CC BY
103
В. Н. Филиппов (к.т.н., доц.), Р. Н. Хлесткин (д.т.н., проф.), А. П. Зиновьев (д.т.н., проф.)
Биологический блок установки комлексной очистки локальных стоков
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра нефтехимии и химической технологии 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел. (3472) 420857
V. N. Filippov, R. N. Khlestkin, A. P. Zinov’ev
The biological block of installation complex of clearing of local drains
Ufa State Petroleum Technological University
1, Kosmonavtov Str, 450062, Ufa, Russia; ph. (3472) 420857
Производится выбор методов иммобилизации микроорганизмов и подбор наиболее подходящего носителя для очистки сточных вод. Осуществлен поиск путей интенсификации процесса очистки производственных сточных вод и выбор материалов для снижения органической нагрузки при залповых выбросах.
Ключевые слова: водный бассейн; нефтехимия; нефтепереработка; сточные воды; химия; экология.
В индустриальных странах с высоким уровнем развития производства процесс очистки промышленных стоков, как одно из мероприятий охраны природы, приобрел значение проблемы государственной важности. Залповые выбросы сточных вод, сбрасываемые нефтеперерабатывающими и нефтехимическими заводами, предприятиями коксохимии и железнодорожного транспорта, содержат большое количество нефтепродуктов, аммиака, альдегидов, смол, поверхностно-активных веществ (ПАВ), фенолов и других вредных веществ.
При попадании их в открытые водоемы изменяется запах, вкус, окраска, поверхностное натяжение, вязкость воды, уменьшается количество растворенного кислорода, появляются вредные органические вещества, вода приобретает токсические свойства и представляет угрозу не только для человека, но и для природы.
Присутствие в стоках высоких концентраций различных загрязнителей создает серьезные трудности 1 как при очистке сточных вод, так и при утилизации образующегося осадка. Для более эффективной очистки сточ-
Дата поступления 17.03.11
In the article the choice of methods of an immobilization of microorganisms and selection of the most suitable carrier is made for sewage treatment. Search of ways of an intensification of process of clearing of industrial sewage and choice of materials for decrease in organic loading is carried out at залповых emissions.
Key words: chemistry; petrochemistry; oil refining; ecology; water pool; sewage.
ных вод целесообразно разделять их на потоки с применением локальных (цеховых) очистных сооружений.
В связи с этим разработка установки комплексной очистки локальных сточных вод, которая была бы не только экологически (социально) обоснована, но и экономически оправдана, и включение ее на очистные сооружения различных предприятий представляется перспективным и является немаловажным вкладом в решение актуальной проблемы охраны окружающей среды.
Актуальной задачей исследования являлась разработка установки комплексной очистки локальных сточных вод некоторых потоков нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов, предприятий коксохимии и железнодорожного транспорта, содержащих нефтепродукты, ПАВ и фенольные соединения.
Целью данной работы явился выбор методов иммобилизации микроорганизмов и подбор наиболее подходящего носителя для очистки сточных вод некоторых потоков нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов, предприятий коксохимии и железнодорожного транспорта, содержащих нефтепродукты, ПАВ и фенольные соединения.
Экспериментальная часть
В работе были использованы штаммы микроорганизмов из музейной коллекции микробиологической лаборатории УГНТУ, известные как активные деструкторы нефти и нефтепродуктов, фенолов и поверхностно-активных веществ: Fusarium species №56 2; Rhodococcus erythropolis ВКМ AC-1339D 3; Pseudomonas putida ВКМ 1301; Pseudomonas putida 339 С.-П.; Pseudomonas aurantica 377 С.-П.; Bacillus subtilis 446 С.-П.; Bacillus subtilis ВКМ 1742 D; Nocardia rubra; Candida sake.
Авторы выражают благодарность профессору Г. Г. Ягафаровой за представление штаммов и научные идеи, которые были учтены при проведении экспериментов.
В качестве химических объектов для исследования использовались реальные сточные воды нефтехимического комплекса, нефтеперерабатывающих заводов и предприятий железнодорожного транспорта, а также модельные смеси.
Для подтверждения полученных результатов использовались аналитические методы исследования: колоночная и газо-жидкостная хроматография, спектрофотометрический анализ, проведенные в аккредитованных лабораториях ОАО «Башнефтехим» в соответствии с действующими методиками.
