ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2004, том 40, № 4, с. 442-447
УДК 612.3:576.8
ВЛИЯНИЕ ГИДРООКИСИ ЖЕЛЕЗА НА УДАЛЕНИЕ ФОСФАТА ПРИ АНАЭРОБНОМ СБРАЖИВАНИИ АКТИВНОГО ИЛА
© 2004 г. В. П. Стабников*, С. Т.-Л. Тэй **, Д.-Х. Тэй **, В. Н. Иванов***
*Националъный университет пищевых технологий, Киев, 01017; e-mail: stab@svitonline.com **Наньянгский технологический университет, Сингапур ***Украинское отделение Международного центра научной культуры, Киев Поступила в редакцию 18.03.2003 г.
Добавление гидроокиси Fe(III) при метаногенном сбраживании активного ила анаэробным илом, обладающим железовосстанавливающей активностью, ведет к микробному восстановлению Fe(III) и образованию ионов Fe(II), которые осаждают фосфаты. Показана возможность удаления от 66.6
до 99.6 % растворенного фосфата при его начальной концентрации от 1000 до 3500 мг PO4 /л путем добавления 6420 мг/л гидроокиси Fe(III) в реактор анаэробного сбраживания активного ила. Оптимальным соотношением мг добавленного Fe(Ш)/мг удаленного растворенного фосфата, при котором достигалось не менее 95% удаления растворенного фосфата, было 2. Эти результаты могут быть использованы в новой технологии анаэробной очистки сточных вод с одновременным удалением фосфата.
Средняя концентрация общего фосфора (сумма неорганического и органического фосфора) в хозяйственно-бытовой сточной воде составляет от 10 до 20 мг/л, причем основное количество (50-70%) фосфора находится в форме ортофосфата [1]. Повышенная концентрация фосфата в очищенной сточной воде, поступающей в природную водную систему, может вызвать ее эвтрофикацию, проявляющуюся в снижении концентрации растворенного кислорода и качества пресной воды. Поэтому фосфат должен быть удален как можно полнее при биологической очистке сточной воды.
Наиболее часто фосфат удаляется из сточных вод химическими методами, например осаждением в виде солей Са, Бе и А1 [2]. Концентрация фосфата может быть также снижена микробиологическим способом за счет его аккумуляции в виде полифосфатных гранул микробными клетками [3]. Однако последующие анаэробное сбраживание активного ила, обогащенного полифосфатами, приводит к выделению растворимого фосфата из клеток микроорганизмов.
Теоретически для выделения фосфата из сточных вод можно применить железовосстанавлива-ющие бактерии. Железовосстанавливающие бактерии могут использовать Ре(Ш) как акцептор электронов и восстанавливать его до Ре(П) при окислении органических субстратов в анаэробных условиях [4]. Показана потенциальная возможность технологического применения железовос-станавливающих бактерий для биодеградации ароматических углеводородов и их производных [5-7].
Железовосстанавливающие бактерии могут существовать в условиях анаэробного реактора. Например, сточные воды датских водоочистных сооружений, технологическая схема которых включала химическое удаление фосфата, содержали значительное количество железа [8]. Основываясь на этих данных, авторы высказали предположение, что железовосстанавливающие бактерии могут быть постоянным компонентом микробного сообщества очистных сооружений, на которых используется анаэробная обработка активного ила [6]. Позднее было экспериментально показано их присутствие в количестве выше 3% от общей популяции микробных клеток в активном иле предприятия по очистке сточных вод, на котором осуществлялось химическое удаление фосфата путем его осаждения сульфатом железа [9].
Установлено положительное влияние внесения железа на процесс метанового брожения сточных вод, содержащих жиры или продукты их распада -длинноцепочечные жирные кислоты [10]. Показано, что при использовании железа при комплексной анаэробно-аэробной обработке сточной воды, Бе(Ш) восстанавливается в анаэробных условиях до Ре(П), которое затем на аэробной стадии окисляется до Бе( ОН)4 и осаждает аммоний, образующийся при анаэробном сбраживании активного ила. Аммоний при этом переходит в железосодержащий осадок, который может быть применен как удобрение [11-13]. Как показано в этих работах, процессы восстановления и окисления железа повышают эффективность биологической очистки и предупреж-
дают вторичное загрязнение окружающей среды аммонием и продуктами его окисления.
Микробное восстановление Fe(III) железовос-станавливающими бактериями и ко-преципита-ция фосфата образованными ионами Fe(II) могут быть положены в основу нового способа удаления фосфата из сточных вод или активного ила при их анаэробной обработке. Положительно или отрицательно заряженные гидроокиси Fe(II), которые будут образовываться после восстановления Fe(III), также осаждают фосфат согласно нижеприведенным уравнениям:
4Fe3+ + CH2O + H2O —- 4Fe2+ + CO2 + 4H+ (1)
x,Fe2+ + x2H2 O —► x3Fe( OH)+i + 1 2 ,2 3 , (2) + x4Fe( OH2 )i + x5Fe( OH)-i + x6H+,
(4 - x1)Fe2+ + (4 - x1) HPO2- —- (4 - x1)FeHPO4i, (3)
x3Fe(OH)+i + x3H2PO4 —- x3FeHPO4i + x3H2O, (4)
где xb x2, x3, x4, x5 и x6 - стехиометрические коэффициенты при членах уравнений реакции.
Однако эти реакции могут вызвать понижение рН вследствие выделения в среду протонов, что может отрицательно влиять на процесс анаэробного брожения сточных вод или активного ила. Поэтому добавление железа при анаэробном брожении должно сопровождаться автоматическим поддержанием pH или добавлением рН-буфе-ра. Удаление фосфата частицами нерастворимых гидроокисей Fe(III) или Fe(II) менее эффективно, чем ионами Fe(II). Следовательно условия процесса должны уменьшать образование гидрокси-дов Fe(II) из ионов Fe(II) за счет понижения рН или образования растворимых комплексов органических кислот с Fe(II).
