Патент на изобретение №2174554
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ШТАММЫ БАКТЕРИЙ UFZ B 378, UFZ B 406 И UFZ B 407, ВОССТАНАВЛИВАЮЩИЕ СУЛЬФАТ-ИОНЫ В СУЛЬФИД-ИОНЫ, И СПОСОБ БАКТЕРИАЛЬНОЙ ДЕКОНТАМИНАЦИИ СЕРНОКИСЛЫХ И МЕТАЛЛОСОДЕРЖАЩИХ ВОД
(57) Реферат: Изобретение касается новых штаммов грамотрицательных бактерий UFZ В 378, UFZ В 406 и UFZ В 407, восстанавливающих сульфат, растущих в анаэробных условиях, и способа бактериального обеззараживания сточных вод, восстанавливая сульфат в сульфид. Штаммы используют метанол в качестве источника углерода и энергии и переводят сульфаты в сульфиды, не нуждаясь в других источниках углерода и энергии. Способ включает использование вышеуказанных штаммов для восстановления сульфатов в сульфиды при 3 – 45°С, pH 3,9 – 9,5 в анаэробных условиях. Способ можно использовать для деконтаминации анаэробных, сернокислых, металлосодержащих и загрязненных радиоактивными веществами вод, в частности для деконтаминации рудничных вод и вод, затопляющих закрытые урановые рудники, а также промывочных вод установок для очистки почвы, при этом процесс исключительно экономичен и безопасен с точки зрения охраны окружающей среды в экологически неблагоприятных районах. 4 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил. Изобретение касается микробиологической деконтаминации сернокислых и анаэробных вод, а также вод, загрязненных металлами и, возможно, радиоактивными веществами, при помощи новых грамотрицательных бактерий, восстанавливающих сульфат-ионы в сульфид-ионы. Изобретение может быть использовано для оздоровления шахтных вод и вод, заполняющих закрытые шахты, в особенности урановые рудники. Оздоровление сернокислых вод и вод, загрязненных металлами, может осуществляться разными способами. Большинство разработанных до сих пор методов основывается на физических и химических принципах. Так, например, для очистки сульфатных вод возможно применение ионо-анионообмена, но данный метод не пригоден для обработки вод, заполняющих закрытые шахты, в связи с необходимостью обработки большого количества воды. Кроме того, нужны реакции нейтрализации и осадки. Невыгодной является большая неустойчивость эксплуатации установок в результате их биозагрязнения [Holl, W. и Kiehling, В. (1979 г.) Nitrat- und Sulfatentfernung aus Rohwassern durch Anionenaustausch, Vom Wasser 53, стр. 189-202; Brettschneider, U. (1990 г.), Die Bedeutung von Sulfaten in der Siedlungswasserwirt-schaft und ihre Entfemung durch Desulfurikanten, диссертация, Дармштадт). При применении метода обратного осмоса необходимы предварительная очистка и кондиционирование очищаемых вод. Есть проблема засорения мембран, метод не пригоден для обработки больших количеств воды [Bergmann, F. (1984 г.) Umkehrosmose zur Sulfatentfernung, Wasser, 105. стр.217-240; Bergman, F., Ruffer, H., Schneegans, R. и Slomka, T. (1985 г.), Erste Erfahrungen mit der Urnkehrosmose-Anlage Duderstadt zur Sulfatentfernung, Vom Wasser 64, стр. 155-167]. Описанные до сих пор методы восстановления сульфатов и осаждения металлов при помощи бактерий являются многоступенчатыми процессами, требующими большого объема дорогого оборудования, не работающие при кислых водородных показателях и использующие в качестве источника углерода лактат, ацетат или этанол [Cork, D.C. и Cusanovich, М. А. (1978 г.), Sulfate decomposition, a microbiological process. Waste Treatment and Environmental Considerations, стр. 207-221; Cork, D.C. и Cusanovich, M.A. (1979 г.). Continuos disposal of sulfate by a bacterial mutualism. Rev. Ind. Microbiol, 20, стр. 591-602; Spisac, J.F. (1979 г.), Mettallurgical effluents-growing challenges for second generation treatment, Rev. Ind. Microbiol. 20. стр. 379-387; Uphaus, R. A., Grimm D. и Core, D.J. (1983 г.), Gupsum bioconversion to sulphur: a two-step microbiological process, Rev. Ind. Microbiol. 24, стр. 435-442; Maree, J. P. , Gerber, A., McLaren, A.R. и Hill, E. (1987 г.), Biological treatment of mining effluents, Environ. Technol. Lett. 8, стр. 53-64; Maree, J.P. и Hill, E. (1989 г.). Biological removal of sulphate from indastrial effluents and concomitant production of sulphur, Water Sci. Technol. 