Искусственные биосистемы для очистки воды от нефтяных углеводородов

Актуальность проблемы. Нефть является экологически опасным веществом, которое при попадании в окружающую среду (в водоемы, в почву) нарушает, угнетает и заставляет протекать иначе все жизненные процессы: нефтяное загрязнение в воде и почве подавляет дыхательную активность и микробное самоочищение, изменяет соотношение между отдельными группами естественных микроорганизмов, меняет направление метаболизма, угнетает процессы азотфиксации, нитрификации, разрушения целлюлозы, приводит к накапливанию трудноокисляемых продуктов, уменьшает количество корневых выделений и органических остатков растений, являющихся важнейшими факторами питания микроорганизмов [1].

На сегодняшний день в мире практически не осталось водоемов, качество воды в которых не изменилось бы. Значительная доля нефтяных углеводородов осаждается в районах больших городов, попадая сюда из разных источников. К ним относятся системы отопления, работающие на нефти, операции обслуживания автомобилей, свалки израсходованных смазочных материалов, смазочные материалы, охлаждающие эмульсии и т. д. Дожди неизбежно вымывают эти остатки вначале в дренажные сооружения, а затем в поверхностные водоемы. Все это приводит к загрязнению источников воды и водоносных слоев.

Как правило, половина нефти, загрязняющей природные водоемы, — это отработанное масло автомобильных и промышленных двигателей, попадающее в водоемы с промышленными сточными водами и дождевыми потоками.

Поступая в водоемы, сточные воды, загрязненные нефтью и нефтепродуктами, создают различные формы загрязнения: плавающую на воде нефтяную пленкурастворенные и эмульгированные в воде нефтепродуктыосевшие на дно тяжелые фракциипродукты, адсорбированные грунтом дна или берегами водоема. Технологии ликвидации и сбора плавающих нефтепродуктов достаточно хорошо разработаны и используются на практике. Однако, вопросы восстановления качества поверхностных водоисточников, загрязненных нефтепродуктами, находящимися в растворенном и эмульгированном состояниях,, требуют дальнейших исследований. Концентрация нефтепродуктов, оставшихся в воде после их сбора, с поверхности остается достаточно высокой и не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к качеству водных объектов хозяйственно-питьевого и рыбохозяйственного значения. Такое перераспределение нефтепродуктов в водной среде позволяет констатировать незавершенность технологий ликвидаций нефтяных загрязнений. В связи с этим, актуальным является поиск эффективных технологий, обеспечивающих не только глубокую очистку водных объектов от нефтяных углеводородов, но и деструкцию последних. В последние годы появилось много публикаций об эффективном использовании микроорганизмов для борьбы с нефтяными загрязнениями [2−4].

Очистка воды в природе — непременное звено в цикле водооборота. Самоочищение поверхностных вод от нефтяного загрязнения протекает под действием физических, химических и биологических факторов. Однако, за счет первых двух, происходят лишь частичные изменения в составе нефти и нефтепродуктов, полной деструкции не наблюдается. В процессе самоочищения водоемов ведущее место принадлежит биологическим факторам, решающую роль среди которых играют нефтеокисляющие микроорганизмы. Благодаря их деятельности нефть трансформируется до простых соединений, происходит накопление нового органического вещества и дальнейшее включение его в круговорот углерода в водоемах. На этом основан метод биологической очистки с применением препаратов, содержащих выделенные штаммы нефтеокисляющих микроорганизмов.

В последние годы возрос интерес к возможности использования совместного действия микроорганизмов (в ассоциациях). Это обуславливается тем, что ассоциации микроорганизмов зачастую проявляют иные качества, чем в монокультуре. Ассоциации микроорганизмов разрушают более сложные углеводородные субстраты, чем отдельные чистые штаммы. Поэтому в настоящее время актуален вопрос о применении различных микроорганизмов и их сообществ для борьбы с нефтяным загрязнением окружающей среды.

