ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗЛОЖЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ НА РЕКОНСТРУИРОВАННЫХ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЯХ ОАО "АВТОДЕТАЛЬ" Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

БЕЗОПАСНОСТЬ СТРОИТЕЛЬСТВА И ГОРОДСКОГО ХОЗЯЙСТВА

УДК 628.35:69.059.7 D01:10.22227/1997-0935.2020.7.1007-1017

Исследования разложения углеводородов на реконструированных очистных сооружениях ОАО «Автодеталь»

И.И. Иваненко1, Е.Я. Лапатина1, П.И. Смирнов2

1 Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (СПбГАСУ); г. Санкт-Петербург, Россия; 2 АвтоДеталь; г. Выборг, Россия

АННОТАЦИЯ

Введение. Новизна исследований обусловлена повышающейся степенью загрязнения окружающей среды веществами антропогенного происхождения, возникающими аварийными и чрезвычайными ситуациями, необходимостью в разработке новейших методов их деструкции. Одним из возможных путей в этом направлении может быть более широкое применение в технологии очистки сточных вод от органических и минеральных загрязнений специальных селекционных микроорганизмов, способных использовать в качестве терминальных акцепторов электронов химические элементы с переменной валентностью.

Материалы и методы. Провели обзор литературных источников, лабораторные исследования по стандартным и современным методикам с применением аналитического оборудования.

Результаты. К основным результатам можно отнести реконструкцию очистных сооружений ОАО «Автодеталь» с использованием способа замены загрузки в существующей биобашне на загрузку волокнистым носителем с иммобилизованной ассоциацией нефтеокисляющих микроорганизмов. Ассоциация была получена в ходе предшеству- < g ющих лабораторных исследований. На основе наиболее активных азотфиксирующих нефтеокисляющих культур: S ® Rhodococcus erythropoltis, Pseudomonas fluorescens, Arthrobacter tumescens, Pseudomonas rathonis, Azotobacter n н chroococcum в равных соотношениях создан биопрепарат, предназначенный для разложения нефти и ее компонен- ^ ^ тов на производные в окружающей водной среде, который был иммобилизован на волокнистую загрузку и загружен ^ в биобашню. q 3

Выводы. В ходе работ первого этапа выделены специальные культуры для проведения очистки от углеводородов W С антропогенного происхождения с азотфиксирующими свойствами для сокращения антропогенного вторичного за- ^ у грязнения водоема. На втором этапе осуществлена реконструкция очистных сооружений ОАО «Автодеталь» и полу- ^ I чены эксплуатационные результаты, позволяющие утверждать возможность применения биологического способа о S трансформации загрязнений с высоким эффектом очистки по: взвешенным веществам — 99,7 %; нефтепродук- l Z там — 98,3 %; ХПК — 89,2 %; азоту аммонийных солей — 77,9 %; фосфору минеральному — 53,3 %. J 9

и-

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: биологическая очистка, иммобилизация микроорганизмов, волокнистая загрузка, очист- о о ные сооружения, реконструкция, биобашня с 3

o сс

Благодарности: Авторы выражают благодарность всем рецензентам и авторскому коллективу издания за публика- С Г цию данных материалов. о 5'

со со

ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Иваненко И.И., Лапатина Е.Я., Смирнов П.И. Исследования разложения углеводородов на реконструированных очистных сооружениях ОАО «Автодеталь» // Вестник МГСУ . 2020. Т. 15. Вып. 7. С. 1007-1017. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.7.1007-1017 3 3

и 0

3 4 > 0

Research into decomposition of hydrocarbons at restructured treatment t ( facilities of Autodetail Open Joint Stock Company 1i

> n

3 )

Irina I. Ivanenko1, Elena Ya. Lapatina1, Pavel I. Smirnov2 0 н

1 Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (SPbGASU); с |

St. Petersburg, Russian Federation; ф 5

2 AvtoDetail; Vyborg, Russian Federation 1 ■ -'- 01 Ш

1 T

ABSTRACT

Introduction. The novelty of the research is driven by the growing environmental contamination with anthropogenic sub- ф £ stances, and in the course of accidents and emergency situations, as well as the need to develop the most advanced meth- , ,

2 2

ods of their elimination. More intensive application of selected micro-organisms, capable of using variable valency chemicals as terminal acceptors, can help to treat wastewater from organic and mineral pollutants. O O

Materials and methods. The co-authors have performed a review of literature and used analytical equipment to conduct o O laboratory researches according to standard and advanced methodologies.

© И.И. Иваненко, Е.Я. Лапатина, П.И. Смирнов, 2020

Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)

Results. The principal results include the restructuring of the treatment facilities operated by Autodetail Open Joint Stock Company. The restructuring consisted in the feeding process change in the currently used biological tower for the feeding to be performed with the help of the fiber carrier and immobilized association of oil oxidizing microorganisms. The association was obtained in the course of earlier laboratory researches. The most active nitrogen-gathering and oil oxidizing cultures, including Rhodococcus erythropoltis, Pseudomonas fluorescens, Arthrobacter tumescens, Pseudomonas rathonis, Azoto-bacter chroococcum, taken in equal parts, helped to develop a bio-product designated for the decomposition of oil and its components in the aquatic environment. This bio-product was immobilized in respect of the feeding to be performed with the help of the fiber carrier and loaded into the production company's biological tower which is part of idle wastewater treatment facilities.

