Микробная деструкция фенолов

Фенолы первыми среди органических соединений подверглись очистке специально селекционированными культурами бактерий. В незначительных количествах фенолы образуются в процессах жизнедеятельности как растительных, так и животных организмов, и потому они не могут рассматриваться среди синтетических органических соединений. Тем не менее монофенол — карболовая кислота — с трудом поддается бактериальной деструкции и с давних пор используется для дезинфекции. Дифенолы: пирокатехин, резорцин, гидрохинон — разлагаются значительно легче. Попадая в воду, фенолы придают ей неприятный запах, особенно усиливающийся при хлорировании. По этой причине ПДК фенолов в воде — 0,001 мг/л. Такая низкая предельно допустимая концентрация требует очень сильного разбавления для вод, содержащих фенолы. Поэтому многие авторы предлагали смешивать фенольные воды с хозбытовыми, но в смешанном стоке фенолы плохо поддаются разрушению. Микроорганизмы, способные разрушать фенолы, были выделены многими исследователями в разных странах, в том числе в России. Среди микроорганизмов отмечены разных видов бактерии, грибы, дрожжи, актиномице- ты. Таким образом, способность к деструкции фенолов широко распространена среди микроорганизмов.

Наиболее активно разрушают фенолы представители родов Pseudomonas, Achromobacter, Bacillus.

Интересно отметить, что после того как фенолразрушающие бактерии окисляли большую часть фенолов, в аэротенке могла развиваться обычная гетеротрофная микрофлора, простейшие и даже коловратки. Аэротенки устойчиво работали при поступлении сточных вод с концентрацией фенолов примерно от 1 до 3 г/л. При малых концентрациях не было достаточного прироста микроорганизмов. Фенолсодержащие сточные воды нельзя разбавлять хозяйственно-бытовыми, поскольку в присутствии более доступного субстрата бактерии не окисляют фенолы. Биологический способ получил практическое применение на ряде производств, в том числе для очистки сточных вод коксохимических производств.

Микробная деструкция серосодержащих соединений и ПАВ

Серосодержащие органические соединения весьма разнообразны как по химическому составу, так и по своему назначению. К этой группе относятся лигносульфонаты и дурнопахнущие метилсерни- стые препараты, образующиеся при варке целлюлозы; лекарственные препараты, пестициды, поверхностно-активные вещества (ПАВ) и многие другие соединения. Среди серосодержащих синтетических органических соединений особое место занимают ПАВ, так как практически они полностью после использования попадают в водоемы и почву. Производство ПАВ во всем мире неуклонно растет и только в России давно превысило 500 тыс. т в год. Резистентность многих ПАВ к микробному воздействию заставляет ограничить их применение. В России и других странах запрещено производство так называемых жестких, биологически трудно разрушаемых детергентов. Сравнительно легко разрушаются мягкие ПАВ, основу которых составляют алкилсульфаты, алкилсульфонаты и алкилбензолсульфонаты, имеющие формулу соответственно R—S04Na, R—S03Na и R(Ar)—S03Na. Алкильная группа (R) может быть представлена неразветвленной или разветвленной углеводородной цепью, (Аг) — бензольное кольцо.

Ввиду той огромной роли, которую играют ПАВ в загрязнении окружающей среды, во всем мире уделяется большое внимание вопросу их разрушения в природных условиях и на очистных сооружениях. Все ПАВ, до того как получено разрешение на их практическое применение, проходят проверку на резистентность.

Основная роль в деструкции ПАВ принадлежит бактериям. Водоросли практически не расщепляют ал килбензол сульфонаты, а среди бактерий способность к их деструкции широко распространена и присуща многим видам рода Pseudomonas, отдельным видам родов Flavo- bacterium, Achromobacter, Alcaligenes, Bacillus, Serratia, Escherichia и др.

Резистентность детергентов зависит от их химического состава. Наиболее подвержены микробной деструкции алкилсульфаты и алкил сульфонаты, относительно легко — алкилбензолсульфонаты с не- разветвленной алкильной цепью. По мере ветвления алкильной цепи скорость деструкции ПАВ падает.

