Способ биологической очистки сточных вод предприятий химической промышленности производства акриловой кислоты и ее производных

Изобретение относится к области биотехнологии и может быть использовано в химической промышленности. Разработан способ очистки сточных вод путем обработки их ассоциацией микроорганизмов, состоящей из клеток штамма Fusarium sp. №56 и клеток штамма Bacillus subtilis BKM 1742 Д, смешанных в соотношении 1:1. Применение изобретения обеспечивает возможность деградации полимерных производных акриловой кислоты, содержащихся в сточных водах предприятий, занятых в производстве акриловой кислоты и ее производных. 1 ил., 4 табл.

 

Изобретение относится к биотехнологии, в частности к способу очистки сточных вод с помощью микроорганизмов, и может быть использовано для биологической очистки сточных вод предприятий химической промышленности производства производных акриловой кислоты: полиакриламида (ПАА), полиакриловой кислоты (ПАК), акрилонитрила (АН), акриламида (АА), акриловой кислоты.

Акриловая кислота и ее производные являются крупнотоннажными продуктами, используемыми в лакокрасочном, горнодобывающем, целлюлозобумажном производстве. Прямой сток отработанных вод с заводов может вызвать сильное загрязнение окружающей среды вследствие их высокой токсичности.

Существующие в настоящее время химические и физико-химические способы очистки сточных вод от данных соединений довольно дороги, не всегда эффективны и трудоемки. Наиболее доступными, экономически рентабельными и достаточно эффективными являются микробиологические методы очистки воды, основанные на способности микроорганизмов использовать для своего метаболизма органические соединения в качестве единственного источника углерода и энергии.

Известен способ очистки сточных вод (прототип) посредством штамма бактерий Pseudoalcalgens, способного деградировать АА, АК в концентрации 1 г/л за 48 часов, НАК в концентрации 1 г/л за 18 часов [1].

Основным недостатком известного способа является неспособность вышеупомянутых микроорганизмов деградировать высокомолекулярные полимерные производные акриловой кислоты: полиакриламид (ПАА), полиакриловую кислоту (ПАК) и др.

Задачей изобретения является разработка способа очистки сточных вод, содержащих высокомолекулярные полимерные производные акриловой кислоты: ПАА, ПАК и др. с высокой деструктивной активностью.

Указанная задача решается тем, что в способе биологической очистки сточных вод, включающем обработку сточных вод ассоциацией микроорганизмов, согласно изобретению обработку проводят с помощью использования непатогенного микромицета Fusarium sp. №56 [2] и непатогенных бактерий Bacillus subtilis BKM 1742 Д [3] в соотношении 1:1.

Способ осуществляется следующим образом: биологическая очистка осуществляется в аэротенке, куда подается суспензия ассоциации из микромицета Fusarium sp. №56 и бактерий Bacillus subtilis BKM 1742 Д в соотношении 1:1 и сточные воды. В аэротенк осуществляется подача воздуха со скоростью 300 кг/ч·м³. Очистка осуществляется в периодическом режиме.

Пример 1:

Для изучения процессов биодеструкции высокомолекулярных полимерных производных акриловой кислоты: ПАА, ПАК, были проведены эксперименты в жидкой минеральной среде Чапека-Докса (стерильной). В качестве единственного источника углерода и энергии добавляли соответствующий реагент: ПАА, ПАК в количестве 300, 500, 1000 мг/л. Для биодеградации акрилов в среду ввели ассоциацию микромицетов Fusarium sp. №56 и бактерии Bacillus subtilis BKM 1742 Д взятых в отношении 1:1 в количестве 3 об.%. Культивирование проводили в качалочных колбах на термостатированной качалке при температуре 30°С и частоте вращения 100 мин^-1 в течение 3 суток. Колбы с минеральной средой, содержащие производные акриловой кислоты (ПАА, ПАК), но не инокулированные микроорганизмами, служили контролем.

О степени биодеструкции акрилов судили по уменьшению их количества, а также косвенно по увеличению биомассы и изменению рН среды.

Количество ПАА и ПАК определяли с помощью дитизона, который дает окрашенный комплекс с акриловыми полимерами, оптическую плотность которого определяли спектрофотометрическим методом на приборе "Specol" при длине волны 480 нм [4].

Изменение рН культуральной жидкости определяли путем замера рН с помощью иономера И-130,2 М в начале и конце культивирования.

Биомассу определяли весовым методом, используя мембранные фильтры №2 (средний диаметр пор 0,05 мкм), которые предварительно доводили до постоянного веса.

Результаты приведены в табл.1.

Как видно из данных табл. 1, ассоциация микромицетов Fusarium sp. №56 и бактерии Bacillus subtilis 1742 Д, взятых в отношении 1:1, способна расти в среде, содержащей в качестве единственного источника углерода и энергии ПАК или ПАА. При этом наблюдается увеличение биомассы, которое составляет на 3 сутки для ПАК 0,096 (при нач. концентрации 300 мг/л), 0,205 (при нач. концентрации 500 мг/л) и 0,395 (при нач. концентрации 1000 мг/л), для ПАА - 0,082 (при нач. концентрации 300 мг/л), 0,200 (при нач. концентрации 500 мг/л), 0,378 (при нач. концентрации 1000 мг/л). Также наблюдалось изменение рН среды в сторону подщелачивания во всех опытах.

Степень биодеструкции ПАК на 3 сутки культивирования составила при начальной концентрации 300 мг/л - 85,2%, 500 мг/л - 83,5%, 1000 мг/л - 80,1%. Степень биодеструкции ПАА - 80,1%, 79,1%, 77,3% соответственно.

Таким образом, предложенная ассоциация микромицетов Fusarium sp. №56 и бактерий Bacillus subtilis 1742 Д, взятых в отношении 1:1 способна деструктировать высокомолекулярные полимерные производные акриловой кислоты: ПАА и ПАК.

Пример 2:

С целью изучения процессов биодеструкции мономерных производных акриловой кислоты: АН, АА, АК был проведен аналогичный опыт по вышеописанной методике.

Количество АА определяли по УФ-спектрам на спектрографе UV-VIS-NIR-3100 ("Shimadzu", Япония) в УФ - области при длине волны 251,7 нм. Предварительно АА из среды экстрагировали амиловым спиртом.

Количество АН определяли титрометрически при помощи сульфита натрия [5].

Результаты приведены в табл.4-6

Как видно из данных табл. 4-6, ассоциация микромицетов Fusarium sp. №56 и бактерий Bacillus subtilis 1742 Д, взятых в отношении 1:1, способна расти в среде, содержащей в качестве единственного источника углерода и энергии АН или АА. При этом наблюдается увеличение биомассы, которое составляет на третьи сутки для АН 0,109 г/л (при нач. концентрации 300 мг/л), 0,214 г/л (при нач. концентрации 500 мг/л) и 0,415 г/л (при нач. концентрации 1000 мг/л), а для АА - 0,102 г/л (при нач. концентрации 300 мг/л), 0,210 г/л (при нач. концентрации 500мг/л), 0,403 г/л (при нач. концентрации 1000 мг/л). Также наблюдалось изменение рН среды в сторону подщелачивания во всех опытах.

Степень биодеструкции АН на 3 сутки культивирования составила при начальной концентрации 300 мг/л - 93,8%, 500 мг/л - 90,4%, 1000 мг/л - 86,9%. Степень биодеструкции АА - 92,2%, 88,6%, 85,0% соответственно.

Таким образом, предложенная ассоциация микромицетов Fusarium sp. №56 и бактерий Bacillus subtilis 1742 Д, взятых в отношении 1:1, способна деструктировать мономерные производные акриловой кислоты: АН и АА.

Пример 3:

С целью изучения процессов биодеструкции производных акриловой посредством ассоциации микромицетов Fusarium sp. Ns 56 и бактерии Bacillus subtilis 1742 Д, взятых в отношении 1:1, была приготовлена модельная сточная вода (МСВ).

В состав МСВ в качестве единственного источника углерода и энергии были добавлены производные акриловой кислоты (АН, АА, ПАК, ПАА) из расчета 250 мг/л каждого. Также добавляли минеральные соли: (NH₄)₂SO₄ - 1 г/л, К₂HPO₄ - 0,5 г/л, MgSO₄ PH₂O - 0,5 г/л и микроэлементы в следовых количествах.

Очистку проводили в течение 3 суток на модельной установке (см. чертеж), которая состоит из: аппарата для предварительного выращивания микроорганизмов 1, аэротенка 2, отстойника 3, емкости для подготовки МСВ 4 и емкости для очищенной сточной воды 5. Потоки: I - микроорганизмы, II - МСВ, III - воздух, IV - очищенная вода. Скорость подачи воздуха составила 300 кг/ч м³.

О степени биодеструкции акрилов судили по уменьшению их количества, а также косвенно по увеличению биомассы и изменению рН среды по вышеописанным методикам.