Conclusions. In the course of the work performed at the first stage, special cultures were selected for the treatment of water from hydrocarbons of anthropogenic origin. These cultures had nitrogen-fixing properties needed to reduce secondary anthropogenic pollution of the water body. At the second stage, water treatment facilities of Autodetail Open Joint Stock Company were restructured and operation-related results were obtained. They enabled the researchers to make a statement that the biological transformation of pollutions was efficiently applicable to the suspended matter — 99.7 %; oil products — 98.3 %; COD — 89.2 %; nitrogen of ammonium salts — 77.9 %; mineral phosphorus — 53.3 %.

KEYWORDS: biological treatment, immobilization of microorganisms, fiber feeding, treatment facilities, restructuring, biological tower

Acknowledgements: The co-authors would like to express gratitude to all reviewers and the writing team for the publication of this article.

FOR CITATION: Ivanenko I.I., Lapatina E.Y., Smirnov P.I. Research into decomposition of hydrocarbons at restructured treatment facilities of Autodetail Open Joint Stock Company. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2020; 15(7):1007-1017. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.7.1007-1017 (rus.).

ВВЕДЕНИЕ

Развитие экономики приводит к загрязнению

(ч ° почв, подземных вод и поверхностных водоемов

й ° различными загрязняющими компонентами, в том числе углеводородами. Углеводороды, попадающие

g § в природную среду, вызывают негативные измене-

j? $ ния в естественном биоценозе и усложняют эко-

Ш in логическую ситуацию. Создание технологий для

^ снижения их негативного влияния на окружающую

j= среду является насущной задачей современного эта-

о -Ц па развития экономики [1, 2]. Бережное использова-

> ние ресурсов, энергосбережение и внедрение эколо-

^ ф гически безвредных технологических схем очистки

iE представляются наиболее актуальными задачами

О ф

^ современности.

§ Развитие биологических технологий для

со <-

^ "о очистки сточных вод, почв и других загрязненных

S ™ природных участков — важное направление, вви-

z ду использования природных микроорганизмов

(Л Ц

02 ЕЕ и минимизации экологической нагрузки на окру-

~ | жающую среду [3, 4]. В технологии биодеградации

cl ° нефтяных загрязнений, используемых в практике,

ю о можно выделить два основных подхода [5, 6]:

§ 2 • первый основан на интенсификации микро-

■ ^

о флоры природного или искусственно созданного

? биоценоза путем применения различных техноло-

tn с гических принципов: перемешивания, аэрирования,

^ 2 добавления питательных элементов и микроэлемен-

>» А тов и т.п.; ц э

W • второй — на введении в загрязненную эко-

^ S систему специально селекционированных углево-

| £ дородокисляющих микроорганизмов и создании

¡3 -ц оптимальных условий для их функционирования

щ ¡¡> (например, окислительно-восстановительного потенциала). Второй метод представляется более пер-

спективным и более экономически оправданным, он и принят авторами за основу.

Российские очистные сооружения, построенные в прошлом веке и ориентированные на использование большого количества кислорода, были рассчитаны на удаление содержания взвешенных и органических веществ [7, 8]. На современном этапе качество очищенных стоков очистных станций не может соответствовать нормативным требованиям, а расходы на традиционную аэробную очистку слишком велики [9]. Сокращение расходов на очистные сооружения возможно при применении различных окислительно-восстановительных процессов в биоблоках биологической ступени очистки и использовании терминальных акцепторов электронов [10].

Биологическая трансформация углеводородов в присутствии кислорода — известное и достаточно хорошо изученное явление [11, 12]. В аэробных условиях большинство гетеротрофных микроорганизмов используют углеводородные соединения как единственный источник питания. В то же время доказано, что кислород не является единственным и незаменимым акцептором электронов при микробном окислении углеводородов, существуют микроорганизмы, которые способны переносить электроны из органических соединений на элементы с переменной валентностью, в частности на азот, серу, хром, железо, марганец и т.п., в их частично или полностью окисленной форме [13, 14].

Анализ проведенных исследований последних лет различных авторов свидетельствует о том, что микробная трансформация многих углеводородов, которые входят в состав нефти, возможна в бескислородной среде. Биологическая очистка загрязняющих веществ сопровождается обычно появлением

побочного продукта — избыточного активного ила, который требует удаления с площадки очистных сооружений и вызывает дополнительные расходы и, как следствие, повышение себестоимости обработки сточных вод. Прирост активного ила в аноксид-ных/анаэробных условиях ведения очистки снижается [15]. Трансформацию многих углеводородов осуществляют многочисленные представители разных родов бактерий, которые относятся к факультативным, облигатно-анаэробным, а при некоторых условиях даже и к облигатно-аэробным группам микроорганизмов. Микробное расщепление углеводородов при отсутствии молекулярного кислорода в среде предопределяется наличием альтернативных акцепторов электронов. Решающее значение для начала реакции трансформации углеводородов, скорости ее протекания, имеет величина окислительно-восстановительного потенциала среды.

Повышение дозы микроорганизмов в сооружениях также позволяет увеличить скорость биологической трансформации в сооружениях [16]. Для повышения дозы ила применяются различные насадки или загрузки, помещаемые в биоблоки сооружений [17]. В последнее время количество таких материалов увеличивается, но ряд из них вызывает достаточно много сложностей при эксплуатации биоблоков, в основном связанных с обрастанием загрузок и необходимостью их периодической регенерации [18].

