CC BY
24
УДК 665.66; 665.666.4; 579.66; 579.695
З. О. Садыкова, А. С. Сироткин, Е. В. Перушкина
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА БИОКАТАЛИТИЧЕСКОГО ОКИСЛЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ СЕРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АДАПТИРОВАННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
Ключевые слова: биокаталитическая очистка, сероокисляющие микроорганизмы, сернисто-щелочные сточные воды.
Исследованы процессы очистки модельного раствора сернисто-щелочной сточной воды накопительной культурой сероокисляющих микроорганизмов, иммобилизованных на поверхности гетерогенных катализаторов. Обнаружено, что внесение суспензии адаптированных микроорганизмов в биокаталитическую систему в начале процесса позволяет сократить продолжительность очистки в два раза.
Keywords: biocatalytic treatment, sulfur-oxidizing microorganisms, sulfural calinous wastewater.
The processes of cleaning solution model sulfural calinous wastewater enrichment culture of sulfur-oxidizing microorganisms immobilized on the surface of heterogeneous catalysts. It was found that the introduction of a suspension of adapted microorganisms in a biocatalyst system to the beginning of the process allows to reduce the duration of treatment is two-fold.
Введение
Вопросы предотвращения загрязнений окружающей среды с каждым годом приобретают все большую актуальность. На предприятиях нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности одна из основных экологических проблем связана с необходимостью обезвреживания или утилизации сернисто--щелочных стоков (СЩС). Такие стоки являются химически загрязненными и при сравнительно небольших объемах имеют высокие концентрации биотоксикантов [1], что делает невозможным непосредственное применение микроорганизмов для очистки СЩС.
В промышленности получил
распространение способ окисления СЩС в жидкой фазе кислородом воздуха под давлением. В случае применения катализаторов скорость окисления возрастает, однако окисление гидросульфидов и сульфидов протекает через ряд последовательных реакций, основным продуктом окисления является тиосульфат. В целях обеспечения более глубокой конверсии и повышения эффективности процесса интерес представляет разработка способа обработки СЩС, предварительного подвергнутых
каталитическому окислению, культурой
сероокисляющих микроорганизмов,
иммобилизованных на поверхности гетерогенного катализатора процесса сероокисления. Известно [2], что иммобилизованные клетки долговечнее и значительно стабильнее суспендированных клеток, что обусловливает экономичность, эффективность и конкурентоспособность технологий, использующих иммобилизованные клетки. Применение накопительной культуры сероокисляющих микроорганизмов обусловлено, с одной стороны, большей устойчивостью смешанной культуры в промышленных условиях в сравнении с чистой культурой. С другой стороны, применение сероокисляющих микроорганизмов позволяет обеспечить активную поверхность катализатора в отличие от быстрого биообрастания поверхности в случае применения активного ила. На основании
анализа литературных данных было предположено, что процесс биоокисления иммобилизованной биомассой может быть интенсифицирован вследствие увеличения скорости диффузии кислорода внутрь клеток микроорганизмов с поверхности катализатора [3].
Экспериментальная часть
Объектом исследований являлся модельный раствор (МР) сернисто-щелочного стока СЩС ОАО «Сибур - Нефтехим» после каталитического окисления с учетом разбавления в 20 раз (табл. 1).
Таблица 1 - Состав сернисто-щелочных стоков
№ п/п СЩС
Компонент стока Окисленные катализатором МР (с учетом разбавления ~ в 20 раз)
Массовая доля
1 сульфида натрия, г/дм3 0,6 ~0,03
Массовая доля
2 сульфита натрия, г/дм3 7,9 ~0,4
Массовая доля
3 сульфата натрия, г/дм3 12,6 ~0,2
Массовая доля
4 тиосульфата натрия, г/дм3 46 ~3,7
5 рН 12,4 ~7,7
Для биоокисления соединений серы в составе модельного раствора использовалась ассоциация иммобилизованных сероокисляющих микроорганизмов, выделенная из биопленки, полученной в процессе длительной биофильтрации сточных вод производства нитроцеллюлозы (ФКП «ГосНИИХП») в лабораторных условиях [4].
