Обезвреживание разнообразных органических отходов, жидких стоков производственных предприятий все чаще проводится с помощью микробиологических методов. Наиболее широко применяются микроорганизмы - деструкторы, которые используют кислород воздуха для окисления различных органических соединений. Такие аэробные методы очистки реализуются, в основном, в аэротенках, главные недостатки которых -- необходимость перемещения биомассы (активного ила) и удаления избыточных ее количеств. Чтобы избежать этих недостатков и реализовать проточный принцип очистки, применяют иммобилизацию микроорганизмов на различных носителях.

Целью работы был подбор методов и расчет аппарата для очистки сточных вод от фенола и нефтепродуктов. Фенол и его производные (особенно галоген-производные, диоксины) являются крайне токсичными соединениями. Их ПДК составляют тысячные доли миллиграмма на литр. В то же время масштабы выбросов фенола и его производных говорят о необходимости разработки эффективного метода их утилизации. Основными поставщиками фенола в окружающую среду являются ЦБК, предприятия - производители кабельно-проводниковой продукции, фенол- формальдегидных смол, фанеры, пластика. Микроорганизмы-деструкторы были выделены из активного ила очистных сооружений города Перми. Выделение и культивирование бактерий производили на среде Е при 37С с содержанием фенола 0,1 мг/л.

Поскольку фенол является трудноокисляемым соединением, был предложен биосорбционный метод очистки, позволяющий снизить токсическое действие фенола на микроорганизмы и повысить скорость разложения нефтепродуктов.

Отработаны методы выделения и культивирования микроорганизмов-деструкторов фенола и нефтепродуктов. Иммобилизацию производили сорбционным методом без использования модифицирующих реагентов. Полученный иммобилизованный сорбент обладает повышенной окислительной активностью по сравнению со свободно растущими клетками.

В качестве носителя для иммобилизации был предложен березовый активированный уголь марки БАУ-4, так как он обладает высокой сорбционной емкостью, как по нефтепродуктам, так и по клеткам микроорганизмов. Поскольку размеры частиц активированного угля не превышают 5 мм, для реализации процесса был предложен аппарат с псевдоожиженным слоем.

В результате экспериментов были определены удельные скорости окисления загрязняющих веществ, и они составили 0,2 и 5 г/кг*сут для фенола и нефтепродуктов соответственно. При этом скорость окисления фенола иммобилизованными клетками превосходит аналогичный показатель для активного ила примерно в 1,5 раза.

С использованием полученных кинетических характеристик биосорбента был спроектирован аппарат для очистки производственных сточных вод объемом 15 м³ и производительностью 7000 м³/сут.

Установка для очистки сточных вод состоит из двух колонных аппаратов и циркуляционного насоса. Колонные аппараты разделены на две зоны: аэрационную и биосорбционную, расположенных коаксиально. В аэрационной зоне происходит насыщение подаваемых сточных вод кислородом, а в биосорбционной зоне - очистка вод от загрязнителей в псевдоожиженном слое биосорбента. Циркуляционный насос обеспечивает стабильность кипящего слоя при колебаниях расхода сточных вод, а так же их разбавление.

Данная установка позволяет эффективно удалять из сточных вод фенол и нефтепродукты и может быть использована как для очистки производственных сточных вод, так и в системах оборотного водоснабжения.

1. Исследовательская часть

Результативность работы биокатализатора в целом во многом определяется эффективностью снабжения иммобилизованной популяции питательными веществами или субстратами, а также легкостью отвода метаболитов. Эти факторы зависят главным образом от диффузионных барьеров, создаваемых материалом носителя. Поэтому способы иммобилизации классифицируют по принципу конечного состояния удерживаемой носителем клетки. Существуют следующие варианты иммобилизации клеток:

1. Иммобилизация клеток на носителе или на поверхности носителя.

