CC BY
276
УДК 622.692
И. В. Хамидуллина (асп.), Т. Д. Хлебникова (д.х.н., проф.), И. Р. Хамидуллин (инж.)*
Особенности использования сульфатвосстанавливающих бактерий для очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов
Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра прикладной экологии 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1, тел. (347) 2605861, 2420718, е-mail: [email protected]
*ООО «Газпром добыча Ямбург» 629300, г. Новый Уренгой, ул. Горнозаводская, д.9, тел. (3494)966011, е-mail: [email protected]
I.V. Khamidullina, T. D. Khlebnikova, I.R. Khamidullin *
Features of using sulphate reducing bacteria for sewage treatment
from ions of heavy metals
Ufa State Petroleum Technological University, Chair of Industrial Safety and Applied Ecology 1, Kosmonavtov Str, 450062 Ufa, Russia; ph. (347) 2605861, 2420718, е-mail: [email protected]
*ООО ««Gazprom Dobycha Yamburg» 9, Gornozavodskaya Str, 629300 Novy Urengoy, Russia; ph. (3494) 966011, е-mail: [email protected]
Биохимическая очистка с использованием сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ) может быть эффективно применена для удаления из стоков ионов тяжелых металлов (ТМ) и сульфатов. Внедрение нового метода очистки в промышленных масштабах требует детального изучения процесса и обобщения имеющихся литературных данных, необходимо дать характеристику используемой микробиологической культуры СВБ, рассмотреть применимость метода для очистки сточных вод различного состава, а также продумать варианты аппаратурного оформления процесса.
Ключевые слова: биохимическая сульфатре-дукция; биохимическая очистка сточных вод; сульфатвосстанавливающие бактерии (СВБ); сульфаты; тяжелые металлы; сероводород.
Очистка сточных вод от ионов тяжелых металлов (ТМ) является одной из актуальных экологических проблем, как в нашей стране, так и за рубежом, обычно ее осуществляют путем гидроксидного осаждения или гальванокоагуляцией. Перспективной альтернативой традиционным методам очистки служит использование биогенного сероводорода, продукта жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бактерий (СВБ), для осаждения ионов ТМ в форме нерастворимых сульфидов.
СВБ принадлежат к числу довольно широко распространенных в природе микроорганизмов. Они встречаются в донных отложениях морей и рек, соленых озерах и лиманах, в
Дата поступления 03.09.12
Biochemical treatment with using of sulphate reducing bacteria (SRB) can be effectively applied for removing ions of heavy metals and sulfates from drains. Introduction of a new method of cleaning commercially demands detailed studying of process and synthesis of available literary data, it is necessary to give the characteristic of used microbiological culture of SRB, to consider applicability of a method for sewage treatment of various structure, and also to think over options of hardware registration of process.
Key words: biochemical sewage treating; biochemical sulphate reduction; heavy metals; hydrogen sulfide; sulfate-reducing bacteria (SRB); sulphates.
пластовых водах нефтяных месторождений и в торфе. СВБ участвуют в процессах формирования месторождений элементарной серы и сульфидных руд. Сульфатредуцирующие бактерии также широко распространены в анаэробной зоне различных экосистем. СВБ представляют собой высоко специализированную группу анаэробных микроорганизмов, осуществляющих диссимиляторное восстановление сульфатов в сероводород 1.