В качестве носителей клеток микроорганизмов использовались два гетерогенных катализатора: КС-20, содержащий 20% масс. фталоцианина кобальта в полиэтиленовой матрице, а также N¡+1111 с никелем, диспергированным в поверхность полипропилена. Каждый из
катализаторов был выполнен в виде кубиков с размером грани 2*2 мм. В качестве объекта сравнения использовался инертный носитель -полиэтиленовые гранулы КАЗПЭЛЕН марки 15313003 по ГОСТ 16337-77. Гранулы имели цилиндрическую форму 3*2 мм с небольшим углублением посередине.
Иммобилизация клеток сероокисляющих микроорганизмов проводилась в селективной стерильной питательной среде Бейеринка. Из расчета на 200 см3 питательной среды вносилась бактериальная суспензия сероокисляющих микроорганизмов (84 103КОЕ) в количестве 40 см3 (20 % об.). Объем носителя составил 10 см3. Продолжительность иммобилизации составляла 26 сут. Эффективность иммобилизации оценивалась по количеству микробного белка, определенного методом Брэдфорд [5].
На следующем этапе были проанализированы результаты процесса очистки МР СЩС иммобилизованными культурами
сероокисляющих микроорганизмов. Для экспериментальных исследований были созданы следующие опытные системы (ОС):
ОС1 - гетерогенный катализатор (КС-20);
ОС2 - гетерогенный катализатор КС-20 + культура сероокисляющих микроорганизмов (биокаталитическая система БКС-20);
ОС3 - гетерогенный катализатор (N¡+1111);
ОС4 - гетерогенный катализатор N¡+1111 + культура сероокисляющих микроорганизмов (Б№+ПП);
ОС5 - полиэтиленовые гранулы (ПЭ) + культура сероокисляющих микроорганизмов (БПЭ);
ОС6 - контрольная - МР СЩС, для анализа окисления соединений серы кислородом воздуха.
В опытных системах с микроорганизмами (ОС2, ОС4, ОС5) после проведения иммобилизации клеток осуществлялась замена питательной среды культивирования на МР СЩС в объеме 100 см3 (табл. 1). В системах с катализаторами ОС1 и ОС3 объем вносимого катализатора составлял 10 см3. В контрольную систему ОС6 вносился МР СЩС в объеме 100 см3. Периодическое культивирование сероокисляющих микроорганизмов осуществлялось на перемешивающем устройстве п = 120 об/мин при температуре 26^29°0 ±1 в течение 9 суток, после чего проводилось повторное культивирование в течение 4 суток с МР СЩС того же состава (табл.1) с внесением суспензии микроорганизмов в ОС2 и ОС5 в количестве 20% об. (системы ОС3 и ОС4 не анализировались).
Результаты и их обсуждение
В процессе иммобилизации клеток сероокисляющих микроорганизмов на поверхности носителей было установлено, что микробные клетки интенсивно прикрепляются к поверхности катализаторов и полиэтиленовых гранул, так как поверхность носителей близка по свойствам. Средняя концентрация белка микробной биомассы по результатам отбора проб из объема питательной среды в системах с носителями КС-20, никелевый
катализатор, полиэтилен составляла 28,9; 31,1; 33,2 мг/дм3, соответственно.
Тиосульфат натрия является основным субстратом для выделенной культуры микроорганизмов. Максимальная эффективность окисления по субстрату составила 95,9% для биокаталитической системы с клетками, иммобилизованными на поверхности катализатора КС-20. При этом отмечено, что биоокисление субстрата в системе с инертным носителем происходит интенсивнее (эффективность составила 74,0%), чем в системе с никелевым катализатором (34,7%).
