Татарский государственный гуманитарно-педагогический университет
Во всём мире ведутся интенсивные исследования по изучению действия углеводородных загрязнений на экосистему и разработка способов и методов по ликвидации нефтяных загрязнений. Наиболее часто предлагаемыми способами являются: механические, термические, физико-химические, биологические и микробиологические. Каждый из разрабатываемых методов и способов для утилизации нефти и нефтепродуктов эффективен на определённом этапе очистке. Механический метод сбора нефти и нефтепродуктов имеет ограниченное применение и на определённом этапе становиться неэффективным. Термический и физико-химический можно применять при достаточной толщине слоя нефти. Биологический и микробиологический обычно используется на «заключительном» этапе очистки [1].
Последнее время биологический метод очистки углеводородных загрязнений, основанный на применении микроорганизмов деструкторов нефти и нефтепродуктов, становится приоритетным при любых количествах и масштабах загрязнения. Он характеризуется как наиболее экономический, эффективный и безвредный способ очистки.
Целью научной работы было научное обоснование управление и совершенствование методов биологической очистки природных вод и производственных технологических стоков от нефтяных загрязнений.
Для реализации поставленной цели были решены следующие задачи:
- определение эффективности биоокисления нефти и нефтепродуктов, выбранными аборигенными формами углеводородокисляющими микроорганизмами (УОМ) в различных изменяющихся условиях среды;
- оптимизация процессов выращивания УОМ с целью получения активной биомассы хемостатным культивированием и проведение модельных опытов по интенсификации биодеградации нефтяных загрязнений в производственных сточных водах;
- разработка и апробация биотехнологической схемы очистки смешанных нефтесодержащих сточных вод ОАО «Казаньоргсинтез» с использованием специально созданного для этой цели струйно-отстойного аппарата (СОА) и выведение всей технологии на режим очистки и доочистки сточных вод.
В процессе биодеградации загрязнённых водных объектов использовали штаммы гетеротрофных углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ), выделенных из производственных сточных вод, действующих очистных сооружений предприятия органического синтеза ОАО «Казаньоргсинтез» и природных нефтезагрязнённых вод, идентифицированных до вида.
В результате экспериментально лабораторных исследований установлено, интенсивное развитие всех испытуемых микроорганизмов в среде с нефтью, бензином, соляровым и машинным маслами наблюдается на 13-16 дни, и составляет в среднем 3,45•108кл/мл при росте на всех субстратах. На эффективность и скорость деструкции нефти и нефтепродуктов влияют состав и виды микроорганизмов, с которыми они контактируют. Степень окисления нефтепродуктов максимальна при участии большего количества смешанных видов нефтеокисляющих бактерий, относящихся к родам: Pseudomonas, Clostridium, Micrococcus, Brevibacterium, Bacillus, Flavobacterium., Alcaligenes. В присутствии трех культур (роды Pseudomonas, Micrococcus, Brevibacterium) степень окисления уменьшается, а в среде с одной монокультурой (Pseudomonas) она минимальна. Исключение составляет опыт с бензиновой фракцией, растворимость которой максимальна по сравнению с другими применяемыми углеводородными компонентами, что облегчает транспорт молекул в клетку и её окисление. Кроме того, более высокая эффективность применения консорциума культур объясняется и сложностью субстрата, каковым является товарная нефть и масла. Эффективность деструкции бензина достигает 90% при применении трёх культур, что связано, по–видимому, с избирательностью и использованием этими УОМ лёгких фракций нефти. На это указывает нарастание численности микрофлоры в одинаковые сроки, которое наблюдалось на 13 – 16 дни эксперимента (табл.1).
