Подготовка содержащего углеводороды шлама к биологическому обезвреживанию

УДК 606:628

А. А. Несмелов, Т. В. Григорьева, Р. Х. Хузаянов, А. А. Смолко,

И. Р. Мухаметшин, Е. В. Никитина, Е. В. Гицарева, Р. П. Наумова

ПОДГОТОВКА СОДЕРЖАЩЕГО УГЛЕВОДОРОДЫ ШЛАМА

К БИОЛОГИЧЕСКОМУ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЮ

Ключевые слова: шлам, замораживание и оттаивание, подготовка шлама к биологическому обезвреживанию,

биоремедиация.

Работа посвящена характеристике эффектов замораживания и оттаивания шлама предприятия органического синтеза, важных для последующего биологического обезвреживания данного отхода. Определено влияние замораживания и оттаивания на обезвоживание шламовой эмульсии, ее структуру, численность и дыхательную активность микрофлоры шлама, токсикологические характеристики водной фазы шлама. Обнаружено, что замораживание и оттаивание вызывает дестабилизацию структуры шлама, которая проявляется в ускорении его обезвоживания при центрифугировании. Обезвоженный шлам пригоден для агротехнической обработки и перевода в состояние рыхлого твёрдого субстрата, что делает его доступным для дальнейшего биологического обезвреживания. Процедура замораживания и оттаивания приводит к повышению респираторной активности микрофлоры и не изменяет токсикологических характеристик водной фазы шлама. Полученные данные позволяют рассматривать замораживание и оттаивание как эффективный этап подготовки шлама к биологическому обезвреживанию.

Keywords: sludge, freeze-thaw, preparation for bioremediation, bioremediation.

This work is devoted to characterization of freeze-thaw cycle effects important for subsequent bioremediation of organic synthesis plant sludge. Here, we have estimated effects of freeze-thaw cycle on sludge dewatering, its structure, number of microorganisms and their respiratory activity, as well as toxicological characteristics of sludge water phase. Freeze-thaw cycle results in a destabilization of a sludge structure that was fixed as dewatering acceleration by centrifugation of sludge. The dehydrated sludge is suitable for agrotechnical processing and conversion to a friable solid substrate, that is favourable for the subsequent sludge bioremediation. The freeze-thaw cycle induces an increase of microbial respiratory activity and does not alterate toxicological characteristics of sludge water phase. Our data supports the freeze-thaw cycle is an effective stage of sludge pretreatmentfor the bioremediation.

Введение

На этапе первичной очистки сточных вод предприятий органического синтеза и нефтехимии образуются отходы, загрязнённые углеводородами — шламы. Образование шламов представляет собой серьёзную угрозу экологии.

Переработка шламов биологическими методами ограничена ввиду высокого уровня загрязнения отходов этого типа токсичными компонентами [1], длительности трансформации углеводородного загрязнения, а также из-за типичного вязкого состояния шламов, которое ограничивает доступ кислорода в их толщу. Существующие примеры биологического обезвреживания шламов, содержащих углеводороды, в большинстве случаев предусматривают разбавление отхода за счёт смешивания с твёрдыми агентами и наполнителями (почвой, опилками и т. п.) [1]. Смешивание с наполнителями способствует снижению токсического влияния углеводородов и усилению аэрации толщи отхода, что ускоряет деградацию загрязнителей. Однако, смешивание шлама с наполнителями увеличивает стоимость переработки и объём конечного продукта, содержащего остаточное загрязнение.

В настоящей работе исследована возможность использования замораживания и оттаивания для подготовки шлама предприятия органического синтеза ОАО «Казаньоргсинтез» (г. Казань, Республика

Татарстан) к биологическому обезвреживанию. Замораживание и оттаивание рассматривается как

способ обезвоживания нефтешламов и иных водонефтяных эмульсий [2,3]. Обезвоживание шлама и соответствующее преобразование его структуры из состояния вязкой однородной массы в состояние рыхлого твёрдого субстрата является необходимым условием биологического обезвреживания данного отхода. В связи с вышеизложенным, нами проанализировано влияние замораживания и оттаивания шлама на наиболее важные с точки зрения последующего биологического

обезвреживания отхода параметры: обезвоживание шламовой эмульсии, численность и дыхательную активность микрофлоры шлама, токсикологические характеристики водной фазы шлама.

