Применение биотехнологий в охране окружающей среды

Утилизация осадков сточных вод позволяет получать, например, минеральные удобрения. Такие удобрения производятся из так называемого активного ила, полученного в результате очистки стоков. Сложная технология утилизации осадка сточных вод позволяет удалять из него все токсичные элементы и сделать максимально безопасным для почв. Наряду с этим такой продукт утилизации осадка сточных вод содержит множество ценных минеральных компонентов, которые позволяют обогатить состав почв и создать благоприятные условия для бурного роста растений.

Проведенные эксперименты показали, что квалифицированная утилизация осадка сточных вод дает возможность получать экологически безопасные материалы и для других сфер хозяйственной деятельности.

Утилизация осадка сточных вод позволяет, например, извлекать сырье для строительных материалов. Небольшой процент осадков сточных вод допустимо включать в цементные смеси, использовать для производства кирпича. Часть веществ, полученных в результате утилизации осадков сточных вод, используется в качестве составных элементов красящих веществ.

Одним из последних передовых методов утилизации осадка сточных вод стало их сжигание для получения топлива.

Утилизация осадков сточных вод и избыточного активного ила часто связана с использованием их в сельском хозяйстве в качестве удобрения, что обусловлено достаточно большим содержанием в них биогенных элементов. Активный ил особенно богат азотом и фосфорным ангидридом, такими как медь, молибден, цинк.

В качестве удобрения можно использовать те осадки сточных вод и избыточный активный ил, которые предварительно были подвергнуты обработке, гарантирующей последующую их незагниваемость, а также гибель патогенных микроорганизмов и яиц гельминтов.

Наиболее эффективным способом обезвоживания отходов, образующихся при очистке сточных вод, является термическая сушка. Перспективные технологические способы обезвоживания осадков и избыточного активного ила, включающие использование барабанных вакуум-фильтров, центрифуг, с последующей термической сушкой и одновременной грануляцией позволяют получать продукт в виде гранул, что обеспечивает получение незагнивающего и удобного для транспортировки, хранения и внесения в почву органоминерального удобрения, содержащего азот, фосфор, микроэлементы. Наряду с достоинствами получаемого на основе осадков сточных вод и активного ила удобрения следует учитывать и возможные отрицательные последствия его применения, связанные с наличием в них вредных для растений веществ в частности ядов, химикатов, солей тяжелых металлов и т.п. В этих случаях необходимы строгий контроль содержания вредных веществ в готовом продукте и определение годности использования его в качестве удобрения для сельскохозяйственных культур.

Извлечение ионов тяжелых металлов и других вредных примесей из сточных вод гарантирует, например, получение безвредной биомассы избыточного активного ила, которую можно использовать в качестве кормовой добавки или удобрения. В настоящее время известно достаточно много эффективных и достаточно простых в аппаратурном оформлении способов извлечения этих примесей из сточных вод. В связи с широким использованием осадка сточных вод и избыточного активного ила в качестве удобрения возникает необходимость в интенсивных исследованиях возможного влияния присутствующих в них токсичных веществ (в частности тяжелых металлов) на рост и накопление их в растениях и почве.

Представляет интерес практика использования осадков сточных вод в ФРГ. По санитарным соображениям в ФРГ допускается использование в качестве удобрения только незагнивающих, стабилизированных осадков сточных вод, термически высушенных, компостированных и пастеризованных. Пастеризация осадков заключается в их нагревании до 65-70 °С в течение 20-30 мин, что приводит к уничтожению в яиц гельминтов и патогенных микроорганизмов. Более высокий эффект пастеризации достигается при нагревании осадка до 80-90°С с последующим выдерживанием в течение 5 мин. В случае образования больших объемов осадков сточных вод, содержащих соли тяжелых металлов, из-за чего их нельзя использовать в качестве удобрения, по-видимому, целесообразно использовать другие пути утилизации, например, сжигание осадков. В ФРГ также предложен способ сжигания активного ила с получением заменителей нефти и каменного угля. Подсчитано, что при сжигании 350 тыс. т активного ила можно получить топливо, эквивалентное 700 тыс. баррелей нефти и 175 тыс. т угля [ 1 баррель - 159 л.]. Одним из преимуществ этого метода является то, что полученное топливо удобно хранить. В случае сжигания активного ила выделяемая энергия расходуется на производство пара, который немедленно используется, а при переработке ила в метан требуются дополнительные капитальные затраты на его хранение.

Важное значение также имеют методы утилизации активного ила, связанные с использованием его в качестве флокулянта для сгущения суспензий, получения из активного угля адсорбента в качестве сырья для получения строй материалов и т.д.

Проведенные токсикологические исследования показали возможность переработки сырых осадков и избыточного активного ила в цементном производстве.

Ежегодный прирост биомассы активного ила составляет насколько миллионов тонн. В связи с этим возникает необходимость в разработке таких способов утилизации, которые позволяют расширить спектр применения активного ила.

Флокулянт - реагент для очистки сточных вод и подготовки воды питьевого качества. По своей химической структуре, флокулянты представляют собой высокомолекулярные частицы со способностью к адсорбции (связыванию молекул флокулянта с молекулами частиц в жидкости). После адсорбции связанные частицы оседают на дно, образуя хлопья (флокулы).

Флокулянты принято разделять на органические и неорганические. К неорганическому типу, применяемому в промышленности на сегодняшний день, можно отнести кремниевую кислоту. Органические же можно выделить в две основные группы: синтетические и природные. Среди синтетических флокулянтов наиболее популярными являются полимеры и сополимеры акриламида, например, ПАА - полиакриламид.

Водорастворимый полиакриламидный флокулянт, используется в промышленности и производственных процессах для очистки природных и промышленных сточных вод. Целью использования данных реагентов является решение проблемы загрязнения окружающей среды, в том числе и водоемов, производственной деятельностью человека.

В результате сложного химического состава обрабатываемых вод необходимо проводить исследование на определение степени функциональности флокулянта той или иной молекулярной массы и степени его заряда.

