Биосенсоры для детекции сульфоароматических и фенольных соединений на основе бактерий родов Comanonas и Pseudomonas - деструкторов n-толуолсульфона

Так, по аэротенку №1 результаты соответствовали нормальной работе очистных сооружений. Аэротенки №2 и №3 работали с перерасходом воздуха по вторым коридорам, который оценивали по формуле:

К = ((с_р – 2.5)/(с_р – с))100%, где с_р – равновесная концентрация кислорода, которая составляет 9.3 мг/л при 30^оС, с – измеренная концентрация кислорода, 2.5 – рекомендуемая концентрация кислорода.

Для аэротенка №3 перерасход воздуха для первого коридора составлял 130%, для второго коридора – 300%. Аэротенки второй очереди были полностью перегружены.

Основными причинами  неравномерности концентрации кислорода  по аэротенкам являлись:

1. Невозможность оперативного определения растворенного кислорода в силу отсутствия измерительных средств.
2. Невозможность перераспределения потоков сточной воды по конкретным аэротенкам.
3. Отсутствие нормального распределения воздуха на аэротенки вследствие неудовлетворительного состояния системы аэрации.
4. Залповые выбросы сточных вод.

Указанные недостатки приводят к ухудшению качества очистки  сточных вод.

 

Таблица № 11 . Исследования состояния аэротенков первого блока.

Точка отбора пробы, м	Аэротенк № 1	Аэротенк № 2	Аэротенк № 3
	Дата	Дата	Дата
	26.06	26.06	26.06
0	0	0	0
10	3.49	0.55	0.15
20	4.77	0.68	0.66
30	5.50	4.06	1.96
40	5.36	5.01	2.62
40	5.43	5.46	3.27
50	6.86	6.42	4.92
60	7.20	6.60	5.08
70	7.73	7.17	4.61
80	7.19	6.60	3.63

 

С целью устранения выявленных недостатков были изготовлены регулирующие устройства по входу стоков и установлены в аэротенках первого блока.

4.4.2.2. Результаты  проведенных технических и технологических  мероприятий на сооружениях БХО

Основным показателем  сбалансированности работы аэротенков является равномерность распределения кислорода. Поэтому эффективность всех проводимых мероприятий подтверждалась измерением концентрации растворенного кислорода.

Для определения точного  времени отклика системы «исходный  сток – активный ил – воздух», предварительно был перекрыт расход исходного стока на аэротенк № 3, что привело к росту нагрузки на оставшиеся три аэротенка. Концентрация растворенного кислорода измерялась через 0.5, 2 и 4 часа после изменения параметров работы. Кроме того, был проведен контрольный замер после окончательной стабилизации протекающих биохимических процессов через 24 часа. Время отклика системы составляло 2 – 3 часа. Поэтому, последующие измерения концентрации кислорода проводились через 4 часа после изменения параметров системы.

Установка оптимальных расходов стоков

С целью снижения нагрузки с аэротенка № 1 и увеличения нагрузки аэротенков № 2 и 3 регулировалось количество подаваемого стока, пока не было достигнуто равномерное распределение кислорода.

Оптимальные расходы составили:

На аэротенке № 1 – 24 м³/час

На аэротенке № 2 – 49 м³/час

На аэротенке № 3 – 70 м³/час

На аэротенке № 4 – 60 м³/час

Эти расходы отвечают равномерной нагрузке на активный ил по ХПК, что подтверждается равномерностью распределения растворенного кислорода по аэротенкам. Данные по концентрации растворенного кислорода представлены в таблице № 12.

Таблица № 12. Концентрация растворенного кислорода по аэротенкам первого блока на 26.09.02 и 27.09.02, мг/л.

Точка замера	Аэротенк № 1		Аэротенк № 2		Аэротенк № 3		Аэротенк № 4
	26.09.	27.09.	26.09.	27.09.	26.09.	27.09	26.09.	27.09
0	0	0	0	0	0	0	0	0
10	0	1.05	0	0.73	0.6	0.14	0.55	0.91
20	1.34	2.75	0.06	2.37	3.8	0.49	1.23	2.35
30	2.76	3.91	2.29	4.76	3.9	4.38	1.83	2.85
40	2.41	3.57	3.87	5.11	3.82	3.44	2.57	3.63
40*	2.69	3.36	3.24	4.81	4.55	5.08	3.03	381
50	3.50	3.70	4.38	5.28	5.75	5.78	4.90	4.68
60	3.80	3.89	5.22	4.05	5.83	5.75	3.72	4.47
70	5.25	4.67	6.07	3.82	6.42	6.07	3.9	3.92
80	5.59	4.88	5.88	2.65	5.70	4.88	3.15	3.53

*- начало второго коридора

 

 

Перераспределение потоков воздуха по аэротенкам

Данные по итоговому  распределению кислорода без изменения общего расхода воздуха приведены в табл. 13.

Таблица № 13. Концентрация растворенного кислорода по аэротенкам первого блока после регулировки, мг/л.

Точка замера	Аэротенк № 1	Аэротенк № 2	Аэротенк № 3	Аэротенк № 4.
0	0	0.33	0	0
10	0.70	1.66	0.40	0.30
20	2.88	0.27	0.50	1.89
30	4.00	1.28	3.40	2.33
40	4.06	3.30	2.50	2.99
40*	3.90	4.07	3.50	3.80
50	4.28	5.34	4.50	5.16
60	4.10	5.50	4.80	4.80
70	5.30	5.00	5.00	4.54
80	5.34	4.60	4.10	3.84

*- начало второго коридора.