Экспериментальная часть

Характеристика объекта. Объектом исследования в данной работе является твёрдый промышленный отход (шлам) предприятия ОАО «Казаньоргсинтез» (Россия, Республика Татарстан, г. Казань). ОАО «Казаньоргсинтез» является одним из крупнейших химических предприятий в Российской Федерации, в том числе — крупнейшим производителем полиэтилена. Шлам, содержащий углеводороды, образуется в ходе первичной очистки сточных вод предприятия. Данный отход представляет собой смесь компонентов, которые при отстаивании отделяются от объёма стоков вследствие оседания или всплытия. Такой путь образования шлама предопределяет наличие в его составе трёх основных компонентов — остатков сточной воды, органических компонентов

(преимущественно углеводородов), а также механических примесей, включающих минеральные остатки, соли и продукты коррозии.

Отбор и подготовка проб. Для лабораторных экспериментов использовали усредненный шлам. Отбор проб проводили из действующего шламонакопителя глубиной 1,2 м с помощью цилиндрического пробоотборника. При отборе захватывали весь слой шлама до дна накопителя, исключая верхний слой толщиной около 0,3 м, изменённый за счёт воздействия окружающей среды. 12 частных проб шлама, отобранных из точек, равномерно распределённых по площади шламонакопителя, объединяли и тщательно перемешивали для получения средней пробы шлама. Проведённый отбор проб шлама соответствует требованиям ГОСТ. Подготовка проб к анализу химического состава включала высушивание, отбор посторонних включений и измельчение.

Процедура замораживания и оттаивания. Шлам замораживали при температуре минус 14°С в течение 12 часов, оттаивали при 23—25°С в течение 12 часов (за исключением эксперимента с определением дыхательной активности микрофлоры, который начинали непосредственно после подъёма температуры проб шлама до комнатной). Для предотвращения потерь компонентов шлама контейнеры держали герметично закрытыми.

Определение скорости обезвоживания шлама

Для оценки дестабилизации шламовой эмульсии под воздействием замораживания и оттаивания была оценена скорость разделения шлама ОАО «Казаньоргсинтез» на водную фазу и осадок при центрифугировании до и после воздействия замораживания и оттаивания. Данный метод

используется для характеристики стабильности водонефтяных эмульсий [3].

Образцы шлама известной массы замораживали непосредственно в центрифужных пробирках. После оттаивания шлама пробирки

центрифугировали при 3500g от 20 до 150 мин и сливали отделившуюся водную фазу. Взвешиванием определяли массу оставшегося шлама и вычисляли массу отделившейся воды. Массу углеводородов, отделившихся в виде плёнки на поверхности воды, не учитывали, поскольку их объем оставил менее 1% от первоначального объёма образцов.

Оценка численности культивируемых микроорганизмов. Для оценки численности

культивируемых микроорганизмов в шламе использовали стандартный метод посева разведений шлама на твёрдые среды: мясо-пептонный агар (МПА) для аэробных гетеротрофных микроорганизмов, среду Эндо для бактерий группы кишечной палочки и минеральную среду ((КН4)^04 - 1 г/л; MgSO4 - 0,25 г/л; КН2Р04 — 3 г/л; №2НР04х12Н20 — 4,5 г/л) с гексадеканом (10мкл/мл) для выделения микроорганизмов, способных использовать данный углеводород в качестве единственного источника углерода и энергии.

Оценка численности некультивируемых микроорганизмов. Численность некультивируемых микроорганизмов в шламе определяли с

использованием модифицированного метода Когуре [4]. К разведенному (1:10 - 1:40) шламу вносили стерилизованный раствор дрожжевого экстракта до конечной концентрации 250 мкг/мл и стерилизованный раствор антибиотиков до следующих конечных концентраций: налидиксовая кислота - 20 мкг/мл, пипемидиновая кислота - 10 мкг/мл, цефалексин - 10 мкг/мл, ципрофлаксин - 0,5 мкг/мл. Смесь инкубировали при 28°С в течение 6 ч, и при микроскопии фиксированных препаратов подсчитывали общее количество клеток, в том числе клеток, увеличившихся в размерах.

