СПОСОБ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ СЕРОСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД Российский патент 2008 года по МПК C02F3/34 C02F103/36 C12N1/20 C12N1/14 C12R1/80 

Изобретение относится к биотехнологии, в частности к очистке серосодержащих сточных вод химической промышленности с помощью микроорганизмов.

Существующие в настоящее время химические и физико-химические способы очистки сточных вод от данных соединений довольно дороги, не всегда эффективны и трудоемки. Наиболее доступными, экономически рентабельными и достаточно эффективными являются микробиологические методы очистки воды, основанные на способности микроорганизмов использовать для своего метаболизма сераорганические соединения в качестве единственного источника углерода и энергии.

Многочисленными работами по распространению тионовых бактерий было опровергнуто установившееся мнение о ведущей роли облигатно-литоавтотрофных тионовых бактерий в процессах окисления восстановленных соединений серы в природе. Однако по мнению авторов [1] в окислении восстановленных соединений серы главную роль играют более приспособленные к нестабильным условиям факультативные литотрофы и гетеротрофы. Известно, что в окислении сераорганических соединений существенную роль играют тионовые бактерии и специфические гетеротрофные микроорганизмы.

Известен способ биологической очистки сточных вод (прототип), включающий биодеградацию сераорганических соединений с помощью штаммов бактерий Pseudomonas aeruginoza, P.fluorescence, Achromobacter stutzeri, актиномицетов Streptomyces sioyagensis, способных окислять серу до тиосульфатов и сульфатов [1].

Основным недостатком известного способа является неспособность микроорганизмов деградировать высокомолекулярные серосодержащие соединения, такие как тиокол, полисульфиды и другие токсические соединения, которые часто и в больших количествах содержатся в сточных водах производства серосодержащего каучука тиокола.

Задачей изобретения является повышение эффективности биологической очистки серосодержащих сточных вод.

Указанная задача решается тем, что в способе биологической очистки серосодержащих сточных вод, включающем биодеградацию высокомолекулярных серосодержащих соединений, согласно изобретению в качестве микроорганизмов-деструкторов используют ассоциацию из штаммов Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3 в соотношении 4:1.

Штамм микромицета Penicillium sp. №15 выделен из загрязненной почвы города Уфа и депонирован в коллекцию музейных культур кафедры "Прикладная экология" Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Штамм Penicillium sp. №15 имеет следующую характеристику: образует хорошо развитый мицелий на сусле 3°Б, а также средах Чапека и Чапека-Докса.

Молодые колонии-белые. По мере развития колонии приобретают зеленоватую окраску. Воздушный мицелий хрупкий, слегка пушистый, вначале белый, затем зеленоватый. Конидиеносцы легко отделяются от гиф, легко ломаются, одиночные или ветвистые, бесцветные или слабо пигментированные, септированные, различной длины, прямые или изогнутые, светлые, гладкие, ветвистые.

Из числа сахаров штамм усваивает глюкозу, фруктозу, галактозу, L-арабинозу. Из дисахаридов лучше усваивает сахарозу, чем лактозу. Разлагает целлюлозу, желатину, гидролизует крахмал. Слабо использует муравьиную кислоту НСООН. Щавелевая кислота СООН-СООН практически не потребляется и ингибирует рост культуры.

На смесях углеводов рост Penicillium sp. №15 заметно усиливается.

Хорошо усваивает маннит, глюконовую, сахарную кислоты.

Не обладает лецитиназной активностью, что указывает на то, что патогенные свойства у культур не должны проявляться.

Культура аэробна, растет в диапазоне температур от 10 до 40°С, оптимальная область от +28 до +33°С. Растет в диапазоне рН 5-9, оптимальная зона от 7 до 8.

Штамм непатогенен для человека и животных.

Штамм хранится в холодильнике при температуре +4°С.

Штамм Thiobacillus sp. №3 выделен из заболоченной почвы города Уфа и депонирован в коллекцию музейных культур кафедры "Прикладная экология" Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Штамм Thiobacillus sp. №3 имеет следующую характеристику:

Растет на среде Старки: Na₂S₂O₃·5H₂O - 5,0 г/л, (NH₄)₂SO₄ - 0,2 г/л, КН₂PO₄ - 3,0 г/л, CaCl₂·6H₂O - 0,25 г/л, MgSO₄·7H₂O - 0,5 г/л, FeSO₄·7H₂O - 0,001 г/л, раствор микроэлементов по Дрюсу - 10 мл.