Таблица 1
Эффективность деструкции нефтяных загрязнений
сообществами нефтеокисляющих микроорганизмов в стационарных условиях, %
|
Наименование
|
Исходное
|
Варианты опытов
|
Раствори-
|
|
нефтепродуктов
|
количество
|
контроль
|
моно
|
три
|
поли
|
мость
|
|
|
г/дм3
|
|
культура
|
культуры
|
культуры
|
мг/дм3
|
|
Товарная нефть,
*г/дм3
|
0.138
|
0,08
|
0,041
|
0,032
|
0,021
|
10 -15
|
|
**, %
|
|
42±2,8
|
70±2,5*
|
77±2*
|
85±2*
|
|
|
Бензин, *г/дм3
|
0,122
|
0,062
|
0,022
|
0,012
|
0,016
|
9 -505
|
|
**, %
|
|
49±2,9
|
82±1,6*
|
90±3,3*
|
87±1,7*
|
|
|
Соляровое масло,
*г/дм3
|
0,139
|
0,085
|
0,057
|
0,042
|
0,036
|
2,2
|
|
**, %
|
|
39±2,7
|
59±2*
|
70±2,4*
|
74±1,8*
|
|
|
Машинное масло,
г/дм3
|
0,167
|
0,142
|
0,072
|
0,055
|
0,05
|
2,2
|
|
**, %
|
|
35±2,6
|
57±1,3*
|
67±2,5*
|
70±2*
|
|
Примечание: * - количество остаточных
нефтепродуктов г/дм3; ** -
эффективность.
Примечание: * - различия достоверны по отношению к
контролю, (P <0,01).
Присутствие свободного кислорода является необходимым условием окисления нефти любой химической структуры. Количество кислорода, расходуемое на окисление 1 мг различных углеводородов, варьирует от 3 до 4 мг. До полной деструкции 1г нефти требуется около 9мг кислорода [2,3]. Полученные нами в ходе исследований данные свидетельствуют о том, что процесс аэрации ускоряет рост численности УОМ, что отражается на эффективности деструкции нефтепродуктов. При этом зафиксировано увеличение степени окисления товарной нефти до 91%, бензина до 94%, солярового масла до 83%, машинного масло до 80%. (табл.2)
Таблица
2
Эффективность деструкции нефтяных загрязнений
сообществами нефтеокисляющих микроорганизмов в условиях периодической аэрации,
%
|
Наименование
|
Исходное
|
Варианты опытов
|
|
нефтепродуктов
|
количество
|
контроль
|
моно
|
три
|
поли
|
|
|
г/дм3
|
|
культура
|
культуры
|
культуры
|
|
Товарная нефть,
*г/дм3
|
0.138
|
0,046
|
0,035
|
0,022
|
0,012
|
|
**, %
|
|
65±1,1
|
75±1,5*
|
84±1,1*
|
91±2,3*
|
|
Бензин, *г/дм3
|
0,122
|
0,033
|
0,026
|
0,007
|
0,009
|
|
**, %
|
|
73±2
|
79±2,4*
|
94±1,6*
|
93±2,4
|
|
Соляровое масло,
*г/дм3
|
0,139
|
0,073
|
0,043
|
0,032
|
0,024
|
|
**, %
|
|
48±2,7
|
69±2,3*
|
77±2,5*
|
83±2,6*
|
|
Машинное масло,
*г/дм3
|
0,167
|
0,092
|
0,067
|
0.045
|
0,034
|
|
**, %
|
|
45±2,5
|
60±3*
|
73±2,4*
|
80±2,8*
|
Примечание:
* - количество остаточных нефтепродуктов г/дм3; ** - эффективность.
Примечание: * - различия достоверны (P<0,01).
Температура среды, так же, как и аэрация, оказывает значительное влияние на процесс биодеструкции нефти и нефтепродуктов и является наиболее значимым лимитирующим фактором всех метаболических процессов. Нашими исследованиями показано, что оптимальный температурный интервал для роста и развития используемых сообществ УОМ является 230С - 280С. Это, в свою очередь, было констатировано ранее в работах [3,4,5]. Установлено, что при указанных температурных интервалах углеводороды разрушаются культурами, участвующими в эксперименте с эффективностью 80-91%. Максимальный уровень загрязнения снимается при t = 280C. Отклонения от этой температуры, как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения, замедляют процесс деструкции. Это связано с тем, что исследуемая группа УОМ является мезофильной, и указанные температурные условия для них наиболее оптимальны. Следует также учесть, что при повышении температуры наблюдается уменьшение растворимости кислорода в воде, что отрицательно сказывается на росте и развитии сообщества бактерий (табл.3).
