МІКРОБІОЛОГІЯ - М.Г. Сергійчук - 2008
Розділ 12. ВИКОРИСТАННЯ МІКРООРГАНІЗМІВ ЛЮДИНОЮ
Біоремедіація довкілля
Біоремедіація - це будь який процес, у якому використовуються мікроорганізми, гриби, рослини або їх ферменти, спрямований на повернення забрудненого довкілля в його природний стан.
За допомогою аеробних та анаеробних мікроорганізмів очищують стічні побутові та промислові води, ґрунтові води, забруднені ґрунти; при переробці відходів сільського господарства отримують біогаз.
Очищення стічних і ґрунтових вод. Основою біологічних методів очищення вод є життєдіяльність ґрунтових, водних чи спеціально селекціонованих мікроорганізмів. Мікроорганізми здійснюють деструкцію органічних забрудників, використовуючи їх у своєму метаболізмі як джерела харчування.
Стічні води за походженням поділяють на: атмосферні (зливові), побутові (господарсько-фекальні, муніципальні), промислові.
Атмосферні стічні води утворюються в результаті випадання опадів (дощу, снігу). Вони безпосередньо надходять до водойм та у ґрунтові води.
Побутові стічні води утворюються з відходів харчових продуктів і життєдіяльності організму людини. Основним забрудником цих вод є органічні речовини природного походження. Побутові стічні води не- токсичні, а їх забрудники добре розкладаються біологічно.
Промислові стічні води утворюються при використання води у виробництві, а саме: у технологічних операціях основного виробництва, при охолодженні агрегатів, при експлуатації допоміжних цехів. Загалом для промислових стічних вод характерним є високий вміст органічних та неорганічних забрудників; органічні забрудники зазвичай є токсичними ксенобіотиками; забруднення погано або зовсім не розкладаються біологічно. Ці води характеризуються високими показниками кислотності чи лужності, можуть мати високу температуру.
Ксенобіотик (від грец. xenos - чужий, bios - життя) - це сполуки, які є чужими, нетиповими, неприйнятними для живих організмів та довкілля. Вони були штучно синтезовані людьми. Оскільки речовини з такою структурою молекул у природі раніше не існували, мікроорганізми зазвичай не мають відповідних метаболічних шляхів і ферментів для їх утилізації. Більшість ксенобіотиків не піддається біологічному руйнуванню, тобто є персистентними сполуками. Ксенобіотики часто мають токсичні, мутагенні та канцерогенні властивості.
Методи очищення стічних вод поділяються на фізичні, фізико- хімічні та біологічні (рис. 12.9).
Рис. 12.9. Методи очищення побутових і промислових стічних вод
Незважаючи на широке застосування, фізичні та фізико-хімічні методи очищення стічних вод мають суттєві недоліки. Вони дорогі, потребують енерговитрат і використання додаткових реагентів. Очистка води фізико-хімічними методами часто супроводжується вторинним забрудненням ґрунту чи повітря.
Біологічні методи використовують природні процеси очищення води, оскільки ґрунтуються на життєдіяльності ґрунтових, водних чи спеціально селекціонованих мікроорганізмів. Мікроорганізми здійснюють деструкцію органічних забрудників, використовуючи їх у своєму метаболізмі як джерела харчування. Деструкція (деградація, мінералізація) - це повне руйнування (окиснення та декарбоксилювання) хімічної сполуки до СО2 та Н2О. Ряд ксенобіотиків мікроорганізми не можуть зруйнувати повністю до кінцевих продуктів, а лише трансформують їх молекули. Трансформація - це спрощення структури молекули і часткова її мінералізація.
Біологічні методи очищення стічних вод поділяються на ґрунтові та індустріальні. Ґрунтові методи передбачають влаштування примітивних споруд, обвалувань і дамб. До них належать поля зрошення, поля фільтрації, фільтрувальні колодязі, піщано-гравійні фільтри, біологічні ставки. Стічна вода очищується в них за рахунок як біологічних процесів (гниття, біоокиснення), так і фізичних (випаровування, фільтрація, виморожування). Біологічні процеси здійснюють ґрунтові мікроорганізми.