Краткий анализ литературных источников позволяет сформулировать следующие подходы, принятые авторами за основу при проведении исследований. Для трансформации углеводородных загрязнений необходимо использовать:

• биологический способ трансформации;

• аноксидные/безкислородные условия ведения очистки;

• метод повышения дозы микроорганизмов путем использования волокнистых загрузок при очистке;

• селекцию микроорганизмов для подбора способных прикрепляться к поверхности загрузки легко и надежно, а также вести трансформацию загрязнений;

• представителей различных таксонометриче-ских групп с учетом их нитрогеназной способности и способности ассимилировать из воздуха азот для минимизации затрат на процесс трансформации и возможности обеспечения потребностей микроорганизмов в биогенных элементах для жизнедеятельности.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Из сырой нефти ООО ПО «Киришинефтеорг-синтез» методом двойной селекции по О.В. Кля-мару и Л.С. Самойленко была выделена ассоциация азотфиксирующих нефтеокисляющих микроорганизмов с деструктивными и иммобилизованными свойствами, которая состояла из бактерий и дрожжеподобных грибов [19-21]. Селекцию в ходе исследований проводили и по третьему признаку — способности микроорганизмов к азотфик-сации в лабораторном биореакторе, выполненном из корпуса емкости очистной станции Vortex 5 с полезным объемом биореактора — 22 дм3. Исследования осуществлялись в условиях проточного культивирования (рис. 1). Биореактор сконструирован так, что неполными перегородками он разделен на шесть отсеков, что обеспечивает зигзаговидное движение воды в сооружении. В первый отсек вносили дизельное топливо в количестве 0,1-1 дм3. Из второго отсека вода рециркулировала через слой

< п

i H *к

G Г

S 2

0 ся § ся

1 z y 1

J со

u-

^ I

n °

О 3 o

zs (

О i о §

n

L

iCFi

-l-^H-^-l-F

U

-Î

Рис. 1. Схема биореактора: 1 — воздух; 2 — минеральный раствор; 3 — слой нефтепродуктов; 4 — эрлифт; 5 — волокнистый носитель; 6 — очищенная вода

Fig. 1. The flow diagram of a bioreactor: 1 — air; 2 — mineral solution; 3 — layer of oil products; 4 — air lift; 5 — fiber carrier; 6 — treated water

§ 2 n 0

О £

r 6 t (

0 )

ii

® 0

01 В

■ T

s □

s У с о i к

J, J,

M 2 О О 10 10 о о

4

5

2

6

о о

сч N

о о

N N

¡г ш

U 3

> (Л

с и U in

Ю щ j

<D 0J

О ё —■

о

о У

™ . ° ОТ 13 от Е

Е о

CLU ^ с ю °

S ц

о Е

СП ^ т- ^

от от

^ 1 £ w

Ig ^ El

О (Я

нефтепродуктов первого отсека для насыщения ее углеводородами и интенсивной селекции микроорганизмов-деструкторов. Кроме того, в первый отсек непрерывно подавали водный раствор биогенных элементов — фосфора, калия, магния и микроэлементов со скоростью 0,01 ч -1, при этом азот не вносили.

Ассоциации других микроорганизмов, кроме селектированных специально, также не использовали. Отсутствие доступного источника азота (незначительная его концентрация) дает селективное преимущество в этих экстремальных условиях для развития микроорганизмов, которые способны обеспечивать свои метаболические потребности в азоте путем ассимилирования его из атмосферы.

Из литературных источников известна высокая заселенность нефтепродуктов микроорганизмами [22]. Для селекции азотфиксирующей ассоциации нефтеокисляющих микроорганизмов использована аборигенная микрофлора сырой нефти, полученная на первом этапе исследований. В 3-6 отсеках лабораторного биореактора размещали по 150 г волокнистого носителя для иммобилизации и наращивания на нем биомассы нефтеокисляющих азотфик-сирующих микроорганизмов в процессе селекции (рис. 2).

Рис. 2. Волокнистый носитель, размещенный в емкости биореактора

Fig. 2. Fiber carrier, placed into bioreactor tanks

Микрокомпрессором осуществляли постоянную аэрацию среды в биореакторе при средней концентрации растворенного кислорода на уровне 2-2,5 мгО2/л. Процесс проводили при температуре 10-25 °С. В очищенной воде после биореактора устанавливали концентрацию нефтепродуктов по стандартной весовой методике и, в некоторых опытах, методом атомно-сорбци-онного определения.

После образования биопленки на поверхности волокнистого носителя изучали деструктивную активность иммобилизованной азотфиксирующей ассоциации микроорганизмов. Кроме того, по мере накопления на носителе значительной биомассы, ее вынимали из установки, высушивали и хранили для последующих исследований и использования с целью очистки воды от нефтепродуктов в реальных условиях, а в биореактор вносили новый волокнистый носитель без микроорганизмов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В проведенных исследованиях создание оптимальных условий культивирования «аборигенных» микроорганизмов нефти путем внесения необходимых биогенных элементов (фосфора, калия, магния и микроэлементов) и речной воды привело к интенсивному их размножению уже на пятые сутки проведения опыта. Развитие микроорганизмов в первые сутки культивирования сопровождалось образованием большого количества слизи, что, в свою очередь, приводило к эмульгированию нефтепродуктов и, как результат, увеличивало их концентрацию в воде до 1000 мг/дм3. Продуцирование клетками значительных количеств слизи можно объяснить отсутствием в культуральной среде доступных соединений азота, потому что в безазотной среде микроорганизмы синтезируют полисахариды. По мере размножения и наблюдающегося при помощи ежедневного микроскопирования ила, доминирования в биореакторе микроорганизмов, которые способны обеспечивать свои потребности в азоте путем азотфиксации, слизеобразование значительно уменьшилось, а со временем полностью прекратилось.