Флокулянты бывают катионными, анионными и нейтральными с низкой, средней, высоко и очень высокой молекулярной массой с низкой, средней, высокой и очень высокой степенью заряда, подходящих для разных типов вод.

На данный момент, на рынке имеется несколько форм флокулянта: гранулы небольшого диаметра, порошки, эмульсии. Данные формы создаются в результате разных типов полимеризации.

Также, в современном производстве флокулянты получают в зависимости от вида полимеризации:

· Анионные, получаемые сополимеризацией акриламида и анионного сомономера на основе акриловой кислоты (например, акрилата натрия).

· Катионные - сополимеризацией акриламида и катионного сомономера на основе акриловой кислоты или акриламида;

· Неионогенные - полимеризацией акриламида.

Биологическая очистка воздуха.

Загрязнение атмосферы - одно из наиболее опасных последствий научно-технической революции и использования человеком ископаемого топлива. Экологи насчитывают около 2000 загрязнителей атмосферы, значительная часть которых образуется в основном в результате хозяйственной деятельности человека.

Наиболее распространенные атмосферные загрязнители - сернистый газ, оксиды азота. Оксид углерода. Хлор, формальдегид, фенол, сероводород, аммиак, бенз(а)пирен, пыль. Иногда образуются фотооксиданты - озон, азотная кислота.

От загрязнения в результате сжигания топлива в мире ежегодно умирает 2,7 млн. чел., из них 2 млн - в развивающихся странах.

Если принять загрязнение атмосферы над океаном за единицу, то над селами оно вышев 10 раз, над небольшими городами - в 35, а над большими городами и промышленными объектами - в 150 раз. Толщина слоя загрязненного воздуха над городом составляет 1,5 - 2 км.

Следствием загрязнения атмосферы является формирование смога - туманной завесы, образованной из газообразных отходов, в первую очередь диоксида серы.

Основной причиной загрязненности атмосферы Российской Федерации (по объему выбросов из стационарных источников без учета транспорта) в настоящее время являются предприятия энергетики (215%), цветной (23%) и черной (16%) металлургии, нефтедобываю9щей промышленности (11%). Наибольший вклад в загрязнение атмосферы вносят тепловые электростанции, работающие на угле и мазуте. Сильно загрязняют атмосферу нефтеперерабатывающие предприятия и автотранспорт, а также котельные. В целом в РФ за период 1996-2000 гг. количество выбросов в воздух от стационарных источников уменьшилось с 20 274,12 до 18 819, 82 тыс.т.

Несмотря на столь высокие уровни загрязнения атмосферы, Россия не является главным загрязнителем атмосферы планеты.

Наиболее опасными следствиями загрязнения атмосферы являются усиление парникового эффекта, разрушение озонового слоя, кислотные дожди.

Проблема борьбы с загрязнением воздушного бассейна в условиях возрастающей технологической деятельности приобретает все большую остроту. В воздухе больших промышленных городов содержится огромное количество вредных веществ. При этом концентрация многих токсикантов превышает допустимые уровни. Основной вклад в загрязнение атмосферы вносят предприятия нефтеперерабатывающей, химической, пищевой и перерабатывающей промышленности, а также большие сельскохозяйственные комплексы, отстойники сточных вод, установки по обезвреживанию отходов. Среди этих веществ - органические (ароматические и непредельные углеводороды, азот-, кислород-, серо- и галогенсодержащие соединения) и неорганические вещества (сернистый газ, сероуглерод, окислы углерода, аммиак, хлорводород, галогены).

В воздушных бассейнах больших промышленных городов присутствуют десятки различных соединений, в том числе дурнопахнущие, способные даже в незначительных концентрациях представлять угрозу для здоровья, а также вызывать у людей чувство дискомфорта.

Зеленые насаждения. В атмосферном воздухе загрязняющие вещества присутствуют в различных сочетаниях, и эффект их совместного воздействия на растительность отличается от эффекта воздействия одного вещества.

В природных условиях аэрозоли микроэлементов могут удаляться с поверхности листьев дождем, ветром или вместе со слоем кутикулярного воска. Кроме того, удаление происходит за счет абсорбции микроэлементов листьями с последующей транслокацией. Удаление аэрозолей с листьев дождем зависит от характера поверхности листа и характеристик микроэлементов.

Все растения обнаруживают способность избирательно извлекать химические элементы. В условиях окружающей среды сложного геохимического состава растения выработали механизмы активного поглощения элементов, участвующих в жизненных процессах, и удаления токсичных избытков других элементов.

У растений в ходе эволюции и в течение жизни вырабатываются механизмы, приводящие к адаптации и нечувствительности к изменению химического баланса в окружающей среде. Поэтому реакции растений на микроэлементы в почве и окружающем воздухе должны всегда рассматриваться для конкретной системы почва - растение.

Надземные части растений - это коллекторы всех атмосферных загрязнителей. Химический состав городских растений может служить индикатором для выделения загрязненных областей.

Очистные сооружения промышленных предприятий пока не позволяют полностью освобождать отходы производства от вредных примесей. Поэтому дополнительным способом доочистки воздуха является биологический.

Роль биологического фильтра играет растительность, в первую очередь, древесная. Безудержная эксплуатация и сведение лесов, расширение сельскохозяйственных посевов сокращают продуктивность работы зеленого фильтра, как по площади, так и по времени.

Известно, что агроценозы, даже самые высокоурожайные, уступают естественным лесным фитоценозам по суммарной за год биологической продуктивности в сходных экологических условиях. Следовательно, так же уменьшается фотосинтетическая деятельность, обеспечивающая необходимый баланс СО2 и О2 в атмосфере и связывание атмосферных загрязнителей. Проблема сохранения "зеленых легких" планеты и их биосферной функции стоит достаточно остро.

Результаты исследований свидетельствуют о важной роли древесных растений в процессах выведения газообразных примесей из атмосферного воздуха. При этом многие считают, что основной способ снижения уровня загрязнения воздуха - технологический (фильтры, уловители), а биологический способ можно рассматривать только как дополнительный, вспомогательный.