На сегодняшний день известно большое количество препаратов, основу которых составляют микроорганизмы, способные утилизировать нефть и нефтепродукты. Биологические методы имеют ряд преимуществ, в первую очередь — это экологическая чистота и безопасность, а также минимальное нарушение физического и химического состава очищаемых объектов. Большинство технологий биологической очистки являются дешевыми и не очень трудоемкими. Однако, скорость и глубина очистки биохимических методов снижается при низких концентрациях нефтепродуктов.

В последние годы для биоремедиации водных объектов используют иммобилизованные на твердых носителях микроорганизмы-деструкторы НУ, обладающие рядом преимуществ перед свободными клетками (резистентность к воздействию негативных факторов, продолжительные временные периоды биокаталитического действия). В качестве носителей для иммобилизации могут быть использованы как материалы природного происхождения, так и синтетические носители с плотностью меньшей, чем плотность воды. Однако, большинство технологий ликвидаций нефтяных загрязнений с использованием биосорбентов разрабатывается для удаления основной массы нефтепродуктов с поверхности воды.

Несомненно, актуальным является разработка новых искусственных биосистем, представляющих собой нефтеокисляющую микрофлору, иммобилизованную на носителях, обладающих способностью на порядки выше концентрировать растворенные и эмульгированные нефтяные углеводороды в твердой фазе. Причем последующая биодеструкция сконцентрированных НУ нефтеокисляющей микрофлорой, иммобилизованной в твердой фазе, обеспечивает эффект саморегенерации сорбента.

Следует отметить, что в настоящее время практически отсутствуют тест-объекты л комплекс методик, позволяющих провести систематическое исследование кинетических зависимостей процесса извлечения нелетучих НУ из водных систем биосорбентами. Поэтому разработка комплекса методик, проведение кинетических исследований и определение вклада сорбции и биодеструкции в процесс очистки воды также вполне актуальны.

Цель работы.

Основная цель настоящей работы — разработка и исследование искусственных биосистем на основе природных и синтетических сорбентов и консорциума нефтеокисляющих микроорганизмов для очистки воды от НУ, особенно в трудно извлекаемой — эмульгированной форме, до значений, близких к предельно допустимой концентрации в водных объектах (ПДКВ).

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Получение стабильной эмульсии типа «масло в воде», моделирующей нелетучие НУ, для исследования равновесия и кинетики процессов очистки водных фаз от НУ;

2. Модифицикация гравиметрического метода определения НУ с целью повышения его чувствительности и возможности определения малых количеств НУ, а также для определения емкости сорбента;

3. Проведение исследований по выбору сорбентов для иммобилизации клеток микроорганизмов и создания биосорбентов;

4. Разработка научно-методических подходов к оценке эффективности работы биосистемы, исследование кинетических зависимостей процессов извлечения НУопределение возможности моделирования биосорбционных процессов и аппроксимации полученных зависимостей;

5. Проведение сравнительного анализа процессов извлечения НУ чистым сорбентом и биосорбентом, оценка вклада сорбционных и биодеструктивных процессов;

6. Оценка жизнеспособности иммобилизованной в твердой фазе сорбента микрофлоры и определение лимитирующих факторов работы биосистемы в процессах биодеструкции;

7. Проверка возможности использования результатов, полученных на модельной эмульсии НУ, для реальных вод, загрязненных НУ.

Научная новизна.

1. С целью создания искусственной биосорбционной системы для очистки воды от НУ проведено систематическое исследование процессов сорбции и биодеструкции. Показана интенсификация процесса за счет использования сорбентов с иммобилизованными клетками микроорганизмов и определены доли сорбции и биодеструкции в процесс очистки от НУ.

2. Установлены необходимые условия функционирования биосорбционной системы, способность иммобилизованных клеток микроорганизмов к использованию НУ в качестве основного биогенного компонента, а также оценено влияние ряда лимитирующих факторов на эффективность процесса биодеструкции.

