Биологические способы очистки нефтезагрязненных сточных вод (обзор)

Интенсивное развитие нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности приводит к увеличению объемов нефтесодержащих сточных вод. При попадании в окружающую среду они могут приводить к негативным изменениям в биоценозах [Вой-но, 2006; Очистка …, 2006].

Несмотря на большое количество публикаций в отечественной и зарубежной литературе [Гвоздяк, 1987; Утилизация …, 1995; Biodegradation of phenol in synthetic ..., 2002; Использование …, 2005; Anaerobic ..., 2006; Разработка …, 2009; Серебрен- никова, Куюкина, Ившина, 2013], посвященных микробиологической очистке сточных вод, отсутствуют обобщающие работы по оценке эффективности методов, применяемых для обработки нефтезагрязненных стоков. В настоящем обзоре представлены сравнительные характеристики биологических способов очистки нефтезагрязненных сточных вод.

Характеристика и особенности нефтесодержащих сточных вод

Нефтесодержащие сточные воды представляют собой сложную многокомпонентную и много-

фазную систему, органическая часть (50 - 98%) которой представлена нефтяными углеводородами (алифатическими, поли- и гетероциклическими, ароматическими) и их производными. Наряду с нефтепродуктами в стоках присутствуют другие органические соединения, поверхностно-активные вещества, а также соли различных металлов. Следует отметить, что состав и концентрация нефтепродуктов в сточной воде зависят от вида, назначения и технологии производства [Кузубова, Морозов, 1992]. К особенностям нефтезагрязнений в стоках можно отнести их сравнительно низкую плотность (от 0.70 - 0.76 до 0.94 г/см³) и незначительную (от нерастворимых тяжелых фракций до 20 - 90 мг/л для мелких фракций) растворимость в воде [Долина, 2005]. Основная масса нефтепродукты, попав в воду, образуют пленку на ее поверхности или концентрируются на дне водоемов, становясь источниками вторичного загрязнения. Меньшая часть нефтяных углеводородов может оказаться в тонкодиспергированном состоянии, образуя эмульсии по типу «нефть в воде», и лишь незначительная их часть находится в растворенном состоянии [Долина, 2005; Сироткина, Новоселова, 2005]. Образование эмульсий вызвано применением насосов для перекачки и движения нефтесодержащих сточных вод по трубопроводам и промывкой оборудования струями воды. Нередко такие эмульсии сохраняют стабильность в течение длительного времени, затрудняя процесс очистки [Долина, 2005].

Способы очистки сточных вод от нефтепродуктов

Снижение концентрации нефтепродуктов в воде может происходить в результате их естественного распада и химического окисления, испарения и биологической деструкции аборигенной микрофлорой [Сироткина, Новоселова, 2005]. Однако в условиях окружающей среды эти процессы протекают с относительно низкой скоростью. В связи с этим для интенсификации процессов очистки воды от нефтяных загрязнителей используют механические, химические, физико-химические и биологические методы, а также их комбинирование, позволяющее достигнуть требуемой степени очистки с минимальными затратами [Долина, 2005]. Следует отметить, что выбор способа очистки в каждом конкретном случае определяется источником и характером загрязнения, количеством загрязняющего вещества в промышленном стоке и последующим целевым использованием очищенной воды [Кузубова, Морозов, 1992; Очистка …, 2006].

Механическая обработка является предварительным этапом, предшествующим полной очистке стоков. Используемые на этом этапе нефтеловушки способствуют удалению основной массы свободной нефти и масла, а также крупнодисперсных нефтепродуктов [Кузубова, Морозов, 1992; Долина, 2005]. В ходе последующего отстаивания из сточной воды удаляются нерастворимые твердые примеси, что позволяет предотвратить засорение и износ устройств, используемых на последующих этапах очистки, а также циклически использовать очищенную воду в системе оборотного водоснабжения. Механические способы очистки являются малоэффективными, так как обеспечивают удаление углеводородных компонентов лишь из поверхностного органического слоя.

Для осаждения нефтепродуктов в виде нерастворимых неутилизируемых осадков применяют химические методы, основанные на внесении в загрязненную воду дорогостоящих химических реагентов (в частности, коагулянтов и флокулянтов), которые могут стать причиной вторичного загрязнения очищаемой воды.

Для удаления из сточной воды коллоидных и мелкодисперсных примесей, а также тяжелых металлов, фенолов, кислот, щелочей применяют физико-химические методы [Кузубова, Морозов, 1992]. Среди последних широкое распространение получили методы адсорбции нефтепродуктов на поверхности сорбентов [Сироткина, Новоселова, 2005; Жукова, Морозов, 2010]. Преимуществами сорбционных методов является их совместимость с другими способами сбора нефтепродуктов, возможность многократного использования сорбента после регенерации. В качестве сорбентов применяют как природные (торф, активированный уголь, опилки, перлит, глина), так и искусственные (пенополиуретан, керамика, синтетические волокна) пористые материалы. При выборе материалов следует учитывать их экологичность, а также доступность в регионе [Сироткина, Новоселова, 2005].