Загальні недоліки ґрунтових методів такі: очисні споруди займають великі площі, вони малопотужні, малоефективні, функціонують переважно в теплу пору року. Процеси, що в них відбуваються, практично не керовані. Ґрунтові методи не придатні для очищення промислових стічних вод, а при очистці побутових стоків можуть бути джерелом поширення патогенних бактерій та яєць гельмінтів. Частина забруднень з цих примітивних очисних споруд може потрапляти у відкриті водойми та підземні води.
Індустріальні методи передбачають застосування складних за конструкцією очисних споруд, багатоступеневих технологічних схем і складних асоціацій мікроорганізмів. Очистка може здійснюватися як за аеробних, так і за анаеробних умов.
Аеробні біологічні очисні споруди (аеротенки, біофільтри, обертові біоконтактори) очищують стічні води за рахунок життєдіяльності аеробних мікроорганізмів, які в них перебувають у планктонному стані або у вигляді біоплівок.
Аеротенки - це аеробні біологічні очисні споруди. Перший аеротенк було створено в Англії у 1914 р. Зазвичай це залізобетонні канали, завглибшки 4-5 м і завширшки 3-11 м (рис. 12.10).
Рис. 12.10. Загальний вигляд аеротенка (вгорі) та радіального відстійника (внизу)
Головною і необхідною ознакою роботи аеротенків є постійне насичення води киснем, тобто аерація.
Забрудники води в аеротенках руйнуються за рахунок життєдіяльності активного мулу. Активний мул - це складний біоценоз, що складається з бактерій, грибів, водоростей, найпростіших, черв'яків і деяких членистоногих. Він має вигляд коричневих флокул і утворюється в аеротенку за певних умов. Основну роль в очищенні стічної води відіграють бактерії. Саме вони забезпечують біохімічне перетворення органічних і неорганічних сполук. Порівняно з іншими членами біоценозу бактерії є найбільш стійкими до токсичної дії забрудників, досить швидко адаптуються до зміни складу стоків і коливань концентрації кисню. Бактерії є джерелом харчування для гідробіонтів.
Мікроорганізми активного мулу:
- бактерії родів Nitrobacter, Nitrosomonas, Pseudomonas, Bacillus, Arthrobacter, Achromobacter, Flavobacterium, Alcaligenes, Corynebacterium, Micrococcus, Nocardia, Sarcina, Mycobacterium, Zoogloea ramigera (рис. 12.11);
Рис. 12.11. Бактерії активного мулу
(а, б - Zoogloea ramigera, в, г - Microthrixparvicella, д - Nostocoida limicola, е - Sphaerotilus natans)
- гриби представлені родами Mucor, Rhozopus, Aspergillus, Penicillum, Fusarium, Trichoderma.;
- найпростіші: саркодові, джгутикові та інфузорії (рис. 12.12);
Рис. 12.12. Представники різних класів найпростіших, що мешкають в активному мулі:
саркодові: а - Pelomyxa palustris; б - Centropixis aculeata; в - Amoeba limax;
джгутикові: г - Bodo pubinus; д - Diplosiga socialis; інфузорії: е - Euplotes charon; є - Colpidium colpoda; ж - Epistylis plicatilis;
з - Vorticella convallada
- черв'яки: кільчасті (класи Oligochaeta, Polychaeta), первиннопорожнинні (клас Nematoda) та коловертки (клас Rotatoria). Серед коловерток в активному мулі найчастіше зустрічаються Philodina roseola, Cathypna luna, Notommata ansata, Monostyla lunaris, Adinetta sp., Rotaria rotatoria та ін. Коловертки досить чутливі до зміни зовнішніх умов, і тому багато з них є індикаторними організмами.
Найбільша технологічна цінність активного мулу полягає в його здатності утворювати великі і досить важкі конгломерати - флокули або пластівці, які порівняно легко і швидко осідають у відстійниках і відокремлюються від очищеної води. Основна роль у формуванні флокул належить бактерії Zoogloea ramigera. Це капсульна грамнегативна монотрихіальна гетеротрофна аеробна паличка. Вона синтезує позаклітинний полімер, подібний до целюлози, який складається з N-ацетилглюкозаміну та N-ацетилфукозаміну у співвідношенні 1 : 2.
Гідробіонти, поїдаючи бактерії активного мулу, виконують роль санітарів і, крім того, харчуючись тонкодисперсними зависами, сприяють освітленню води. Вони забезпечують біологічну рівновагу в цій екологічній ніші.
Аеротенки широко застосовуються для очищення побутових стічних вод і деяких промислових стоків, які не містять великої кількості ксенобіотиків.
Біологічні фільтри - це споруди, які працюють таким чином, що стічна вода очищується, проходячи крізь носій з біологічною плівкою. Класичний біофільтр - це кругла, багатогранна чи прямокутна в плані залізобетонна ємність із несправжнім дном, у якій міститься завантаження (носій) (рис. 12.13).
Рис. 12.13. Біофільтр: загальний вигляд (вгорі) та схема будови (внизу)
Завантаження бувають об'ємними (гравій, керамзит) та плоскими (шифер, листки пластмаси, синтетичні тканини, сплетені нитки та волокна у вигляді так званих йоржів, вій). Носії дозволяють сконцентрувати значну біомасу мікроорганізмів в очисній споруді, що прискорює окиснення забрудників стічної води.
Повітря подається в біофільтр природним шляхом, через вентиляційні вікна в корпусі, або примусово, за допомогою компресора. Мікробіота в біофільтрі краще забезпечується киснем, ніж в аеротенку, оскільки споживає його не лише в розчиненому вигляді , а й у газоподібному.
За допомогою біофільтрів можна очищати стічні води або повітря, забруднене леткими органічними сполуками. Якщо біофільтр очищує стічну воду, то вона надходить у його верхню частину через розбризкувальні пристрої, а знизу подається повітря для аерації. Вода, що пройшла крізь біофільтр, знову подається на нього за допомогою насоса. Рециркуляція стічної води дозволяє збільшити час її контакту з
біоплівкою, а отже і глибину очищення. Якщо біофільтр використовується для очистки забрудненого повітря, то воно подається знизу, а згори біоплівка зрошується водою з біогенними елементами.
Процес очищення в біофільтрі здійснюється мікроорганізмами, які у вигляді біоплівки розвиваються на носії (рис. 12.14).
Рис. 12.14. Зовнішній вигляд біоплівки, що розвивається на носії біофільтрів
Іммобілізована біомаса має ряд значних переваг порівняно з планктонною (вільноплаваючою):
- іммобілізація біомаси дозволяє сконцентрувати її в очисній споруді у значній кількості;
- біоплівки менш чутливі до впливу токсичних речовин і різкої зміни фізико-хімічних показників стоків (рН, концентрація солей, тощо). Біоплівка біофільтра неоднорідна і складається з багатьох видів мікроорганізмів, пристосованих до певного складу стічної води. Поживні речовини та кисень надходять до мікробіоти біоплівки в різних концентраціях. На її поверхні, де достатня кількість кисню, розвиваються аеробні види, а у глибині, де концентрація кисню менша, - факультативно та облігатно анаеробні. Поверхневі мікроорганізми контактують з більш концентрованими стоками, отже отримують краще харчування та є більш резистентними до їх токсичної дії. Глибинні мікроорганізми, як правило, споживають метаболіти поверхневих видів і забрудники води в менших концентраціях.
За допомогою біофільтрів успішно очищують токсичні стічні води, що містять ксенобіотики.
