Исследование возможности использования микроорганизмов для очистки сточных вод от органических загрязнителей
Подождите немного. Документ загружается.
определяется суммой длительности окисления каждого вещества в
отдельности [15,16]
Пути метаболизма ароматических соединений очень многообразны.
Распад этих соединений связан с разрывом кольца. На это бактериям
требуется кислород. Различают три типа разрыва ароматического кольца. По
первому типу кольцо разрывается между двумя соседними
гидроксилированными атомами углерода. Например, под действием фермента
разрыв кольца пирокатехина приводит к образованию цис- нуконовой
кислоты. По этому пути распадаются фенол, бензойная кислота, нафталин,
фенантрен, антрацен. Окисление фенола начинается с его гидроксилирования
в орто - положении, при этом образуется пирокатехин (дифенол)
Большинство ароматических соединений образует сначала пирокатехин
(или пирокатехиновую кислоту), который преобразуется в бетоадипиновую
кислоту. Эта кислота с участием КОА включается в цикл трикарбоновых
кислот.
Второй путь разрыва кольца ароматических соединений — это разрыв
связи между гидроксилированными и не гидроксилированными углеродными
атомами. В этом случае под действием фермента пирокатехин распадается на
полуальдегид 2-оксимуконовой кислоты, который далее превращается в
уксусную, щавелево-уксусную, муравьиную кислоты или ацетальдегид.
Третий путь характеризуется разрывом кольца между
гидроксилированным атомом углерода и атомом углерода, к которому
присоединена карбоксильная или другая группа
При заданной степени очистки основными факторами, влияющими на
скорость биологических реакций, являются концентрация потока, содержание
кислорода в сточной воде, температура и рН среды, содержание биогенных
элементов, а также тяжелых металлов и минеральных солей.
Для успешного протекания реакций биологического окисления
необходимо присутствие в сточных водах соединений биогенных элементов и
микроэлементов: N, S, Р„ К, Mg, Ca, Na, Cl, Fe, Mn, Mo, Ni, Co, Zn, Си и др.
Среди этих элементов основными являются N, P и К, которые при
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
45
3835.000130.000 ПЗ
биологической очистке должны присутствовать в необходимых количествах.
Содержание остальных элементов не нормируется, так как их в сточных
водах достаточно. [17]
1.5 Механизм биодеградации углеводородных загрязнений
В биодеградации углеводородных органических загрязнителей
углеводородокисляющие микробы (УОМ), выступают в роли основных
минерализаторов. Одним из главных путей ликвидации углеводородных
загрязнений в природных и сточных водах является целенаправленная
деятельность разнообразных таксономических групп микроорганизмов.
Биодеградацию углеводородных органических загрязнений в природных и
сточных водах можно успешно осуществлять в результате
1) стимуляции естественной углеводородокисляющей микрофлоры
природных вод путем внесения различных питательных элементов, включая
источники минерального азота, фосфора и другие;
2)интродукции активных отселектированных УОМ в загрязненную
органическими углеводородами экосистему, создание оптимальных условий дл
их развития и стимуляции жизнедеятельности целенаправленным применением
сопутствующих органических и неорганических соединений;
3) использования иммобилизованных клеток УОМ, обладающих высокой
деструктирующей способностью органических углеводородов и ксенобиотиков
и созданием на их базе высокоэффективных бактериальных препаратов
промышленного образца, обладающих широким спекторм окисления различных
классов углеводородов н-алканов до асфальтенов и смол включительно.
Наиболее интересной, по мнению специалистов, является биотехнология,
основанная на введении ассоциации специально созданных или адаптированных
к улеводородсодержащим производственным стокам УОМ в загрязненную
экосистему и создание оптимальных условий их развития, и соответственно
ускоренного биоразложения органических соединений.
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
46
3835.000130.000 ПЗ
С учетом вышесказанного, учеными был проведен отбор наиболее
активных в окислении органики ассоциативных сообществ из 10-ти штаммов
УОМ, ранее выделенных из объектов органического загрязнения, определение
оптимальных параметров достижения максимальной численности (биомассы) и
проведение полупроизводственных испытаний очистки
углеводородсодержащих стоков. Был рассмотрен сток загрязненный нефтью и
нефтепродуктами.