Определение дыхательной активности микрофлоры шлама. Дыхательную активность

микробного сообщества шлама до и после замораживания и оттаивания определяли по эмиссии CO2 в аэробных условиях [5]. Пробы шлама замораживали в закрытых пластиковых контейнерах с введённой в объём отхода термопарой при - 14°С. Оттаивание проводили при температуре 23-25°С до подъёма температуры шлама до комнатной. Пробы исходного шлама и шлама после оттаивания

инкубировали 1ч в темноте при 20°С в закрытом объёме и проводили анализ газовой фазы с помощью хроматографа «Хром—5».

Анализ токсикологических характеристик шлама. Токсичность водной фазы шлама по

отношению к Paramecium caudatum и Ceriodaphnia affinis оценивали в соответствии с РД 52.24.566-94

[6]. Токсичность по отношению к цериодафниям

выражали в показателе безопасной кратности разведения (БКР 10), рассчитанном как кратность разведения образца, которое оказывает 10%

токсическое действие на тест-объект.

Генотоксичность водной фазы шлама определяли в тесте Эймса по регистрации частоты реверсии ауксотрофного по гистидину штамма Salmonella typhimurium TA100 к прототрофности. О мутагенном эффекте судили по кратности превышения численности индуцированных ревертантов над спонтанным фоном мутирования

[7]. Превышение спонтанного фона более чем в 2,5 раза свидетельствует о генотоксическом потенциале исследуемого образца.

Фитотоксичность исходного шлама оценивали в соответствии с методом ISO 11269-1

[8]. Фитотоксичность в обоих случаях превышала 100% и её выражали в ЕС50 - показателе, определяемом как массовая доля шлама в смеси с почвой или водой, оказывающая 50% ингибирующий эффект по отношению к тест-объекту.

Анализ химического состава шлама. Содержание органического углерода определяли методом мокрого сжигания бихроматом калия по Тюрину в модификации ЦИНАО, содержание углеводородов - гравиметрически, с использованием исчерпывающей экстракции хлороформом в аппарате Сокслета. Влажность рассчитывали после высушивания шлама при 105°С до постоянного веса, с учётом содержания летучих компонентов. Содержание бензо(а)пирена измеряли методом газовой хроматографии/масс

спектрометрии на хромато-масс-спектрометре Clarus 500 (Perkin Elmer, USA) в экстракте шлама системой метанол: вода (9:1 по объёму). Долю летучей с водным паром фракции шлама выявляли путем конденсации и сбора в ловушке летучих компонентов исходного отхода при кипячении его с водой [9]. Общее

содержание азота определяли по Кьельдалю,

содержание подвижных соединений фосфора -

методом Мачигина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26205-9). О рН шлама судили по измерению рН в водном экстракте (соотношение шлам/вода 1:2).

Статистическая обработка. Все варианты экспериментов проводили не менее чем в трех повторностях. Обработку данных проводили в программе Microsoft Excel 2010. Представление данных в тексте: M±N, где M - среднее

арифметическое, N - стандартное отклонение, данные в графиках представлены аналогично.

Результаты исследований и обсуждение

Характеристики шлама

Визуально шлам ОАО «Казаньоргсинтез» представляет собой вязкую тёмно-серую массу (рисунок 1) с резким запахом углеводородов.