Поверхность или часть поверхности удерживаемой носителем клетки свободно "омывается" внешней средой (жидкой или газообразной); при этом потребление субстратов и выделение продуктов жизнедеятельности микроорганизма определяются преимущественно биологическими факторами, т. е. функциональными возможностями конкретного штамма в среде используемого состава. В качестве носителей для иммобилизации в данном варианте используются различные адсорбенты и ионообменные материалы.

2. Иммобилизация клеток в носителе или в массе (объеме) носителя

Между внешней средой и клеткой в результате иммобилизации последней появляется слой материала носителя, и обмен веществ клетка-среда осуществляется через этот слой, где происходит диффузионно-контролируемый транспорт питательных веществ и отвод метаболитов. В данном случае свойства носителя (например, его пористость, заряд, гидрофильность) могут в значительной степени сказываться на работе иммобилизованного биокатализатора и на уровне реализации потенциальных возможностей микроорганизма. В данном варианте иммобилизации микроорганизмов в качестве носителей применяются либо полимерный гель, либо полимерная пленка, либо полимерное волокно.

3. Иммобилизация клеток с использованием мембранной технологии или иммобилизация в мембранных реакторах.

Клетка и небольшая часть внешней среды помещены в замкнутый объем, отделенный от остальной среды полупроницаемой мембраной, размеры пор в которой таковы, что субстраты и продукты через нее проникают, а клетки удерживаются внутри замкнутого объема. Здесь микроорганизмы находятся непосредственно в среде, с искусственной же мембраной как носителем контактирует лишь слой у поверхности мембраны; остальные клетки фактически не имеют затруднений в движении, если их концентрация не слишком высока.

1.1.2 Адсорбционная иммобилизация микроорганизмов

В случае адсорбционной иммобилизации используется естественная способность многих микроорганизмов закрепляться на разнообразных твердых или гелеобразных носителях и продолжать свою жизнедеятельность в таком обездвиженном состоянии. При этом собственно процедура искусственной иммобилизации предусматривает зачастую просто пропускание суспензии клеток через реактор с адсорбентом.

Адсорбционные методы иммобилизации относятся к числу наиболее простых и "естественных". В природе почти всегда микроорганизмы и их ассоциаты существуют не в изолированной (свободной) форме, а в адсорбированном состоянии. Примером этому являются микробные популяции почвы, кишечника, рубца, некоторые азотфиксирующие микроорганизмы растений и т.д.

В данной работе был выбран именно адсорбционный способ иммобилизации.

Разнообразие свойств поверхности клеток и адсорбентов обусловливает различные механизмы адсорбционного взаимодействия и различные виды сил адгезии. Адгезия клеток на адсорбенте определяется следующими причинами:

1) Образование химических связей между поверхностями клетки и адсорбента (хемосорбция);

2) Ион - ионные взаимодействия, образование ионных пар и триплетов, например,

NH₃⁺.. .~ --ООС-- и --СОО--~... Са²⁺ ... ~ --ООС--;

3) Электростатические (неионные) взаимодействия заряженных поверхностей клеток и адсорбента;

4) Силы Ван-дер-Ваальса (взаимодействие диполь--диполь, диполь--наведенный диполь, ион --диполь);

5) Влияние электролитов, гидратационных эффектов, капиллярных свойств;

6) Флокуляция и коагуляция;

7) Гидрофобное взаимодействие;

При адсорбционной иммобилизации клеток, которая обусловлена электростатическими силами, одновременно реализуется несколько типов адгезионного взаимодействия, поэтому трудно выделить роль каждого из них по отдельности. Тем не менее наибольшее влияние на связывание микроорганизма с носителем оказывают ковалентные и ионные взаимодействия.

1.1.3 Виды адсорбентов

Адсорбенты для иммобилизации могут быть органическими или неорганическими, природными, искусственными, синтетическими. Используют также комбинированные адсорбенты, представляющие собой подложку из одного материала с поверхностным слоем (пленкой) из другого. Поверхностный слой может быть привитым или нанесенным, он может формироваться и из материала подложки после ее физической или химической обработки (промывка, травление, обработка кислотой или щелочью, карбонизация, термообработка, обработка электроразрядом и т.д.).