В работе рассматривались периодический и непрерывный методы микробной очистки сточных вод и их пригодность для разрабатываемой схемы комплексной очистки локальных стоков нефтехимических производств. Подбор носителей для иммобилизации нефтеокисляющих штаммов микроорганизмов производился по принципу наилучшего прикрепления клеток к поверхности иммобилизующего агента.
Метод непрерывной очистки сточньх вод иммобилизованными клетками микроорганизмов. В качестве носителей для иммобилизации исследуемых клеток использовались пенопласт, капроновые ершики, керамзит и ресорб 4.
Метод периодической очистки сточных вод иммобилизованными клетками микроорганизмов.
1. Периодическая очистка сточных вод, содержащих нефть и нефтепродукты.
Опыты проводились с некоторыми отличительными особенностями от непрерывного
метода: сточные воды из емкости поступали в реактор (биологический фильтр) таким образом, чтобы носитель был полностью покрыт жидкостью и выдерживались в нем в течение двух суток при постоянной аэрации. По прошествии указанного времени воду сливали из биофильтра через нижнюю часть аппарата, анализировали на остаточное содержание нефтепродуктов и определяли количество вымываемых жизнеспособных клеток микроорганизмов. Кроме того, проверялось остаточное содержание нефтепродуктов и количество микроорганизмов на биофильтре.
2. Периодическая очистка сточных вод, содержащих поверхностно-активные вещества
Эксперименты по очистке сточных вод от ПАВ с высокой концентрацией были проведены на модельных стоках, содержащих 100, 500, 1000мг/л АПАВ марки сульфонол НП-3. Наращивание биопленки производилось на протяжении двух — четырех недель путем непрерывной передачи на биофильтр бактерий-деструкторов в среде с ПАВ. Через семь дней воду сливали и определяли остаточную концентрацию АПАВ и химическое потребление кислорода (ХПК) жидкости.
3. Периодическая очистка сточных вод, содержащих фенолы
В качестве агента для иммобилизации были взяты хорошо зарекомендовавшие себя в предыдущих исследованиях капроновые ершики.
Вода, подаваемая на биофильтр, представляла собой модель промышленных стоков — синтетическая питательная среда с содержанием фенола 100 мг/л.
Опытные данные показали, что наилучшими деструкторами фенола являются штаммы микроорганизмов Bacillus subtilis ВКМ 1742Д и Pseudomonas putida 339 С.-П. Обнаружено свойство коллекционного штамма Pseudomonas putida 339 С.-П. деструктиро-вать фенол на 90% в течение десяти суток в статических условиях. Поэтому дальнейшие исследования по биоочистке модельной сточной воды проводили со штаммом Pseudomonas putida 339 С.-П. и деструктором фенола Bacillus subtilis ВКМ 1742Д. Для этого штаммы Pseudomonas putida 339 С.-П. и Bacillus subtilis ВКМ 1742Д иммобилизовывали на капроновых ершиках и погружали в воду с содержанием фенола 100 мг/л.
Степень очистки воды от нефти непрерывным методом при использовании соответствующих носителей, %
Носитель Без микро- организмов С иммобилизованными микроорганизмами
Rhodococcus erythropolis АС 1339D; Fusarium sp. №56 Ассоциация: Rhodococcus erythropolis АС 1339D + + Fusarium sp. №56
Пенопласт 46.28 89.55 90.45 97.97
Керамзит 57.31 83.29 85.27 95.49
Капроновые ершики - 95.93 96.99 99.99
Ресорб 4 44.23 66.28 73.20 85.34
Результаты и их обсуждение
Метод непрерывной очистки сточньж вод иммобилизованными клетками микроорганизмов. Результаты исследований степени очистки воды от нефти (1% мас.) при использовании исследуемых носителей представлены в табл. 1, из которой видно, что эффект очистки выше при использовании штамма Fusarium species №56, по сравнению с Rhodococcus erythropolis AC-1339D.
Этот факт можно объяснить более развитой у Fusarium ферментативной системой, которая позволяет ему быстрее адаптироваться к новой среде. Кроме того, ассоциация этих двух нефтеокисляющих штаммов, иммобилизованная на носителях, позволяет проводить более глубокую очистку стоков. Эффект очистки выше в случае использования в качестве носителя пенопласта и капроновых ершиков, поэтому дальнейшие исследования по очистке сточных вод от нефти осуществляли на этих носителях.
Результаты экспериментов по очистке сточной воды с 1% мас. нефти микроорганизмами, иммобилизованными на пенопласте и капроновых ершиках, в зависимости от объемной скорости подачи сточной воды, приведены в табл. 2.