Через месяц работы лабораторного биореактора селекционированная ассоциация азотфиксирую-щих микроорганизмов — деструкторов нефтепродуктов минерализировала 10 г дизельного топлива за сутки при концентрации иммобилизованных клеток в сооружении 200 г (по сухой массе) вещества. В свободноплавающем состоянии количество клеток не превышало 104 кл/см3. При внесении 100 см3 сырой нефти в первый отсек установки полное ее разложение происходило за 31 сут, т.е. за сутки 200 г биомассы (по сухой массе) перерабатывалось (минерализировалось) в 2,3 г нефтепродуктов. Пленка нефти в первом отсеке практически отсутствовала, а в растворе концентрация углеводородов не превышала 0,3 мг/дм3 при скорости разведения 0,01 ч-1.

Значительно более медленно проходило расщепление углеводородов сырой нефти в биореакторе по сравнению с дизельным топливом (10 г за сутки против 2,3 г за сутки) при одинаковом количестве биомассы. Такой результат обусловлен присутствием в нефти очень стойких к окислению, даже селекционированными микроорганизмами, высоко-

молекулярных полицикличных ароматических и гетероциклических соединений.

Из селекционированной ассоциации биоценоза биореактора было выделено 25 штаммов культур микроорганизмов, которые имели разную деструктивную активность относительно углеводородов парафиновой фракции дизельного топлива и азотфиксирующую способность. Наиболее активные — идентифицированы [23, 24]. При оптической плотности суспензии 106-107 кл/см3 изолированные штаммы в условиях азотфиксации используют нефтепродукты с разной эффективностью.

Наибольшая степень деструкции углеводородов парафиновой фракции дизельного топлива в условиях азотфиксации характерна для штамма Rhodococcus erythropolis R-2 — 680 мг/дм3сут. За 7 сут она становится 58 % при начальном внесении 8,26 г/дм3. В среде с достаточным обеспечением клеток аммонийным азотом эта величина достигает 72 %, т.е. за сутки минерализируется 850 мг/дм3 углеводородов. Для наиболее активных из изолированных культур эта величина при росте на углеводородах дизельного топлива составила:

- 83 мг/дм3сут; R-2 - 680 - " -; Р-17 - 440 - « -; Z-1 - 410 - " -;

- 450 - " -; Р-9 - 420 - " -; А-7 - 310 - " -;

• Yarrwia lipolytica

• Rhodococcus erythropoltis

• Pseudomonas rathonis

• Azotobacter chroococcum

• Azotobacter sp.

• Pseudomonas fluorescens

• Arthrobacter tumescens

Нитрогеназную активность выделенных штаммов-деструкторов определяли ацетилен-редуктив-ным методом [25] при культивировании в жидкой модифицированной среде CS7 [26], где единственными источниками углерода и энергии были глюкоза (контроль) и дизельное топливо (опыт) — 10 г/дм3. Белок в опытах определяли по Лоури [27].

В результате исследования нитрогеназной активности была установлена способность бактериальных штаммов ассимилировать атмосферной азот. Дрожжеподобный штамм Yarrowia lipolytica восстанавливал азот в количествах, которые находятся в пределах погрешности. Таким образом, нет убедительных доказательств, что Yarrowia lipolytica фиксирует атмосферный азот. Наибольшую нитрогеназную активность при росте на глюкозе проявляет штамм Azotobacter sp., которая составляет 12,82 нмоль С2Н4/мг белка в час. В то же время при росте на углеводородах дизельного топлива, ассимиляция азота активнее протекает в чистой культуре Rhodococcus erythropoltis R-2 и равняется 10,52 нмоль С2Н4/мг белка в час. Максимальную нитрогеназную активность имеет ассоциация культур-деструкторов, которая при росте на нефтепродуктах дизельного топлива составляет 23,7 нмоль С2Н4/мг белка в час, что в 2,3 раза превышает азотфиксирующую способность Rhodococcus erythropoltis R-2. В условиях периодического куль-

тивирования исследованы деструктивные свойства ассоциации. Результаты показали, что на седьмые сутки культивирования деструкция парафиновых углеводородов у сред без азота составляет 68 %, тогда как в присутствии аммонийного азота она достигала 87 %.

На основе наиболее активных азотфиксиру-ющих нефтеокисляющих культур: Rhodococcus erythropoltis, Pseudomonas fluorescens, Arthrobacter tumescens, Pseudomonas rathonis, Azotobacter chroococcum, которые были иммобилизованы на волокнистом носителе в равных соотношениях в биореакторе, создан биопрепарат с условным названием «А1», предназначенный для разложения нефти и ее компонентов на производные в окружающей водной среде. Биопрепарат «А1» с успехом использован для очистки нефтесодержащих сточных вод ОАО «Автодеталь». Технологическая схема (рис. 3) локальных очистных сооружений включает:

• нефтеловушку, в которой удаляются нерастворимые нефтепродукты;

• флотатор, который доводит содержимое нефтепродуктов в воде до 20-25 мг/дм3,

• биобашню — капельный биофильтр, в котором, как загрузка, использован волокнистый носитель с иммобилизованной ассоциацией нефтеокис-ляющих микроорганизмов.

Результаты работы реконструированной станции представлены в табл. и на рис. 4-6. Период наблюдения совпал с периодом проведения пуско-наладочных работ и началом периода эксплуатации станции. Концентрации на входе на очистные сооружения не фиксировались ввиду того, что для исследований интерес представляла оценка работы и скорости деструкции нефтепродуктов реконструированным узлом, включающим блок биологической загрузки. Раз в неделю проводился сокращенный химический анализ усредненных проб. Раз в месяц выполнялся полный анализ стоков по показателям, определенным в паспорте предприятия. Соединения азота в стоках наблюдаются из-за присутствия выпусков фекальных вод в сеть канализации, оканчивающихся очистными сооружениями, а соединения фосфора поступают с частью производственных (моечных) вод.

ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований наибольшая степень деструкции углеводородов парафиновой фракции дизельного топлива в условиях азотфиксации характерна для штамма Rhodococcus erythropolis R-2 — 680 мг/дм3сут. В среде с достаточным обеспечением клеток аммонийным азотом эта величина достигает 72 %, т.е. за сутки минерализируется 850 мг/дм3 углеводородов.

< п

i Н k *

G Г

o

0 (Л

1 с

У 1

J со

u-

^ I о

с 3 o

з (

о 5 о

О 2

о о

о £ > 6 55 ( СО

о )

ii

® (Л

(Л В

■ т

s □

S У

с о *

2 2 О О 2 2 О О

Сточная вода / Sewage water

Нефтепродукты / Oil products

Нефтепродукты / Oil products

Очищенная вода / Treated water

О о N N О О N N

¡г ш

U 3

> (Л

с и

to in j

ф Ф

О ё

---' "t^

о

о У со <f

z ■ i от ц от IE

— -ь^

Е is

^ с ю °

S ц

о Е с5 °

СП ^ т- ^

£

от °

Е!

О И

Рис. 3. Технологическая схема очистного сооружения поверхностного стока после реконструкции: 1 — нефтеловушка; 2 и 5 — промежуточные вертикальные отстойники; 3 — флотатор; 4 — компрессор подачи воздуха; 6 — биобашня; 7 — распрыскиватель; 8 — биозагрузка с иммобилизованной микрофлорой (биопрепарат «А1»); 9 — поддон для сбора очищенной воды; 10 — насосы

Fig. 3. The flow chart of a restructured treatment facility designated for the overflow: 1 — oil separator; 2 and 5 — intermediate vertical settling basin; 3 — flotation unit; 4 — air compressor; 6 — biological tower; 7 — sprinkler; 8 — biological feeding with immobilized microflora (bio-product «А1»); 9 — treated water tray; 10 — pumps

Результаты наблюдения за очистными сооружениями после реконструкции Results of observation of treatment facilities after reconstruction

Период наблюдения, Недели / Observation period, weeks Концентрации загрязняющих компонентов, мг/л / Concentration of contaminating components, mg/l

После отстаивания / After the settlement После отстаивания / After the settlement

Взвешенные вещества / Suspended matter Нефтепродукты / Oil products Азот аммонийных солей / Nitrogen of ammonium salts Взвешенные вещества / Suspended matter Нефтепродукты / Oil products Азот аммонийных солей / Nitrogen of ammonium salts

1 10,23 0,33 —** 2,63 0,3* —

2 10,89 0,59 — 5,01 0,3* —

3 18,45 1,23 — 8,95 0,47 —

4 13,38 3,83 — 3,45 1,97 —

5 8,32 4,23 — 3,04 1,79 —

6 6,85 1,03 5,61 3,37 — 1,04

7 18,39 3,01 0,31 8,37 1,7 0,3

8 27,06 5,89 1,76 17 3,5 0,47

9 14,39 0,86 2,04 12 0,3* 0,3

7

Окончание

Период наблюдения, Недели / Observation period, weeks Концентрации загрязняющих компонентов, мг/л / Concentration of contaminating components, mg/l

После отстаивания / After the settlement После отстаивания / After the settlement

Взвешенные вещества / Suspended matter Нефтепродукты / Oil products Азот аммонийных солей / Nitrogen of ammonium salts Взвешенные вещества / Suspended matter Нефтепродукты / Oil products Азот аммонийных солей / Nitrogen of ammonium salts

10 40,72 4,97 0,85 30,43 — 0,32

11 8,18 3,12 5,3 7,13 0,3* 1,75

12 8,39 4,34 4,89 5,95 2,98 1,39

13 4,12 1,23 1,76 10,32 — 1

14 31,57 3,62 3,84 18,63 0,76 1,34

15 17,35 1,1 0,39 1,76 0,38 —

16 14,36 0,89 0,84 1,52 0,3 0,3

17 11,14 0,97 0,79 1,67 0,31 0,3

7~т * **

Примечание: — предел обнаружения весовым методом; — анализы не проводились. Note: * — weight method detection limit; ** — no tests performed.

50 40 30 20 10 0

--Ряд 1 / Raw 1

-Г,-

Ряд 2 / Raw 2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Период наблюдения / Observation period

--Ряд 1 / Raw 1

Ряд 2 / Raw 2

Рис. 4. Изменение концентрации взвешенных веществ, мг/л, в ходе эксплуатации очистных сооружений: ряд 1 — после отстойника; ряд 2 — на выходе

Fig. 4. Change in concentration of suspended matter: mg/l in the course of operation of treatment facilities: Raw 1 — before the settling basin; Raw 2 — at the outlet

/ \ / \ \

\ 4 1 \ ' \ / \ / \ ' \ / \

i> V 4 / \J \ / ^ 1

/ " - - _

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Период наблюдения / Observation period

Рис. 5. Изменение концентрации нефтепродуктов, мг/л, в ходе эксплуатации очистных сооружений: ряд 1 — после отстойника; ряд 2 — на выходе

Fig. 5. Change in concentration of oil products: mg/l in the course of operation of treatment facilities: Raw 1 — before the settling basin; Raw 2 — at the outlet

< П

iH * k

G Г

0 <Z> § (Л

1 О y 1

J CD

u-

^ I

n °

О 3 o

zs (

О 3

о §

СЛ

It — § 2

n 0

о 6

r 6 t ( Cc §

0 )

ii

® O

01 В ■ T

s У с о i к ,,

2 2 О О 2 2 О О

Период наблюдения / Observation period

Рис. 6. Изменение концентрации азота аммонийных солей, мг/л, в ходе эксплуатации очистных сооружений Fig. 6. Change in concentration of nitrogen of ammonium salts: mg/l in the course of operation of treatment facilities

о о

N N О О N N

К ш U 3

> (Л

с и

to in j

ф ф

О ё

---' "t^

о

о У

8 «

Z ■ ^ ОТ Ц от Е

Е о

CLU ^ с ю °

S ц

о Е с5 °

СП ^ т- ^

от от

^ 1 £ w

■S

I

El

О И

В итоге изучения нитрогеназной активности была установлена способность бактериальных штаммов ассимилировать атмосферной азот.

