CC BY
17
УДК 66.098+628.35+57.04
А.Е.Кузнецов, С.В.Каленов
Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева,
г. Москва
РАЗРАБОТКА ВЫСОКОИНТЕНСИВНЫХ МАЛОСТОЧНЫХ СИСТЕМ ОЧИСТКИ ТЕХНОГЕННЫХ ПОТОКОВ ОТ ОРГАНИЧЕСКИХ ПОЛЛЮТАНТОВ НА ОСНОВЕ ГИБРИДНЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ
Исследованы возможные подходы к разработке высокоинтенсивных малосточных процессов биодеструкции органических поллютзнтов на основе шбридных технологий с одновременным воздействием агрессивных химических и фотохимических агентов и микроорганизмов, устойчивых к окислительному стрессу. Такие процессы, в принципе, могут быть ориентированы на разработку экологически чистых технологий обезвреживания шламов нефтехимических предприятий, низкорадиоактивных целлюлозо- и полимеросодержащих отходов АЭС и др.
The possible approaches to development of high intensive low-waste processes of biodestruction of organic pollutants based on hybrid technologies under simultaneous exposure of aggressive chemical or photochemical agents and microorganisms resistant to oxidative stress were investigated. Such processes could be oriented to the development of cleaner technologies for neutralization of high concentrated sludges of petrochemical plants, low-radioactive cellulose and polymer containing wastes of atomic power stations etc.
Общепринятым биологическим методам очистки загрязненных техногенных потоков. обезвреживания и переработки отходов присущ ряд недостатков, среди которых следует выделить следующие:
• необходимость зачастую избыточного внесения макро- и микроэлементов в биологическую систему, которые, в свою очередь, также могут быть составляющими загрязнений;
• образование вторичных контаминан-тов - избыточных ялов и биологических пленок в сооружениях биологической очистки, захоронение которых ведет к дополнительному загрязнению почвенных и водных сред;
• необходимость разбавления потоков с высокой концентрацией загрязнений для устранения негативного влияния токсикантов на биологические агенты очистных систем, что неизбежно увеличивает объем транспортируемых и обрабатываемых сточных вод и затраты на биологическую очистку;
• снижение эффективности очистки из-за высокой биостойкости ряда органических поллютантов.
Очевидно, что экологически чистый биологический процесс должен быть высокопродуктивным, низкозатратным и свободен от указанных недостатков. Как элемент разработки таких экологически чистых технологий авторами исследованы пути интегрирования элементов абиогенных процессов самоочищения в техногенные системы биологической очистки и возможности использования гибридных процессов и гибридных биореакторов с одновременным воздействием микроорганизмов и агрессивных химических или фотохимических агентов на поллютант для повышения его биодоступности, увеличения скорости биодеструкции, снижения вторичных отходов и остаточных загряз-нений и уменьшения стоимости очистки и обезвреживания в целом.
В качестве абиотических агентов гибридных процессов были апробированы системы с участием перекиси водорода (реактив Фентона) по реакции Ре2+ + Н202 Ре3+ + + ОН +ОН и мягкого УФА- и УФБ-излу-чения с длиной волны 330-380 нм.
В качестве биотических компонентов и как модельные объекты в гибридных процессах исследовались микроорганизмы-фенол-деструкторы, дрожжи рода Candida и микро-организмы-азотфиксаторы p. Azotobacter (для замены неорганического азота на биологически фиксированный в системах биодеструкции и очистки).
Для исследования совмещенных процессов был разработан лабораторный комплекс, включающий биореактор, компьютерную систему регистрации данных и соответствующее программное обеспечение на базе программной оболочки Lab View (фирма National Instruments), блок фотохимического облучения культивируемых в биореаторе микроорганизмов источниками немонохроматического УФА- и УФБ-излу-чения (ртутные лампы) и лазерного излучения видимого диапазона.
