CC BY
97
Г.А. Жариков, А.И. Марченко, О.А. Крайнова, В.П. Дядищева
Разработка биотехнологии и опытно-промышленные испытания встраиваемого микробного биофильтра для очистки ливневых вод химически опасных производств
НИЦ токсикологии и гигиенической регламентации биопрепаратов — филиал ФГБУН ГНЦ «Институт иммунологии» ФМБА России, Московская область, г. Серпухов
G.A. Zharikov, A.I. Marchenko, O.A. Krainova, V.P. Dyadischeva
Development and pilot testing of microbial add-in biofilter for storm wastewater treatment at the hazardous chemicals facilities
R&D for Toxicology and Hygiene Regulations in biopharmaceuticals — Affiliated Institution at National Research Center — Institute of Immunology at the Federal Medical and Biological Agency, Serpukhov, Moscow region
Ключевые слова: ливневые воды, биофильтр, микроорганизмы — деструкторы токсикантов.
Разработан компактный биофильтр для установки в существующую систему ливневой канализации предприятий. Биофильтр предназначен для очистки ливневых сточных вод от загрязняющих веществ с помощью иммобилизованных микроорганизмов-деструкторов. Биофильтр вставляется внутрь трубы. На каркас биофильтра натянута фильтровальная ткань, на которую нанесены микроорганизмы — деструкторы промышленных загрязнителей. В НИЦ ТБП организован музей живых культур микроорганизмов, разрушающих различные токсичные химические вещества (нефтепродукты, масла, по-лихлорированные бифенилы, этиленгликоль, хло-рорганические и фосфорорганические соединения и др.). На лабораторных мышах и крысах проведена оценка безопасности выделенных микроорганизмов для теплокровных животных. Образцы биофильтров успешно прошли опытно-промышленные испытания в аэропорту «Домодедово». Эффективность разложения загрязняющих веществ в ливневой воде оценивали по результатам химического анализа и биотестирования на интегральную токсичность. Таким образом, разработана биотехнология очисткиливневых сточных вод с помощью микроорганизмов-деструкторов. Биофильтры оригинальной конструкции устанавливаются непосредственно в трубы ливневой канализации, не оказывают значительного сопротивления току воды и обладают высокой эффективностью по очистке от загрязнителей.
Keywords: storm wastewater, bacterial filter, microorganisms — destructors of toxicants.
A compact bacterial filter was designed to be installed into the existing storm drainage system ofa production facility. The filter allows for storm wastewater treatment from polluting substances with the help of immobilized microorganisms-destructors. The bacterialfilter has to be placed inside a storm drainage pipe. The sorption material is stretched over the filter frame while the industrial pollutants destructing microorganisms are spread onto the sorption material. The R&D Center has a bank of living cultures capable to destroy various toxic chemicals (petrochemicals, oils, polychlorinated biphenyls, ethylene glycol, organochlorine and organophosphorus compounds, etc.). The microorganisms were tested for their safety on laboratory animals (white mice and rats). Trial bacterial filter were successfully tested during the pilot-testing at the premises of the Domodedovo airport. The decomposition of the pollutants in storm water was assessed by the results of chemical analysis and biotestingfor integral toxicity. Thus, the biotechnology was developed for cleaning storm sewage with the help of microorganisms-destructors. Specifically designed bacterial filter are installed directly into the storm drainage pipes, do not have a significant resistance to the water flow and have high pollutant-degrading potential.
На территории Российской Федерации в настоящее время функционируют свыше 10 тыс. потенциально опасных химических объектов, относящихся к топливно-энергетическому комплексу, химической, целлюлозно-бумажной, горнодобывающей и перерабатывающей, пищевой и другим отраслям промышленности и сельского хозяйства (70% из них расположены в 146 городах с населением более 100 тыс. человек). При этом в атмосферный воздух ежегодно продолжает поступать около 20 млн т химических веществ, а накопленные токсичные отходы составляют более 84 млн т [10]. Химические токсиканты являются причиной развития онкологических заболеваний у людей приблизительно в 80% случаев [4; 5; 13].
На химических предприятиях по истечении ряда лет неизбежно происходит загрязнение территории токсичными веществами. Из загрязненной почвы во время дождей и таяния снега токсичные вещества попадают в сточные воды и через ливневую систему предприятий — в окружающую среду, что представляет серьезную угрозу здоровью людей и природе. Согласно ТКП 454.01-57-2012 «Системы дождевой канализации. Строительные нормы проектирования» талые ливневые воды должны быть очищены в 100% объеме. Помимо высоких расходов очистка талых вод усложняется высокими концентрациями загрязнений. Однако летом, в длительную засуху, очистные сооружения ливневых стоков работают только с расходом поливомоечных и инфильтрацион-ных вод, которые характеризуются содержанием взвеси до 200 мг/л. Широко практикуемые в настоящее время методы физико-химической очистки ливневых вод относи -тельно дорогостоящи, и при этом образуются в большом количестве вторичные отходы (загрязненные сорбенты, активированные угли и ионообменные смолы, промывные воды от регенерации фильтровальных тканей и т.д.)
[3; 8; 11; 12].