Наземные органы растений активно реагируют на повышение концентрации химических элементов в почве, накапливая их выше уровня, необходимого для обеспечения нормального роста и развития растений. Растения могут усваивать, и вовлекать в метаболизм двуокись серы, окислы азота, аммиак, подобно ассимиляции листьями углекислого газа. В условиях повышенного содержания в атмосфере этих газов в тканях происходит значительное увеличение содержания азота и серы.

Поглотительная способность насаждений зависит от состава пород, полноты, класса бонитета, возраста, ассимиляционной поверхности крон деревьев, длительности вегетации.

Наибольшей поглотительной способностью обладают древесные растения. За ними, по мере снижения поглотительной способности, идут местные сорные травы, цветочные растения и газонные травы.

В фитоценозах газы поглощают не только растительность, но и почва, вода, подстилка, поверхность стволов и ветвей деревьев и другие элементы.

Роль отдельных компонентов экосистемы в поглощении поллютантов можно определить только экспериментально. В природных условиях распределение поллютанта в экосистеме зависит от характера загрязнения воздуха и процессов транслокации ингредиента в экосистеме как под влиянием биологических процессов, так и экологических условий.

На поглощение поллютанта растениями и отдельными элементами экосистем влияют экологические факторы. В оптимальных для фитоценоза условиях (повышенная освещенность и влажность воздуха, температура +25...30°С) лучше выражено и поглощение вредных газов растениями. В неблагоприятных для фитоценоза условиях снижается поглощение газов растительностью и усиливается роль почвы.

Лесные зеленые насаждения можно рассматривать как промышленный фитофильтр, призванный обезвредить атмосферные загрязнители. Критерием эффективности его работы должна быть способность снижать уровень загрязнения воздуха до предельно допустимых концентраций.

Производственная очистка воздуха. Для очистки воздуха применяют различные методы - физические, химические и биологические, однако уровень и масштабы их применения в настоящее время чрезвычайно далеки от требуемых. Среди применяемых физических методов - абсорбция примесей на активированном угле и других поглотителях, абсорбция жидкостями. Наиболее распространенными химическими методами очистки воздуха являются озонирование, прокаливание, каталитическое дожигание, хлорирование. экосистема энергия биотехнология загрязнение

Биологические методы очистки газовоздушных выбросов начали применять сравнительно недавно, и пока в ограниченных масштабах.

Биологические методы очистки воздуха базируются на способности микроорганизмов разрушать в аэробных условиях широкий спектр веществ и соединений до конечных продуктов, СО2 и Н2О.

Широко известна способность микроорганизмов метаболизировать алифатические, ароматические, гетероциклические, ациклические и различные С1-соединения.

Микроорганизмы утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, сероводород и диметилсульфоксид. Образуемые сульфаты утилизируются другими микробными видами.

Есть данные об эффективном окислении аэробными карбоксидобактериями моноокиси углерода, являющейся одним из наиболее опасных воздушных загрязнителей.

Представители рода Nocardia эффективно разрушают стерины и ксилол; Hyphomicrobium -дихлорэтан; Xanthobacterium - этан и дихлорэтан; Mycobacterium - винилхлорид.

Наиболее широким спектром катаболических путей характеризуются почвенные микроорганизмы. Так, только представители рода Pseudomonas способны использовать в качестве единственного источника углерода, серы или азота свыше 100 соединений - загрязнителей биосферы. Большие возможности для повышения биосинтетического потенциала микрорганизмов-деструкторов токсичных веществ имеются на вооружении у микробиологов и генетиков, включая методы традиционной селекции и отбора, а также новейшие достижения клеточной и генетической инженерии. Подавляющее число токсических загрязнителей атмосферы может быть разрушено монокультурами микроорганизмов, но более эффективно применение смешанных культур, имеющих больший каталитический потенциал и, следовательно, деструктурирующую способность. Для разрушения трудно утилизируемых соединений в ряде случаев микроорганизмы целесообразно адаптировать к таким субстратам и только после этого вводить их в рабочее тело действующих установок.

Для биологической очистки воздуха применяют три типа установок: биофильтры, биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем (табл. 5).

Принципиальная схема для биологической очистки воздуха была предложена в 1940 г. Прюссом. Первый биофильтр в Европе был построен в ФРГ совсем недавно - в 1980 г. Спустя три года, в 1984 г. только в ФРГ функционировало и находилось в стадии запуска около 240 установок. Основным элементом биофильтра для очистки воздуха, как и водоочистного биофильтра, является фильтрующий слой, который сорбирует токсические вещества из воздуха. Далее эти вещества в растворенном виде диффундируют к микробным клеткам, включаются в них и подвергаются деструкции.

Таблица 5. Классификация установок биологической очистки воздуха (по И. Б. Уткину и др., 1989).

Тип установки	Рабочее тело	Водный режим	Основная стадия удаления примесей из воздуха	Источник минеральных солей
Биофильтр	Фильтрующий слой- иммобилизованные на природных носителях микробные клетки	Циркуляция воды отсутст- вует	1. Десорбция материалом фильтрующего слоя 2. Деструкция микробными клетками.	Материал фильтрующего слоя
Биоскруб-бер	Вода, активный ил	Циркуляция воды	1. Абсорбция в абсорбере водой 2. Деструкция в аэротенке активным илом	Минеральные соли вносят в воду
Биореактор с омывае-мым слоем	Иммобилизованные на искусственных носителях микробные клетки	Циркуляция воды	1. Диффузия через водную пленку к микроорганизмам 2. Деструкция в биологическом слое	Минеральные соли вносят в воду

В качестве носителя для фильтрующего слоя используют природные материалы - компост, торф и др. Эти материалы содержат в своем составе различные минеральные соли и вещества, необходимые для развития микроорганизмов. Поэтому в биофильтры не вносят каких-либо минеральных добавок. Воздух, подлежащий очистке, подается вентилятором в систему, проходит через фильтрующий слой в любом направлении, снизу - вверх или - наоборот. При этом воздух должен проходить через всю массу фильтрующего слоя равномерно. Поэтому требуется однородность слоя и определенная степень влажности.

