БІОТЕХНОЛОГІЯ - Іншина Н.М. - 2009
РОЗДІЛ 6. БІОТЕХНОЛОГІЯ ОХОРОНИ ДОВКІЛЛЯ
Біотехнологія очищення води
Усі біотехнології очищення грунту і повітря від хімічних забруднень здійснюються із використанням води. Наприклад, для очищення повітря від хімічного забруднення використовують біофільтри, в яких повітря пропускають через рідину з мікроорганізмами, унаслідок чого видаляється близько 90% сполук, концентрація яких становила 0,1 — 0,25 кг органічної речовини в 1 м3 повітря, У зв’язку з цим найбільш поширеними стали біологічні методи очищення води.
В Україні вперше у межах Російської імперії ще у 1887 р. було введено в експлуатацію біологічні зрошувальні системи. Було започатковано використання спеціально селекціонованих мікроорганізмів — деструкторів органічних речовин, що забруднюють воду, у практиці очищення промислових стоків.
Біотехнологія очищення води передбачає трансформування різних хімічних елементів у нерозчинні у воді речовини, які переходять у повітря або випадають в осад. Підраховано, що кожен міський мешканець продукує за добу 150 — 200 л побутових стічних вод.
Основним традиційним методом біологічного очищення стічних вод є їх обробка активним мулом в аеротенках. Біотехнологія очищення стічних вод активним мулом була запропонована і реалізована в Англії у 1914 р. і відтоді принципово не змінилася. Типова технологічна схема очищення води включає, механічне, біологічне і фізико-хімічне очищення.
Стічна вода після ретельного механічного очищення від різноманітного сміття, піску, жиру, інших дисперсних домішок надходить в аеротенк. Аеротенк - це залізобетонна споруда, в яку постійно подається повітря. В аеротенках вода очищується складним гідробіоценозом - активним мулом. Концентрація активного мулу в аеротенках не перевищує 24 г/л. Активний мул на 95% складається з прокаріотів, здебільшого бактерій, і лише 5% біомаси мулу становлять найпростіші. До складу активного мулу входять бактерії родів Actynomyces, Azotobacter, Bacillus, Bacterium, Corynebacterium, Desulfomonas, Pseudomonas, Sarcina та ін. Серед найпростіших у складі активного мулу переважають Sarcodina, Mastigophora, Ciliata, Suctoria, які регулюють віковий і видовий склад бактерій. Показником якості активного мулу є коефіцієнт протозойності - співвідношення кількості найпростіших мікроорганізмів до кількості бактерій. На 1 млн бактерій повинно міститися 10- 15 клітин найпростіших.
Після тривалої обробки (24 год. і більше) вода з аеротенка надходить у вторинний відстійник, в якому звільняється від активного мулу, а потім потрапляє у проміжні водойми (ставки) для третинного фізико-хімічного доочищення, після чого надходить у річку. У проміжних водоймах вода проходить освітлення і насичується киснем. Після біологічної очистки воду хлорують або озонують.
Основним недоліком цієї технології є необхідність утилізації великої кількості надлишкового мулу, що містить небезпечні мікроорганізми, віруси, токсичні і мутагенні сполуки. Перероблений активний мул використовують як добриво або піддають анаеробному руйнуванню з утворенням органічного палива. Утилізацію активного мулу здійснюють у метатенках — герметичних спорудах об’ємом кілька м3. Біоценоз метатенків бідніший, ніж аеротенків, і складається з бацил, псевдомонад, оцтовокислих і метаноутворюючих бактерій. У результаті діяльності цих мікроорганізмів активний мул перетворюється на цінне органічне паливо - біогаз, основним компонентом якого є метан.
Отже, під час очищення стічних вод за традиційною технологією досягається три основні мети:
— деградація органічних і неорганічних відходів;
— відновлення ресурсів для повернення у кругообіг біогенних елементів (С, N, Р, S);
— одержання цінних видів органічного палива.
Постійне погіршення хімічного складу стоків і водночас підвищення вимог до якості очищеної води обумовлюють необхідність у створенні нових методів біологічної обробки води. В Інституті колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України (Київ) був розроблений метод очищення води під назвою «біоконвеєр» (рис. 6.1).
Рис. 6.1. Біоконвеєр
Технологічна суть біоконвеєра полягає у тому, що на шляху стічної води розміщені гідробіонти - анаеробні бактерії, аеробні мікроорганізми (оліготрофи, найпростіші), фільтратори, хижаки, які утилізують розчинені у воді хімічні сполуки.
Цей метод має низку переваг порівняно з традиційною системою біологічного очищення води:
- можливість очищати будь-які (природні, зливові, побутові, промислові стічні) води, що містять розчинені органічні сполуки, навіть токсичні, канцерогенні чи мутагенні;
- біоконвеєр дає змогу доводити якість очищеної води до будь-якого заданого ступеня чистоти;
- немає проблеми щодо утилізації надлишкової біомаси, бо вона споживається і мінералізується у трофічному ланцюгу. Чим більша кількість трофічних рівнів міститься у біоконвеєрі, тим менше біомаси залишається в очищеній воді. Досить маги в очисній споруді трофічний ланцюг у 2 - З ланки, щоб зменшити кількість надлишкової біомаси у 100 - 1000 разів.
За принципом біоконвеера вже працює велика кількість очисних споруд з очищення промислових і побутових стоків, а також зливових і природних вод.
Так, у 2001 р. на терміналі «Південний» нафтопроводу Одеса — Броди було здано в експлуатацію станцію біологічного очищення побутових стічних вод, побудовану за принципом біоконвеера. Станція включає відстійник, анаеробний та аеробний мікробні біореактори, зоо- та фітореактори. Порівняно з традиційною технологією очищення води експлуатаційні витрати вдвічі менші, надлишкового мулу практично немає, а якість очищеної води дуже висока (хімічне споживання кисню — 15 мг/л, завислі речовини < 2 мг/л).
Не менш переконливий інший приклад. Під час виробництва хімічного полімеру анід на чернігівському ВО «Хімволокно» утворюється стічна вода, що містить 2500 — 4000 мг/л гексаметилендиаміну. Очистити таку воду неможливо жодним з відомих фізико-хімічних і традиційних біологічних методів. Її знешкоджували термічно - «спалювали» у термічних газових печах за температури 950ºС, витрачаючи при цьому 350 м3 метану на 1 м3 води. Мікробіолога Інституту колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думакського НАН України знайшли мікроорганізми, які здатні використовувати гексаметилендиамін як джерело Карбону, Нітрогену і енергії. Для біотехнологічного очищення 1 м3 води потрібно витратити J00 г ортофосфорної кислоти і 0,75 кВт год електроенергії на аерацію та перекачування стоку.
Отже, сучасні біотехнології охорони довкілля, зокрема води, від хімічного та біологічного забруднення є не лише екологічно раціональними, а й економічно вигідними.