CC BY
19
_ВЕСТНИК ПНИПУ_
2019 Химическая технология и биотехнология № 3
DOI: 10.15593/2224-9400/2019.3.02 УДК 579.6:606
О.Ю. Маньковская, О.И. Бахирева, М.М. Соколова, Л.С. Пан
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия
ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ ДООЧИСТКИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ РАСТВОРОВ ОТ ИОНОВ НИКЕЛЯ
Изучены методы доочистки производственных стоков АО «Пермский завод "Машиностроитель "» (ПЗХО) от ионов никеля. В ходе производства ПЗХО использует электрохимические ванны, в которых после обработки конструкций образуются отходы, содержащие ионы никеля в концентрациях 140-300 г/л. При помощи оса-дительного метода удалось значительно уменьшить концентрацию никеля до 360 мг/л. Полученные значения превышали уровень ПДК для сточных вод, который составляет 0,02 мг/л, поэтому требуется доочистка производственных стоков с целью сбрасывания очищенной воды в городскую канализацию. В качестве метода до-очистки рассмотрен биологический метод с использованием иммобилизации выделенных клеток микроорганизмов на поверхности активированного угля и внутри альгинатного геля. Для осуществления биологического метода из почв, загрязненных ионами тяжелых металлов, выделены культуры микроорганизмов, которые являются устойчивыми к ионам никеля, получены их изолированные колонии и изучены морфологические и физические свойства. Проведено микроскопирование клеток, в ходе которого выяснили, что культура представлена граммотрицательными диплококками. Исследована возможность применения выделенных культур в производственной практике. С этой целью проведена иммобилизация клеток в альгинатном геле и на поверхности активированного угля. Изучены поглотительные способности сорбентов в чистом виде и с внедренными в них культурами микроорганизмов. Эксперименты показали, что иммобилизация клеток на поверхности и внутри носителей увеличивает их поглотительную способность по отношению к ионам никеля. Применение иммобилизованных клеток упрощает задачу внедрения биологического метода в технологическую схему производства.
Ключевые слова: производственные сточные воды, осаждение, культура микроорганизмов, иммобилизация, ионы никеля, активированный уголь, альгинатный гель.
O.Yu. Mankovskaya, O.I. Bakhireva, M.M. Sokolova, L.S. Pan
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation
STUDY OF METHODS FOR TREATING PRODUCTION SOLUTIONS FROM NICKEL IONS
Methods for the post-treatment of industrial effluents of JSC Perm Plant Mashinos-troitel (PZHO) Perm from nickel ions were studied. In the course of production, PZHO
uses electrochemical baths in which, after processing the structures, waste products are formed containing nickel ions in concentrations of 140-300 g / l. Using the precipitation method, it was possible to significantly reduce the concentration of nickel to 360 mg / L. The obtained values exceeded the MPC level for wastewater, which is 0.02 mg /1; therefore, post-treatment of industrial effluents is required in order to discharge treated water into the city sewer. As a post-treatment method, the biological method using the immobilization of the isolated cells of microorganisms on the surface of activated carbon and inside the alginate gel is considered. To implement the biological method, cultures of microorganisms that are resistant to nickel ions were isolated from soils contaminated with heavy metal ions, their isolated colonies were obtained, and morphological and physical properties were studied. Microscopy of cells was carried out, during which it was found that the culture is represented by gram-negative diplococci. The possibility of using selected crops in industrial practice is investigated. For this purpose, the cells were immobilized in alginate gel and on the surface of activated carbon. The absorption capacity of sorbents in a pure form and with the cultures of microorganisms embedded in them was studied. The experiments showed that the immobilization of cells on the surface and inside the carriers increases their absorption capacity with respect to nickel ions. The use of immobilized cells simplifies the task of introducing the biological method into the technological scheme of production.
Keywords: industrial wastewater, sedimentation, microorganism culture, immobilization, nickel ions, activated carbon, alginate gel.