Таблица 3
Эффективность деструкции нефтяных загрязнений
сообществами нефтеокисляющих микроорганизмов в стационарных условиях при разных
температурах (С0)
|
Варианты
опыта
|
Количество нефти до
окисления,
г/дм3
|
Концентрация нефти
|
Эффективность, %
|
|
после окисления, г/дм3
|
|
200
|
230
|
280
|
370
|
200
|
230
|
280
|
370
|
|
Товарная нефть,
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- смесь
|
0.138
|
0,041
|
0,02
|
0,01
|
0,04
|
70±2,3
|
85±2,5
|
90±3
|
69±2
|
|
- контроль
|
|
0,09
|
0,08
|
0,04
|
0,09
|
35±2
|
42±2,4
|
69±2.3
|
33±3
|
|
Бензин,
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- смесь
|
0.122
|
0.024
|
0,01
|
0,01
|
0,03
|
80±2,5
|
90±3,2
|
91±2,7
|
75±2,5
|
|
- контроль
|
|
0.065
|
0,06
|
0,06
|
0,07
|
47±2,4
|
52±2,3
|
54±1,7
|
45±3
|
|
Соляровое масло,
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- смесь
|
0.14
|
0.049
|
0,03
|
0,02
|
0,04
|
65±2,6
|
76±2,2
|
85±3,2
|
69±2,8
|
|
- контроль
|
|
0,095
|
0,08
|
0,07
|
0,09
|
32±2,2
|
40±2,7
|
50±2,3
|
35±2
|
|
Машинное масло
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- смесь
|
0.167
|
0.066
|
0,05
|
0,04
|
0,07
|
60±2,8
|
69±2,5
|
80±3,4
|
59±2,7
|
|
- контроль
|
|
0,117
|
0.11
|
0,09
|
0,11
|
30±1,6
|
35±2
|
45±2,1
|
33±2,5
|
Примечание: все значения достоверны по отношению к
контролю (P<0,01).
При получении накопительной культуры нефтеокисляющих микроорганизмов, используемых в процессе очистки нефти загрязненных сточных вод, была предпринята попытка отыскать для исследуемых культур альтернативные источники питания – это комплексные обогатители, а также использовать традиционные соединения, которыми явились неорганические формы азота и фосфора.
Исследованиями выявлено, что при хемостатном культивировании девяти культур УОМ в ферментере на среде Мюнца максимальное количество микроорганизмов наблюдается на 4-й час после начала культивирования, что составляет по оптической плотности 0,45 соответствующей численности бактерий 3,45•108кл/см3 (рис.1).
Для увеличения скорости деградации углеводородов нужно максимально устранить факторы, ограничивающие рост микроорганизмов. К таким факторам относится недостаток биогенных элементов (азота и фосфора). Применение азотно-фофорных удобрений является наиболее распространённым и доступным способом стимуляции нефтеразрушающей микрофлоры.
В результате проделанных серий экспериментов по оптимизации условий выращивания УОМ и определению соотношения биогенов к концентрации загрязняющих веществ, используемых микроорганизмами, а также индуцирующих соединений, необходимых для интенсификации биодеградации углеводородов, содержащихся в сточной жидкости, были получены следующие результаты (табл.4,5).
Эффективность биоокисления нефти и её производных зависит от концентрации углеводородов в сточной воде. Максимальное биоокисление углеводородов стока достигается при начальной концентрации 20 мг/дм3, где в качестве источника углеводородов выбрана нефть, а не машинное масло (эти данные подтверждают результаты предыдущей серии экспериментов).
Соотношение биогенов БПКполное:N:P, равное 100:5:1 в стоке, всегда стимулировало рост биомассы популяции микроорганизмов. Под их влиянием достигнут рост численности популяции УОМ до 291 млн. кл/см3. При изменении соотношения в сторону увеличения биогенов наблюдалось угнетение роста популяции микроорганизмов за счёт образования токсических соединений и накопление нитратов, что приводило к снижению численности нефтеокисляющих бактерий до 10,7 млн. кл/см3 (табл.4).
Потребление источника азота и фосфора на единицу нефтепродукта зависит как от качественного состава углеводородного загрязнителя, так и от его концентрации в среде. Принимая во внимание этот факт, можно целенаправленно оптимизировать процесс очистки, полностью удовлетворяя потребности УОМ в содержании в среде компонентов азотно-фосфорного питания, и не допускать накопления избытков удобрений в окружающей среде.
