду....................9

2. Физико-химические методы очистки промышленных сточных вод от органических загрязнителей............... 15

2.1. Окисление хлором и озоном......................................15

2.2. Адсорбция...................................................................19

2.3. Обратный осмос и другие методы.............................21

3. Биологическая очистка сточных вод и установки нового поколения...........................................................23

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ГЛАВА II. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.........................40

ГЛАВА III. БИОТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ МИНЕРЛИЗОВАННЫХ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ И ПОПУТНО-НЕФТЯНЫХ ВОД ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ..................................59

1. Очистка минерализованных вод на биофильтре с керамзитовой загрузкой ................................................*..... 59

2. Биологическая очистка минерализованных вод в аэро-тенке иммобилизованными термофильными бактериями...................................................................................66

2.1. Характеристика иммобилизованных термофильных бактерий.......................................................................... 67

2.2. Влияние температуры, дозы и состояния бактерий

на эффективность очистки...........................................;. 71

2.3. Зависимость окисления фенола от минерализации, химического состава вод и времени очистки................82

2.4. Кинетика окисления органических загрязнителей в полупроизводственных условиях....................................84

2.5. Математическая модель биотехнологического процесса окисления органических загрязнителей минерализованных вод...........................................................97

3. Глубокая биохимическая очистка минерализованных вод от органических загрязнителей..................................101

ГЛАВА IV. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ

БИОТЕХНОЛОГИ И ОЧИСТКИ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ.ВОД

«РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ........113

ВЫВОДЫ.................................................................................................123

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................125

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акт проведения испытаний биотехнологии

очистки отработанных геотермальных вод (скв.27, Тернаир) в полупроизводственных условиях на пилотной установке

производительностью 1-2 м3/сут.................145

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Программа Paskai: математическая модель _биотехнологического процесса окисления

органических загрязнителей минерализованных вод (фенолы, нефтепродукты, ХПК, БПК5)...............................................................146

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Справка о практическом использовании результатов разработки биотехнологии очистки минерализованных геотермальных вод от органических загрязнителей

........................................................................ 152

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Рекомендации и исходные данные на проектирование на промышленной установке биохимической очистки минерализованных вод (Кизляр скв.5 - Т, производительность 500 м3/сут)...........................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Справка о практическом использовании

результатов разработки биотехнологии очистки минерализованных вод от органических загрязнителей в учебном процессе на кафедре экологической химии и технологии..................................................... 156

Введение

В настоящее время в России и, в частности, в Дагестане сложилась кризисная экологическая обстановка, затронувшая бвссейн Каспийского моря.

По данным Минэкологии РД Дагестан занимает 48 место среди республик, краев и областей России по степени загрязненности окружающей среды [1]. В республике уже давно нормально не функционирует ни одно из городских очистных сооружений, ни на одном предприятии не налажена локальная очистка сточных вод. В этой связи удельный вес нормативно очищенных сточных вод в общем объеме стоков составляет лишь один процент.

В результате интенсивного антропогенного воздействия ежегодно в водные объекты Дагестанского побережья Каспия сбрасывается до 10 тонн нефтепродуктов и биогенных элементов, тысячи тонн органических веществ, солей тяжелых металлов, ПАВ и др. [1].

К числу наиболее распространенных и опасных загрязнителей прибрежных морских вод относятся фенолы и нефтепродукты.

В экологических сводках последних лет отмечается превышение в устье р. Терек и прибрежных морских водах ПДК нефтепродуктов в 5-10 раз, а фенолов в 3-8 раз. [2].

По данным Минэкологии РД ежегодно с территории Дагестана в водоемы и бассейн Каспия сбрасываются более 5 млн. тонн минерализованных геотермальных и сотни тысяч тонн пластовых нефтяных вод, в которых содержание, например, фенолов в 1000 раз и более превышает ПДК [3].

Экологическую опасность представляет разработка нефтяных месторождений, а в перспективе и морской добычи нефти и газа в Дагестане. Загрязнение водоемов фенолами и нефтепродуктами приводит к нарушению установившегося экологического равновесия водных организмов, разрушению сложившихся биоценозов, снижению уровня самоочищения воды, изменению структуры бактериопланктона [4].

В этой связи разработка эффективных и экологически чистых технологий очистки минерализованных, геотермальных и попутно-нефтяных вод, содержащих органические загрязнители (фенолы, нефтепродукты, ХПК, БПК5), и создание на их основе локальных очистных установок, является актуальной задачей.

В довольно широком спектре существующих технологических схем очистки минерализованных вод от органических загрязнителей и в доступных нам источниках информации не содержатся сведения о разработанной и практически внедренной биотехнологии очистки таких вод специализированными аэробными термофильными бактериями, поэтому данная работа является попыткой восполнить этот пробел.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

- выделить из природных минерализованных вод методом

накопительной культуры термофильные бактерии-

деструкторы и изучить их физиолого-биохимическиё свойства;

- определить основные параметры биотехнологического процесса очистки минерализованных вод (температура, скорость процесса, доза бактерий, период аэрации и др.)

