Системы очистки воды

 

Акт о защите среды от загрязнений  от 1994 г. по мере претворения его  в жизнь будет оказывать все  возрастающее влияние на технологию очистки сточных вод. Термин "биодеградация" используется сейчас очень широко, но имеет множество толкований. Иногда под биодеградацией понимают полную минерализацию какого-либо соединения микроорганизмами с образованием углекислого  газа, сульфата, нитрата и воды - это  одна крайность. Другая крайность состоит  в том, что данный термин используют применительно к незначительным изменениям соединений, приводящим к  утрате ими некоторых характерных  свойств. Стандартные методы оценки деградации позволяют определить термин "биодеградация" следующим образом:

 

1) первичная деградация, при  которой характерные свойства  исходного соединения утрачиваются  и перестают выявляться специфическими  химическими тестами; 

 

2) допустимая для окружающей  среды биодеградация, при которой  происходит минимальное изменение  исходного соединения, необходимое  для утраты его свойств (оба  этих определения основаны на  произвольных критериях, и поэтому  неточны);

 

3) окончательная биодеградация,  включающая полное превращение  исходного соединения в неорганические  конечные продукты и связанная  с нормальными процессами метаболизма  микробов.

 

Анаэробное разложение. Все  возрастающая стоимость переработки  отходов с помощью аэробного  разложения и энергетический кризис, с одной стороны, и новые достижения микробиологии и технологии - с  другой, возродили интерес к анаэробной переработке. Самая распространенная технология анаэробной переработки - разложение ила сточных вод. Эта хорошо разработанная технология с успехом используется с 1901 г. Однако здесь существует ряд проблем, обусловленных малой скоростью роста облигатных анаэробных метанобразующих бактерий, которые используются в данной системе. К ним относятся также чувствительность к различным воздействиям и неприспособленность к изменениям нагрузки. Конверсия субстрата также происходит довольно медленно, и поэтому обходится дорого. Некоторые проблемы связаны с неудачными инженерными решениями. Тем не менее, этот подход представляется перспективным с точки зрения биотехнологии; например, можно добавить к отходам ферменты для повышения эффективности процесса или попытаться усилить контроль за переработкой путем изменения тех или иных биологических параметров.

 

Анаэробная ферментация  отходов или растительных культур, специально выращиваемых для получения  энергии, очень перспективна для  экономичного получения газообразного  топлива при умеренных температурах (30 - 35°С). Эта новая отрасль биотехнологии  была развита микробиологами в сотрудничестве с инженерами-химиками и механиками, работниками сельского хозяйства  и экономистами.

 

При выращивании сообщества различных бактерий на смеси органических соединений происходят сложные биохимические  реакции. Метанобразующие бактерии способны к синтезу энергоносителя непосредственно из водорода и углекислого  газа. Микроорганизмы, расщепляющие целлюлозу, синтезируют жирные кислоты, которые  могут подвергаться восстановительному расщеплению до метана и углекислого  газа; некоторые бактерии способны даже образовывать молекулярный водород. Описано сложное, взаимозависимое  микробное сообщество, в котором  можно выделить три группы бактерий: бактерии, осуществляющие гидролиз и  брожение; бактерии, образующие водород  и уксусную кислоту; а также водородотрофные, метанобразующие бактерии. Метанобразующие бактерии растут медленно и очень чувствительны к резким изменениям загрузки реактора и накоплению водорода. Можно надеяться, что усовершенствование конструкции реактора и контроль за процессом помогут уменьшить колебания загрузки реактора и позволят контролировать ее, определяя содержание водорода и промежуточных продуктов типа пропионовой и масляной кислот. Проблемы перегрузки, особенно существенные в случае промышленных стоков, можно обойти, увеличивая скорости оборота и применяя в качестве буферных систем сточные воды химических предприятий и бытовые сточные воды. Для увеличения метаногенной активности бактерий можно использовать обычные методы отбора или методы генной инженерии. Оценить возможность использования данного процесса при переработке смешанных отходов, а также охарактеризовать потребности в питательных веществах и усовершенствовать начальный этап процесса за счет уменьшения количества необходимого микробного посевного материала поможет дальнейшее изучение физиологии и экологии участвующих в процессе микроорганизмов.

 

Для получения энергии  и полезных побочных продуктов можно  использовать самые разнообразные  отходы и сырье.

 

5.3.2 Ликвидация ила

 

1.Захоронение в почве.  В странах ЕЭС ежегодно производится  около 6 Мт ила, причём до 30% применяется в качестве удобрения  в сельском хозяйстве. Такое  использование ила весьма выгодно  как с точки зрения роста  урожайности, так и в плане  улучшения почвы. Сброженный ил, обычно в виде пульпы, содержит азота 5,1; фосфора 1,6 и калия 0,4%. Доступность этого азота для сельскохозяйственных культур составляет 50-85%, а фосфора 20-100%. Таким образом, жидкий сброженный ил по содержанию этих элементов не уступает навозу.

