ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Химическое поведение тяжелых металлов при анаэробном сбраживании из "Химия промышленных сточных вод" Анаэробное сбраживание является очень старым и эффективным средством переработки концентрированных органических отходов. Традиционно оно предлагается для переработки осадков бытовых сточных вод и высококонцентрированных промышленных отходов. В связи с тем что при анаэробном сбраживании образуется в качестве побочного ценный продукт — метан, процесс сбраживания тщательно исследуется для каладого типа -органических отходов. Существует несколько точек зрения на биохимию процесса анаэробного сбрал ивания [1—3], но они в настоящей главе рассматриваться не будут. [c.288] Одна из трудностей применения анаэробного сбраживания вызвана повышенной концентрацией металлов в обрабатываемых отходах. В большинстве схем очистки сточных вод в осадках концентрируются различные вещества, многие из которых токсичны. Так, несколько исследователей отмечали [4—9] накопление в осадках сточных вод хрома, меди, никеля, цинка, ртути, кадмия, свинца, марганца и железа. В ряде случаев концентрация металлов в осадках превышала средние значения в несколько сот раз [10—12], что часто является причиной неудачного сбраживания и вследствие чего, вероятно, жидкость иногда не осветляется. Несмотря на широкое распространение метода анаэробного сбраживания и длительность использования его на практике, удивительно мало исследований посвящено изучению природы химических взаимодействий, происходящих между компонентами осадков, например тяжелых металлов. Большинство исследователей отмечают заметное влияние тяжелых металлов на процесс сбраживания. [c.288] Наиболее полно это влияние отражено Бартом [13] в серии исследований для Сг, Си, Ni и Zn. В работах [14—17] отмечена способность аэробных бактерий сорбировать тяжелые металлы из растворов, однако о сорбции тяжелых металлов анаэробными бактериями сообщено мало. Гоулд и Дженетелли [18] показали возможность разделения анаэробных осадков на фракции в соответствии с размером частиц, определили содержание металлов в различных фракциях. Наряду с другими исследователями они нашли, что большинство тяжелых металлов удаляется с осадком. Предыдущая наша работа подтвердила этот вывод. В данной работе изучено химическое поведение d, Сг, Си, РЬ, Ni и Zn при анаэробном сбраживании, причем особое внимание обращено на распределение металлов в сброженном осадке. [c.288] На основании исследований можно сделать следующие выводы 1) металлы распределяются исключительно между неорганической фракцией осадка и биомассой 2) равновесное распределение тяжелых металлов устанавливается быстро 3) строго доказано активное проникновение металлов внутрь клеток бактерий. [c.289] Авторы старались по возможности представить полученную информацию в количественной форме, чтобы облегчить понимание химического поведения тяжелых металлов в процессе анаэробного сбраживания. [c.289] Низкий окислительно-восстановительный потенциал позволяет предполагать, что будут образовываться вещества только с низкой степенью окисления относительно узкий интервал значений pH ограничивает необходимость рассмотрения реакций вне этой области. Вследствие высоких концентраций координирующих лигандов возможно образование неорганических твердых фаз. Химические равновесия для тяжелых металлов даны в табл. 23.1. [c.289] Удобным способом обобщения химической информации является представление ее в виде графиков. На рис. 23.1 показаны диаграммы зависимости (или рЕ) от pH для каждого из металлов в данном исследовании. Эти диаграммы построены с использованием данных, приведенных в табл. 23.1 для кислотно-основных равновесий карбонатов, фосфатов и сульфидов. Концентрации лигандов для построения диаграмм взяты приблизительно те же, которые характерны для жидкости обычно при анаэробном сбраживании ([СОз -] =[Р04 -] = [82 ]= 10 Щ). Из этих графиков видно, что растворимость исследуемых неорганических веществ лимитируется сульфидами металлов, за исключением Сг. Хром, растворимость которого обусловлена растворимостью гидроксида Сг как известно, не образует устойчивого сульфида. Для медн растворимость лимитируется сульфидом меди Си23. [c.289] Диаграммы рЕ — pH для химических равновесий тяжелых металлов