Таблица 4
Условия выращивания аборигенных форм углеводородокисляющих микроорганизмов в нефти
|
Концентрация
|
Соотношение
|
Плотность суспензии
|
Число клеток,
|
|
нефти,
|
БПКполное:
N :P
|
микроорганизмов
|
кл/см3
|
|
мг/ дм3
|
|
температура культивирования 0С
|
|
|
|
23
|
28
|
23
|
28
|
|
контроль
|
0,05
|
0,08
|
3,83·107
|
6,1·107
|
|
10
|
100:2.5:0.5
|
0,17
|
0,2
|
1,3·108
|
1,53·108
|
|
|
100:05:01
|
0,24
|
0,27
|
1,83·108
|
2,07·108
|
|
|
100:10:02
|
0,13
|
0,18
|
9,97·107
|
1,38·108
|
|
|
100:20:04
|
0,08
|
0,12
|
6,1·107
|
9,2·107
|
|
20
|
100:2.5:0.5
|
0,21
|
0,25
|
1,61·108
|
1,92·108
|
|
|
100:05:01
|
0,3
|
0,38
|
2,3·108
|
2,91·108
|
|
|
100:10:02
|
0,15
|
0,19
|
1,15·108
|
1,46·108
|
|
|
100:20:04
|
0,08
|
0,11
|
6,1·107
|
8,4·107
|
|
40
|
100:2.5:0.5
|
0,16
|
0,19
|
1,23·108
|
1,46·108
|
|
|
100:05:01
|
0,18
|
0,23
|
1,38·108
|
1,76·108
|
|
|
100:10:02
|
0,12
|
0,16
|
9,2·107
|
1,23·108
|
|
|
100:20:04
|
0,06
|
0,1
|
4,6·107
|
7,6·107
|
Применение индуцирующих
соединений в различных концентрациях от 17,5·10-6М до 150·10-6М отражается на степени окисления нефти и
численности УОМ, оптимальной при этом является 35·10-6М, что повышает численность клеток до 3,45·108
кл/см3 и степень очистки 86% (табл.5).
Таблица 5
Параметры и
условия выращивания аборигенных форм
углеводородокисляющих микроорганизмов
|
Условия
|
Индуцирующие
|
Оптическая
плотность
|
Число
|
Эффективность
|
|
|
соединения
|
суспензии УОМ
|
клеток, кл/см3
|
очистки, %
|
|
нефть,
|
17,5·10-6М
|
0,13
|
9,97·107
|
64±1
|
|
20 мг/дм3
|
|
|
|
|
|
соотношение
|
35·10-6М
|
0,45
|
3,45·108
|
86±1,7
|
|
БПКполное:N:P
|
|
|
|
|
|
100:05:01
|
70·10-6М
|
0,41
|
3,14·108
|
71±2
|
|
температура,
|
|
|
|
|
|
280С
|
150·10-6М
|
0,12
|
9,2·107
|
58±1,1
|
Из результатов этих опытов следует, что при целенаправленном регулирования концентрации биогенных элементов, индуцирующих соединения, поддержание реакции среды и температуры в нужном диапазоне положительно отражается не только на развитии микроорганизмов, но и на их биохимической активности по очищению воды от нефти и нефтепродуктов. Сказанное подтверждается многими работами по использованию аборигенных углеводородокисляющих бактерий в производственных масштабах и нашими исследованиями [2,6,7].
Наиболее эффективными техническими решениями в области очистки нефтесодержащих сточных вод являются комплексные установки, обеспечивающие оптимальные технико-экономические характеристики процесса очистки. Таким техническим решением может быть биотехнологическая схема, включающая в себя созданный нами струйно-отстойный аппарат (СОА), позволяющий провести глубокую очистку и доочистку нефтесодержащих сточных вод.