На основе наиболее активных азотфиксиру-ющих нефтеокисляющих культур: Rhodococcus erythropoltis, Pseudomonas fluorescens, Arthrobacter tumescens, Pseudomonas rathonis, Azotobacter chroococcum, создан биопрепарат с условным названием «А1», предназначенный для разложения нефти и ее компонентов на производные в водной среде.

Выявлена способность выделенных культур нефтеокисляющих бактерий использовать углеводороды в условиях ассимиляции атмосферного азота, причем, эффект этот значительно выше при применении ассоциаций микроорганизмов-деструкторов.

В условиях периодического культивирования исследованы деструктивные свойства ассоциации. Результаты показали, что на седьмые сутки культивирования деструкция парафиновых углеводородов

у сред без азота составляет 68 %, тогда как в присутствии аммонийного азота она достигала 87 %.

Биопрепарат «А1» с успехом применен для очистки нефтесодержащих сточных вод ОАО «Автодеталь». Концентрация нефтепродуктов в очищенной воде после биобашни, оборудованной волокнистой загрузкой с биопрепаратом «А1», составляла в период запуска станции и проведения пусконала-дочных работ 0,5-15 мг/л, а в период эксплуатации станции — 0,3-3,5 мг/дм3, что с учетом разбавления общезаводскими стоками при нормальном режиме существенно ниже норм ПДК для сброса в канализационную сеть. Анализ работы реконструированных и оснащенных волокнистым носителем очистных сооружений ливневых вод показал, что эффективность процесса составила, %, по:

• взвешенным веществам — 99,7;

• нефтепродуктам — 98,3;

• ХПК — 89,2;

• азоту аммонийных солей — 77,9;

• фосфору минеральному — 53,3.

ЛИТЕРАТУРА

1. Суржко Л.Ф., Финкельштейн З.И., Баску-нов Б.П. и др. Утилизация нефти в почве и воде микробными клетками // Микробиология. 1995. Т. 64. № 3. С. 393-398.

2. Тимергазина И.Ф., Переходова Л. С. К проблеме биологического окисления нефти и нефтепродуктов углеводородокисляющими микроорганизмами // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2012. Т. 7. № 1. С. 15.

3. Морозова К.М. Принципы расчета систем биологической очистки сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2009. № 1. С. 26-31.

4. Солкина О. С. Очистка сточных вод предприятий молочной промышленности: автореф. дисс. ... на соиск. канд. техн. наук. Самара, 2017. 23 с.

5. Lovley D.R., Lonergan D.J. Anaerobic Oxidation of Toluene, Phenol, and p-Cresol by the Dis-similatory Iron-Reducing Organism, GS-15 // Applied and Environmental Microbiology. 1990. Vol. 56. Issue 6. Pp. 1858-1864. DOI: 10.1128/aem.56.6.1858-1864.1990

6. Арустамов Э.А., Левакова И.В., Баркало-ва Н.В. Экологические основы природопользования: учебник для вузов. М. : Издательско-торговая корпорация «Дашков и Ко», 2003. 280 с.

7. Степанов С.В., Стрелков А.К., Солки-на О. С. Расчет аэротенков для очистки городских сточных вод от биогенных элементов: метод. указания. Самара : СГАСУ, 2015. 34 с.

8. Суржко Л.Ф., Финкельштейн З.И., Баску-нов Б.П. и др. Утилизация нефти в почве и воде микробными клетками // Микробиология. 1995. № 3. С. 393-398.

9. Ракицкий Д.С., Егорова Ю.А., Левин Д.И., Гордеев С.А., Нагорный С.Л., Баженов В.И. и др. Энергоэффективный принцип реконструкции воздуходувной станции городских очистных канализационных сооружений Самары // Водоснабжение и санитарная техника. 2016. № 8. С. 52-62.

10. Смирнов В.Б., Шевченок Н.П. Использование аэротенков в режиме продленной аэрации для повышения эффективности очистки сточных вод // Сантехника, отопление, кондиционирование. 2015. № 3 (159). С. 42-45.

11. Prosser J.I., Hink L., Gubry-Rangin C., Ni-col G.W. Nitrous oxide production by ammonia oxidizers: Physiological diversity, niche differentiation and potential mitigation strategies // Global Change Biology. 2020. Vol. 26. Issue 1. Pp. 103-118. DOI: 10.1111/gcb.14877

12. Ghosal D., Ghosh S., Dutta T.K., Ahn Y. Current State of Knowledge in Microbial Degradation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs): A Review // Frontiers in Microbiology. 2016. Vol. 7. DOI: 10.3389/fmicb.2016.01369

13. Иваненко И.И. Редокс-последователь-ность при дыхании бактерий // Вестник гражданских инженеров. 2017. № 3 (62). С. 155-159. DOI: 10.23968/1999-5571-2017-14-3-155-159

14. Иваненко И.И., Новикова А.М., Духов-ской В.Д. Элементы с переменной степенью окисления при микробном окислении органических загрязнений воды // Вода и экология: проблемы и решения. 2019. № 2 (78). С. 24-31. DOI: 10.23968/23053488.2019.24.2.24-31

15. Мешенгиссер Ю.М., Щетинин А.И., Есин М.А. Удаление азота и фосфора активным илом // Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение. 2009. № 2 (14). С. 29-34.