в водной среде (концентрации лигандов [СОз ] = [Р04 -] =[52-]= = 10 2 М, заштрихована среда метантенка). [c.290] В каждом опыте рассчитывали баланс масс. Определяли содержание растворенных и нерастворимых органических соединений металлов и нерастворимых соединений, входящих в состав биомассы. Эта последняя фракция далее была разделена на металл внутри- и внеклеточный. Разделение осадка на фракции осуществляли с помощью просеивания, декантации, фильтрации и промывки в азотной кислоте и ЭДТА. Таким способом удается количественно отделить клеточную биомассу от осадка. Все определения металлов проведены методом атомно-адсорбционной спектрометрии. Подробная схема разделения описана в [19]. Было найдено, что металлы всегда распределяются между неорганической фазой и биомассой. Промывание клеточной биомассы раствором ЭДТА способствует выделению некоторого количества металлов, но полное извлечение происходит лишь после разрушения клеток. [c.292] Поскольку металл находится внутри клетки, его не легко выделить, по крайней мере в химической среде анаэробной системы. Поэтому реакция (23.4), по-видимому, должна быть практически необратимой (если исключить нетипичные случаи разрыва связей). [c.293] Хотя влияние температуры нами не изучалось, некоторое заключение можно сделать на основании растворимости твердых фаз. Как известно, растворимость большинства неорганических веществ увеличивается при нагревании, поэтому при более высокой температуре растет вероятность поглощения металлов биомассой. Метантенки, работающие при повышенной температуре (быстрые системы), в связи с этим более чувствительны к токсичным металлам. О трудностях, возникающих в условиях жаркой погоды, сообщают многие эксплуатационники. [c.297] Накопление металлов в органической фазе, судя по данным рис. 23.4 и 23.5, зависит от растворимости неорганических соединений металлов. Например, никель, который имеет наиболее растворимый сульфид в нейтральной среде и наиболее ядовит, быстро накапливается в клетках при снижении pH. Свинец, который значительно менее растворим, слабо накапливается при этих же условиях. Важно также сродство между металлом и клеткой. Ион меди образует слаборастворимые осадки и все же быстро накапливается, как только снижается pH. Отчасти это связано с высвобождением двух ионов меди из каждой молекулы сульфида (более крутая кривая на рис. 23.4 и 23.5). Кроме того, медь имеет необычно высокое сродство в биомассе. В отличие от этого хром сравнительно растворим, но имеет низкую способность образовывать комплексы с входящими в состав клетки веществами. [c.297] Из табл. 23.2 ясно, что статистическое распределение металлов между биомассой и осадком неоднозначно соответствует токсическому действию металлов в среде метантенка. Если исключить цинк, соответствие улучшается. Это не удивительно, так как указанные в литературе пределы токсичности цинка более чем на порядок превосходят значения для других металлов [13, 19]. [c.298] Возможно, что при высоких концентрациях цинка ( 2000 мг/л) его растворимость определяется растворимостью не сульфида, и предположения, сделанные на основании рис. 23.4 и 23.5, несправедливы. [c.298] В данной работе рассмотрено поведение тяжелых металлов в метантенке и их распределение между двумя нерастворимыми фракциями — неорганическим осадком и биомассой. Найдено объяснение токсичности металлов для процессов переработки осадка. Вычислены константы сродства металлов к клеткам и найден относительный ряд уменьшения сродства у разных металлов. [c.298] Эти константы являются приближенными, и их не следует рассматривать в качестве точных констант распределения. Возможно, что даже в случае активного переноса металла внутрь клетки они ближе к линейным коэффициентам адсорбции между металлом и поверхностью клетки. В связи с этим не вызывает сомнений образование различных короткоживущих растворимых комплексов с металлами, способствующих стадии переноса. Для установления более точного механизма проникновения металлов в осадок требуются дополнительные исследования. [c.298] Было бы интересно изучить влияние температуры на токсичность, а также поведение металлов при добавке химического комплексообразователя или сорбирующей металлы твердой фазы (например, оксидов металлов). [c.298] Вернуться к основной статье