3. Проведенная модификация существующего гравиметрического метода определения содержания НУ позволила повысить чувствительность метода, проверить его для анализа малых количеств НУ в жидкой и твердой фазах и применить для определения емкости гранульных и нетканых сорбентов.

4. Разработан и проверен способ получения стабильной водной эмульсии додекана (ДД), моделирующей загрязнение вод нелетучими НУ.

Оценен ряд методик исследования кинетики сорбционных и биосорбционных процессов в водной среде с использованием стандартной эмульсии ДД. Показано, что для большинства исследованных процессов характерно внутридиффузионное лимитирование.

5. Впервые разработана методология, позволяющая оценить кинетические показатели биосорбционных систем для сред с эмульгированными НУ. Показано, что на биосорбенте «Версойл» кинетические зависимости подчиняются уравнению Михаэлиса-Ментен. Определены константы Михаэлиса и величины vmax, необходимые для описания функционирования I биосистемы.

6. На основе пористых сорбентов получены биосорбционные системы, эффективно извлекающие НУ из водных сред, и количественно оценены параметры сорбции и биодеструкции. Экспериментально показано, что полученные биосорбенты обладают свойством саморегенерации, что свидетельствует о возможности их многоразового использования.

7. Для ряда биосорбентов исследованы различные способы аппроксимации кинетических кривых и прогноза процессов извлечения НУ из водных сред до ПДКВ.

8. Исследованием процесса извлечения НУ из реальной сточной воды автомойки показана возможность прогнозирования процесса с помощью полученных уравнений для стандартной эмульсии ДД.

Практическая значимость.

Разработаны искусственные биосистемы, обеспечивающие эффективную очистку вод от трудно извлекаемых — эмульгированных НУ. Биосистемы способны извлекать следовые количества НУ из водной фазы, а также создавать в твердой фазе значительные концентрации НУ, необходимые для эффективного проведения процессов биодеструкции. Использование для очистки от НУ искусственных биосистем не приводит к накоплению сорбированных веществ и исключает необходимость регенерации таких материалов, а также последующий вывоз и утилизацию отходов.

Разработан комплекс методик, позволяющих устанавливать показатели эффективности работы водоочистных установок, а также разработать технические методики для проверки ресурса водоочистных установок по НУ. Комплекс методик содержит: моделирование нелетучей фракции НУ через создание стабильной водной эмульсии ДД, используемого в качестве стандартаопределение НУ модифицированным гравиметрическим методоманализ количеств нелетучих НУ, сорбированных в твердой фазе, позволяющий оценивать емкости гранульных и нетканых сорбентов. Показана их применимость для исследований равновесия, кинетики сорбционных и биосорбционных процессов извлечения НУ из водных сред.

Предложен и оценен ряд методов описания и прогнозирования скоростей и глубины очистки водной фазы от НУ. Показана возможность их использования для прогноза времени достижения остаточной концентрации.

0,05 мг/дм3 (ПДКВ).

Результаты настоящей работы создают научно-методические предпосылки для дальнейших научных и прикладных исследований биосорбционных процессов.

Практическое применение результатов работы может быть реализовано при решении следующих экологических задач:

— очистка природных водоемов, загрязненных НУ;

— очистка сточных вод, содержащих эмульгированные НУ (ливневые стоки, отработанные смазочно-охлаждающие жидкости, стоки автомоек, отработанные моющие растворы ремонтных автомастерских и т. п. предприятий и цехов),.

— предподготовка для получения особо чистой воды.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Проведено систематическое исследование процесса извлечения эмульгированных НУ сорбентами с иммобилизованными нефтеокисляющими микроорганизмами, количественно оценены скорости и вклады одновременно протекающих процессов сорбции и биодеструкции. Показано, что биосорбенты сочетают преимущества сорбционного концентрирования и интенсивной биодеструкции концентрированных в твердой фазе НУ, что позволяет достичь высокой степени очистки водных фаз и реализовать эффект саморегенерации биосорбента.

