Диссертация (1172981), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Преимущества применения реагентного метода включают экономиючистой воды, повышение эффективности разделения дисперсии, возможность сепарации нефтиинефтепродуктовототработанныхрастворовПАВ,возможностьинтенсификациипоследующих процессов биодеградации НУВ на стадии биоремедиации.В практике применения данного метода рассматривают применение различных классовПАВ: анионных, катионных, неионных или цвиттер-ионных ПАВ (таблица 1.2).Таблица 1.2 – Характеристики различных классов ПАВ [65]АПАВЗаряд ионаКПАВНПАВЦИ-ПАВотрицательныйположительныйотсутствуетоба зарядаотносительнотоксичныотносительноотносительнонетоксичнынетоксичныПАВТоксичностьнетоксичныСорбция вотсутствуетсильнаянезначительнавозможнаПрименение вХорошийНе находитХорошийСовместим собласти охранырастворитель,широкогорастворитель,другими ПАВ и,окружающейширокопримененияширокоследовательно,средыиспользуется дляиспользуетсяможет бытьпочвеизвлеченияиспользован внефтяных масел,качествеочисткивспомогательногогидрогеологическихПАВзагрязненийТаким образом, в качестве основы для реагентов обработки НЗПГ обычно используютНПАВ, АПАВ и их композиции.
В то же время КПАВ, в силу их высокой стоимости [66], могут29использовать в тех случаях, когда их невозможно заменить другими ПАВ, но их низкаярастворимость в полярных растворителях снижает его применимость в процессах реагентнойобработки НЗПГ. Также экспериментальные данные подтверждают низкую эффективностьКПАВ при использовании их в обработке НЗПГ [67].По способу получения ПАВ могут быть биологическими, то есть продуцируемымимикроорганизмами (биоПАВ) и синтетическими. БиоПАВ демонстрируют превосходнуюповерхностную активность, несмотря на их объемную молекулярную структуру по сравнению ссинтетическими.Будучиполученнымиизживыхорганизмов,биоПАВобладаютпреимуществами биоразлагаемости, способа получения с использованием возобновляемыхресурсов, возможной регенерации и меньшей токсичности.
Использование биоПАВ исключаетнеобходимость удаления ПАВ из сточных вод ввиду их нетоксичности [68, 69].Их использование в процессах реагентной обработки НЗПГ изучено различнымиисследователями [70, 71, 72 и др.] является природоподобной (environmental friendly)технологией,показывающейвысокуюэффективностьочисткиНЗПГ.Однакоихпромышленный выпуск только получает развитие и является дорогостоящим и недостаточнымдля обеспечения потребностей рынка России.Установлено влияние ПАВ на процессы биодеградации НУВ в нефтезагрязненныхпочвах: возможно использование раствора ПАВ для переноса НУВ в жидкую фазу иинтенсификации процессов биодеградации НУВ.
Исследователи сообщают, что эффективностьприменения реагентной обработки почвы зависит от физико-химической природы ПАВ ихарактера загрязненной почвы [68].1.2.4.1 Влияние поверхностно-активных веществ на эффективность биоремедиацииКласс ПАВ определяет механизм повышения биодоступности НУВ, а также структурумицелл и процесс солюбилизации НУВ в мицеллах. Хотя солюбилизация углеводородовпроисходит главным образом в мицеллярном ядре, полиароматические углеводороды (ПАУ) срезонирующими электронами также могут образовывать слабые связи с кислородсодержащимиголовными группами в области оболочки мицелл НПАВ. В катионных поверхностно-активныхвеществах ПАУ могут образовывать связи с катионными головными группами и, такимобразом, могут существовать как на границе раздела мицелл с водой, так и в мицеллярном ядре.30Вместе с тем, повышение солюбилизации в присутствии ПАВ не всегда приводит кинтенсификации процессов биодеградации.