В процессе биохимической очистки обычно используются высокоактивные консорциумы микроорганизмов, ведущей группой в которых являются СВБ. Эти консорциумы обычно выделяются из природных источников (озер, болот), которые подпитываются водами, про-
Таблица 1
Примеры удаления металлов из загрязненных стоков с использованием СВБ 3
Тип стоков Тип реактора Операция рН [металла], мг/л Эффективность удаления металла, %
Загрязненные подземные воды Анаэробный фильтр, поверхность 206 м2/м3 среды Фильтрование (ряд циклов в течение 3 дней) 6.5 430 (Ре) 16 (гп) 5.6 (Си) 97 (Ре) 94 (гп) 74 (Си)
Стоки с золотодобывающих шахт с добавлением патоки Доломитовый анаэробный фильтр с диаметром пор 2-3 мм Проток, 10 ч 6.0 6.7 (N0 3.2 (Со) 2.9 (Мп) 93 (N1) 72(Со) 52 (Мп)
Отходы никелевого завода со сточными водами Каменный анаэробный фильтр, диаметр пор 1,5 мм Проток, 24 ч 7.0 53 (N1) 99 (N1)
Гидрометаллургические стоки с патокой Упакованная доломитовая крошка (диаметр 2-3 мм) Фильтрование (циклы), 4,8 дней, Т=30 оС 4.1 63 (Ре) 3 (гп) 630 (Мп) 97 (Ре) 87 (гп) 32 (Мп)
Синтетические стоки с лактатом Анаэробный фильтр с пластиковыми кольцами Проток, 12 ч, Т=2 °С - 45 (Сг) 18 (РЬ) 400(Си) 500 (Сс1) 80 (Сг) >90(РЬ) >90(Си) >99(СС)
Стоки заводов пищевых продуктов Анаэробный фильтр Проток, 24 ч, Т=20 °С 9 (N1) 30 (гп) 10 (Си) 98 (N1) 95 (гп) 99 (Си)
Подземные воды с добавлением этанола Слой ила (9 м3) Проток 11 ч, Т=21 оС 4.9 1070 (гп) 18(СС) 6.8 (Си) >99 (гп) >99(СС) >99(Си)
Загрязненная почвенная вода с этанолом и пит.веществами Система суспендирования с циркуляцией биомассы 10 ч Для осаждения в твердой форме 500 ч 6.5 7.1 (СС) 6.3 (Со) 5.3 (Сг) 4.2 (Си) 83 (Мп) 6.3 (N1) 1.7 (гп) 98(СС) 92 (Со) 97 (Сг) 94 (Си) 90 (Мп) 87 (N1) 97 (гп)
Синтетические стоки с глюкозой, ацетатом То же Циркуляция потока, 7 дней, Т=35°С - 250 (Си) >99 (Си)
ходящими через сульфатсодержащие (гипсовые) породы, а также из мест контакта техногенных загрязнений с природной средой (сульфатные пруды, места сброса сточных вод (СВ) промышленных предприятий в водоемы и т.п.) 2. Примеры удаления металлов из загрязненных стоков с использованием СВБ приведены в табл. 1.
Микробиологические процессы, связанные с круговоротом серы, можно разделить на две основные группы: восстановление окисленных соединений серы до сероводорода и окисление сероводорода до ряда промежуточных соединений (элементной серы, тиосульфата и сульфитов) 4 5.
В настоящее время известно шесть микробиологических процессов, при которых в анаэробных условиях образуется сероводород как конечный продукт биохимических реакций (рис. 1) 6.
1. Наиболее важным с экологической точки зрения является процесс диссимиляторной редукции сульфатов облигатно анаэробными сульфатредуцирующими бактериями. Акцепторами электронов для сульфатредуцирующих бактерий являются сульфат, сульфит, тиосульфат и тетратионат. Элементная сера также может служить акцептором электронов для этих бактерий.
2. Сероводород освобождается по мере анаэробного разрушения гнилостными бактериями органических серосодержащих соединений. Масштабы этого процесса определяются величиной первичной продукции органического вещества и наиболее значимы в эвтрофици-рованных водоемах с анаэробными условиями. Вклад этих процессов в образование сероводорода по сравнению с сульфатредуцирующими бактериями, как правило, невелик, хотя в отдельных случаях может быть сравним с интенсивностью сульфатредукции.
3. Диссимиляторную редукцию элементной серы осуществляет группа облигатно или факультативно анаэробных бактерий. Роль бактериальной сероредукции в образовании сероводорода в водоемах пока не исследована, но показано, что в определенных экосистемах этот процесс может протекать весьма интенсивно.
4. Образование И2Б в результате анаэробного диспропорционирования неорганических соединений серы — тиосульфата, сульфита, дитионита. Этот принципиально новый тип энергетического метаболизма, по существу представляющий собой анаэробное брожение неорганических веществ, обнаружен у некоторых известных и новых видов сульфатредуци-рующих бактерий. К ним относятся Пв$и\{о-vibrio виЩйой'ЬтиЬапз, ПввиЦоЪасЬвг еитю^т. Значение данного процесса в продуцировании И2Б в природных экосистемах пока трудно ввиду отсутствия соответствующих экспериментальных исследований.
5. Небольшое количество И2Б продуцируют зеленые и пурпурные серобактерии в темноте при анаэробном брожении с использованием эндогенных запасных веществ.
6. И2Б может продуцироваться в небольших количествах некоторыми микроорганизмами при анаэробном разложении органических веществ в процессах брожения.
Рис. 1. Круговорот серы: а — водосборная площадь
6 — аэробная зона водоема; в — анаэробная зона г — иловые отложения; 1 — поступление в водоем 2 — усвоение; 3 — минерализация; 4 — поступление в иловые отложения; 5 — редукция сульфатов; 6 — анаэробный распад органических соединений серы;
7 — захоронение; 8 — окисление тионовыми бактериями; 9 — фотосинтез тиобактерий.
Последние два процесса не вносят ощутимого вклада в образование сероводорода. Основными продуцентами его в водоемах являются сульфатредуцирующие, сероредуцирую-щие и гнилостные бактерии 6.
СВБ, являясь высокоспециализированной физиологической группой облигатно анаэробных бактерий, весьма разных морфологически 7, обладают широкими метаболическими возможностями, что объясняет их широкое распространение и важную роль в процессах анаэробного разложения органических веществ в водоемах. Среди них есть одноклеточные и нитчатые формы, передвигающиеся с помощью жгутиков или скольжением и неподвижные. По морфологическим и физиологическим признакам различают психрофильные, мезофиль-ные и термофильные формы. Сейчас известно,
по крайней мере, 14 новых родов, и эти дан-
2
ные постоянно пополняются 2.
Помимо сульфатов, большинство видов СВБ могут использовать в качестве акцепторов электронов ряд промежуточных серных соединений. К ним относятся тиосульфат, сульфит, элементная сера; незначительное число видов способно восстанавливать тетра-тионат или дитионит. Кроме неорганических соединений серы у некоторых видов акцепторами электронов могут служить иные соединения: нитраты, нитриты, фумарат или СО2. Так, диссимиляционная нитратредукция с образованием аммония в качестве конечного продукта обнаружена у Desulfobulbus propionicus, Desulfomonas pigra, Desulfovibrio desulfu-ricans, способность к нитритредукции — у некоторых видов Desulfovibrio. При одновременном наличии в среде сульфатов и нитратов
происходит предпочтительное восстановление 8
последних .
В отсутствие доступных акцепторов электронов возможно сбраживание некоторых органических веществ СВБ с образованием Н2. К сбраживаемым ими субстратам относятся пи-руват, малат, фумарат, спирты — этанол 9, глицерин 10, а также холин, серин. Выделены са-харолитические СВБ, способные в отсутствии сульфатов сбраживать многие сахара.
Доступным и широко применяемым для культивирования СВБ субстратом является ацетат натрия, который хорошо растворим в воде, и является массовым и относительно недорогим продуктом химической промышленности. Его недостатком является то, что в анаэробных условиях возникает конкуренция между СВБ и метаногенами 11'12:
СВБ: БО4 2- + СН3СОО- ^ НБ- + 2НС03
Метаногены:
СН3СОО- + Н20 ^ СН4 + НСОз -
Хотя СВБ являются строгими анаэробами, некоторые из них проявляют устойчивость к наличию кислорода в среде. Экспериментально показано, что один из штаммов способен к образованию Н2Б при росте в условиях потока в градиенте Н2Б-О2 при содержании кислорода около 1 мг/л. В качестве доноров электронов, помимо различных органических
веществ, ряд видов СВБ способны к использо-
10
ванию молекулярного водорода 10.
На основании их окислительной и метаболической активности по отношению к используемым органическим субстратам подавляющее большинство известных СВБ подразделяется на 4 группы. Первая включает те виды, которые способны использовать органические соединения с образованием ацетата в качестве конечного продукта. Она включает роды Desulfobulbus, Desulfomonas, Thermodesulfo-bacterium, отдельных представителей Desulfo-vibrio, Desulfomaculum. Во вторую группу входят виды, которые осуществляют полное окисление органических веществ — высших жирных кислот, лактата, ацетата, бензоата, сукцината, фумарата и др. — до СО2. К ним относятся ряд видов рода Desulfovibrio, Desulfomaculum, виды Desulfobacter, Desul-fobacterium, Desulfococcus, Desulfonema, Desulfosarcina. Третья группа включает термофильный штамм УС-16, который относится к архебактериям. Наконец, в четвертую группу входит штамм палочковидных бактерий, способных осуществлять сульфатредукцию при использовании сахаров 10. В настоящее время известны более 50 видов СВБ, существенно различающихся по метаболическим возможностям и по морфологии. Материалы по их систематике и физиолого-биохимическим свойствам подробно освещены в книгах 6, 10. Кроме органических соединений, СВБ нуждаются также в неорганических элементах — азоте, фосфоре, железе и др. Причем минеральное питание зависит от условий, в которых был выделен исследуемый штамм. Однако следует отметить хорошую приспособляемость СВБ к химическому составу питательной среды 6.
Одним из важных условий для развития СВБ является низкий окислительно-восстановительный потенциал (К^) среды. Для начального этапа культивирования необходимо, чтобы К среды был ниже — 200 мВ. В природе
этому условию удовлетворяют многие пластовые воды нефтяных месторождений.
На развитие СВБ влияет также кислотность среды. В природных условиях СВБ наиболее активно развиваются в слабокислых, нейтральных и слабощелочных средах с рН = 5—8, однако пределами рН для развития СВБ служат значения, равные 4.15—9.92. Действию химических факторов бактерии могут хотя бы частично противостоять за счет мембранного барьера проницаемости. Внутриклеточный рН клетки поддерживается близнейтральным (6— 8). Однако некоторые группы микроорганизмов способны развиваться при экстремальных значениях рН среды. Бактерии, которые живут при рН<6 до предельной кислотности рН=2 называются ацидофильными. Примеры таких микроорганизмов — Thiobacillus thiooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, термофильная архебактерия Sulfolobus, микоплазма Thermoplasma и др. Сульфатредуцирующие бактерии
способны к осаждению тяжелых металлов в
10
кислых условиях среды .
Температура — важный физико-химический параметр для всех биологических систем. Для адаптации живых клеток к изменению температур применяются две противоположные стратегии. Во-первых, происходит адаптация с наименьшей потерей энергии за счет способности сохранять небольшую метаболическую активность с минимальным необходимым количеством изменений синтеза белков и молекулярного состава клетки. Во-вторых, для поддержания метаболической активности на постоянном уровне на всех молекулярных уровнях происходят адаптивные изменения. Для СВБ также весьма важным является температурный фактор. Данные, приведенные в табл. 2, свидетельствуют о высокой приспособляемости СВБ к изменению температуры 10.
Как видно из табл. 2, наибольший прирост СВБ наблюдался при температуре 20— 30 оС. С понижением температуры до 10 оС их рост заметно замедлялся, а при 0 оС и ниже вообще отсутствовал. Однако пробы бактерий, пробывшие в замороженном состоянии в течение двух суток, после размораживания и дальнейшей инкубации при температуре 20—25 оС нормально развивались. Вообще, необходимо иметь в виду, что температура, оптимальная в отношении скорости роста бактериальных клеток, не совпадает с температурой, оптимальной для их максимального накопления. Кроме того, имеются виды СВБ, активно развивающиеся и при высоких (85—91 оС) и при низких (2—4 оС) температурах. Температура, опти-
мальная в отношении скорости роста бактериальных клеток, не совпадает с температурой, оптимальной для их максимального накопления. Так, с понижением температуры в определенном температурном диапазоне происходит замедление развития микроорганизмов, но при условии обеспеченности питательными веществами накопление бактерий достигает такого же уровня, что и при оптимальных температурах 10.