В экспериментах моделировали процесс анаэробного сбраживания активного ила, который образуется при аэробной очистке городских сточных вод.
Цель работы - изучение влияния гидроокиси трехвалентного железа на процесс удаления фосфатов при анаэробном сбраживании активного ила.
МЕТОДИКА
Эксперименты проводили в 100 мл- и 12 л-ре-акторе. Как источник железовосстанавливающих бактерий использовали анаэробный ил промыш-ленно-бытовых очистных сооружений или накопительную культуру.
Получение накопительной культуры железо-восстанавливающих бактерий проводили на минеральной среде (г/л): NaHCO3 - 2.5; NH4Cl - 1.5; NaH2PO4 - 0.6; KCl - 0.1; дрожжевой экстракт -0.05%. Цитрат железа в концентрации 20 мМ вноси-
ли как источник железа, этанол в количестве 1 г/л химического потребления кислорода - как источник углерода. 10 мл раствора микроэлементов и 10 мл раствора витаминов вносили в 1 л среды [14, 15]. Раствор микроэлементов включал (г/л): нитрило-триацетиловую кислоту - 1.5; MgSO4 ■ 7 H2O - 3.0; MnSO4 ■ 2H2O - 0.5; NaCl - 1.0; FeSO4 ■ 7 H2O - 0.1; CoSO4 ■ 7H2O - 0.18; CaCl2 ■ 2H2O - 0.1; ZnSO4 ■
■ 7H2O - 0.18; CuSO4 ■ 5H2O - 0.01; KAl(SO4)2 ■
■ 12H2O - 0.02; H3BO3 - 0.01; Na2MoO4 ■ 2H2O - 0.01; NiCl2 ■ 6H2O - 0.025; Na2SeO3 ■ 5H2O - 0.0003; дистиллированная вода 1000 мл. При приготовлении раствора сначала растворяли нитрилотриацети-ловую кислоту, доводили рН с помощью 1 н. раствора KOH до 6.5, а затем вносили минеральные компоненты и доводили рН до 7.0. Раствор витаминов включал (мг/л): биотин - 2.0; фолиевая кислота - 2.0; пиридоксин - HCl - 10.0; тиамин -HCl ■ 2H2O - 5.0; никотиновая кислота 5.0; D-пан-тотенат-Са - 5.0; витамин В12 - 0.1; п-аминобен-зойная кислота - 50; липоевая кислота - 5.0; дистиллированная вода - до 1000 мл. Циклогексимид ("Sigma", США) добавляли до конечной концентрации 0.01% для предотвращения роста микроскопических грибов в накопительной культуре. Анаэробный ил активизировали выдерживанием в течение 3 сут в среде с этанолом и использовали как посевной материал в количестве 5% (об./об.) для получения накопительной культуры на минеральной среде с цитратом железа.
Накопительную культуру железовосстанавливающих бактерий использовали при сравнении гидроокиси железа и железосодержащей глины как дешевых источников Fe(III). Гидроокись железа готовили медленной нейтрализацией 250 мМ раствора FeCl3 2 M NaOH; образованный осадок промывали дистиллированной водой 6 раз до полного удаления хлора и натрия [15]. Глина, используемая в экспериментах, содержала 6.9% Fe. Суспензию гидроксида железа добавляли до создания концентрации Fe(III) 3360 мг/л (60 мМ); 25% суспензию глины - до концентрации Fe(III) 4480 мг/л (80 мМ). Как посевной материал вносили накопительную культуру железовосстанавливающих бактерий в количестве 5% (об./об.). Выращивание проводили в закрытых резиновыми пробками 100 мл стеклянных реакторах на качалке при 150 об./мин, температуре 25°С в темноте. Образцы для анализа отбирали с помощью шприца.
При изучении влияния восстановления железа железовосстанавливающими бактериями на процесс удаления фосфата при сбраживании избыточного активного ила в реактор вносили активный ил, анаэробный ил (биомассу из анаэробного промышленного реактора) и дистиллированную воду в соотношении 3 : 2 : 1. Источником Fe(III) служила суспензия гидроксида железа Fe(OH)3. Ее добавляли в эксперименте вместо дистиллиро-
Fe(II), мг/л
2000 -
1600 V
1200 7
800
400 Г
0 2
♦ 2
8 10
12 14
сут
Рис. 1. Восстановление Ре(П) накопительной культурой железовосстанавливающих бактерий при использовании железосодержащей глины (1) и гидроокиси железа (2).
ванной воды. Раствор Na2HPO4 (50 г фосфата/л) использовали для создания различных концентраций растворенного фосфата от 1000 до 3500 мг
PO4 /л. Анаэробное сбраживание активного ила
с разным содержанием растворенного фосфата проводили без внесения железа (контроль) и с добавлением гидроксида Fe(III) (опыт). Процесс удаления фосфата исследовали в течение 11 сут. Анализ концентрации общего органического углерода проводили стандартным методом на компьютером анализаторе Analyser TOC-V фирмы "Shimadzu" (Япония) с автоматическим отбором образцов [16], образование биогаза определяли волюмметрическим методом по объему вытесненной воды. Концентрацию общего и растворенного Fe(II) определяли фенантролиновым методом [16]. Определение растворенного Fe(II) проводили в суспензии после ее фильтрации через мембрану с порами 0.2 мкм. Анализируемый раствор сразу же см
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.