Молодые колонии - бесцветные. По мере развития колонии приобретают беловатую окраску.

Бактерии палочковидные размером 2-3 мкм, грамвариабельные.

Из числа сахаров штамм усваивает глюкозу, фруктозу, галактозу, L-арабинозу. Из дисахаридов лучше усваивает сахарозу, чем лактозу. Разлагает целлюлозу, желатину, гидролизует крахмал. Слабо использует муравьиную кислоту НСООН. Щавелевая кислота СООН-СООН практически не потребляется и ингибирует рост культуры.

Восстанавливает сероводород до сульфатов.

На смесях углеводов рост Thiobacillus sp. №3 заметно усиливается.

Хорошо усваивает маннит, глюконовую, сахарную кислоты.

Не обладает лецитиназной активностью, что указывает на то, что патогенные свойства у культур не должны проявляться.

Культура аэробна, растет в диапазоне температур от 10 до 40°С, оптимальная область от +28 до +33°С. Растет в диапазоне рН 5-9, оптимальный рН 7,2.

Штамм непатогенен для человека и животных.

Штамм хранится в холодильнике при температуре +4°С.

Способ осуществляют в локальной установке следующим образом: сточная вода подается в аэротенк, где осуществляют биологическую очистку. В аэротенк также подают суспензию ассоциации штаммов Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3 в соотношении 4:1 и биодобавки. В аэротенк осуществляется подача воздуха со скоростью 300 кг/ч·м³. Очистку проводят в периодическом режиме.

Пример 1:

В связи с тем, что в сточных водах производства тиокола основным загрязнителем являются полисульфиды и тиокол, были проведены опыты по изучению процессов биодеградации тиокола.

С этой целью были проведены эксперименты в модифицированной минеральной среде Чапека-Докса, в которой соли, содержащие серу, были заменены на хлориды. В качестве единственного источника углерода и энергии использовали тиокол из расчета 1 г/л, 5 г/л и 10 г/л. Эксперимент проводили в конических колбах (объем 250 мл). Количество среды составляло 100 мл. Среду стерилизовали в автоклаве в течение 30 минут при 1 атм и 110°С. В качестве биодеструкторов использовали микромицет Penicillium sp. №15 и бактерии Thiobacillus sp. №3, в соотношении 4:1 (из расчета 3 об.%). Предварительные исследования показали, что при увеличении содержания Thiobacillus sp. №3 в инокуляте выше 20% степень биодеградации тиокола практически не изменяется, поэтому в ассоциации использовалось соотношение 4:1. Колбы с минеральной средой, содержащие тиокол, но не инокулированные микроорганизмами, служили контролем. Культивирование осуществляли на термостатированной качалке при температуре 28-30°С и 100 об/мин в течение 3 суток.

О степени биодеградации тиокола судили по изменению содержания сульфидной серы, а также косвенно по увеличению биомассы и изменению рН среды. Остаточное количество тиокола экстрагировали толуолом (степень экстракции 95-98%). Количество тиокола определяли потенциометрическим титрованием. Метод основан на определении скачка потенциала, соответствующего для органических сульфидов +0,7 В [2].

В начале и конце культивирования измеряли рН культуральной жидкости с помощью иономера И-130,2 М.

Биомассу микроорганизмов определяли весовым методом, используя мембранные фильтры №2 (средний диаметр пор 0,05 мкм), которые предварительно доводили до постоянного веса [3].

Результаты приведены в табл.1.

Как видно из данных фиг.1, ассоциация штаммов Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3, взятых в отношении 4:1, способна биодеградировать тиокол в водной среде. При этом степень биодеградации составляет 85,2%, 71,1% и 16,4% соответственно для образцов с начальной концентрацией тиокола 1; 5 и 10 г/л. Также происходило уменьшение количества сульфидной серы, что видно из фиг.2. Так на 3 сутки оно снизилось в среднем в 5 раз во всех опытах. При этом наблюдалось увеличение биомассы и изменение рН среды в сторону подщелачивания (табл.1).

Таким образом, предложенная ассоциация штаммов Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3 в соотношении 4:1 способна деградировать полисульфидные каучуки (тиоколы).