Оптимальная для очистки воздуха влажность фильтрующего слоя составляет 40-60 % от веса материала носителя. При недостаточной влажности материала фильтрующего слоя в нем образуются трещины, материал пересыхает. Это затрудняет прохождение воздуха и снижает физиологическую активность микроорганизмов. Увлажнение материала обеспечивается распылением воды на поверхности фильтрующего слоя. При избыточной влажности в толще слоя происходит образование анаэробных зон с высоким аэродинамическим сопротивлением. В результате снижается время контакта потока воздуха с поглотителем и падает эффективность очистки.

В толще фильтрующей массы не должно образовываться более плотных зон или комков материала, что возможно при использовании компоста, так как при этом снижается удельная площадь поверхности фильтрующего слоя. В материале не должно возникать температурных градиентов, а также не должно происходить резких изменений рН среды. Поэтому температурный режим в биофильтре поддерживается постоянным. Для этого воздух, подаваемый в биофильтр, подогревается, установка в целом термостатируется.

Для обеспечения стабильной работы биофильтров следует соблюдать комплекс мер, важнейшими из которых являются следующие.

Воздух, подаваемый на очистку в биофильтр, предварительно увлажняют в биоскруббере до относительной влажности в 95-100 %. При заполнении фильтрующего слоя для снижения аэродинамического сопротивления в материал добавляют гранулы (диаметром 3-10 мм) из синтетических полимерных материалов (полиэтилена, полистирола), а также частицы автопокрышек, активированный уголь. Масса добавок составляет от 30 до 70 % от массы фильтрующего материала.

Для предотвращения резкого закисления материала фильтрующего слоя в ходе трансформации органики в него добавляют известняк или карбонат кальция в количестве 2-40 % от веса носителя. С целью избежания ситуаций, когда микроорганизмы, входящие в состав рабочего тела биофильтра, могут ингибироваться токсическими веществами в результате, например, залповых выбросов, в материал вносят активированный уголь, до 250 кг/м3.

Эффективность работы биофильтра определяется газодинамическими параметрами фильтрующего слоя, спектром и концентрацией присутст вующих в воздухе веществ и ферментативной активностью микрорганизмов-деструкторов. При этом скорость удаления вредных примесей из воздуха в процессе биоочистки может лимитироваться как диффузией веществ из газовой фазы в биокаталитический слой, так и скоростью протекания биохимических реакций в микробных клетках. При высокой входной концентрации вредных веществ в воздухе процесс их деструкции в ходе прохождения потока через фильтрующий слой неравномерен. Сначала разрушаются легкодоступные вещества, и только в конце процесса начинается разрушение труднодеградируемых соединений. Так, при присутствии в воздухе в качестве вредных примесей комплекса соединений (бутанола, этилацетата, бутилацетата и толуола) последний утилизируется микроорганизмами только после окисления всех остальных веществ.

Стационарное состояние и наиболее высокая скорость биоочистки наступают спустя некоторое время после запуска биофильтра. Требуется некоторый период для созревания и адаптации микробиологического ценоза. Длительность периода адаптации зависит от концентрации веществ в воздухе и микробного пейзажа в диффузионном слое и может составлять от нескольких часов до нескольких недель. Концентрация микроорганизмов в ходе очистки возрастает и может стать избыточной. Поэтому периодически материал фильтрующего слоя приходится обновлять. Длительность циклов достаточно велика и составляет несколько лет.

Принцип функционирования биоскрубберов отличается тем, что процесс очистки воздуха реализуется в две стадии в двух различных установках. На первом этапе в абсорбере токсические вещества, находящиеся в воздухе, а также кислород, растворяется в воде. В результате воздух выходит очищенным, а загрязненная вода далее следует на очистку. Применяют различные типы абсорберов (барботажные, насадочные, распылительные, форсуночные и т.д.). Цель конструкционных усовершенствований заключается в увеличении площади поверхности раздела фаз, газовой и жидкости. Это определяет эффективность абсорбции. На второй стадии загрязненная вода поступает в аэротенк, где она регенерируется. Очищение воды в аэротенке происходит по обычной схеме с участием кислорода. В ходе очистки сложные органические вещества окисляются микроорганизмами, формирующими активный ил, до конечных продуктов с образованием биомассы.

Биореактор с омываемым слоем: рабочим телом этой биосистемы являются иммобилизованные микроорганизмы. Биослой реактора представляет собой гранулы с иммобилизованными микробными клетками. Этот слой омывается водой, содержащей необходимые для развития клеток минеральные вещества. Загрязненный воздух проходит через него, при этом вещества, подлежащие деструкции, диффундируют в водную пленку, покрывающую частицы биокатализатора, и далее окисляются микроорганизмами. Скорость деструкции может лимитироваться скоростью диффузии веществ из газовой фазы в жидкую, а также скоростью протекания реакций в микробных клетках. Скорость диффузии, в свою очередь, зависит от природы токсических веществ и их концентраций. Стационарный режим биореактора с омываемым слоем после его запуска наступает через 5-10 дней. При использовании заранее адаптированных к очищаемым веществам микроорганизмов этот срок может быть сокращен до нескольких часов. Периодически, обычно раз в несколько месяцев, биослой очищают от избытка биомассы и наполняют свежими гранулами.

Основные требования, предъявляемые к установкам биологической очистки газов, заключаются в простоте и эксплуатационной надежности конструкции, высокой удельной производительности и высокой степени очистки. Удельная производительность установки измеряется отношением объема воздуха, прошедшего через нее за 1 ч., к общему объему установки.

Масштабы промышленного применения методов биологической очистки воздуха в настоящее время весьма незначительны. Наиболее распространенным типом установок являются биофильтры. Они достаточно дешевы, малоэнергоемки, требуют незначительных расходов воды. Однакопроизводительность биофильтров сравнительно невысока, - от 5 до 400 м3 очищаемого воздуха на 1 м2 поперечного сечения фильтрующего слоя/ч.

