Рис.12. Снимки биопленок. Сканирующая электронная микроскопия. (a) клетки в порах; (b) отдельные клетки на поверхности пенополиуретана; (c) и (d) агрегаты клеток на поверхности или в порах носителя [72].

Для очистки бытовых сточных вод от органики (ХПК 345 мг/л) и аммонийного азота был разработан вертикальный аэробный/анаэробный реактор (рис.13) с кубами пенополиуретана в качестве иммобилизирующего материала. Реактор позволяет очищать воду по ХПК на 84%.

Рис.13. Радиальный аэробный/анаэробный реактор с иммобилизующим материалом. Отсек 2 и 4 заполнены пенополиуретаном. Отсек 2 анаэробный, 4 - аэробный. Воздух подается в третьем отсеке, который связан с четвертым, для равномерного распределения кислорода.

Ca²⁺-альгинат использовали для иммобилизации утилизирующих углеводороды бактерий (Pseudomonas sp., Bacillus sp.). Деструкция алканов C₁₀ составила 42-57% клетками на носителе и 47% взвешенными клетками, C₂₇ - 55-74% и 68%, соответственно. Бактерии, иммобилизованные альгинатом, не теряли способности разлагать сырую нефть в течение 150 дней инкубации, что говорит о стабилизации клеточных мембран и повышении их проницаемости [71].

Поливиниловый спирт - нетоксичный и доступный коагулянт. Его успешно использовали для удаления азота из муниципальных стоков в системе аэробных/анаэробных проточных реакторов полного смешения. Очистка по ХПК >90% (от 360 мг/л исходного) и 80% TN (от 48 мг/л) [68]. Поливиниловый спирт вместе с альгинатом натрия и активированным углем применяли для иммобилизации бактерий, очищающих стоки нефтепереработки. Микробные клетки демонстрировали хорошую механическую прочность, эластичность, проницаемость и остальные физические свойства, что выражалось в их повышенной активности. Очистка по ХПК и углеводородам - 75% и 90%, соответственно [69].

Сравнивалась эффективность деструкции нафталина штаммом Pseudomonas sp. NGK1 с использованием различных носителей. Наилучший результат получен для пенополиуретана - 87%. Для агара, полиакриламида и альгината эффект составил 86, 80 и 72%, соответственно. Взвешенные клетки могли лишь аккумулировать определенное количество нафталина [70].

Система вращающегося биологического контактора (рис.14) широко распространена, а также применяется для нефтехимических и нефтезагрязненных стоков. Может использоваться как в качестве аэробной, так и анаэробной очистки. В реакторе имеется опора в виде вращающихся дисков (могут быть из различных материалов), расположенных перпендикулярно оси вращения и потоку жидкости. Если использовать реактор для очистки концентрированной сточной воды (ХПК 3248-12150 мг/л), то очистка составляет 74-82%. Такой реактор лучше использовать как предочистку. Схема не требует больших денежных затрат, имеет короткое время осаждения, хорошо контролируема [47]. Контактор с пенополиуретаном в дисках очищал нефтехимические стоки с ХПК 234-925 мг/л с эффективностью 86% [73].

Рис.14. Вращающийся биологический контактор (rotating biological contactor, RBC)

Большое количество масла и жиров в сточной воде может вызывать проблемы с флотацией в системах с взвешенной биомассой. Для таких стоков был собрана система из анаэробного и аэробного реакторов с иммобилизующим материалом (рис.15). Гофрированные трубы из ПВХ (поливинилхлорида) расположены вертикально в реакторах для предотвращения засорения, а их неровная поверхность улучшает адсорбцию биомассы, что сохраняет ее от вымывания. Твердая иммобилизация используется для реакторов, очищающих стоки скотобойни с ХПК 400-1600 мг/л с эффективностью 92% [47]. Похожий реактор с вертикальными трубами из ПВХ очищал нефтехимические стоки производства терефталевой кислоты в анаэробных условиях с ХПК поступающей воды 9300 мг/л с эффективностью 84% [76].

Рис. 15. Анаэробный и аэробный реакторы с иммобилизующим носителем (fixed film bioreactor, FFB)

Аэробный реактор с псевдоожиженным слоем (рис.16) имеет подвижный иммобилизационный материал в виде гранул различной природы, которые адсорбируют бактерий. Производится искусственное увеличение гранул, образуемых активным илом, и увеличение площади взаимодействия бактерий с жидкостью. Эффективность очистки по ХПК составляет 75% для сточной воды текстильного производства с ХПК 2700 мг/л. Система производит на 45% меньше шлама, чем простой аэробный реактор, толерантна к pH и имеет стабильный уровень очистки [47]. Такой FBR реактор был использован для очистки нефтехимических стоков с высоким содержанием органических и ароматических соединений в аэробных и анаэробных условиях. Очистка по ХПК составила 85% для анаэробного процесса и 94% для аэробного. Хорошо удалялись бензол, толуол, этилбензол, ксилолы, стирол и нафталин [77].

Рис. 16. Схема реактора с псевдоожиженным слоем

В последние годы возрос интерес к мембранным реакторам (рис.17). Мембранные реакторы сочетают мембранную фильтрацию с процессом биодеградации. Мембрана задерживает твердые частицы, биомассу, патогенных бактерий и даже макромолекулы. Они имеют высокую способность удаления органики, хорошо снижают количество взвешенных твердых частиц и количество патогенных микроорганизмов. Основное достоинство таких реакторов заключается в том, что они позволяют получать высокую концентрацию биомассы в смешанной жидкости. В лабораторной установке при ХПК синтетической воды 2000-4000 мг/л и до 8000 мг/л очистка проходила стабильно и в среднем составила 89% [52].

Рис.17. Схема из ферментера восходящего потока и мембранного реактора (в рамке)

Возможно также усовершенствование аэробной очистки за счет развития системы подачи кислорода. Наиболее эффективно работает метод подачи кислорода в виде микропузырьков снизу, так как таким образом газ поступает во все части реактора и повышена степень его растворимости в жидкости [53]. В этом случае можно рассчитывать на эффективное развитие аэробных, а не микроаэрофильных бактерий [14].

Табл.3. Сравнение некоторых реакторов для биологической очистки (по Ishak et al., 2012)

A, очень хорошо; B, хорошо; C, нормально.

Нефтехимические стоки (табл.4) в силу высокой токсичности содержащихся в них соединений с низкой степенью доступности для деструкции микроорганизмами, очищаются, как правило, физико-химическими методами. Однако добавление биологической очистки значительно улучшает качества сбрасываемой жидкости, а замена физико-химического метода на биологический, если это возможно, позволяет снизить затраты на эксплуатацию. По этим причинам, а также из-за экологических проблем, происходит развитие биотехнологий, направленных на очистку именно такого рода сточных вод.

Табл. 4. Примеры нефтехимических сточных вод

Размещено на Allbest.ruр