УПРАВЛЯЕМАЯ БИОДЕГРАДАЦИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ СМАЗОЧНЫХ (МОТОРНЫХ) МАСЕЛ В СТОЧНЫХ ВОДАХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
УПРАВЛЯЕМАЯ БИОДЕГРАДАЦИЯ СИНТЕТИЧЕСКИХ СМАЗОЧНЫХ (МОТОРНЫХ) МАСЕЛ В СТОЧНЫХ ВОДАХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Аннотация
Проведены исследования по управляемой биодеградации синтетических смазочных (моторных) масел с углеводородокисляющими микроорганизмами (УОМ) в статистических условиях.
Определено, что при нагрузке смазочных масел в очищаемом стоке до 1680 мгО2/дм3 по ХПК, до 200 мгО2/дм3 – БПК5 и при росте численности микроорганизмов в пределах 101•106 - 106•106 кл/см3 (при непрерывном режиме очистки – за 14 дней) степень обезвреживания воды достигает до 89,9%, что соответствует норме использования очищенной воды в оборотном водоснабжении. Эффективность биоокисления масел в эксперименте располагаются в следующий убывающий ряд: Shell Helix Ultra 5W-40 > Mobil 1 10W-60 > Castrol Magnatec 5W-40, 89,86; 50,23 и 38,71 % соответственно. Эти максимальные показатели получены при концентрации их в среде от 1000 ± 6 до 1500 ± 6 мг/дм3.
Из результатов опытов следует, что биодеградация синтетических масел отселектированными углеводородокисляющими микроорганизмами в управляемом режиме вполне реалистична, она направлена на практическое решение по очистке маслосодержащих сточных вод малой канализации и крупнотоннажных производств.
1. Введение
Бурное развитие промышленности вызывает необходимость в предотвращении отрицательного воздействия сточных вод на водоёмы . В последние годы проблема очистки сточных вод приобретает все большую остроту и актуальность во всем мире, в том числе и в Российской Федерации. В процессе хозяйственной деятельности современное общество потребляет всевозрастающие количества пресных вод, большая часть которой в результате становится загрязненной самыми различными веществами. Среди них особую остроту имеют сточные воды, загрязненные смазочными маслами разнообразной природы . По степени вредного влияния на экосистемы смазочные масла и присадки занимают второе место после радиоактивного загрязнения . В состав моторного масла, а, следовательно, стоков входят углеводороды нефти в интервале С20 - С50 с молекулярной массой от 300 до 700 а.е. , в которых доля присадок колеблется от 15 % до 25 % . Масла, использующиеся в качестве моторных, делятся на минеральные, гидрокрекинговые, полусинтетические и синтетические. Последние более токсичны и приносят огромный ущерб окружающей природной среде , , .
Для утилизации их используют разнообразные физические, физико-химические и биологические методы.
На сегодняшний день во всем мире биологическая очистка является важным методом удаления из промышленных и др. сточных вод большей части органических и бактериальных загрязнений, потому что он характеризуется как наиболее экономический, эффективный и безвредный способ очистки , .
Однако многие вопросы, связанные с очисткой природных и сточных вод от смазочных масел, особенно в составе которых имеются синтетические, остаются малоизученными.
Целью настоящей научной работы явилось исследовательское обоснование управления биологической очистки сточных вод предприятий и сельскохозяйственных объектов от масляных загрязнений синтетического происхождения с определением оптимальных концентраций, допустимых для обезвреживания углеводородокисляющими микроорганизмами.
2. Материалы и методы исследования
Эксперимент проводили в лабораторных условиях синтетическими смазочными маслами Shell Helix Ultra 5W-40 (Россия); Mobil 1 10W-60 (Европа) и Castrol Magnatec 5W-40 (Германия) в концентрациях с исходным загрязнением 90 ± 6, 300 ± 6, 400 ± 6, 1000 ± 6 и 1500 ± 6 мг/дм3 статических условиях при температуре от +16 до +29 °С в колбах объемом 1 л из расчёта 400 мл/л. В качестве основных микроорганизмов для биоокисления, данных видов загрязнений применяли углеводородокисляющие микроорганизмы (УОМ), представленный родами: Alcaligenes (1 вид), Micrococcus (1 вид), Brevibacterium (2 вида), Bacillus (1 вид), Flavobacterium (1 вид), Clostridium (1 вид) и Pseudomonas (2 вида) . Микроорганизмы объединены в консорциум по принципу их совместимости между собой и обеспечивают биоремедиацию широкого класса углеводородов. Рост УОМ оценивали по величине оптической плотности и методом титра, путем посева проб воды на среду МПА методом предельных разведений с последующим подсчетом выросших колоний . Исходная численность УОМ для заражения ими опытные варианты стоков (по 20 мл) принята в пределах 101•106 - 106•106 кл/см3. Длительность эксперимента равнялась от 2 часов до 14 суток. Опыты проводили в трех повторностях. В качестве контроля использовали колбы со средой и смазочными маслами без микроорганизмов.