Исследование посвящено доочистке производственных стоков завода АО «Пермский завод "Машиностроитель"» (ПЗХО) от ионов никеля. Начальная концентрация никеля в растворах электрохимических ванн колеблется в пределах 140-300 г/л. Использование химического метода и подбор осадителей позволило уменьшить эту концентрацию до 360 мг/л. Полученные данные превышают значения ПДК для сбрасываемых сточных вод (0,02 мг/л), поэтому необходима до-очистка стоков от ионов никеля [1-4].
С целью доочистки производственных стоков завода ПЗХО от ионов никеля с помощью биологического метода из почв, загрязненных ионами тяжелых металлов, были выделены 2 культуры микроорганизмов. Культивирование микроорганизмов проводили на плотных и жидких питательных средах PYG (Peptone - пептон, Yeast - дрожжи, Glucose - глюкоза) с добавлением агар-агара и без него, соответственно [5].
В ходе культивирования наблюдали помутнение среды, что соответствовало приросту биомассы. Изолированные культуры получали высевом культуры на плотную питательную среду (рис. 1) [6].
Изучение кинетики роста культур микроорганизмов в присутствии никеля и без его добавления показало, что лучше себя ведет культура в чистой питательной среде (рис. 2, 3).
а б
Рис. 1. Выделенные культуры микроорганизмов, выросшие на среде РУв: а - культура № 1, б - культура № 2
Рис. 2. Кривые роста культур микроорганизмов без добавления №
2+
Рис. 3. Кривые роста культур микроорганизмов в присутствии ионов №
2+
На основании анализа кривых роста, построенных по кинетическим зависимостям, вычислили скорости роста культур (таблица). Сравнение полученных скоростей показывает, что культура № 1 в присутствии ионов никеля замедляет скорость роста, что может быть вызвано поглощением ионов металла культурой, однако она может существовать в присутствии никеля. Культура № 2 в присутствии ионов никеля выпала в осадок, роста биомассы не наблюдалось. Это позволило выбрать культуру № 1 для дальнейшего исследования.
Влияние №2+ на скорость роста культур микроорганизмов
Культура Скорость роста культуры, ч 1
Без добавления №2+ С добавлением №2+
№ 1 0,197 0,079
№ 2 0,193 0,020
Производственные стоки АО «Пермский завод "Машиностроитель"» являются кислыми, имеют исходные значения рН, равные 3-4. После осаждения ионов никеля карбонатом или гидроксидом натрия, или смесью данных реактивов, значения рН сливов над осадком и промывных вод лежат в пределах 6-7,5. С помощью экспериментов по оценке влияния рН на жизнедеятельность микроорганизмов выяснили пределы рН, при которых культура микроорганизмов может существовать и поглощать ионы никеля. Известно, что исходная питательная среда с ионами никеля в концентрации примерно 100 мг/л имеет рН 7,024. Культура микроорганизмов в таких условиях может расти и развиваться. Для подкисления питательной среды вносили 0,1 М соляную кислоту в объемах, необходимых для достижения определенных значений рН.
Изучение кинетики роста в данных условиях дало результаты, представленные на рис. 4.
Питательные среды в присутствии ионов никеля в концентрации 100 мг/л с рН 5 и 6 тоже являются благоприятными для роста культуры. Скорости роста при данных значениях рН равны 0,037 и 0,101 ч-1 соответственно. Скорость роста культуры при рН 6 примерно равна скорости роста культуры в среде с рН 7. Питательные среды с рН, равными 2, 3, 4, не являются благоприятными и ингибируют рост микроорганизмов.
20 40 60 80
Рис. 4. Кривые роста культуры микроорганизмов в питательной среде в присутствии ионов никеля (С = 100 мг/л) с разными значениями рН
Исследуемую культуру микроорганизмов можно применять только для доочистки растворов, после осаждения основной части никеля, исходя из анализа диапазона рН растворов [7].