В исходном состоянии отход характеризуется высоким уровнем загрязнения и токсичности. Содержание бихромат-окисляемых компонентов составило 133,5±10,5 г/кг, содержание углеводородов — 99,2±16,5 г/кг (таблица 1). В составе шлама обнаружен маркерный представитель

полиароматических углеводородов, бензо(а)пирен, в количестве 20,9±1,1 мг/кг, что на три порядка превышает ПДК данного вещества в почве согласно гигиеническим нормативам 2.1.7.2041-06 [10]. Шлам характеризуется также высоким содержанием низкомолекулярных углеводородов, летучих с водяным паром (87,5±7,1) г/кг. Такой уровень углеводородного загрязнения шлама сочетается с его высокой влажностью (71±2%), обусловленной типичным для шламов состоянием в виде стабильной эмульсии [2]. С точки зрения содержания биогенных элементов, отход характеризуется дефицитом соединений фосфора. Отношение C:N составляет 32:1. Данное значение попадает в диапазон значений от 10:1 до 60:1, которые в литературе характеризуются как оптимальные для деградации углеводородов в шламах и почвах [11,12]. Отношение C:P (по подвижному фосфору) составляет 1390:1, что значительно ниже рекомендуемого уровня 200:1 [13] Водный экстракт отхода характеризуется щелочными значениями рН (8,4±0,2).

Высокий уровень загрязнения шлама обусловил его высокую фитотоксичность, которая в тесте на прорастание семян овса Avena sativa составила 20±7% по показателю ЕС50. Токсичность водной фазы отхода, получаемой путём его центрифугирования, составила по показателю ЕС50 50±12%.

Таким образом, шлам ОАО «Казаньоргсинтез» представляет собой отход с высоким уровнем загрязнения и токсичности, и характеризуется структурой, неблагоприятной для его биологического обезвреживания.

Рис. 1 - Внешний вид шлама ОАО

«Казаньоргсинтез»

Таблица - Характеристики шлама ОАО «Казаньоргсинтез»

Характеристика Значение

Содержание органического углерода (бихромат-окисляемых компонентов), гС/кг 133,5±10,5

Содержание углеводородов (экстрагируемых хлороформом), г/кг 99,2±16,5

Влажность, % 71±2

Содержание бензо(а)пирена, мг/кг 20,9±1,1

Содержание летучих с водяным паром компонентов, г/кг 87,5±7,1

Общее содержание азота, г Ы/кг 4,2±2,5

Содержание подвижного фосфора, мг Р/кг 96±12

рН водной вытяжки 8,4±0,2

Фитотоксичность шлама по отношению к овсу в тесте на прорастание семян, ЕС50, % 20±7

Воздействие замораживания и оттаивания на обезвоживание шлама

Для оценки воздействия замораживания и оттаивания на обезвоживание шламов оценили скорость разделения шламов на водную фазу и осадок при центрифугировании. Полученные данные свидетельствуют об увеличении скорости разделения шламов на водную фазу и осадок после воздействия замораживания и оттаивания (рисунок 2). За 20 минут центрифугирования от исходного шлама отделяется вода в количестве 28 % по массе, тогда как от шлама после замораживания и оттаивания - более 39 % (рисунок 2). Таким образом, замораживание и оттаивание дестабилизирует структуру шлама и способствует увеличению эффективности его обезвоживания в модельных условиях центрифугирования.

микроорганизмов преимущественно вносит вклад гибель клеток (рис. 4).

Рис. 2 - Воздействие замораживания и оттаивания на скорость обезвоживания шлама ОАО «Казаньоргсинтез» при центрифугировании

Воздействие замораживания и оттаивания на численность микрофлоры шлама

Под воздействием замораживания и оттаивания численность аэробных гетеротрофных микроорганизмов в шламе снижается (снижение ^ численности с 6,2±1,1 до 4,5±0,4) (рисунок 3). Численность бактерий группы кишечной палочки также снижается (^) с 3,8±0,7 до 2,2±0,6. Однако численность микроорганизмов, использующих гексадекан в качестве единственного источника углерода и энергии, не изменяется, оставаясь на высоком уровне (^ численности после замораживания и оттаивания 4,3±0,6).