Существенное значение для биологического разрушения алкил- бензолсульфонатов имеет взаимное расположение сульфонатной группы и алкильной цепи в бензольном кольце: парасоединения разрушаются быстрее, чем орто- и метапроизводные. Место присоединения бензольного кольца к алифатической цепи существенно на деструкцию не влияет.

Расщепление обычно начинается с метального конца алкила, затем происходит разрыв связи между бензольным кольцом и атомом серы с образованием пирокатехина, который разрушается по типу мета- или орторасщепления до пировиноградной кислоты.

Другой пример по микробной деструкции загрязнений сточных вод, содержащих сероводород, диметилсульфид, метилмеркаптан и другие дурнопахнущие соединения, связан с использованием тионо- вых бактерий Thiobacillus thioparus. Такие культуры бактерий были внесены в действующие очистные сооружения, где совместно с другими организмами биопленки участвовали в процессах биологииче- ской очистки. Внесение культуры микроорганизмов улучшило работу биофильтра.

В последние десятилетия развития химической промышленности проблема биодеградации токсичных серосодержащих соединений приобрела особую актуальность вследствие нарушения баланса природного цикла серы. Вносимые в окружающую среду соединения восстановленной серы, в частности сероорганические соединения нефти и полисульфидные каучуки, токсичны и чрезвычайно устойчивы в среде, что представляет опасность для человека и животных. В целях предотвращения химического загрязнения окружающей среды наиболее эффективным и экологически безопасным является процесс биообезвреживания сточных вод химических производств, повышение эффективности которого основано на увеличении окислительной активности биологических агентов (активного ила и биопленки), функционирующих при очистке серосодержащих сточных вод. Сероокисляющие микроорганизмы занимают важное место в биоценозах очистных сооружений, принимая участие в окислении особо токсичных примесей: сероводорода, сульфидов и соединений серы промежуточных степеней окисления до сульфатов. Таким образом, интенсификация биоочистки серосодержащих стоков связана, прежде всего, с повышением концентрации и биологической активности селективных штаммов микроорганизмов.

Практическая значимость заключается в разработке технологических приемов интенсификации работы биологических очистных сооружений (БОС), позволяющих обеспечить эффективное биообезвреживание серосодержащих сточных вод в условиях повышенных нагрузок по характерным примесям. В результате обоснования применения биофильтрационного метода и схемы локальной очистки сточных вод производства полисульфидных каучуков достигнуты параметры сточных вод, позволяющие повысить пропускную способность и окислительную мощность БОС.

Трудность изучения отдельных стадий этого процесса связана с тем, что в водных растворах сероводород и сера окисляются и небиологическим путем, хотя и медленно. Желтая элементарная сера представляет собой кольцо из восьми атомов; она плохо растворима в воде.

Как полагают исследователи, электроны, освобождающиеся при окислении сульфита до сульфата, поступают в дыхательную цепь на уровне цитохрома. По крайней мере, некоторые тиобациллы (Thiobacillus thioparus, Т. denitrificans) способны использовать выделяющую при этом окислении энергию для фосфорилирования на уровне субстрата.

Согласно Г. Шлегелю:

АФС — аденозин-5'-фосфосульфат.

Реакции (4.1) и (4.2) противоположны реакциям диссимиляцион- ного восстановления сульфата.

Железобактерия Thiobacillus ferrooxidans окисляет двухвалентное железо до трехвалентного:

Эта бактерия очень похожа на T.thiooxidans, жизнеспособна при pH среды до 2,5, однако энергию она получает не только за счет окисления восстановленных соединений серы, но и за счет окисления ионов Fe2+. Эта железобактерия обитает в кислых рудничных водах, содержащих сульфиды различных металлов, в том числе пирит (FeS2). С несомненностью установлено, что ацидофильные железобактерии способны к хемолитотрофному образу жизни.