Биологические методы очистки предусматривают использование углеводородокисляющих микроорганизмов, способных усваивать различные углеводороды нефти в качестве единственного источника углерода. Для расширения спектра окисляемых в процессах биоремедиации нефтяных углеводородов все чаще применяют природные или искусственные ассоциации, в которых микроорганизмы-деструкторы отличаются по спектру потребляемых субстратов [Degradation of phenol …, 2002; Biodegradation of hydrocarbons …, 2004; Жуков, Мурыгина, Калюжный, 2007; Mikesková, Novotný, Svobodová, 2012]. Бесспорными преимуществами биологических методов являются их эффективность, экономичность, экологическая безопасность и отсутствие вторичных загрязнений.

Среди углеводородокисляющих микроорганизмов перспективной группой, используемой для очистки нефтезагрязненных сред, являются актинобактерии рода Rhodococcus. Широкий спектр метаболических возможностей и уникальные ферментные системы обусловливают способность ро-дококков деградировать разнообразные по химической структуре углеводороды (алифатические, ароматические, поли- и гетероциклические) и их производные (гербициды, полихлорированные бифенилы, фармполлютанты, фенолы) [The genus …, 1998; Biodegradation potential …, 2009; Biodegradation of drotaverine …, 2012]. Родококки характеризуются такими уникальными биологическими свойствами как плеоморфизм, способность к коагрегации и сложный морфогенетический цикл развития, которые обусловливают наличие у них разнообразных способов клеточной кооперации [Ившина, 1997; Ившина, Каменских, Анохин, 2007]. Кооперация способствует установлению контакта клеток друг с другом, их удержанию в колониях, адсорбции на поверхности капель гидрофобных субстратов и почвенных частиц, а также образованию на поверхности носителей биопленок, использующихся в биотехнологических процессах. За счет фрагментации клеточного мицелия родококков на короткие палочковидные формы увеличивается отношение клеточной поверхности к общему объему клетки, что, в свою очередь, повышает способность родококков поглощать трудноусваиваемый гидрофобный субстрат [Ившина, Каменских, Анохин, 2007]. Кроме того, родококки имеют гидрофобную клеточную стенку и способны синтезировать поверхностноактивные вещества (биосурфактанты), что обеспечивает взаимодействие данных бактерий с труднодоступными гидрофобными субстратами – нефтяными углеводородами [Degradation of phenol ..., 2002; Kuyukina, Ivshina, 2010]. Недавно Ившиной, Куюкиной и Костиной [2013] было показано, что синтезируемые родококками биосурфактанты проявляют металлохелатирующие свойства и способствуют аккумуляции тяжелых металлов в клеточной стенке, препятствуя их поступлению внутрь клетки. Вышеперечисленные особенности родо-кокков, в сочетании со способностью выживать в неблагоприятных условиях среды, обусловливают перспективность их использования при разработке биокатализаторов для ремедиации загрязненных углеводородами объектов окружающей среды.

Согласно литературным данным [Гвоздяк, 1987; Рымовская, Ручай, 2008; Разработка …, 2009; Лейкин, Черкасова, Смагина, 2008; Жукова, Морозов, 2010; Degradation of phenol …, 2002], наиболее перспективными методами очистки нефтезагрязненных сточных вод являются биотехнологические, основанные на применении иммобилизованных бактериальных клеток. Данный подход совмещает в себе сорбцию и концентрирование загрязняющего вещества на твердофазной подложке вблизи иммобилизованных клеток, что делает его более доступным для последующего окисления бактериальными клетками. Это позволяет эффективно удалять из сточной воды малорастворимые и гидрофобные соединения, биорези- стентные, токсичные и канцерогенные вещества [Immobilized-cell …, 2002; Лейкин, Черкасова, Смагина, 2008; Hydrophobised ..., 2008; Жукова, Морозов, 2010; Selection ..., 2012]. Кроме того, при иммобилизации решается проблема отделения бактериальных клеток от очищенных сточных вод, что позволяет перейти от периодических схем очистки к более производительным непрерывным технологиям, предусматривающим использование проточных биореакторов [Гвоздяк, 1987; Лейкин, Черкасова, Смагина, 2008; Сироткин, Шагинурова, Ипполитов, 2007; Doaa, Wafaa, 2009].

Повышение биодеградационного потенциала микроорганизмов-нефтедеструкторов

Одним из наиболее эффективных приемов повышения окислительной активности микробных клеток, а следовательно, эффективности очистки сточных вод, является иммобилизация микроорганизмов на поверхности носителя или включение в гранулы гелей [Биосинтез ..., 1984; Cassidy, Lee, Trevors, 1996; Biodegradation of phenol ..., 2002; Degradation of phenol …, 2002]. Иммобилизованные кле тки ха рактери зуются бо льшей операционной гибкостью по сравнению со свободными формами [Cassidy, Lee, Trevors, 1996]. Применение приема иммобилизации позволяет концентрировать большое количество активной биомассы, способствует увеличению времени ее пребывания в биореакторе и предотвращает вынос при поступлении большого объема стоков или увеличении скорости водного потока [Hallas, Adams, Heitkamp, 1992; Cassidy, Lee, Trevors, 1996; Ильина, Романова, Гинцбург, 2004].

