БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД И

Труды Международной научной конференции "Высокие технологии залог устойчивого развития". - 2011. - С. 50-53
БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД
И.З. Лапшина, Е.С. Слюняева, Т.И. Бейсекова, Д.М. Мирхамедова, С.Л.
Персиянова
Казахский национальный технический университет имени К.И.Сатпаева
Алматы, Казахстан
Биотехнология - одно из ключевых направлений качественного
технологического развития в целом ряде отраслей экономики. Потенциал
возможностей и спектр применения биотехнологии превратил отрасль наряду с
нанотехнологиями в ведущий фактор развития экономик отдельных государств
и мирового сообщества в целом.
Биотехнология
является
единственным
направлением,
которое
Организация Объединенных Наций официально признала технологией XXI
века.
В широком смысле биотехнология представляет собой пограничную
между биологией и техникой научную дисциплину и сферу практики,
изучающую пути и методы изменения окружающей человека природной среды
в соответствии с его потребностями.
В узком смысле биотехнология - совокупность методов и приемов
получения полезных для человека продуктов и явлений с помощью
биологических агентов. В состав биотехнологии входят генная, клеточная и
экологическая инженерии.
Биотехнология используется в различных отраслях промышленности и
затрагивает многие сферы жизни человека. В мире принята следующая
«цветовая» классификация биотехнологии:
1)
«красная» биотехнология – биотехнология, связанная с
обеспечением здоровья человека и потенциальной коррекцией его генома, а
также с производством биофармацевтических препаратов (протеинов,
ферментов, антител);
2)
«зеленая» биотехнология - направлена на разработку и создание
генетически модифицированных (ГМ) растений, устойчивых к биотическим и
абиотическим стрессам, определяет современные методы ведения сельского и
лесного хозяйства;
3)
«белая»
промышленная
биотехнология,
объединяющая
производство биотоплива, биотехнологии в пищевой, химической и
нефтеперерабатывающей промышленности;
4)
«серая»
связана
с
природоохранной
деятельностью,
биоремедиацией;
5)
«синяя» биотехнология – связана с использованием морских
организмов и сырьевых ресурсов.
Правительством Республики Казахстан выделено 4 направления развития
биотехнологии - медицинское, сельскохозяйственное, индустриальное и
экологическое.
Современная
биотехнология
характеризуется
использованием
биологических методов для борьбы с загрязнением окружающей среды. В
частности при решении следующих прикладных вопросов:
1) утилизации твердой фазы сточных вод и твердых бытовых отходов с
помощью анаэробного сбраживания;
2) биологической очистки природных и сточных вод от органических и
неорганических соединений;
3) микробного восстановления загрязненных почв, получения
микроорганизмов, способных нейтрализовать тяжелые металлы в осадках
сточных вод;
4) компостирования (биологического окисления) отходов растительности
(опада листьев, соломы и др.);
5) создания биологически активного сорбирующего материала для
очистки загрязненного воздуха.
В данной работе более подробно рассмотрены вопросы биотехнологии,
связанные с природоохранной деятельностью или так называемой
биоремедиацией, в частности, с очисткой промышленных сточных вод.
Биоремедиация — комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с
использованием метаболического потенциала биологических объектов.
В процессе переработки руд цветных, тяжелых и редких металлов
образуются промышленные сточные воды, загрязненные металлами в
катионной и анионной форме, например, катионами меди, цинка, свинца,
никеля, марганца, титана; анионами мышьяка, молибдена и др. Очистка
подобных сточных вод с использованием общепринятых технологий,
включающих обработку сточной воды известью и неорганическими
коагулянтами, не позволяет достичь необходимой степени очистки воды для
использования ее в водооборотных системах предприятий, или для сброса в
водные объекты [1].
Для более эффективной очистки сточных вод горно-металлургических
комплексов предложена технология очистки с использованием биокоагулянта,
получаемого микробиологическим путем с помощью ацидофильных
железобактерий, которые в процессе своей жизнедеятельности переводят
железо из двухвалентного в трехвалентное состояние [2,3].
Штамм бактерий Thiobacillus ferrooxidans, который используется для
получения биокоагулянта, депонирован в Музее культур микроорганизмов
ГНПОПЭ «Казмеханобр» [3]. Бактерии Thiobacillus ferrooxidans являются
аэробным, растут в кислой среде, они способны окислять S0, S2-, S4O62- , S2O42- ,
SO32-; не усваивают источники углерода, а в качестве источников азота
используют NH4+, NO3-, пептон и белки питательных сред. В присутствии
биогенных элементов и кислорода в кислых средах бактерии окисляют Fe2+ до
Fe3+ при оптимальной концентрации Fe2+ от 20 до 32 г/дм3. Катион Fe2+
транспортируется через мембрану клеточной оболочки в периплазматическое
пространство и электрон акцептируется белком рустицианином, а затем по
цитохромной цепи он переносится на кислород и восстанавливается на
внутренней стенке цитоплазматической мембраны. Образующийся катион
Fe3+связывается с органическими веществами клетки в хелатные комплексные
соединения, элиминируется из клетки и попадает обратно в питательную
минерализованную среду.
Для получения биомассы штамма бактерий Thiobacillus ferrooxidans
используется минерализованная питательная среда, в которую входят: магний
сульфат 7-водный; калий дигидроортофосфат; аммоний сульфат; серная
кислота и железо (II) сульфат 7-водный.
В ГНПОПЭ «Казмеханобр» был предложен способ изменения состава
минерализованной питательной среды, в частности, замена товарного реагента
сульфата железа (II) 7-водного на реагент, получаемый из отходов
производства – железного металлолома и отработанной серной кислоты [4].
