Современные методы ремедиации сточных вод

Сульфатредуцирующий бактериальный кон­сорциум, выделенный из сточных вод, спосо­бен удалять полиароматические углеводороды (ПАУ) до 74% путем биодеградации и около 20% через испарение. Оптимальными условия­ми для биодеградации ПАУ являются рН от 4,0 до 6,5, концентрация этанола меньше 35 мг/л и биомассы более 65 мг/л [6].

В результате щелочной экстракции пшенич­ной соломы образуется бумажная пульпа (чер­ный щелок), которая, попадая в сточные воды, приводит не только к увеличению рН среды от 11,0 до 13,0, но и к возрастанию ХПК выше 100 000 мг/л. Основной вклад в высокие значе­ния ХПК вносят лигнин, гемицеллюлоза и цел­люлоза. На основе выделенных 11 штаммов ми­кроорганизмов (роды Halomonas и Bacillus) из сточных вод целлюлозной фабрики был создан консорциум для ремедиации черного щелока [7].

Проблема загрязнения вод фенольными от­ходами является актуальной для территории Казахстана, так как они являются одними из ос­новных классов ксенобиотиков промышленных процессов, таких, как нефтедобыча. Установле­на потенциальная активность ү-протобактерий и цитофага-флавобактерии для ремедиации воды, загрязненной фенолами [8].

Spirulina sp (Oscillatoriaceae) способна ад­сорбировать значительное количество свинца и цинка из водных растворов, удаляя 90% Pb²+ и 89% Zn²+ в течение 15 минут после добавления водоросли. Отчетливая связь между рН водного раствора металла и связывание Pb²⁺ спирулиной наблюдается при рН 2-5, 5-9 и 9-12. Сорбция ио­нов тяжелых металлов водорослью носит двух­ступенчатый характер: сначала ион металла фи­зико-химически распределяется на поверхности клетки (пассивный транспорт) и потом проника­ет через клеточную мембрану (активный транс­порт) [9].

Выделено и идентифицировано 13 штаммов бактерий из сточных вод устойчивых к цинку, свинцу, хрому и кадмию. Минимальная ингиби-рующая концентрация (МИК) составляла от 100 до 1500 мкг/мл. Среди этих металл-резистентных штаммов 77% составляли грамм-отрицательные и 23% грамм-отрицательные [10].

Воды пивоваренных заводов могут быть ис­пользованы для очистки сточных вод с высоким содержанием хрома. Так, установлено, что 15 г/л дрожжевых клеток могут удалить до 33% хрома, содержащегося в воде [11].

Aspergillus lentulus может удалять хром на 79%, медь на 78%, свинец на 100% и никель на 42% при их наличии в сточных водах по отдель­ности. При комбинированном присутствии этих металлов в сточных водах также отмечаются положительные результаты. Aspergillus lentulus удаляет хром на 71%, медь на 56% и свинец на 100% [12].

Chlamydomonas mexicana уменьшает кон­центрацию азота (62%), фосфора (28%) и неор­ганического углерода (29%) в сточных водах. Кроме того, микроводоросль характеризуется высоким содержанием липидов (33±3%), среди которых преобладают пальмитиновая, линоле-вая, а-линоленовая и олеиновая жирные кис­лоты. Так, Chlamydomonas mexicana является перспективной для одновременного удаления биогенных веществ из сточных вод и получения биодизеля [13].

Нарастающий уровень эндокринных нару­шений водных организмов связывают с посту­плением в водные экосистемы синтетического эстрогена 17а-этинилэстрадиола. Выделеные из активного ила микроорганизмы (B.subtilis, P.aeruginosa, P.putida, R.equi, R.erythropolis, R.rhodochrous, R.zopfii) обладают способностью удалять 17а-этинилэстрадиол. R.rhodochrous проявлял наибольшую активность и полная де­градация эстрогена достигалась через 48 часов. Не отмечалось аддитивного или синергетиче-ского эффекта с сочетанием бактериальных культур [14].

Перифитон, благодаря своей приуроченно­сти к субстрату, играет первостепенную роль при оценке качества воды и позволяет судить о ее среднем загрязнении за определенный про­межуток времени. Двустворчатые моллюски (Corbicula fluminea) перифитона и собственно перифитон могут быть биоиндикаторами загряз­нения водоемов кадмием и цинком. В теле дву­створчатого моллюска аккумулируется 80,6 мг кадмия, а в биопленке - до 861,2 мкг. Уровень цинка достигает в теле моллюска 2,0 мг и в био­пленке - 21,3 мг. Низкое содержание металлов в моллюске связано с температурным режимом водоема. Показано, что, если температура водо­ема падает до 6С° и ниже, то моллюски уже не способны накапливать металлы [15].

