БИОПРЕПАРАТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ УГЛЕВОДОРОДАМИ
BIOPREPARATION FOR PURIFYING WATER FROM HYDROCARBON CONTAMINANTS

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.
3
3
2
3
2
2
3
Известен биопрепарат для очистки воды от загрязнений углеводородами, включающий пористый носитель биологически активных микроорганизмов, содержащий стеклообразные метафосфаты: KPO, Mg(PO), Са(PO), а также AlO, 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.
3
2
3
2
3
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 SiO и BO, влияющих на кинетику растворения в сторону увеличения его скорости. AlO 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.
3
3
2
3
2
2
3
2
Согласно изобретению биопрепарат для очистки воды от загрязнений углеводородами, включающий пористый носитель биологически активных микроорганизмов, содержащий стеклообразные метафосфаты: KPO, Mg(PO), Са(PO), а также AlO, и микроорганизмы-деструкторы углеводородов, дополнительно содержит TiO и неорганические азотосодержащие соединения при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
KPO<sub>3</sub>
20-40
Mg(PO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>
5-10
Са(PO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>
30-50
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
5-10
TiO<sub>2</sub>
1-5
KNO<sub>3</sub>
1-3
NH<sub>4</sub>H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>
остальное
3
3
2
3
2
2
3
2
3
4
2
4
Пористый носитель биологически активных микроорганизмов изготавливают следующим образом. Плавленые стеклообразные метафосфаты: KPO, Mg(PO), Са(PO), а также AlO, TiO 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 KNO, являющийся основным источником азота для питания микроорганизмов, и монофосфат аммония (NHHPO) в размолотом виде с такими же гранулометрическими параметрами.
3
2
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/см, пористость - 2500-3200 см/г.
3
3
2
При содержании KPO менее 20 мас. % и Mg(PO) менее 5 мас. % не обеспечивается достаточное питание микроорганизмов. При содержании этих компонентов больше соответственно 40 и 10 мас. % не обеспечивается достаточная однородность структуры носителя.
3
2
3
2
При содержании Са(PO) меньше 30 мас. % не обеспечивается требуемая растворимость гранул. При содержании Са(PO) больше 50 мас. % носитель имеет нежелательную кристаллическую структуру.
2
3
При содержании AlO меньше 5 мас. % скорость растворения метафосфатов в воде слишком велика и через относительно короткий срок биопрепарат вследствие растворения носителя прекращает свое действие.
2
3
Содержание AlO более 10 мас. % нецелесообразно, поскольку, практически, перестает влиять на скорость растворения стекловидных метафосфатов в воде.
2
2
Наличие TiO 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 TiO более 10 мас. % указанный эффект практически не увеличивается.
9
Внесение биологически активных микроорганизмов в пористый носитель осуществляют путем помещения носителя в культуральную жидкость, содержащую микроорганизмы с титром (2-5)·10 кл./мл.
12
Поверхностное культивирование микроорганизмов на пористом носителе проводили при 20°С в течение 72 часов. После культивирования титр полученного биопрепарата составил 10жизнеспособных 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
KPO<sub>3</sub>
20
Mg(PO<sub>3</sub>)
5
Са(PO<sub>3</sub>)
50
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
10
TiO<sub>2</sub>
1
KNO<sub>3</sub>
1
NH<sub>4</sub>H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>
остальное (13)
II вариант
KPO<sub>3</sub>
40
Mg(PO<sub>3</sub>)
10
Са(PO<sub>3</sub>)
30
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
5
TiO<sub>2</sub>
5
KNO<sub>3</sub>
3
NH<sub>4</sub>H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>
остальное (7)
III вариант
KPO<sub>3</sub>
30
Mg(PO<sub>3</sub>)
7
Са(PO<sub>3</sub>)
40
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
8
TiO<sub>2</sub>
3
KNO<sub>3</sub>
2
NH<sub>4</sub>H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>
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.
2
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 N. 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.
3
3
Испытания проводили в колодце объемом 25 м 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/дм. 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.
3
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/дм. 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.