Анаэробная очистка от сульфатов и тяжелых металлов

Рис. 1. Примеры  ветландов, используемых для пассивной  биоремедиации вод 
 

   АНАЭРОБНАЯ  ОЧИСТКА ВОД ОТ СУЛЬФАТОВ И ТЯЖЕЛЫХ  МЕТАЛЛОВ 

 В настоящее  время наиболее широко распространены химические методы обезвреживания сульфат- и металлосодержащих стоков, имеющие  недостаточно высокую эффективность при значительных затратах. Применение микробных процессов можно считать альтернативой использованию химических методов. Сульфатредуцирующие бактерии (СРБ) привлекают внимание исследователей как потенциальные агенты очистки сточных вод, загрязненных тяжелыми металлами и сульфатами. 

   ЮЛ. Франк, Томский государственный  университет СВ. Пушников, НТО «Приборсервис»

   Анаэробные  процессы используются для очистки стоков уже более 100 лет. Преимуществами этого метода можно считать:

• низкое потребление питательных веществ вследствие развития анаэробами небольшой биомассы;
• снижение расхода электроэнергии, так как не требуется проводить аэрацию;
• способность системы находиться некоторое время в «спящем» состоянии без подпитки (при восстановлении питания микроорганизмы в короткий срок возвращаются к нормальной работе);

   • невысокую требовательность анаэробных систем, в отличие от аэробных, к ограничению по акцептору электрона, поэтому их загрузка может быть выше, чем для аэробных.

   К основным недостаткам применения очистных систем на основе анаэробных микроорганизмов  относятся низкая скорость роста и небольшая биомасса. Иммобилизация клеток позволяет преодолеть ограничения, связанные с вымыванием и без того недостаточной биомассы в проточных системах. При использовании реактора, содержащего иммобилизованные клетки СРБ и метаногенов, эффективность удаления сульфатов приближается к 100%.

   Для ремедиации применяют биореакторы, в которых происходит осаждение ионов металлов сульфатредукционным сероводородом. При этом можно использовать два подхода:

1. биологическая и химическая системы процесса работают независимо, чтобы защитить СРБ от влияния высокой кислотности и повышенных концентраций тяжелых металлов;
2. сначала с помощью СРБ превращают сульфаты в сульфиды (1-я стадия), что повышает щелочность и способствует осаждению тяжелых металлов в стоках. Затем (2-я стадия) избыток сульфидов окисляется в специальном реакторе с образованием элементарной серы, которая впоследствии может использоваться в химической промышленности, например для производства серной кислоты.

   Методом, альтернативным активной ремедиации, является пассивная очистка загрязненных вод с использованием ветландов (рис. 1). Ветланды — это основной вид биогеоценозов, формирующихся на границе воды и суши. В природе они играют роль водных фильтров, занимают понижения рельефа, места выхода на поверхность грунтовых вод, окаймляют водоемы и водотоки. Ветланды характеризуются низким содержанием кислорода, изменчивыми значениями рН, малым количеством органического вещества, отрицательными значениями окислительно-восстановительного потенциала, что является благоприятным для развития СРБ.

   Для удаления биогенных элементов и металлов часто используются искусственные ветланды, при этом очистка происходит тремя основными способами:

• сточные воды очищаются в анаэробных условиях при прохождении через гравий;
• горизонтальный поток сточных вод поступает в ветланды, содержащие органический субстрат в качестве стимулятора роста эндогенной микрофлоры;

   • вертикальный поток сточных вод поступает в ветланды, обогащенные органическим субстратом. При этом способе обеспечивается последовательное участие в процессе очистки аэробных и анаэробных микроорганизмов. Активность сульфатредукторов в осадках водных экосистем важна не только для минерализации в них металлов. Суль-фатредукция также имеет место при анаэ робном разложении органического вещества в присутствии сульфата, и удаление металлов СРБ является эффективным при обезвреживании стоков, содержащих органику в сочетании с сульфатами. В ходе микробной сульфатредукции в кислых шахтных водах снижаются высокие концентрации сульфатов, повышается рН и создаются благоприятные условия для осаждения металлов в сульфиды.