Комплексная фиксированная форма активно­го ила является модификацией обычного актив­ного ила, состоящая из биопленки и факторов роста. В процессе изучения эффективности очи­щения промышленных стоков установили, что основную долю составляли Proteobacteria рода Firmicutes и Pseudomonas [16].

Pleurotus citrinopileatus проявляет наилуч­шую активность при деградации сахарного жома, если последний был подвергнут обработ­ке горячей водой. Гриб разрушает лигнин, цел­люлозу, гемицеллюлозу и как результат сниже­ние содержания углерода в жоме, которые идут на постройку собственно плодового тела гриба. С течением времени уровень углерода снижает­ся, однако в среде возрастает содержание азота. Выявлена положительная корреляция между снижением уровня углерода сахарного жома и ферментативной системой гриба (целлюлазы, ксиланазы, лакказы и полифенолоксидазы). Во время роста мицелия гриба идет быстрее дегра­дации лигнина, наоборот, во время плодоноше­ния - целлюлозы и гемицеллюлозы [17].

Инкапсулированные на гидрогели диоксида кремния грибы Rhizopus oryzae и Pleurotus sajor были добавлены в сточные воды целлюлозного комбината на 29 дней при 28 ° C. Оба видов гри­бов улучшали качественные и количественные характеристики сточных вод: цветность улучша­лась на 56%, химическая потребность в кисло­роде сокращалась на 65% и уменьшался уровень органических соединений на 72-79% [18].

Перспективной технологией фиторемедиа-ции является использование декоративных рас­тений, широко используемых в цветоводстве, в качестве восстановления тяжелых металлов за­грязненных почв и вод. Такие виды растений, как подсолнечник (Helianthus Annuus), ноготки (Calendula officinalis), бархатцы раскидистые (Tagetes patula) и гребень петушиный (Celocia cristata), выросшие на почве, загрязненной про­мышленными сточными водами и сточными во­дами, содержащими различные металлы (Ca²⁺,Cr (VI), Mn²⁺, Fe²⁺, Cu²⁺, Zn²⁺, Pb²⁺), накапливают эти металлы в различных частях. Так, наиболь­шее накопление происходит в корне, листве, стволе и цветке [19].

Установлена положительная корреляция на­копления азота и фосфора в тканях растений рода Плевел с производством биомассы и мощностью очистки воды. В исследованиях были использо­ваны 12 сортов и только 3 сорта уменьшали про­явление эвтрофикацию водоема. Эффективность удаления азота и фосфора варьировала от 52,2% до 73,8% и 75,1% до 84,8%, соответственно. По­сле 162 дней наблюдения биомасса увеличива­лась с 321,5 до 922,8 г / м² [20].

Кактус Nopalea cochenillifera Salm. Dyck и его клеточная культура преобразует текстильные красители, в том числе токсический реактивный красный HE7B, в неопасные метаболиты. Реак­тивный красный HE7B трансформируется через активацию внутриклеточной ферментативной системы. Так, уровень лакказы повышается на 687%, тирозиназы на 219%, азоредуктазы на 144% и 2,6-дихлорфенолиндофенола редуктазы на 167% [21].

Биотехнологический подход применен для уменьшения содержания фенолов в сточных во­дах оливкового завода с использованием транс­генных растений табака Nicotiana tabacum. Выделен из вешенки обыкновенной Pleurotus ostreatuspox ген cDNAлакказа, который введен в геном табака. В результате получен рекомби-нантный фермент секретируемый в ризосфере корня растения, в результате удалось сократить общее содержание фенола до 70% [22].

В результате получения пробок для буты­лок вина остаются частицы размером 0.25-0.42 мм, проявляющие высокую сорбционную и де-сорбционную активность при загрязнении воды смесью ПАУ. Химический состав частиц пред­ставлен клеточными компонентами - суберином (38,5%) и лигнином (31,6%). На высокую эффек­тивность сорбента указывает то, что около 80% адсорбции происходит в течение первых двух минут с момента введения сорбента. Самое вы­сокое сродство адсорбции было выявлено для пирена, антрацена и фенантрена. Исследования показывают, что десорбция имеет высокую сте­пень необратимости для всех ПАУ, и особенно для ПАУ с высокой молекулярной массой. По­казано, что количество остатков пробки, необхо­димого для связывания загрязненной воды ПАУ, в 15 раз меньше количества других известных материалов (например, опилок древесины) [23].

Добавление углеродных материалов, та­ких, как растительные отходы (опилки и шелу­ха риса), обезвоженный остаток компоста, по­вышает содержание влаги и соотношение С/N (углерод/азот). Результаты показали, что кон­центрации хрома и кадмия уменьшались при до­бавлении растительных отходов цинка и никеля в опилках. Оптимальные условия для компости­рования осадков в резервуарах сточных вод: на каждый килограмм компоста требуется 350 г опилок, 470 г листьев и 388 г рисовой шелухи [24].

Известно, что избыточное содержание фос­фора в воде озер и рек является одной из глав­ных проблем качества воды. При этом, исполь­зование натуральных отходов или побочных материалов промышленных процессов может выступать эффективным средством для удале­ния избыточного фосфора в воде. Преимуще­ства использования таких материалов связано с их низкой стоимостью, наличием в большом количестве, не требует подготовки, особенно по сравнению с искусственными материалами, таких, как ионообменные смолы и полимерные адсорбенты. В качестве теста была использо­вана вода поверхностных водоемов, которая имела общую концентрацию Р 132-250 мкг/л и концентрацию общего органического углерода 15-32 мг/л. Было показано, что использованием квасцов шлама нанокомпозита - гибридным ани-онитом с оксидом железа - достигается эффек­тивное удаление фосфора и минимизация неже­лательных вторичных изменений химического состава воды [25].

Известно, что лекарственные препараты мо­гут не удаляться в процессе очистки сточных вод, их компоненты обнаруживаются повсеместно в воде и донных отложениях. После использова­ния растворенного воздуха и окисления озоном фармацевтические сточные воды удовлетворяют стандартам качества воды для сточных вод. В за­висимости от конкретных лекарственных препа­ратов может быть эффективным только один из способов. Например, при использовании озона удаляется из сточных вод до 95% ибупрофен, в то время как скорость удаления безафибрат на­ходиться в диапазонах между 50% и 90% [26].

В настоящее время новый класс наноматери-алов - наноклей или органоклей, относящиеся к гибридным органо-неорганическим наномате-риалам, все чаще используются для устранения загрязненных почв и сточных вод. Установле­на взаимосвязь между поверхностным зарядом наноклея бентонита Arquad® 2HT-75 и спо­собности к восстановлению органических за­грязнителей, таких, как фенол и р-нитрофенол. Конформация молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ) в бентоните становится бо­лее регулярной, упорядоченной и твердой. Это приводит к формированию положительного Z-потенциала на поверхности органобентонита, что способствует сорбции [27].

Исследовано нановещество железа для уда­ления тяжелых металлов из сточных вод. Было определено, что удаление тяжелых металлов за­висит от pH сточных вод. Наилучший эффект достигается при кислой среде (рН=2) [28].

Применение синтетического гидроксиапати-та (ГА) и природных фосфоритов (ФАП) приво­дит к уменьшению растворимых в воде металлов

Cd²⁺, Cu²⁺, Pb²⁺, Zn²⁺ примерно на 84-99%. При­чем, наибольшую активность проявляют ГА для иммобилизации тяжелых металлов. ГА и ФАП снижают концентрацию этих металлов в воде и почве, что сводит к минимуму подкисления почвы и потенциального риска развития эвтро-фикации [29]. Показана эффективность исполь­зования наногидроксиаппатита для удаления Cr (VI) из водного раствора, в основе адсорбции ле­жит хемосорбция [29].

Установлена эффективность использования витамина С при добавлении в загрязненную воду Cr (VI). Витамин С является важнейшим биоло­гическим восстановителем в организме человека и животных. Эффективность преобразования Cr (III) составила 89% при массовой концентрации витамина С 80 мг/л в течение 60 минут, и поч­ти 100% при массовой концентрации - 100 мг/л [30].

Макропористый полистирол дивинилбен-зол смолы Amberlite XAD-4 - эффективный ад­сорбент металлов. Однако его эффективность увеличивается при совместном использовании алифатических аминов для удаления хрома (VI) сточных вод кожевенного завода [31].

Была проведена оценка коагуляционного эффекта соединений хлорида железа, сульфата алюминия, гидрооксидхлорида алюминия и по-лиалюминевого сульфата на химические показа­тели воды. Исследования установили, что наи­лучшие показатели были у гидрооксихлорида алюминия: возрастало химическое потребление кислорода (ХПК) на 98% и биологическое по­требление кислорода (БПК₅) на 95% [32].