г з

Рис. 3 - Численность культивируемых

микроорганизмов до и после воздействия замораживания и оттаивания. Группы микроорганизмов: 1 - аэробные гетеротрофные микроорганизмы, 2 - деструкторы гексадекана, 3 -бактерии группы кишечной палочки

Воздействие холодового стресса может вызывать переход части микрофлоры в некультивируемое состояние [14] и внести вклад в снижение численности культивируемых

микроорганизмов наряду с их гибелью. В связи с этим, в шламе до и после замораживания и оттаивания был осуществлён прямой подсчёт некультивируемых микроорганизмов [4]. Выявлено, что количество бактерий, не отвечающих в присутствии налидиксовой кислоты увеличением объема клетки на внесение дрожжевого экстракта (некультивируемые формы), достоверно не изменялось после процедуры замораживания и оттаивания. Полученные данные свидетельствуют, что в снижение численности

лишь как способ уменьшения объёма замораживания и

Рис. 4 - Количество некультивируемых клеток микроорганизмов в шламе до и после замораживания и оттаивания

Под воздействием замораживания и оттаивания дыхательная активность микрофлоры шлама ОАО «Казаньоргсинтез» снижается на 30%, с 26±0,9 до 18±1,4 мг СО2/кг*ч (рисунок 5). Это может быть вызвано как гибелью части микробных клеток под воздействием замораживания и оттаивания, так и угнетением их активности под действием холодового стресса [14].

Таким образом, процедура замораживания и оттаивания описана для некоторых шламов и водонефтяных эмульсий, однако она рассматривается их кондиционирования и [2,3]. Данные об эффектах оттаивания как способа подготовки шламов к биологическому обезвреживанию отсутствуют. Нами после примененной процедуры замораживания и оттаивания шлама ОАО «Казаньоргсинтез» выявлено ускорение обезвоживания шлама, свидетельствующее о дестабилизации структуры шлама, в соответствии с имеющимся данными литературы [2,3]. В полевых условиях обезвоживание дестабилизированных масс шлама будет происходить за счёт высыхания. Ускоренный переход дестабилизированной шламовой эмульсии из исходного состояния вязкой однородной массы в состояние твёрдого субстрата приведёт к улучшению структуры отхода без применения наполнителей. Высушенный шлам уже готов к агротехнической обработке - например, рыхлению. Кроме того, ускорение обезвоживания шлама увеличивает продолжительность эффективного периода его дальнейшей биологической обработки в пределах ограниченного по длительности тёплого сезона. Известно также, что воздействие замораживания и оттаивания может вызывать уплотнение углеводородной, плотной фазы воднонефтяных эмульсий [2]. Более того, замораживание и оттаивание считается одним из основных факторов образования структуры почв на уровне агрегатов [15]. Уплотнение и агрегирование как последствия замораживания и оттаивания напрямую способствуют организации физической структуры шлама в твердый рыхлый субстрат.

Хотя формально замораживание и оттаивание шлама ОАО «Казаньоргсинтез» оказало

неблагоприятное воздействие на численность микроорганизмов (рисунок 2), их дыхательная активность в расчете на число жизнеспособных микроорганизмов возрастает более чем в 80 раз. Особенно благоприятным представляется выявленное отсутствие снижения численности микроорганизмов-деструкторов углеводородного загрязнения, которые будут играть ключевую роль в дальнейших процессах самоочищения шлама. Установлено, что снижение общей численности микроорганизмов не связано с их переходом в некультивируемое состояние вследствие процедуры замораживания и оттаивания (рис. 3). Следовательно, именно гибель микроорганизмов вносит основной вклад в снижение их численности. Эти данные находятся в русле современных представлений о том, что замораживание и оттаивание, за исключением низкотемпературных процессов -например, проводимых с использованием жидкого азота, оказывает негативное воздействие на численность микроорганизмов. Аналогичное снижение численности культивируемых микроорганизмов продемонстрировано для осадков бытовых сточных вод, подвергшихся замораживанию и оттаиванию [16]. Отсутствие индукции некультивируемого состояния бактерий процессами замораживания и оттаивания является положительным фактором для дальнейшего биологического обезвреживания отхода, поскольку означает, что метаболическая активность сообщества не снизится за счет вывода из него гипометаболических форм микроорганизмов, индуцированных естественным холодовым воздействием.

Наши данные свидетельствуют, что масштаб снижения численности микрофлоры шлама ОАО «Казаньоргсинтез» под действием замораживания и оттаивания не может служить показателем неблагоприятного течения последующего

биологического обезвреживания отхода. Микробные сообщества почв в природных условиях регулярно претерпевают сукцессионные изменения,

проявляющиеся в изменении не только численности, но и активности микроорганизмов различных групп [14]. Наблюдаемое нами снижение численности микрофлоры под действием замораживания и оттаивания может быть в дальнейшем

скомпенсировано как за счёт активации деления выживших микроорганизмов, так и за счет дальнейшего повышения их метаболической активности, зафиксированной нами по

интенсификации удельного дыхания.

Работа выполнена в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», ГК №16.515.11.5043.

Литература

1. Van Hamme J.D., Singh A., Ward O.P., Microbiol. Mol. Biol. Rev, 67, 4, 503-549

2. D.J. Jean, C.P. Chu, D. Lee, Separ. Sci. Technol., 36, 12, 2733-2746

3. C. Lin, G. He, X. Li, L. Peng, C. Dong, S. Gu, G. Xiao, Separ. Purif Technol., 56, 2, 175-183

4. J. Paul. (ed.), Methods in Microbiology. Volume 30. Marine Microbiology, Academic Press, New Jork, 2001. 666 p.

5. РД 52.24.566-94 «Рекомендации. Методы

токсикологической оценки загрязнения пресноводных экосистем», Гидрометеоиздат, Санкт-Петербург, 2004.

41 с.

6. F. Schinner, E. Kandeles, R. Ohlinger, R. Margesin, Methods in Soil Biology, Springer, Berlin, 1995. 426 p.

7. D.M. Maron, B.N. Ames, Mutat. Res., 113, 3-4, 173-215

8. ISO 11269-1 «Soil quality - determination of the effects of pollutants on soil flora - Part 1: Method for measurement of inhibition of root growth», International Standard Organisation, Geneva, 1993. 13 p.

9. Ю.Ю. Лурье, Аналитическая химия промышленных сточных вод, Химия, Москва, 1984. 447 с.

10. J.T. Dibble, R. Bartha, Appl. Environ. Microb, 34, 4, 729-739

11. H.I. Atagana, R.J. Haynes, F.M. Wallis, Biodegradation, 14, 4, 297-307

12. S.A. Mills, W.T. Frankenberger, B. Environ. Contam. Tox., 53, 280-284

13. Д.Г. Звягинцев, И.П. Бабьева, Г.М. Зенова, Биология почв, Изд-во МГУ, Москва, 2005. 445с.

14. А.А. Шинкарёв, К.Г. Гиниятуллин, Л.В. Мельников, Г.А. Кринари, С.Г. Гневашев, Органические компоненты глино-металло- органического комплекса почв лесостепи (теоретические и экспериментальные аспекты изучения), Изд-во КГУ., Казань, 2007. 249 с.

15. F.D. Sanin, P.A. Vesilind, C.J. Martel, Water Res., 28, 11, 2393-2398

© А. А. Несмелов - канд. биол. наук, инж. каф. микробиологии КФУ, nesmelov@gmail.com; Т. В. Григорьева - канд. биол. наук, мл. науч. сотр. той же кафедры, tatabio@inbox.ru; Р. Х. Хузаянов - нач. цеха НиОПСВ ОАО «Казаньоргсинтез»; А. А. Смолко - зам гл. инженера ОАО «Казаньоргсинтез», smolko@kos.ru; И. Р. Мухаметшин - зам. нач. цеха №109-110 ОАО «Казаньоргсинтез», ilnar2502@mail; Е. В. Никитина - канд. биол. наук, доц. каф. пищевых производств КНИТУ, ev-nikitina@inbox.ru;Е. В. Гицарева - нач. лаб. цеха НиПСВ ОАО «Казаньоргсинтез», ev_gitsareva@mail.ru; Р. П. Наумова -вед науч. сотр. КФУ, r.p.naumova@gmail.com.