4. Особливості застосування окремих культур мікроорганізмів в біологічному очищенні стічної води

У кінці 50-х років наша співвітчизниця Н.Путиліна запропонувала використовувати для очищення промислових стічних вод, що містили фенол, крезол, роданіди, спеціально селекціоновані мікроорганізми - деструктори цих речовин. Н.Путиліна із співробітниками навіть опублікували у 1964 р. працю "Микробный метод обесфеноливания сточных вод", проте сама ідея була настільки новаторською, що не тільки не зустріла підтримки, а й була піддана нищівній критиці з боку московських фахівців, що займалися очищенням води. Незабаром Н.Путиліна померла, і про її "мікробний метод" рідко хто згадував.

Однак ситуація з очищенням стічних вод, як промислових, так і побутових (міських), за допомогою активного мулу постійно погіршувалась у зв'язку з тим, що в ці води надходило все більше і більше синтетичних речовин, зокрема синтетичних поверхнево-активних речовин, розчинників, барвників, пестицидів та інших сполук, які дістали назву "ксенобіотики", що в перекладі з грецької означає "чужі життю". Шкідливо впливають на гідробіонтів активного мулу також йони важких металів, що їх щедро спускають у каналізацію машинобудівні заводи, підприємства електронної, поліграфічної та інших галузей промисловості. Почастішали випадки спучення та винесення з аеротенків активного мулу, погіршилась якість біологічно очищеної води, в той час як вимоги до неї з боку природоохоронних та санітарно-епідеміологічних служб зросли, не допомогли численні інженерні новинки, навіть найбільш радикальні, такі як аерація активного мулу технічним киснем. Активний мул просто в принципі не здатний очищати воду від "жорстких", а тим більше отруйних речовин. Недаремно в "Санітарних нормах і правилах" напроти багатьох з цих речовин (хлорорганічних, нітросполук тощо) зазначено: БСК = 0. Вважається, що не тільки активний мул, а й взагалі будь-які організми не здатні деструктурувати (мінералізувати) цілу низку синтетичних органічних сполук. Яскравим прикладом і доведенням цього твердження стала частка в біосфері пестициду ДДТ (4,4'-дихлордифеніл-трихлорметилметану), який не розкладається в біосфері, нагромаджується в жирових тканинах усіх тварин, аж до пінгвінів Антарктиди, тому його застосування на основі вищесказаного в цивілізованих країнах було заборонено.

В американських наукових журналах друкувалися цілі списки хімічних речовин, що не розкладаються біологічно, куди потрапили практично всі хлорорганічні речовини, багато нітросполук, гетероциклічних синтетичних речовин тощо. Ці списки стали великим стимулом для вчених, особливо мікробіологів, які шукали і знаходили мікроорганізми, здатні за відповідних умов не тільки деструктурувати згадані вище речовини, а й використовували їх як єдине джерело вуглецю та енергії. Виявлено мікроорганізми, що розкладають ДДТ, інші хлорорганічні пестициди і навіть діоксин.

Стало цілком очевидним, що за допомогою спеціально підібраних селекціонованих мікроорганізмів можна очищати будь-яку стічну воду, забруднену розчиненими в ній навіть синтетичними сполуками, а не тільки фенолами, що дуже часто трапляються в природі.

Однак промислове застосування окремі види бактерій знайшли в очищенні стічних і природних вод від неорганічних речовин, а саме від амонійного азоту, нітратів, йонів важких металів.

Для очищення води від йонів амонію їх спочатку переводять у нітрати біологічним методом. Цей процес називають нітрифікацією. Відбувається він у дві фази за участю двох груп бактерій: одна з них окиснює амоній до нітритної кислоти (NН₄⁺ → NO₂^-, а друга - нітритну кислоту окиснює до нітратної (NO₂^- → NO₃^-). Бактерії першої фази процесу нітрифікації представлені п'ятьма родами: Nitrosospira, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosovibrio, а другої фази — трьома: Nitrobacter, Nitrospira, Nitrococcus. Бактерії обох груп належать до родини Nitrobacteriace. Нітрифікатори — аероби, автотрофи, які для росту і розмноження потребують кисню (аерації) і не потребують органічного джерела вуглецю, а використовують оксид карбону (IV).