На первом этапе были изучены различные типы сообществ (монокультура и
культуры, состоящие из трех и десяти штаммов нефтеокисляющих бактерий),
влияющих на степень трансформации нефти, машинного и соляревого масел,
бензина и др. (табл.4,5). Культуры выращивали в сточной воде.
Таблица 4. Содержание, г/дм
3
(числитель), и эффективность, %,
(знаменатель) деструкции нефтяных загрязнений сообществами
нефтеокисляющих микроорганизмов в стационарных условиях.
Нефтепродукты Исходное
количество,
г/дм
3
Культуры
Контроль Моно-
культура
Три
штамма
Десять
штаммов
Товарная нефть
Бензин
Соляровое масло
Машинное масло
0,138
0,122
0,139
0,167
0,08/42
0,062/49
0,085/39
0,142/35
0,041/70
0,022/82
0,057/59
0,072/57
0,032/77
0,012/90
0,042/70
0,055/67
0,021/85
0,016/87
0,036/74
0,05/70
Таблица 5. Содержание, г/дм
3
(числитель), и эффективность, %,
(знаменатель) деструкции нефтяных загрязнений сообществами
нефтеокисляющих микроорганизмов в условиях периодической аэрации.
Нефтепродукты Исходное
количество
г/дм
3
Культуры
Контроль Моно-
культура
Три
штамма
Десять
штаммов
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
47
3835.000130.000 ПЗ
Товарная нефть
Соляровое масло
Машинное масло
0,138
0,139
0,167
0,046/67
0,073/48
0,092/45
0,035/75
0,043/69
0,067/60
0,022/84
0,032/77
0,045/73
0,012/91
0,024/83
0,034/80
Как видно из таблиц 4 и 5 на степень и скорость деструкции углеводородов
нефти влияют состав нефтяных загрязнений и типы сообществ, с которыми они
контактируют. Скорость окисления нефти максимальна при участии десяти
штаммов нефтеокисляющих бактерий. В присутствии трех штаммов скорость
разложения несколько меньше, а в среде с одной монокультурой она
минимальна. Имело место различие в скорости окисления лишь при окислении
бензиновой фракции. Что касается оценки роста штаммов, то наибольшая
плотность биомассы наблюдалась в варианте с тремя штаммами бактерий, что
по всей вероятности связано с избирательностью и доступностью в окислении
легких фракций углеводородов (табл. 4).
Установлено, что разрушение углеводородов нефти протекает в результате
биологического окисления и активности участвующих в окисление нефти УОМ
и зависит от растворимости нефтепродуктов в водной среде. Это видно при
аэрации среды в результате, которой происходит переход исходного субстрата
во взвешенное и растворенное состояние. Благодаря этому происходит
увеличение соприкосновения молекул нефтяного загрязнения с бактериальными
клетками, что, в свою очередь, отражается на росте численности и увеличении
степени усвоения углеводородов (табл. 5).
Известно, что температура среды, где культивируются УОМ, оказывает
значительное влияние на процесс деградации нефти и нефтепродуктов. Исходя
из полученных результатов было установлено, что оптимальный температурный
интервал для роста и развития сообществ УОМ составляет 23-28
о
С.
Степень и эффективность биоокисления нефтепродуктов зависит от
концентрации углеводородов в воде и времени их контакта с окисляющей
микрофлорой. Это связано с одной стороны с доступностью углеводородов к
микробной атаке, а с другой, с возможностью оптимизации среды для
участвующих в биодеградации микроорганизмов.[21]
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
48
3835.000130.000 ПЗ
1.6 Механизм биодеградации фенола и его хлорированных соединений
Сегодня известен ряд микроорганизмов, способных использовать фенол в
качестве единственного источника углерода и энергии. Фенол при воздействии
микроорганизмов подвергается окислительному разложению до
неароматических соединений. При этом в аэробных условиях образование
ключевого интермедиата – пирокахетина и его последующее расщепление.