Некоторые ПАВ задерживают НУВ в гидрофобномядре мицелл и делают их недоступными для микроорганизмов [73]. Скорость массопереноса отмицелл к водной фазе [74] и расположение углеводородов в мицеллах (ядро или оболочка),вероятно, влияют на скорость биодеградации. В экспериментах с сорбцией фенантрена наBurkholderia sp. [75] проиллюстрировано, как сорбция поверхностно-активного вещества Brij 30на бактериях в форме полумицелл (адмицелл) улучшает сорбцию фенантрена на бактериях.Предполагается, что такая сорбция в форме полумицелл, а не мономеров, увеличиваетбиодоступностьуглеводородов.Авторыпредположили,чтофракциямицеллярныхгидрофобных органических соединений является биодоступной и напрямую связана собразованием полумицелл на поверхности бактериальных клеток.
В некоторых случаяхповышение биодоступности за счет мицеллярной солюбилизации и эмульгирования можеттакже вызывать токсичность для микроорганизмов и препятствовать биологическомуразложению углеводородов нефти. Такой эффект наблюдался при обработке эмульгированногодизеля во вращающемся биологическом контакторе в присутствии Triton X-100 и Burkholderiamultivorans [59], хотя Triton X-100 не был токсичным для культуры.
О подобном токсическомэффекте сообщалось из-за повышения растворимости ПАУ в мицеллах ПАВ [76].Доза ПАВ влияет на способ действия ПАВ и также на биодеградацию загрязнителей: ввысоких дозах ПАВ могут отрицательно влиять на микроорганизмы-нефтедеструкторывследствие их токсичности. Кроме того, более высокая доза также означает более высокуюстоимость. Подбор оптимальной дозы ПАВ имеет важное значение для эффективнойбиоремедиации.ПАВсболеенизкимзначениемкритическойконцентрациимицеллообразования (ККМ) являются предпочтительными для биоремедиации, посколькусолюбилизация эффективна только для концентрации ПАВ выше ККМ [77]. КонцентрацияПАВ за пределами ККМ линейно связана с увеличением биоразложения НУВ до концентрации,которая является токсичной для микроорганизма [59].В сценариях подземного загрязнения также необходимо учитывать сорбцию ПАВ:ПАВ более низкой сорбционной способностью, являются более эффективными в увеличенииподвижности нефти, иммобилизированной в порах почвы, и в повышении биодоступностинефти.
Анионные и неионные ПАВ обычно характеризуются более низкой сорбцией наминеральных поверхностях по сравнению с КПАВ.Недавниеисследованиятакжепродемонстрировалихорошийпотенциалстимулированной биоремедиации при использовании композиций ПАВ, где эффективностьможет быть повышена при более низкой концентрации ПАВ.
Так, был установлен [78]синергетический эффект при растворении ПАУ, когда смеси анионных и неионогенных ПАВ31применялись в очень низкой концентрации из-за образования смешанных мицелл. Смешанныемицеллы проявляют более низкую полярность и, следовательно, увеличивают молярныйкоэффициент солюбилизации или коэффициент распределения мицеллярной воды при низкойККМ в смешанных растворах ПАВ.Кроме того, взаимодействие «ПАВ – микроорганизм» может напрямую влиять намеханизмпоглощенияНУВ.ПрямомупоглощениюНУВспособствуетувеличениегидрофобности клеточной поверхности микроорганизма, так как ПАВ способны изменятьгидрофобность клеточной поверхности микроорганизмов и влиять на прямое поглощениесубстрата из неводной фазы или твердой фазы.Влияние взаимодействия «ПАВ – микроорганизм» также проявляется через изменениядзета-потенциала, который отражает заряд клеточной поверхности [74].
Уменьшениеотрицательного заряда будет способствовать прикреплению к отрицательно заряженнымкаплям НУВ из-за ослабления взаимного отталкивания.Некоторые исследования показывают, что добавление ПАВ отрицательно влияет накультуры с гидрофобными клеточными поверхностями, которые обычно склонны к адгезии кНУВ [59, 79]. Их поверхности изменяются после добавления ПАВ таким образом, что они немогут прикрепляться к НУВ, что приводит к снижению общей степени биодеградациизагрязнителей. Напротив, культуры с гидрофильными клеточными поверхностями могут бытьболее эффективными в присутствии ПАВ, поскольку они получают больший доступ к НУВ,солюбилизированным в мицелле ПАВ.Таким образом, изменение гидрофобности / поверхностного заряда, которое происходитв присутствии ПАВ, может зависеть от внутренних характеристик клеточной поверхностибактерий и механизма их поглощения, природы ПАВ и способа, которым он преимущественносорбируется, то есть в виде мономеров или полумицелл.
