Использоание факультативных сообществ бактерий для биохимического восстановления шестивалентного хрома в процессе очистки сточных вод Текст научной статьи по специальности «Математика»

В. Г. Чаиковскии, М. В. Шулаев ИСПОЛЬЗОАНИЕ ФАКУЛЬТАТИВНЫХ СООБЩЕСТ В БАКТЕРИЙ ДЛЯ БИОХИМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ШЕСТИВАЛЕНТНОГО ХРОМА В ПРОЦЕССЕ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Ключевые слова: активный ил, пилотная установка, биосорбция.

Биоценоз активного ила, используемого для биологической обработки хромсодержащих стоков, представляет собой многокомпонентную структуру одного трофического (бактериального) уровня.

Keywords: active silt, pilot installation, biosorbtsiya.

The biocenosis of the active silt used for biological processing of hromsoderzhashchy drains, represents

multicomponent structure of one trophic (bacterial) level.

Введение

Точное экспериментальное определение конкретной функции скорости роста каждого вида в зависимости от механизма взаимодействия между ними достаточно трудная задача, возможно, практически не выполнимая в общем случае [1].

Для биологической очистки сточных вод от указанных ионов используются различные микроорганизмы, способные в анаэробных условиях восстанавливать их, используя органические загрязнения, как питание. К ним относятся как чистые культуры, например, Aeromonas dechromatica и бактерии р. Pceudomonas, так и микробные сообщества [2]. В данной работе использовалась смешанная популяция

адаптированных микроорганизмов, подготовленная на основе микробного сообщества аэробного активного ила одного из машиностроительных предприятий. Он оказался наиболее пригодным для дальнейшей подготовки и адаптации к таким загрязнениям как хром, так как в стоках этого предприятия присутствуют ионы различных тяжелых металлов, а также различные органические загрязнения. На данных очистных сооружениях обработка сточных вод идет аэробным методом в аэротенках. Восстановление ионов шестивалентного хрома биологическим методом идет в анаэробных условиях. В связи с этим, для использования активного ила данного предприятия, необходимо осуществить его дополнительную подготовку к работе.

Экспериментальная часть

Активный ил для экспериментов отбирался из аэротенка, а именно в точке возврата в аэротенк после регенерации. Подготовка биомассы для ее использования в анаэробных условиях заключалась в сбраживании аэробного активного ила при темлературе 32- 37 оС с добавлением питательных элементов в течение нескольких суток. В процессе сбраживания отмечено бурное выделение биогаза, в состав которого входил сероводород. Биомасса вместо коричневого цвета приобрела черную окраску.

Для экспериментов использовалась сточная вода гальванических цехов одного из крупных машиностроительных предприятий. Кроме хрома, в

ней присутствовали ионы других металлов, а так же сульфаты, хлориды и нитраты. В качестве органического питания использовалась

отработанная СОЖ. Для разбавления

использовалась вода после промывки гальванических ванн. ХПК поступающей воды составляло 240 мг/л, концентрация шестивалентного хрома составляла до 70 мг/л, нефтепродуктов 29 мг/л, рН=6.5-7.5

Экспериментальные результаты получены на пилотной установке для изучения процессов биологической очистки и биосорбции. Схема пилотной установки приведена на рис. 1 [3].

Рис. 1 - Принципиальная схема пилотной

установки: 1 - первичный отстойник; 2 - насос для подачи сточной воды; 3 - биосорбер; 4 -вторичный отстойник; 5 - насос для рецикла активного ила

Сточная вода освобождалась от первичных взвешенных веществ в отстойнике 1 и подавалась насосом 2 на основную стадию обработки -биосорбцию, протекающую в аппарате 3, а затем поступала во вторичный отстойник 4, где происходило отделение ила от очищенной воды. Активный ил из вторичного отстойника с помощью насоса 5 перекачивался обратно в биосорбер 3.

В качестве биосорбера использовался горизонтальный биореактор с перемешивающим устройством рамного типа. В биореактор емкостью 4,5 л заливалась подготовленная иловая суспензия. Затем в аппарат засыпался адсорбент в концентрации 2,5 г/л, и организовывалось перемешивание полученной в аппарате суспензии. Во вторичный отстойник емкостью 3 л заливалась условно-чистая вода и с помощью насоса 5

организовывался рецикл активного ила. Затем с помощью насоса 2 организовывалась подача СВ из первичного отстойника 1. Время пребывания в аппарате с учетом рецикла ила составляло 1 сутки.

Результаты эксперимента представлены на

рис. 2.

Рис. 2 - Показатели очищенной воды Обсуждение результатов

Результаты эксперимента показали удовлетворительную степень очистки по ХПК. На 12 судки эксперимента наблюдалось незначительное увеличение концентрации шестивалентного хрома, но затем, постепенно ситуация улучшилась и система стабилизировалась. Нужно отметить, что концентрация трехвалентного и шестивалентного хрома изменяется противоположно друг другу. То есть при увеличении концентрации Сг(У1) в очищенной воде содержание Сг(111) уменьшается и наоборот. По этим данным можно судить о присутствии в биоценозе активного ила хромутилизирующих бактерий. При этом в периоды увеличения концентрации Сг(У1) происходит увеличение ХПК, но оно не превышает нормативные значения.