 

Химический  анализ

Для подтверждения эффективности  проведенных мероприятий, была проанализирована биохимочищенная вода на выходе каждого задействованного аэротенка по показателю «ХПК». Результаты исследований представлены в табл. 14.

 

Таблица № 14. Снижение ХПК иловой смеси на аэротенках первого и второго блоков, мг/ л.

Точка отбора пробы	4.10.02.	11.10.02.	14.10.02.
Аэротенк № 1	220	230	250
Аэротенк № 2	250	280	250
Аэротенк № 3	270	280	290
Аэротенк № 4	260	260	280
Аэротенк № 5	220	200	230
Аэротенк № 7	190	180	210

 

Таким образом, снижение ХПК на первой очереди аэротенков в среднем составляет 250 мг/л, на второй очереди аэротенков – 200 мг/л.

Данные по снижению ХПК, полученные по результатам анализов, произведенных в период до начала оптимизации работы сооружений БХО, представлены в табл. 15.

Таким образом, до начала мероприятий по оптимизации работы сооружений БХО, снижение ХПК в среднем составляло 170 мг/л. Проведенные мероприятия позволили увеличить степень очистки (снижение ХПК) на первом блоке аэротенков на 17%.

Увеличение степени  очистки, полученное в результате проведенных  работ, достигнуто благодаря равномерному перераспределению исходного стока и кислорода по аэротенкам.

 

Таблица № 15. Результаты анализа на ХПК сточной и биохимочищенной воды по данным промышленно-санитарной лаборатории предприятия.

Дата измерений	ХПК сточных вод, мг/л	ХПК биохимочищенной воды, мг/л	Снижение ХПК, мг/л
18.06.02	330	150	180
01.09.02.	356	188	168

 

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обзор современных  достижений в области биосенсорной детекции позволяет сделать вывод о необходимости конструирования новых микробных сенсоров для детекции ароматических и сульфоароматических соединений, поскольку в настоящее время биосенсорная детекция этих соединений представлена в основном ферментными сенсорами, применение которых в ряде случаев нежелательно, о чем говорилось в гл. 2.2.2. Применение биосенсоров сдерживается высокой стоимостью высокоочищенных биологических компонентов, необходимостью защиты чувствительного элемента от вредных воздействий среды, малым сроком службы, а также необходимостью повышения селективности преобразователей.

В работе показана возможность  применения микроорганизмов-деструкторов целевых веществ в качестве рецепторных элементов биосенсоров для детекции соответствующих ароматических соединений. В частности, созданы модели микробных сенсоров для детекции п-толуолсульфоната и фенола , их нижние пределы детекции составили 5 мкМ. Основным отличием работы от проводимых ранее исследований является идея об использовании дифференциальной пары сенсоров на основе микроорганизмов одного и того же штамма, отличающихся только наличием плазмиды деградации целевого соединения. Выполнен математический расчет погрешности при работе дифференциальной системы детекции. Необходимы дальнейшие исследования с целью определения оптимальных условий функционирования дифференциальной пары, оптимизации параметров функционирования двухканальной системы регистрации с целью их практического применения для детекции ароматических ксенобиотиков в сточных водах промышленных производств и экологических системах.

В работе также проведено  исследование процесса деградации целевого соединения в периодических и непрерывных условиях. Полученные данные могут служить основой для разработки прмышленных реакторов для деградации целевых соединений, содержащихся в стоках химических производств.

Предложен прототип колоночного сенсора, который может быть использован в качестве аналитического метода оценки окислительной активности микроорганизмов активного ила установок биохимической очистки промышленных сточных вод. Применение данного метода позволит проводить анализ в кратчайшие сроки и без применения реагентов.

Биосенсорный подход был применен также для оптимизации работы очистных сооружений промышленного предприятия, использование кислородного электрода Кларка позволило более эффективно отладить работу аэробных биохимических очистных сооружений, повысить качество очистки промышленных стоков на 17%.

 

6. ВЫВОДЫ

1. Создана модель микробного биосенсора, обладающего высокой чувствительностью и селективностью в отношении сульфоароматических соединений. В основе биорецептора использован штамм C. testosteroni BS1310 (pBS1010) несущий плазмиду биодеградации сульфоароматических соединений pBS1010. Показано, что биосенсор мембранного типа позволяет0 производить экспресс-анализ п-толуолсульфоната в модельных средах в диапазоне детекции 5 – 1000 мкМ. Чувствительность сенсора по отношению к толуолсульфонату составляет 0.17 нА/с при концентрации 1 мМ. Использование плазмидсодержащих бактерий в сенсоре позволяет в 11 раз повысить селективность в отношении п-толуолсульфоната по сравнению с сенсором на основе бесплазмидного штамма.

2. Для упрощенной  модели дифференциальной детекции произведена оценка возможной ошибки измерения целевых соединений - толуолсульфоната и фенола на фоне исследованных мешающих примесей. Нашли, что погрешность детекции составила бы 24% при определении п-толуолсульфоната, 11% при определении общего содержания сульфоароматических соединений, 35% при определении фенола и 12% при определении общего содержания ароматических соединений в случае равной концентрации как мешающих, так и целевых соединений. При анализе реальных сточных вод, содержащих преимущественно целевые соединения, погрешность должна существенно снизиться.

3. Впервые экспериментально  показали, что окисление п-толуолсульфоната бактериальными клетками Comamonas testosteroni BS1310 как в свободном, так и в иммобилизованном состоянии происходит в стехиометрическом соотношении 2:1 (кислород: п-толуолсульфонат). Полученные данные составили основу для выбора типа биорецептора – мембранного или колоночного - при создании биосенсора для детекции данного соединения.