Таким образом, выделенная культура микроорганизмов может расти и развиваться в присутствии ионов никеля в производственных сливах и промывных водах, образующихся в ходе применения осади-тельного метода и обладает поглотительной способностью по отношению к данному металлу [8].
С целью удобства внедрения культуры микроорганизмов в технологический процесс были изучены и исследованы методы иммобилизации клеток.
Среди методов иммобилизации можно выделить три основных: связывание на твердом носителе; включение в пространственную структуру носителя и иммобилизация с использованием мембранной технологии [9, 10].
В работе рассмотрены два из приведенных выше методов. Иммобилизация клеток микроорганизмов внутри альгинатного геля (рис. 5) и на поверхности активированного угля (рис. 6).
Рис. 5. Иммобилизация клеток Рис. 6. Иммобилизация клеток
в структуру носителя на поверхности носителя: 1 - носи-
тель, 2 - клетки микроорганизмов
Включение клеток в альгинатные гели относятся к мягким методам иммобилизации: клетки остаются живыми и могут осуществлять полиферментные процессы. Достоинства активированного угля как носителя хорошо известны: пористость, которая не только создает большую поверхность для иммобилизации, но и способствует поглощению ионов самим носителем, а также однородность и электрическая проводимость его поверхности. Последнее свойство важно при создании биоэлектрокаталитических систем на основе иммобилизованных препаратов. К недостаткам можно отнести низкую механическую прочность [11].
Иммобилизацию в альгинатный гель проводили по стандартной методике.
Приготовление альгинатного геля осуществлялось следующим образом: с помощью блендера смешивают 1 г альгината натрия с 70 мл воды до полного растворения. Добавляют оставшуюся воду (130 мл), смешивают и ставят в холодильник на 20 мин. Во время взбивания в растворе образуются пузырьки, которые не должны попадать в гранулы, иначе они будут неравномерными и могут порваться. За время нахождения в холодном месте воздух выходит. После охлаждения раствора вносят в него 100 мкл культуральной жидкости. Для иммобилизации желательно, чтобы микроорганизмы в этот момент находились в экспоненциальной фазе роста. Аккуратно перемешивают содержимое и отбирают его шприцом на 5 мл, выдавливают небольшими порциями в заранее приготовленный раствор хлорида кальция (200 мл).
Сравнили поглотительную способность по отношению к ионам никеля культуры микроорганизмов во взвешенном состоянии и в иммобилизованном виде. Начальная концентрация никеля в среде составляла 50 мг/л (рис. 7).
Рис. 7. Изменение концентрации ионов №2+ в питательной среде в присутствии взвешенной и иммобилизованной культур микроорганизмов
Если учитывать поглощение никеля культурой только в стационарной фазе, то лучше себя ведет иммобилизованная культура и превышает поглощение никеля по сравнению со взвешенной на 55 %.
Перед проведением иммобилизации клеток микроорганизмов на поверхности активированного угля изучили его поглотительную способность по отношению к ионам никеля в чистом виде. Для этого заранее промытый и высушенный активированный уголь поместили в ионообменную колонку, не допуская попадания пузырьков воздуха. Через колонку пропускали раствор №2+ с концентрацией по никелю 118 мг/л [12, 13].
Исходя из полученных данных, выяснили, что 1 г активированного угля поглощает 0,0034 г никеля при начальной концентрации металла 118 мг/л. Общий объем раствора, прошедший через ионообменную колонку с углем, составил 273 мл. До превышения уровня ПДК через колонку прошло 168 мл исходного раствора.
Иммобилизацию клеток микроорганизмов на поверхности активированного угля проводят следующим образом: предварительно носитель стерилизуют в сушильном шкафу при 105 °С в течение 2 ч, затем его промывают дистиллированной водой и высушивают на воздухе. Для иммобилизации используют суточную культуру микроорганизмов. Считается, что именно в этот период жизненного цикла они лучше адсорбируются на поверхности или в порах носителя.