Наиболее перспективным направлением в очистке ливневых вод предприятий химической промышленности является, на наш взгляд, микробиологическая деструкция загрязнителей. Биологическая фильтрация — важнейший этап очистки воды,
функция которого заключается в разложении вредных веществ. Биофильтр — сооружение, в котором сточная вода проходит через загрузочный материал, покрытый биологической пленкой, образованной колониями микроорганизмов. Гетеротрофные бактерии окисляют органическое вещество, потребляя кислород и производя углекислый газ, аммиак и шлам. Проходя через загрузку биофильтра, загрязненная вода оставляет в нем нерастворенные примеси, не осевшие в первичных отстойниках, а также коллоидные и растворенные органические вещества, сорбируемые биологической пленкой. Густо заселяющие биопленку микроорганизмы окисляют органические вещества и отсюда черпают энергию, необходимую для своей жизнедеятельности. Часть органических веществ микроорганизмы используют как конструктивный материал для увеличения своей массы. Соответственно из сточной воды удаляются органические вещества, и в то же время увеличивается масса активной биологической пленки в теле биофильтра. Избыточная и омертвевшая микробная пленка смывается протекающей сточной водой и выносится из биологического фильтра (шлам). Необходимый для биохимического процесса кислород воздуха поступает в корпус биофильтра путем естественной и искусственной вентиляции.
Таким образом, биофильтр представляет собой комбинированное сооружение для биологической очистки сточных вод, имеющее признаки аэротенка. Оптимальная область применения биофильтров — это комплексы сооружений по очистке сточных вод пропускной способностью 200—1000 м3/сут от населенных мест и промышленных объектов [6—9]. Большим недостатком всех существующих типов биофильтров являются высокие требования к температуре и вентиляции. Для круглогодичной работы стационарные биофильтры необходимо монтировать в отдельных утепленных помещениях, требуются постоянный контроль и обслуживание. Это экономически невыгодно и энер-гозатратно.
В этой связи для очистки ливневых вод предприятий возникла необходимость разработать компактный биофильтр, оснащенный
микроорганизмами-деструкторами, встраиваемый в существующую систему ливневой канализации, т.е. без строительства дополнительных утепленных помещений.
Для ускорения процессов биодеструкции и достижения приемлемого уровня очистки необходимо подобрать ассоциацию высокоэффективных природных штаммов микроорганизмов-деструкторов, разработать режимы иммобилизации микробных клеток на фильтровальной ткани биофильтра, отработать оптимальные условия процесса микробного разложения. В природных условиях подавляющее большинство микроорганизмов живут, размножаются и проявляют свою биохимическую активность, прикрепляясь к минеральным частицам донных илов, корням водных растений, различным гидротехническим сооружениям. Следовательно, для создания оптимальных условий для жизнедеятельности микроорганизмов-деструкторов необходима иммобилизация их клеток на твердой поверхности с развитыми порами. После микробной очистки ливневые воды не будут представлять угрозу здоровью людей и окружающей среде.
Цель исследования — разработка биотехнологии очистки ливневых вод химически опасных производств от токсичных веществ с помощью специальных микроорганизмов-деструкторов, проведение опытно-промышленных испытаний микробного биофильтра.
Материалы и методы
Для достижения поставленной цели необходимо было решить поэтапно следующие задачи:
1) отобрать пробы почвы и воды с территорий промышленных предприятий, загрязненные нефтепродуктами, фосфорор-ганическими пестицидами, ракетным топливом — гептилом, полихлорированны-ми бифенилами, этиленгликолем и др.;
2) в лабораторных условиях из отобранных проб выделить микроорганизмы, разлагающие эти вещества, выбрать наиболее активные штаммы биодеструкторов;
3) на лабораторных мышах и крысах провести оценку безопасности выделенных микроорганизмов для теплокровных животных;
4) отработать режимы культивирования биомассы микроорганизмов-деструкторов, исследовать процесс их иммобилизации на фильтровальной ткани биофильтра;
5) подобрать фильтровальную ткань для установки в биофильтре, обладающую высокой влагоемкостью и механической прочностью;
6) разработать конструкцию проточного биофильтра, встраиваемого в существующие системы ливневой канализации предприятий, не оказывающего высокого сопротивления потоку ливневой воды;
7) провести опытно-промышленные испытания разработанного микробного биофильтра на различных видах загрязнений ливневых вод.
Интегральную (суммарную) токсичность проб воды оценивали на лабораторной культуре пресноводного рачка Daphnia magna, культивируемой в НИЦ ТБП. Биотестирование проводили в соответствии с ФР.1.39.2001.00283 «Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости дафний». Метод основан на определении изменений выживаемости дафний при воздействии токсических веществ, содержащихся в тестируемой воде, по сравнению с контролем. Критерием токсичности является достоверное отличие выживаемости дафний от контроля. При гибели 50% и более дафний вода считается токсичной.
Анализ на содержание нефтепродуктов в воде проводили на инфракрасном спектрометре КН-2 согласно ГОСТ Р 51797-2001 «Вода питьевая. Метод определения содержания нефтепродуктов» и ПНД Ф 14.1:2:4.5952.3 «Методика измерений массовой концентрации нефтепродуктов в питьевых, поверхностных и сточных водах методом ИК-спектрометрии».
Содержание этиленгликоля в ливневой воде определяли по реакции с хромотроповой кислотой по ГОСТ 19710-83 «Этиленгликоль. Технические условия». Метод основан на окислении этиленгликоля периодатом калия или натрия в сернокислом растворе до формальдегида с последующим проведением цветной реакции.