Положительно зарекомендовал себя метод фотокатализа в устранении опасности воздей­ствия сточных вод и продуктов их естественного разрушения [33].

На основе изучения приведенных литератур­ных источников, опубликованных за последние годы, можно утверждать, что наибольшее число исследований посвящено биологической реме-диации сточных вод, которая, может выступать важным дополнением к химическим или физи­ческим методам. Следует отметить, что нараста­ют также разработки перспективных наномате-риалов для очистки загрязненной воды. 

Литература

1.  Ahluwalia S.S., Goyal D. Microbial and plant derived biomass for removal of heavy metals from waste­water // Bioresour Technol. - 2007. - №98. - Р.2243-2257.
2. Pavasant P., Apiratikul R., Sungkhum V., Suthiparinyanont P., Wattanachira S., Marhaba TF. Biosorp-tion of Cu2+, Cd2+, Pb2+, and Zn2+ using dried marine green macroalga Caulerpa lentillifera // Bioresour Technol. - 2006. - №97. - №2321-2329.
3. Zouboulis AI, Loukidou MX, Matis KA. Biosorption of toxic metals from aqueous solution by bacterial strains isolated from metal-polluted soils // Process Biochem. - 2004. - №39. -Р.909-916.
4. Oswald W.J. My sixty years in applied algology // J. Appl. Phycol. - 2003. -№15.- Р.99-106.
5. Saha B.K., Parani K. Bioremediation of distillery effluent by a consortium of microbial isolates//J. En­viron. Sci. Eng. - 2011. -№1. -Р.123-128.
6. Kumar M., Wu P.C., Tsai J.C., Lin J.G. Preparation and application of the titania sol-gel coated anodized aluminum // Biodegradation of soil-applied polycyclic aromatic hydrocarbons by sulfate-reducing bacterial consortium // Talanta. - 2009.-№4. - Р.1285-1289.
7. Chunyu Y., Guangchun C., Li Y. A Constructed Alkaline Consortium and Its Dynamics in Treating Alka­line Black Liquor with Very High Pollution Load* // PLoS ONE. - 2008. -№ 3. - Р.3777.
8. Andrew S. Whiteley and Mark J. Bailey Bacterial Community Structure and Physiological State within an Industrial Phenol Bioremediation System // Appl. Environ. Microbiol. - 2000.- №6. - Р. 2400-2407.
9. Kumar R., Chaudhary G., Singh Ahluwalia S. and Goyal D. Biosorption of Pb2+ and Zn2+ by Non­Living Biomass of Spirulina sp. // J. Microbiol. - 2010. -№4. - Р. 438-442.
10. Yamina B., Tahar B., Marie Laure F. Isolation and screening of heavy metal resistant bacteria from wastewater: a study of heavy metal co-resistance and antibiotics resistance // Water Sci.Technol. - 2012. -№10.-    Р. 2041-2048.
11. Chang S.Y., Sun J.M., Song S.Q., Sun B.S. Utilization of brewery wastewater for culturing yeast cells for use in river water remediation // Environ. Technol. - 2012. -33(4-6). - Р. 589-595.
12. Chang S.Y., Sun J.M., Song S.Q., Sun B.S. Utilization of brewery wastewater for culturing yeast cells for use in river water remediation // Environ. Technol. - 2012. -33(4-6). - Р. 589-595.
13. Abou-Shanab R.A., Ji M.K., Kim H.C., Paeng K.J., Jeon B.H. Microalgal species growing on piggery wastewater as a valuable candidate for nutrient removal and biodiesel production // J. Environ. Manage. - 2012.-    Vol.115. - Р.257-264.
14. Larcher S., Yargeau V. Biodegradation of 17a-ethinylestradiol by heterotrophic bacteria // Environ Pol-lut. - 2013. - Vol.173. - P.17-22.
15. Arini A., Baudrimont M., Feurtet-Mazel A., Coynel A., Blanc G., Coste M., Delmas F. Comparison of periphytic biofilm and filter-feeding bivalve metal bioaccumulation (Cd and Zn) to monitor hydrosystem restoration after industrial remediation: a year of biomonitoring// J. Environ. Monit. - 2011.-Vol.13. -№12. -Р.3386-3398.
16. Li C., Li X.L., Ji M., Liu J. Performance and microbial characteristics of integrated fixed-film activated sludge system treating industrial wastewater // Water Sci. Technol. - 2012.- №12. - Р. 2785-2792.
