Биогеотехнология металлов

под ред. Шухардина С.В

ЦМП ГКНТ, 1989 г.

Получение металлов гидрометаллургическими способами связано с извлечением -их из разбавленных растворов. Важной задачей является также очистка промышленных стоков от металлов. В последнее время наметился, ряд новых подходов в решении этих задач с использованием микроорганизмов. К наиболее реальным из этих подходов можно отнести следующие:

1) биосорбция;

2) образование летучих соединений металлов;

3) образование нерастворимых соединений металлов.

Ниже рассматриваются некоторые микробиологические способы извлечения металлов из растворов и очистки промышленных сточных вод.

7.1. очистка ПРОМЫШЛЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД ОТ МЕТАЛЛОВ

В основу микробиологического способа очистки промышленных сточных вод от металлов положено использование гетеротрофных микроорганизмов в сочетании со снабжением среды органическим веществом для окисления/восстановления или осаждения металлов в виде сульфидов.

7.1.1. Осаждение металлов в присутствии продуктов разложения растений [6]

Лабораторные опыты. Для разработки технологии осаждения металлов в результате жизнедеятельности гетеротрофных микроорганизмов необходимо изучить поведение металлов в присутствии промежуточных продуктов обмена, образующихся на ранних стадиях разложения растительности. Дня принципиального выяснения этого вопроса проводят лабораторные опыты по изучению влияния продуктов распада растительности на подвижность ионов металлов, в частности, меди, свинца и цинка в растворе.

В колбы Эрленмейера емкостью 250 мл добавляли 150 мл раствора тяжелых металлов (содержание ионов меди, свинца и цинка в растворе соответственно составляло 5 мг/л), затем вносили размельченные растительные остатки рогоза (из расчета 10 г сухих растительных остатков в 1 л воды) . Контролем служили сосуды с рогозом, залитым дистиллированной водой. Колбы выдерживали при комнатной температуре в течение 6 месяцев, а анализы содержания металлов в растворе проводили через каждые 10 суток по мере разложения органического вещества растений. Осаждение меди происходило в результате взаимодействия накапливающихся в растворе органических соединений, образующихся при микробиологическом разложении рогоза. Уже на десятые сутки содержание ее в растворе снизилось на 78%. При этом основная часть меди (47%) выпала в осадок в виде устойчивых комплексов с органическими веществами. К концу второго месяца содержание меди в растворе снизилось на 96%.

Осаждение цинка также происходило при разложении растительных остатков рогоза спонтанной микрофлорой. Однако в первый период образуются неустойчивые комплексы цинка с органическим веществом и лишь через три месяца 82% .цинка находилось в осадке в форме устойчивых металлов рганических комплексов.

Свинец осаждался органическими веществами, образующимися при разложении растительного материала. Уже на 10-е сутки опыта содержание свинца в растворе снижалось на 90%.

Таким образом, изучение влияния продуктов разложения водной растительности на Осаждение тяжелых металлов в модельных опытах показало, что образующиеся на различных этапах гумификации органические и минеральные соединения реагируют с ионами тяжелых металлов с образованием как растворимых, так и нерастворимых комплексов. Однако в стоках предприятий, кроме металлов, содержится целый комплекс токсичных реагентов, в связи с чем исследования необходимо проводить с использованием промышленных стоков.

При осаждении иоиов металлов из промышленных сточных вод на дно проточного модельного сосуда укладывались пробы из отвалов обогатительной фабрики. С целью нейтрализации их токсического действия на микроорганизмы сверху насыпали почвенный гумусированный слой толщиной 1—2 см, служащий местом обитания микроорганизмов и связывания органическим веществом осаждающихся из растворов ионов металлов. В опытах использовали воду действующего хвостохранилища с исходным содержанием токсичных компонентов, как указано в табл. 7.1. Для интенсификации деятельности микроорганизмов в подаваемый раствор добавляли сахарозу из расчета 20 г/м3. Как видно из таблицы, степень очистки сточной воды составляла по меди — 91%, по цинку и свинцу — 100%, по цианидам — 96%. В контрольном сосуде без добавок почвы и сахарозы содержание токсичных компонентов в стоке не изменялось. В проточной системе в начале число микроорганизмов, поступающих с водой, было незначительным (400 кл/мл). При подаче сахарозы и за счет органического вещества подстилаемой почвы число клеток микроорганизмов увеличивалось до 190 тыс. кл/мл в середине сосуда, а на выходе из него уменьшалось до 100 клеток в 1 мл.

Очистка сточных вод в прудах. Результаты экспериментальных работ по моделированию.процессов самоочищения от металлов в условиях лабораторной проточной системы легли в основу нескольких проектов строительства биологических прудов для доочистки слива хвое то хранилищ при обогатительных фабриках. Ряд проектов приведен ниже. Слив одного из хвостохранилищ составлял 7500 м3/сутки со средним содержанием меди 5 мг/л и цианидов 10 мг/л. Дня его очистки запроектирован 3-секционный окислительный пруд общей площадью 75 тыс, м2. Рабочая глубина пруда 1 м, но для эксплуатации в зимних условиях предусмотрена возможность его заполнения на глубину 3 м. Для интенсификации процессов жизнедеятельности гетеротрофных микроорганизмов осуществляется принудительная аэрация сточных вод, подача свекловичной патоки и культивирование прибрежноводной растительности.