Этап, на котором этот разрыв происходит, является ключевым, от него в
значительной степени зависит скорость и эффективность утилизации
ароматических соединений.
К настоящему времени известны три типа окислительного расщепления
ароматического кольца – орто-, мета-расщепление и расщепление по пути
гентизиновой кислоты.
Орто-расщепление происходит между двумя гидроксильными группами с
образованием цис, цис-муконовой кислоты, которая в дальнейшем
метаболизируется до сукцината (рис.15)
Рис.15 - Схема орто-расщепления. Условные обозначения: I – пирокатехин,
II – цис, цис-муконовая кислота, III – янтарная кислота.
Такой путь метаболизма характерен для большинства штаммов-
деструкторов фенола.
В случае мета-расщепления ароматическое кольцо раскрывается по
соседству с гидроксильной группой таким образом, что образуется
полуальдегид 2-гидроксимуконовой кислотыю дальнейший метаболизм
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
49
3835.000130.000 ПЗ
приводит к образованию пирувата, муравьиной кислоты и ацетальдегида
(рис.16).
Рис.16 - Схема мета-пути метаболизма пирокатехина. Условные
обозначения: I – пирокатехин, II – 2-гидроксимуконовая кислота, III –
пировиноградная кислота, IV – ацетальдегид, V – муравьиная кислота
Расщепление ароматического кольца по пути гентизиновой кислоты
осуществляется между гидроксилированным атомом углерода и тем, к которому
присоединена карбоксильная группа, с образованием малеилпировиноградной
кислоты, которая превращается далее в фумарат и пируват (рис.17)
Рис.17 - Схема метобализма гентизиновой кислоты. Условные обозначения:
I – гентизиновая кислота, II – малеилпировиноградная кислота, III – фумаровая
кислота, IV – пировиноградная кислота.
В биодеградации галогенсодержащих фенолов присутствуют галогеновые
заместители в ароматическом кольце, делающие субстрат (в сравнении с
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
50
3835.000130.000 ПЗ
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
51
3835.000130.000 ПЗ
фенолом) менее доступным для микроорганизмов. Однако существуют и такие
штаммы, которые способны расщеплять моно-, ди-, три- и пентахлорфенолы.
Доступность хлорфенолов при их расщеплении зависит от положения
галогена в молекуле, которое и определяет последующие этапы катаболизма.
Некоторые микроорганизмы, разлагающие моно- и дихлорфенолы, не способны
использовать полигалогенированные субстраты, и наоборот, штаммы,
метаболизирующие полихлорированные фенолы, оставляли интактными моно-
и дихлорфенолы. Существуют и такие штаммы, способные утилизировать
целый спектр от ди- до полихлорированных фенолов. При этом некоторые
микроорганизмы могут инициировать расщепление сложного субстрата, а
другие могут проводить более поздние реакции.
Расщепление хлорфенолов приводит к образованию хлоргидрохинонов.
Далее хлоргидрохиноны метаболизируются по орто-пути, аналогично
расщеплению фенола (схема 1).
1.7 Оборудования для практического применения микроорганизмов
Для полной биологической очистки сточных вод от органических
загрязнителей применяются:
- аэрационные установки, работающие по методу полного окисления
органических загрязнителей (аэротенки подлинной аэрации);
- аэрационные установки с аэробной стабилизацией избыточного
активного ила.
Установки обоих типов обеспечивают стабильную высокую
эффективность очистки сточных вод от органических соединений, могут
применятся в любых климатических, грунтовых и гидрогеологических условиях
и не требую отвода больших площадей земли. [22]
1.7.1 Аппараты, работающие по методу полного окисления
органических загрязнителей
Полное окисление органических загрязнений в очистительных
сооружениях протекает в три фазы. В первой фазе, наличие большого
количества органических веществ в сточной жидкости обеспечивает быстрое
размножение микроорганизмов с непрерывным прогрессированием общего их
количества. Во второй фазе, нагрузка по органическим загрязнениям на
активный значительно ниже, и из-за недостаточного количества этих
загрязнений размножение микроорганизмов несколько сдерживается.
Устанавливается определенное соотношение между количеством поступивших
органических веществ и приростом ила.