 

Этот способ ликвидации осложняется  двумя обстоятельствами: присутствием в иле патогенных организмов и  токсичных элементов. Распространение  патогенных организмов может быть пресечено  рядом мер по дезинфекции ила  перед его внесением в почву.

 

Принято считать, что основной повод для беспокойства дают два  патогенных организма: Salmonella spp. и бычий цепень. Однако в иле могут присутствовать и другие патогенные виды, в частности паразитические, например Brucella abortus и Ascaris suum. Борьба с болезнями основывается на стабилизации ила.

 

Основными стабилизирующими ил процессами являются сбраживание, складывание  в кучи или обработка известью. В качестве альтернативы возможно захоронение  ила ниже уровня почвы.

 

2. Захоронение в море.

 

3.Сжигание.

 

 

 

6 Биодеградация твёрдых  отходов

 

 

Перед транспортировкой твёрдых  отходов на свалку они могут быть подвергнуты обработке, т.е. измельчению, перемалыванию и дроблению. Эта  предварительная обработка может  сильно влиять на катаболические процессы в твёрдых отходах. На типичной свалке, где отходы размещаются по отсекам, вся система в целом работает как группа реакторов периодического действия, в которых отходы находятся на разных стадиях биодеградации и подвергаются случайным воздействиям, например, попаданию воды, содержащей растворённый кислород или различные ксенобиотики. В этом случае можно применить простую модель периодических культивирований, действующих в той последовательности, в какой происходит загрузка. Для более традиционного типа свалки можно использовать модель периодического культивирования с повторным внесением посевного материала микроорганизмов и беспозвоночных.

 

В начальной стадии катаболизма  твёрдых отходов, сопровождаемого  физическими и химическими процессами, преобладают аэробные процессы, в  ходе которых наиболее лабильные  молекулы быстро разрушаются рядом  беспозвоночных и микроорганизмами. Утилизация миксотрофных субстратов затем сменяется последующим катаболизмом макромолекул, таких как лигноцеллюлозы, лигнин, танины и меланины, которые способны только к медленной биодеградации, что приводит к тому, что кислород перестаёт быть лимитирующим субстратом.

 

 

6.1 Биодеградация ксенобиотиков в окружающей среде

 

 

Биодеградация органических соединений, загрязняющих окружающую среду, оправдана только в том  случае, если в результате происходит их полная минерализация, разрушение и  детоксикация; если же биохимическая модификация этих соединений приводит к повышению их токсичности или увеличивает время нахождения в среде, она становится не только нецелесообразной, но даже вредной. Детоксикация загрязняющих среду веществ может быть достигнута путем всего одной модификации структуры. Судьба ксенобиотика зависит от ряда сложным образом взаимосвязанных факторов как внутреннего характера (устойчивость ксенобиотика к различным воздействиям, растворимость его в воде, размер и заряд молекулы, летучесть), так и внешнего (рН, фотоокисление, выветривание). Все эти факторы будут определять скорость и глубину его превращения. Скорость биодеградации ксенобиотика данным сообществом микроорганизмов зависит от его способности проникать в клетки, а также от структурного сходства этого синтетического продукта и природного соединения, которое подвергается естественной биодеградации. В удалении ксенобиотиков из окружающей среды важную роль играют различные механизмы метаболизма.

 

В большинстве случаев  при исследовании биодеградации  использовался традиционный подход, основанный на выделении и анализе  свойств чистых изолятов из окружающей среды. С другой стороны, из-за гетерогенности среды в ней формируются местообитания для множества разных микроорганизмов с самыми разнообразными метаболическими свойствами. Эти местообитания не могут не быть взаимосвязанными друг с другом. Ксенобиотики подвергаются действию смешанных популяций микроорганизмов, т.е. сообществ, для которых характерны отношения кооперации, комменсализма и взаимопомощи.

 

 

6.2 Биодеградация нефтяных  загрязнений

 

 

Рассмотрим процессы биодеградации  сложных смесей углеводородов и  их производных в средах, загрязненных нефтью. Речь пойдет как о сточных  водах нефтяной промышленности, так  и о загрязнении нефтью окружающей среды. Источники таких загрязнений  могут быть самые разнообразные: промывка корабельных бункеров для  горючего, аварии на танкерах в открытом море (основная причина нефтяных загрязнений  окружающей среды), утечки в нефтехранилищах  и сброс отработанных нефтепродуктов.

 

Сточные воды нефтяной промышленности обычно очищают биологическим способом после удаления большей части  нефти физическими способами  или с помощью коагулянтов. Токсическое  воздействие компонентов таких  сточных вод на системы активного  ила можно свести к минимуму путем  постепенной «акклиматизации» очистной системы к повышенной скорости поступления  стоков и последующего поддержания  скорости потока и его состава  на одном уровне. Однако загрузка этих систем может значительно варьировать и, видимо, лучше использовать более совершенные технологии, например системы с илом, аэрированным чистым кислородом, или же колонные биореакторы.