21. стр. 265-276; Tommerdich, D (1993 г.), Entwicklung eines biotechnologischen Verfahrens zur Behandlung saurer sulfat- und metallhaltiger Wasser, диссертация, Бонн]. Другой метод, описанный в DE 41 06 781 А 1, заключается во внесении в отвалы осадка водоочистных сооружений в качестве питательного вещества для восстановителей сульфатов. Данный метод, однако, имеет несколько недостатков. В связи с внесением питательных веществ в отвалы процесс происходит бесконтрольно и зависит от просачивания питательных веществ. Для выделения металлов и восстановления сульфатов из шахтных вод данный метод непригоден. Задача изобретения заключалась в поиске штаммов бактерий, позволяющих эффективную и недорогую деконтаминацию сильно сернокислых (водородные показатели от 1 до 2) и металлосодержащих вод на базе одностадийного процесса в ферменторах. Штаммы бактерий, в частности, должны быть способными хорошо адсорбировать и накапливать металлы, в том числе и радиоактивные элементы, такие как уран и радий, для того, чтобы их можно было бы использовать также и для обработки шахтных вод закрытых урановых рудников. Были найдены новые мезофильные грамотрицательные штаммы бактерий, растущие в анаэробных условиях при pH 3,9 – 9,5, преимущественно от 4 – 9, и при 3 – 45oC, восстанавливающие сульфат-ионы в сульфит-ионы. В частности, штаммы бактерий, согласно изобретению, в состоянии использовать метанол в качестве источника углерода и энергии и не нуждаются в дополнительных источниках углерода и энергии. Кроме метанола данные штаммы бактерий могут использовать для их жизнедеятельности также и доноры электродов, такие как пируват, лактат, ацетат, этанол, бутанол, пропанол, холин, бетаин, сукцинат, фумарат и бензоат без добавления водорода. Штаммы бактерий, согласно изобретению, устойчивы к металлам, они адсорбируют и накапливают наряду с тяжелыми металлами, такими как, например, железо, и радиоактивными металлами, такими, как, например, уран и радий, также и легкие металлы, например алюминий. Известно, что в природе существуют восстанавливающие сульфат-ионы штаммы бактерий, превращающие в определенных условиях путем восстановления водорастворимые сульфаты в H2S и/или водонерастворимые сульфиды, осуществляющие энергетический метаболизм в анаэробных условиях и предпочитающие для обмена веществ низкомолекулярные органические вещества (C ![]() ![]() ![]() 4 CH3ОН + 3 SO4 2- + 2H+ —> 4HCO3 +3 H2S + 4N2O потребовалось бы 0,44 г метанола на 1 г сульфата. Действительно потребляется больше метанола (см. фиг. 3). При помощи энергии, получаемой на основе указанной окислительно- восстановительной реакции для биосинтеза, происходит ассимиляция (углерода) метанола, выступающего в виде бактериальной биомассы, образование которой желательно в связи с тем, что она, с одной стороны, нужна как катализатор, а с другой стороны, выполняет функцию “накопителя или же адсорбера” тяжелых металлов. В связи с тем, что энергия вырабатывается в незначительных количествах, требуется значительный объем окисления метанола для синтеза одной единицы биомассы, т.е. для реализации роста и размножения популяции бактерий. В зависимости от выхода энергии расход метанола для восстановления 1 г сульфата теоретически увеличивается не менее чем до 0,53 г. Если бы использовать ацетат в качестве источника углерода и энергии, что принципиально является возможным, согласно теоретической оценке, для восстановления 1 г сульфата потребовалось бы не менее 0,73 г. Такое же количество потребовалось бы также и в случае использования лактата, источника углерода и энергии для многих видов бактерий, восстанавливающих сульфат. Приведенное сопоставление подтверждает преимущество использования метанола. Если учесть цены на метанол, с одной стороны, и на ацетат или же лактат, с другой стороны, то преимущество использования метанола становится еще более очевидным. Изобретение поэтому касается также способа бактериальной