اثر فاز غیرآبی بر سینتیک تخریب زیستی هم‌زمان بخار هگزان و متانول توسط باکتری‌های جداسازی‌شده ازلجن فعال

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی شیمی- بیوتکنولوژی، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

سابقه و هدف: ترکیب‏های آلی فرار(Voltile Organic Compounds (VOCs)) علی‏رغم سهم اندکی که از آلاینده‌های جوی دارند، اما عامل عمده مشکلات زیست‌محیطی و خطر برای سلامتی انسان هستند. در روش تخریب زیستی تمام کربن آلاینده به کربن‌دی‌اکسید و زیست توده تبدیل می‌شود. تعداد زیادی از صنایع مخلوطی از آلاینده‌هایی مانند هگزان و متانول را به جو وارد می‌کنند. خواص شیمیایی و فیزیکی متفاوت این مواد بر نرخ تخریب زیستی و بازده حذف آن‏ها توسط یک جمعیت میکروبی مشخص تاثیر می‌گذارد. در میان این خواص، حلالیت هر جزء ممکن است سبب ایجاد بر‌هم‌‌کنش میان ترکیبات موجود در مخلوط هگزان/متانول شود. به منظور غلبه بر محدودیت انتقال جرم و حلالیت کم مواد آلی فرار آب گریز (مانند هگزان) در فاز آب، افزودن یک فاز غیرآبی به محیط کشت برای جذب ترکیب آب‏گریز، مفید گزارش شده است. با نگاهی به پژوهش‌های پیشین، مشخص می‌شود که هرچند فاز غیر آبی، مانند روغن سیلیکون، بر بازده حذف هم‌زمان متانول به عنوان آلاینده آب‌دوست و هگزان به عنوان آلاینده آب‌گریز اثر مثبتی دارد، اما اثر آن بر سینتیک تخریب زیستی این مواد شناخته شده نیست. بنابراین، هدف این پژوهش، تعیین اثر غلظت‌های مختلف روغن سیلیکون بر سینتیک تخریب زیستی هم‌‌زمان هگزان و متانول است.
مواد و روش‏ ها: در این پژوهش هگزان (g.m-3 5) به عنوان یک ترکیب آلی فرار آب‌گریز، متانول (g.m-3 1) به عنوان ترکیب آلی فرار آب‌دوست و روغن سیلیکون به عنوان فاز غیر قابل امتزاج با آب انتخاب شدند. گونه‏های میکروبی تخریب کننده مورد استفاده در این پژوهش، کشت مخلوطی است که از لجن فعال سازگارشده حاصل از جریان لجن برگشتی واحد شماره 6 تصفیه خانه فاضلاب جنوب تهران جداسازی شدند. برای اندازه‌گیری غلظت هگزان و متانول از دستگاه کروماتوگرافی گازی مجهز به یک ستون مویینه و آشکار ساز یون‏سازی شعله استفاده شد. برای اندازه‌گیری غلظت دی اکسید کربن از آشکارساز هدایت گرمایی برای سنجش غلظت توده‌ی زیستی از روش کدورت سنجی و تعیین چگالی نوری نمونه‌ها اسپکتروفوتومتر استفاده شد.
نتایج و بحث: با افزایش کسر حجمی روغن سیلیکون 1% به 20% میزان نرخ تخریب زیستی ویژه متانول از mgmethanol.(gbiomass.day)-1) 42/1 به mgmethanol.(gbiomass.day)-1) 08/1 کاهش یافت. هم چنین با افزایش میزان روغن سلیکون تا میزان 10% حجمی، نرخ تخریب زیستی ویژه هگزان از (mghexane.(gbiomass.day)-1) 5/17 به (mghexane.(gbiomass.day)-1) 21 افزایش یافت. افزایش کسر حجمی روغن سیلیکون تا 20% تاثیر چندانی بر نرخ تخریب زیستی ویژه هگزان نداشت. سینتیک تخریب زیستی هگزان از مدل میکائلیس-منتن تبعیت کرد. افزودنg.m-3 1 متانول به محیط کشت اثر منفی بر نرخ تخریب ویژه هگزان داشت و حضور متانول سبب افزایش مقدار Ks به g.m-3 21 و کاهش بیشینه نرخ تخریب ویژه هگزان از 4/141 به (mghexane.(gbiomass.day)-1) 1/123 شد.
نتیجه ‏گیری: حضور روغن سیلیکون در محیط کشت اثر منفی متانول بر تخریب زیستی هگزان را کاهش داد. افزایش میزان روغن سیلیکون تا میزان 10% حجمی بر نرخ تخریب زیستی هگزان موثر بود و افزایش بیشتر آن، تاثیر چندانی بر میزان تخریب زیستی ویژه هگزان نداشت.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Kinetics of co-biodegradation of n-hexane and methanol vapors in the presence of a non-aqueous phase by an isolated microbial culture from activated sludge