Процесс адсорбционной иммобилизации проводят двумя методами:
1) методом перемешивания;
2) методом нанесения в колонке.
Для проведения эксперимента был выбран метод перемешивания, который заключается в том, что контакт адсорбента с суспензией клеток в физиологическом растворе происходит при непрерывном перемешивании в течение нескольких часов. Для этого навеску сорбента помещают в колбу с культуральной средой, период инкубации составляет приблизительно 24 ч. Перемешивание осуществляют на орбитальных шейкерах со скоростью вращения привода 120 об/мин [14, 15].
После иммобилизации культуры микроорганизмов на активированном угле и промывки дистиллированной водой исследуемый материал помещали в ионообменную колонку и проводили измерение поглотительной способности активированного угля с иммобилизованной на нем культурой микроорганизмов путем пропускания через него раствора №2+ в концентрации 118 мг/л.
Общий объем, прошедший через колонку, составил 519 мл, при этом сорбентом было задержано 0,0286 г №2+. До превышения уровня ПДК через колонку прошло 238 мл исходного раствора, что на 42 % превышает значения в идентичных условиях без иммобилизации культуры на активированном угле.
Нанесение культуры микроорганизмов на активированный уголь увеличивает его поглотительную способность. Результаты сравнения поглотительных способностей активированного угля в чистом виде и с нанесенными на нем клетками микроорганизмов представлены на рис. 8.
V, мл
Рис. 8. Зависимость концентрации ионов №2+ (С0 = 118 мг/л) в объеме пропускаемого раствора через активированный уголь
с иммобилизованной на нем культурой микроорганизмов и без нее
Таким образом, применение биологического метода и иммобилизация клеток микроорганизмов на поверхности активированного угля являются эффективными методами для доочистки производственных стоков АО «Пермский завод "Машиностроитель"», этот метод может быть предложен как вариант внедрения биологического метода в производственную схему процесса.
Список литературы
1. Маньковская О.Ю., Бахирева О.И., Соколова М.М. Применение биологического метода для доочистки производственных растворов от ионов никеля // Химия. Экология. Урбанистика: материалы всерос. науч.-практ. конф.: в 2 т. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехи. ун-та, 2019. - Т. 1. -С. 425-428.
2. Штриплинг Л.О., Туренко Ф.П. Основы очистки сточных вод и переработки твердых отходов: учеб. пособие. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. - 192 с.
3. Филатова Е.Г. Обзор технологий очистки сточных вод от ионов тя-желлых металлов, основанных на физико-химических процессах // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. - 2015. - № 2(13). - С. 7.
4. Мусина С.А., Хасанова Л.Ф., Щелчкова А.И. Анализ оптимальных параметров при очистке сточных вод гальванопроизводств от никеля различными электрохимическими методами // Форум молодых ученых. - 2018. -№ 3(19). - С. 427-431.
5. Domingo J.W.S., Radway J.C., Wilde E.W. Immobilization of Burkholderia cepacia in polyurethane-based foams: embedding efficiency and effect on bacterial activity // Industrial Microbiol. Biotechnol. - 1997. - Vol. 18. - P. 389-395.
6. Механические воздействия на микроорганизмы при культивировании / Е.В. Гусаева, Т.А. Нижегородова, Н.В. Меньшутина, Ж. Будран // Биотехнология. - 2007. - № 5. - С. 72-79.
7. Соколов Э.М., Панарин В.М., Рылеева Е.М. Антропогенное загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами // Экология и промышленность России. - 2008. - № 11. - С. 34-38.
8. Войтюк Е.А. Аккумуляция тяжелых металлов в почве и растениях в условиях городской среды (на примере г. Чита): автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Улан-Удэ, 2011. - 22 с.