Следует отметить, что при адсорбционной иммобилизации устанавливается динамическое равновесие между процессами адсорбции микробных клеток на носителе и их десорбции с его поверхности [Beyenal, Lewandowski, 2004]. Это имеет немаловажное значение для удаления отработанной биомассы и иммобилизации свежей порции микроорганизмов. Нами показано [Серебренникова, 2014], что в биореакторе колоночного типа при скорости подачи бактериальной су с пензии 2.0 мл/ мин. достигается динамическое равновесие между процессами сорбции/десорбции, оптимальное для иммобилизации алканотрофных родокок-ков на хвойных опилках. При этом происходит прочное закрепление клеток и достигается высокая (1.7×10⁷ клеток/г носителя) концентрация биомассы в реакторе. Вышеперечисленные особенности обеспечивают свободный массообмен между клетками и сокращают затраты на утилизацию избыточной биомассы [Li, Hauer, Rosche, 2007].

Важным преимуществом иммобилизованных клеток является сохранение их жизнеспособности и метаболической активности в течение длительного времени. По-видимому, это связано со стабилизацией ферментативной активности за счет сохранения нативной стерической организации по-лиферментных клеточных систем в ходе иммобилизации [Биосинтез ..., 1984; Enhanced Benzaldehyde …, 2006].

Prieto с соавт. [Degradation of phenol …, 2002] установили, что иммобилизованные клетки R. erythropolis более устойчивы к действию высоких концентраций фенола по сравнению со свободными. Установлено, что при продолжительном воздействии бензальдегида число жизнеспособных иммобилизованных Zymomonas mobilis выше, чем свободных клеток [Enhanced Benzaldehyde …, 2006]. Снижение ингибирующего воздействия высоких концентраций токсических соединений, антибиотиков, солей тяжелых металлов может быть обусловлено образованием внеклеточного полимерного матрикса, покрывающего иммобилизованные клетки и частично сорбирующего токсиканты на своей поверхности [Иммобилизованные ..., 1994; Николаев, Плакунов, 2007; Структурнофункциональная ..., 2010; Degradation of phenol …, 2002]. Повышенную устойчивость иммобилизованных клеток можно объяснить также снижением токсической нагрузки на единицу площади поверхности прикрепленных микроорганизмов [Лейкин, Черкасова, Смагина, 2008; Enhanced Benzaldehyde …, 2006].

Высокая плотность иммобилизованной популяции позволяет микроорганизмам беспрепятственно обмениваться генетической информацией, а также получать информацию о плотности клеток в собственном окружении с помощью низкомолекулярных сигнальных молекул, что крайне затруднительно у планктонных культур [Николаев, Плакунов, 2007; Сироткин, Шагинурова, Ипполитов, 2007]. Иммобилизация клеток на носителе приводит к избирательной экспрессии генов «устойчивости» и изменению активности генов, которые в свободном состоянии не индуцируются. Сироткиным, Шагину-ровым и Ипполитовым [2007] показано, что контакт Escherichia coli с носителем приводит к экспрессии 38% генов данной бактерии, а Pseudomonas aeruginosa в иммобилизованном состоянии начинает синтезировать альгинат. Cassidy с соавт. [Cassidy, Lee, Trevors, 1996] обобщили данные, свидетельствующие о повышении плазмидной стабильности иммобилизованных микроорганизмов за счет того, что плазмиды в биопленке защищены от элиминации по типу «токсин-антитоксин».

Важное значение для очистки сточных вод имеет устойчивость образующих биопленку микроорганизмов к действию органических загрязнителей. Поэтому использование адаптированных к загрязнителю иммобилизованных микроорганизмов также способствует повышению деградационного потенциала микробных биодеструкторов [Leahy,

Colwell, 1990]. González с соавт. [Biodegradation of phenolic …, 2001] показали, что применение пре-адаптированных к высоким концентрациям фенола клеток Pseudomonas putida ATCC 17484, иммобилизованных в Са-альгинатных гранулах, позволяет сократить продолжительность лаг-фазы в 1.3 раза. Установлено, что при каждом последующем внесении новой порции загрязняющего вещества время, предшествующее началу его деградации, значительно сокращается, а деградирующая способность адаптированной популяции возрастает. Так, использование адаптированной популяции иммобилизованных на опилках R. ruber ИЭГМ 615 и R. opacus ИЭГМ 249 способствует 22–26%-ному увеличению эффективности очистки модельной нефтезагрязненной воды в биореакторе [Адаптация …, 2014], а биотрансформация адаптированными к карвеолу клетками R. erythropolis DCL14 происходит в 8.3 раза быстрее, чем нативными бактериями [de Carvalho, da Fonseca, 2005].

