Биохимические методы переработки техногенных отходов Часть 1. Биологи

Большой интерес представляет использование в качестве сорбентов отходов производства и потребления, что позволяет использовать ресурсный потенциал отходов, а также минимизировать их негативное воздействие на объекты окружающей среды.

Носителями для микроорганизмов могут быть отходы нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, лесоперерабатывающих и лесотехнических производств, отходы полимерных материалов и т.д.

Сорбент должен отвечать определенным требованиям, характеризующим эффективность применения и целесообразность выбора: размер пор (микропоры, мезопоры, макропоры), сорбционная емкость, способность сорбировать молекулы и бактериальные клетки разного размера и массы, насыпная и истинная плотность, прочность сорбента на истирание и дробление, стоимость и токсичность материала.

Немаловажным для материала, полученного из отходов и использующегося в качестве носителя для микроорганизмов, является значение показателя относительной экологической опасности отхода, которая устанавливается по степени его возможного негативного воздействия на окружающую среду. Отсутствие токсичных веществ является одним из критериев выбора сорбента, полученного из отхода.

Сорбент вводится непосредственно в аэротенк вместе с циркулирующим активным илом в количестве от 0,1 до 10–20 г/л. Добавки адсорбентов в аэротенк увеличивают степень очистки сточных вод по таким показателям, как ХПК и БПК. Например, при очистке сточных вод нефтехимических производств с ХПК 14 800 мг/л и БПК5 7470 мг/л после биоадсорбционной очистки сточная вода имела ХПК и БПК20 – 55 и 11 мг/л, после обычной биологической очистки – 540 и 280 мг/л.

Целесообразно добавлять адсорбенты в иловую смесь для повышения эффективности очистки специфических загрязнителей, содержащихся в сточных водах. Например, при добавлении полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) в аэротенк степень очистки воды от нефтепродуктов увеличивается на 25–30 %.

211

Во многих исследованиях биосорбционного способа отмечается улучшение седиментационных свойств ила: иловый индекс снижается, уменьшается цветность и запах надиловой воды.

Недостатками данного метода являются потери сорбента за счет его выноса с избыточным активным илом, потери за счет истирания при аэрации и выноса из вторичных отстойников.

7.7. Методы иммобилизации микроорганизмов

Иммобилизация – фиксация микроорганизмов или ферментов на твердом носителе с целью повышения эффективности их использования [38, 42].

Требования, предъявляемые к процессу иммобилизации [38]: 1. Клетки микроорганизмов достаточно чувствительны к внешним факторам среды (температура, осмотическое давление

и т.д.), поэтому при проведении процесса иммобилизации необходимо предотвратить их нежелательное воздействие за счет стабилизации условий проведения процесса.

2.При проведении процесса иммобилизации необходимо свести к минимуму контакт клеток с токсичными для них веществами.

3.Выбранный способ иммобилизации должен способствовать наилучшему закреплению клеток на носителе.

4.Необходимо снизить трудоемкость технологических стадий по иммобилизации микроорганизмов за счет сокращения количества манипуляций с клетками для сохранения стерильности.

5.Следует учитывать влияние происхождения носителя на стабильность получаемых иммобилизованных материалов (механическая, химическая и биологическая устойчивость).

6.Для жизнедеятельности иммобилизованных микроорганизмов необходимо снабжать их питательными веществами, кислородом (особенно для аэробных клеток) и обеспечить отвод продуктов жизнедеятельности, т.е. материал носителя не должен создавать значительных диффузионных препятствий массообменным процессам.

212

7. Выбранный способ иммобилизации должен быть экономически оправдан, а исходные компоненты иметь высокую доступность.

Существует два основных метода иммобилизации микроорганизмов: физический и химический [37, 38].

Физические методы иммобилизации микроорганизмов.

Существует четыре типа физического взаимодействия микроорганизмов с поверхностью носителя: адсорбция на нерастворимых носителях; включение в поры геля; пространственное отделение бактерий от остального объема реакционной системы с помощью полупроницаемой перегородки (мембраны); включение в двухфазную среду, где микроорганизмы растворимы и могут находиться только в одной из фаз. Способы физической иммобилизации микроорганизмов представлены на рис. 7.12.

