Получение нефтяного биосорбента на основе карбонизата - отхода пиролиза избыточного активного ила

УДК 504.064.45 Е. С. Белик

ПОЛУЧЕНИЕ НЕФТЯНОГО БИОСОРБЕНТА НА ОСНОВЕ КАРБОНИЗАТА -ОТХОДА ПИРОЛИЗА ИЗБЫТОЧНОГО АКТИВНОГО ИЛА

Ключевые слова: биосорбент, карбонизат, нефтеокисляющие микроорганизмы.

Проведены экспериментальные исследования по получению биосорбента на основе макропористого материала - карбонизата, который является отходом производства нефтехимического предприятия. Иммобилизацию осуществляли адсорбционным способом, перемешивая суспензию микроорганизмов-нефтедеструкторов и карбонизат. Представлен сравнительный анализ полученных биосорбентов. Определена эффективность полученных биосорбентов на основе карбонизата в технологии биологической очистки нефтезагрязненных сточных вод.

Keywords: biosorbent, carbonízate, oil-oxidizing microorganisms.

Experimental researches on obtaining a biosorbent based on a macroporous material - carbonizate, which is a waste product of a petrochemical enterprise have carried out. Immobilization have realized by adsorption, mixing a suspension of microorganism-oil destructors and carbonizate. A comparative analysis of the obtained biosorbents have presented. The effectiveness of the obtained biosorbents based on carbonizate in the technology of biological treatment of oil-contaminated wastewater is determined.

Введение

Интерес к получению новых материалов из отходов производства связан с тем, что в настоящее время последние занимают огромные территории, оказывая негативное воздействие на окружающую природную среду. Применение отходов в качестве носителей для микроорганизмов позволит решить сразу несколько важных экологических задач: использовать ресурсный потенциал отхода, тем самым сокращая занимаемые площади, а также применять полученные материалы для очистки от антропогенного загрязнения. Отходы производства, применяемые в качестве носителя для микроорганизмов, должны отвечать следующим требованиям: экономическая выгода, экологическая безопасность, технологическая приемлемость, влияющая на эффективность получаемого биосорбента (общая пористость, размер макропор, влагоемкость материала и т.д.) [1, 2]. Поэтому исследование формирования микробиоценоза на поверхности носителя на основе отхода производства представляет собой одну из актуальных задач современной экобиотехнологии.

В представленной работе приведены результаты экспериментальных исследований по получению биосорбента на основе микроорганизмов-нефтедеструкторов и карбонизата - отхода производства. Исследования направлены на иммобилизацию разных по морфологическим признакам микроорганизмов-нефтедеструкторов на поверхности носителя - карбонизата с целью получения эффективного биосорбента,

применяемого для ликвидации нефтяных загрязнений.

Объекты и методы исследования

Объектами исследования являются карбонизат, штамм Streptomyces Alboaxialic «С» и консорциум углеводородокисляющих микроорганизмов.

Карбонизат является отходом

низкотемпературного пиролиза избыточного активного ила биологических очистных сооружений нефтехимического предприятия.

Штамм Streptomyces Alboaxialic «С», выделенный из высокоминерализованных (260 г/л) пластовых вод Пермской области [3].

Консорциум углеводородокисляющих

микроорганизмов, выделенный из

нефтезагрязненной почвы с содержанием нефтепродуктов 33±8,3 г/кг.

Наращивание биомассы микроорганизмов -нефтедеструкторов осуществляли в ферментере Biostat A Plus на синтетической среде Таусона/Норенковой при температуре 33 ± 2°С и рН = 5,8-6,0. В качестве источника углерода использовали нефть Бугурусланского

месторождения Оренбургской области (плотность -866,3 кг/м3, массовая доля воды - 0,14%, массовая доля механических примесей - 0,0064 %) [2].

Микроскопические исследования проводились на микроскопе Carl Zeiss с программным обеспечением и встроенной видеокамерой.

Биосорбент получали методом физической адсорбционной иммобилизации с перемешиванием суспензии микроорганизмов и носителя.

Эффективность иммобилизации

микроорганизмов на поверхности носителя оценивали по разнице содержания и биомассы клеток микроорганизмов в суспензии до и после контакта с носителем.

Количество клеток микроорганизмов в суспензии определяли высевом на плотные питательные среды (метод Коха) согласно стандартным в микробиологической практике методикам. Количество клеток в 1 мл исследуемого субстрата вычисляли по формуле [4]:

ах10п

М = -,

V

где М - количество клеток в 1 мл; а - среднее число колоний, выросших после посева из данного разведения;

V - объем суспензии, взятый для посева, мл; 10п -коэффициент разведения.

