БИОПРЕПАРАТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДАМИ Российский патент 2012 года по МПК C02F3/34 C12N1/26 

Изобретение относится к средствам ликвидации органических загрязнений объектов окружающей среды и предназначено, в частности, для биологической очистки вод, загрязненных нефтью и нефтепродуктами.

Известно средство для биологической очистки вод, загрязненных фенолами и фенольными соединениями, включающее пористый керамической носитель биологически активных микроорганизмов с разветвленной открытой пористой структурой при наличии в ней поверхностных и глубинных пор с общей пористостью 77-91%, носитель содержит искусственно иммобилизованную в поры керамики монокультуру микроорганизмов, подобранную к типу загрязнений, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Монокультура микроорганизмов - 0,01-10,0

Пористая керамика - остальное,

RU 2107656.

Недостатком данного технического решения является пассивность носителя бактерий, не обеспечивающего их питанием, что обусловливает низкую окислительную активность микроорганизмов-деструкторов органических веществ.

Известен биопрепарат для очистки воды от загрязнений углеводородами, включающий пористый носитель биологически активных микроорганизмов, содержащий стеклообразные метафосфаты: KPO₃, Mg(PO₃)₂, Са(PO₃)₂, а также Al₂O₃, и микроорганизмы-деструкторы углеводородов, подобранные к типу загрязнений. RU 2181701. Препарат содержит также следующие микроэлементы: Zn, Mn, Fe, Cu, Со, Ni, Мо, V, Se, Ag.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.

Недостатком прототипа является то обстоятельство, что Cu, Se, Fe проявляют токсические свойства по отношению к микроорганизмам, тем более в приведенных в описании RU 2181701 концентрациях, а Ag оказывает бактерицидное действие. Указанные выше микроэлементы могут служить в качестве удобрения для растений, но они бесполезны, а Cu, Se, Fe, Ag - вредны для микроорганизмов, что существенно снижает эффективность известного биопрепарата; питание микроорганизмов обеспечивается только метафосфатами, что недостаточно и тормозит размножение микроорганизмов, негативно влияет на их биологическую активность.

Кроме того, биопрепарат-прототип растворяется в водной среде в течение не более 30 дней, после этого действие препарата прекращается. Относительно быстрое растворение препарата обусловлено наличием в его составе SiO₃ и B₂O₃, влияющих на кинетику растворения в сторону увеличения его скорости. Al₂O₃ при указанной в прототипе низкой концентрации (0.1-5%) не обеспечивает требуемого уменьшения скорости растворения метафосфатов в воде.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности биопрепарата для очистки воды от углеводородных загрязнений, а также увеличение времени его действия.

Согласно изобретению биопрепарат для очистки воды от загрязнений углеводородами, включающий пористый носитель биологически активных микроорганизмов, содержащий стеклообразные метафосфаты: KPO₃, Mg(PO₃)₂, Са(PO₃)₂, а также Al₂O₃, и микроорганизмы-деструкторы углеводородов, дополнительно содержит TiO₂ и неорганические азотосодержащие соединения при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

KPO₃ 20-40 Mg(PO₃)₂ 5-10 Са(PO₃)₂ 30-50 Al₂O₃ 5-10 TiO₂ 1-5 KNO₃ 1-3 NH₄H₂PO₄ остальное

Пористый носитель биологически активных микроорганизмов изготавливают следующим образом. Плавленые стеклообразные метафосфаты: KPO₃, Mg(PO₃)₂, Са(PO₃)₂, а также Al₂O₃, TiO₂ подвергают тонкому помолу на дисковом истирателе типа ИД-175 производства НПО «Механобр-Техника», Санкт-Петербург, Россия. Затем полученные порошки компонентов смешивают и добавляют к ним KNO₃, являющийся основным источником азота для питания микроорганизмов, и монофосфат аммония (NH₄H₂PO₄) в размолотом виде с такими же гранулометрическими параметрами.

Монофосфат аммония выполняет роль весьма эффективного вспенивателя, а также является вспомогательным источником азота. Полученную смесь гранулируют на грануляторе типа ОТ производства ООО «Феникс», Россия. Приготовленные гранулы высушивают в сушильном шкафу при температуре 80-100°С в течение не менее двух часов. После этого гранулы помещают в туннельную печь, в данном примере производства фирмы «Теплизол», Санкт-Петербург, Россия, и подвергают нагреву до температуры 520-550°С со скоростью нагрева 15-20°С в минуту. При этом происходит вспенивание гранул и образование пор. Плотность полученных гранул составляет 0,3-0,6 г/см³, пористость - 2500-3200 см²/г.