Результаты опыта представлены в табл.3-4

Как видно из данных, приведенных в таблице 3, в МСВ наблюдалось увеличение биомассы уже на 1 сутки очистки, которое составило на 1 сутки 0,302 г/л, а на третьи 0,405 г/л. Также наблюдалось изменение рН среды в сторону подщелачивания. Так, в первые сутки рН изменилось от 7,80 до 7,82, и на третьи до 7,87.

При этом степень биодеструкции производных акриловой кислоты в МСВ уже на первые сутки очистки составила АН - 73,1%, АА - 69,6%, ПАК+ПАА - 58,5%, а на третьи сутки: АН - 93,8%, АА - 92,2%, ПАК+ПАА - 83,5% (таблица 4).

Таким образом, предложенный способ биологической очистки сточных вод с помощью ассоциации микромицетов Fusarium sp. Ns 56 и бактерий Bacillus subtilis 1742 Д, взятых в отношении 1:1, способен деструктировать производные акриловой кислоты в МСВ.

Таблица 1 Результаты роста микроорганизмов в среде с полимерными производными акриловой кислоты
Соединение	Параметр роста	Параметр роста в начале культивирования	Изменение параметров роста на 3 сутки культивирования
Нач. концентрация 300 мг/л	Нач. концентрация 500 мг/л	Нач. концентрация 1000 мг/л
ПАК	рН	7,80	7,86	7,86	7,86
	биомасса, г/л	0,008	0,125	0,123	0,120
биодеструкция, %	-	85,2	83,5	80,1
ПАА	рН	7,80	7,86	7,86	7,85
	биомасса, г/л	0,008	0,120	0,118	0,117
биодеструкция, %	-	80,1	79,1	77,3

Таблица 2 Результаты роста микроорганизмов в среде с мономерными производными акриловой кислоты
Соединение	Параметр роста	Параметр роста в начале культивирования	Изменение параметров роста на 3 сутки культивирования
Нач. концентрация 300 мг/л	Нач. концентрация 500 мг/л	Нач. концентрация 1000 мг/л
АН	рН	7,80	7,86	7,87	7,87
	биомасса, г/л	0,008	0,144	0,142	0,140
биодеструкция, %	-	93,8	90,4	86,9
АА	рН	7,80	7,86	7,87	7,86
	биомасса, г/л	0,008	0,139	0,138	0,135
биодеструкция, %	-	92,2	88,6	85,0

Таблица 3
Результаты роста ассоциации в МСВ
нач.	1 сут.	2 сут.	3 сут.
биомасса, г/л
0,008	0,302	0,355	0,405
изменение рН среды
7,80	7,82	7,85	7,87
Таблица 4
Степень биодеструкции производных акриловой кислоты в МСВ через 3 суток очистки
соединение	степень биодеструкции, %
1 сут.	2 сут.	3 сут.
АН	73,1	92,6	93,8
АА	69,6	90,3	92,2
ПАК+ПАА	58,5	70,2	83,5

Литература

1. Козулин С.В., Моисеева Т.Н., Куликова Л.К. и др. Штамм бактерий Pseudomonas pseudoalcaligenes, используемый для очистки сточных вод от нитрила акриловой кислоты: Пат. 1712407 РФ // Б.И. №6. C.110.

2. Пат. РФ №2126041. Ягафарова Г.Г, Гатауллина Э.М., Барахнина В.Б. и др. Штамм микромицета Fusarium species №56 для очистки воды и почвы от нефти и нефтепродуктов // Изобретения. - 1999. - №4. - С.593.

3. А.С. СССР №1742226, МКИ⁵ С 02 F 3/34, 1/20. Штамм бактерий Bacillus subtilis, осуществляющий деградацию 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты./ Т.В.Маркушева, B.C.Никитина, И.Н.Скворцова, Г.Г.Ягафарова, Р.Н. Хлесткин// Изобретения. - 1992, №23. - С.112.

4. Шарипов А.У., Долганская В.Ю. Инструкция по количественному анализу акриловых полимеров в водных расворах. Тюмень, 1987 - 19 с.

5. Терентьев А.П., Обтемперанская С.И. Метод количественного определения акрилонитрила при помощи сульфита натрия // Журнал аналитической химии, 1956, T.XI, вып.3.

Способ биологической очистки сточных вод предприятий химической промышленности производства акриловой кислоты и ее производных, включающий обработку сточных вод ассоциацией микроорганизмов, отличающийся тем, что обработку проводят с помощью использования ассоциации из микромицета Fusarium sp. №56 и бактерий Bacillus subtilis ВКМ 1742 Д в соотношении 1:1.