Кинетика изменения концентрации тиосульфат-ионов в процессе очистки МР СЩС представлена на рис. 1._
ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ очи сгки. сут*и
-•-001 --*--002 -В-ОСЗ -»-004 -*-005 —!-ОС6
Рис. 1 - Изменение концентрации тиосульфат -ионов в процессе окисления МР СЩС
Эффективность химического окисления тиосульфатов в системах с гетерогенными катализаторами (ОС1, ОС3) приблизительно одинакова и составляет менее 60%, что связано с условиями проведения очистки. Следует отметить, что оптимальная температура каталитической реакции 60оС - 90оС, перемешивание 1400 об/мин, подача кислорода 20 л/час, масса катализатора к объему реакционного раствора 5 г на 50 мл [6]. Создание таких условий в системах биологической очистки ограничивается, прежде всего, соблюдением температурного режима,
оптимального для жизнедеятельности
микроорганизмов (23^33 оС).
Отмечено, что в биокаталитической ОС4 эффективность окисления ниже, чем в системе с тем же катализатором ОС3, что, вероятно, связано с ингибированием ферментов прикрепленных клеток на поверхности катализатора никелем. При этом накопительная культура состоит преимущественно из сероокисляющих бактерий, которые являются медленнорастущими, что приводит к незначительному уменьшению поверхности контакта фаз катализатора N¡+1111 и снижению его окислительной способности (менее 10%).
Далее отмечено, что микроорганизмы на поверхности инертного носителя в ОС5 проявляют значительную активность (рис. 1).
Наибольшее изменение концентрации тиосульфат-ионов на 9 сутки относительно их начального содержания составило 3690,5 мг/дм3 для ОС2.
Отмечено, что в первые трое суток каталитическая ОС1 (КС-20) и биокаталитическая система ОС2 (БКС-20) сопоставимы по снижению концентрации тиосульфат-ионов.
Конечным продуктом окисления серы является сульфат, результаты изменения концентрации сульфат-ионов в процессе окисления серосодержащих соединений МР СЩС представлены на рис. 2.
1200
О
и I 1 Э У
п рсдолж цельность очи стен, (утей
-ОС1 ♦ ■ < >:и оа -«--<>: .1 —*— ■ ■> ось
Рис. 2 - Изменение концентрации сульфат-ионов в процессе окисления МР СЩС
Показано, что эффективность химического окисления тиосульфат-ионов по результатам накопления продукта реакции в системах с гетерогенными катализаторами (ОС1, ОС3) составила ~70%, что сопоставимо с контрольной системой (ОС6).
В ОС4 эффективность окисления по накоплению продукта ниже, чем в системе с катализатором (ОС3), что подтверждает данные по окислению субстрата (рис. 1).
В общем, в системах с биопленкой (ОС2, ОС5) эффективность по продукту примерно на 10% выше, чем в контрольной системе, а также в каталитических системах.
В экспериментальных системах ОС2, ОС5 на внутренней поверхности колбы с накопительной культурой было отмечено вещество желтого цвета, нерастворимое в воде, предположительно, элементарная сера. Вероятно, невысокая эффективность окисления по накоплению продукта определяется особенностями биохимии
превращений у сероокисляющих микроорганизмов. Серные бактерии, являющиеся ацидофильными, а также предпочитающими нейтральные значения рН, окисляют соединения серы различными путями. У некоторых ацидофильных видов (АаёНЫоЬасШт /еггоох1ёат, АаёШ. Шоох1йат) промежуточным продуктом окисления серы является тетратионат, тогда как у некоторых нейтрофилов (например, ТкюЬасШив Шоратш) это может быть тиосульфат, который далее гидролизуется до молекул 8 и сульфита, также можно наблюдать быстрое внутриклеточное образование элементарной серы хемолитотрофами, использующими сероводород [7].
Таким образом, в результате проведенных исследований показано, что наиболее эффективной системой является биокаталитическая система с
использованием биопленки на поверхности полиэтиленовых гранул, включающих катализатор фталоцианина кобальта в количестве 20 % масс. (КС-20).
