^^^^^^^^^^^^^^ РАДИАЦИОННАЯ
ХИМИЯ
66.092.085,66.098.2
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОГО РАДИАЦИОННО-МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО МЕТОДА ОЧИСТКИ ВОДЫ
ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ
© 2015 г. А. В. Сафонов*, В. Е. Трегубова*, Е. А. Подзорова**
*Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН 119071, Москва, Ленинский просп., 31, корп. 4 E-mail: alexeysafonof@gmail.com **Обнинский центр науки и технологии 249033, Обнинск, ул. Горького, 4 Поступила в редакцию 24.03.2014 г. В окончательном виде 26.09.2014 г.
Рассмотрена возможность использования комплексного подхода для очистки воды от нефтепродуктов на основе безреагентных методов "зеленой химии": радиационной очистки и биодеструкции. Показана перспективность использования данных методов на примере очистки воды, содержащей дизельное топливо, моторное масло и мазут. Использование радиационного метода приводило к 12-кратному снижение значений ХПК, при этом значения БПК увеличивались по мере роста дозовой нагрузки, что свидетельствует о разрушении трудноразлагаемых молекул до более простых, доступных для биоокисления. Установлено, что максимальный процент биодеструкции наблюдался при использовании растворов после облучения максимальными дозами, однако после облучения дозой 5 кГр эффективность биодеструкции увеличилась более чем в 2 раза за счет разрушения труд-нобиодеградируемых соединений. Поэтому предлагается повысить эффективность процесса очистки воды от нефтепродуктов применением комплексного радиационно-микробиологического метода: использовать ионизирующее излучение на первой стадии очистки для образования осадка и для разложения нефтепродуктов на более легкие фрагменты, затем последние удалять из воды биологическим методом.
ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2015, том 49, № 2, с. 99-102
УДК
Б01: 10.7868/80023119315020102
Наиболее опасными и распространенными загрязнителями сточных вод являются нефтепродукты, содержащие большое количество компонентов (более 50 соединений, принадлежащих к различным классам органических веществ), входящие в состав моторных (вакуумных, трансформаторных) масел, смол и мазута [1] за счет ряда токсических эффектов и изменения физико-химических свойств жидкости. При нефтяных загрязнениях значительную опасность для окружающей среды представляют высокомолекулярные соединения (смолы, полициклические молекулы и т.д.), плохо подвергающиеся естественной биодеградации, формирующие нефтяные пленки или эмульсию. В таких случаях самоочищение водоемов происходит очень медленно и не всегда приводит к необходимому результату, а методы очистки воды от высокомолекулярных компонентов нефтепродуктов (механические и физико-химические) трудоемки, требуют дорогостоящих реагентов и оборудования и не всегда удовлетворяют современным экологическим требованиям по степени очистки воды вследствие гидрофоб-ности и многокомпонентности полютанта.
Одним из наиболее перспективных является радиационный метод очистки, основанный на разложении загрязнений под действием ионизирующего излучения до экологически менее опасных простых молекул или образования крупнозернистого осадка, легко отфильтровываемого на простых механических фильтрах. Однако для полной очистки воды от нефтепродуктов необходимые дозы облучения достаточно велики и для исходной концентрации 150 мг/л составляют >25 кГр.
Биологические методы деструкции нефтепродуктов являются более медленными, но менее энергозатратными. Они получили широкое применение, поскольку приводят к окислению органического материала в объемах, значительно больших, чем может позволить радиационная очистка.
Биологические процессы осуществляет ряд ферментов, катализирующих трансформацию различных углеводородов нефти: н-алканов, соединений ароматического ряда и гетероатомных соединений. Кроме того, важную роль в деградации углеводородов играют биосурфактанты — поверхностно-активные вещества (ПАВ), приводящие к их эмульгированию [2]. Основное ограничение биологических
100
САФОНОВ и др.
методов — специфичность работы ферментных систем по отношению к субстрату. Олигомерные и мономерные молекулы обладают высокой скоростью разрушения, при этом полимерные молекулы зачастую не способны к биодеградации, поэтому при окислении смеси нефтепродуктов, таких как промышленные масла, мазут и др., степень очистки зависит от соотношения легкоокисляемых и трудно-окисляемых молекул.
Цель данного исследования — разработка комплексного радиационно-биологического метода разрушения нефтепродуктов для повышения эффективности процесса очистки воды.
Суть комплексного подхода сводится к использованию радиолитических процессов для разрушения длинных углеводородных молекул и повышению их способности к биодеградации — увеличению биологического потребления кислорода (БПК). Суть биологического метода заключается в подборе подходящих культур микроорганизмов и создании оптимальных условий функционирования их ферментных систем для разрушения полю-танта при аэробном культивировании. Ферментативные процессы, осуществляемые различными микроорганизмами, предлагается использовать на второй стадии очистки для окисления оставшихся после радиационной обработки органических соединений до углекислого газа и воды или получения биогаза (метана или водорода).