Для выделения штаммов микроорганизмов — деструкторов токсичных химических веществ использовали метод накопительных культур. В колбы с отстоянной водопроводной водой вносили природную почву, загрязненную токсичными химическими веществами. Отбор почвенных проб проводили на территории Московской, Ленинградской, Саратовской, Волгоградской и Самарской областей, Краснодарского края. Пробы отбирали возле складов ядохимикатов; на сельскохозяйственных полях, в течение 2—5 лет обрабатываемых гербицидами и пестицидами; возле химических предприятий; на территориях аэропортов и космодрома «Байконур». Выбор мест пробоотбора был обусловлен имеющимися там загрязнениями. Биотестирование на дафниях водных вытяжек из почвенных проб показало их высокую интегральную токсичность.
Колбы с экстрактами из почв длительное время культивировали в стационарном режиме (до 3 месяцев). Далее из колб производили высевы на минимальную солевую среду, где в качестве единственного источника углерода или фосфора присутствовало целевое химическое вещество, от которого необходимо очищать ливневые воды. На каждом типе среды производили по три последовательных культивирования с пересевами через 3 суток. После последнего культивирования производили высев на указанные синтетические среды, отбор изолятов и посев на чашки Петри с плотным питательным агаром для выделения чистых культур.
Культивирование микроорганизмов-деструкторов для лабораторных экспериментов по деструкции поллютантов проводили в жидкой питательной среде ФГРМ, изготовленной на НПО «Питательные среды» (г. Махачкала) и соответствующей ФС42— 224ВС—86. Выращивание микроорганизмов проводили на термостатируемой качалке до выхода культуры на стационарную фазу роста (24—48 часов в зависимости от штамма) при температуре 28°С и 180 об./мин мешалки. Количество колониеобразующих единиц (КОЕ) в культуральной жидкости определяли методом высева на чашки с ФГРМ.
Наличие посторонней микрофлоры определяли микроскопированием мазка куль-
туры, окрашенной по Граму. Просматривали не менее 10 полей зрения.
Статистическую обработку результатов экспериментов проводили с использованием пакетов прикладных программ Excel 7.0 и Statistica 10.0.
Результаты исследования и их обсуждение
Проведено выделение из почвенных проб природных изолятов микроорганизмов, разлагающих различные химические вещества. Затем в ходе лабораторных экспериментов проведен скрининг наиболее активных штаммов биодеструкторов. Организован музей живых культур микроорганизмов — деструкторов токсичных химических веществ ( полихлорированных бифенилов, фосфор-органических пестицидов, нефтепродуктов и авиационного керосина, полициклических ароматических углеводородов, ракетного топлива — гептила, тиодигликоля, этиленгли-коля, фенола и др.).
В ходе лабораторных исследований из выделенных природных изолятов микроорганизмов были выбраны микроорганизмы-деструкторы, разлагающие различные токсичные химические вещества: ракетное топливо — гептил (несимметричный диметил-гидразин) , нефтепродукты ( нефть, мазут, керосин, дизельное топливо), полициклические ароматические углеводороды (фенан-трен, антрацен, пирен, флуорантен), хлор-органические соединения (тиодигликоль, мо-нохлортиодигликоль), фосфорорганические соединения (глифосат), полихлорированные бифенилы ( от монохлорбифенила до пента-хлорбифенила).
В настоящее время в биотехнологии расширяется применение смешанных микробных культур и их природных ассоциаций. В них между микроорганизмами устанавливаются определенные взаимоотношения, основанные на экологических принципах взаимодействия смешанных популяций. Исходя из данных литературы по выбросам химических предприятий, курируемых ФМБА России, были разработаны 6 ассоциаций микроорганизмов для иммобилизации на фильтрующей ткани биофильтров. В ассоциации были включены штаммы микроорганиз-
мов, разрушающие нефтепродукты и вещества, присутствующие в выбросах предприятий:
1) ассоциация микроорганизмов для предприятий, выпускающих и использующих ракетное топливо — гептил (несимметричный диметилгидразин), — НГ; в ассоциацию входят деструктор гепти-ла штамм Rhodococcus globerulus 19Ф и деструктор нефтепродуктов штамм Rhodococcus sp. 6/1Т;
2) ассоциация микроорганизмов для предприятий, занимающихся утилизацией химического оружия, — OB; в ассоциацию входят деструкторы иприта и люизита штаммы Rhodococcus erythropolis 8D и Pseudomonas putida Y-21, деструктор нефтепродуктов штамм Rhodococcus sp. 6/1Т;
3) ассоциация микроорганизмов для предприятий, выпускающих фосфороргани-ческие соединения, — ФОС; в ассоциацию входят деструктор фосфорорганики штамм Achromobacter sp. Kg16 и деструктор нефтепродуктов штамм Rhodococcus sp. 6/1T;
4) ассоциация микроорганизмов для предприятий нефтепереработки, авиационной и ракетной техники — КЭ; в ассоциацию входят деструкторы этиленгликоля штамм Rhodococcus sp. 8Р и Pseudomonas sp. 4Г, деструктор нефтепродуктов штамм Rhodococcus sp. 6/1T;
5) ассоциация микроорганизмов для предприятий, перерабатывающих нефтепродукты с полициклическими ароматическими углеводородами, — ПАУ; в ассоциацию входят три штамма деструкторов полиароматики: Rhodococcus sp. 382 М, Pseudomonas sp. 10/2T, Arthrobacter sp. 13/003/10C;
6) ассоциация микроорганизмов для предприятий, утилизирующих полихлориро-ванные соединения, — ПХБ; в ассоциацию входят штаммы бактерий Alkaligenes latus TCD-13 и дрожжей Hansenulla californica AT.