 

Самые большие утечки нефти  в окружающую среду происходят в  море, где она затем подвергается различным физическим превращениям, известным как выветривание. В  ходе этих абиотических процессов, включающих растворение, испарение и фотоокисление, разлагается ( в зависимости от качества нефти и от метеорологических условий) 25 - 40% нефти. На этой стадии разрушаются многие низкомолекулярные алканы. Степень микробиологической деградации выветрившихся нефтяных разливов определяется рядом факторов. Весьма важен состав нефти: относительное содержание насыщенных, ароматических, содержащих азот, серу и кислород соединений, а также асфальтенов в различных типах нефти различно. Определенную устойчивость нефти придают разветвленные алканы, серосодержащие ароматические соединения и асфальтены. Кроме того, скорость роста бактерий, а, следовательно, и скорость биодеградации определяются доступностью питательных веществ, в частности азота и фосфора. Оказалось, что добавление таких веществ увеличивает скорость биодеградации. Количество разных организмов, способных расти на компонентах нефти, зависит от степени загрязненности углеводородами. Например, больше всего их находят поблизости от крупных портов или нефтяных платформ, где среда постоянно загрязнена нефтью. Полная деградация нефти зачастую не происходит даже при участии богатых по видовому составу микробных сообществ. Наиболее биологически инертные компоненты, например асфальтены, содержатся в осадочных породах и нефтяных залежах. Основные физические факторы, влияющие на скорость разложения нефти, - это температура, концентрация кислорода, гидростатическое давление и степень дисперсности нефти. Наиболее эффективная биодеградация осуществляется тогда, когда нефть эмульгирована в воде.

 

Особую проблему представляют выбросы или случайные разливы  нефти на поверхности почвы, поскольку  они могут привести к загрязнению  почвенных вод и источников питьевой воды. В почве содержится очень много микроорганизмов, способных разрушать углеводороды. Однако даже их активность не всегда достаточна, если образуются растворимые производные или поверхностно-активные соединения, увеличивающие распространение остаточной нефти.

 

 

6.3 Пестициды

 

 

Слив отходов производства пестицидов сегодня строго контролируется; технология очистки сточных вод  или их детоксикации хорошо разработана, хотя остается сложной и многообразной. Она включает сначала экстракцию пестицидов растворителями, а затем обычную биологическую обработку. Для ликвидации непредусмотренных выбросов, происходящих при утечках или при промывке и замене контейнеров с пестицидами, подходящая технология пока отсутствует. Пестициды попадают в окружающую среду и в результате использования их для обработки сельскохозяйственных культур. Большинство пестицидов расщепляются бактериями и грибами. Превращение исходного пестицида в менее сложные соединения нередко осуществляется при участии сообществ микроорганизмов. Были описаны различные стадии и промежуточные продукты процессов деградации ДДТ, идущей, например, в ходе сопряженного метаболизма и приводящей к полной минерализации этого стойкого пестицида. Часто из среды, содержащей ксенобиотик, можно выделить сообщества такого рода, в которых он служит не основным источником углерода, а источником фосфора, серы или азота. Чрезвычайно высокая токсичность пестицидов зачастую утрачивается на первой же стадии их модификации. Это позволяет разработать относительно несложные микробиологические способы их детоксикации. Например, в результате гидролиза может значительно уменьшиться токсичность пестицидов или увеличиться вероятность биодеградации. Для этого хорошо было бы использовать внеклеточные ферменты, способные функционировать в отсутствие коферментов или специфических факторов и осуществлять детоксикацию разнообразных пестицидов. Это могут быть такие гидролазы, как эстразы, ациламиназы и фосфоэстеразы. Чтобы выбранный фермент можно было применять in situ, он должен обладать подходящей кинетикой в широком диапазоне температур и рН, быть нечувствительным к небольшим количествам растворителей и тяжелых металлов, не ингибироваться субстратом при концентрациях, характерных для содержимого очистных систем, а также хорошо храниться. В ряде случаев в качестве биологического агента детоксикации была испробована паратионгидролаза, выделенная из Pseudomonas spр. С её помощью удалось удалить 94 - 98% остаточного паратиона (около 75г) из контейнера с пестицидом за 16 ч при концентрации субстрата 1% (по весу). Забуференные растворы (паратионгидролазы) использовали также для детоксикации паратиона в разливах на почве, где его концентрация, по-видимому, была весьма высока. Скорость разложения паратиона в этом случае зависела от типа почвы, влажности, буферной емкости раствора и концентрации фермента. При этом значительные количества пестицида были обезврежены всего за 8 ч. Как показали лабораторные эксперименты, еще одна возможная сфера применения иммобилизованных ферментов — это очистка сточных вод. Были описаны гидролазы для детоксикации других пестицидов. Многие из них обладают широкой субстратной специфичностью, что открывает большие возможности для создания других простых систем детоксикации пестицидов. В будущем подобные системы смогут применять при промывке промышленных химических установок и реакторов, ферменты в виде аэрозолей - для удаления пестицидов с поверхностей, а ферменты в сочетании с пестицидами - для быстрого разрушения пестицидов после их использования.