Носители для адсорбционной иммобилизации

Природные неорганические

Природные органические (полимерные)

Хитин/хитозан; декстран (поперечно-сшитый); древесина (разные сорта, щепа, стружка, опилки); багасса; хлопок; целлюлоза; лигнин; шерсть; волосы; шелк; коллаген.

Неорганические искусственные

Кремнеземы; силикагели; стекла (эти материалы применяются в виде гранул, волокон, ершей, пластин); графитированные материалы (сажа, активированный уголь, ткани, волокна, углеродные материалы); кирпич; керамика (гранулы, пластины, кольца и т.д.); нержавеющая сталь (пластины, диски, волокна, шарики); медь (волокно); металлические сплавы; магнетит; оксиды и гидроксиды Тi (IV), Zr (IV), Sn (IV), V (III), Al(III), Fе(II, III).

Полимеры синтетические

DEAE-целлюлоза; ТЕАЕ-целлюлоза; ЕСТЕОБА-целлюлоза; DEHPAE- целлюлоза; фосфоцеллюлоза (торговые марки ионообменников на основе целлюлозы - Cellex фирмы Bio-Rad, Sephaoel (фирмы Pharmacia, Servaoel, фирмы Serva, Whatman одноименной фирмы); ацетилцеллюлоза; целлофан; анионообменные смолы на основе сополимеров стирола и дивинилбензола с пришитыми аминами (Amberlite марок IBA, IRA, XAD, XE; Dowex марки 50-W-X, 1-Х, Bio-Rad марок AG-1, AG-2, AG-21); DEAE-сефадекс; полиэтилен; полипропилен; политетрафторэтилен; сополимер тетрафторэтилена и гексафторпропилена; полиэтилентерефталат; полипропилекоксид; поливинилхлорид; поливиниловый спирт; сополимер винилового спирта и этилена; эпоксидированные смолы; фенолформальдегидные смолы; полистирол; тефлон; производные полиакриловых кислот; сополимеры 2-оксиэтил-метакрилата и этилендиметакрилата (сфероны); найлон, капрон (полиамиды - продукты гомополиконденсации аминокарбоновых кислот, например s-аминокапроновой кислоты или ее лактама); полиуретаны (продукты взаимодействия изоционата с полиоксидо- соединениями); поликарбонат; полиацетат; полиэфир; силикон.

Комбинированные (нанесенные, привитые)

Туф + желатина; целлюлоза + полиэтиленимин (ПЭИ); стекло + ПЭИ; сталь + ПЭИ; сталь + полипропилен; сталь + сополимеры метакриловой кислоты; полиэтилен + альбумин; полиэтилен + коллаген; полиэтилен н- лектин; полистирол + альбумин; полиэтилен + сополимер акриламида и акриловой кислоты; силикагель + слой липидов; сажа + слой липидов.

К достоинствам многих органических адсорбентов относятся химическая стабильность, большие возможности изменения химических свойств их поверхности и варьирования структуры пор, возможность придания частицам адсорбента заданной геометрической формы - получения гранул правильной формы с узким распределением по размерам, получения волокон, пленок, листов, труб и т.д.

Неорганические адсорбенты обладают высокой биологической стабильностью, доступны и дешевы, легко регенерируются.

Пористость и химические свойства природных неорганических адсорбентов менять более трудно, в ряде случаев они достаточно хрупки. Адсорбенты на основе кремнеземов (стекол, силикагелей, силохромов) характеризуются повышенной растворимостью при щелочных значениях рН. Возможность устранить ее заключается в модифицировании поверхности кремнеземов, например, путем покрытия пленками оксидов металлов (циркония, алюминия, гафния, титана), обработкой солями переходных металлов (титана, ванадия, олова, железа и др.), нанесением полимерных пленок.

Перспективными адсорбентами являются металлы и их оксиды, поскольку они дешевы, пористость их легко изменить, обладают отличными гидродинамическими свойствами, налажены промышленные методы получения из них макропористых порошков и гранул. То же самое относится и к пористой керамике, причем еще одним преимуществом ее является возможность варьировать заряд поверхности в зависимости от использования глинозема или кремнезема с добавками различных металлов.

1.1.4 Приемы адсорбционной иммобилизации клеток микроорганизмов.

К достоинствам адсорбционной иммобилизации относится исключительная простота методов ее проведения. По существу, иммобилизация происходит при контакте водной суспензии микроорганизмов с адсорбентом (исключение составляет иммобилизация с помощью электроадсорбции, методика которой рассмотрена выше).

Способы иммобилизации разделяются на статические, с перемешиванием, а также путем нанесения на колонке. Статический способ наиболее прост и заключается в том, что адсорбент вносят в суспензию клеток и смесь инкубируют некоторое время без перемешивания. Иммобилизация достигается за счет осаждения клеток и последующей их адсорбции на частицах адсорбента. Недостатком способа является необходимость длительного контакта адсорбента с суспензией клеток. Способ с перемешиванием предусматривает непрерывное поддержание суспензии клеток и частиц адсорбента в диспергированном состоянии, что обеспечивает более быстрое завершение процесса адсорбции и более равномерное заполнение поверхности адсорбента клетками. Способ нанесения в колонке заключается в прокачивании (с рециклом) суспензии клеток через колонку, заполненную адсорбентом. Если суспензию прокачивают снизу вверх, то скорость потока устанавливается такой, чтобы поддерживать частицы адсорбента во взвешенном состоянии при условии, что это позволяет масса и размер частиц. В случае использования закрепленных форм матрицы адсорбента, например, зафиксированных в неподвижном состоянии волокон, ершей, пленки, пакетов, труб, колец, сеток и т.д., а также при подаче потока суспензии клеток в колонку сверху, реализация "кипящего слоя" адсорбента не нужна. Способ нанесения клеток в колонке имеет то преимущество, что позволяет проводить нанесение и последующий процесс с использованием иммобилизованных клеток в одной и той же колонке.

Модификация указанных методов заключается в том, что иммобилизацию проводят в гравитационном поле, когда статический способ реализуют в центрифуге, существенно ускоряя таким образом осаждение суспензии клеток на адсорбенте. Осаждение клеток на поверхности адсорбента осуществляют иногда при вакуумировании системы или при охлаждении, например до 4 °С.

Кроме того, если адсорбент имеет макрогеометрическую форму (палочки, пластинки, ерши и т.д.), его погружают на определенное время в концентрированную (густую) суспензию клеток, после чего адсорбент вынимают, промывают и помещают в реактор, в котором в дальнейшем предполагается использование иммобилизованного биокатализатора.

1.1.5 Выделение и культивирование микроорганизмов

Существует ряд требований к производственным микробиологическим штаммам:

1. распространенность в окружающей среде,

2. простота методики выделения и культивирования,

3. возможность иммобилизации несколькими методами,

4. удобные для лабораторной работы условия роста,

5. простота методики определения жизнеспособности,

6. возможность простого определения количества клеток в иммобилизованном состоянии.

7. рост на дешевых субстратах,

Также бактерии должны:

1. обладать высокой скоростью роста или давать высокий выход продукта за короткое время;

2. проявлять синтетическую активность, направленную в сторону получения желаемого продукта, образование побочных продуктов должно быть низким;

3. образовывать максимально высокую концентрацию целевого продукта, чтобы затраты на его выделение были экономически оправданы;

4. быть устойчивыми к различным типам инфекций;

5. не быть токсичными для людей и окружающей природы.

Исходя из этих требований, для очистки сточных вод из активного ила очистных сооружений г. Перми были выделены микроорганизмы, обладающие наибольшей скоростью роста на среде с фенолом.