Полученные в лабораторных и модельных экспериментах данные были применены при проведении производственных испытаний биотехнологической схемы, осуществляемой в рамках договора с ОАО «Казаньоргсинтез» цехе нейтрализации и очистки промышленно – сточных вод. Новая схема очистки нефтесодержащих сточных вод включает отстой, нейтрализацию, осветление стоков в горизонтальном отстойнике 1,5-2 часа, очистку загрязнений на специальной опытной установке, представляющей собой СОА и последующее двухчасовое осветление во вторичном отстойнике (рис.2) [4,5].
Объектом служили нефтесодержащие сточные воды ОАО «Казаньоргсинтез» следующего состава: ХПК 604,8 – 1858 мг/дм3, О2 в пределах 1,5 – 6 мг/дм3, сумма неорганических форм азота (NH4, NO2 и NO3) 10 – 35, фосфор (P2O5) 0,3 – 2,2, нефтепродукты до 183 мг/дм3, фенол до 20 мг/дм3, гликоли до 250 мг/дм3, СПАВ до 20 мг/дм3. Биодеградацию нефтяных загрязнений проводили с применением вновь созданного консорциума углеводородокисляющих микроорганизмов с общей численностью на входе от 107 млн. кл/см3 до 162 млн. кл/см3.
Сточная вода, очищенная от нефтепродуктов в СОА [5], поступает на биологическую очистку в аэротенки для окисления других органических соединений. Это обеспечивает непрерывный процесс биодеградации углеводородсодержащих сточных вод.
Режим очистки стока в СОА непрерывный, длительность биоокисления 0,8; 1; 1,2; 1,4; 2; 3 и 4 часа. Биомасса популяции десяти нефтеокисляющих микроорганизмов для очистки сточной жидкости получена для каждого варианта опыта в условиях хемостатного культивирования в лабораторном ферментере.
На первом этапе работы нами было выявлено, что оптимальное время пребывания стока в СОА приближается к 1,2 часа, что соответствует скорости подачи сточной воды в струйно-отстойный аппарат 8 - 10 л/мин. При этом эффективность окисления нефтепродуктов составляет 40% (рис.3).
При варьировании добавляемых в сточную жидкость биогенных элементов было выявлено, что оптимальное соотношение БПКполное:N:P для окисления углеводородов микроорганизмами в СОА составляет 100:5:1.
Дополнительное внесение реагентов, содержащих биогенные элементы, стимулировало рост биомассы популяции микроорганизмов, что повышало эффективность изъятия загрязнений до 70% по сравнению с контролем, где эффективность окисления была равна 37%. При увеличении дозировки биогенов выше оптимального уровня наблюдалось угнетение роста популяции микроорганизмов, что соответственно снизило эффективности биоокисления до 40% (рис.4).
Для оценки возможности интенсификации процесса биоокисления нефтепродуктов проводились опыты с применением индуцирующих веществ. Время пребывания нефтезагрязнённой сточной воды в СОА и концентрация биогенов были оптимизированы в предыдущих опытах. Результаты эксперимента представлены на рис.5.
Было выявлено, что внесение индуцирующих соединений увеличивает количество углеводородокисляющих микроорганизмов до 376 млн. кл/см3, что повышает эффективность процесса биоокисления в СОА до 75%. В контроле в те же сроки процент окисления остаются на стабильном низком уровне и не превышают 40% .
Анализ содержания азота, нитратов, нитритов, фосфора на выходе с СОА показал, что ни в одном из вариантов опытов не происходило накопление вышеуказанных компонентов. Содержание азота и фосфора после биологической очистки уменьшается в среднем на 60 и 70% соответственно, что свидетельствует о минерализации загрязнений. В процессе отстаивания происходит дальнейшая биодеградация нефтепродуктов микроорганизмами и отделение биомассы от очищенных сточных вод, эффективность деструкции углеводородов при этом повышается до 82%.
Действительно, проведённые исследования по окислению углеводородов в СОА подтверждают полученные в лабораторных условиях результаты. Исследованиями было установлено, что степень и эффективность биоокисления нефтепродуктов по принятой схеме очистки зависят от концентрации углеводородов в воде и времени их контакта с окисляющей микрофлорой в СОА. Это связано, с одной стороны, с доступностью нефтяного загрязнения к микробной атаке, а в конечном итоге, с возможностью использования его микроорганизмами в качестве единственного источника углерода и энергии, а с другой, с возможностью оптимизации среды для участвующих в биодеградации микроорганизмов.
