Способ очистки промышленных стоков от цианидов и тиоцианатов

Изобретение относится к области биотехнологии, а именно к защите окружающей среды. Способ заключается в том, что вначале осуществляют обработку цианистых стоков метабисульфитом щелочного или щелочноземельного металла в присутствии медного катализатора. Остаточный цианид и тиоцианат подвергают бактериальной деструкции с помощью консорциума бактерий Pseudomonas putida штамм 21 и Pseudomonas stutzeri штамм 18. Способ позволяет проводить обезвреживание в широком диапазоне концентраций цианида и тиоцианата и может быть использован как для очистки промышленных сточных вод, так и пульп в золотодобывающей, гальванической, фармацевтической и ряде других отраслей промышленности.

 

Изобретение относится к области биотехнологии, а именно к защите окружающей среды, и касается очистки промышленных сточных вод и пульп от свободных цианидов, тиоцианатов и их комплексов с металлами и может быть использовано в золотодобывающей, гальванической, фармацевтической и ряде других отраслей промышленности.

Известны различные способы микробиологической деструкции сточных вод от свободных цианидов, тиоцианатов и их комплексов с металлами.

Известен способ бактериальной обработки, опробованный на циансодержащих стоках золотодобывающего завода около Ели, штат Невада, США. Для деструкции цианида и его комплексов использовали бактерии Pseudomonas pseudoalkaligenes, которые были выделены из хвостовых вод (1).

Известен ряд штаммов микроорганизмов, выделенных из промышленных стоков и способных деструктировать цианиды и тиоцианаты в любой форме. В частности, к цианиддеструктирующим микроорганизмам относятся Pseudomonas fluorescens NCIMB 11764 (2), Pseudomonas paucimobilis АТСС 39204 (3), Alcaligenes denitrificans (4), Fusarium oxysporum (5); к тиоцианатдеструктирующим микроорганизмам относятся Thiobacillus thioparas ТHI 115 (6), Thioalkalivibrio (ARH 1) и Thioalkalimicrobium (ALM 1) (7).

Известен метод химического разложения цианидов в присутствии медного катализатора газом, содержащим кислород и сернистый ангидрид, либо сульфитом или бисульфитом щелочного или щелочноземельного металла (метод ИНКО, который является аналогом предложенного способа химической обработки) (8). В результате остаточная концентрация цианида составляет выше 0,1 мг/л, а степень деструкции тиоцианата не выше 5-10%. В качестве прототипа был выбран бактериально-химический способ деструкции цианида и тиоцианата в сточных водах, при котором цианид химической обработкой переводится в менее токсичный тиоцианат, а затем при бактериальной обработке они окисляются в приемлемые для окружающей среды нитраты и сульфаты (9). На первой стадии процесс включает обработку полисульфидами в присутствии низких концентраций металлического цинка при рН 9,2. Весовое отношение полисульфида к CN^- от 1:1 до 1,2:1. На второй стадии тиоцианат разлагается граммотрицательными хемолитотрофными бактериями (Thiobacillus), которые образуют аммоний и сульфаты. С помощью нитрифицирующих бактерий (Nitrosomonas, Nitrobacter), которые культивируются совместно с SCN-окисляющими, окисляется до . Оптимум рН для бактериальной деградации лежит в пределах 6,7-7,2. Остаточное содержание CN^- при исходном 1000 мг/л было менее 0,5 мг/л после химической обработки. После бактериальной обработки растворы, содержащие 180 мг/л , 579 мг/л SCN^- и менее 0,5 мг/л CN^-, были полностью окислены за время 28-40 часов в реакторе. Отличие предложенного способа от прототипа заключается в следующем. Для химической обработки использован метабисульфит натрия вместо полисульфида. Полисульфид применялся для перевода CN^- в SCN^-. В предлагаемом способе метабисульфит используется для обезвреживания CN^- до остаточной концентрации, приемлемой для последующей бактериальной деструкции. Остаточный цианид и тиоцианат полностью используются при бактериальной обработке консорциумом бактерий Pseudomonas putida шт.21 и Pseudomonas stutzeri шт.18 для роста с выделением СО₂. В отличие от прототипа данный способ позволяет проводить обезвреживание в широком диапазоне концентраций цианида и тиоцианата (CN^- - до 30 мг/л, SCN^- - до 4000 мг/л). Предложенный способ позволяет проводить очистку не только сточных вод, но и пульп.

Задачей изобретения является разработка способа очистки промышленных стоков от цианидов и тиоцианатов, позволяющего достичь предельно допустимых концентраций (ПДК), установленных нормами СЭС (0,05 мг/л). Данная задача решается тем, что перед микробиологической обработкой, которая снижает концентрацию цианидов и тиоцианатов до ПДК, предлагается осуществить химическое разложение цианида до допустимых для бактерий концентраций (не более 30 мг/л).