Такие изменения оказывают сильноевлияние на поглощение НУВ и эффективность стимулированной биоремедиации [59].На рисунке 1.4 показана схема взаимодействий между ПАВ, микроорганизмами иорганическим загрязнителем.32ПАВ – поверхностно-активное вещество; МО – микроорганизм; НВФ – неводная фазаРисунок 1.4 – Принципиальная схема взаимодействий между ПАВ, микроорганизмами иорганическим загрязнителем в процессе стимулированной биоремедиации [59]Поверхностно-активныевеществавпочветакжевлияютнабиодеградациюорганических веществ, потенциально увеличивая биодоступность загрязняющих веществ.
Так,например,Mathurasa,etal.[80]обнаружили,чтодобавлениеионногоПАВдигексилсульфосукцината натрия способствовало взаимодействию между трибутилоловом ипочвенными бактериями, что стимулировало бактериальной деградации трибутилолова. Другиеисследователи [81] позволили заранее сформировать биопленку Pseudomonas на поверхностипочвы, загрязненной фенантреном, а затем добавили в почву определенное количествонеионного ПАВ TX-100 (не токсичного для Pseudomonas). Таким образом, результатыподтвердили значительное улучшение биодеградации фенантрена.
Moldes, et al. [82] сравнилибиоремедиацию загрязненной углеводородами почвы в различных условиях и предположилиположительнуюрольбиоПАВвбиодеградациизагрязняющихвеществ.БиоПАВ,продуцируемый бактериями Lactobacillus pentosus, значительно ускоряет биодеградациюпочвенных загрязнений после 40 дней инкубации.
В то же время ПАВ могут замедлять или неоказывать влияния на биоразложение органических углеводородов в почве; токсичность ПАВможет оказывать ингибирующее воздействие на почвенные бактерии, тем самым замедляябиодеградацию [83].33Такжесообщаетсяобэффективностифиторемедиациипочвы,загрязненнойорганическими соединениями при повышенном содержании ПАВ. Считается, что добавленныерамнолипидные биоПАВ изменяют проницаемость мембран корневых клеток, что увеличиваетусвоение питательных веществ и способствует росту люцерны. Кроме того, эффектсолюбилизации рамнолипида способствует десорбции ПАУ из загрязненных почв, что ещебольше увеличивает биодоступность загрязняющих веществ [83].1.2.4.2 Технологическое оформление in-situ и ex-situ процессов реагентной обработкинефтезагрязненных почвМеханизм отмыва НЗПГ с использованием водных растров реагентов на основе ПАВможно охарактеризовать двумя основными процессами: мобилизацией и солюбилизацией [84,85, 86]. Протекание данных процессов определяется ККМ каждого ПАВ.Мобилизация характерна в случае использования растворов с концентрацией ПАВ нижеККМ.
Поверхностно-активные мономеры накапливаются на границах раздела почва –загрязнитель и почва – вода и увеличивают угол контакта между почвой и загрязняющимвеществом (то есть изменяют смачиваемость системы). Молекулы ПАВ, адсорбированные наповерхности загрязняющего вещества, вызывают отталкивание между головной группоймолекулы ПАВ и частицами почвы, тем самым способствуя отделению загрязнителя от частицпочвы. На втором этапе конвективные потоки создают перемешивание и истирание, которыеобеспечивают необходимую энергию для создания дополнительной площади поверхностигидрофобной фазы и, таким образом, вытеснения нефти из почвы [87].Солюбилизация имеет место при концентрациях выше ККМ, а повышеннаясолюбилизирующая способность ПАВ определяется распределением загрязняющих веществ вгидрофобном ядре мицелл ПАВ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