Рис. 3 - Схема бисубстратной модели процесса биосорбции хромсодержащего стока

В состав сточной воды кроме хроматов и бихроматов входят значительное количество

углеводородов (нефтепродуктов), которые являлись источником углеродного питания. Предполагается присутствие в культуральной среде двух групп бактерий: хромвосстанавливающие (биомасса Хі) и углеродутилизирующие (биомасса Х2) и

соответственно им двух основных субстратов: бихроматы (Ьі) и углеводороды (Ь2)

потребляющимися по путям і и 2 соответственно. То есть речь идет о бисубстратной математической модели процесса биосорбционной очистки

хромсодержащих стоков. Схема представлена на рис. 3.

Постулируется наличие лимитирования по субстратам, а также прямое (3, 4) и перекрестное (5, 6) ингибирование по субстратам. Биохимическая кинетика может быть представлена комбинированной моделью Моно-Герберта-Халдейна [4,5].

На основе общепринятых критериев

структура потока в аппарате принята соответствующей идеальному перемешиванию, температурный режим - изотермический [6].

Схема модели отражает:

- адсорбцию субстратов на поверхность активного ила (7, 8), где Ь С1 и Ь С2 равновесные концентрации соответсвующих субстратов на поверхности активного ила;

- адсорбцию субстратов на поверхность адсорбента (9, 10), где Ь*і и Ь*2 равновесные концентрации соответсвующих субстратов на поверхности адсорбента;

- образование биопленки Х1А и Х2А на поверхности адсорбента (іі, і2);

- пути расщепления субстратов (і3, і4) соответствующими экзоферментами Е1 и Е2.

Таким образом математическое описание периодического процесса будет включать следующие уравнения:

СЦ

"СГ

С-с

Л

1

КХ1(_С1 _С1 ) КА1(_1 -і)

КХ1(_С1 -с0

И' т21Х2-С1

1

С1

У _2

1 к +1 + С1/

К_11+_С1 + /к.

У -2

1 2 к +1 + С1/

К_21+_С1 + /К

/ гчі;

СХ1 ________И т11Х1_С1_______

С „ . , . - '

-С1

Ь1Х1

СА

К К_21 + -С1 + %

гчт / гчі:

С1

с_

_ Ка1 (-1 -1)

С1

с_

2= К Х2 (_С2 -С2) К А2 (— 2 -*2)

1

" КХ2(_С2 _С2 ) у

С2 А2 2 2

1 Ит22Х2_С2

(і)

(2)

(3)

(4)

(5)

К1_22 + _С2 +

4<|22 (6)

у і_2 /

4 К + , + С2/

К_12 + _С2 + /К

+

С2

_ Ц т22Х2“о2_____+____Ц т12Х1“о2____

й К +1 + “«/ К +1 + “«/ (7)

К“22 + “02 + /К К“12 + “02 + /К

/ 122 / 112

Ь2Х2

где КА1 и КА2 - коэффициенты массопередачи субстратов на поверхность адсорбента; КХ1 и КХ2 -коэффициенты массопередачи субстратов к хлопьям активного ила; Цп11, Цп12, Цт21 и Цт22 -

соответствующие максимальные удельные скорости роста; КЫ1, КЫ2, КЬ21 и КЬ22 - соответствующие константы полунасыщения Моно; Кш, К112, К121 и Кш - соответствующие константы ингибирования

Заключение

Таким образом, предложен механизм

процессов биоремедиации для биосорбционного восстановления шестивалентного хрома в процессе очистки сточных вод гальванических производств. Построена бисубстратная математическая модель, описывающая эти процессы.

В настоящее время проводятся компьютерные эксперименты по реализации данной модели и кинетические эксперименты для получения констат, входящих в нее.

Литература

1. Дегерменджи А.Г. Проблема сосуществования

взаимодействующих проточных популяций//

Смешанные проточные культуры микроорганизмов. -Новосибирск: Наука, 1981. - с. 26-106.

2. Биологическая очистка хромсодержащих

промышленных сточных вод/ Е.И.Квасникова, Н.С.Серпокрылов, Т.М.Клюшникова и др.; АН УССР. Ин-т микробиологии и вирусологииим. им. Д.К.Заболотного. - Киев: Наук. думка, 1990. - 112 с.

3. Морозов Д.Ю. Емельянов В.М. Нуруллина Е.Н. Исследование адсорбционной очистки сточных вод, содержащих ионы тяжелых металлов/ Вестник Казанского технол. ун-та. - Казань: «Отечество», 2005 г. - с. 95 - 98.

4. Васильев Н.Н., Амбросов В.А., Складнев А.А.

Моделирование процессов микробиологического

синтеза - М.: Лесная промышленность, 1975. - 342 с.

5. Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев Л.С.

Моделирование биохимических реакторов - М.: Лесная промышленность, 1979. - 342 с.

6. Вавилин В.А., Васильев В.Б. Математическое

моделирование процессов биологической очистки сточных вод активным илом. - М.: Наука, 1979. - 119 с.

7. Нуруллина Е.Н., Сироткин А.С., Понкратова С.А.,

Шагинурова Г.И., Емельянов В.М. Интенсификация процессов биологического окисления загрязнений в системах биосорбционной очистки сточных вод / Вестник Казанского технол. ун-та. - Казань:

«Отечество» - 2002 г.- с. 61 - 69.

© В. Г. Чайковский - доц. каф. химической кибернетики КНИТУ; М. В. Шулаев - проф. каф. химической кибернетики КНИТУ, [email protected].