نویسندگان [English]

  • Sina Keramati
  • Seyed Morteza Zamir
Department of Biochemical Engineering, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Volatile Organic Compounds (VOCs), despite their small share in the atmospheric pollutants, are the main cause of environmental problems and human health risks. In the biological processes, all the pollution is converted into carbon dioxide and biomass. A large number of industries discharge a mixture of pollutants such as n-hexane and methanol into the atmosphere. The different chemical and physical properties of these materials affect the rate of biological degradation and their removal efficiency by a specific microbial population. Among these properties, the solubility of each component may affect the interaction between the compounds during the biodegradation of the n-hexane/methanol mixture. To overcome the limitation of mass transfer and the low solubility of hydrophobic VOCs such as n-hexane in the water phase, it has been reported to be useful to add a non-aqueous phase (NAP) to the culture medium to absorb the hydrophobic compound. According to the previous researches, it is clear that the presence of silicone oil as an NAP has a positive effect on the simultaneous removal efficiency of methanol as a hydrophilic and n-hexane as a hydrophobic pollutant. However, its effect on the kinetic of biodegradation of VOCs is not well known. Therefore, this study aims to determine the effect of different volume fractions of silicone oil on the kinetics of simultaneous biodegradation of n-hexane and methanol.
Material and methods: n-hexane (5 g.m-3) was selected as a hydrophobic pollutant , methanol (1 g.m-3) as a hydrophilic pollutant, and silicone oil as the NAP. Microbial consortium used in this research is a mixed culture that was isolated from the adapted activated sludge from the return sludge flow of Unit No. 6 of the South Tehran Wastewater Treatment Plant. A gas chromatography (GC) device equipped with a capillary column and flame ionization detector (FID) was used to measure the concentrations of n-hexane and methanol. To measure the concentration of carbon dioxide, a thermal conductivity detector (TCD) was used. To measure the biomass concentration a spectrophotometer was used to determine the optical density (OD) of the samples.
Results and discussion: The specific degradation rate (SDR) of methanol decreased from 1.42 mgmethanol.(gbiomass.day)-1) to 1.08 mgmethanol.(gbiomass.day)-1) by increasing the volume fraction of silicone oil from 1% to 20% v/v. In contrast, when volume fraction of silicone oil reached to 10% v/v, the SDR of n-hexane increased from 17.5 (mghexane.(gbiomass.day)-1) to 21 (mghexane.(gbiomass.day)-1). Further Increasing in the volume fraction of silicone oil up to 20% v/v did not have much effect on the SDR of n-hexane. The kinetics of n-hexane biodegradation followed the Michaelis-Menten model. The addition of 1 g.m-3 of methanol to the culture medium had a negative effect on the SDR of n-hexane, and the presence of methanol increased the Ks value to 21 g.m-3 and decreased the maximum SDR of n-hexane from 141.4 to 123.1 (mghexane.(gbiomass.day)-1).
Conclusions: The presence of silicone oil in the culture medium reduced the negative effect of methanol on the biological degradation of n-hexane. Increasing in the amount of silicone oil up to 10% v/v was effective on the biodegradation rate of n-hexane, and its further increase did not have effect on the SDR of n-hexane.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Kinetic model
  • Silicone oil
  • Solubility
  • VOCs
  • Gas-phase pollutants