Микроорганизмы были проверены на совместимость друг с другом (антагонизм или синергизм деструкции поллютантов). B про-
веденных экспериментах между штаммами в ассоциациях были установлены следующие типы взаимоотношений:
• нейтрализм — практическое отсутствие взаимодействия между видами, исследуемые микроорганизмы растут с одинаковой скоростью, такой же, как в чистых культурах;
• мутуализм — оба штамма быстрее растут в смешанной культуре, чем в соответствующих чистых культурах.
Микроорганизмы проверены на безопасность на базе виварного комплекса НИЦ ТБП на лабораторных животных (белых мышах и крысах) по четырем показателям (вирулентности, токсичности, токсигенно-сти и диссеминации во внутренних органах животных).
Ряд перспективных штаммов биодеструкторов депонированы в Международной коллекции промышленных микроорганизмов ( г. Москва) и запатентованы в России и США, на них оформлены международные патентные заявки РСТ.
При разработке конструкции биологического фильтра нами были сформулированы требования к подбору фильтровальной ткани (сорбента). В настоящее время для иммобилизации микроорганизмов-деструкторов широко применяются полимерные нетканые материалы, которые обладают высокопористой волокнистой структурой, обеспечивающей большую площадь для образования биопленок. Необходимо, чтобы фильтрующая ткань удовлетворяла следующим условиям:
• высокая механическая прочность во влажном состоянии;
• высокая влагоемкость;
• отсутствие гниения или разложения при нахождении во влажном состоянии ( т.е. синтетическая ткань);
• высокая удельная сорбционная активность;
• развитая удельная поверхность и волок -нистость для прикрепления биопленки микроорганизмов-деструкторов.
При анализе данных интернета по сорбирующим и фильтрационным материалам предпочтение было отдано синтетическим нетканым фильтрующим материалам производ-
Таблица 1 Эксплуатационные свойства нетканых материалов (по данным НИИ нетканых материалов)
Наименование полотна Температура эксплуатации, °С Хемо-стойкость Поверхностная плотность, г/м2 Воздухопроницаемость, дм3/м2-с (при перепаде 5 мм вод. ст.) Класс фильтрации Рекомендуемые области использования
Краскам-ПП До 180 К кислотам 680±34 Не менее 400 Р7 В красильных камерах потолочный фильтр (автомобильная промышленность)
СМОГ До 180 К кислотам 460±23 Не менее 120 Р6 В производстве минеральных удобрений
СМОГ-Т До 180 К кислотам 460±23 120±20 Р6-Р7 В производстве черных и цветных металлов; на асфальтобетонных заводах
Т-2 До 150 К щелочам и кислотам 400±20 Не менее 1100 Аэро Улавливание аэрозолей в гальванических производствах
Шатура-2 До 150 К кислотам 340±15 Не менее 650 03 В деревообрабатывающей, мебельной промышленности
ства НИИ нетканых материалов (г. Серпухов Московской области). Эти ткани применяются в промышленности для фильтрации смазочно-охлаждающих жидкостей, масел, воды и др. Они обладают высокой адгезией к нефтепродуктам, не подвергаются гниению и устойчивы к химическим растворителям. В экспериментах использовали следующие марки фильтровальных тканей: Краскам-ПП, Т-2, СМОГ, СМОГ-Т, Т-2, Шатура-2 (табл. 1).
По результатам проведенных тестов и лабораторных исследований оптимальной фильтровальной тканью для биофильтра была выбрана ткань СМОГ-Т. Она обладает высокой влагоемкостью и механической прочностью, на ней успешно образуются биообрастания ( биопленка) микроорганизмов-деструкторов (табл. 2—4).
Разработана конструкция лабораторного образца биофильтра. Он представляет собой установку из 4 пластмассовых труб диаметром 10 см и длиной 70 см. Внутри трубы подвешивается лента из тканевого сорбента (рис. 1). Внутри труб находится жидкость с раствором токсиканта. Движение жидкости по трубам биофильтра осуществляется с помощью специальных насосов, установленных в ведрах внизу установки. Движение жидкости регулируется кранами, установленными внизу труб.
Результаты лабораторных исследований на лабораторной модели биофильтра показали, что микроорганизмы-деструкторы активно разлагают нефтепродукты, фосфо-рорганические соединения, этиленгликоль и другие вещества в водных растворах. В ходе
Таблица 2 Определение влагоемкости фильтровальных тканей
Наименование ткани Вес сухого образца, г Вес мокрого образца, г Влагоемкость, %
Т-2 4,36 19,38 354,8
СМОГ 5,32 22,56 324,1
СМОГ-Т 4,20 26,22 524,3
Шатура-2 3,64 16,52 353,8
Краскам-ПП 7,17 32,60 354,6
Таблица 4 Сорбция этиленгликоля (в мг на 1 г сорбента за 1 час) тканью СМОГ-Т
Концентрация этиленгликоля, % Время, час
1 2 3
0,01 0 0 0
0,1 0,62 0,41 0,34
1 15,80 14,61 9,74
10 278,66 147,17 108,28
Таблица 3 Определение нагрузки и длины при разрыве мокрого материала
Наименование фильтр-ткани Нагрузка, кг Длина при нагрузке, мм Примечание
Т-2 > 10 185 Длина при нагрузке 10 кг. Образец при этой нагрузке не разорвался
СМОГ > 10 165 Длина при нагрузке 10 кг. Образец при этой нагрузке не разорвался
СМОГ-Т > 10 125 Длина при нагрузке 10 кг. Образец при этой нагрузке не разорвался
Шатура-2 7 145 Длина при начале разрыва. Разрыв при нагрузке 7 кг
Краскам-ПП > 10 180 Длина при нагрузке 10 кг. Образец при этой нагрузке не разорвался
эксперимента микроорганизмы активно размножаются, сорбируются на фильтровальной ткани и образуют в ней биопленку (табл. 5, рис. 2).