В качестве железосодержащего реагента при культивировании биомассы
бактерий нами предложен реагент ферроксид, который получают в
специальном аппарате ферроксере [5]. Ферроксид может быть приготовлен
различной концентрации по основному компоненту Fe2+. Например, для
получения 1м3 готового реагента с активностью по Fe2+ 20г/дм3 в аппарат
ферроксер загружают 20-30 кг железной стружки (сталь-3), заливают 1м3
холодной воды и 40 кг технической серной кислоты (96% с плотностью
1,8г/см3). Время наработки реагента составляет в среднем 3 часа. По
химическому составу реагент представляет собой смесь соединений
(сульфатов) двухвалентного и частично трехвалентного железа в виде
суспензии. Реагент нарабатывается в жидком виде, он имеет темно-серый или
светло-коричневый цвет, без запаха. Величина pH готового реагента составляет
4-5.
Как показали исследования, ферроксид является универсальным и
многофункциональным реагентом, проявляющим свойства восстановителя,
коагулянта, сорбента, и используется для очистки различных типов
промышленных сточных вод, например, хром- и нефтесодержащих сточных
вод [6].
Использование при
культивировании биомассы штамма бактерий
Thiobacillus ferrooxidans реагента ферроксид вместо химического реагента
железного купороса позволит значительно удешевить процесс промышленного
получения
биокоагулянта.
Исходное
сырье
для
приготовления
минерализованной
питательной
среды
характеризуется
высокой
себестоимостью: 1т товарного железного купороса имеет себестоимость 975 $
США, а реагент ферроксид – 51,5 $ США. Себестоимость получаемой
биомассы биокоагулянта также снижается при использовании реагента
ферроксид с 396 $ США до 58,7 $ США.
Способ культивирования
биомассы штамма бактерий Thiobacillus
ferrooxidans заключается в следующем: смешивают минерализованную
питательную среду с инокулятом штамма бактерий Thiobacillus ferrooxidans [3]
в объемном соотношении 1:1; культивирование полученной смеси проводят в
ферментаторах при температуре 28-30 0С и аэрацией воздухом до достижения
определенного содержания Fe (III). Полученная биомасса содержит Fe (III),
продукты
ассимиляции
и
диссимиляции
бактерий,
компоненты
минерализованной питательной среды и воду, удельный вес биокоагулянта –
1,695 г/см3, титр 106 – 107 кл/дм3. Таким образом, биомасса готового
коагулянта содержит живые клетки бактерий, которые также принимают
участие в процессе очистки сточных вод и способствуют увеличению
эффективности очистки воды от различных загрязняющих веществ.
Технологическая схема очистки сточных вод с использованием
биокоагулянта включает следующие процессы: нейтрализацию сточной воды
известковым молоком до Ph 8,5-9,5; коагуляцию примесей при добавлении
биокоагулянта; отстаивание смеси с образованием осветленной сточной воды и
осадка, представляющего собой смесь гидроксида железа (III) и примесей
сточной воды; фильтрацию осветленной воды и использование ее в
водооборотных системах предприятия.
В сточную воду в процессе очистки поступает некоторое количество
бактерий Thiobacillus ferrooxidans, но они не вирулентны, не токсичны и не
вызывают патологических изменений в организме теплокровных. Бактерии
быстро погибают, так как жизнеспособны только в кислой среде, и выводятся
из системы вместе с осадками.
Для очистки каждого типа сточных вод экспериментально подбираются
оптимальные условия очистки: дозы известкового молока и биокоагулянта,
время перемешивания и контакта сточной воды с реагентами, время
отстаивания смеси. Предлагаемая технология очистки должна обеспечивать
необходимую степень очистки сточной воды от токсичных компонентов с
целью ее использования в водообороте на предприятии для исключения сброса
сточных вод в водоемы. Исследования по использованию биокоагулянта для
очистки сточных вод от ионов тяжелых металлов (медь, цинк, свинец), ионов
титана, вольфрама, молибдена, сурьмы, мышьяка и других загрязняющих
веществ, характерных для горнометаллургических предприятий, показали
высокую эффективность очистки (96 – 99%) [4, 7].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Торочешников Н.С., Родионов А.И., Клушин В.Н. Техника защиты
окружающей среды: Учебное пособие для вузов. – М.: Химия, 1984. – 386с.
2. Smith J.R, Lithy R.G., Middleton A.C. Microbial ferrous from oxidation
solution // J. Water Pollut. Contr. Fed. 1988. Vol. 6, № 4. p. 518-530.
3. Патент РК № 8264. Средство для очистки сточных вод и способ его
получения / Р.И. Розвага, А.Н. Клец, Б.М. Шаяхметов и др., опубл. 15.12.1999,
бюл. №12.
4. Патент РК №11324. Способ культивирования биомассы штамма
бактерий Thiobacillus ferrooxidans из отходов производства / Р.И. Розвага, А.Н.
Клец, С.С. Нуркеев, Е.В. Толмачева, опубл. 15.03.2002, бюл. №3.
5. Лапшина И.З., Телеш А.Д., Нуркеев С.С. Реагент из промышленных
отходов для очистки сточных вод // Новости науки Казахстана. 1999, вып. 2. с.
25-26.
6. Лапшина И.З., Сидченко В.Я., Нуркеев С.С. Очистка хромсодержащих
сточных вод по ферроксидной технологии // Промышленность Казахстана.
2002, №2. с. 77-78.
7. Лапшина И.З., Стуканов В.А., Супонникова С.Ф. Очистка сточных вод
производства свинцово-молибдатных кронов биокоагулянтом //Цветная
металлургия. 1990, №10. с.60-61.