Недавно были также открыты термофильные штаммы тиобацилл, окисляющих железо и серу. Штаммы термофила Sulfolobus acido- caldarius тоже могут окислять двухвалентное железо. Из почв, содержащих антимонит, удалось выделить автотрофную бактерию Stibiobacter senarmontii, способную окислять Sb3+до Sb5+.

Способность некоторых ацидофильных бактерий, окисляющих железо и серу, превращать сульфиды и элементарную серу в водорастворимые сульфаты тяжелых металлов используется для выщелачивания бедных руд с целью получения меди, цинка, никеля, молибдена и урана. Метод выщелачивания уже применяют в широком масштабе ддя получения металлов из отвалов породы, однако область его применения, возможно, удастся распространить и на подземный горный промысел. В наиболее простом случае пропускают воду через толстый слой измельченного камня, содержащего руду (например, пирит (FeS2)) с сопутствующими сульфидами различных металлов, таких как Cu2S (халькозин), CuS, ZnS, NiS, MoS2, Sb2S3, CoS и PbS, а затем собирают раствор, содержащий сульфаты. После концентрирования такого раствора из него осаждают соответствующие металлы.

Растворение сульфидов тяжелых металлов происходит благодаря совместному действию многих процессов (по Г. Шлегелю): бактериального окисления восстановленных соединений серы (4.4) или элементарной серы (4.5) до серной кислоты, бактериального окисления Fe2+ до Fe3+ (4.6) и, наконец, химического окисления нерастворимых солей тяжелых металлов до растворимых сульфатов и серы (4.7):

Таким образом, бактерии поставляют серную кислоту, а также регенерируют Fe3+; оба эти компонента расходуются при растворении руд.

Данные превращения осуществляют Thiobacillus thiooxidans и T.ferrooxidans. Соответствующие штаммы бактерий отличаются необычной устойчивостью к довольно высоким концентрациям Си2+, Со2+, Zn2+, Ni2+ и других ионов тяжелых металлов. В процессе выщелачивания участвуют также штаммы Sulfolobus, окисляющие серу и железо.

Основа изложенного подхода используется на ряде металлургических предприятий страны. Сущность предлагаемого подхода к очистке сточных вод на одном из заводов состоит в следующем. После механической очистки сточные воды с расходом около 600 м3/сут направляются в биотенки объемом 80 м3 каждый. Биотенки представляют собой герметичные вертикальные аппараты, примерно на 2/3 заполненные пористым материалом (пемзой, шунгизитом). Время пребывания сточных вод в биотенках — около 20 ч. В биотенках, в анаэробных условиях, под действием селективного штамма суль- фатредуцирующих бактерий происходит восстановление сульфатов до сероводорода и затем обогащение обрабатываемой воды сероводородом с образованием сульфидов металлов.

После биотенков очищаемая вода поступает в реакторы смешения, где происходит образование нерастворимых сульфидов металлов, которые выпадают в осадок. Непрореагировавший сероводород улавливается в абсорбере, в который наряду с сероводородом подается раствор NaOH. Далее вода поступает в реакторы окисления с целью удаления остаточного сероводорода путем аэрации воздухом, что приводит к окислению сероводорода и органики кислородом воздуха в присутствии катализатора. Затем после обработки реагентами в камере хлопьеобразования, в частности флокулянтом ВПК-402, сточные воды поступают в тонкослойные отстойники с временем отстаивания не менее 1 ч. В процессе отстаивания в осадок выпадают сульфиды металлов с различными адсорбированными загрязнениями. При этом осветленные сточные воды далее поступают на доочистку в так называемые динамические самопромываю- щиеся фильтры и далее — на обеззараживание ультрафиолетовым излучением.

Очищенные и обеззараженные сточные воды подаются в производство на повторное использование. Осадок из отстойников непрерывно отводится в сборники осадка и далее насосом в шламонакопи- тель, после чего осуществляется обезвоживание осадка в центрифугах и депонирование его на специальном складе.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >