5. Анаэробная биологическая очистка сточных вод

Анаэробный метод очистки может рассматриваться в качестве одного из наиболее перспективных при наличии высокой концентрации в сточных водах органических веществ или для очистки бытовых стоков. Его преимущество перед аэробными методами заключается в резком снижении эксплуатационных расходов (для анаэробных МО не требуется дополнительной аэрации воды) и отсутствии проблем, связанных с утилизацией избыточной биомассы.

Биологическое разложение сложных органических соединений происходит в несколько этапов, следующих друг за другом, в результате воздействия различных групп бактерий. В это время постоянно образуются и разлагаются различные промежуточные продукты. Можно выделить четыре основные стадии.

Все фазы (стадии) должны протекать в сточной воде одновременно. Разложение сложных органических веществ до метана будет происходить настолько быстро, насколько быстро в сточной воде будут образовываться вещества, пригодные для питания метанобразующих бактерий.

Метанобразующие бактерии могут использовать в качестве питательного субстрата уксусную кислоту, водород (Н₂), оксид углерода (СО₂) или метанол.

При анаэробном преобразовании органических субстратов в метан под воздействием микроорганизмов (бактерии, анаэробный ил) должны быть последовательно реализованы все четыре стадии разложения. Отдельные группы органических загрязнений (углеводы, протеины, липиды) в процессе гидролиза преобразуются сначала в соответствующие мономеры (сахара, аминокислоты, жирные кислоты). Далее эти мономеры в ходе ферментативного разложения (ацитогенеза) преобразуются в короткоцепочечные органические кислоты, спирты и альдегиды, которые затем окисляются дальше в уксусную кислоту, что связано с получением водорода. Только после этого доходит очередь до образования метана на этапе метаногенеза. В качестве побочного продукта наряду с метаном образуется также и углекислый газ (СО₂).

Все процессы преобразования тесно взаимосвязаны друг с другом и должны протекать в емкости анаэробного реактора в строго установленном порядке, т.к. любое нарушение одного из промежуточных этапов приводит к нарушению всего процесса.

Анаэробные реакторы (метантенки) обычно представляют собой железобетонные или металлические емкости, содержащие минимум, по сравнению с реакторами аэробной очистки, оборудования. Однако процесс жизнедеятельности анаэробных бактерий связан с выделением метана, что зачастую требует организации специальной системы наблюдений за его концентрацией в воздухе.

6. Биологическая очистка природных водоемов. Биопруды и гидроботанические площадки

Водоем, являясь замкнутой биологический системой, способен к саморегуляции и самоочищению. Но в некоторых случаях это равновесие нарушается. Это может произойти в результате загрязнения сточными водами, из-за неблагоприятных погодных условий (ливневые дожди, аномальная жара и т.д.), или из-за его постепенного обмеления.

В таких случаях, а также в целях профилактики, для хозяйственных и декоративных гидросооружений должна применяться биологическая очистка водоема. Существует большой выбор методов и технологий такой очистки. Это может быть регенерационная очистка с помощью механических фильтров, принудительная аэрация воды с помощью пневмонагнетателей, восстановление биоценоза водоема с помощью внесения полезных микроорганизмов, восстановление нормального химического состава воды методом уменьшения ее кислотности и т.д.

Успешная биологическая очистка водоемов может быть реализована лишь на основании предварительной диагностики его общего состояния, проведения анализов проб грунта и воды.

Проведение экологической реабилитации водных объектов обычно проводится в два этапа:

Этап 1. Техническая реабилитация.

Проводится техническая реабилитация водоема, а именно: осуществляется выемка загрязненных иловых отложений, проводится ремонт гидротехнических сооружений (плотин, колодцев), выполняется укрепление берега.

Гидроизоляция пруда выполняется либо с использованием специальной глины, либо расстилается современное покрытие из пленки, имеющей специальный экологический сертификат качества.

Биоинженерное укрепление берега – комплекс озеленительных мероприятий в прибрежной зоне: залужение береговых откосов, высадка влаголюбивых деревьев и кустарников, – позволяет достаточно быстро и сравнительно недорого укрепить приурезовую зону водоема, а также стабилизировать гидрогеологический режим в системе “берег-водоем”, не нарушая его искусственными инженерными сооружениями.

Этап 2. Биологическая реабилитация или биоремедиация.

Для восстановления биологической полноценности воды используется биоинженерная технология, называемая биоремедиацией. Биоремедиация водоема – это восстановление его экосистемы с помощью гидробионтов, улучшающих качество воды. Задача технологии «биоремедиации» заключается в использовании способности живых фито- и зооорганизмов-фильтраторов путем «фильтрации» загрязнений подвергать их деструкции и детоксикации. В результате полностью нейтрализуется неблагоприятное воздействие загрязняющих веществ на естественные процессы биологического самоочищения воды, нормализуется метаболизм, восстанавливается и активизируется аборигенный для мезосапробных водоемов видовой состав биоты экосистемы.

Создание гидроботанической площадки (или биоплато). Для очищения и улучшения качества воды в водоеме служат природоохранные мероприятия, к которым в первую очередь относится создание искусственных водно-болотных участков. Такие участки являются прототипом естественных водно-болотных угодий, в которых происходит накапливание и естественная очистка загрязнений с помощью экосистемы (гидробиосистемы) – растений-макрофитов и микроорганизмов, населяющих водную толщу.

Процессы очищения заключаются в том, что в искусственных водно-болотных системах происходит поглощение органического вещества сообществом водных микроорганизмов, живущих в пленке обрастания (перифитоне), закрепляющейся на растениях-макрофитах, и деструкция загрязнений микроорганизмами в корнях растений (так называемый процесс перколяции). Микроорганизмы утилизируют органическое вещество и используют его в качестве субстрата для своей жизнедеятельности.

Заселение водоема живыми организмами. Для восстановления экосистемы водоема и улучшения качества воды проводят заселение его специальными живыми организмами: фито- и зоопланктоном, моллюсками, рыбами, которые в процессе своей жизнедеятельности фильтруют воду, очищая ее от вредных болезнетворных бактерий и загрязняющих веществ.

Биоинженерная технология очистки поверхностных стоков. Для очистки загрязненных стоков с территории поселков можно использовать биоинженерные технологии, основанные на биологической очистке с помощью микроорганизмов. Наиболее известные из них септики и биологические пруды.

Так, для очистки поверхностного стока используется очистное сооружение биологического типа, в котором в качестве биологического фильтра доочистки служит биопруд, подругому, гидроботаническая площадка (ГБП).

Схема очистного сооружения биологического типа.

А – водоподводящий лоток,

Б – камера-отстойник,

В – фильтровальный блок,

Г – гидроботаническая площадка,

Д – водосбросная плотина.

Настоящий биоинженерный комплекс разработан специально для условий холодного климата.

В весенне-осенний период, когда растения на ГБП еще (или уже) не способны к очистке, основная очистка стоков происходит на фильтровальном блоке В.

Рассматриваемый комплекс очистных сооружений обеспечивает трехстадийную очистку поверхностного стока.

Первая стадия – первичная очистка стоков (осветление) происходит в камере-отстойнике Б.

Вторая стадия – очистка стоков в фильтровальном блоке В; очистка происходит путем задержания взвешенных твердых частиц и загрязняющих веществ на фильтрах из современных фильтрующих материалов.

Третья стадия – доочистка стоков на гидроботанической площадке Г с использованием высших водных растений.

Предложенный биоинженерный способ биологической очистки загрязненных стоков характеризуется достаточно низкими эксплуатационными расходами, поскольку в очистке используются в качестве природных фильтров биологические экосистемы (гидробионты), которые способны к самовосстановлению.

Тема № 4

Биоремедиация почв. Биологическая очистка и дезодорация газовоздушных выбросов

План:

1. Основные современные подходы к методам и технологиям биологической очистки почв. Биоремедиация in situ. Биоремедиация ex situ.

2. Биологическое удаление тяжелых металлов и радионуклидов.

3. Фиторемедиация.

4. Биологические основы очистки и дезодорации газов. Методы биодезодорации.

1. Основные современные подходы к методам и технологиям биологической очистки почв. Биоремедиация in situ. Биоремедиация ex situ

Биоремедиация загрязнённых почв – это набор методов, основанных на применении биологических агентов для очистки их от ксенобиотиков (поллютантов). Чаще всего для биоремедиации почв используют микроорганизмы (бактерии и грибы), реже – растения. Выбор определенной технологии биоремедиации основывается на таких критериях как природные условия места очистки, свойства почвы, концентрация и уровень токсичности загрязняющего агента и т.д. Применяемые в биоремедиации почв технологии проводятся в условиях in situ и ex situ.

Биоремедиация in situ. Биоремедиация in situ основана на очистке среды от загрязняющего агента без удаления загрязнённой почвы из района загрязнения. Поскольку технологии этого типа не требуют проведения землеройных работ, они являются более дешёвыми, создают меньше запыления воздуха и высвобождают меньше летучих поллютантов, чем технологии ex situ.

Один из подходов биоремедиации in situ заключается во введении в загрязнённую почву кислорода с помощью специального оборудования, для того, чтобы стимулировать рост микроорганизмов и аэробную биодеградацию ксенобиотиков. Данная технология чаще всего применяется для очистки от различных нефтепродуктов.

Активация биодеградации может осуществляться путём введения в почву питательных веществ для стимуляции роста и метаболизма микроорганизмов, осуществляющих деградацию ксенобиотиков. Чаще всего для этих целей используют азот- и фосфорсодержащие удобрения.

Другим распространённым подходом является введение в почву микроорганизмов (в том числе генетически модифицированных) или ферментов для ускорения деградации органических ксенобиотиков в почве.

Биоремедиация ex situ. Биоремедиация ex situ основана на снятии слоя загрязнённой почвы и очистки её от ксенобиотиков за пределами места загрязнения. Такой подход более дорогостоящий, чем биоремедиация in situ, но имеет ряд преимуществ – требуют меньше времени и обеспечивает полный контроль процесса очистки.

Существует нескодько методов биоремедиации ex situ:

1. Биоремедиация ex situ с использованием биореакторов. Перед помещением в биореактор из почвы удаляются крупные камни, грунт подвергается перемешиванию, что делает его более однородным; после добавления воды образуется глинистая суспензия. В данную суспензию вносят препараты микроорганизмов проводящих очистку почвы от ксенобиотиков, для них в реакторе создаются оптимальные условия. После завершения процесса очистки почва высушивается и возвращается в окружающую среду.

2. Другой подход биоремедиации in situ заключается в том, что удалённая с места загрязнения почва размещается на определённой территории, её обеспечивают аэрацией, питательными веществами и водой для стимуляции роста и метаболизма микроорганизмов, осуществляющих биоремедиацию. По сравнению с очисткой с помощью биореакторов, данная технология требует много места и занимает дольше времени.

Можно выделить несколько различных вариантов такого подхода:

- загрязнённую почву удаляют с места загрязнения и распределяют тонким слоем на площади, специально огороженной по периметру для предотвращения распространения загрязнения за её пределы, вспахивают для обеспечения доступа кислорода к почвенным микроорганизмам и добавляют стимулирующие их рост вещества. Также над почвой разбрызгивают воду, что позволяет поддерживать оптимальную влажность и понижает запыленность воздуха;

- загрязнённую почву можно также складывать толстым слоем высотой 1-3 м. При этом аэрация путём вспахивания заменяется аэрацией с помощью системы труб, доставляющих в почву воздух для стимуляции биодеградации. В этом случае почву обычно смешивают с каким-нибудь рыхлым веществом (например, соломой), чтобы облегчить аэрацию. В процессе ремедиации из-за продувки воздуха происходит испарение из грунта различных веществ, в том числе самого загрязняющего агента, поэтому система обязательно снабжается датчиком состава почвенных испарений. Также в грунт добавляют удобрения и поддерживают на определённом уровне влажность. При смешивании грунта с большим количеством разрыхлителей (сена, кукурузных кочерыжек, соломы) аэрацию можно осуществлять с помощью вакуумных насосов или вентиляторов. Такую смесь также можно аэрировать путём перемешивания в специальных резервуарах, или размещать загрязнённую почву с разрыхлителем в длинные кучи, регулярно перемешиваемые тракторами. Во всех случаях соотношение разрыхлитель/почва составляет примерно 1/3. После каждого перемешивания почва укрывается, что позволяет поддерживать нужную температуру и влажность. Очистка таким способом занимает недели вместо обычных для биоремедиации почв месяцев.

Существует целый ряд методов биоремедиации, позволяющих проводить более полную очистку почв, как в условиях in situ так и ex situ:

- применение пены. Смесь пенообразующего вещества вместе с деградирующими бактериями накачивается сжатым воздухом на определённой глубине почвы. Пена мобилизирует загрязняющие вещества (в частности жидкие углеводороды) и повышает их биодоступность. С помощью вакуумного насоса смесь пены, бактерий и деградируемого вещества выкачивается из почвы, ксенобиотик удаляется и идет на дальнейшую деградацию, а очищенное пенообразующее вещество снова используют вместе с микроорганизмами для очистки.

- технология биоремедиации почвы основанная на механизме электролиза. В почву помещают два противоположно заряженных электрода (катод и анод). Происходит электролиз почвенной воды, образуется водород и кислород, который стимулирует метаболизм биодеструкторов. Кроме стимуляции кислородом, рост и метаболизм микроорганизмов стимулируется повышением температуры, сопровождающим электролиз. Водород и кислород, а также другие выделяющиеся из почвы газообразные вещества, затем собирают в танкер. После смешивания в танкере они обратно накачиваются в почву. Также в почву подается вода и лактат для обеспечения оптимальной влажности и рН.