деконтаминации сернокислых и металлосодержащих вод при помощи штаммов бактерий, восстанавливающих сульфат-ионы. Деконтаминация сернокислых и металлосодержащих вод может осуществляться в режимах batch и ferbatch, а также в непрерывном режиме. Процесс деконтаминации может происходить при температурах от 3 до 40oC, преимущественно от 25 до 30oC. В соответствии с изобретением, для обеззараживания сульфатных и металлосодержащих рудничных вод и затопляющих рудники вод пригодны не только новые штаммы бактерий как таковые, но и их смеси. Конечно, способ, согласно изобретению, пригоден также и для деконтаминации сернокислых и металлосодержащих вод, получаемых в качестве промывных на установках для очистки почвы, если почва для деконтаминации обрабатывается серной кислотой. Промышленный способ очистки загрязненных вод выгодно реализовать в реакторе, например в котле с мешалкой, что позволяет контролировать ход процесса и управлять им, т.е. оптимизировать параметры процесса, например температуру, а также подачу источника углерода и энергии с тем, чтобы создать наилучшие условия для восстановления сульфатов и для роста выгодных штаммов бактерий. Фиг 1 – 3 указывают: фиг. 1 – восстановление сульфатов в культуре штамма UFZ В 378, в режиме batch (определение на базе трех культур); фиг. 2 – представительный пример повышения водородного показателя во времени в культурах штамма UFZ В 378, в режиме batch: ![]() ![]() ![]() ![]() фиг. 3 – кривая роста культуры штамма UFZ В 378 в режиме batch с 10 мМ метанола в качестве источника углерода и энергии, определение на базе трех культур: ![]() ![]() Штамм бактерий UFZ В 378 культивируется в ферменторе в анаэробных условиях с подачей азота при 30oC и при pH 7. Питательный раствор составлен из трех растворов: Раствор 1: 0,5 г FeSO4 ![]() Раствор 2: 0,1 г тиогликолевой кислоты, 0,1 г аскорбиновой кислоты, 20 мг дитионита в 10 мл дистиллированной H2O; Раствор 3: 10 мл 1 М метанола, 2,0 г MgSO4 ![]() 1,0 г CaSO4, 1,0 г NH4Cl, 0,5 KH2PO4, 1,0 г дрожжевого экстракта в 1 л дистиллированной H2O. Можно культивировать штамм и без добавления дрожжевого экстракта. Во время размножения данного штамма бактерий на метаноле в качестве источника углерода и энергии происходит восстановление сульфата с образованием сульфида. При этом расходуется около 9,5 г метанола и образовывается 1 г биомассы. Вытекающее из этого соотношение в 0,66 метанола: 1 SO4(г/г) очень близко расчетному в 0,54:1. При использовании, согласно изобретению, штамма бактерий для деконтаминации сернокислых и металлосодержащих вод применение восстановительного раствора 2 требуется только в случае, если воды не являются анаэробными, т. е. если отсутствуют восстановительные условия. Составляющие раствора 3, такие как фосфаты и хлориды, как правило, содержатся в водах закрытых рудников и шахт, так что в промышленных условиях необходима лишь подача метанола в качестве источника углерода и энергии. Возможно добавление дрожжей в целях ускорения роста. Пример 2 Штамм бактерий UFZ В 378 аналогично примеру 1 культивируется на метаноле в качестве источника углерода и энергии, причем в отличие от примера 1 каждый pH устанавливается на 6,3. В этих условиях различие по скорости удельного расхода сульфата по соотношению метанол:сульфат не наблюдается. Однако имеет место ожидаемая по стехиометрии нейтрализация, pH в течение трех недель увеличивается до 7,05, а через дальнейшие 7 дней достигает даже 8,0. Пример 3 Штамм бактерий UFZ В 378 культивируется как описано в примере 1. В данном случае исходный pH составляет 4,3. В этих условиях ухудшается соотношение метанола к сульфату. Эффективность роста неожиданно увеличивается, pH быстро повышается, по истечении одной недели он доходит до 6, после 4 недель – до 6,6. Пример 4 Штамм бактерий UFZ В 378 аналогично примеру 1 культивируется на метаноле в качестве источника углерода и энергии. Удельная скорость восстановления сульфата составляет примерно 0,7 г/г/ч. Из этого вытекает скорость образования сульфида в 0,23 г/г/ч. В соответствующих затопляющих водах