Схема вариантов опытов по биодеградации синтетических смазочных масел в разных концентрациях в статистических условиях использовалась для каждого вида масла:
1. Среда Мюнца + Масло (90 ± 6 мг/дм3) + 9 УОМ;
2. Среда Мюнца + Масло (300 ± 6 мг/дм3) + 9 УОМ;
3. Среда Мюнца + Масло (400 ± 6 мг/дм3) + 9 УОМ;
4. Среда Мюнца + Масло (1000 ± 6 мг/дм3) + 9 УОМ;
5. Среда Мюнца + Масло (1500 ± 6 мг/дм3) + 9 УОМ;
6. Контроль: Среда Мюнца + Масло (90 ± 6 мг/дм3);
7. Контроль: Среда Мюнца + Масло (300 ± 6 мг/дм3);
8. Контроль: Среда Мюнца + Масло (400 ± 6 мг/дм3);
9. Контроль: Среда Мюнца + Масло (1000 ± 6 мг/дм3);
10. Контроль: Среда Мюнца + Масло (1500 ± 6 мг/дм3).
Очистку воды от масляной пленки с углеводородокисляющими бактериями оценивали по динамике изменения УОМ, растворенного кислорода (О2) йодометрический методом Винклера , биохимическому потреблению кислорода за пять суток (БПК5) , , химического потребления кислорода (ХПК) и остаточного количества недоокисленных моторных масел спектрометрически на приборе Фурье Инфралюм ФТ-08 (Россия) .
Статистическую обработку полученных данных проводили в компьютерной программе Microsoft Office 2010 (Word и Excel) с использованием дополнительной функции «анализ данных».
3. Результаты и обсуждения
Во время выполнения экспериментов по биодеградации сточной воды от смазочных масел Shell Helix Ultra 5W-40, Mobil 1 10W-60 и Castrol Magnatec 5W-40 установлены следующие закономерности:
1. УОМ активно используют в своем метаболизме синтетические смазочные масла в качестве единственного источника углерода и энергии. На это указывает активное увеличение численности УОМ в среде на 6-9 сутки контакта (в зависимости от видового состава), видимые изменения структуры и цвета «поглощаемой» бактериями масляной пленки, которая сопровождается расслоением, затем образованием отдельных кусочков с разрывами и свободными пространствами, а далее к 14 дню эксперимента численность микроорганизмов постепенно снижалась, так как запас питательных веществ (а именно смазочного масла) уменьшалась в результате её интенсивного разложения микроорганизмами и образованием отдельных хлопьев, частичек, которые к концу опыта оседают или исчезают.
2. УОМ, участвующие в процессе биодеградации масел показали, что наиболее активный процесс биоразложения по остаточному количеству микроорганизмов происходит со смазочными маслами Mobil 1 10W-60 от 5,6•103 до 8,1•103 кл/см3 на 9-ые сутки эксперимента, Shell Helix Ultra 5W-40 на 6-ые сутки исследования от 2,7•103 до 3,6•103 кл/см3, а с Castrol Magnatec 5W-40 – 0,4•103-0,8•103 кл/см3 на 6-ые сутки.
3. Динамика растворенного кислорода, БПК5, и ХПК (биологического и химического потребления О2) указывают на интенсивное протекание окислительных процессов, а, следовательно, очистки воды от моторных масел: значение О2 максимально падает в первые 1-6-ые сутки (в зависимости от видового состава), к концу исследований возрастает по мере уменьшения содержания смазочных масел; БПК5 и ХПК уменьшаются в процессе очистки из дня в день (0.2 часа → 0.6 часов → 1 день → 6 дней → 9 дней → 14 дней), достигая минимума к 14-ти суткам и в последующие дни, что является доказательством интенсивного освобождения воды от загрязнений, микроорганизмами.
4. Биодеструкция всех смазочных масел УОМ идет быстрее и интенсивнее при концентрации от 1000 ± 6 до 1500 ± 6 мг/дм3 (см. рис. 1).
Рисунок 1 - Эффективность деструкции окисленных смазочных масел Shell Helix Ultra 5W-40, Mobil 1 10W-60 и Castrol Magnatec 5W-40 без аэрации в различных концентрациях
4. Заключение
На основании проведенных настоящих испытаний можно считать целесообразной возможность создания управляемой по составу видов углеводородокисляющих микроорганизмов с разнообразными технологиями их применения, которые позволяют полно и экономично решать ликвидацию отдельных видов смазочных масел в окружающей среде.
Таким образом, исследования раскрывают теоретические и прикладные вопросы, направленные на практическую утилизацию маслозагрязнений в сточных водах предприятий промышленности, сельского хозяйства и быта, а также в целях эффективного окисления загрязнения в сточной воде углеводородокисляющими микроорганизмами.