При содержании KPO₃ менее 20 мас. % и Mg(PO₃)₂ менее 5 мас. % не обеспечивается достаточное питание микроорганизмов. При содержании этих компонентов больше соответственно 40 и 10 мас. % не обеспечивается достаточная однородность структуры носителя.

При содержании Са(PO₃)₂ меньше 30 мас. % не обеспечивается требуемая растворимость гранул. При содержании Са(PO₃)₂ больше 50 мас. % носитель имеет нежелательную кристаллическую структуру.

При содержании Al₂O₃ меньше 5 мас. % скорость растворения метафосфатов в воде слишком велика и через относительно короткий срок биопрепарат вследствие растворения носителя прекращает свое действие.

Содержание Al₂O₃ более 10 мас. % нецелесообразно, поскольку, практически, перестает влиять на скорость растворения стекловидных метафосфатов в воде.

Наличие TiO₂ обеспечивает преобладание аморфной (стекловидной) фазы в продукте. При отсутствии этого компонента имеет место наличие значительного количества нежелательной кристаллической, практически не растворимой фазы, что существенно снижает эффективность биопрепарата. При содержании TiO₂ более 10 мас. % указанный эффект практически не увеличивается.

Внесение биологически активных микроорганизмов в пористый носитель осуществляют путем помещения носителя в культуральную жидкость, содержащую микроорганизмы с титром (2-5)·10⁹ кл./мл.

Поверхностное культивирование микроорганизмов на пористом носителе проводили при 20°С в течение 72 часов. После культивирования титр полученного биопрепарата составил 10¹² жизнеспособных клеток в 1 г.

Процесс культивирования проводили в ферментере в течение 36 часов в аэробных условиях. В качестве индуктора использовали 0,02% сырую нефть.

Нефтеокислящую активность биопрепарата определяли следующим образом.

Пример 1 - ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ.

Использовали биопрепараты, включающие пористый носитель, содержащий, мас. %:

I вариант

KPO₃ 20 Mg(PO₃) 5 Са(PO₃) 50 Al₂O₃ 10 TiO₂ 1 KNO₃ 1 NH₄H₂PO₄ остальное (13)

II вариант

KPO₃ 40 Mg(PO₃) 10 Са(PO₃) 30 Al₂O₃ 5 TiO₂ 5 KNO₃ 3 NH₄H₂PO₄ остальное (7)

III вариант

KPO₃ 30 Mg(PO₃) 7 Са(PO₃) 40 Al₂O₃ 8 TiO₂ 3 KNO₃ 2 NH₄H₂PO₄ остальное (10)

В качестве микроорганизмов-деструкторов углеводородов во всех примерах использованы бактериальные штаммы: Burkholderia caryophylli HT-4 и Pseudomonas fleuorescens biovar II НТ-6, выделенные из почв, загрязненных нефтепродуктами, на селективных питательных средах, содержащих в качестве единственного источника углеводородного питания углеводороды нефтепродуктов.

Штаммы зарегистрированы в коллекции микроорганизмов Всероссийского научно-исследовательского института защиты растений ВИЗР. Штаммы хранятся отдельно на агаризованной питательной среде при температуре 0÷+5°С или в лиофилизированном состоянии в ампулах.

Штамм Burkholderia caryophylli HT-4.

Культурально-морфологические признаки штамма.

Подвижные прямые палочки размером 0,8-0,9×0,9-2; 1,5×1,5 мкм, расположенные одиночно и скоплениями. На стандартных питательных средах (МПА, BBL, Becton Dickinson) образует круглые колонии 2 мм в диаметре, выпуклые, гладкие, блестящие, слизистые, края ровные, белые, непрозрачные. Окраска по Граму и реакция по Граму методом Gregensen (1978) - грамотрицательные.

Биохимические признаки штамма.

Аэроб. Хемоорганотроф. Не нуждается в факторах роста. Оксидазный тест положительный. Каталазный тест положительный. Не образует флуоресцирующего пигмента. Не растет при +4°С. Растет при +41°С. Обладает способностью к денитрификации с образованием N₂. Желатин не гидролизует. Крахмал не гидролизует. Использует в качестве единственного источника углерода глюкозу, глутамат, этанол, сукцинат, ксилозу, маннит. Использует в качестве источника роста углеводороды.

Штамм Pseudomonas fluorescens biovar II НТ-6.

Культурально-морфологические признаки штамма. Прямые мелкие одиночные палочки, слегка изогнутые, имеют полярные жгутики, споры не образует. Размеры 0,8-0,9×1,1-3,0 мкм.

На стандартных средах (СПА, BBL, Becton Dickinson) образует круглые колонии 2 мм в диаметре и более, выпуклые, гладкие, блестящие, края ровные, бесцветные, непрозрачные. Окраска по Граму и реакция по Граму методом Gregensen (1978) грамотрицательные.