Пример 2:

С целью изучения процессов биодеградации в промышленных сточных водах был исследован щелочной сток производства полисульфидных каучуков (тиоколов) (г.Казань), содержащий полисульфиды, тиосульфаты, диоксиэтилдисульфид, низкомолекулярный тиокол, суммарное количество которых составило 10 г/л. Общее ХПК - 30000, 30% - приходится на сераорганические соединения.

Эксперимент проводили в конических колбах (объем 250 мл). Количество сточной воды - 100 мл. Для биодеградации сераорганических соединений в сточную воду добавляли суспензию ассоциации штаммов Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3 в соотношении 4:1 (из расчета 3 об.%). Колбы со сточной водой, не инокулированные микроорганизмами, служили контролем. Культивирование осуществляли на термостатированной качалке при температуре 28-30°С и 100 об/мин в течение 3 суток.

О степени очистки стока судили по изменению содержания сульфидной серы, а также косвенно по увеличению биомассы и изменению рН среды по описанным выше методикам.

О биотрансформации тиосульфатов судили по приросту сульфат-ионов -SO₄ ^2-. Количество сульфат-ионов определяли по известной методике [4].

Результаты представлены в табл. 2.

Как видно из данных табл.2, ассоциация штаммов Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3, взятых в отношении 4:1, способна расти в сточной воде. При этом количество сульфидной серы снизилось до 0,068 мг/л, наблюдался прирост сульфат-ионов 1,5 раза; также наблюдалось небольшое увеличение биомассы, которое составляет на 3 сутки 0,012 г/л и изменение рН среды в сторону подщелачивания.

Таким образом, предложенная ассоциация штаммов Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3 в соотношении 4:1 способна расти в сточной воде производства полисульфидных каучуков (тиоколов) (г.Казань).

Пример 3:

С целью повышения степени биодеградации в промышленных сточных водах был исследован сток г.Казань, описанный выше. Сточную воду разбавляли в 2 раза и вводили соли NH₄Cl и К₂HPO₄ из расчета 0,5 г/л каждой, рН доводили до 7,0 при помощи 0,1 н. HCl.

Эксперимент проводили в конических колбах (объем 250 мл). Количество сточной воды - 100 мл. Для биодеградации сераорганических соединений в сточную воду добавляли суспензию ассоциации штаммов Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3 в соотношении 4:1 (из расчета 3 об.%). Колбы со сточной водой, не инокулированные микроорганизмами, служили контролем. Культивирование осуществляли на термостатированной качалке при температуре 28-30°С и 100 об/мин в течение 3 суток.

О степени очистки сточной воды судили по изменению содержания сульфидной серы, а также косвенно по увеличению биомассы и изменению рН среды. О биотрансформации тиосульфатов судили по приросту сульфат-ионов -SO₄ ^2- по описанным выше методикам.

Результаты представлены в табл. 3.

Как видно из данных табл.3, ассоциация штаммов Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3, взятых в отношении 4:1, способна расти в разбавленной в 2 раза сточной воде г.Казань. При этом степень очистки значительно увеличивалась. Так количество сульфидной серы снизилось до 0,008 мг/л, также наблюдалось значительное увеличение биомассы, которое составляет на 3 сутки 0,110 г/л и изменение рН среды в сторону подщелачивания.

Таким образом, предложенная ассоциация штаммов Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3 в соотношении 4:1 способна очищать разбавленную в 2 раза сточную воду производства полисульфидных каучуков (тиоколов) (г.Казань).

Пример 4:

С целью повышения степени биодеградации в промышленных сточных водах был исследован сток г.Казань, описанный выше. Сточную воду разбавляли в 4 раза и вводили соли NH₄Cl и К₂HPO₄ из расчета 0,5 г/л каждой, рН доводили до 7,0 при помощи 0,1 н. HCl.

Эксперимент проводили в конических колбах (объем 250 мл). Количество подготовленной сточной воды - 100 мл. Для биодеградации сераорганических соединений добавляли суспензию ассоциации штаммов Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3 в соотношении 4:1 (из расчета 3 об.%). Колбы со сточной водой, не инокулированные микроорганизмами, служили контролем. Культивирование осуществляли на термостатированной качалке при температуре 28-30°С и 100 об/мин в течение 3 суток.

О степени очистки сточной воды судили по изменению содержания сульфидной серы, а также косвенно по увеличению биомассы и изменению рН среды. О биотрансформации тиосульфатов судили по приросту сульфат-ионов -SO₄ ^2- по описанным выше методикам.

Результаты представлены в табл.4.