В результате проведённых лабораторных и полупроизводственных исследований были установлены и подобраны основные параметры и условия хемостатного культивирования углеводородокисляющих микроорганизмов стимуляции развития биомассы бактерий в процессе окисления нефтезагрязнённых сточных вод в биореакторе с использованием биогенных элементов и биокатализирующих соединений.
В заключении хотелось бы отметить, что применение СОА позволяет улучшить очистку производственных сточных вод от нефтепродуктов на 82%, и уменьшить нагрузку на аэротенки в 5,5 раза. На выходе из СОА количество нефтепродуктов в сточной воде составляет 0,59 мг/дм3, после чего сток поступает в аэротенки и проходит дополнительную биологическую очистку с эффективностью в 95%, что позволяет очистить сток до нормы 0,16 мг/дм3. При отсутствии СОА сток напрямую поступают в аэротенки, где степень очистки составляет не более 87% (табл.6), что увеличивает нагрузку на аэротенки и уменьшает эффективность очистки.
Таблица 6
Эффективность
очистки углеводородсодержащих сточных вод
ОАО «Казаньоргсинтез» на опытной установки СОА и без неё
|
Содержание
|
На выходе
|
Эффективность,
|
На выходе
|
Эффективность,
|
|
нефтепродуктов
|
из СОА
|
%
|
из аэротенка
|
%
|
|
в исходном стоке,
|
|
|
после СОА
|
|
|
после
|
0,59 мг/дм3
|
82±2,3
|
0,16 мг/дм3
|
95±2
|
|
первичных
|
|
|
|
|
|
отстойников
|
из аэротенков
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3,18 мг/дм3
|
0,42 мг/дм3
|
87±3
|
|
87±3
|
|
|
|
|
|
|
Результаты проведенных научных исследований позволяют использовать разработанную биотехнологическую схему и технологию очистки для решения вопроса повышения скорости и эффективности очистки водной среды от нефти и нефтепродуктов. Полученные результаты имеют практическое значение, для очистки нефтесодержащих сточных вод малой концентрации (бензоколонки, автомойки, автохозяйства) и крупнотоннажных производств и приравненных им объектов.
Список литературы
1. Очистка воды и почвы от нефтезагрязнений. Экология и промышленность России, ноябрь 2001 год. С.76.
2. Морозов. Н.В. Экологическая биотехнология: очистка природных и сточных вод макрофитами / Н.В. Морозов. – Казань: КГПУ. 2001.– 396 с.
3. Сидоров А.В. Биологическая очистка и доочистка углеводородсодержащих сточных вод ОАО «Казаньоргсинтез» на пиолотной установке. Изчение влияния различных биогенных элементов и биокатализирующих соединений на эффективность процессов биоокисления / А.В. Сидоров, Н.В. Морозов // Материал IV Международная конференция «сотрудничество для решения проблемы отходов». Харьков. 2007.-С.253-258.
4. Сидоров А.В., Морозов Н.В. Биоремедиация нефтяных загрязнений в поверхностных водах отселектированными штаммами углеводородокисляющих микроорганизмов // Мат. пятого Московского международного конгресса БИОТЕХНОЛОГИЯ: состояние и перспективы развития». – Москва, 2009. – С. 244-246.
5. Морозов Н.В., Сидоров А.В. Биодеградация нефтяных загрязнений в технологических стоках / Н.В. Морозов, А.В. Сидоров // Экология и промышленность России, июль, 2007. С. 4-7.
6. Швецов В.Н. Современные технологии биологической очистки нефтесодержащих сточных вод / В.Н. Швецов, К.М. Морозова, И.А. Нечаев, М.Ю. Пушников // Водоснабжение и санитарная техника. - 2002.- №3.-С.9-12.
7. Сидоров А.В., Морозов Н.В. Управляемая биоремедиация нефтяных загрязнений в природных водоемах как фактор здоровой экологии человека (на примере региона Республики Татарстан) / А.В. Сидоров, Н.В. Морозов // Вестник Оренбургского государственного университета. – 2009. - №6. – С. 512 – 516.
|