Главным образом, это определяется низким содержанием микроорганизмов в единице объема материала фильтрующего слоя. Высота биофильтров из-за требований однородности структуры и газодинамических ограничений невелика (около 1 м), поэтому они занимают большие площади (от 10 до 1600 м2). Степень очистки воздуха в биофильтрах - достаточно высока. Например, используемые в сельском хозяйстве ФРГ биофильтры обеспечивают 90 % очистку воздуха от дурнопахнущей органики. Повышение эффективности работы биофильтров связано с созданием установок, в которых обеспечивается более равномерное прохождение воздуха через рабочее тело установки. Так, в ФРГ фирмой «Гербург Вейз» разработан биофильтр, через который сверху вниз противотоком к вводимому снизу воздуху проходит тонко измельченный компост, полученный при переработке мусора и шлама. Компост выгружается на дно установки и транспортером вновь подается в верхнюю часть установки. Такой движущийся биологически активный компост обеспечивает равномерное прохождение через него очищаемого воздуха; степень извлечения из воздуха n-алканов, толуола, сероводорода составляет 96.7-99.9 %. Повышение эффективности работы биофильтров, безусловно, связано с повышением энергозатрат на процесс биоочистки.

Биоскрубберы по сравнению с биофильтрами занимают меньшую площадь, так как представляют собой башни высотой несколько метров. Эксплуатационные затраты при использовании биоскрубберов выше, так как процесс биоочистки воды требует существенных затрат. Применение биоскрубберов эффективно при наличии в воздухе хорошо растворимых токсических веществ. Производительность биоскрубберов существенно выше по сравнению с биофильтрами, при этом эффективность очистки также высока (табл. 7.4). Например, применение биоскрубберов для очистки отходящих газов металлургических предприятий дает следующие показатели: производительность 120 000 м3/ч, снижение интесивности запаха воздуха от 75 до 85 %, степень конверсии органических примесей - 50 %.

Наиболее перспективными для очистки воздуха являются биореакторы с омываемым слоем. Эти установки, практически не уступая в степени очистки, характеризуются более высокой удельной производительностью (несколько тысяч кубометров очищаемого воздуха в час). Такие малогабаритные установки очень эффективны для очистки воздуха предприятий интенсивного животноводства. Степень очистки воздуха в реакторе с иммобилизованными на активированном угле микроорганизмами от ацетона, бутанола, пропионового альдегида, этилацетата достигает 90 % при удельной производительности установки 10 000 ч-1.

Существуют и другие подходы для очистки воздуха, например, на основе растущей суспензии микроорганизмов. Пропускание воздуха, насыщенного сероводородом, сернистым ангидридом и парами серной кислоты, через интенсивную культуру микроводоросли Chlorella, имеющую большую поверхность контакта суспензии с воздухом, обеспечивает 100 % очистку воздуха при производительности установки до 1 млн. м3/ч.

Известны способы комплексной очистки стоков и загрязненного воздуха от алифатических кислот, спиртов, альдегидов и углеводородов в аэротенке с активным илом.

Показана возможность эффективной очистки отходящего воздуха ряда фармацевтических производств на основе иммобилизированных микробных клеток. Производительность установки по ацетону достигает 164 г углерода/мів час; 57 г/мі?в час по смеси этанол плюс пропанол и 15 г/мі в час по дихлорэтану.

Для детоксикации цианида в промышленных выбросах предложены биологические методы, включая применение различных биологических агентов, от активного ила до специфических ферментов, разрушающих цианиды. Так, раданаза, обнаруженная у Bacillus stearothermophilus, катализирует превращение цианида в тиоцианат, а иммобилизированная цианидгидратаза гидролизует цианид до формамида.

Один из методов очистки от сероводорода состоит в пропускании воздуха через солевой раствор меди. Образуемый в результате этого нерастворимый сульфид металла далее может быть окислен при участии микроорганизмов. Возможно создание системы биоочистки воздуха от сероводорода, а также органических соединений серы с использованием тиобацилл; при анаэробных условиях десульфурирование сопряжено с денитрификацией:

5 H2S + 8 NaNO3 > 4 Na2SO4 + H2SO4 + 4 H2O + 4 N2.

(CH3)2S + 4 NaNO3 > 2 CO2 + Na2SO4 +2 NaOH + 2 H2O + 2 N2.

Таким образом, в настоящее время в промышленных масштабах применяются достаточно эффективные биологические процессы для очистки газовоздушных выбросов. Существуют реальные научные основы для разработки и внедрения новых методов биоочистки.

Биологические методы очистки от нефтяного загрязнения.

Среди многочисленных вредных веществ антропогенного происхождения, попадающих в окружающую среду (воздух, вода, почва, растительность и др.), нефтепродуктам принадлежит одно из первых мест. Работа автотранспорта и предприятий нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, газообразные выбросы и сточные воды промышленных предприятий, многочисленные разливы нефти и нефтепродуктов в результате аварий трубопроводов и нефтеналивных судов (танкеров), аварий и пожаров на нефтехранилищах и нефтеперегонных заводах приводят к загрязнению воздуха, воды и почвы значительными количествами сырой нефти и продуктов её переработки и создают серьёзную угрозу экологии регионов России.

Нефть представляет собой вязкую маслянистую жидкость, имеющую темно-коричневый цвет и обладающую слабой флуорисценцией. Нефть состоит преимущественно из насыщенных алифвтических и гидроароматических углеводородов. Основные компоненты нефти - углеводороды (до 98%) - подразделяются на 4 класса:

1. Парафины (алкены). . (до 90% от общего состава) - устойчивые вещества, молекулы которых выражены прямой и разветвленной цепью атомов углерода. Легкие парафины обладают максимальной летучестью и растворимостью в воде.

2. Циклопарафины. . ( 30 - 60% от общего состава) насыщенные циклические соединения с 5-6 атомами углерода в кольце. Кроме циклопентана и циклогексана в нефти встречаются бициклические и полициклические соединения этой группы. Эти соединения очень устойчивы и плохо поддаются биоразложению.