- изучить кинетику окисления органических загрязнителей минерализованных вод в лабораторных и полупроизводственных условиях;

- разработать математическую модель биотехнологического процесса окисления органических загрязнителей минерализованных вод иммобилизованными термофильными бактериями;

- разработать способ глубокой адсорбционно-биологичес-кой очистки минерализованных вод от органических загрязнителей;

- сравнительная оценка эффективности биотехнологии очистки минерализованных вод и рекомендуемые технологические схемы.

Научная новизна.

1. Разработана биотехнология очистки минерализованных вод от органических загрязнителей, основанная на использовании специализированных иммобилизованных термофильных бактерий в температурном диапазоне 20-60°С.

2. Методом накопительной культуры из исходных вод выделены термофильные бактерии-деструкторы и изучены их физиолого-биохимические свойства.

3. Изучена кинетика и впервые разработана математическая модель биотехнологического процесса окисления органических загрязнителей минерализованных вод.

4. Впервые разработан способ "запуска" очистной установки, основанный на введении специализированных термофильных бактерий в дозе 2 - 5 г/л (по сухой биомассе).

5. Впервые разработан.совмещенный адсорбционно-биологичес-кий способ очистки минерализованных вод от органических за-

грязнителей при температуре 20-45°С. 6. Разработаны экологически чистые технологические схемы, рекомендации и проекты опытно - промышленных установок по глубокой очистке минерализованных вод от органических загрязнителей иммобилизованными термофильными бактериями.

Практическая значимость. На основании экспериментальных исследований разработана эффективная, экологически чистая биотехнология очистки минерализованных вод от органических загрязнений (фенолы, нефтепродукты, гумусовые вещества, ХПК, БПК5), позволяющая сократить сброс неочищенных стоков и улучшить экологическое состояние гидросферы. Разработанная биотехнология, испытанная в полупроизводственных условиях, показала высокую эффективность очистки минерализованных вод от фенолов и нефтепродуктов до 97-100%, по снижению ХПК и БПК5 на 80-95% и др. при температуре 40-50°С и рекомендована к внедрению.

Основные результаты работы реализованы в технологических регламентах на проектирование опытно-промышленных установок по глубокой очистке геотермальных и попутно-

3 3

нефтяные вод (яроизводительностью 500 м / сут и 150 м / сут, соответственно) и в рабочих проектах к ним.

Математическая модель биотехнологии очистки от органических загрязнителей (программа на языке Paskal) может быть использована при расчетах технологических параметров для различных по химическому составу минерализованных вод.

Результаты разработанной биотехнологии очистки минерализованных вод от органических загрязнителей специализированными термофильными бактериями используются в учебном процессе.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1. Экологические проблемы влияния минерализованных геотермальных и попутно-нефтяных вод, содержащих фенолы, нефтепродукты и другие органические загрязнители, на окружающую среду.

В современную эпоху быстрого роста энергопотребления и удорожания энергии, ограниченности ресурсов топлива и обострения экологических проблем его использования мировая энергетика была вынуждена взять курс на переход к рациональному сочетанию традиционных (нефть, уголь и др.) и новых источников энергии. Тепло Земли занимает среди них одно из первых мест. XI Конгресс мировой энергетической конференции (МИРЕК), состоявшийся в Мюнхене в 1980 г., оценил пригодные для использования ресурсы геотермальной энергии в 137 трлн. тонн условного топлива, что на порядок превосходит топливные ресурсы всего мира [5]. Однако, при огромных ресурсах и высокой эффективности доля геотермальной энергии в мировом топливно-энергетическом балансе весьма мала (менее 1%) и объясняется малыми усилиями и средствами на их освоение.

Общие прогнозные запасы геотермальных вод в России с минерализацией до 35 г/л и температурой 50 - 100°С на изливе составляют более 20 млн.м3/ суг, что эквивалентно тепловому потенциалу 30-40 млн. тонн условного топлива в год [6].

В настоящее время геотермальные воды и пар, добываемые из недр Земли, используются в различных сферах народного

жения, технологических нужд, в бальнеологии (Кавказский регион). При этом 85% добываемой воды приходится на теплоснабжение

промышленных, гражданских, коммунально-бытовых и сельскохозяйственных объектов.

Промышленное освоение тепла Земли началось с 1967 года, когда в г. Махачкале было создано Кавказское промысловое управление по использованию глубинного тепла Земли, и аналогичное Камчатское промысловое управление в г. Петропавловск-Камчатский. Геотермальной энергией в Дагестане пользуются более 300 тыс. жителей, отапливаются тысячи квартир и общественных зданий. Крупные системы теплоснабжения функционируют в гг. Кизляре, Избербаше, Махачкале, которые в перспективе могли бы превратится в бездымные города [7].

Среди проблем, стоящих перед отраслью, важное место занимают вопросы охраны окружающей среды, связанные с необходимостью выполнения природоохранных мероприятий, начиная от разведочного бурения и кончая сбросом отработанных вод.