Фенол и его производные (особенно галоген-производные, диоксины) являются крайне токсичными соединениями. Их ПДК составляют тысячные доли миллиграмма на литр (для фенола - 0,001мг/л). Бактерии разлагают фенол в соответствии со следующей схемой:

Фенол очень медленно разлагается в природных условиях, так как обладает антибактериальными свойствами, поэтому для селекции микроорганизмов применяли среды с большим содержанием фенола. При концентрации фенола 0,1 г/л выживают и размножаются только те микроорганизмы, которые способны к эффективной утилизации фенола и использовании его в качестве единственного источника углерода и энергии.

Выделение и культивирование микроорганизмов проводили на минеральной среде Е, состав которой представлен в таблице №1, с добавлением фенола.

Для выделения бактерий был произведен отбор пробы ила из аэротенка очистных сооружений г. Перми. Затем 10 мл пробы ила инокулировали в 100 мл среды Е с добавлением фенола до концентрации 0,1 г/л и поставили колбу со средой на качалку на 5дней.

Таблица 1

Состав среды Е

После появления бактериальной мути 1 мл полученной накопительной культуры был перенесен с помощью пипетки в стерильную чашку Петри, на 2/3 заполненную гелем агар-агара (среда Е +0,1г/л фенола +2% агар-агара).

Смесь была распределена по поверхности геля шпателем Дригальского. Остатки жидкости на шпателе были последовательно распределены по поверхности геля в шести аналогичных чашках Петри. Далее чашки пронумеровывались и термостатировались в течение 5 дней при температуре 37⁰С. Для дальнейших экспериментов были выбраны наиболее крупные бактериальные колонии, то есть обладающие наибольшей скоростью роста на среде с фенолом.

Затем, при помощи пипетки Пастера выбранные бактерии были пересеяны в стерильные пробирки со скошенным агар-агаром и термостатированы при Т=37⁰С. Через 5 дней методом смыва чистые культуры из пробирок были пересеяны в колбу с жидкой средой Е (на 100 мл среды 10 мл инокулята), содержащей 0,01г/л фенола.

Колба со средой ставится на лабораторную качалку на 3-5 дней. Полученную накопительную культуру использовали в дальнейшем для иммобилизации.

1.1.6 Иммобилизация микроорганизмов

Рис. 1. Структура слоистого двойного гидроксида состава [Mg₄Fe(OH)₈]Cl₃·2H₂O

Сначала нами была проведена работа по иммобилизации клеток микроорганизмов на слоистых двойных гидроксидах. В качестве исходной матрицы для иммобилизации был выбран двойной гидроксид железа-магния, структура которого показана на рис. 1:

Материалы на основе двойного слоистого гидроксида железа-магния были выбраны в качестве носителя потому, что при изменении их состава и условий получения можно добиться изменения свойств материала в широких пределах.

В частности, можно увеличивать межслоевые пространства при замещении одних анионов другими, более крупными. Кроме того, меняя степень окисления железа можно влиять на поверхностный заряд матрицы носителя в процессе ее формирования. Таким образом, отрицательно заряженные клетки притягиваются к положительно заряженной матрице, увеличивая степень связывания клеток с носителем.

Существуют следующие способы иммобилизации микроорганизмов на матрице двойных гидроксидов Mg-Fe:

1) Соосаждением гидроксидов с микроорганизмами,

2) Осаждением гидроксидов в присутствии крупных органических анионов с последующим их замещением в структуре гидроксидов микробными клетками,

3) Интеркаляцией клеток в структуру гидроксидов на стадии окисления ионов в составе гидроксидов.

Эксперимент был направлен на выбор способа интеркаляции, определение условий ее осуществления и оценку полученных результатов.

Первым был испытан метод соосаждения двойного гидроксида Mg-Fe с микроорганизмами. Установлено, что в ходе осаждения гидроксида Fe(II)-Mg возможно повышение рН среды до 10,5, что может снижать жизнеспособность большинства видов микроорганизмов. Фенол - разлагающие микроорганизмы живут при рН от 5 до 8 с оптимумом при рН=5,5, поэтому данный способ иммобилизации не подходит.

Для реализации метода иммобилизации микроорганизмов, основанного на замещении анионов в составе двойного гидроксида, были предложены следующие органические анионы: оксалат-ион, ацетат-ион, бензоат-ион, терефталат-ион и стеарат-ион. Однако последние три иона обладают антимикробными свойствами, поэтому их применение нежелательно. Органические ионы с длинной углеродной цепью (стеарат-ион) слишком прочно связываются с матрицей носителя, поэтому их применение также ограничено. Соответственно, для практической реализации метода были рекомендованы оксалат-ион и ацетат-ион.

Известно, что межслоевые пространства способны изменять свой размер при замещении в их объеме одних ионов другими, более крупными. Возможность расширения межслоевых пространств за счет интеркаляции ионов на примере двойного гидроксида [Zn^II_(1-x)Al^III_x(OH)₂]Cl_x показаны на рис. 2 (по данным [12]).

Рис. 2. Изменение межслоевых пространств двойного гидроксида в ходе обмена анионов

Подобный метод увеличения межслоевого расстояния применены для иммобилизации микроорганизмов. Процесс иммобилизации можно представить следующими уравнениями:

где отрицательно заряженные клетки Bacillus sp.

Образцы приготовленного таким путем материала были испытаны в процессе разложения фенола. Оценку эффективности работы биокатализатора осуществляли по изменению концентрации фенола в среде. Все измерения проводились при одинаковой степени аэрации среды и температуре. Они показали низкую активность (рис. 3).

Следующий метод иммобилизации основан на том, что при окислении Fe^IIFe^III в составе гидроксидных слоев двойного гидроксида Mg-Fe в матрице материала накапливается избыточный положительный заряд. При иммобилизации микроорганизмов избыточный положительный заряд матрицы компенсируется за счет присоединения отрицательно заряженных микробных клеток :

Полученные таким путем образцы материала обладают повышенной активностью (рис. 3), которая примерно в 1,5 раза больше, чем у свободных клеток активного ила (рис. 4). Преимущество этого метода в том, что он позволяет проводить закрепление бактерий на гидроксиде уже после его отмывки от избыточной щелочи, избегая влияния высоких рН на жизнеспособность клеток.

Рис. 4. Интенсивность разложения фенола свободным активным илом и иммобилизованным сорбентом.

Таким образом, по результатам проведенных экспериментов биокатализа был выбран метод иммобилизации клеток двойными гидроксидами Mg-Fe, основанный на процессе окисления Fe^IIFe^III в составе гидроксидов, как наиболее перспективный. Полученные образцы иммобилизованного сорбента обладают довольно высокой активностью в процессе разложения фенола.

Перспективным направлением интенсификации процессов биологической очистки сточных вод, основанным на адсорбционной иммобилизации, является биосорбционный метод, осуществляемый путем добавления порошкообразного или гранулированного активированного угля в зону аэрации. Добавленный материал в данном случае выполняет двойную функцию: во первых, является носителем иммобилизованных микроорганизмов; во вторых, благодаря его большой сорбционной емкости, обеспечивается быстрая адсорбция токсичного субстрата.

Поскольку фенол является трудноокисляемым соединением, был предложен именно биосорбционный метод очистки, позволяющий снизить токсическое действие фенола на микроорганизмы и повысить скорость разложения нефтепродуктов.

Далее была проведена работа по использованию биосорбционного метода для иммобилизации фенол - разлагающих микроорганизмов.

Для иммобилизации фенол - разлагающих микроорганизмов использовали предварительно отмытый гранулированный активированный уголь марки БАУ-4. Этот материал, в отличие от двойных гидроксидов, обладает повышенной емкостью как по отношению к клеткам, так и к фенолу и нефтепродуктам. Иммобилизацию проводили адсорбционным методом, прокачивая концентрированную суспензию клеток через колонку с углем в течение 4,5 часов, поддерживая режим кипящего слоя. В данном случае, закрепление микроорганизмов осуществляется только за счет адсорбционных сил, без каких-либо дополнительных механизмов связывания.

1.2 Разработка лабораторной установки