17. Pandey V.K., Singh M.P., Srivastava A.K. Biodegradation of sugarcane bagasse by Pleurotus citrinopi-leatus // Cell. Mol. Biol. - 2012. -№1. - Р. 8-14.
18. Duarte K., Justino C.I., Pereira R., Panteleitchouk T.S., Freitas A.C., Rocha-Santos T.A., Duarte A.C. Removal of the organic content from a bleached kraft pulp mill effluent by a treatment with silica-alginate-fungi biocomposites // J Environ Sci Health A Tox Hazard Subst Environ Eng. 2013;48(2):166-72.
19. Chatterjee S., Singh L., Chattopadhyay B., Datta S., Mukhopadhyay S.K. A study on the waste metal remediation using floriculture at East Calcutta Wetlands, a Ramsar site in India Environ Monit Assess // Envi­ronmental Monitoring and Assessment - 2011. - Vol.178. -№ 1-4. - Р. 361-371.
20. Olivella M.A., Jove P., Oliveras A. The use of cork waste as a biosorbent for persistent organic pol­lutants-Study of adsorption/desorption of polycyclic aromatic hydrocarbons // J. Environ. Sci. Health. - 2011. - Vol.46. -№8. - Р.824-832.
21. Adki V.S., Jadhav J.P., Bapat V.A. Exploring the phytoremediation potential of cactus (Nopalea coche-nillifera Salm. Dyck.) cell cultures for textile dye degradation // Int. J. Phytoremediation. - 2012. -№6. -Р.554-569.
22. Chiaiese P., Palomba F., Galante C., Esposito S., De Biasi M.G., Filippone E. Transgenic tobacco plants expressing a fungal laccase are able to reduce phenol content from olive mill wastewaters // Int. J . Phy-toremediation. - 2012. -№9. - Р835-844.
23. Alidadi H., Najafpoor A.A., Parvaresh A. Determination of carbon/nitrogen ratio and heavy metals in bulking agents used for sewage composting // Dose Response. - 2008. - №4. - Р.383-396.
24. Boyer T.H., Persaud A., Banerjee P., Palomino P. Comparison of low-cost and engineered materials for phosphorus removal from organic-rich surface water // Water Res. - 2011. - Vol. 45. -№16. - Р.4803-4814.
25. Sarkar B., Megharaj M., Xi Y., Naidu R. Structural characterisation of Arquad® 2HT-75 organoben-tonites: surface charge characteristics and environmental application // J. Hazard. Mater. - 2011. -№15. -Р.155-161.
26. Choi M., Choi D.W., Lee J.Y., Kim Y.S., Kim B.S., Lee B.H. Removal of pharmaceutical residue in municipal wastewater by DAF (dissolved air flotation)-MBR (membrane bioreactor) and ozone oxidation // Water Sci. Technol. - 2012. -№12. - Р.2546-2555.
27. Chen S.Y., Chen W.H., Shih C.J. Heavy metal removal from wastewater using zero-valent iron nanopar-ticles // Water Sci. Technol. - 2008. - №.10.- Р.1911-1916.
28. Mignardi S., Corami A., Ferrini V. Evaluation of the effectiveness of phosphate treatment for the reme­diation of mine waste soils contaminated with Cd, Cu, Pb, and Zn // Chemosphere. - 2012. -№4. -Р354-360.
29. Asgari G., Rahmani A.R., Faradmal J., Seid Mohammadi AM. Kinetic and isotherm of hexavalent chromium adsorption onto nano hydroxyapatite // J. Res. Health. Sci.- 2012 . №12. - Vol. 1. - Р. 45-53.
30. Yong Liu, Xin-hua Xu, Ping He Remediation of Cr(VI) in solution using vitamin C// J. Zhejiang. Univ .Sci. - 2005. -№6. -Р. 540-542.
31. Kumar A.S., Rajesh N., Kalidhasan S., An enhanced adsorption methodology for the detoxification of chromium using n-octylamine impregnated // J. Environ. Sci. Health. - 2011. Vol.46. -№13. - Р.1598-1610.
32. Pavon-Silva T., Pacheco-Salazar V., Carlos Sanchez-Meza J., Roa-Morales G., Colin-Cruz A. Physico-chemical and biological combined treatment applied to a food industry wastewater for reuse- // J.Environ. Sci. Health. - 2009. - №1. - Р.12-20.
33. Shinde S.S., Bhosale C.H., Rajpure K.Y. Hydroxyl radical's role in the remediation of wastewater // J. Photochem. Photobiol .B. - 2012.- №5. - Vol.116. - Р. 66-74.