Сущность способа заключается в следующем. Вначале осуществляется химическая обработка цианистых стоков (пульп) метабисульфитом щелочного или щелочноземельного металла в присутствии медного катализатора при перемешивании и аэрации в течение 30-90 мин. Остаточная концентрация цианида при этом достигает 5,3-19,1 мг/л, рН 10,5-9,4.

Для того чтобы довести концентрацию цианидов и тиоцианатов до ПДК, проводят последующую микробиологическую обработку. При этом не все микроорганизмы, деструктирующие цианиды и тиоцианаты, способны расти в среде, полученной в результате химической обработки. Консорциум бактерий Pseudomonas putida штамм 21 и Pseudomonas stutzeri штамм 18, выделенный путем длительной селекции из большого числа штаммов (около 100) из различных образцов антропогенного загрязнения, оказался способен эффективно разлагать цианиды и тиоцианаты после химической обработки промышленных стоков (пульп) в интервале концентраций, указанных выше.

Микробиологическую обработку полученных после химической обработки стоков осуществляют консорциумом бактерий (10% по объему) в присутствии фосфата калия и органического источника углерода, необходимых для жизнедеятельности бактерий. Процесс осуществляют в реакторах при перемешивании и аэрации.

Техническим результатом предлагаемого способа является высокая степень обезвреживания циансодержащих промышленных стоков (пульп) от цианидов, тиоцианатов и их комплексов с металлами. Предлагаемый способ благодаря отличительным от прототипа признакам позволяет осуществлять высокую степень деструкции цианидов и тиоцианатов. Проведение предварительного перед бактериальной обработкой химического разложения CN^- позволяет получить рабочий диапазон значений рН и оптимальные концентрации цианидов и тиоцианатов для используемого консорциума бактерий.

Описание используемого консорциума бактерий.

Консорциум храниться в лаборатории хемолитотрофных микроорганизмов ИНМИ РАН.

Штамм Pseudomonas putida №21 имеет следующие характеристики.

Морфологические признаки.

Клетки палочковидные, подвижные, правильной формы с закругленными концами. Величина клеток 0,4-0,6×1,5-1,8 мкм.

Монотрих. Спор и капсул не образует. Полиморфизм отсутствует.

Размножается делением. Грамотрицательны.

Культуральные признаки.

На мясопептонном агаре и синтетических средах образует светло-серые флуоресцирующие плоские колонии с неровным краем диаметром 3-5 мм.

Физиолого-биохимические свойства.

Хемоорганотроф, микроаэрофил, каталазо- и оксидазо-положительный. Желатину не гидролизует. В качестве источника углерода и энергии использует глюкозу, сахарозу, мальтозу, ксилозу, арабинозу, глицерин, этанол, сукцинат, лактат, ацетат, аргинин. Не использует маннозу, галактозу, маннит. В качестве источника азота использует минеральные (,, CNS^-) и органические формы азота. Растет в диапазоне температур от 20 до 37°С и рН 6,5-9,4. Оптимальными для роста являются температура 25-27°С и рН 8,5-8,8. Содержание ГЦ (гуанин/цитозин) оснований 64,7 мол.%.

Штамм обладает повышенной устойчивостью к цианиду, дыхание не ингибируется при концентрации CN^- 60 мг/л.

Штамм Pseudomonas stutzeri №18 имеет следующие характеристики.

Морфологические признаки.

Клетки палочковидные, подвижные, правильной формы с закругленными концами. Величина клеток 0,5-0,7×3,8-4,0 мкм.

Монотрих. Спор не образует. Имеет капсулу. Полиморфизм отсутствует. Размножается делением. Грамотрицательны.

Культуральные признаки.

На мясопептонном агаре и синтетических средах образует темно-желтые морщинистые колонии диаметром 5-8 мм.

Флуоресцирующих пигментов не образует. Образует желтый внутриклеточный пигмент неидентифицированной природы.

Физиолого-биохимические свойства.

Хемоорганотроф, микроаэрофил, каталазо- и оксидазо-положительный. Желатину не гидролизует. В качестве источника углерода и энергии использует глюкозу, сахарозу, трегалозу, мальтозу, галактозу, маннозу, ксилозу, арабинозу, маннит, глицерин, этанол, сукцинат, лактат, ацетат, аргинин. Не использует лактозу, инозит. В качестве источника азота использует минеральные (,, CN^-, SCN^-) и органические формы азота.