Комплексный подход к очистке воды с использованием физико-химической предобработки и последующего биоокисления использовался в ряде работ. В качестве метода, обеспечивающего высокую степень биодеструкции нефтепродуктов, использовалась предварительная УФ-обра-ботка растворов [3] и озонирование [4]. Очистка жидкости от высокомолекулярного небиодегра-дируемого продукта получения каучуков некаля была реализована радиационным и биологическим методами [5].
Отправной точкой настоящей статьи послужили работы [6—8] по исследованию воздействия ионизирующего излучения на системы, содержащие нефтепродукты (смесь дизельного топлива, моторного масла и мазута) в растворенном виде и в виде гетерофазной системы. При облучении ге-терофазной водо-нефтяной системы (около 300 мг/л нефтепродуктов) образовывался легко фильтруемый осадок, вес которого увеличивался с ростом дозы. Гравиметрический анализ показал, что при дозе 25 кГр 96% нефтепродуктов, присутствовавших в исходной системе, переходили в осадок. ХПК гетерофазной системы при радиолизе уменьшалось с ростом дозы. "Очищающий" эффект осадкообразования связан с изменением состояния электрического слоя на поверхности дисперсных систем, что нарушало устойчивость коллоидных частиц, коагуляции и седиментации.
При исследовании продуктов радиационной обработки нефтепродуктов в растворенном виде (около 100 мг/л) хромато-масс-спектрометриче-ским методом установлено, что количество компонентов в облученной пробе (доза 10 кГр) снижалось в 1.5—2 раза. При дозе 25 кГр происходила очистка воды практически от всех присутствующих в исходной системе компонентов. Такой результат обусловлен тем, что в водных растворах ра-диолитические превращения углеводородов инициируются, главным образом, радикалами 'ОН, которые высоко реакционноспособны относительно углеводородов.
Однако при этом ХПК исследуемого раствора при облучении сначала увеличивалось с ростом дозы, и при дозе 32—50 кГр величина ХПК достигала 130 мг/л, что существенно больше значения ХПК исходного раствора (42 мг/л). Такой результат объясняется разложением нефтепродуктов, находящихся в растворенном состоянии, на более короткие фрагменты, которые и определяют величину ХПК.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Облучали водные растворы, содержащие 150 мг смеси нефтепродуктов, трансформаторного, машинного масел и дизельного топлива. После облучения смесь подвергали биообработке при помощи подобранных культур микроорганизмов — эффективных биодеструкторов нефтепродуктов.
Облучение проводили на ускорителе электронов "Электроника УЭЛВ-10-10-с70" 7.5 МэВ, 10 кВт в Институте физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН в закрытых пеницилли-новых флаконах объемом 25 мл с жидкой фазой 15 мл дозами от 0.5 до 30 кГр. Дозиметрию проводили с помощью раствора бихромата калия 0.025 н [9]. После облучения измеряли ХПК и БПК раствора.
Химический состав исходных и опытных растворов анализировали с помощью гравиметрического и спектрофотометрических методов (УФ- и ИК-спектрометрии), а также хромато-масс-спек-трометрического метода.
Культивирование микроорганизмов проводили в колбах с ватными пробками, объемом 250 мл с жидкой фазой 100 мл в аэробных условиях при 25°C в течение 7 сут с диапазоном pH 7—8 на магнитной мешалке с максимальной скоростью перемешивания.
Использовали бактериальные сообщества, обитающие как в пресноводных экосистемах, так и в нефтяных пластах, способные производить максимально полное окисление компонентов нефти [10].
После культивирования бактерий (культуры OD-1-3) в течение недели при температуре 30°C нефтепродукты были экстрагированы хлорофор-
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОГО РАДИАЦИОННО-МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО МЕТОДА
101
мом, затем был рассчитан процент деструкции основных групп компонентов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
В результате облучения с различными дозовы-ми нагрузками смеси углеводородов, содержащей трансформаторное и машинное масла, а также дизельное топливо, с общей концентрацией 150 мг/л в пенициллиновых флаконах была получена углеводородная смесь с разными характеристиками. Основной параметр результата очистки растворов органических примесей — показатель ХПК, который значительно изменялся в соответствии с полученной дозовой нагрузкой (рис. 1). Наблюдалась тенденция уменьшения значения ХПК с увеличением дозы облучения. Однако для высоких степеней очистки необходимо облучение системы высокими дозами. Так, при максимальной дозе 30 кГр происходило более чем 12-кратное снижение значений ХПК. При этом значения БПК, как характеристика органического углерода, доступного для ферментативного биологического окисления, увеличивались по мере роста дозовой нагрузки, что свидетельствует о разрушении трудно-разлагаемых молекул до более простых, доступных для биоокисления (рис. 1). Данный процесс имеет место уже при кратковременном облучении с невысокими дозовыми нагрузкам
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.