Н.А. Леневой с соавт. [Деградация фенантрена …, 2009] показано, что адаптированные к фенантрену клетки R. opacus 412 и R. rhodnii 135 приобретают способность использовать данный углеводород в качестве единственного источника углерода и энергии, в отличие от неадаптированных культур, которые осуществляют лишь частичную его трансформацию в условиях соокисления. Ускорение процесса биодеградации ароматических соединений отмечено для культуры Alcaligenes xylosoxidans Y234, предварительное выращивание которой в присутствии бензола способствовует активизации катехолдиоксигеназ [Yeom, Yoo, 2002]. Следует отметить, что адаптация микроорганизмов к действию одного фактора может сопровождаться повышением его множественной устойчивости к нескольким факторам. Так, в работах [Ившина, Каменских, Козырева, 1990; Влияние состава …, 2000; Адаптация ..., 2014] показано, что адаптация родококков к нефтяным углеводородам сопровождается повышением их антибиотикорезистентно-сти, что, по-видимому, обусловлено перестройкой клеточного метаболизма и увеличением активности окислительных ферментных систем, осуществляющих неспецифическую атаку на воздействующий антибиотик, а также изменением гидрофобности их клеточной стенки.

Как было отмечено выше, нефтезагрязненные сточные воды характеризуются сложным составом и включают разнообразные токсичные соединения. В связи с этим для повышения эффективности их очистки отечественные [Использование …, 2005; Жуков, Мурыгина, Калюжный, 2007; Плешакова, Дубровская, Турковская, 2007] и зарубежные [Biodegradation of hydrocarbons ..., 2004; Mikesková, Novotný, Svobodová, 2012] исследователи все чаще используют микробные ассоциации. Это обусловлено тем, что отдельные штаммы микроорганизмов могут деградировать ограниченное число субстратов, поэтому применение нескольких штам- мов, имеющих разные ферментные системы, будет приводить к наиболее полной деградации сложной смеси углеводородов. Кроме того, неодинаковая растворимость нефтяных углеводородов в воде требует использования углеводородокисляющих микроорганизмов с разной степенью гидрофобности клеточной стенки, что способствует дифференцированному поступлению и ассимиляции углеводородов в клетках.

Суржко с соавт. [Утилизация …, 1995] показали, что эффективность биодеструкции нефти бактериальными ассоциациями на 67–69% выше, чем при использовании монокультур. При этом дегра-дационный потенциал бактериального консорциума является результатом установления синергетических взаимоотношений его компонентов, а не простого суммирования их окислительных способностей. Rambeloarisoa с соавт. [Degradation of crude oil …, 1984] установили, что удаление одного из бактериальных компонентов из состава консорциума приводит к значительному снижению эффективности процесса деградации нефти. По-видимому, образуемые в ходе окисления нефтепродуктов метаболиты являются субстратом для развития других групп микроорганизмов, которые эффективно удаляют оставшиеся загрязняющие вещества. Однако Жуков, Мурыгина, Калюжный [2007] полагают, что в результате кометаболизма нефтепродуктов в системе может происходить накопление промежуточных персистентных и токсичных окисленных соединений, которые могут подавлять развитие микробной популяции.

В настоящее время актинобактерии рода Rhodococcus в виде монокультур [Нефтеокисляющий штамм ..., 2012] или ассоциаций [Microbial ..., 1998; Bioremediation of crude ..., 2003], а также в сочетании с представителями Acinetobacter [Биопрепарат для очистки …, 2002б], Arthrobacter [Биопрепарат для очистки …, 2009], Mycobacterium [Биопрепарат для очистки …, 1996; 2002а, б], Pseudomonas [Биопрепарат для очистки …, 1996], а также дрожжей Candida [Консорциум …, 1994] нашли широкое применение при создании биопрепаратов для биоремедиации загрязненных углеводородами и нефтепродуктами водных и почвенных биотопов в различных климатических условиях, а также стоков промышленных предприятий. Микробные ассоциации могут быть в составе сухих или жидких биопрепаратов («Родер», «Биопрепарат для очистки воды и почвы»), а также иммобилизованы на поверхности органических («Лессорб-био», «Нафтокс», «Эколан») или минеральных носителей [Degradation of phenol …, 2002; Anaerobic …, 2006]. Разнообразие создающихся биопрепаратов определяется их узкой специализацией, ограниченной определенным классом (алифатические, ароматические) углеводородов или типом загряз- нителя (мазут, дизельное топливо, керосин), а также специфическими условиями (температура, рН, влажность), необходимыми для проведения процесса очистки с высокой эффективностью [Консорциум …, 1994; Биопрепарат для очистки …, 1996].

Следует отметить, что внесение лабораторных культур родококков не всегда способствует повышению эффективности очистки загрязненной воды. Проведенные Tartakovsky с соавт. [Degradation of Aroclor …, 2001] исследования показали, что эффективность удаления смеси полихлорированных бифенилов из воды иммобилизованными в гранулах активного ила клетками Rhodococcus sp. M5 сопоставима с таковой (16 и 19% соответственно) только для активного ила. В то же время, использование иммобилизованного на различных носителях консорциума из водорослей и бактерий, в том числе Rhodococcus sp. Ac-1267, способствует эффективному удалению нефти (96%), фенола (85%) анионных поверхностно-активных веществ (72%), а также тяжелых металлов (62 - 90%) при очистке пруда, загрязненного промышленными стоками [Biotreatment ..., 2004].