Основными требованиями к отработанным водам являются соответствие их нормам ПДК. Содержание токсичных компонентов в геотермальных водах месторождений Северного Кавказа приведены в табл. 1. Анализ приведенных данных (табл. 1) показывает, что наибольшую опасность для. загрязнения водоемов представляют фенолы.

Так, в ряде районов Дагестана (Тернаир, Кизляр, Терекли-Мекгеб и др.) и Ставрополья содержание фенолов превышает ПДК в 1000 раз, а в водах Лабинского и Майкопского месторождений Краснодарского края - в 100 раз. Одновременно завышено содержание борной кислоты, железа, фтора и других вредных компонентов_

По данным Минприроды РД ежегодный сброс в водоемы и бассейн Каспийского моря минерализованных фенолсодержащих

геотермальных вод составляет более 5 млн. тонн, что способствует повышению фонового загрязнения фенолами от 5 до 10 ПДК [3].

Известно, что наиболее токсичными являются летучие одноатомные фенолы, к которым относятся оксибензол и его производные - крезолы, нитрофенолы и др. [8]. Сложные одноатомные фенолы (нафтолы и их производные), а также многоатомные фенолы являются менее токсичными.

Фенолы интенсивно поглощают кислород в водоемах, что приводит к нарушению кислородного режима в них и, как следствие, водоемы теряют свое народнохозяйственное значение. Пороговая концентрация фенолов по запаху и привкусу в нехлорирован-ной воде составляет 0,01-0,02 мг/л, а в хлорированной - 0,00050,001 мг/л. Неприятный запах в мясе рыб проявляется при концентрации фенолов в воде 0,01-0,1 мг/л, а содержание фенолов 5-15 мг/л вызывает массовую гибель рыб.

Согласно "Правил охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами" [9], критерием загрязненности воды является ухудшение ее качества вследствие изменения органических свойств и появление в ней вредных веществ для человека, животных, птиц, рыб, кормовых и промысловых организмов в зависимости от вида водопользования, а также повышение температуры воды, изменяющей условия для нормальной жизнедеятельности водных объектов.

Отрицательным фактором в технологии использования геотермальных вод выступает '"тепловое загрязнение", которое возникает при большом сбросе отработанных вод с температурой 50-

сбросе на поверхность, вызывает заболачиваемость местности.

Таблица 1

Содержание токсичных компонентов в геотермальных водах месторождений Северного Кавказа

Республика, Край Сор держание токсичных компонентов и их ПДК, мг/л

Стронций Цинк Медь Свинец Мышьяк Фтор Борная кислота Фенолы Нафтеновая кислота

2,5 0,1 0,05 0,05 0,05 1,5 0,5 0,001 0,3

Дагестан 8,5 0,3 0,1 0,04 0,55 2,5 376,0 12 5,8

Чечня 60,0 0,12 0,05 0,01 - 10,0 128,0 5,0 0,75

Краснодарский край 17,0 0,35 0,02 - - 6,5 244,0 5,9 0,5

Ставропольский край - - 0,02 - 4*10"5 4,75 115 2,5 1,5

Кабарда и Осетия - - - - - - 2,6 1,1 -

При остром топливно-энергетическом дефиците широкомасштабное использование тепла геотермальных вод в народном хозяйстве Дагестана сдерживается нерешенностью проблемы сброса и утилизации отработанного теплоносителя. Так, природоохранными органами с 1989 г закрыто до решения вопроса сброса крупнейшее Тернаирское геотермальное месторождение (г. Махачкала) с добычей более 2 млн. м3/год, что осложнило снабжение города теплом.

Кроме того, некоторые перспективные геотермальные месторождения (Кизлярское, Терекли-Мекгеб и др.) эксплуатируются не в полной мере ввиду ограничений по сбросу фенолсодержащих геотермальных вод.

Таким образом, эксплуатация геотермальных месторождений выдвигает в настоящее время актуальную проблему утилизации отработанного теплоносителя с предварительной очисткой от фенолов и других органических веществ.

По данным Минприроды РД выбросы загрязняющих веществ только при разработке нефтяных месторождений в Дагестане составляют 25-28% от валовых выбросов стационарных источников

Допустимое содержание нефтепродуктов в водоемах в разных странах неодинаково и колеблется в пределах 0,1-1 мг/л. Но уже такое количество нефтепродуктов в воде ухудшает ее вкусовые качества, придает неприятный запах рыбе, нарушает экологическое равновесие и приводит к снижению биологической продуктивности водоемов.

ность извлекается около 1,5 млн. тонн минерализованных пластовых нефтяных вод с содержанием органических загрязнителей

[3].

в Дагестане на поверх-

(фенолы, нефтепродукты и др.), в 100-1000 раз превышающие нормы ПДК. Обратно в пласты закачивается не более 35% объема извлекаемых вод, остальные без очистки подвергается принудительному испарению», которое является мощным источником выбросов в атмосферу углеводородов, сажи, сернистого ангидрида и других токсичных веществ.

Таким образом, в минерализованных геотермальных и попуг-

но-нефгяных водах фенолы и нефтепродукты являются широко

распространенными органическими загрязнителями. В литературе

отмечается, что нефть и фенолы при совме