2. На основе ионогенных и неиногенных пористых материалов путем иммобилизации консорциума нефтеокисляющих микроорганизмов разработаны биосорбенты, способные эффективно работать в условиях малых концентраций, которые позволяют достигать высоких степеней очистки водных систем от НУ. Оценена эффективность работы биосорбентов, создаваемых на различных типах сорбентов.

Показано, что подобные материалы обладают способностью предварительного сорбционного концентрирования НУ в твердой фазе, в результате чего создаются предпосылки для эффективной биодеструкции НУ микроорганизмами в области больших концентраций. Установлено, что даже небольшие количества биокомпонента (30−40 мг/г по сухому веществу) обеспечивают высокую эффективность процессов биодеструкции НУ.

3. Для моделирования весьма сложных биосорбционных процессов рассмотрен ряд подходов, позволяющих прогнозировать эффективность протекающих процессов. Показано, что лимитирующей стадией процессов является внутренняя диффузия. Полученные уравнения внутренней диффузии позволяют достаточно хорошо описать сорбционные и биосорбционные процессы, а также зависимость глубины очистки от времени.

Расчетом чисто сорбционного процесса на материалах без иммобилизованных микроорганизмов определены вклады биодеструкции в процесс извлечения НУ из водных сред при использовании биосорбентов. Вклад биодеструк.

120 ции в процесс очистки воды составляет значительную величину — более 30%.

4. Исследование процесса биосорбционной очистки при трех различных концентрациях НУ показало, что степень извлечения НУ и скорость процесса зависят от концентрации НУпри малых концентрациях НУ в водной фазе наблюдается замедление скорости и ход процесса для всех трех случаев становится одинаков.

5. Показано, что при использовании одного и того же образца биосорбента в 3-х циклах продолжительностью по 5 суток жизнеспособность иммобилизованных клеток биосистемы сохраняется и снижения скорости биодеструкции не наблюдается. Разработанные биосорбционные системы обладают способностью саморегенерации. Это свидетельствует о возможности их многоразового использования, причем для эффективной работы подобной биосорбционной системы не требуется никаких дополнительных мероприятий по регенерации, тем самым снижается частота регенерации сорбента и увеличивается ее глубина.

6. Оценена деструктирующая активность иммобилизованной микрофлоры. Впервые разработаны методики, позволяющие реально оценить кинетические показатели биосорбционных систем. На примере «Версойла» показано, что кинетические зависимости подчиняются уравнению Михаэлиса-Ментен. Определены константы Михаэлиса и величины vmax, необходимые для описания функционирования биосистемы.

7. Определены лимитирующие факторы процесса биодеструкции, показано, что дополнительная активация биосистемы необходимыми биогенными элементами значительно повышает окислительную способность микроорганизмов по отношению к НУ.

8. Проведена оценка эффективности работы биосорбента на основе нетканого материала АН-3 на сточной воде типовой автомойкипоказано, что экспериментальные результаты по сорбции и биодеструкции НУ в реальной пробе сточной воды адекватны результатам исследования на модельной эмульсии ДД, что доказывает применимость выбранного подхода к исследованию.

121 процессов и применение ДД в качестве стандарта, моделирующего нефтяное загрязнение.

9. Сделан прогноз времени достижения ПДКВ. Для реальной пробы сточной воды автомойки, загрязненной НУ, с учетом лимитирующих факторов процесса время достижения ПДКВ по прогнозу составит 7,8 суток.

10. Разработан и оценен более чувствительный гравиметрический метод определения нелетучих НУ в водной фазе и фазе сорбента, позволяющий работать в области, близкой к ПДКВ, и пригодный для определения емкости гранульных и нетканых сорбентов.

11. Предложена стабильная водная эмульсия НУ на основе ДД, позволяющая оценивать кинетику биосорбционных процессов, пригодная для проверки ресурса водоочистных установок по НУ. Разработанная водная эмульсия НУ может быть рекомендована для исследования равновесия и динамики процесса.