В биокаталитической системе с биопленкой на поверхности никелевого катализатора не было обнаружено положительного эффекта от их взаимодействия. Более того, показано, что в биокаталитической системе (ОС4) эффективность очистки по субстрату ниже, чем в случае с биопленкой на инертном носителе (ОС5), что указывает на токсическое воздействие катализатора на микроорганизмы.
Исходя из полученных данных, можно предположить, что взаимодействие биологической и каталитической составляющей обусловлено химической структурой катализатора. Некоторые тяжелые металлы (Со2+, №2+, Си2+ и др.) могут действовать как сильные ферментные яды даже в незначительных концентрациях, как в виде солей, так и в форме органических соединений, связывая 8Н-группы и тем самым глубоко изменяя третичную и четвертичную структуру ферментных белков [8]. Однако, фталоцианиновая производная кобальта в катализаторе КС-20 показала себя как нетоксичная реакционно способная форма катализатора в отличие от никелевого катализатора.
Внесение суспензии микроорганизмов в биологическую и биокаталитическую системы при повторном культивировании биопленки было обусловлено необходимостью сокращения продолжительности очистки. Было предположено, что в среде не должно наблюдаться ингибирования суспендированных клеток, связанного с окислением неорганических сульфидов на поверхности катализатора, что позволит обеспечить взаимодействие биологической и каталитической составляющей с начала процесса.
Результаты изменения концентрации тиосульфат-ионов в процессе повторной очистки МР СЩС представлены на рис. 3.
Рис. 3 - Изменение концентрации тиосульфат -ионов в процессе повторного окисления МР СЩС с внесением суспензии микроорганизмов
Исходя из полученных данных, на 3 сутки эксперимента наблюдается полное исчерпание основного субстрата для биокаталитической системы ОС2 (рис. 3). Накопительная культура
микроорганизмов, внесенная в ОС2 и ОС5 при повторном культивировании биопленки,
представляет собой активную биомассу, адаптированную к составу стока. Следует отметить, что выделение накопительной культуры проводилось в питательной среде Бейеринка, дальнейшее культивирование (16 суток) - отъемно-доливным способом с внесением МР СЩС.
Согласно полученным результатам, эффективность очистки по продукту количественно сравнима с предыдущими данными очистки (рис.2), однако, позволяет сократить продолжительность процесса в два раза.
В табл. 2 представлен материальный баланс серы в МР СЩС в процессе его повторной очистки. Для составления баланса приняты следующие коэффициенты пересчета на элементарную серу: для тиосульфат-, политионат-иона - 0,57; для сульфат-иона - 0,33. Концентрация серы в сульфид-ионе в расчете принята пренебрежимо малой.
Таблица 2 - Материальный баланс серы
Начало S/ S/ S/ I Разница/
эксп. S2O32- S4O62- SO42- баланс
ОС1 2034,6 - 64,7 2099,3 -
ОС2 2034,6 - 64,7 2099,3 -
ОС5 2034,6 - 64,7 2099,3 -
ОС6 2034,6 - 64,7 2099,3 -
1 сутки эксперимента
ОС1 1413,9 482,8 74,6 1971,3 128,0
ОС2 1103,5 655,2 106,3 1864,9 234,3
ОС5 1069,0 827,6 71,9 1968,6 130,7
ОС6 1862,2 310,4 95,7 2268,3 -168,9
3 сутки эксперимента
ОС1 1241,5 517,3 168,9 1927,7 171,6
ОС2 - 275,9 409,2 685,1 1414,2
ОС5 206,9 310,4 310,9 828,1 1271,2
ОС6 1448,4 108,2 108,2 2073,9 25,4
4 сутки эксперимента
ОС1 1241,5 655,2 201,9 2098,6 0,66
ОС2 - 482,8 442,2 924,9 1174,3
ОС5 68,9 379,3 343,9 792,2 1307,1
ОС6 1482,9 586,2 141,2 2210,3 -111,1
Погрешность/потери серы при проведении измерений принимаем не более ±150 мг. Таким образом, в ОС2 и ОС5 разница в балансе серы ~1000 мг, что может быть отнесено на образование элементарной серы микроорганизмами.