Для интенсификации процессов очистки стоков во вторичном отстойном пруду другого хвостохранилища на площади 34,6 га произведено скашивание тростника, что позволило значительно снизить концентрацию меди, мышьяка и молибдена в воде. Активность осаждения ионов металлов из раствора связана с развитием микроорганизмов в воде и иле пруда и с растительностью. Так, если в начале биологического пруда, где нет растительности, количество микроорганизмов составляет в среднем 500—1000 клеток в 1 мл, то в зоне, занятой водной растительностью, их число возрастает до 50-80 тыс. клеток в 1 мл. Донные осадки, естественно содержат больше микроорганизмов, чем водная фаза. В начале пруда, не занятой растительностью, в донных отложениях содержится небольшое количество микроорганизмов - 200-400 тыс. на 1 г сухого ила, тогда как в верхнем слое ила в зоне корневой системы растений количество их резко увеличивается, составляя в среднем 194—400 млн. в 1 г. ила.

Под действием микроорганизмов воды и ила биологического пруда идет процесс очистки воды от ионов металлов. Наблюдения за изменением химического состава воды по мере прохождения промышленных стоков через биологический пруд показали, что скорость очистки от металлов в различных зонах пруда неодинакова (рис. 7.1). На начальном участке пруда, не занятом растительностью, концентрация металлов в стоках изменяется незначительно. Так, после того, как ионы металлов поступают в зону, занятую водной растительностью, интенсивность очистки резко возрастает. Это согласуется с увеличением в этой зоне численности микроорганизмов, минерализующих органическое вещество. Осаждающийся металл накапливается в донных осадках преимущественно в связанной с органическим веществом форме, а также в виде сульфидов. Активный ил обладает большой сорбционной емкостью по отношению к тяжелым металлам, что позволяет использовать его для удаления металлов из сточных вод. Наиболее активное поглощение ионов ртути происходит в вариантах с илом, выдержанном при 100°С в течение 2 и 3 часов. Ил, который прогревали 2 часа, через 15 минут адсорбировал 90% ртути из раствора. После термообработки в течение 3 часов, за 6 часов было извлечено 62% ртути (рис. 7.2). Активный ил и сам по себе без термической обработки может быть использован в качестве адсорбента ионов ртути на стадии, предшествующей биологической очистке. Для этого может быть использован избыточный активный ил, который обычно вывозится на иловые площадки. Контакт сточной воды с избыточным илом может происходить в первичных отстойниках. Схема подачи активного ила в первичные отстойники для предварительной сорбции ионов ртути в количестве 25 тыс. м3/сутки была внедрена на очистных сооружениях ацетальдегидного производства. В результате эффект осаждения ртути в первичных отстойниках увеличился на 40%. Нагрузка по органическим загрязнителям при этом снизилась на 30%.

Для извлечения ионов ртути из сточных вод использовали также концентрированную биомассу Micrococcus luteus, агрегированную латексом, т. е. искусственно созданные биофлоки. Агрегированные в флоки клетки бактерии позволили адсорбировать 85% ионов ртути за 12 часов. Сточную воду, содержащую производственные концентрации ртути (0,65-0,7 мкМ), смешивали с биофлоками в течение 15 минут, затем отстаивали в течение 30 минут. Адсорбция ртути при этом составила 92%.

Результаты лабораторного эксперимента по адсорбции ионов ртути искусственными биофлоками М. luteus были проверены в условиях очистных сооружений ацетальдегидного производства. Биомассу М. luteus получали в ферментерах, затем флоккулировали с помощью дивинилстирольного латекса, высушивали или концентрировали до пастообразного состояния. Биомасса испытывалась в лабораторных условиях на сточной воде с содержанием ртути 0,638 мкМ. При содержании биомассы 0,7 г/л после 15-минутного перемешивания и 30-минутного отстаивания концентрация ртути в сточной воде снижалась на 65—68%.,

При проведении полупромьшленных испытаний осаждения ртути доза флоков равнялась 0,3 г/л. На входе в отстойник концентрация ртути в сточной воде составляла 2,37 мкм. Через 30 минут содержание металла в опытном отстойнике снизилось до 0,723 мкм, а в контрольном (без биофло-ков) только до 2,24 мкм, то есть искусственные биофлоки адсорбировали 69,5 % ртути из сточной воды. Указанная выше исходная концентрация ртути соответствует единовременному ее сбросу. Поэтому извлечение из стока за 30 минут до 70% металла при дозе биофлоков 0,3 г/л является доказательством эффективности применения концентрированной микробной массы для экстракции ртути.