Препятствием на пути использования гибридных систем служит сложность подбора условий, необходимых для функционирования биологических процессов, в которых скорости протекания абиотической и биотической составляющих процесса были бы сопоставимы, а также агрессивность химических и фотохимических агентов по отношению к биологическим структурам. Поэтому в качестве необходимого этапа исследований и разработки гибридных процессов изучались условия преадаптации микроорганизмов к перекиси водорода и ультрафиолету, определялись предельные дозы этих окислителей, их влияние на физиолого-биохимическое состояние микробных культур и на характеристики биологического процесса окисления модельных субстратов (фенол, сахароза) при воздействии Н2О2 и ультрафиолета.
Установлено, что результат действия Н2О2 и ультрафиолета зависит от плотности популяции микроорганизмов и их фазы роста. С увеличением концентрации микроорганизмов возрастает их устойчивость и к Н2О2 и к ультрафиолету. В отличие от господствующих представлений оказалось, что наибольшей резистентностью обладают популяции, находящиеся в наиболее активной (экспоненциальной) фазе роста. В наиболее
оптимальных условиях (в режиме периодического культивирования и биологической очистки с дробным внесением концентрированного субстрата-загрязнителя) микроор-ганизмы-фенолдеструкторы устойчивы к разовому внесению 2 % по массе Н202, дрожжи, растущие на сахарозе, - к разовому внесению 16,5 % Н2О2. Они, кроме того, выдерживают постоянную подачу перекиси со скоростью 15 г Н202/(л-ч). При непрерывной и дозированной подаче перекись водорода может использоваться в качестве источника кислорода, при этом скорость разложения субстрата при лимитировании процесса окисления кислородом воздуха увеличивается в 2 раза. Одновременно резко возрастают суммарные количества субстратов, которые можно порционно внести в систему без замедления скорости окисления: для фенола - не менее 100 г/л, для сахарозы - не менее 1 кг/л. Максимальные скорости биологического окисления в оптимальных условиях выше в 3-5 раз. Уменьшаются остаточные содержания субстратов и секрети-руемых метаболитов в ферментационной среде (в очищаемой воде). Внесение Н2О2 в зону биологического окисления также приводит к ускорению роста микробных популяций с азотобактером на среде без азота при окислении фенола.
Особенности действия ультрафиолета на микробные популяции изучены на примере модельной системы роста дрожжей на сахарозе. В диапазоне доз от 100 до 1000 Дж/м2 (0,1-1 Вт/л) наблюдается стимулирующее действие мягкого УФА- и УФВ-излучения на рост микроорганизмов. Скорость роста дрожжей увеличивается на 10-50%. Обнаружено, что результат действия УФ-излу-чения зависит не только от физиологического состояния клеточной популяции, но и от действия на нее видимого света. Наилучшими условиями для ускорения роста является совместное облучение клеток ультрафиолетом и видимым светом, так как на фоне действия ультрафиолета биологически активным оказывается видимый свет даже незначительной интенсивности (40 мВт/л), что может быть объяснено действием механизма фоторепарации повреждений, запускаемого
188—_____-_____
ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т. 154
видимым светом, как одного из механизмов противодействия микроорганизмов стрессу, индуцируемому УФ-излучением. Без видимого света ультрафиолет даже умеренной интенсивности (1 Вт/л) репрессирует рост дрожжей. Видимый свет без облучения ультрафиолетом не действует на рост дрожжей. Таким образом, комбинированное действие ультрафиолета и видимого света может выступать в качестве инструмента для управления ростом гетеротрофных микроорганизмов, не чувствительных в обычных условиях (без УФ-облучения) к видимому свету; при этом видимый свет на фоне действия ультрафиолета может выступать в качестве фактора, управляющего ростом клеток.
Исходя из обнаруженных эффектов и полученных закономерностей, найдены основные факторы, управляющие активностью микроорганизмов в условиях окислительного стресса, индуцированного действием активных химических и фотохимических окислителей, и разработаны гибридные процессы деструкции органических соединений, включающие совместную обработку токсичных высоко концентрированных отходов микроорганизмами-деструкторами органических соединений и реактивом Фен-тона и биологическое окисление органических субстратов при одновременном действии мягкого ультрафиолета умеренной интенсивности и видимого света.