Результаты исследований показали, что для проведения непрерывной очистки оптимальной объемной скоростью подачи сточной воды на биофильтр является 0.2 ч-1. При этом, эффект очистки на пенопласте с иммобилизованными Rhodococcus erythropolis AC-1339D и Fusarium sp №56 составляет 89.5% и 90.4% соответственно, а на капроновых ершиках — 95.9% и 96.9%. В среде с их ассоциацией на пенопласте достигается 97.9% очистки и на капроновых ершиках — 99.9%.
Таблица 2
Очистка сточной воды с 1% мас. нефти микроорганизмами, иммобилизованными на носителях, в зависимости от объемной скорости подачи сточной воды
Носитель с иммобилизованными микроорганизмами Степень очистки, %
Объемная скорость подачи сточной воды, ч-1
0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4
ПЕНОПЛАСТ
Rhodococcus erythropolis AC-1339D 89.59 89.55 89.60 84.29
Fusarium sp. №56 90.51 90.45 90.34 88.16
Ассоциация: Rhodococcus erythropolis AC-1339D + + Fusarium sp №56 97.97 97.97 97.95 95.77
КАПРОНОВЫЕ ЕРШИКИ
Rhodococcus erythropolis AC-1339D 96.00 95.93 95.52 92.31
Fusarium sp. №56 97.03 96.99 96.38 94.57
Ассоциация: Rhodococcus erythropolis AC-1339D + + Fusarium sp №56 99.99 99.99 99.97 97.68
Результаты исследований процесса непрерывной очистки сточных вод с 1% мас. нефти микроорганизмами, иммобилизованными на изучаемых носителях, свидетельствуют о наиболее высокой эффективности применения для этих целей капроновых ершиков.
Метод периодической очистки сточных вод иммобилизованными клетками микроорганизмов.
1. Периодическая очистка сточных вод, содержащих нефть и нефтепродукты
Полученные результаты приведены в табл. 3.
Из табл. 3 видно, что при использовании капроновых ершиков в качестве носителей для
Таблица 3
Наличие нефтепродуктов и жизнеспособных клеток в сточной воде и биофильтре при периодической очистке сточных вод, содержащих нефть и нефтепродукты
Носитель Остаточное содержание нефтепродукта через двое суток Кол-во клеток микроорганизмов через двое суток
в воде, г/л на носителе, г/г в воде, х102 кл/мл на носителе, х106 кл/г
Rhodococcus erythropolis AC-1339D
Капроновые ершики 0.07 0.05 2.6±0.1 5.8+0.1
Керамзит й=15^20мм 0.16 0.14 2.8±0.1 4.2+0.1
Ресорб 4 0.21 0.15 3.9±0.2 2.1+0.2
Пенопласт 0.25 0.17 4.1 ±0.3 1.6+0.2
Fusarium sp №56
Капроновые ершики 0.04 0.03 0.23±0.1 378+0.1
Керамзит й=15^20мм 0.12 0.12 1.02+0.1 273+0.1
Ресорб 4 0.18 0.10 1.13+0.1 34+0.1
Ассоциация клеток Fusarium sp 56 + Rhodococcus erythropolis AC-1339D
Капроновые ершики Rh. erythr. AC-1339D + + Fusarium sp. №56 0.01 0.01 0.8+0.3 0.1 ±0.2 5.86+0.3 379+0.2
Керамзит й=15^20мм Rh. erythr. AC-1339D + + Fusarium sp. №56 0.07 0.05 2.1+0.1 0.9+0.1 4.77+0.1 278+0.1
Ресорб 4 Rh. erythr. AC-1339D + + Fusarium sp. №56 0.09 0.08 2.8+0.1 1.0+0.1 1.82+0.1 37.9+0.1
иммобилизации ассоциации нефтеокисляющих микроорганизмов Rhodococcus erythropolis AC-1339D и Fusarium sp. №56 содержание жизнеспособных клеток микроорганизмов в очищенной воде обнаруживается в незначительных количествах и остаточное количество нефти на носителе составляет 0.01—0.05 г/г носителя.
Эффект очистки сточной воды во всех вариантах составляет более 99%.
2. Периодическая очистка сточных вод, содержащих поверхностно-активные вещества
Результаты исследований по микробной очистке воды от анионного ПАВ марки суль-фонол НП-3 приведены на рис. 1. Изменение ХПК сточной воды в результате деструкции АПАВ данной марки представлено на рис. 2.