Таблица 2 Влияние температуры на рост СВБ
Таблица 3
Теоретическая растворимость различных металлов в чистой воде (рН=7)
Металл Растворимость, мг/л
в виде гидроксида в виде сульфида
Кадмий 2.35х10-5 6.73х10-|и
Медь 8.42х10-4 5.83х10-18
Железо 8.91х10-1 3.43х10-5
Свинец 4.02х10-3 5.48х10-ш
Никель 6.92х10-3 6.90х10-8
Серебро 13.3 7.42х10-12
Цинк 1.1 2.31х10-7
Температура, оС Концентрация СВБ, кл/мл
исходная через 6 дней
5 5х104 6.2х104
10 5.5х104 10.2х104
15 4.3х104 12.2х104
20 4.8х104 19.6х104
25 5.3х104 25.3х104
30 5.1х104 28.5х104
20* (после 2-х суточного замораживания) 5.3х104 6.1х104
Известно, что с понижением рН растворимость гидроксидов повышается, а сульфидов, наоборот, понижается. Учитывая, что в природных условиях СВБ наиболее активно развиваются в слабокислых средах, можно подобрать условия культивирования СВБ, соответствующие максимальному осаждению ионов тяжелых металлов.
Литература
1. Ягафарова Г. Г., Сафаров А. Х. Микроорганизмы и окружающая среда.— Уфа: Изд-во УГН-ТУ, 2005.- С.171.
2. Калюжный С. В., de Leon F. R., Rodriguez M. J. // Микробиология.- 1997.- Т.66.- С.687.
3. Anderson J. S., McAvoy T. J., Hao O. J. // Industrial & Engineering Chemistry Research.-2000.- V.39, №6.- Р.1694.
4. Попова С. В., Калюжный С. В. // Катализ в промышленности.- 2005.- №2.- С.46.
5. Франк Ю. А. // Экология и промышленность России.- 2006.- №1.- С.10.
6. Postgate J. R. The sulphate-reducing bacteria.-Cambridge: Univ. press - 1984.- 208 p.
7. Hisashi S., Tsukasa I., Yoshimasa // Wat. Sci.Tech.- 1998.- V.37, №4-5.- Р.131.
8. Варфоломеев С. Д., Калюжный С. В. Биотехнология: Кинетические основы микробиологических процессов.- М.: Высшая школа, 1990.- 296 с.
9. Калюжный С. В., Fragoso C. de L., Martinez J.M. // Микробиология.- 1997.- Т. 66, №5.-С.674.
10. Odom J. M. The Sulfate-reducing bacteria: ^ntemporary Perspectives.- Springer-Verlag: New-York Inc., 1993.- 290 p.
11. Kalyuzhnyi S., Fedorovich V., Lens P. Et al.// Biodegradation.- 1998.- V.9.- P.187.
12. Chuichulcherm S., Nagpal S., Peeva L., Livingston A. // J. Chem. Technol. and Biotechnol.- 2001.- V. 76, № 1.- С. 61.
13. Динкель В. Г., Фрехен Ф. Б., Динкель А. В., Клявлин М. С., Смирнов Ю. Ю. // Материалы шестого международного конгресса «Вода: экология и технология» ЭКВАТЭК-2004.- М., 2004.- С.1195.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009—2013 годы при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации
Сероводород, являющийся продуктом жизнедеятельности СВБ, может использоваться для осаждения ионов тяжелых металлов двумя способами (в жидкой и газовой фазе):
— выходной водный поток из биореактора, содержащий избыток И2Б, смешивается с концентрированной частью потока обрабатываемой воды, содержащей ионы тяжелых металлов 13, которые, превращаясь в сульфиды, образуют нерастворимые агломераты, удаляемые осаждением. Эффективность удаления таким способом ионов цинка составляет 97—99 %, ионов меди и хрома — 94—96 %;
— биогаз, выделяющийся при культивировании СВБ в реакторах любой конструкции, состоящий на 70—90 % из сероводорода, пропускается в специальных аппаратах (барботе-рах, скрубберах и т.п.) через стоки, содержащие ионы тяжелых металлов 11. Так, эффективность удаления таким способом ионов цинка составляет 88—90 % 12.
В целом, преимущество сульфидного осаждения тяжелых металлов перед гидро-ксидным становится ясным при сравнении ра-створимостей соответствующих соединений (табл. 3).