مراجع

Angelucci, D.M., Piscitelli, D. and Tomei, M.C., 2019. Pentachlorophenol biodegradation in two-phase bioreactors operated with absorptive polymers: Box-Behnken experimental design and optimization by response surface methodology. Process Safety and Environmental Protection. 131, 105-115. DOI: https://doi.org/10.1016/j.psep.2019.09.005.
Arriaga, S., Muñoz, R., Hernández, S., Guieysse, B. and Revah, S., 2006. Gaseous hexane biodegradation by Fusarium solani in two liquid phase packed-bed and stirred-tank bioreactors. Environmental Science and Technology. 40(7), 2390-2395. DOI: https://doi.org/10.1021/es051512m.
Arriaga, S. and Revah, S., 2005. Removal of n-hexane by Fusarium solani with a gas-phase biofilter. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 32(11-12), 548-553. DOI: https://doi.org/10.1007/s10295-005-0247-9.
Ascon-Cabrera, M.A. and Lebeault, J.M., 1995. Interfacial area effects of a biphasic aqueous/organic system on growth kinetic of xenobiotic-degrading microorganisms. Applied Microbiology and Biotechnology. 43, 1136-1141. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00166938.
Baltzis, B. C., Wojdyla, S. M. and Zarook, S. M., 1997. Modeling biofiltration of VOC mixtures under steady-state conditions. Journal of Environmental Engineering. 123(6), 599-605. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9372(1997)123:6(599).
Chalupa, J., Novák, O., Halecký, M., Bárta, J. and Kozliak, E., 2021. Thermophilic waste air treatment of n‐alkanes in a two‐phase bubble column reactor: the effect of silicone oil addition. Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 96(6), 1682-1690. DOI: https://doi.org/10.1002/jctb.6693.
Cheng, Y., He, H., Yang, C., Zeng, G., Li, X., Chen, H. and Yu, G., 2016. Challenges and solutions for biofiltration of hydrophobic volatile organic compounds. Biotechnology Advances. 34(6), 1091-1102. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2016.06.007.
Cheng, Y., Li, X., Liu, H., Yang, C., Wu, S., Du, C. and Zhong, Y., 2020. Effect of presence of hydrophilic volatile organic compounds on removal of hydrophobic n-hexane in biotrickling filters. Chemosphere. 252, 126490. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.126490.
Dewidar, A. A. and Sorial, G. A., 2022. Effect of rhamnolipids on the fungal elimination of toluene vapor in a biotrickling filter under stressed operational conditions. Environmental Research. 204, 111973. DOI: https://doi.org/10.1016/j.envres.2021.111973.
Dumont, E., Andrès, Y. and Le Cloirec, P., 2014. Mass transfer coefficients of styrene into water/silicone oil mixtures: New interpretation using the “equivalent absorption capacity” concept. Chemical Engineering Journal. 237, 236-241. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2013.10.021.
Ferdowsi, M., Ramirez, A. A., Jones, J. P. and Heitz, M., 2017. Elimination of mass transfer and kinetic limited organic pollutants in biofilters: A review. International Biodeterioration & Biodegradation. 119, 336-348. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ibiod.2016.10.015.
Galindo, H., Revah, S., Cervantes, F. J. and Arriaga, S., 2011. Effect of surfactant and oil additions in the biodegradation of hexane and toluene vapours in batch tests. Environmental Technology. 32(2), 167-173.
García-Abuín, A., Gómez-Díaz, D. and Navaza, J. M., 2012. Carbon dioxide mass transfer in gas–liquid–liquid system. Industrial & Engineering Chemistry Research. 51(15), 5585-5591. DOI: https://doi.org/10.1080/09593330.2010.491132.
Hassan, A. A. and  Sorial, G. A., 2010. Biofiltration of n‐hexane in the presence of benzene vapors. Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 85(3), 371-377. DOI: https://doi.org/10.1002/jctb.2330.