Как видно из рис. 1 и 2, наибольшей деструктивной активностью обладает штамм Pseudomonas putida ВКМ 1301.
Кинетика процесса биодеструкции АПАВ марки сульфонол НП-3 штаммом Pseudomonas putida ВКМ 1301 при различных начальных концентрациях ПАВ представлена на рис. 3, из которого видно, что данный штамм хорошо усваивает сульфонол НП-3 даже при очень высоких концентрациях и легко адаптируется к новой среде.
Рис. 1. Биодеструкция сульфонола НП-3 в сточных водах индивидуальными штаммами микроорганизмов
2500
.с
0 * |_ 2
1
О
Ш
>s
0
1 У О
5
с
X
2000
1500
1000
500
□ исходная
□ Rhodococcus erythropolis AC- 1339D
О Bacillus sub tilis ВКМ 1742D 2000
Pseudomonas putida ВКМ 1301 Pseudomonas aurantica 377
920
0
270
□=
Рис. 2. Изменение ХПК сточной воды соответствующее биодеструкции сульфонола НП-3 индивидуальными штаммами микроорганизмов
5
|_
5
со
(ü
Ц
О
X
о
■fr
.0
£
0 к s
га
Q.
I-
X
0)
я
1
о
ь:
1000
800
600
400
200
□ исходная
Ш Rhodococcus erythropolis AC-1339D Ц Bacillus sub tilis ВКМ1742D
□ Pseudomonas putida ВКМ 1301 ■ Pseudomonas aurantica 377
500
1000
100
0
Рис. 3. Кинетика процесса биодеструкции АПАВ штаммом Pseudomonas putida ВКМ 1301 при различных концентрациях ПАВ в сточных водах
После восьми суток эффект очистки от фенола составил: в среде с Pseudomonas putida 339 С.-П — 99.9% и с Bacillus subtilis ВКМ 1742Д — 99.8%. Использование ассоциации выбранных штаммов микроорганизмов в соотношении 1:1 позволяет увеличить эффект очистки до 99.99%.
Кинетика процесса очистки фенольных сточных вод с помощью Pseudomonas putida 339 С.-П. и Bacillus subtilis ВКМ 1742Д и их ассоциацией представлена на рис. 4.
—О—Bacillus subtilis ВКМ 1742Д —Pseudomonas putida 339 —Д— Ассоциация
Рис. 4. Кинетика очистки фенольных сточных вод индивидуальными штаммами микроорганизмов и их ассоциацией
Так как использование ассоциации выбранных штаммов микроорганизмов весьма незначительно увеличивает эффект очистки сточных вод от фенола, и, кроме того, связано с большими экономическими затратами, на-
правленными на установку инокуляторов, насосов и увеличения общего размера трубопроводов, на промышленных производствах достаточно эффективно применяются индивидуальные штаммы.
В результате проведенных экспериментов был разработан аэротенк-аэрофильтр — блок биологической очистки сточных вод установки комплексной очистки локальных сточных вод
4, предназначенной для использования преимущественно на предприятиях нефтепереработки и нефтехимии 5,6.
Литература
1. Филиппов В. Н., Хлесткин Р. Н. //Нефтегазовое дело.— №3.— 2005.— С. 280.
2. Патент №2126041 РФ. Штамм микромицета Fusarium sp. №56 для очистки воды и почвы от нефти и нефтепродуктов / Ягафаров И. Р., Гатауллина Э. М., Сафаров А. Х. и др. // Б. И.-1999.- №4.
3. Патент №1805097 РФ. Штамм бактерий Rhodococcus erythropolis, используемый для очисткиводы и почвы от нефти и нефтепродуктов /Ягафарова Г. Г., Скворцова И. Н. и др. //Изобретения.- 1993.- №12.- С. 52.
4. Патент №2196744 РФ. Установка комплексной очистки сточных вод от трудноокисляемых органических соединений /Филиппов В. Н., Зиновьев А. П. // Б.И.- 2003.- №2.
5. Филиппов В. Н. //Актуальные проблемы науки и техники: Мат. I Междунар. конф. молодых ученых: 03 декабря 2009 г. /уГнТУ.-Уфа: Изд-во «Нефтегазовое дело», 2009.- С. 48.
6. Филиппов В. Н., Зиновьев А. П., Хлесткин Р. Н. // Нефтепереработка и нефтехимия.- 2010. — №4.- С. 38.