3. Ароматические углеводороды. . (20 - 40% от общего состава) - ненасыщенные циклические соединения ряда бензола, содержащие в кольце на 6 атомов углерода меньше, чем циклопарафины. В нефти присутствуют летучие соединения с молекулой в виде одинарного кольца ( бензол, толуол, ксилол) , затем бициклические ( нафталин) , полуциклические ( пирен).

4. Олефины (алкены). . - (до 10% от общего состава) - ненасыщенные нециклические соединения с одним или двумя атомами водорода у каждого атома углерода в молекуле, имеющей прямую или разветвленную цепь.

Понятие «нефтепродукты» имеет два значения - техническое и аналитическое.

В техническом значении нефтепродукты - это товарные сырые нефти, прошедшие первичную подготовку на промысле, и продукты переработки нефти, использующиеся в различных видах хозяйственной деятельности: авиационные и автомобильные бензины, реактивные, тракторные и осветительные керосины, дизельное топливо, мазуты, растворители, смазочные масла, гудроны, нефтяные битумы и другие нефтепродукты (парафин, нефтяной кокс, присадки, нефтяные кислоты и др.).

В аналитическом значении к нефтепродуктам относятся неполярные и малополярные углеводороды, растворимые в гексане и не сорбирующиеся оксидом алюминия. Под это определение попадают практически все топлива, растворители и смазочные масла, но не попадают тяжёлые смолы и асфальтены, являющиеся постоянными компонентами нефти и битумов, а также ряд веществ, образующихся в результате микробиологических и физико-химических процессов из нефтепродуктов при их длительном нахождении в почвах.

Попадание нефти и её компонентов в окружающую среду (воздух, вода и почва) вызывает изменение физических, химических и биологических свойств и характеристик природной среды обитания, нарушает ход естественных биохимических процессов.

В ходе трансформации углеводородов нефти могут образоваться стойкие к микробиологическому расщеплению ещё более токсичные соединения, обладающие канцерогенными и мутагенными свойствами.

Поверхностные воды. Стоки, попадающие в поверхностные воды, содержат бензин, керосин, топливные м смазочные масла, бензол, толуол, ксилолы, жирные кислоты, фенолы, глицериды, стероиды, пестициды и металлоорганические соединения. Перечисленные соединения составляют около 90% и выше от суммарного количества всех органических примесей.

В числе других веществ, загрязняющих окружающую среду, можно назвать нитросоединения, асфальты, воски, твёрдые парафины, карбонтльные и сернистые соединения, хлорированные углеводороды и бифенилы, а также соли органических кислот.

Легкие нефтепродукты (например, бензин) частично растворяются в воде, но в основном образуют с водой эмульсии, тяжелые нефтепродукты (минеральные масла и смазки) попадают на дно водоёмов и накапливаются в донных осадках.

Бензин находят в химических стоках не очень часто вследствие его ценности как топлива и высокой летучести.

Другими словами, его выбрасывают лишь в случае крайней необходимости и он быстро улетучивается.

Иногда бензин попадает в сточные воды при чистке реакторов и других ёмкостей, используемых в промышленности; обычно при этом он смешан с низкосортным керосином. Он может оказаться в канализации также при аварийных сбросах.

Минеральные масла попадают в сточные воды многочисленными путями.

Помимо разливов нефти в результате различных аварий основное загрязнение воды нефтепродуктами создаётся за счёт сточных вод нефтеперерабатывающих заводов и нефтехимических предприятий (например, главным компонентом стока нефтеперегонного завода являются органические вещества, т.е. относящиеся к нефтепродуктам углеводороды различных классов).

Источниками опасных отходов являются многие отрасли промышленности, в том числе - добыча нефти и газа.

Но главную опасность представляют собой химическая и нефтехимическая промышленность (до 62%).

Попадающие в природные воды из различных источников, нефтяные загрязнения имеют тенденцию к рассеиванию и миграции.

При этом в поверхностных водах состав нефтепродуктов под влиянием испарения и интенсивного протекания химического и биологического разложения претерпевает за короткий срок быстрые изменения, а в подземных водах, наоборот, процессы разрушения нефтепродуктов заторможены.

Главным источником (помимо аварийных разливов) попадания органических соединений нефтяного происхождения в грунтовые воды служат опасные отходы, которые свозятся на промышленные и муниципальные свалки или накапливаются в отстойных прудах и бассейнах.

Другим источником загрязнения грунтовых вод нефтепродуктами является утечка горючего из подземных хранилищ.

Так, по мнению экспертов, в США дают утечки 50-100 тысяч подземных емкостей с горючим. Большинство их принадлежит бензозаправочным станциям, построенным в 1950-1960 гг. в то время никто не думал, что изготовленные из нержавеющей стали подземные хранилища бензина и другого топлива начнут протекать через 20-30 лет. А один литр бензина может сделать непригодным для питья миллион литров воды.

Питьевая вода. В разных странах в качестве питьевой воды используют воду из поверхностных или подземных источников. К сожалению, все они подвержены загрязнению вредными химическими примесями, в том числе и нефтепродуктами. Органические соединения нефтяного происхождения давно уже стали приоритетными загрязнителями как поверхностных, так и подземных вод.

Более чем 700 органических соединений выявлены к настоящему времени в питьевой воде. Все они являются потенциальными канцерогенами; правда, пока не ясно, каковы размеры опасности при их совместном или индивидуальном воздействии.

Канцерогенами для человека и животных являются не только компоненты самой нефти (например, бензол и бензапирен), но и многочисленные и распространённые в различных сферах деятельности человека продукты нефтехимии (винилхлорид, пестициды, ПХБ, галогеноулеводороды, нитрилы, гидразины и др.).

Помимо перечисленных токсичных органических соединений, опасных для человека и животных, существует большое количество менее опасных, но не менее вредных для человека загрязнителей питьевой воды, относящихся к углеводородам нефтяного происхождения и их производным.

По крайней мере, 1/3 всех приоритетных загрязнителей питьевой воды относится к углеводородам нефтяного происхождения - производным бензола. Многие их этих соединений (алкилбензолы) имеют очень низкие ПДК (0,01-0,02 мг/л).