16. Дубовик О.С., Маркевич Р.М. Совершенствование биотехнологий удаления азота и фосфо-

Поступила в редакцию 15 мая 2020 г. Принята в доработанном виде 9 июня 2020 г. Одобрена для публикации 30 июня 2020 г.

Об авторах: Ирина Ивановна Иваненко — кандидат технических наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (СПбГАСУ); 190005, г. Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская, д. 3; [email protected];

ра из городских сточных вод // Труды БГТУ. № 4. Химия, технология органических веществ и биотехнология. 2016. № 4 (186). С. 232-237.

17. Камалов Р. Т., Кульков В.Н. Интенсификация биологической очистки иммобилизованным активным илом // Молодежный вестник ИрГТУ. 2017. № 1. С. 9.

18. Кульков В.Н., Солопанов Е.Ю., Сосна В.М. Регенерация синтетической загрузки в биореакторе // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2013. № 1 (649). С. 92-100.

19. Григорьева Т.В. Роль азотфиксирующих микроорганизмов в фиторемедитации промышленных углеводородных шламов: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Казань : Казанский государственный университет В.И. Ульянова-Ленина, 2009. 23 с.

20. Клямар О.В., Сорока Я.М., Гвоздяк П.И. Селекция ассоциации азотфиксирующих углеводо-родокисляющих микроорганизмов // Химия и технология воды. 1998. Т. 20. № 3. С. 325-329.

21. Клямар О.В., Самойленко Л.С., Нагорная С. С., Гвоздяк П.И. Азотфиксирующие микроорганизмы — деструкторы нефтепродуктов // Химия и технология воды. 2002. T. 24. № 3. С. 271-282.

22. Леффлер У.Л. Переработка нефти. М. : Олимп-Бизнес, 2005. 223 с.

23. Квасников Е.Й., Писарчук Е.Н. Артробак-тер в природе и производстве. Киев : Наукова думка, 1980. 219 с.

24. Смирнов В.В., Киприанова Е.А. Бактерии рода Pseudomonas. Киев : Наукова думка, 1990. 264 с.

25. Hardy R.W.F., Holsten R.D., Jackson E.K., Burns R.C. The Acetylene-Ethylene Assay for N2 Fixation: Laboratory and Field Evaluation // Plant Physiology. 1968. Vol. 43. Issue 8. Pp. 1185-1207. DOI: 10.1104/pp.43.8.1185

26. Pagan J.D., Child J.J., Scowcroft W.R., Gibson A.H. Nitrogen fixation by Rhizobium cultured on a defined medium // Nature. 1975. Vol. 256. Issue 5516. Pp. 406-407. DOI: 10.1038/256406a0

27. Lowry O.H., Rosebrough N.J., Far A.L., Randall R.J. Protein measurement with the Folin phenol reagent // J. Biol. Chem. 1951. Vol. 193. Pp. 265-275.

< П

iH * k

G Г

0 (Л § (Л

1 О y 1

J CD

u-

^ I

n °

О 3 o

zs (

О i о §

E M § 2

n 0

О £

r 6 t (

0 )

ii

® O

01 В ■ T

s У с о i к ,,

2 2 О О 2 2 О О

Елена Яковлевна Лапатина — химик-микробиолог; Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет (СПбГАСУ); 190005, г. Санкт- Петербург, 2-я Красноармейская, д. 3; [email protected];

Павел Иванович Смирнов — технический директор — главный инженер; Автодеталь; 192012, Санкт-Петербург, пр-т Обуховской обороны, д. 120, оф. 234; [email protected].

REFERENCES

1. Surzhko L.F., Finkelstein Z.I., Baskunov B.P. et al. Utilization of oil in soil and water by microbial cells. Microbiology. 1995; 64(3):393-398. (rus.).

2. Timergazina I.F., Perekhodova L.S. Biological oxidation of oil and petroleum products using hydrocarbon-oxidizing microorganisms. Petroleum Geology. Theoretical and Applied Studies. 2012; 7(1):15. (rus.).

3. Morozova K.M. Principles of calculation of biological wastewater treatment systems. Water Supply and Sanitary Technique. 2009; 1:26-31. (rus.).

4. Solkina O.S. Waste water treatment of dairy enterprises: abstract of the dissertation for the cand. tech. sciences. Samara, 2017; 23. (rus.).

o o 5. Lovley D.R., Lonergan D.J. Anaerobic Oxida-cy (V

o o tion of Toluene, Phenol, and p-Cresol by the Dissimi-

N N

latory Iron-Reducing Organism, GS-15. Applied and

g ® Environmental Microbiology. 1990; 56(6):1858-1864.

¡í $ DOI: 10.1128/aem.56.6.1858-1864.1990

J 6. Arustamov E.A., Levakova I.V., Barkalo-

m in

^ va N.V. Environmental fundamentals of environmental

g E management: textbook for universities. Moscow, Dash-

o o kov and K0 Publishing and Trading Corporation, 2003;

^ ^ 280. (rus.).

J § 7. Stepanov S.V., Strelkov A.K., Solkina O.S.

O a> Calculation of aerotenks for the treatment of urban

g o wastewater from biogenic elements: Methodological

co < guidelines. Samara, SGASU, 2015; 34. (rus.).

° (5 8. Surzhko L.F., Finkelstein Z.I., Baskunov B.P.

2 ° et al. Oil utilization in soil and water by microbial cells.