Определение биомассы взвешиванием включает в себя три последовательные операции: доведение центрифужных пробирок до постоянной массы, отделение микроорганизмов от питательной среды центрифугированием и доведение центрифужных пробирок с осадком микроорганизмов высушивают до постоянной массы. Значение биомассы определяли по формуле [4]:

М =

(А - В) X 1000 V '

где М - сухая биомасса, г/л; А - масса центрифужной пробирки с осадком, г; В - масса центрифужной пробирки без осадка, г; V - объем культуральной жидкости, взятый для центрифугирования, мл.

Центрифугирование осуществляли с помощью лабораторной центрифуги марки иС-4000Е.

Определение нефтепродуктов в воде осуществляли методом ИК-спектрометрии с помощью концентратомера КН-2М согласно методике [5].

Концентрацию нефтепродуктов в воде вычисляли по формуле:

Сч =

Си

X В X К

V

где Сизм. - содержание нефтепродуктов в элюате, измеренное на приборе, мг/дм3; В - объем элюата, дм3; V - объем пробы воды, взятой для определения, дм3; К -коэффициент разбавленного элюата.

Гидрохимические и гидробиологические характеристика активного ила, используемого для эксперимента по биологической очистке, определяли в соответствии с ПНД Ф СБ 14.1.77-96 [6].

Идентификацию микроорганизмов активного ила определяли согласно [7, 8].

Статистическую обработку полученных данных осуществляли с использованием компьютерной программы Excel 2007, рассчитывая среднее арифметическое и стандартную ошибку среднего. Достоверность различий между средними величинами оценивали с помощью t - критерия Стьюдента для уровня значимости а = 0,05 [9].

Экспериментальная часть

Формирование микробиоценоза на поверхности материала напрямую зависит от природы носителя и микроорганизмов, степени гидрофильности поверхности материала и живой клетки, заряда поверхности живой клетки и носителя, соотношение размеров клеток микроорганизмов и пор носителя и многих других факторов.

Иммобилизация происходит в водной среде, соответственно, при взаимодействии гидрофобного материала с гидратированной поверхностью клетки происходит отталкивание, что влияет на степень закрепления микроорганизмов.

Известно, что противоположно заряженные микроорганизмы и носитель стремятся друг к другу, тем самым увеличивая количество

иммобилизованных клеток.

Для наилучшего закрепления микроорганизмов размер пор носителя должен быть больше или сопоставим с размерами бактериальной клетки.

Таким образом, правильно подобранный носитель благоприятно влияет на активную жизнедеятельность микроорганизмов, иными словами, способствует стимулированию микробного метаболизма, выполняет защитную функцию для живых клеток от неблагоприятных условий среды и помогает сохранить биохимическую активность иммобилизованных микроорганизмов [4, 10].

Для получения биосорбента использовали карбонизат, который по своим сорбционным характеристикам (общая пористость, объем макропор, влагоемкость) не уступает углеродным органическим материалам природного

происхождения, используемых в качестве носителей для микроорганизмов (табл.1.).

Таблица 1 - Сравнительная характеристика сорбционных свойств углеродных органических материалов

Носитель Общая пористость, см3/г Объем макропор, см3/г Влагоемкость, см3/г

АГ-ПР 0,95 0,55 0,26

Нефтекокс 0,98 0,93 0,05

Сансорб 1,22 0,83 0,24

Шунгизит 0,31 0,10 0,001

Торф 0,32 0,13 0,16

Карбонизат 0,60 0,55 0,60

Одной из важнейших характеристик применения отхода производства в качестве нового материала является экологическая безопасность. На основании ранее проведенных исследований, определено, что выбранный отход имеет 4 класс опасности, не фитотоксичен [11].

Для иммобилизации использовали биомассу консорциума углеводородокисляющих

микроорганизмов и микроорганизмов штамма Streptomyces Alboaxialic «С». Суспензии микроорганизмов - нефтедеструкторов

использовали в тот момент, когда нефть приняла суспендированное состояние, а микроорганизмы находились в нефтяной пленке. Биомасса суспензий составляла не менее 1,0 г/л, количество клеток микроорганизмов в исходной суспензии не менее 107 КОЕ/мл [2]. Микробиологическая картина суспензий микроорганизмов - нефтедеструкторов, используемых для получения биосорбента представлена на рис.1, 2.

В результате проведенных экспериментальных исследований по иммобилизации микроорганизмов - нефтедеструкторов на пористой поверхности карбонизата были получены биосорбционные материалы. Сравнительный анализ полученных биосорбентов представлен в табл. 2.