Высев микроорганизмов из жидкости, выжатой из исследуемых материалов, показал, что биодеструкторы сорбируются во внутренней поверхности материалов, образуя биопленку (табл. 6).
Проведено сравнительное изучение чувствительности микроорганизмов - деструк -торов и их биопленок к экстремальным факторам окружающей среды. Установлена повышенная устойчивость биопленок к неблагоприятным физико-химическим условиям окружающей среды: температуре, рН (5—8), повышенным концентрациям токсиканта (табл. 7).
Результаты экспериментов на лабораторной установке показали, что микроорганизмы — деструкторы дизельного топлива штаммов 382 и 6/1Т хорошо приживаются на фильтровальной ткани в установке, их концентрация в загрязненной воде в течение 1 суток практически не меняется. В ходе эксперимента под действием микроорганизмов-деструкторов концентрация дизельного топлива уменьшается, вода становится (по данным биотестирования) нетоксичной. В зависимости от концентрации загрязнителя скорость микробиологической деструкции различается (табл. 8).
Результаты химического анализа показали, что этиленгликоль в концентрациях 0,1% и 1% наиболее активно разлагается в течение первого часа (рис. 3). Удельная ак-
тивность микроорганизмов для штамма 8Р составила 6,87* 10-9 мг/час на 1 м.кл., а для штамма 4Г — 3,80х 10-9 мг/час на 1 м.кл.
Результаты микробиологических исследований показали, что микроорганизмы-деструкторы штаммов 4Г и 8Р сохраняются в 0,1% и 1% растворах этиленгликоля (100 и 1000 ПДК) (табл. 9).
Результаты биотестирования показали, что во время микробиологической деструкции 0,1% и 1% растворов этиленглико-ля микроорганизмами штаммов 4Г и 8Р токсичность для дафний постепенно снижается (табл. 10).
На эффективность разложения токсикантов значительное влияние оказывает температура окружающей среды. Было заложено три варианта эксперимента: при температуре +5°С (бытовой холодильник), при +24...26°С (комнатная температура) и при +45° С (термостат) (табл. 11). Микробиологическая активность микроорганизмов сохранялась от 5 до 45°С с оптимумом 24—26°С.
В НИЦ ТБП разработан проточный биофильтр, встраиваемый в существующую систему ливневой канализации предприятий. Он представляет собой раскладываю -щийся металлический каркас, устанавливаемый внутрь трубы. На каркас натянута фильтровальная ткань СМОГ-Т. На фильтровальную ткань наносят биомассу микроорганизмов — деструкторов различных промышленных загрязнителей, от которых хотят очистить воду. В зависимости от концентрации загрязнителей в ливневой воде устанавливают различное количество (3—5)
Оценка накопления микробной биомассы на различных сорбентах Таблица 5
Наименование Наименование Вес сухого Вес влажного Вес образцов с осажденными штаммами, г
штамма ткани фильтра образца, г образца, г Через Через Через Через Через Через
1 час 3 часа 1 сутки 3 суток 7 суток 14 суток
Т-2 4,50 18,90 20,44 20,82 20,76 20,93 19,79 20,60
Краскам-ПП 7,18 34,60 35,09 35,29 35,93 36,95 37,29 37,93
М-3 Шатура-2 3,06 14,46 14,86 14,95 15,76 15,77 16,06 17,40
СМОГ 4,,03 25,13 25,64 26,47 27,47 27,91 27,23 27,98
СМОГ-Т 4,41 22,75 22,84 23,42 24,16 23,96 25,76 26,12
Т-2 4,28 12,47 13,92 14,00 15,24 16,38 17,64 18,79
Краскам-ПП 7,10 22,18 22,31 23,07 23,92 25,72 28,12 30,01
М-4 Шатура-2 3,08 4,90 7,90 8,00 10,96 12,15 16,10 18,29
СМОГ 3,73 22,23 24,34 24,37 24,98 25,69 26,10 26,60
СМОГ-Т 4,31 20,50 21,57 21,59 22,59 23,01 23,85 24,05
Т-2 4,15 15,05 15,36 16,01 15,87 16,54 17,69 18,11
Краскам-ПП 6,91 16,24 17,05 17,43 27,57 31,01 36,24 36,77
М-5 Шатура-2 3,17 8,41 8,49 8,70 13,13 14,89 16,32 17,61
СМОГ 4,00 24,89 25,69 25,73 26,74 27,03 27,34 27,40
СМОГ-Т 5,23 23,07 23,90 23,98 24,04 24,78 25,63 25,92
Т-2 4,32 16,78 17,88 18,54 19,33 19,43 20,25 20,52
Краскам-ПП 7,32 27,35 28,03 27,93 28,72 29,12 29,27 29,25
4Г Шатура-2 3,14 13,76 13,33 13,59 13,65 14,21 14,81 15,16
СМОГ 4,06 22,96 23,17 23,54 23,64 24,16 24,47 24,17
СМОГ-Т 4,57 24,61 25,03 25,19 25,57 25,72 26,02 25,82
Т-2 4,27 18,37 19,02 19,20 19,53 20,06 20,24 20,40
Краскам-ПП 7,37 31,14 32,09 32,37 32,57 33,01 33,47 33,46
8Р Шатура-2 3,08 11,76 12,57 13,20 13,32 13,91 14,34 14,83
СМОГ 3,83 23,96 24,40 24,45 24,68 25,02 25,36 25,30
СМОГ-Т 4,45 23,33 23,68 24,00 24,39 24,95 25,29 25,24
таких сегментов, чтобы добиться приемлемой степени очистки.