Как видно из данных табл.4, ассоциация штаммов Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3, взятых в отношении 4:1, способна расти в разбавленной в 4 раза сточной воде г.Казань. Однако степень очистки незначительно увеличивалась по сравнению с примером 3. Так количество сульфидной серы снизилось лишь до 0,005 мг/л, увеличение биомассы на 3 сутки составило 0,124 г/л. Наблюдалось изменение рН среды в сторону подщелачивания.

Таким образом, предложенная ассоциация штаммов Penicillium sp. №75 и Thiobacillus sp. №3 в соотношении 4:1 способна очищать разбавленную в 4 раза сточную воду производства полисульфидных каучуков (тиоколов) (г.Казань), однако степень очистки при этом незначительно выше, чем при двукратном разбавлении. С экономической токи зрения это невыгодно, поэтому для промышленных сточных вод рекомендуется разбавление в 2 раза.

Пример 5:

С целью изучения процессов биоочистки в промышленных сточных водах с помощью ассоциации Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3 был исследован щелочной сток производства серосодержащего каучука тиокола (г.Казань).

Очистку проводили в течение 3 суток на лабораторной установке (фиг. 3), которая состоит из: аппарата для предварительного выращивания микроорганизмов 1, аэротенка 2, отстойника 3, емкости для подготовки МСВ 4 и емкости для очищенной сточной воды 5. Потоки: I - микроорганизмы, II - МСВ, III - воздух, IV - очищенная вода. Скорость подачи воздуха составила 300 кг/ч·м³.

Для этого 2 л предварительно подготовленной сточной воды (сточную воду разбавляли в 2 раза и вводили соли NH₄Cl и К₂HPO₄ из расчета 0,5 г/л каждой, рН доводили до 7,0 при помощи 0,1 н. HCl) наливали в лабораторный аэротенк объемом 5 л. Вносили посевной материал в виде суспензии ассоциации штаммов макромицета Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3 в количестве 5% от объема. При помощи 0,1 н. HCl доводили рН до 7. В аэротенк при помощи компрессора продувался воздух в количестве 15-20 л/мин. О степени биоочистки сточной воды судили по изменению ХПК, которое определяли по известной методике [4]. Косвенно о биоочистке судили по приросту биомассы и изменению рН.

Результаты исследований представлены в табл.5.

Из табл.5 видно, что ХПК уменьшилось до 2421 мг О₂/л, а содержание сульфидной серы до 0,009 мг/л. Также наблюдалось увеличение биомассы, которое на 3 сутки составило 0,114 г/л, и изменение рН среды в сторону подщелачивания.

Таким образом, предлагаемая ассоциация Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3 в соотношении 1:4 способна очищать сточную воду и может быть использована для биоочистки промышленных сточных вод производства тиокола.

Пример 6:

C целью изучения процессов биоочистки в промышленных сточных водах с помощью ассоциации Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3 в иммобилизованном виде был исследован щелочной сток производства серосодержащего каучука тиокола (г.Казань).

Очистку проводили в течение 3 суток на лабораторной установке (фиг. 3), описанной в примере 6. Для иммобилизации микроорганизмов использовали насадку типа "Ерш". Скорость подачи воздуха составила 300 кг/ч·м³.

Для этого 2 л предварительно подготовленной сточной воды (сточную воду разбавляли в 2 раза и вводили соли NH₄Cl и К₂HPO₄ из расчета 0,5 г/л каждой, рН доводили до 7,0 при помощи 0,1 н. HCl) наливали в лабораторный аэротенк объемом 5 л. Вносили посевной материал в виде суспензии ассоциации штаммов макромицета Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3 в количестве 5% от объема. С целью интенсификации работы микроорганизмов и снижения их выноса аэротенк снабжен иммобилизирующей насадкой типа "Ерш" из полимерных волокон.

При помощи 0,1 н. HCl доводили рН до 7. В аэротенк при помощи компрессора продувался воздух в количестве 15-20 л/мин. О степени биоочистки сточной воды судили по изменению ХПК. Косвенно о биоочистке судили по приросту биомассы и изменению рН.

Результаты исследований представлены в табл.6.

Из табл.6 видно, что предлагаемый способ очистки сточных вод с помощью ассоциации Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3 в соотношении 1:4, в иммобилизованном виде эффективен для очистки сточной воды, при этом степень очистки значительно возрастает по сравнению с примером 5. Так ХПК уменьшилось до 450 мг O₂/л, а содержание сульфидной серы до 0,008 мг/л. Также наблюдалось увеличение биомассы, которое на 3 сутки составило 0,124 г/л, и изменение рН среды в сторону подщелачивания.

Учитывая, что ХПК поступающих на общую очистку сточных вод не должно превышать 450 мг О₂/л, ассоциация Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3 в соотношении 1:4, иммобилизованная на насадке типа "Ерш", может быть рекомендована для локальной биоочистки серосодержащих промышленных сточных вод химического производства.

Таблица 1
Изменение параметров роста ассоциации Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. в соотношении 4:1 за 3 сутокПараметрНачальноеЧерез 3 сут при нач. концентрации тиокола, г/л1510рН7,07,47,37,2Биомасса, г/л0,0080,1250,1230,120

Таблица 2
Результаты очистки щелочного стока производства серосодержащего каучука тиокола (г.Казань) ассоциацией Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. в соотношении 4:1ПараметрСодержание сульфидной серы, мг/лПрирост ионов -SO₄ ^2-, мг/лрНБиомассаНачальное0,08462,49,90,008Сточная вода + ассоциация0,06892,7100,012Контроль0,08462,49,9-

Таблица 3
Результаты очистки щелочного стока производства серосодержащего каучука тиокола (г.Казань), разбавленного в 2 раза ассоциацией Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. в соотношении 4:1ПараметрСодержание сульфидной серы, мг/лПрирост ионов -SO₄ ^2-, мг/лрНБиомассаНачальное0,04231,27,00,008Сточная вода (разб. в 2 раза) + ассоциация0,00889,97,20,110Контроль0,04231,27,0-

Таблица 4
Результаты очистки щелочного стока производства серосодержащего каучука тиокола (г.Казань), разбавленного в 4 раза ассоциацией Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. в соотношении 4:1ПараметрСодержание сульфидной серы, мг/лПрирост ионов -SO₄ ^2-, мг/лpHБиомассаНачальное0,04231,27,00,008Сточная вода (разб. в 4 раза) + ассоциация0,00589,97,20,124Контроль0,04231,27,0-

Таблица 5
Результаты очистки стока производства тиокола (г.Казань) с помощью ассоциации Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. в соотношении 1:4 в свободном видеПараметрНач.Через 3 сутХПК, мг О₂/л200002421Содержание сульфидной серы, мг/л0,04200,009Биомасса, г/л0,0080,114pH7,07,2

Таблица 6
Результаты очистки стока производства тиокола (г.Казань) с помощью ассоциации Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. в соотношении 1:4 в иммобилизованном видеПараметрНач.Через 3 сутХПК, мг O₂/л200002200Содержание сульфидной серы, мг/л0,04200,008Биомасса, г/л0,0080,124рН7,07,3

Список использованной литературы

1. Сорокин Д.Ю. Окисление соединений серы гетеротрофными микроорганизмами. Изв. АН СССР. Сер. биол. 1991. №4 - С.560-562, 566-570 (прототип).

2. Иодаметрическое потенциометрическое определение сульфидной серы. Г.Д.Гальперн, Г.П.Гирина, В.Г.Лукьяница. АН СССР Институт нефтехимического синтеза. Методы анализа органических соединений нефти, их смесей и производных. Сб.1. - М.: Изд-во АН СССР, 1960. - С.58-73.

3. Практикум по микробиологии / Под ред. Н.С.Егорова. - М.: Моск. ун-т, 1976, - 307 с.

4. Лурье Ю.Ю. Унифицированные методы анализа вод. - М.: Химия, 1973, - 376 с.

Биодеградацию серосодержащих сточных вод осуществляют в аэротенке с использованием микроорганизмов-деструкторов. В качестве микроорганизмов-деструкторов используют ассоциацию штаммов Penicillium sp. №15 и Thiobacillus sp. №3 в соотношении 4:1. Степень биодеградации сераорганических соединений составляет 85,2%. Способ позволяет повысить эффективность очистки сточных вод. 3 ил., 6 табл.

Способ биологической очистки серосодержащих сточных вод, включающий биодеградацию сераорганических соединений с использованием микроорганизмов-деструкторов, отличающийся тем, что в качестве микроорганизмов-деструкторов используют ассоциацию из микромицета Penicillium sp. №15 и бактерий Thiobacillus sp. №3 в соотношении 4:1.