В процессе гидролиза клеток на поверхности носителей гидроокисью натрия (2Н №ОН) отмечен запах сероводорода. Можно
предположить, что произошла следующая реакция [9]:
38 + бЫаОН = Ыа2803 + 2Ыа28 + 3Н20
Сульфид натрия Ыа28*9Н20 имеет запах сероводорода вследствие протекающей реакции замещения с участием диоксида углерода.
В ходе исследований отмечено максимальное накопление микроорганизмов на поверхности катализатора КС-20 по концентрации белка (350 мкг/см3), что говорит о высоком сродстве микроорганизмов к данному катализатору, обусловленном процессами превращения компонентов сточных вод химическим и биологическим путями. Накопление
микроорганизмов в ОС2 более чем на 30 % было выше, чем для системы с биопленкой на инертном носителе ОС5. На поверхности никелевого катализатора микроорганизмы накапливаются на 48 % в меньшей степени в сравнении с ОС5 и почти на 75 % хуже, чем для ОС2.
Таким образом, внесение активной суспензионной культуры микроорганизмов обеспечивает высокий суммарный эффект взаимодействия биологической и каталитической составляющей с самого начала эксперимента, что позволяет сократить продолжительность процесса очистки.
Литература
1. Р.С. Соколов, Химическая технология. ВЛАДОС, Москва, 2000. 407 с.;
2. А.С. Сироткин, Г.И. Шагинурова, К.Г. Ипполитов, Агрегация микроорганизмов: флоккулы, биопленки, микробные гранулы. Казанский гос. технол. ун-т, Казань, 2006. 176 с.;
3. А.Ю. Кочетков, Н.А. Коваленко, Р.П. Кочеткова, И.А. Неверова, Экология и промышленность России, №12, 20-23 (2007);
4. А.С. Сироткин, И.У. Абитаева, Т.В. Лапшина, Т.В. Кирилина, Р.З. Агзамов. Вестник Казанского технологического университета, 6, 124-128 (2013);
5. Р. Досон, Справочник биохимика. Мир, Москва, 1991. 544 с.;
6. Р.М. Ахмадуллин, Буй Динь Ньи, А.Г. Ахмадуллина, Я. Д. Самуилов. Вестник Казанского технологического университета, 15, 1, 50-54 (2012);
7. Е.В. Перушкина. Дисс. канд. техн. наук, Казанский гос. технологический университет, Казань, 2008, 120 с.
8. В.Т. Емцев, У.Н. Мишустин, Микробиология: учебник для вузов. Дрофа, Москва, 2005. 445 с.;
9. Н.Е. Кузьменко, В.В. Еремин, В.А. Попков. Начала химии. Экзамен, Москва, 2001. 720с.
© З. О. Садыкова - аспирант, кафедра промышленной биотехнологии КНИТУ, zilya-s85@mail.ru; А. С. Сироткин - д-р техн. наук, профессор, декан ФПТ, зав. кафедрой ПБТ КНИТУ, asirotkin@mail333.com; Е. В. Перушкина - канд. техн. наук, доцент кафедры промышленной биотехнологии КНИТУ, perushkina_elena@mail.ru.
© Z. O. Sadykova - graduate student, department of industrial biotechnology KNRTU, zilya-s85@mail.ru; A. S. Sirotkin - Doctor of technical sciences, professor, a head of the faculty of food technology and the chair of industrial biotechnology KNRTU, asirotkin@mail333.com; E. V. Perushkina - PhD in technical sciences, associate professor of the chair of industrial biotechnology KNRTU, perushkina_elena@mail.ru.