В третьей фазе размножение микроорганизмов активного ила
замедляется из-за недостатка органических загрязнений. Ил как бы находится в
«голодном» состоянии. Это заставляет микроорганизмы активного ила
использовать не только органические вещества поступившие со сточными
водами, но и большую часть органических веществ отмерших микроорганизмов,
т.е. минерализовать органическую часть самого активного ила. В результате
полного окисления органических загрязнений прирост активного ила настолько
мал, что его можно удалять из сооружений через 1-4 месяца.
Компактные установки для биологической очистки
производительностью 12 и 25 куб.м в сутки, изготавливаются в заводских
условиях в виде единого металлического блока. Все установки конструктивно
выполнены в виде аэротенков-отстойников с принудительным возвратом
активного ила.
Установки производительностью 12 куб.м в сутки оборудованы
механической системой аэрации, остальные - эжекторной или пневматической.
Принцип работы установки (рис. 18): сточные воды пропускают через
решетку и без первичного отстаивания направляют в зону аэрации.
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
52
3835.000130.000 ПЗ
Рис.18 - Компактная установка для биологической очистки КУ-12
Здесь происходит биологическая очистка сточных вод активным илом,
который поддерживается во взвешенном состоянии за счет вращения роторного
аэратора. Затем после полутора часового контакта в аэрационном объеме, смеси
сточных вод и активного ила по дегазационному каналу поступает в зону
отстаивания. Осевший ил через нижнюю щель отстойника возвращается в
аэрационную зону. Сверху установка перекрывается щитами для предохранения
от замерзания в зимний период.
Принцип работы установок КУ -25 - КУ-200 (рис.19): до поступления на
установку сточную воду пропускают через решетку-дробилку или решетку с
ручной очисткой. На установку сточная жидкость поступает через входной
патрубок и по подающему лотку перетекает в два распределительных лотка,
проходящих по продольным стенкам.
Рис. 19. Схема установки для биологической очистки КУ-25 – КУ-200
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
53
3835.000130.000 ПЗ
Для предотвращения осаждения взвешенных веществ в лоток подается
сжатый воздух. Из распределительных лотков через отверстия с регулируемыми
треугольными водосливами сточная вода переливается в аэротенк-отстойник.
Аэрационные зоны расположены по продольным стенкам. Воздух в
аэрационную зону подается от воздуходувок по воздухопроводам и
распределяется через дырчатые трубы. В аэротенка возможно применение
эжекционной аэрации.
Отстойная зона расположена в центре установки. Смесь сточных вод и
активного ила поступает в зону через нижнюю щель, проходит через
взвешенный слой, образованный активным илом, где происходит разделение
активного ила и очищенной сточной жидкости. Последняя поднимается к
поверхности отстойной зоны, протекает через затопленные отверстия в сборный
лоток и по нему отводится из установки. Активный ил увлекается потоком в
бункеры отстойной зоны и перекачивается лифтами в аэрационные зоны.
Избыточный активный ил периодически (1 раз в 1-4 месяца) удаляется из
аэрационных зон на иловые площадки.
Компактные установки КУ-12 - КУ-200 прошли длительные испытания
на многих очистных станциях, качество очищенного стока БПК и взвешенным
веществам составляет 12-15 мг/л, концентрация аммонийного азота снижается
на 40%. Эффективность очистки сточных вод на этих сооружениях повышается,
если во вторичных отстойниках использовать тонкослойные модули.
Институтом Уралагропромпроект в 1988 году был разработан проект
очистных сооружений канализации. Биологическая очистка осуществляется в
аэротенке-отстойнике, совмещенном с сооружением доочистки сточных вод
(Рис. 20). Одна секция рассчитана на расход 50 куб.м в сутки. Максимальная
пропускная способность очистной станции 500 куб.м в сутки. В зоне аэрации
принят режим полного окисления органических загрязнений. Аэрация -
пневматическая, среденепузырчатая продолжительность ее в среднем 18-20
часов.
Изм. Лист № докум. Подпис
ь
Дата
Лист
54
3835.000130.000 ПЗ