Было разработано и изготовлено два различных экспериментальных варианта биофильтра. Один из них является раскладывающимся и предназначен для установки в ливневую трубу через смотровой колодец. Это позволяет устанавливать сегменты биофильтра без экскавации ливневых труб и их извлечения на поверхность. При этом фильтровальная ткань располагается вдоль потока воды по трубе, создавая тем самым минимальное сопротивление (рис. 4).
Для труб ливневой канализации большого диаметра, к которым имеется свободный доступ на выходе, предназначены не-раскладывающиеся конструкции (рис. 5). Этим достигается лучшее увлажнение ткани и создаются оптимальные условия для микроорганизмов-деструкторов.
Принцип работы биофильтра основан на том, что сменную кассету с фильтровальной тканью вставляют внутрь бе-
иск. 1час Зчаса 1суп<и Зсуток 7суток 14суток
Рис. 2. Накопление на различных сорбентах микробной биомассы штамма М-4, мг/см2
Таблица 6
Численность микроорганизмов в жидкости, выжатой из ткани (КОЕ/см3)
Наименование Штамм
материала образца М-3 М-4 М-5 4Г 8Р
Краскам ПП 3,2х105 6,4х105 4,2х105 4,5х105 6,1х105
СМОГ 5,3х 105 4,6х105 6,3х105 2,5х105 6,3х105
СМОГ-Т 2,3х105 3,7х105 4,1х105 2,4х105 6,4х105
Т-2 8,0х105 7,4х105 6,2х105 7,0х105 5,3х105
Шатура-2 9,3х105 5,4х105 6,6х105 3,5х105 7,5х105
Таблица 7 Изучение микробной деструкции 0,0024% (ЛК70 для дафний) раствора дизтоплива в воде на лабораторной установке
№ Вариант опыта Количество выживших дафний, шт. Гибель дафний относительно контроля, % Оценка интегральной токсичности раствора Концентрация микроорганизмов, КОЕ/мл
Через 1 час
1 Вода + дизтопливо + м/о шт. 382 10/30 67 Токсичен 1,5х107
2 Вода + дизтопливо + м/о шт. 6/1Т 18/30 40 Слаботоксичен 3,0х107
3 Вода + дизтопливо (контроль) 4/30 87 Токсичен -
4 Вода чистая (положительный контроль) 30/30 0 Нетоксичен -
Через 6 часов
1 Вода + дизтопливо + м/о шт. 382 30/30 0 Нетоксичен 1,5х107
2 Вода + дизтопливо + м/о шт. 6/1Т 30/30 0 Нетоксичен 3,0х107
3 Вода + дизтопливо (контроль) 15/30 50 Токсичен -
4 Вода чистая (положительный контроль) 30/30 0 Нетоксичен -
Через 1 сутки
1 Вода + дизтопливо + м/о шт. 382 30/30 0 Нетоксичен 1,5х107
2 Вода + дизтопливо + м/о шт. 6/1Т 30/30 0 Нетоксичен 3,0х107
3 Вода + дизтопливо (контроль) 23/30 23 Слаботоксичен -
4 Вода чистая (положительный контроль) 30/30 0 Нетоксичен -
Таблица 8 Концентрация этиленгликоля в растворе во время микробной деструкции
Вариант опыта Исходная концентрация раствора эти-ленгликоля по данным хим. анализа, % Концентрация раствора эти-ленгликоля через 1 час, % Концентрация раствора эти-ленгликоля через 3 часа, %
0,1% раствор + штамм 8Р 0,05 0,044 0,040
0,1% раствор + штамм 4Г 0,05 0,042 0,041
1% раствор + штамм 8Р 0,50 0,47 0,44
1% раствор + штамм 4Г 0,50 0,49 0,48
тонной трубы существующей системы ливневой канализации. При протекании ливневой воды через биофильтр нефтепродукты и химические вещества сорбируются на фильтрующей ткани, а затем постепенно разлагаются иммобилизованными на ткани микроорганизмами-деструкторами. В зависимости от вида загрязнений, присутствующих в почве предприятий, подбирают необходимые штаммы микроорганизмов-деструкторов и выращивают их в ферментере. Затем биомассу микроорганизмов наносят на фильтровальную ткань биофильтра. Деструкцию загрязнителей в ливне-
Концентрации микроорганизмов в растворах этиленгликоля, КОЕ/мл Таблица 9
Вариант опыта Исходная концентрация микроорганизмов Концентрация микроорганизмов через 1 час Концентрация микроорганизмов через 3 часа Концентрация микроорганизмов через 24 часа
0,1% раствор + штамм 8Р (7,4±0,43)х106 (6,6±1,2)х106 (5,1±0,64)х106 (6,2±0,87)х106
0,1% раствор + штамм 4Г (5,4±0,43)х106 (5,8±0,87)х106 (6,7±1,2)х106 (1,1±0,47)х107
1% раствор + штамм 8Р (5,3±0,50)х106 (4,4±0,40)х106 (4,4±0,40)х106 (3,6±0,47)х106
1% раствор + штамм 4Г (6,6±0,27)х106 (6,7±1,2)х106 (9,2±0,67)х106 (3,7±0,43)х107
а-" 0.530
§
=с о.чео
5 0-460
I 0.440
I
I
И 0.420
~г
—1% раствор ♦ Ш7амм4( ,3 створ + штамм ВР
г
—
Время, час
Рис. 3. Динамика разложения этиленгликоля микроорганизмами