   На  рис. 2 представлен интегрированный биологический подход с применением автотрофного выщелачивания серуокисляющими бактериями и с последующим осаждением металлов в виде сульфидов для удаления металлов-загрязнителей из почв.

   Выбор того или иного типа ветландов (а  в настоящее время в мире их существует более 1000 — естественных и искусственно созданных) зависит от состава очищаемых вод. Такой подход к биоремедиации наиболее популярен в США, особенно в Аппалачах для обезвреживания стоков из мест добычи каменного угля. Искусственные ветланды функционируют в Колорадо для очистки кислых шахтных вод от тяжелых металлов, а также в Нью-Мехико и Миссури на предприятиях по добыче урановых руд и свинца. Более 100 подобных очистных сооружений к 2000 г. действовали в Дании, 71 — в Швеции и Норвегии, 67 — в Канаде, 28 — в Чехии и 30 — в странах СНГ.

    Основным ограничением применения СРБ в очистных установках является токсичность выделяемого ими сероводорода. Для преодоления данного ограничения целесообразно проводить последовательный процесс превращения сульфатов сначала в сульфиды, а затем в элементную серу.

   Общая схема очистки вод от сульфатов и тяжелых металлов, основанная на применении микробиологических процессов, показана на рис. 3.

   Процесс состоит из трех стадий: 1. Бактериальная сульфатредукция. В качестве агентов бактериальной сульфатре-дукции при очистке водоемов от сульфатов чаще всего применяют специально подобранные смешанные культуры (консорциумы) СРБ. Для составления смешанных культур целесообразно использовать чистые культуры СРВ, обладающие устойчивостью к высоким концентрациям металлов, к повышенной кислотности и т.п.

   При проведении очистки естественных водоемов, богатых  органикой, не требуется дополнительного внесения органических веществ — доноров углерода и энергии для СРБ. В случае создания искусственных очистных сооружений, например биореакторов или прудов, необходимо вносить органический субстрат в установленной концентрации. Оптимальными для подобных целей являются этанол — дешевый и эффективный субстрат, который активно используется СРБ, и сахара. Следует отметить, что некоторые СРБ способны использовать сахара, которые по экономичности превосходят этанол. Чаще всего на таких сахарах, как фруктоза, глюкоза и сахароза, растут представители рода Desulfovibrio. Они же проявляют наибольшую устойчивость к меди.

   2. Осаждение тяжелых  металлов в нерастворимые сульфиды. При наличии металлов в растворе следствием бактериальной сульфатредукции является связывание их высокореакционным сероводородом в нерастворимые сульфиды. В ходе этого процесса достигается удаление растворенных металлов, а также большей части сероводорода, обладающего неприятным запахом и токсическим действием. Сульфиды металлов не обладают токсичными свойствами и могут быть легко удалены из раствора. Существует опыт промышленного использования подобных осадков как вторичного сырья для получения металлов. Процесс удаления сульфата и тяжелых металлов из раствора в ходе сульфатредукции занимает, как правило, 2-3 недели.

   3. Микробиологическое окисление избытка сероводорода с образованием элементной серы. В ходе связывания металлов в сульфиды происходит удаление из раствора большей части сероводорода. Остаточный либо в случае отсутствия металлов в очищаемой воде весь образующийся сероводород может быть эффективно удален в ходе бактериального окисления с использованием серуокисляющих или фотолитотрофных бактерий, причем предпочтительно применение последних, так как в этом случае HS выступает донором электрона, а источником энергии является солнечный свет. Продукт окисления сероводорода — твердая элементная сера — может быть использован в химической промышленности, например для производства серной кислоты.

   В настоящее  время в мире действуют многочисленные биоремедиационные схемы на основе сульфатредуцирующих бактерий, в  том числе в составе сложных систем, сочетающих различные процессы очистки вод. Использование накопленного в западных странах опыта и российские практические наработки в этой области делают возможными разработку технологических схем очистки вод от сульфатов и металлов и их внедрение.