Рис. 7.12. Способы физической иммобилизации микроорганизмов:

а– адсорбция на нерастворимых носителях; б – включение в поры геля;

в– отделение фермента с помощью полупроницаемой мембраны;

г– использование двухфазной реакционной среды [37]

213

Методика адсорбционной иммобилизации микроорганизмов на поверхности носителя. Иммобилизация путем адсорб-

ции достигается за счет взаимодействия водной суспензии микроорганизмов с твердой поверхностью носителя. Для получения адсорбционно-иммобилизованных микроорганизмов используют следующие технологические методы: статический способ без перемешивания, с перемешиванием, метод электроосаждения, динамический метод нанесения в колонке. Адсорбционный способ достаточно прост и легко осуществим на прак-

тике [37–42].

Иммобилизация путем включения в гели. Сущность метода иммобилизации состоит в том, что микроорганизмы включаются в трехмерную сетку из тесно переплетенных полимерных цепей, образующих гель. Существует два основных способа иммобилизации микроорганизмов: в гелях, полученных полимеризацией мономеров, и в гелях, полученных из готовых по-

лимеров [37–42].

Иммобилизация микроорганизмов с помощью полупроницае-

мых мембран. В основе данного метода заложен принцип отделения водного раствора фермента от водного раствора субстрата полупроницаемой мембраной, которая легко пропускает небольшие молекулы субстрата, но представляет собой непреодолимый барьер для больших молекул фермента [37, 38].

Иммобилизация микроорганизмов с использованием систем двухфазного типа. Способ иммобилизации состоит в том, что ограничение свободы перемещения фермента в объеме системы достигается за счет способности растворяться только в одной из фаз двухфазной системы, а не за счет взаимодействия с твердым носителем (сорбентом, гелем или мембраной) [38].

Преимущества и недостатки физических способов иммобилизации микроорганизмов представлены в табл. 7.2.

214

Таблица 7.2

Сравнительная характеристика физических способов иммобилизации микроорганизмов

215

Химические методы иммобилизации микроорганизмов.

Химический метод иммобилизации обеспечивает прочную и необратимую связь клеток микроорганизмов с носителем за счет образования ковалентных связей [38].

Схема иммобилизации химическим методом на примере фермента представлена на рис. 7.13 [38]. Фермент отделяют от носителя с помощью вставки (сшивка, спейсер), в роли которой чаще всего выступают бифункциональные и полифункциональные агенты (бромциан, гидразин, сульфурилхлорид, глутаровый диальдегид и др.).

Рис. 7.13. Схема иммобилизации фермента химическим методом

216

Для осуществления ковалентной иммобилизации микроорганизмов разработано огромное количество методических приемов. Все методы химической иммобилизации классифицируют в зависимости от природы реакционной группы носителя, вступающей во взаимодействие с клетками микроорганизмов.

При химической иммобилизации микроорганизмы связаны с носителем ковалентными связями, что обеспечивает высокую эффективность и прочность связывания между ними. Кроме того, при изменении таких параметров, как рН и температура, бактерии микроорганизмов не десорбируются со слоя носителя. Однако изза сложности и дороговизны процесса химическая иммобилизация является менее привлекательной и малодоступной для промышленного использования [38].

7.8. Влияние различных факторов на иммобилизацию клеток микроорганизмов на поверхности носителя

Протекание процесса закрепления и прочность связывания клеток микроорганизмов с носителем в значительной степени зависят от условий проведения процесса иммобилизации. Основными факторами, влияющими на иммобилизацию микроорганизмов, являются удельная поверхность и пористость носителя, значение pH бактериальной суспензии, его концентрация и температура проведения процесса [37, 38].

Удельная поверхность и пористость носителя. Сорбционная емкость носителя пропорциональна его удельной поверхности. Если поры носителя настолько малы, что не могут вместить клетки бактерий, то для микроорганизмов оказывается доступным только часть общей поверхности, т.е. сорбционная емкость носителя по отношению к клеткам бактерий небольшая, несмотря на очень большую удельную поверхность. В 1976 г. Р. Мессинг предложил критерий для определения оптимального размера пор носителя для иммобилизации ферментов. В соответствии с этим критерием диаметр пор должен быть приблизительно в два раза больше молекулы фермента в направлении ее максимального удлинения [37].

217

Значение pH. Реакция среды оказывает очень сильное влияние на эффективность сорбции микроорганизмов на поверхности носителя, если сорбция осуществляется за счет электростатических взаимодействий. Причина этого влияния состоит в том, что при изменении pH меняется состояние ионизации ионогенных групп носителя и бактериальной клетки, ответственных за связывание. Если используемый носитель не является ионообменником, то максимальное закрепление обычно достигается в изоэлектрической точке бактериальной клетки [37, 38].

Концентрация бактериальных клеток. При возрастании кон-

центрации бактериальных клеток в суспензии, из которой происходит сорбция, количество иммобилизованных на носителе микроорганизмов увеличивается и соответственно растет удельная каталитическая активность иммобилизованного препарата. При дальнейшем повышении концентрации бактериальных клеток

всуспензии может происходить образование поверх первого слоя адсорбированных клеток второго и последующих слоев. Наибольшей каталитической активностью обладают верхние слои адсорбированных бактериальных клеток, где ограничения, накладываемые на скорость реакции диффузией субстрата, минимальны. Поэтому излишняя «перегрузка» носителя бактериями микроорганизмов приводит к тому, что более глубоко расположенные слои иммобилизованного биокатализатора исключаются из сферы реакции, и в результате общая эффективность использования снижается [37, 38].

Температура. Значение температурного фактора оказывает двоякое воздействие на иммобилизационные процессы. С одной стороны, повышение температуры приводит к потере жизнеспособности микроорганизмов вследствие нефункционирования их при данных условиях. С другой стороны, повышение температуры обычно способствуют процессу закрепления бактериальных клеток благодаря повышению скорости диффузии микроорганизмов

впорах носителя. Следовательно, должна существовать оптимальная температура для проведения процесса иммобилизации.

218

Точное значение оптимальной температуры зависит от природы сорбируемых бактерий и поверхности носителя.

Эффективность иммобилизации микроорганизмов на поверхности носителя определяется целым рядом факторов. Изменение этих факторов может привести к резкому ослаблению взаимодействия микроорганизмов с носителем и, следовательно, привести к десорбции [37].

7.9.Внедрение метода иммобилизованных культур

впрактику очистки сточных вод

Использование иммобилизованных культур микроорганизмов усложняет реализацию процесса очистки сточных вод. Технически использовать иммобилизованные микроорганизмы можно с помощью вращающего биоротора, ершей, закрепленных на сетке (рис. 7.14) и т.д.

Рис. 7.14. Вращающий биоротор [43]

Устройство для биологической очистки сточных вод, содержащее биоротор, разделенный на секторные модули перфорированными перегородками и заполненный гранулированной загрузкой, отличается тем, что биоротор снабжен электроприводом для вращения и приспособлением для дополнительной аэрации очищаемых сточных вод, выполненным в виде продольных вогнутых лопаток, закрепленных на цилиндрической поверхности биоротора. Гранулированная загрузка изготовлена из полиэтилена высокого давления [43].

219

Ершовая загрузка – основной компонент промышленных очистных сооружений – изготавливается из полиамидных или других видов синтетических нитей, обладающих химической и биологической стойкостью. Закрепленные на металлической проволоке, они образуют «ерш» диаметром около 120 мм (рис. 7.15). Интенсивное развитие микрофлоры на поверхности ершовой загрузки позволяет осуществлять очистку стоков как от механических загрязнений, так и от посторонних химических веществ. В свою очередь биопленка, образуемая на поверхности ерша, становится преградой на пути вредоносных микроорганизмов.

Рис. 7.15. Ерши, закрепленные на сетке

Включение в работу механизма ершовой очистки запускает сразу два процесса: биологической очистки, призванный выделить из стоков органические загрязнения, а также процесс фильтрации стоков, очищающий их от механических загрязнений, благодаря наличию хлопьев активного ила с пористой структурой, задерживающей взвеси, во время прохождения через систему сточных вод.

Проведенные исследования и практический опыт промышленных предприятий доказали высокую эффективность использования ершовой загрузки в очистных сооружениях. Ее применение позволяет повысить производительность очистной системы на 30–

220