У процесі нітрифікації можуть брати участь і деякі гетеротрофні мікроорганізми, зокрема бактерії родів Pseudomonas, Arthrobacter, Corynebacterium, та деякі гриби - Fusarium, Aspergillus, Penicillium, Cladosporium.

Утворені нітрати, в свою чергу, внаслідок прямої біологічної денітрифікації відновлюються або до аміаку, який є джерелом азоту для побудови складних клітинних речовин під час нарощування біомаси, або до молекулярного азоту, що виділяється з води у повітря. Перший процес називають асиміляторною денітрифікацією, його перебіг забезпечують специфічні факультативно-анаеробні бактерії, в основному родів Pseudomonas і Раrасоссum. Денітрифікуючі бактерії використовують нітрати як акцептори електронів під час окиснення органічних речовин за відсутності кисню. У разі такого анаеробного дихання органічні забруднення води повністю окиснюються до СО₂ і Н₂О. Цей процес варто використовувати на практиці як на початкових стадіях очищення води, так і для її глибокого біологічного доочищення.

Під час очищення гальванічних та інших промислових стічних вод від йонів важких металів все ширше застосовується бактеріальна сульфатредукція. За анаеробних умов деякі бактерії використовують сульфати як окисники органічних сполук (що теж забруднюють воду). Внаслідок перебігу цього біологічного процесу утворюється гідрогенсульфур, який вступає в хімічну реакцію з йонами важких металів, перетворюючи їх на практично не розчинні у воді сульфіди. Останні відокремлюють звичайним відстоюванням води. Найбільш відомими сульфатредукторами є спорові бактерії роду Desulfotomaculum і не-спороносні — Desulfovibrio.

Дуже перспективним виявився відкритий нещодавно процес біологічного відновлення шестивалентного хрому до тривалентного за безкисневих, анаеробних умов. У цьому разі хромати перетворюються на гідроксид хрому (III) (Сг₂O₇^2- → Сг(ОН)₃↓-) — практично не розчинний у воді продукт, який легко відокремлюється від води у відстійниках. Відновлювати шестивалентний хром можуть різноманітні бактерії, здатні інтенсивно знижувати окисно-відновний потенціал (ОВП) стічної води.

Процеси біологічного (бактеріального) очищення води від фізіологічно та екологічно небезпечних йонів амонію, нітратів, йонів важких металів, у тім числі й шестивалентного хрому, непорівнювано простіші, дешевші, екологічніші за аналогічні фізико-хімічні процеси. Мікробні сульфат- і хроматредукція не потребують жодних реагентів, відбуваються без енергетичних експлуатаційних затрат, внаслідок їхнього перебігу утворюються компактні осади не розчинних у воді сполук важких металів, а тому мають велику перспективу.

Щоправда, використання окремих штамів бактерій для очищення води вимагає певних зусиль та дій для забезпечення утримування їх в очисних спорудах, недопущення вимивання очищуваною стічною водою. Для цього треба або змусити їх сполучатися в конгломерати, аналогічні "пластівцям" аеробного активного мулу чи гранулам анаеробного мулу (це поки що не вдається здійснити), або іммобілізувати ці бактерії на якихось не розчинних у воді субстратах (насадках). Найприйнятнішим типом іммобілізації мікроорганізмів з-поміж чотирьох відомих нині (адгезія, хімічне зв'язування, механічне утримування в полімерах, зокрема в гелях, електроутримування) виявилась звичайна природна властивість мікроорганізмів "приклеюватись" до твердої поверхні різних субстратів після адгезії. Запропоновано дуже багато різноманітних насадок, які можна розділити на дві категорії:

1. регулярні насадки — ті, що монтуються (пластини, тканини, полотна, волокнисті "йоржі", "вії" та ін.);

2) нерегулярні насадки — ті, що рухаються в очищуваній рідині (пісок, активоване вугілля, найрізноманітніші за формою та величиною пластмасові вироби).

Кожна з цих насадок має свої достоїнства і недоліки, і тільки конкретні обставини та авторські уподобання визначають тип насадки, що використовується для іммобілізації мікроорганізмів в очищенні води.