9. Cabral J.M.S., Kennedy J.F. Immobilization of microbial cells on transition metal-activated supports: Methods in enzymology / еds. S.P. Colowick, N.O. Kaplan. - Orlando: Academic Press, 1987. - Vol. 135. - Р. 357-372.
10. Демаков В.А., Максимова Ю.Г., Максимов А.Ю. Иммобилизация клеток микроорганизмов: биотехнологические аспекты // Биотехнология. -2008. - № 2. - С. 30-45.
11. Гаврилова Н.Б., Чернопольская Н.Л. Иммобилизация клеток в гель как метод защиты микроорганизмов // Вестник Омского государственного аграрного университета. - 2012. - № 4(8). - С. 116-122.
12. Пимнева Л.А., Королева М.Н. Сорбционная очистка промышленных сточных вод от ионов марганца и никеля // Международный журнал экспериментального образования. - 2015. - № 3-2. - С. 83-84.
13. Пушкарева Г.И., Гаврилова Т.Г., Цицилина Д.М. Сорбционная очистка сточных вод горнопромышленных предприятий от никеля / Интерэкспо Гео-Сибирь. - Новосибирск, 2016. - № 3. - С. 254-259.
14. Хайнасова Т.С., Балыков А.А., Левенец О.О. Исследование иммобилизации микроорганизмов и окисления железа иммобилизованной биомассой клеток // Горный информационно-аналитический бюллетень (Научно-технический журнал). - 2016. - № S31. - С. 247-253.
15. Alexandratos S.D. Ion-Exchange Resins: A Retrospective from Industrial and Engineering Chemistry Research // Industrial&Engineering Chemistry Research. - 2009. - No. 48. - Р. 388-398.
References
1. Man'kovskaia O.Iu., Bakhireva O.I., Sokolova M.M. Primenenie biologi-cheskogo metoda dlia doochistki proizvodstvennykh rastvorov ot ionov nikelia [The use of the biological method for the purification of industrial solutions from nickel ions]. Khimiia.Ekologiia.Urbanistika, 2019, vol. 1, Perm', pp. 425-428.
2. Shtripling L.O., Turenko F.P. Osnovy ochistki stochnykh vod i pererabotki tverdykh otkhodov [Basics of wastewater treatment and solid waste processing]. Omsk, Izd-vo OmGTU, 2005, 192 p.
3. Filatova E.G. Obzor tekhnologii ochistki stochnykh vod ot ionov tiazhellykh metallov, osnovannykh na fiziko-khimicheskikh protsessakh [A review of technologies for treating wastewater from heavy metal ions based on physical and chemical processes]. Izvestiia vuzov. Prikladnaia khimiia i biotekhnologiia, 2015, no. 2(13), 7 p.
4. Musina S.A., Khasanova L.F., Shchelchkova A.I. Analiz optimal'nykh paramet-rov pri ochistke stochnykh vod gal'vanoproizvodstv ot nikelia razlichnymi elektro-khimicheskimi metodami [Analysis of the optimal parameters for the treatment of wastewa-ter from galvanic nickel from various electrochemical methods]. Forum molodykh uchenykh, 2018, Saratov, no. 3(19), pp. 427-431.
5. Domingo J.W.S., Radway J.C., Wilde E.W. Industrial Microbiol. Biotechnol. 1997, vol. 18, pp. 389-395.
6. Gusaeva E.V., Nizhegorodova T.A., Men'shutina N.V., Budran Zh. Mekhani-cheskie vozdeistviia na mikroorganizmy pri kul'tivirovanii [Mechanical effects on microorganisms during cultivation]. Biotekhnologiia, 2007, no. 5, pp. 72-79.
7. Sokolov E.M., Panarin V.M., Ryleeva E.M. Antropogennoe zagriaznenie okru-zhaiushchei sredy tiazhelymi metallami [Anthropogenic environmental pollution by heavy metals]. Ekologiia ipromyshlennost' Rossii, 2008, no. 11, pp. 34-38.