Таблица 10 Интегральная токсичность растворов (гибель дафний) во время микробной деструкции этиленгликоля, %
Вариант опыта Исходная Через 1 час Через 3 часа
0,1% раствор + штамм 8Р 100 90 70
0,1% раствор + штамм 4Г 100 90 60
1% раствор + штамм 8Р 100 100 98
1% раствор + штамм 4Г 100 100 97
Таблица 12 Эффективность очистки ливневой воды на биофильтрах, аэропорт «Домодедово»
Показатель До фильтра После фильтра ПДК
Содержание этиленгликоля 30,0-90,0 мг/л 0,1-0,3 мг/л 1 мг/л
Содержание авиакеросина 17,0-40,0 мг/л 0,05-0,2 мг/л ~ 1 мг/л
Интегральная токсичность Высокотоксична Нетоксична -
Таблица 11 Деструкция дизельного топлива микроорганизмами при различных температурах
Проба Температура, °С Степень деструкции, %
Вода+дизтопливо+м/о шт. 382 5 16±1
Контроль (вода+дизтопливо) 5 0
Вода+дизтопливо+м/о шт. 382 24-26 95±2
Контроль (вода+дизтопливо) 24-26 18±1
Вода+дизтопливо+м/о шт. 382 45 46±2
Контроль (вода+дизтопливо) 45 9±1
вой воде оценивают по результатам химического анализа и биотестирования на интегральную токсичность.
Опытные образцы биофильтров успешно прошли испытания на базе аэродрома «Домодедово» с 2012 по 2016 г. На ряд выпусков ливневой канализации аэродрома были установлены биофильтры для очистки воды от этиленгликоля и авиационного керосина. Деструкцию загрязнителей в ливневой воде оценивали по результатам химического анализа и биотестирования на интегральную токсичность. Результаты эксплуа-
Рис. 4. Конструкция складного биофильтра
Рис. 5. Конструкции биофильтра с вертикальным и горизонтальным расположением фильтровальной ткани
Рис. 7. Вода в ручье Боровлянка до биофильтра
Рис. 8. Вода в ручье Боровлянка после биофильтра
тации биофильтров показали, что после биофильтра ливневая вода становилась прозрачной, без неприятного запаха; концентрации этиленгликоля и авиационного керосина снижались до допустимого уровня; интегральная токсичность воды по результатам биотестирования на дафниях отсутствовала (табл. 12).
Опытно-промышленные испытания пилотных образов биофильтра для очистки ливневых вод предприятий проводились в г. Серпухове и в п. Оболенск Московской области в течение июня-августа 2016 г.
В г. Серпухове на выходе ливневой канализации НПО «Конденсатор», использовавшего в течение 30 лет для заполнения трансформаторов полихлорированные бифени-лы, в ручье Боровлянка был установлен биофильтр сегментного типа, состоящий из двух частей. На решетчатый каркас конструкции натянута специальная фильтрующая ткань СМОГ-Т, на которую нанесли микробную суспензию для очистки ливневых сточных вод от примесей полихлорированных бифенилов и нефтепродуктов.
Биофильтр был установлен в июне 2016 г. в бетонное русло ручья Боровлянка, на выходе ливневой канализации НПО «Конденсатор» (рис. 6).
Анализ проб воды на нефтепродукты до и после биофильтра проводили в течение июня-августа 2016 г. и оценивали интегральную токсичность биотестированием на дафниях. Перед биофильтром в ручье Боровлянка вода имела неприятный запах, на поверхности присутствовала пленка из нефтепродуктов (рис. 7). После биофильтра вода становилась прозрачной, без неприятного запаха; пленка нефтепродуктов отсутствовала (рис. 8).
Результаты наблюдений показали, что при прохождении через биофильтр ливневой воды ручья Боровлянка концентрация нефтепродуктов понижалась до допустимых уровней (табл. 13), интегральная токсичность снижалась до безопасных значений (рис. 9).
Как следует из таблицы 13, применение биофильтра снижает концентрацию нефтепродуктов в ливневых водах в среднем в 2-3 раза.
В п. Оболенск биофильтр сегментного типа, состоящий из двух частей, был установлен на выходе ливневой канализации с территории промышленной зоны, где располагаются биотехнологические предприятия фармацевтического направления. На металлический каркас биофильтра натянута специальная фильтрующая ткань СМОГ-Т, на которую нанесены микробные суспензии микроорганизмов -деструкторов фосфорорганических соединений и нефтепродуктов. Биофильтр был установлен в июле 2016 г. в бетонной трубе ливневой канализации п. Оболенск перед выходом в пруды-отстойники (рис. 10).