Биореакторы для оптимизации процесса очистки нефтезагрязненной воды

Немаловажное значение при использовании микроорганизмов для биологической очистки сточных вод имеет установка, в которой осуществляется биотехнологический процесс. Приведенные в таблице данные свидетельствуют о том, что в настоящее время большинство биотехнологических процессов реализуется в ферментерах или биореакторах различных типов. Использование биореакторов разных конструкций позволяет учитывать особенности протекания процессов с участием микробных клеток, создают и поддерживают оптимальные условия эффективной работы иммобилизованных микроорганизмов, а также контролировать технологические параметры [Ward, Singh, van Hamme, 2003]. Это приводит к тому, что процессы, протекающие в биореакторах, являются потенциально высокоскоростными. Также биореак-торные технологии позволяют концентрировать большое количество активной биомассы на носителе, способствуя уменьшению объема используемых конструкций и сокращению их стоимости. Перспективность применения реакторных технологий для биообработки загрязненных субстратов обусловлена минимальным ограничением массо-обмена и увеличением десорбции загрязнителей от твердых частиц (загрязненной почвы, шлама), что, в свою очередь, приводит к увеличению скорости деградации поллютантов по сравнению с твердо- фазными системами [Ward, Singh, van Hamme, 2003].

Биореакторы с адсорбированными на поверхности или включенными в гранулы носителя микроорганизмами используются в процессах очистки синтетических [Scholz, Fuchs, 2000; Anaerobic …, 2006; Petroleum-contaminated ..., 2009] и промышленных стоков, загрязненных нефтепродуктами [Nwankwoala, Egiebor, Nyavor, 2001; Biodegradation of MTBE …, 2003; Серебренникова, 2014], фенолом [Biodegradation of phenolic …, 2001; Biodegradation of phenol …, 2002; Degradation of phenol …, 2002; Soko´ł, Korpal, 2006], ароматическими углеводородами [Biodegradation of MTBE …, 2003] и органическими красителями [Tony, Goyal, Khanna, 2009; Zahmatkesh, Tabandeh, Ebrahimi, 2010], а также для получения антибиотиков [Penicillin …, 1991], тритерпеноидных соединений [de Carvalho, da Fonseca, 2002] и этанола [Sequential …, 2012].

Характеристики биореакторов, используемых для очистки нефтезагрязненных сточных вод

Тип реактора

Преимущества

Недостатки

Примеры практического использования

По принципу организации процесса

Периодического действия	Эффективность процесса не зависит от объемов стоков, состава и концентрации загрязняющих веществ. Прямой контроль скорости процессов. Простота обслуживания.	Все стадии процесса протекают последовательно. Увеличение стоимости биокатализатора, вызванное необходимостью дополнительной очистки продукта от среды.	Очистка загрязненных фенолом промышленных сточных вод клетками P. putida , включенными в Са-альгинатные гранулы [Biodegradation of phenolic …, 2001]. Деградация фенола в сточных водах клетками R. erythropolis , иммобилизованными на керамике [Biodegradation of phenol …, 2002].
Непрерывного действия	Единовременность всех стадии осуществляемого процесса Относительно постоянные условия. Возможность контролировать процесс. Высокая    производи тельность. Механизация и простота обслуживания.	Эффективность процесса зависит от объемов стоков, состава и концентрации загрязняющих веществ. Возможное нарушение целостности частиц носителя.	Очистка загрязненной нефтью водопроводной воды с использованием иммобилизованных на керамзите клеток R. erythropolis ЭК-1 [Использование …, 2005]. Очистка промышленных сточных вод, загрязненных фенолом клетками P. putida , включенными в Са-альги-натные гранулы [Biodegradation of phenolic …, 2001], иммобилизованными на керамике клетками R. ery-thropolis [Biodegradation of phenol …, 2002].

По принципу работы

Неподвижный слой катализатора	Простота обслуживания. Отсутствие трения частиц носителя.	Наличие градиента давления. Отсутствие эффективной аэрации. Необходимость дополнительного газоотведе-ния.	Очистка загрязненной нефтью водопроводной воды иммобилизованными на керамзите клетками R. erythropolis ЭК-1 [Использование …, 2005]. Деградация фенола в сточных водах с использованием иммобилизованных на керамике клеток R. erythropolis [Biodegradation of phenol …, 2002].
Псевдоожиженный слой катализатора	Хорошее перемешивание и газоотведение. Хороший межфазный контакта в системе газ-жидкость-носитель обеспечивает высокую доступность субстрата для клеток. Непрерывный режим работы.	Относительно невысокая скорость движения жидкости и частиц носителя. Возможное механическое повреждение частиц носителя. Необходимость поддерживать режим полного вытеснения. Дефлюидизация биокатализатора.	Аэробная очистка фенолсодержащей сточной воды клетками P. putida , включенными в Са-альгинатные гранулы [Biodegradation of phenolic …, 2001], иммобилизованной на полипропилене смешанной микробной культурой [Sokół, Korpal, 2006]. Анаэробная очистка загрязненной дизельным топливом воды микробной ассоциацией, иммобилизованной на углеродных частицах [Anaerobic ..., 2006].
Мембранный биореактор	Высокая плотность активной биомассы. Короткое время гидравлического удержания. Отсутствие ступеней отстаивания и фильтрации.	Сложность получения мембранных носителей и их высокая стоимость. Энергозатратность процесса.	Очистка синтетической сточной воды, содержащей мазут или смазочное масло, а также поверхностно-активные вещества, активным илом [Scholz, Fuchs, 2000].

