Биотехнология очистки вод

Биологическая очистка вод (природных и сточных) в настоящее время является достаточно изученным и широко применяемым методом, зна­чение и роль которого со временем только возрастает в связи с требова­ниями экологичности и экономичности современных видов производств.

Однако такой способ позволяет разрушить только относительно про­стые и аммонийные соединения (их называют " биологически мягкими ").

Неорганически восстановленные (сульфиды, сульфиты, нитриты и др.) соединения, токсины, комплексные соединения и сложные органические молекулы, удаляемые лишь частично при такой технологии, относятся к " био­логически жестким " органическим и аммонийным соединениям. Их при­сутствие в водах представляет угрозу для окружающей природной среды. Поэтому разработка методов детоксикации таких загрязнений — текущая и перспективная задача биотехнологии очистки воды.

Загрязнение биосферы вследствие выброса ксенобиотиков и других вредных веществ, почти не включаемых в циклы углерода, азота, фосфора и серы, приводит к необратимым изменениям в генофонде. Среди ксе­нобиотиков наибольшее распространение имеют гербициды и пестициды, представляющие собой галогеносодержащие соединения и попадающие в водоемы из почвы и атмосферы. Если не применять специальные ад­сорбционные мембранные технологии или озонирование, то существующие станции очистки природных вод для хозяйственных целей не обеспечат удаления ксенобиотиков. Эта проблема может быть решена путем эколо­гизации или прекращения выпуска соответствующих препаратов, или способами биотехнологии.

Для обеспечения стандартов качества очищенных вод, соответствую­щих нормативам ВОЗ¹, в настоящее время используются следующие био­технологические методы:

- селекция и конструирование искусственных микробных ассоциаций;

- совершенствование иммобилизационных комплексов;

- ферментативный катализ;

- генноинжениринговые комбинации.

- механические методы;

- физико-химические воздействия;

- биологический метод.

Селекция и конструирование искусственных микробных ассоциаций за­ключается в поиске, выделении активных культур, штамбов, исходя из их способности использовать те или иные ксенобиотики по прямому мета­болизму или же в условиях соокисления с последующим внесением их в ка­честве посевного материала в биореакторах.

Иммобилизация - это процесс, при котором клетки прикрепляются к ка­кой-либо поверхности так, чтобы их гидродинамические характеристики отличались от показателей среды обитания. При этом достигаются такие эффекты, как:

- сохранение практически постоянной биомассы в биореакторе за счет отсутствия выноса ее с потоком очищаемой жидкости;

- создание пространственной сукцессии (распределения) микроорганизмов по ходу движения жидкости с четким регулированием процесса;

- рост производительности (уменьшающий объем биореакторов);

- повышение устойчивости системы к неравномерности поступления сточных вод;

- регулирование процесса по составу носителей. Ферментативный катализ заключается в воспроизводстве определен­ного вида ферментов или их препаратов для биодеструкции конкретного ксенобиотика и проведение процесса в биореакторах. За счет мутации штамбов эффект очистки сточных вод повышается на 50—70%. Однако при этом требуется периодическая обработка биомассы, т. к. мутирован­ные признаки со временем снижаются.

Более перспективный и эффективный метод очистки вод с заданными деструктивными свойствами — генноинжениринговый, который заключается в использовании методов рекомбинантной ДНК: соединений определенных катаболических последовательностей специфических генов, ответственных за деструкцию какого-либо звена молекулы ксенобиотика, обеспечивающего его устойчивость. Введение в гены быстрорастущих штамбов позволяет по- ¹ лучить эффективные культуры, которые после помещения в биореакторы обеспечивают эффективную детоксикацию вод.

Механические методы — из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляются механические примеси. Грубодисперсные частицы улавливаются решетками и ситами, а поверхностные загрязнения — нефтеловушками, масло- и смолоуловителями. Так, выделяют до ²/з нерастворимых примесей, а из промышленных — более ⁹/₁₀.

При физико-химических воздействиях удаляются тонкодисперсные и растворенные неорганические примеси и разрушаются органические неокисляемые и плохо окисляемые вещества. К ним относятся:

- флотация — ускоренное осветление промышленных и сточных вод и удаление из них взвешенных частиц нефти, жиров, нефтепродуктов, ПАВ, т. е. насыщают стоки воздухом, к пузырькам которого прилипают час­тицы твердых веществ и выплывают на поверхность;

- экстракция — сточные воды освобождают от органических веществ, ко­торые концентрируются в растениях (хлороформ, дибутиловый эфир, бензол, нитробензол и др.);

- адсорбция — применяется при невысоком содержании органических веществ в водах. В качестве адсорбента используют активированный уголь, органические и синтетические сорбенты;

- ионообменные способы — позволяют извлекать и вновь возвращать в хо­зяйственный оборот ценные вещества: цинк, никель, фенолы, детер­генты, радиоактивные соединения и др. Для этого применяют синте­тические ионообменные смолы;

- окисление — используют озон, хлор, оксид хлора, перманганат калия и другие окислители, позволяющие окислить остатки, растворенные в воде, устойчивые к биологическому разрушению органического ве­щества;

- эвапорация — сточную воду нагревают до кипения. Насыщенный водя­ной пар извлекает из сточных вод примеси. Затем пар пропускают через нагретый поглотитель, в котором примеси задерживаются. В случае не­обходимости применяют доочистку сточных вод, прошедших механи­ческую и биологическую очистку;

- широкое применение находит электролиз — разрушение органических веществ в сточных водах и извлечение металлов, кислот и других не­органических веществ. Этот процесс протекает в электролизерах. Очищение воды идет с помощью ультразвука, озона, высокого давле­ния и хлорированием.

Биологический метод основан на использовании закономерностей био­химического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Имеется несколько типов биологических установок:

- биофильтры — сточные воды пропускают через слой крупнозернисто­го материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой, благодаря которой протекают процессы биохимического окисления, которые служат основой биофильтров;

- биологические пруды — в очистке сточных вод участвуют все орга­низмы, населяющие водоем;

- аэротенки — огромные резервуары из железобетона, в котором очи­щающее действие производит активный ил из бактерий и микроско­пических животных.