$ I Microbiology. 1995; 3:393-398. (rus.).

I 9. Rakitskii D.S., Egorova I.A., Levin D.I., Gor-

£ ^ deev S.A., Nagornyi S.L., Bazhenov V.I. Energy-effi-

g ° cient principle of upgrading the air blower house at the

o E samara municipal wastewater treatment facilities. Water

g ° Supply and Sanitary Technique. 2016; 8:52-62. (rus.).

II ¿= 10. Smirnov V.B., Shevchenko N.P. Use of aero-

$ o tenks in the mode of extended aeration to increase the — 2

• . efficiency of wastewater treatment. Plumbing, Heating,

O g Air-Conditioning. 2015; 3(159):42-45. (rus.).

S 2 11. Prosser J.I., Hink L., Gubry-Rangin C., Ni-

¥

s £ col G.W. Nitrous oxide production by ammonia oxidiz-g £ ers: Physiological diversity, niche differentiation and potential mitigation strategies. Global Change Biology. 2020; 26(1):103-118. DOI: 10.1111/gcb.14877

12. Ghosal D., Ghosh S., Dutta T.K., Ahn Y. Current State of Knowledge in Microbial Degradation of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs): A Review. Frontiers in Microbiology. 2016; 7. DOI: 10.3389/fmicb.2016.01369

13. Ivanenko I.I. Redox-sequence at bacterial respiration. Bulletin of Civil Engineers. 2017; 3(62):155-159. DOI: 10.23968/1999-5571-2017-14-3-155-159 (rus.).

14. Ivanenko I.I., Novikova A.M., Dukhovs-koi V.D. Variable oxidation elements in microbial oxidation of organic water pollution. Water and Ecology. 2019; 2(78):24-31. DOI: 10.23968/23053488.2019.24.2.24-31 (rus.).

15. Meshengisser Yu.M., Shchetinin A.I., Esin M.A. Removal of nitrogen and phosphorus with active sludge. Water purification. Water preparation. Water supply. 2009; 2(14):29-34. (rus.).

16. Dubovik O.S., Markevich R.M. Improvement of biotechnology of nitrogen and phosphorus removal from urban wastewater. Proceedings of BSTU. No. 4. Chemistry, technology of organic substances and biotechnology. 2016; 4(186):232-237 (rus.).

17. Kamalov R., Kulkov V. Biological treatment intensification by immobilized activated sludge. ISTU Bulletin of Youth. 2017; 1:9-14. (rus.).

18. Kulkov V.N., Solopanov E.Y., Sosna V.M. Regeneration of synthetic download in bioreactors. News of Higher Educational Institutions. Construction. 2013; 1(649):92-100. (rus.).

19. Grigorieva T.V. The role of nitrogen-fixing microorganisms in the phytoremeditation of industrial hydrocarbon sludges: abstract of the dissertation for the cand. biol. sciences. Kazan, Kazan State University V.I. Ulyanov-Lenin, 2009; 23. (rus.).

20. Klyamar O.V., Soroka Y.M., Nail P.I. Selection of an association of nitrogen-fixing hydrocarbon-oxidizing microorganisms. Chemistry and Water Technology. 1998; 20(3):325-329. (rus.).

21. Klyamar O.V., Samoilenko L.S., Nagorna-ya S.S., Nvozdyak P.I. Nitrogen-fixing microorganisms — destructors of petroleum products. Chemistry and Water Technology. 2002; 24(3):271-282. (rus.).

22. Leffler W.L. Oil refining. Moscow, OlympusBusiness, 2005; 223. (rus.).

23. Kvasnikov E.J., Pisarchuk E.N. Arthrobactor in nature and production. Kiev, Naukova Duma, 1980; 219. (rus.).

24. Smirnov V.V., Kiprianova E.A. Bacteria of the genus Pseudomonas. Kiev, Naukova dumka, 1990; 264. (rus.).

25. Hardy R.W.F., Holsten R.D., Jackson E.K., Burns R.C. The Acetylene-Ethylene Assay for N2 Fixa-

tion: Laboratory and Field Evaluation. Plant Physiology. 1968; 43(8):1185-1207. DOI: 10.1104/pp.43.8.1185

26. Pagan J.D., Child J.J., Scowcroft W.R., Gibson A.H. Nitrogen fixation by Rhizobium cultured on a defined medium. Nature. 1975; 256(5516):406-407. DOI: 10.1038/256406a0

27. Lowry O.H., Rosebrough N.J., Far A.L., Randall R.J. Protein measurement with the Folin phenol reagent. J. Biol. Chem. 1951; 193:265-275.

Received May 15, 2019

Adopted in a revised form on June 9, 2020.

Approved for publication June 30, 2020

Bionotes: Irina I Ivanenko — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (SPbGASU); 4, 2nd Krasnoarmeiskaya st., Saint Petersburg, 190005, Russian Federation; i5657@ mail.ru;

Elena Ya. Lapatina — chemist-microbiologist; Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (SPbGASU); 4, 2nd Krasnoarmeiskaya st., Saint Petersburg, 190005, Russian Federation; [email protected];

Pavel I Smirnov — technical director-chief engineer; AvtoDetail; office 234, 120 Obukhovskoy oborony avenue, Saint Petersburg, 192012, Russian Federation; [email protected].

< П

8 8

i H *к

G Г

0 (Л § (Л

1 О y 1

J CD

u-

^ I

n °

О 3 o

zs (

О i о §

E M

§ 2

n 0

О £

r 6

t (

Cc §

0 )

ii

1 5

W 00

■ T

(Л У

с о

1 к

2 2 О О 2 2 О О