Растет в диапазоне температур от 15 до 43°С и диапазоне рН 6,8-9,4. Оптимальными для роста являются температура 25-28°С, рН 8,7-8,9. Активный денитрификатор.

Содержание ГЦ оснований 64,4 мол.%.

По сиквенсу 16 S RNK наиболее близок к типовому штамму P. stutzerii ATCC 17588, однако существенно отличается скоростью деструкции SCN^-. Штамм устойчив к концентрации в среде тиоцианата до 6 г/л.

Пример осуществления способа.

Использовали промышленные стоки (пульпу) после цианирования золотосодержащего материала. Содержание твердой фазы составило 20-30%. В жидкой фазе содержалось (мг/л): Mg - 0,4, SO₄ - 700, CN^- общий - 200, SCN^- - 4200, Сu - 13, Zn - 3, Fe - 500, Ni - 2,5, As - 1,2, Sb - 5. Химическую обработку проводили метабисульфитом натрия (расход Na₂S₂O₅/CN^- - 5 г/г) в присутствии катализатора CuSO₄ при рН 10,5-9,4. При обработке цианистых стоков содержание циан-иона снижалось до 5,8 мг/л, а тиоцианата до 4000 мг/л.

Пульпа после химической обработки была использована для микробиологической деструкции остаточных концентраций CN^- и SCN^-.

Бактериальная деструкция проводилась в 3 реакторах при механическом перемешивании и аэрации воздухом, при температуре 25-30°С с помощью консорциума бактерий Pseudomonas putida штамм 21 и Pseudomonas stutzeri штамм 18, который вносили в пульпу в равных долях (5% по объему). Концентрация циан-иона составила 5,8 мг/л и тиоцинат-иона 4000 мг/л. Рабочее значение рН было 9,0-9,4, которое поддерживали с помощью растворов NaOH и H₂SO₄. Полное окисление 5,8 мг/л CN^- происходило за 60 мин. Затем происходила деструкция SCN^- за 24 часа. Конечная концентрация SCN^-была ниже 0,05 мг/л. Конечными продуктами деструкции были карбонаты.

Концентрация клеток бактерий достигала величины 2,7·10¹⁰ в 1 мл.

Литература.

1. S.K.Dubey and D.S.Holmes. Biological cyanide destruction mediated by microorganisms. World Journal of Microbiology & Biotechnology. 1995. vol.11. pp.257-265.

2. D.A.Kunz, O.Nagappan, J.Silva-Avalos a. G.T.Delong. Utilization of cyanide as a nitrogenous substrate by Pseudomonas fluorescens NCIMB 11764: evidens for multiple pathways of metabolic conversion. Applied and Environmental microbiology. 1992. p.2022-2029.

3. J.L.Whitlock. Biological detoxification of precious metal processing wastewaters. Geomicrobiology Journal. 1990. v.8. pp.241-249.

4. S.Basheer, O.M.Kut, J.E.Prenosil, and J.R.Bourne. Kinetics of enzimatic degradation of cyanide. Biotechnology and Bioengineering, 1992. vol.39. pp.629-634.

5. P.T.Pereira, J.D.Arrabaca a. M.T.Amaral-Collaco. Isolation, selection and characterization of a cyanide-degrading fungus from an industrial effluent. Interational Biodeterioratoin a. Biodegradation. 1996. pp.45-52.

6. Y.Katayama, T.Kanagawa a. H.Kuraishi. Emission of carbonyl sulfide by Thiobacillus thioparus grown with thiocyanate in pure and mixed cultures. FEMS Microbiolgy Letters. 1993. v.114. pp.223-228.

7. D.Y.Sorokin, Т.P.Tourova, А.М.Lysenko, a, J.G.Kuenen. Microbial tiocyanate utilization under highly alkaline conditions. Applied a. Environmental Microbiology. Feb. 2001. pp.528-538.

8. E.Devayst, G.Robbins, R.Vergunst. Ynco SO₂/Air. Ynco’s cyanide removal technology. Mining Eng. (USA). 1991. 43. №2. pp.205-207.

9. US Patent №4737289, Apr.12, 1988. F.J.Castaldi, T.W.Trofe, G.C.Page, K.M.Adams. Process fore waste water treatment.

Способ очистки промышленных стоков от цианидов и тиоцианатов, включающий химическую обработку и бактериальную деструкцию цианидов и тиоцианатов, отличающийся тем, что химическую обработку проводят метабисульфитом щелочного или щелочноземельного металла, а бактериальную деструкцию остаточного цианида и тиоцианата осуществляют с помощью консорциума бактерий Pseudomonas putida штамм 21 и Pseudomonas stutzeri штамм 18.