Окончание таблицы

Тип реактора

Преимущества

Недостатки

Примеры практического использования

По способу перемешивания

Циркуляционное перемешивание

Отсутствие необходимости в дополнительных системах аэрации. Простота эксплуатации и обслуживания.

Недостаточно эффективное перемешивание. Предрасположенность к формированию температурных, концентрационных и рН градиентов. Затруднено удаление газообразных продуктов.

Очистка синтетической сточной воды, содержащей мазут или смазочное масло, а также поверхностно-активные вещества, активным илом [Scholz, Fuchs, 2000]. Деградация MTBE и BTEX адаптированной ассоциацией Flavobacteria - Cytophaga , иммобилизованной на активированном углероде [Biodegradation of MTBE …, 2003].

В последнее время широкое распространение получили биореакторы колоночного типа с псевдоожиженным слоем (fluidized-bed) носителя, содержащего иммобилизованные клетки. Такие биореакторы являются разновидностью аппаратов полного вытеснения, в которых каждый предыдущий объем жидкости вытесняется последующим и не смешивается с ним. Принцип работы биореактора с псевдоожиженным слоем заключается в том, что частицы носителя, увлекаемые восходящим потоком газа или жидкости, суспендируются в них [Werther, 2007]. При правильно подобранном скоростном режиме частицы носителя, достигнув верхней расширяющейся части биореактора, прекращают подъем и вновь возвращаются в колонку, что позволяет удерживать их в рабочей зоне реактора, несмотря на непрерывное прокачивание среды.

Основанием для использования в биотехнологических процессах реакторов с псевдоожиженным слоем может служить отсутствие ограничений, накладываемых на минимальные размеры частиц носителя при использовании биореакторов с неподвижным слоем [Махлин, 2009]. Уменьшение размеров частиц материала носителя приводит к увеличению межфазного контакта, а также снижению внутридиффузного сопротивления при взаимодействии между фазами [Касаткин, 1973; Werther, 2007]. Условия, обеспечивающие псевдоожижение, позволяют предотвращать «засорение» рабочей зоны реактора, которое может возникнуть в неподвижном слое при использовании носителей с развитой площадью поверхности или активном росте микробных клеток, и, как следствие, избегать значительных перепадов давления по всей ее высоте и равномерно распределять жидкость между частицами с иммобилизованными клетками [Soko´ł, Korpal, 2006]. В то же время, контролируемый рост клеток в реакторе данного типа позволяет без прерывания его работы пополнять псевдоожиженный слой микроорганизмами и поддерживать необходимый уровень активной иммо- билизованной биомассы. Кроме того, частицы носителя с избыточным количеством адсорбированных клеток чаще всего концентрируются в верхней части биореактора и со временем могут выноситься из него с потоком жидкости [Shieh, Keenan, 1986; Soko´ł, Halfani, 1999].

За счет перемешивания материала носителя интенсивность массопереноса в псевдоожиженном слое выше, чем в неподвижном слое биокатализатора. По данным Махлина [2009] и Werther [2007], это приводит к возрастанию скорости протекающих процессов и их производительности. Формирование псевдоожиженного слоя в биореакторе обеспечивает равномерное распределение клеток R. ruber и R. opacus между частицами носителя – хвойными опилками, о чем свидетельствовало монотонное снижение показателя оптической плотности клеточной суспензии [Экспериментальное …, 2012]. Тогда как при скорости, не достаточной для псевдоожижения, частицы носителя остаются неподвижными и плотно уложенными, что приводит к коагрегации клеток в нижней части рабочей зоны реактора и препятствует их равномерному распределению. Отмечено, что повышение скорости (от 0.6 до 2.0 мл/мин.) подачи нефтезагрязненной воды в биореактор приводит к увеличению эффективности ее очистки на 14%, что, по-видимому, связано с равномерным омыванием загрязненной водой взвешенных частиц носителя с иммобилизованными клетками в условиях их псевдоожижения [Серебренникова, Куюкина, Ившина, 2013]. Кроме того, высокие скорости водного потока усиливают гидравлическое перемешивание, что обеспечивает увеличению количества поступающего к иммобилизованным родококкам раство ренного к и слорода , что с огласно [Sharma, Pant, 2001; Rajasimman, Karthikeyan, 2009] способствует повышению эффективности биодеградационного процесса. Тогда как в реакторах с неподвижным слоем носителя трудно добиться хорошей аэрации и предупредить избыточное накопление газов в верхней части [Махлин, 2009].