содержание железа составляет примерно 500 мг/л. В данном примере исходное содержание железа составляет 1,44 г/л. При вышеуказанной скорости образования сульфида после 2 ч выпало 0,82 г железа в виде сульфидного осадка, а по истечении 24 ч даже 9,84 г железа на 1 г биомассы. Пример 5 Штамм бактерий UFZ В 378 размножается как в примере 1. В отличие от этого примера в данном случае добавляется Al2(SO4)3 в количестве 10 мМ. Концентрация растворенного алюминия составляет 1,05 мг/л, восстановление сульфата происходит со скоростью в примерно 0,8 г/г/ч. При этом алюминий выделяется из раствора путем адсорбции и накопления. Анализом было установлено, что биомасса загружена количеством в 0,69 мг/л, из них количество в 0,62 мг/л размещено на клеточной оболочке. Состав металлосодержащей воды в примере 5 следующий (концентрация – мг/л): Al – 1,05; Ca – 398,2; Cd – 0,5; Се – 0,62; Со -4,42; Cr – 0,2; Cs – 0,03; Cu – 40,63; F – 2910,0; К – 5,21; Li-53; Mg – 1416,0; Mn – 137,9; Na – 24,0; Ni – 115,1; P – 1,81; Pb – 0,51; Ti – 0,3; U – 4,3; V – 4,9; Zn – 45,08; Sulfat – 20283,0; Chlorid – 11,4. Пример 6 Штамм UFZ В 378 растет как описано в примере 1. Состав металлосодержащей воды, которая должна быть обеззаражена, дан выше (в примере 5). Концентрация растворенного алюминия – 1,05 мг/л. Сульфат уменьшается в пределах 1,6 г/г/ ![]() Штамм UFZ В 406 растет как описано в примере 1. Состав металлосодержащей воды, которая должна быть обеззаражена, дан выше (в примере 5). Концентрация растворенного алюминия – 1,05 мг/л. Сульфат уменьшается в пределах 1,7 г/г/ч, алюминий удаляется из раствора путем адсорбции и накопления. Анализ показал, что биомасса загружена количеством 0,63 мг/л, из них количество 0,59 мг/л размещено на клеточной оболочке. В следующих примерах 8, 9 и 10 показано обеззараживание очищающей воды с установок очистки почвы следующего состава (концентрация – мг/л): Al – 1090,5; С – 442,36; Fe – 860,0; К – 16,9; Mg -4832,47; Mn – 0,9; Na – 54,0; U – 1,6; Sulfat – 19252,05; Chlorid – 57,1. Пример 8 Штамм UFZ В 378 растет, как описано в примере 1, на метаноле в качестве единственного источника углерода и энергии. Сульфат уменьшается в пределах около 2,4 г/г/ч, концентрация магния уменьшается от 4832 до 2792,16 мг/л, концентрация марганца уменьшается от 0,9 до 0,07 мг/л и концентрация железа – от 860 до 12,9 мг/л, а урана удалено 98%. Пример 9 Штамм UFZ В 406 растет, как описано в примере 1, на метаноле в качестве единственного источника углерода и энергии. Сульфат уменьшается в пределах около 1,7 г/г/ч, концентрация магния уменьшается от 4832 до 3486,16 мг/л, концентрация марганца уменьшается от 0,9 до 0,12 мг/л и концентрация железа – от 860 до 64,5 мг/л, а урана удалено 98%. Пример 10 Штамм UFZ В 407 растет, как описано в примере 1, на метаноле в качестве единственного источника углерода и энергии. Сульфат уменьшается в пределах около 2,25 г/г/ч, концентрация магния уменьшается от 4832 до 2202,32 мг/л, концентрация марганца уменьшается от 0,9 до 0,1 мг/л и концентрация железа – от 860 до 36,4 мг/л, а урана удалено 98%. В примере 4 и в следующих примерах 11 и 12 обеззараживалась затопляющая закрытые урановые рудники вода следующего состава (концентрация – мг/л): Al – 768,5; Ca – 200,0; Fe – 500,0; К – 1,5; Mg – 1854,0; Mn – 179,0; Na – 17,0; U – 8,5; Sulfat – 14792,0; Chlorid – 10,6. Пример 11 Штамм UFZ В 378 растет, как описано в примере 1, на метаноле в качестве единственного источника углерода и энергии. Сульфат уменьшается в пределах около 2,8 г/г/ч, концентрация магния уменьшается на 63%, марганца – на 92,5%, железа – на 98% и урана – на 99% (так же, как в примере 4). Пример 12 Штамм UFZ В 407 растет, как описано в примере 1, на метаноле в качестве единственного источника углерода и энергии. Сульфат уменьшается в пределах около 2,75 г/г/ч, концентрация магния уменьшается на 61%, марганца – на 92%, железа – на 97% и урана – на 99%. Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 18.07.2002
Извещение опубликовано: 20.11.2004 БИ: 32/2004
|
||||||||||||||||||||||||||