Любой из классов нефтепродуктов может стать вредной примесью, загрязняющей воду.

В небольших концентрациях нефтяные загрязнения могут влиять на вкус и запах воды, а при больших содержаниях они образуют гигантские нефтяные пятна и становятся причиной экологических катастроф.

Последние происходят при разливах нефти (например, при авариях танкеров в море или разрывах нефтяных трубопроводов) или при попадании больших количеств стоков нефтеперерабатывающих или нефтехимических заводов в поверхностные и грунтовые воды.

Почва и донные осадки. Источники загрязнения почвы нефтепродуктами те же, что и в случае воды и воздуха.

Главные из них - разливы нефти и нефтепродуктов, сточные воды и выбросы нефтеперегонных заводов и нефтехимических предприятий, скапливающиеся на свалках.

В почвах нефть и нефтепродукты находятся в следующих формах:

- в пористой среде - в парообразном и жидком легкоподвижном состоянии, в свободной или растворённой водной и водно-эмульсионной фазе;

- в пористой среде и трещинах - в свободном неподвижном состоянии, играя роль вязкого или твёрдого цемента между частицами и агрегатами почвы, в сорбированном состоянии, связанном на частицах горной породы или почвы, в том числе - гумусовой составляющей почв;

- в поверхностном слое почвы или грунта в виде плотной органоминеральной массы.

Влияние нефти и нефтепродуктов на почвенные экосистемы. Пропитывание нефтью и нефтепродуктами почвенной массы приводит к активным изменениям химического состава, свойств и структуры почвы.

Прежде всего, это сказывается на гумусовом горизонте: количество углерода в нём резко увеличивается, но ухудшается свойство почв как питательного субстрата для растений.

Гидрофобные частицы нефти и нефтепродуктов затрудняют поступление влаги к корням растений, что приводит к физиологическим изменениям последних.

Также загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами приводит к резкому нарушению в почвенном микробиоценозе.

Комплекс почвенных микроорганизмов отвечает на нефтяное загрязнение после кратковременного ингибирования повышением своей валовой численности и усилением активности.

Прежде всего, это относится к углеводородокисляющим микроорганизмам, количество которых резко возрастает по сравнению с незагрязнёнными почвами. Сообщество микроорганизмов почвы принимает неустойчивый характер.

По мере разложения нефти и нефтепродуктов в почве общее количество микроорганизмов приближается к фоновым загрязнениям, но количество нефтеокисляющих бактерий (долго, например, в почвах южной тайги до 20-30 лет) значительно превышает те же группы в незагрязнённых почвах.

Нефтяное загрязнение подавляет фотосинтетическую активность растений. Это сказывается прежде всего на развитии почвенных водорослей.

В зависимости от дозы нефти, попавшей в почву, и сохранности почвенного и растительного покрова наблюдаются различные реакции почвенных водорослей: от частичного угнетения и замены одних группировок другими до выпадения отдельных групп и полной гибели всей альгофлоры.

Индикационным признаком экстремальных условий, находящихся на грани зон толерантности и резистентности, является изменение видового состава водорослей. Динамика и степень самоочищения в пределах зоны толерантности хорошо отражается численностью водорослей.

Загрязнение нефть и нефтепродуктами оказывает длительное отрицательное воздействие на почвенных животных, вызывая их массовую элиминацию в интенсивной зоне загрязнения.

Отрицательное действие загрязнения осуществляется в результате прямого контакта с Н и НП и через изменение свойств загрязнённых почв. Летучие фракции Н и НП проявляют эффект сразу после контакта с педобионтами, эффект тяжёлых фракций проявляется позже.

Допустимый уровень загрязнения почв. Почвы считаются загрязнёнными нефтью и нефтепродуктами, если их концентрация достигает уровня, при котором:

- начинается угнетение или деградация растительного покрова;

- падает продуктивность сельскохозяйственных земель; нарушается природное равновесие в почвенном биоценозе;

- происходит вытеснение одним-двумя бурно произрастающими видами растительности остальных видов, ингибируется деятельность микроорганизмов, исчезают виды альгофлоры, мезофауны и т.п.;

- происходит вымывание нефти и нефтепродуктов из почв в подземные или поверхностные воды;

- изменяются водно-физические свойства и структура почв;

- заметно возрастает доля углерода нефти и нефтепродуктов в некарбонатном (органическом) углероде почв (до 10% и более от всего органического углерода).

В отличие от воды и воздуха, для почвы (и донных осадков) в России не установлены ПДК для суммарного содержания нефтепродуктов.

Есть лишь ПДК для бензина (0,1 мг/л) и некоторых ароматических углеводородов (бензол, кумол, стирол, а-метилстирол, толуол и ксилолы), которые лежат в диапазоне 0,1-0,5 мг/кг.

Однако в настоящее время проводится работа по нормированию содержаний нефти и нефтепродуктов в почвах России, результатом которой явилось установление ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) этих загрязнителей в почвах.

Биологические методы очистки от нефтяного загрязнения.

Биологическая очистка водной среды и почв от нефтяного загрязнения основана на способности микроорганизмов, а также дрожжей и мицелиальных грибов расщеплять, перерабатывать нефтяные углеводороды.

Эти микроорганизмы не являются узкоспециализированными, за исключением метанокисляющих. Они используют в качестве источников питательных .веществ и другие органические вещества и присутствуют в незагрязненных водах и почвах.

От других групп микробиального сообщества они отличаются следующими особенностями:

1. Способностью к поглощению гидрофобных соединений;

2. Наличием углеводородокисляющих ферментов.

Поэтому в случае загрязнения нефтяными углеводородами такие микроорганизмы получают преимущество, именно их размножением обусловлен эффект самоочищения воды и почвы.

Биологические методы разрушения углеводородов применяют в тех случаях, когда их количество слишком мало, чтобы применять механические средства, но, с другой стороны, слишком велико, чтобы использовать загрязненные почвы и воду в хозяйственных целях.