Однако газоперенос к закрепленным на носителе клеткам в реакторах с псевдоожиженным слоем может быть ограничен избыточным количеством биомассы, образующимися агломератами частиц или крупными пузырьками воздуха, а также слишком большой высотой рабочей зоны реактора [Soko´ł, Korpal, 2006; Rajasimman, Karthikeyan, 2009]. Наличие крупных пузырьков воздуха внутри биореактора нежелательно еще и потому, что они могут приводить к дополнительному движению частиц носителя, вызывая их механическое истирание и эрозию внутренних конструкций установки [Werther, 2007]. Кроме того, при проведении гетерогенных биокаталитических процессов крупные пузырьки воздуха могут ограничивать массопере-нос веществ к псевдоожиженному слою.

Важной технической характеристикой, влияющей на эффективность работы биореактора, является время гидравлического пребывания загрязняющего вещества, которое зависит от скорости его подачи в биореактор и концентрации закрепленных на носителе клеток [Martinov, Hadjiev, Vlaev, 2010]. При этом снижение скорости подачи жидкости приводит к увеличению времени гидравлического удержания загрязнителя, а следовательно, уменьшению содержания загрязняющих веществ на выходе из биореактора [Anaerobic …, 2006]. Однако за счет достижения значительной концентрации биомассы на носителе эффективность биотехнологического процесса может быть высокой даже в случае высокой скорости подачи загрязненной воды.

Масштабирование биореакторных процессов осуществляется поэтапно в лабораторных, пилотных (опытно-промышленных) и промышленных установках [Егоров, Олескин, Самуилов, 1987; Евтушенков, Фомичев, 2002]. На каждом из перечисленных этапов решаются конкретные задачи, связанные с отработкой производственного режима и его оптимизацией.

Использование лабораторных биореакторов позволяет решать следующие задачи: кинетические, связанные с определением интенсивности деградации субстратов и образования промежуточных и конечных продукта; массообменные, предусматривающие расчет коэффициентов массопередачи, скорости поступления в среду и отведения образующихся газообразных продуктов; стехиометрические, устанавливающие соотношения между количеством поступающего загрязнителя с образующимися побочными и конечными продуктами реакций [Евтушенков, Фомичев, 2002].

Пилотные установки применяются для апробации наиболее целесообразных технологий и масштабирования промышленных процессов в аппаратах определенного типа. Пирог с соавт. [Использование …, 2005] изучали процесс очистки нефтезагрязненной воды в лабораторном биореакторе с иммобилизованными на керамзите клетками R. erythropolis ЭК-1. Рабочие параметры биореактора рассчитывали, исходя из размеров промышленной установки по очистке воды от нефтепродуктов, с целью повышения ее производительности при высокой скорости потока (0.68 л/мин.). Показано, что эффективность очистки воды при заданной скорости в оптимально подобранных условиях (аэрация до 0.1 л/мин., периодическое внесение 0.01% (NH4)2HPO4) составляла 99.5-99.8%.

Следует помнить, что даже при соблюдении одинаковых условий (тип реактора, температура, рН, скорость перемешивания) уровень и скорость процесса при масштабировании могут существенно различаться. Taoufik с соавт. [Aromatic …, 2004] показали, что при переходе от лабораторного к полупромышленному биореактору в три раза увеличивалась удельная скорость окисления бензола и толуола, что позволяло сократить время обработки загрязненной воды с сохранением высокой (~ 100%) эффективности процесса.

Возможности иммобилизованных родококков, а также микробных ассоциаций с их участием изучаются в лабораторных [Degradation of Aroclor ..., 2001; Degradation of phenol ..., 2002; Biodegradation of phenol …, 2002; Деградация 2,4-динитрофенола …, 2004; Использование ..., 2005; Серебренникова, Куюкина, Ившина, 2013; Адаптация …, 2014] и пилотных установках [Bioremediation ..., 2003; Biotreatment ..., 2004]. Китовой с соавт. [Деградация 2,4-динитрофенола …, 2004] на основе включенных в агаровый гель клеток R. erythropolis HL PM-1 разработан биокатализатор для деградации 2,4-динитрофенола в условиях лабораторного колоночного биореактора с сохранением высокой производительности (0.45 нмоль/мин∙мг клеток) в течение двух недель. Клетки R. erythropolis UPV-1, адсорбированные на поверхности керамических гранул, используются для очистки синтетических и промышленных фенол- и формальдегид содержащих сточных вод в лабораторных биореакторах с неподвижным носителем [Biodegradation of phenol …, 2002; Degradation of phenol …, 2002].

de Carvalho и da Fonseca (2002) показано, что использование биореактора определенного типа оказывает влияние на процесс образования из кар-веола карвона свободными и иммобилизованными клетками R. erythropolis DCL14. Оказалось, что максимальная удельная скорость (1.69 мг/ч) процесса достигается в биореакторе с механическим перемешиванием, а наибольшая производительность (0.164 мг карвона/ч∙мл) отмечена в колоночном биореакторе с пневматическим перемешиванием.