8. Voitiuk E.A. Akkumuliatsiia tiazhelykh metallov v pochve i rasteniiakh v us-loviiakh gorodskoi sredy (na primere g. Chita) [Accumulation of heavy metals in soil and plants in urban environments (for example, Chita)]. Abstract of Ph. D. thesis. Ulan-Ude, 2011, 22 p.
9. Cabral J.M.S., Kennedy J.F. Immobilization of microbial cells on transition metal-activated supports: Methods in enzymology. Vol. 135. Eds. S.P. Colowick, N.O. Kaplan. Orlando, Academic Press, 1987, pp. 357-372.
10. Demakov V.A., Maksimova Iu.G., Maksimov A.Iu. Immobilizatsiia kletok mik-roorganizmov: biotekhnologicheskie aspekty [Immobilization of microorganism cells: bio-technological aspects]. Biotekhnologiia, 2008, no. 2, pp. 30-45.
11. Gavrilova N.B., Chernopol'skaia N.L. Immobilizatsiia kletok v gel' kak metod zashchity mikroorganizmov [Immobilization of cells in a gel as a method of protecting microorganisms]. Vestnik omskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta, 2012, no. 4(8), pp. 116-122.
12. Pimneva L.A., Koroleva M.N. Sorbtsionnaia ochistka promyshlennykh stoch-nykh vod ot ionov margantsa i nikelia [Sorption treatment of industrial wastewater from manganese and nickel ions]. Mezhdunarodnyi zhurnal eksperimental'nogo obrazovaniia, 2015, no. 3-2, pp. 83-84.
13. Pushkareva G.I., Gavrilova T.G., Tsitsilina D.M. Sorbtsionnaia ochistka stochnykh vod gornopromyshlennykh predpriiatii ot nikelia [Sorption wastewater treatment of mining enterprises from nickel]. Interekspo Geo-Sibir', 2016, no. 3, pp. 254-259.
14. Khainasova T.S., Balykov A.A., Levenets O.O. Issledovanie immobilizatsii mik-roorganizmov i okisleniia zheleza immobilizovannoi biomassoi kletok [Research of immobilization of microorganisms and oxidation of iron by immobilized cell biomass]. Gornyi informatsionno-analiticheskii biulleten', 2016, no. S31, pp. 247-253.
15. Alexandratos S.D. Ion-Exchange Resins: A Retrospective from Industrial and Engineering Chemistry Research. Industrial&Engineering Chemistry Research, 2009.
Получено 09.09.2019
Об авторах
Маньковская Ольга Юрьевна (Пермь, Россия) - бакалавр кафедры химии и биотехнологии Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail:[email protected]).
Бахирева Ольга Ивановна (Пермь, Россия) - кандидат химических наук, доцент кафедры химии и биотехнологии Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: [email protected]).
Соколова Мария Михайловна (Пермь, Россия) - кандидат химических наук, доцент кафедры химии и биотехнологии Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: [email protected]).
Пан Лариса Сергеевна (Пермь, Россия) - кандидат химических наук, доцент кафедры химии и биотехнологии Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29).
About the authors
Olga Yu. Mankovskaya (Perm, Russian Federation) - Bachelor of the Department of Chemistry and Biotechnology, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990; e-mail: [email protected]).
Olga I. Bakhireva (Perm, Russian Federation) - Ph.D. in Chemical Sciences, Associate Professor, Department of Chemistry and Biotechnology, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990; e-mail: [email protected]).
Maria M. Sokolova (Perm, Russian Federation) - Ph.D. in Chemical Sciences, Associate Professor, Department of Chemistry and Biotechnology, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990; e-mail: [email protected]).
Larisa S. Pan (Perm, Russian Federation) - Ph.D. in Chemical Sciences, Associate Professor, Department of Chemistry and Biotechnology, Perm National Research Polytechnic University (29, Komsomolsky av., Perm, 614990).