Таблица 13 Концентрация нефтепродуктов в воде из ручья Боровлянка
Дата отбора пробы Концентрация нефтепродуктов, мг/л
до биофильтра после биофильтра
Ливневая вода (исходная), 16.06.2016 2,4 -
Ливневая вода, 04.07.2016 3,6 1,2
Ливневая вода, 12.07.2016 2,8 1,0
Ливневая вода, 20.07.2016 1,6 0,8
Ливневая вода, 27.07.2016 1,2 0,6
Ливневая вода, 04.08.2016 1,6 0,7
Ливневая вода, 09.08.2016 1,2 0,4
Ливневая вода, 16.08.2016 2,4 1,2
Ливневая вода, 25.08.2016 1,0 0,6
Рис. 9. Интегральная токсичность образцов воды из ручья Боровлянка, г. Серпухов
Анализ проб воды на нефтепродукты до и после биофильтра проводили биотестированием на дафниях, так же оценивали интегральную токсичность (табл. 14).
Результаты двухмесячных наблюдений показали, что при прохождении через биофильтр ливневой воды концентрация нефтепродуктов понижалась до допустимых уровней, интегральная токсичность снижалась до безопасных значений.
Рис. 10. Биофильтр на выходе ливневой трубы в пруды-отстойники п. Оболенск
Заключение
Разработана биотехнология очистки ливневых вод химических предприятий с помощью микроорганизмов-деструкторов, иммобилизованных на фильтровальной ткани биофильтра. Биофильтры оригинальной конструкции устанавливаются непосредственно в трубы ливневой канализации, не оказывают значительного сопротивления току воды и обладают высокой эффективно-
Таблица 14 Концентрация нефтепродуктов в воде из ливневой канализации п. Оболенск
Дата отбора пробы Концентрация нефтепродуктов, мг/л
до биофильтра после биофильтра
Ливневая вода (исходная), 06.07.2016 1,8 -
Ливневая вода, 13.07.2016 2,4 1,2
Ливневая вода, 20.07.2016 3,6 0,8
Ливневая вода, 27.07.2016 2,2 0,6
Ливневая вода, 04.08.2016 1,6 0,7
Ливневая вода, 09.08.2016 1,4 0,5
Ливневая вода, 16.08.2016 1,6 0,8
Ливневая вода, 25.08.2016 1,0 0,4
стью по очистке от загрязнителей. В течение двух недель внесенные микроорганизмы-деструкторы образуют биопленку (колонии) на фильтровальной ткани. При прохождении ливневой воды через биофильтр загрязняющие химические вещества сорбируют -ся на фильтровальной ткани и разлагаются микроорганизмами-деструкторами. При этом интегральная токсичность воды снижается до безопасного уровня.
Исследования выполнялись по Государственному заданию Федерального медико-биологического агентства России, № 26.003.15.800.
Литература
1. Большаков Н.Ю. Биологические методы очистки сточных вод от органических веществ и биогенных элементов: о биотехнологии, обеспечивающей очистку стоков // Экология производства. 2013. № 4. С. 64-69.
2. Водоотводящие системы промышленных предприятий: Учебник / Под ред. С.В. Яковлева. М.: Стройиздат, 1990.
3. Воронов Ю.В. Водоотведение и очистка сточных вод: Учебник / 4-е изд. М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2006.
4. Вредные химические вещества в ракетно-космической отрасли: Справочник / Под общ. ред. проф., д.м.н. В.В. Уйба. М.: ФГБУ ФМБЦ им. А.И. Бурназяна ФМБА России, 2011.
5. ГН 2.1.5.689-98 «Предельно допустимые концентрации ( П ДК ) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно -питьевого и культурно-бытового водопользования» . Доступ : http : //www. znaytovar.ru/gost/2/GN_21568998_ Predelno_dopustimy.html (дата обращения: 20.09.2016).
6. Кузнецов А.Е., Градова Н.Б. Научные основы экобиотехнологии: Учеб. пособие для студентов. М.: Мир, 2006.
7. Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушни-ков С.В. и др. Прикладная экобиотехно-логия: Учеб. пособие: В 2 т. М.: Бином, Лаборатория знаний, 2010.
8. Сафонов В.Д. Очистка поверхностных сточных вод / / Экология производства. 2013. № 3. С. 60-61.
9. Технологии и оборудование для комплексной очистки сточных вод с использованием биологических методов: В 2 т. М.: НИЦ «Глобус», 2007.
10. Федеральная целевая программа «Национальная система химической и биологической безопасности Российской Федерации (2009-2013 годы)». Доступ: http://www.mchs.gov.ru/activi-ties/?ID=125441 (дата обращения: 20.09.2016).
11. Чебакова И.Б. Очистка сточных вод: Учеб. пособие. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2001.
12. Яковлев С.В., Воронов Ю.В. Водоотве-дение и очистка сточных вод: Учебник / Под общ. ред. Ю.В. Воронова. М.: АСВ, 2002.
13. Mutagenicity, carcinogenicity, and teratogenicity of industrial pollutants / Ed. by M. Kirsch-Volders. London; New York: Plenum Press, 1984.
Контакты:
Жариков Геннадий Алексеевич, начальник отдела экологической биотехнологии НИЦ токсикологии и гигиенической регламентации биопрепаратов — филиала ФГБУН ГНЦ «Институт иммунологии» ФМБА России, доктор биологических наук. Тел. раб.: (4967) 39-97-38. E-mail: [email protected]