Iranmanesh, E., Halladj, R. and Zamir, S. M., 2015. Microkinetic analysis of n‐hexane biodegradation by an isolated fungal consortium from a biofilter: Influence of temperature and toluene presence. CLEAN–Soil, Air, Water. 43(1), 104-111. DOI: https://doi.org/10.1002/clen.201200318.
Keramati, S., Ferdowsi, M. and Zamir, S. M., 2021. Compounds interactions during simultaneous biodegradation of hydrophobic n-hexane and hydrophilic methanol vapors in one-and two-liquid phase conditions. Process Safety and Environmental Protection. 147, 283-291. DOI: https://doi.org/10.1016/j.psep.2020.09.040.
Kalantar, M., Zamir, S. M., Ferdowsi, M. and Shojaosadati, S. A., 2021. Removal of toluene in a biotrickling filter in the presence of methanol vapors: Experimental study, mathematical modeling, and kinetic parameters optimization. Journal of Environmental Chemical Engineering. 9(1), 104617. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.104617.
Karimi, A., Golbabaei, F., Neghab, M., Pourmand, M. R., Nikpey, A., Mohammad, K. and Mehrnia, M. R., 2013. Biodegradation of high concentrations of benzene vapors in a two phase partition stirred tank bioreactor. Iranian Journal of Environmental Health Science & Engineering. 10, 1-8. DOI: https://doi.org/10.1186/1735-2746-10-10.
Muñoz, R., Daugulis, A. J., Hernández, M. and Quijano, G., 2012. Recent advances in two-phase partitioning bioreactors for the treatment of volatile organic compounds. Biotechnology Advances. 30(6), 1707-1720. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2012.08.009.
Parnian, P., Zamir, S. M. and Shojaosadati, S. A., 2016. Styrene vapor mass transfer in a biotrickling filter: effects of silicone oil volume fraction, gas-to-liquid flow ratio, and operating temperature. Chemical Engineering Journal. 284, 926-933. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2015.08.148.
Ramezani, M., Khorshidizadeh, M., Zamir, S. M. and Ferdowsi, M., 2021. Performance evaluation of a trickling bioreactor treating methanol vapor under one-and two-liquid phase conditions. Environmental Technology & Innovation. 24, 101948. DOI: https://doi.org/10.1016/j.eti.2021.101948.
Rene, E. R., Estefania López, M., Veiga, M. C. and Kennes, C., 2010. Steady‐and transient‐state operation of a two‐stage bioreactor for the treatment of a gaseous mixture of hydrogen sulphide, methanol and α‐pinene. Journal of Chemical Technology & Biotechnology. 85(3), 336-348. DOI: https://doi.org/10.1002/jctb.2343.
Sakhaei, A., Zamir, S. M., Rene, E. R., Veiga, M. C. and  Kennes, C., 2023. Neural network-based performance assessment of one-and two-liquid phase biotrickling filters for the removal of a waste-gas mixture containing methanol, α-pinene, and hydrogen sulfide. Environmental Research. 116978. DOI: https://doi.org/10.1016/j.envres.2023.116978.
Wu, C., Xu, P., Xia, Y., Li, W., Li, S. and Wang, X., 2017. Microbial compositions and metabolic interactions in one-and two-phase partitioning airlift bioreactors treating a complex VOC mixture. Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology. 44(9), 1313-1324. DOI: https://doi.org/10.1007/s10295-017-1955-7.
Yousefinejad, A., Zamir, S. M. and Nosrati, M., 2019. Fungal elimination of toluene vapor in one-and two-liquid phase biotrickling filters: effects of inlet concentration, operating temperature, and peroxidase enzyme activity. Journal of Environmental Management. 251, 109554. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.109554.
Zehraoui, A. and Sorial, G. A., 2015. Treatment of dynamic mixture of n-Hexane, Benzene, and Methanol and fungi community characterization in an integrated scheme of cyclic adsorption/desorption beds and trickle bed air biofilter. Air, Soil and Water Research. 8, ASWR-S23688. DOI: https://doi.org/10.4137/ASWR.S23688.
فصلنامه علوم محیطی
دوره 22، شماره 2
1403
صفحه 211-224

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار