Сточные воды кожевенного и мехового производства представляют собой сложные гетерогенные многокомпонентные системы, относящиеся к группе высококонцентрированных и токсичных. Они содержат химические материалы, вносимые для проведения технологического процесса, а также образующиеся в результате переработки кожевенно-мехового сырья. Содержание загрязнений в сточных водах кожевенно-меховой промышленности столь велико, что поступление последних в природные водные объекты может вызвать необратимые процессы, включая полное разрушение сложившейся экосистемы. Это вызывает необходимость совершенствования технологии очистки воды, которая существенно зависит от интенсификации ее обработки.
Наиболее распространенным способом очистки промышленных сточных вод от различных органических веществ является биологический метод, в котором происходит эффективная микробная деструкция загрязнений. По объему перерабатываемых потоков биологическая очистка сточных вод является самой крупнотоннажной технологией и применяется на подавляющем большинстве очистных сооружений. Биологический метод чаще всего основан на непрерывном управляемом глубинном культивировании специфических для каждого производства бактериальных штаммов, использующих загрязнения в качестве источников питания и энергии. Интенсивность очистки во многом зависит от скорости роста и потребления субстрата микробными клетками – деструкторами загрязнений [2]. В связи с этим повышение интенсивности роста бактериальных культур, осуществляющих биологическую очистку сточных вод, является актуальной задачей экологической биотехнологии.
Целью работы было проведение лабораторного моделирования биологической очистки сточной воды кожевенного предприятия при стационарном и глубинном аппаратном культивировании бактериального штамма-деструктора органических загрязнений.
В экспериментальной работе был использован клон бактериального штамма Bacillus sp. ТУ5 с повышенными ростовыми характеристиками, который был получен нами ранее путем мутагенеза и селективного отбора культуры, выделенной из сточной воды кожевенного завода [1, 3].
Для лабораторного моделирования биологической очистки применяли сточную воду из коллектора кожевенного предприятия, предварительно удалив взвешенные частицы путем центрифугирования в течение 20 мин при 3500 об/мин на центрифуге СМ-6 МТ (ELMI Латвия) [4].
При стационарном выращивании пробу сточной воды в пробирках в объеме 3 мл засевали 0,1 мл суточной культурой бактериального штамма в концентрации 109 микробных клеток в мл. Посевы инкубировали при 37 °C в течение 24 часов. Для более адекватной оценки качества воды после завершения культивирования пробу освобождали от биомассы микроорганизмов путем центрифугирования. Прозрачность очищенной воды определяли оптическим методом, регистрируя уровень светопропускания проб воды на фотоколориметре КФК-2-УХЛ-4.2 при длине волны светофильтра 670 нм в кюветах с длиной оптического пути 5,065 мм.
В качестве контрольного образца использовали сточную воду, не засеянную микроорганизмами. Кроме того, оценивали изменение водородного показателя (рН) проб воды до и после процесса ее лабораторной очистки с использованием рН-метра Hi2215 (HANNA Hinstruments Германия). Результаты проведенных экспериментов представлены в таблице.
Данные, приведенные в таблице, позволяют заключить, что в результате стационарного выращивания полученного клона культуры Bacillus sp. ТУ5 произошло осветление сточной воды в 15 раз. При этом наблюдали снижение рН среды от щелочного значения к нейтральному, что тоже является положительной стороной биологической очистки.
На первом этапе моделирования биологической очистки сточной воды в условиях глубинного аппаратного культивирования определяли динамику роста штамма Bacillus sp. ТУ5 в биореакторе BIOTEC 1607 POLYFERM (фирма LKB, Швеция) с объемом культурального сосуда 500 мл в минимальной жидкой питательной среде, содержащей 1 % пептона и 0,89 % хлорида натрия. Параметры культивирования: скорость механической мешалки – 200 об/мин, подача воздуха – 0,5 л/мин, посевная доза составляла 105 микробных клеток суточной культуры на 1 мл питательной среды. Результаты эксперимента приведены на рис. 1.
Результаты лабораторного моделирования биологической очистки сточной воды кожевенного производства при стационарном культивировании
|
Наименование пробы |
Оптическая плотность среды, усл. ед. |
рН пробы |
|
Неочищенная сточная вода |
0,120 ± 0,002 |
8,82 |
|
Очищенная сточная вода |
0,008 ± 0,0005 |
7,20 |
Рис. 1. Динамика роста штамма Bacillus sp. ТУ5 при глубинном аппаратном культивировании в жидкой питательной среде
Результаты эксперимента, приведенные на рис. 1, свидетельствуют, что после непродолжительной лаг-фазы (2 часа) культура начинала интенсивно размножаться, фаза логарифмического роста длилась до 23 часов с момента начала эксперимента. Максимальная концентрация биомассы достигла 6·109 м.к./мл. После 27 часов выращивания наступила фаза гибели клеток.
Таким образом, было установлено, что использованный нами в эксперименте бактериальный штамм может интенсивно размножаться в условиях глубинного аппаратного культивирования в минимальной жидкой питательной среде. Время его культивирования в этих условиях не должно превышать 26–27 часов.
Для изучения возможности использования бактериального штамма-деструктора для моделирования биологической очистки сточной воды в глубинной культуре осуществляли культивирование бактерий в биореакторе. В качестве питательной среды применяли сточную воду кожевенного завода с добавлением в нее 2,5 % рапы озера Эльтон, поскольку проведенные ранее исследования показали, что внесение этой природной минеральной добавки позволяет повысить интенсивность роста и размножения данного бактериального штамма на 213 % [5, 6]. Температура культивирования – 22 °C, длительность – 36 часов, подача воздуха – 0,5 л/мин. Через каждые 2 часа производили отбор проб, регистрируя уровень светопропускания культуральной среды на фотоколориметре. Концентрацию выросшей биомассы высчитывали из данных оптической плотности проб, используя составленный ранее калибровочный график по известной концентрации клеток данного штамма. Результаты проведенного эксперимента представлены на рис. 2.
Приведенные на рис. 2 результаты свидетельствуют, что наибольшее количество биомассы было получено к 27–31 часу с момента начала культивирования в сточной воде, в которой единственным источником питания культуры являлись присутствующие в ней загрязнения.
Оптическая плотность неочищенной сточной воды до начала выращивания культуры составляла 0,120. В результате проведенного глубинного культивирования после удаления биомассы путем центрифугирования эта величина снизилась до 0,005. Таким образом, увеличение прозрачности воды произошло в 24 раза. Осветление воды при глубинном выращивании культуры Bacillus sp. ТУ5 была в 9 раз выше, чем соответствующая величина, полученная после стационарного культивирования.
Наряду с контролем количества выросшей при глубинном выращивании биомассы оценивали и динамику изменения рН очищаемой воды, что является важной характеристикой биологической очистки. Полученные в экспериментах результаты представлены на рис. 3.
Приведенные на рис. 3 данные свидетельствуют о том, что при выращивании культуры Bacillus sp. ТУ5 глубинным способом в ферментере произошло снижение рН сточной воды от щелочного значения (8,5) до нейтрального (7,2), что является положительным результатом при ее биологической очистке.
Рис. 2. Результаты лабораторного моделирования очистки сточной воды штаммом Bacillus sp. ТУ5 при глубинном аппаратном культивировании
Рис. 3. Динамика рН культуральной среды при глубинном культивировании штамма Bacillus sp. ТУ5 в сточной воде
В наиболее распространенных промышленных сооружениях – аэротенках – эффективная очистка сточных вод осуществляется в глубинных условиях при интенсивном перемешивании воздухом сточной воды и активного ила, содержащего микроорганизмы – деструкторы загрязнений. Поэтому полученные в работе экспериментальные результаты могут быть использованы для совершенствования технологии биологической очистки сточной воды кожевенных производств в промышленных условиях.
Рецензенты:
Масленников А.А., д.м.н., профессор, заведующий лабораторией «Экологическая токсикология», ФГУП «Научно-исследовательский институт гигиены, токсикологии и профпатологии», г. Волгоград;
Желтобрюхов В.Ф., д.т.н., профессор, президент Волгоградской региональной общественной научной организации «Экологическая академия», г. Волгоград.
Работа поступила в редакцию 28.01.2015