Рис. 1 - Микробиологическая картина консорциума углеводородокисляющих

микроорганизмов

Рис. 2 - Микробиологическая картина суспензии микроорганизмов штамма

Streptomyces Alboaxialic «С»

Технологические параметры доказывают высокую эффективность закрепления

микроорганизмов - нефтедеструкторов на поверхности карбонизата методом физической адсорбционной иммобилизации на носителе благодаря сорбционным свойствам макропористого материала (общая пористость - 0,6 см3/г, объем макропор - 0,544 см3/г, влагоемкость - 0,6 см3/г), а также шероховатой рабочей поверхности.

На основании проведенного сравнительного анализа установлено, что количество закрепленной биомассы и количество иммобилизованных клеток микроорганизмов на 1 г носителя отличается незначительно, однако, количество

иммобилизованных клеток для штамма Б^ер^тусез А1Ъоах1аНс «С» в 2,2 раза больше, чем для консорциума углеводородокисляющих

микроорганизмов, и составляет 89,4 %.

Аборигенные углеводородокисляющие

микроорганизмы имеют круглую форму клетки и средние размеры 0,5-0,8х0,5-1,0 мкм, в отличие от штамма БХтерХотусез А1Ъоах1аНс «С», который характеризуется ветвящейся формой клеток, имеющих вид коротких палочек и длинных нитевидных образований, напоминающих мицелий

грибов. Ширина клеток актиномицетов 0,2-1,0x2,5 мкм, но часто образуют нити длиной до 10-50 мкм. Соответственно, можно предположить, что в первом случае удерживание клетки происходит за счет ее размещения в поре носителя, а во втором - пора носителя прочно удерживает мицелий актиномицета.

Таблица 2 - Сравнительный анализ полученных биосорбентов на основе карбонизата и микроорганизмов-нефтедеструкторов

Биосорбент на Биосорбент

основе на основе

Параметр консорциума углеводородокисляющих штамма Streptomyces Alboaxialic

микроорганизмов «С»

Количество

закрепленной биомассы, % 60±7,2 66,7±5,8

Количество

иммобилизованных

клеток 41±2,9 89,4±3,7

микроорганизмов, %

Количество

иммобилизованных

клеток микроорганизмов на (2,5±0,4)107 (2,4±0,7)108

1 г носителя,

клеток/г

Для определения эффективности полученных биосорбентов на основе карбонизата проводилась серия экспериментов по биологической очистке нефтесодержащих сточных вод нефтехимического предприятия, характеристика которой представлена в табл.3.

Биологическая очистка сточной воды осуществлялась в лабораторном аэротенке с помощью активного ила. В результате анализа определены гидробиологические и гидрохимические показатели активного ила: скорость оседания хлопка - быстро, цвет буро-коричневый, запах болотный, вода над осевшим илом прозрачная. Иловый индекс составил 106,6 ± 5 мл/г, что говорит об удовлетворительном состоянии активного ила, микробная ассоциация характеризовалась таксонами, способными в качестве органического подкорма использовать сточную воду, содержащую в своем составе трудноокисляемые органические соединения.

В активном иле выявлены гидробионты являющиеся индикаторами хорошей работы очистных сооружений, а именно, Tokophrya Lemnarum, Lecane (Monostyla) decipiens, Arcelladis coides, Arcella vulgaris, Arthro tardigrada, Vorticella campanula, Aelosoma tenebrarum, Aspidisca costata, Zinotusanser, Carchesium spectabile, Loxophyllum fasciolatum, Philodina megalotrocha, Paramecium caudatum, Carchesiums pectabile и др. Богатое видовое разнообразие организмов активного ила свидетельствует о благополучии биологической системы лабораторного аэротенка.

Таблица 3 - Характеристика нефтезагрязненной сточной воды нефтехимического предприятия

№ Показатель Значение показателя

Физико-химические показатели

1 Содержание нефтепродуктов 156,3±21,9 мг/дм3

2 Реакция среды (рН) 7,2 - 7,5

3 ХПК 317,24±47,6 мг Ог/дм3

4 Взвешенные вещества 230±11,5 мг/л

Органолептические показатели

5 Цвет Серый

6 Запах Сильный запах нефтепродуктов

Прозрачность Мутная, присутствуют взвешенные примеси

Эффективность очистки сточной воды оценивалась через 8 и 24 часа с начала эксперимента и контролировалась по остаточному содержанию нефтепродуктов. В качестве контроля использовали результаты по очистке воды от углеводородов нефти традиционным способом. Результаты

экспериментальных исследований по биологической очистке сточной воды с помощью полученных биосорбентов на основе карбонизата представлены на рис.3.

Традиционный Применение БС на Применение БС на способ основе основе

консорциума УВОМ

актиномицета

18 часов

I24 часа

Рис. 3 - Результаты экспериментальных исследований по биологической очистке нефтезагрязненной сточной воды

Анализируя результаты экспериментальных исследований по биологической очистке нефтезагрязненных сточных вод, можно сделать следующие выводы:

Эффективность очистки сточных вод с помощью биосорбентов на основе микроорганизмов -нефтедеструкторов выше по сравнению с традиционным способом очистки.

При использовании биосорбентов увеличение времени очистки сточных вод до 24 часов повышает эффективность очистки незначительно. При традиционном способе эффективность очистки через 24 часа увеличивается в 3 раза, что можно объяснить тем, что микроорганизмам активного ила требуется больше времени для переработки органических веществ.

Биосорбент на основе штамма Streptomyces Alboaxialic «С» является наиболее эффективным по

сравнению с биосорбентом на основе консорциума углеводородокисляющих микроорганизмов, это можно обосновать тем, что количество иммобилизованных клеток штамма составляет 89,4%. Применение биосорбента позволит не увеличивать время очистки до 24 часов, а проводить биологическую очистку в аэротенке в течение 8 часов.

На основании проведенных экспериментальных исследований по получению и применению биосорбента на основе карбонизата установлено:

1. Использование карбонизата избыточного активного ила в качестве биосорбента, применяемого для ликвидации нефтяного загрязнения, позволит сократить объемы складируемых в окружающей среде отходов и наиболее полно использовать их ресурсный потенциал.

2. Получены биосорбенты на основе карбонизата -отхода пиролиза избыточного активного ила и микроорганизмов - нефтедеструкторов. Количество иммобилизованных клеток микроорганизмов составляет 41 % для консорциума углеводородокисляющих микроорганизмов и 87 % - для штамма Streptomyces Alboaxialic «С».

3. Доказана возможность использования биосорбента на основе карбонизата и мокроорганизмов-нефтедеструкторов в технологии биологической очистки сточных вод нефтехимического предприятия.

4. Использование биосорбента на основе штамма Streptomyces АШо^аНс «С» позволяет снизить содержание нефтепродуктов через 8 часов до 70,2 %, а через 24 часа до 86,3 %, что по сравнению с традиционным способом эффективнее в 3,6 раза и в 1,5 раза, соответственно.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-35-00424 мола.

Литература

1. Л.В. Рудакова, Е.С. Белик Вестник Казанского технологического университета, 17, 21, 330-332 (2014).

2. Е.С. Белик Автореф. дисс. канд. техн. наук. Уфимский гос. нефтян. техн. ун-т, Уфа, 2014. 18 с.

3. Авт. свид. СССР № 994557 (1983).

4. А.П. Синицын, Е.И. Райнина, В.И. Лозинский, С.Д. Спасов, Иммобилизованные клетки микроорганизмов, Изд-во МГУ, Москва, 1994. 288 с.

5. ПНД Ф 14.1:2.5-95. Количественный химический анализ вод. Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в природных и сточных водах методом ИК - спектрометрии. Москва, 2004 г.

6. ПНД Ф СБ 14.1.92-96. Методы санитарно-биологического контроля. Методическое руководство по гидробиологическому контролю нитчатых микроорганизмов активного ила.

7. Рекомендации по проведению гидробиологического контроля на сооружениях биологической очистки с аэротенками. Методическое пособие. Изд-во ПГТУ, Пермь, 2004. 52 с.

8. Фауна аэротенков / под ред. Л.А. Кутиковой. Наука, Л., 1984, Т. 2. 263 с.

9. В.П. Боровиков, И.П. Боровиков, Statistica. Статистический анализ и обработка данных в среде Windows. Информационно - изд. дом. «Филин», М., 1997. 608 с.

10. Новый справочник химика и технолога. Сырье и продукты промышленности органических и

неорганических веществ. Часть I. «Мир и Семья», СПб., 2002. 988 с. 11. Я.И. Вайсман, И.С. Глушанкова, М.С. Дьяков, М.Б. Ходяшев, Вода: химия и экология, 3, 14-24 (2011).

© Е.С. Белик - к.т.н., доцент кафедры «Охрана окружающей среды» Пермского национального исследовательского политехнического университета, zhdanova-08@mail.ru.

© E.S. Belik - PhD in Technical Sciences, Associate Professor, Department of Environmental Protection, Perm National Research Polytechnic University (PNRPU), zhdanova-08@mail.ru.