В акваториях такому загрязнению соответствует нефтяная пленка толщиной до 1 мм, в почвах - содержание углеводородов до 5% от веса почвы.

Существуют два принципиальных подхода к биодеградации нефтяного загрязнения в естественной среде:

- стимуляция естественной нефтеокисляющей микрофлоры путем создания оптимальных условий для ее развития (внесение азотно-фосфорных удобрений, аэрация и пр.);

- введение в загрязненную экосистему активных углеводородокисляющих микроорганизмов наряду с добавками солей азота и фосфора.

Оба подхода разрабатываются активно фирмами разных стран. Ряд немецких ученых отвергают интродукцию углеводородокисляющих микроорганизмов, считая, что этим нарушается естественная экологическая обстановка.

Но противопоставлять эти два подхода нет смысла, поскольку для каждого из них существует своя область применения.

Но для начал рассмотрим способны ли сами экосистемы восстанавливаться после незначительного нефтяного загрязнения?

Самоочищение, как резерв улучшения качества вод, загрязненных нефтью. Проводились многолетние исследования, устанавливающие эффективность бактериального самоочищения поверхностных вод от нефтяного загрязнения и его интенсификации макрофитами, а также возможность управления самоочищением природных вод и формированием их товарных качеств.

Исследования проводились на территории русловых водохранилищ республики Татарстан - Заинском и Карабашском в 60х-70х гг. 20 века

Скопление нефтепродуктов отмечалось в верховьях водоемов, в извилинах русла и заводях, образуемых густыми зарослями водных растений.

По мере перемещения стоков через заросли к плотине пленочная нефть почти полностью исчезает. Аналогичная закономерность отмечена и в распределении нефтепродуктов в толще вод.

Было выявлено, что самоочищение от нефтяного загрязнения в каждом водохранилище проходит неодинаково. Одна из причин - неодинаковая степень зарастания макрофитами.

После прохождения зарослей макрофитов вода в Заинском водохранилище практически полностью очистилась от нефтепродуктов. Наблюдалось, что по мере падения концентрации нефтепродуктов загрязнений вдоль акватории водохранилища, растет концентрация кислорода, особенно в заросших растениями участках.

Такое повышение концентрации кислорода связано с завершением самоочищения воды от нефтяных загрязнений и активной фотосинтетической деятельностью макрофитов. Последние, иногда, играют большую роль в фотосинтетической реаэрации воды, чем фитопланктон.

Высшая водная растительность, подвергаясь обрастанию, увеличивает площадь соприкосновения нефти со специфической микрофлорой и ускоряет бактериальное очищение воды от нефти.

Повышение бактериальной массы, как показали эксперименты, в основном обусловлено продуктами выделения высших растений. Последние выполняют роль биостимуляторов, особенно в начальной стадии развития микроорганизмов, и сокращают период адаптации нефтеокисляющих бактерий к нефти. Судя по литературным данным, в трансформации углеводородов участвуют в основном ферменты индуцированной природы. Это дает основание считать, что легкодоступные органические вещества выделяемые макрофитами, облегчают синтез упомянутых ферментов, что и было подтверждено в лабораторных исследованиях.

Результаты многолетних исследований подтвердили, что макрофиты интенсифицируют очистку воды от нефтяных загрязнений. Заросли макрофитов являются активным субстратом для нефтеразрушающей микрофлоры. Это повышает численность бактерий и интенсифицирует самоочищение воды.

Естественное самоочищение природных экосистем происходит обычно с недостаточно высокой скоростью, т.к. нефть и практически все нефтепродукты оказывают резкую депрессию функциональной активности водной и почвенной флоры и фауны, тем самым, исключая эти объекты из природопользования.

В настоящее время установлено, что углеводородокисляющие микроорганизмы расселяются повсюду, где в экосистемах имеются газообразные или жидкие углеводороды.

Разложение углеводородов обеспечивается прежде всего деятельностью углеводородокисляющих микроорганизмов, способных в конструктивном и энергетическом обмене оксигенировать углеводородные субстраты, минерализовать их до СО2 и воды или превращать в соединения, утилизируемые другими группами микроорганизмов.

На сегодняшний день существует несколько подходов к организации самоочищающей способности естественной среды. Первый подход - стимуляция естественной нефтеокисляющей микрофлоры

Развитие нефтеокисляющей микрофлоры в естественной среде тормозится следующими основными факторами:

1. Низкой температурой;

2. Недостатком биогенных элементов (прежде всего азота и фосфора);

3. Недостатком кислорода;

4. Избыточной кислотностью.

Для водной среды наиболее существенны первые два фактора, тогда как для почвы значимы все. В исследованиях по стимуляции основополагающим принципом является принцип создания оптимальных условий для развития естественной нефтеокисляющей микрофлоры.

Единственным путем стимуляции в водной среде является внесение азотно-фосфорных удобрений. Чтобы питательные вещества не выносились за пределы нефтяного пятна, и чтобы избежать избыточного развития водорослей, применяются удобрения, покрытые парафиновой оболочкой, которая не растворяется в воде, но растворяется в нефти.

Подобного рода препараты разрабатываются французской фирмой «Эльф-Акитен». Препарат INIPOL-EAP 22 применялся для очистки водной среды после аварий танкеров «Амоко-Кадиз» во Франции и «Эксон-Вальдез» на Аляске.

Косвенное стимулирующее действие на биодеградацию углеводородов в водной среде оказывают вещества с поверхностно-активными свойствами, если они не токсичны. Роль их заключается в превращении нефтяной пленки в мелкодисперсную эмульсию, что ведет к увеличению площади контакта нефтяных капелек с бактериями и к улучшению аэрации.

Что касается почвы, то здесь значительно больше возможностей для стимулирования естественной нефтеокисляющей микрофлоры.

Существенные успехи в этом направлении достигнуты в Германии, где разработана инженерная технология санации почв. В основу технологии положен принцип создания оптимальных условий для развития естественного углеводородокисляющего микробиоценоза. Сюда входит внесение удобрений, усиление аэрации и др.мероприятия.

...