Биохимические признаки штамма.

Аэроб, способен расти в анаэробных условиях в питательной среде нитратов. Хемоорганотроф. Окислительный тип метаболизма в тесте O/F. Рост при 4°С, не растет при 41°С. Каталазоположителен.

В пластмассовые кюветы 21×34 см, разделенные на 5 групп по четыре штуки и заполненные водой в объеме 3 литра, внесли по 2 мл различных нефтепродуктов: сырую нефть, дизельное топливо, мазут и трансформаторное масло. Затем на поверхность воды в кюветах 1-4-й групп нанесли биопрепараты в количестве 3 г, в первую кювету каждой группы биопрепарат с носителем I, во вторую кювету - биопрепарат с носителем II, в третью кювету - с носителем III, в четвертую кювету - биопрепарат-прототип.

Для контроля использовали 5-ю группу кювет с водой, в которые также внесли указанные выше загрязнители, однако не вносили средства очистки.

Через 3-4 дня после нанесения биопрепарата на водную поверхность, загрязненную нефтепродуктами, вокруг частиц биопрепарата образовалась бактериальная пленка, что свидетельствует о том, что он является для микроорганизмов источником питания. Через 1 месяц на поверхности воды полностью отсутствовала радужная пленка. Через 2 месяца после начала эксперимента определили концентрацию нефтепродуктов в воде методом ИК-спектрофотометрии на приборе АН-2.

Результаты исследования приведены в таблице 1.

Пример 2 - НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ.

Испытания проводили в колодце объемом 25 м³ установки для очистки сточных вод УСВ-М-20 (ТУ 4859-001-1121534-2002), смонтированной на территории предприятия СПбГУП «Мостотрест», Санкт-Петербург. Перед внесением биопрепарата из колодца отбирали пробу сточных вод для определения концентрации углеводородов. По результатам анализа начальное содержание смеси различных нефтепродуктов в колодце составило 0,63 мг/дм³. После отбора пробы воды в колодец внесли заявленный биопрепарат в количестве 0,5 кг.

Через 12 и 40 дней отбирали пробы для анализа, после чего в колодец дополнительно вносили биопрепарат в количестве 0,5 кг.

Результаты проведенных испытаний показали, что в течение 40 суток опыта процесс микробиологического окисления нефтепродуктов, содержащихся в сточных водах производственной базы СПбГУП «Мостотрест», шел активно, концентрация углеводородов снизилась до 0,26 мг/дм³. Несмотря на постоянное поступление нефтепродуктов в сточные воды во время испытаний эффективность очистки составила ~60%.

Анализ содержания нефтепродуктов в пробах воды проводили в аккредитованном испытательном лабораторном центре филиала ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в городе Санкт-Петербурге».

Средства измерения: анализатор жидкости «Флюорат-02» и спектрофотометр АН-2 НД.

Таким образом, как лабораторные, так и натурные испытания подтверждают высокую эффективность заявленного биопрепарата.

Изобретение относится к биотехнологии, в частности к средству для биологической очистки воды от углеводородов. Биопрепарат включает пористый носитель биологически активных микроорганизмов, содержащий стеклообразные метафосфаты: KРО₃, Mg(PO₃)₂, Са(РО₃)₂, Аl₂O₃ и микроорганизмы-деструкторы углеводородов, а также дополнительно содержит ТiO₂ и неорганические азотосодержащие соединения, такие как: KNO₃ и NH₄H₂PO₄ при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: КРО₃ - 20-40, Mg(PO₃)₂ - 5-10, Са(РО₃)₂ - 30-50, Аl₂О₃ - 5-10, TiO₂ - 1-5, KNO₃ - 1-3, NH₄H₂PO₄ -остальное. Изобретение позволяет повысить эффективность биопрепарата для очистки воды от углеводородных загрязнений, а также увеличить время его действия. 1 табл, 2 пр.

Биопрепарат для очистки воды от загрязнений углеводородами, включающий пористый носитель биологически активных микроорганизмов, содержащий стеклообразные метафосфаты: KРО₃, Mg(PO₃)₂, Са(РО₃)₂, а также Аl₂О₃ и микроорганизмы-деструкторы углеводородов, отличающийся тем, что дополнительно содержит TiO₂ и неорганические азотосодержащие соединения: KNO₃, NH₄H₂PO₄ при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
KРО₃ 20-40 Mg(PO₃)₂ 5-10 Са(РО₃)₂ 30-50 Аl₂О₃ 5-10 TiO₂ 1-5 KМО₃ 1-3 NH₄H₂PO₄ остальное