Коиммобилизованные на гидрофобизованных опилках R. ruber ИЭГМ 615 и R. opacus ИЭГМ 249 использованы для обработки модельной [Petroleum-contaminated water …, 2009; Серебренникова, Куюкина, Ившина, 2013] и промышленной нефтезагрязненной воды [Серебренникова, 2014] в биореакторе с псевдоожиженным слоем. Эффективность очистки модельной нефтезагрязненной воды зависила от скорости ее пропускания через биореактор и составляла от 72 до 86% [Petroleum-contaminated water …, 2009; Серебренникова, Куюкина, Ившина, 2013]. Показано, что иммобилизованные родококки в максимальной (90%) степени деградировали алифатические углеводороды и нафталин, интенсивно (83%) окисляли н -додекан и пристан. Тогда как количество устойчивых к биологическому окислению полициклических углеводородов сокращалось на 50–65%. Применение иммобилизованной ассоциации R. ruber и R. opacus способствовало 67%-ному удалению нефтяных углеводородов из промышленной загрязненной воды [Серебренникова, 2014]. Отмечено, что удаление углеводородов является результатом их окислительной биодеградации иммобилизованными родококками, а также физико-химической адсорбции носителем. Высокая степень биодеградации углеводородов поддерживалась на протяжении трех операционных циклов обработки, что свидетельствует о высокой эффективности и стабильности процесса биоочистки воды в биореакторе [Petroleum-contaminated water …, 2009; Серебренникова, 2014].

Заключение

Рассмотрены основные особенности нефтесодержащих сточных вод, а также способы их очистки от нефтепродуктов. Показано, что, среди существующего многообразия способов (механических, химических, физико-химических и биологических) очистки загрязне нных у глеводо р одами пр омышленных стоков, наиболее перспективными является применение биотехнологических методов, основанных на использовании биореакторов с иммобилизованной монокультурой или ассоциацией угле-водородокисляющих микроорганизмов [Лейкин, Черкасова, Смагина, 2008; Жукова, Морозов, 2010; Degradation of phenol ..., 2002а].

Одной из перспективных групп микроорганизмов, применяющейся в биотехнологии для очистки нефтезагрязненных сред, являются актинобактерии рода Rhodococcus. Такие биологические особенности, как сложный морфогенетический цикл развития, гидрофобная природа клеточной стенки и способность синтезировать биосурфактанты, позволяют родококкам деструктиро-вать токсичные и труднодоступные для многих микроорганизмов нефтяные углеводороды [The genus ..., 1998; Degradation of phenol …, 2002; Ив-шина, Каменских, Анохин, 2007; Kuyukina, Ivshina, 2010].

С целью повышения биодегрдационного потенциала углеводородокисляющих бактерий широко используется метод адсорбционной иммобилизации. Иммобилизованные микроорганизмы по сравнению со свободными характеризуются высокой каталитической активностью, повышенной жизнеспособностью и устойчивостью к действию неблагоприятных факторов внешней среды [Биосинтез ..., 1984; Cassidy, Lee, Trevors, 1996; Degradation of phenol …, 2002; Biodegradation of phenol ..., 2002]. Применение приема иммобилизации позволяет предотвращать вынос активной биомассы из биореактора [Ильина, Романова, Гинцбург, 2004; Hallas, Adams, Heitkamp, 1992; Cassidy, Lee, Trevors, 1996], снимет необходимость отделять бактериальные клетки от очищенных сточных вод, дает возможность перейти к непрерывным технологиям с использованием проточных реакторов [Гвоздяк, 1987; Лейкин, Черкасова, Смагина, 2008; Сироткин, Шагинурова, Ипполитов, 2007; Doaa, Wafaa, 2009].

Биореакторы различных конструкций, в частности, с псевдоожиженным слоем биокатализатора, дают возможность осуществлять биотехнологические процессы в оптимально подобранных условиях с высокой эффективностью. Основанием для применения реакторов такого типа служит: отсутствие ограничений, накладываемых на минимальный размеры частиц носителя [Махлин, 2009]; равномерное распределение загрязненной воды между носителем с закрепленными клетками и хорошая аэрация; возрастание скорости протекающих процессов и увеличение их производительности [Махлин, 2009; Werther, 2007]; отсутствие значительных перепадов давления и низкое внутри-диффузное сопротивление при взаимодействии между фазами по высоте рабочей зоны реактора [Soko´ł, Korpal, 2006; Werther, 2007]; удержание биокатализатора внутри реакторного блока в условиях постоянного водного потока [Shieh, Keenan, 1986; Soko´ł, Korpal, 2006; Werther, 2007]; возможность устранения из технологической цепочки вторичных отстойников [Shieh, Keenan, 1986; SokСo´лłе, дHуaеlтfaоnтi,м1е9т9и9т]ь., что на эффективность процессов, осуществляемых в биореакторах, благоприятное влияние оказывает использование микробных ассоциаций [Biodegradation of hydrocarbons ..., 2004; Использование ..., 2005; Жуков, Мурыгина, Калюжный, 2007; Mikesková, Novotný, Svobodová, 2012], а также адаптированных к загрязнителю микроорганизмов-деструкторов [Адаптация ..., 2014; Leahy, Colwell, 1990;

Biodegradation of phenolic ..., 2001; de Carvalho, da Fonseca, 2005].

Дальнейшим направлением исследований в данной области – создание новых бактериальных ассоциаций на основе нефтеокисляющих микроорганизмов и оптимизация процесса очистки нефтезагрязненных сточных вод с их использованием в условиях биореакторов.

Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда (14-14-00643).