Обертові біоконтактори - це напівзанурені у стічну воду металеві або пластмасові диски, на поверхні яких на носіях різної природи інтенсивно розвивається біоплівка мікроорганізмів. Диски прикріплені до вала, що повільно обертається. Біоплівка періодично то занурюється у воду, то, піднімаючись, контактує з повітрям.
Анаеробні біологічні очисні споруди (метантенки, анаеробні біореактори) очищують стічні води за рахунок життєдіяльності анаеробних мікроорганізмів, які в них перебувають у планктонному стані або у вигляді біоплівок.
Метантенки - це герметичні закриті споруди, у яких перетворення органічних речовин забезпечується життєдіяльністю складного угруповання анаеробних мікроорганізмів (рис. 12.15).
Рис. 12.15. Загальний вигляд і схематична будова метантенка
Традиційно метантенки використовуються для збродження сирих осадів первинних відстійників і надлишкового активного мулу аеротенків. Осади та активний мул завантажується в метантенк і витримується без доступу кисню протягом 10-30 діб у мезофільних (3035 0С) чи термофільних (50-55 0С) умовах, тобто цей технологічний процес є періодичним. Анаеробне угруповання мікроорганізмів метантенка - анаеробний мул - здійснює складне перетворення органічних речовин, що включає чотири стадії:
1. Стадія ферментативного гідролізу складних полімерних молекул (полісахаридів, білків, ліпідів) до простих (цукрів, органічних кислот, гліцерину, амінокислот) за допомогою позаклітинних ферментів целюлозолітичних, пектинолітичних, ксиланолітичних, амілолітичних, протеолітичних бактерій.
2. Стадія кислотогенезу характеризується накопиченням коротко - ланцюгових органічних кислот завдяки життєдіяльності бактерій первинних бродильників: 20 % органічних речовин перетворюється в ацетат, 15 % - у пропіонат, 65 % - в інші леткі жирні кислоти, спирти, СО2 та Н2. Інтенсивний перебіг цієї стадії може призвести до різкого зниження рН середовища і пригнічення наступних стадій.
3. Стадія ацетогенезу. Органічні кислоти і спирти перетворюються в ацетат за рахунок синтрофних бактерій (вторинних бродильників).
4. Стадія метаногенезу характеризується утворенням біогазу. Основний його компонент - метан виділяється як кінцевий метаболіт метаногенних археїв при їх рості на суміші СО2 та Н2, метанолі, метиламінах, ацетаті. Друга складова біогазу - СО2 накопичується в основному в результаті метаногенезу на ацетаті.
Метантенки та аналогічні анаеробні реактори використовуються не лише для утилізації складних органічних відходів, а й для отримання біогазу. Часто ці два завдання виконуються одночасно.
Біогаз - це суміш газів, що утворюються при біодеструкції органічних матеріалів за анаеробних умов. На 50-70 % він складається з метану, на 30-40 % - з вуглекислого газу, а також містить інші гази у слідових кількостях.
Після завершення метанового бродіння в реакторі залишається зброджений осад (залишки речовин, що не збродилися), а також біомаса анаеробних мікроорганізмів. Після отримання біогазу зброджений осад як побічний продукт видаляється з реактора. Це стабілізований, вільний від патогенів матеріал, який можна використовувати як добрива для сільського господарства.
На сьогодні у світі використовується та розробляється понад 60 різновидів біогазових технологій. Принципова технологічна схема отримання біогазу складається з кількох вузлів:
1. Гомогенізатор для змішування різної сировини, її подрібнення та, у разі необхідності, розведення водою.
2. Метантенк (анаеробний реактор) - камера, непроникна для повітря і води, у якій здійснюється метанове бродіння.
3. Газгольдер - ємність для зберігання біогазу.
4. Установки для десульфуризації (видалення H2S) та осушення газу (при потребі).
5. Системи подачі біогазу для обігріву приміщень або отримання електроенергії.
6. Система видалення з реактора збродженого осаду.
Для анаеробного біологічного очищення стічних вод може застосовуватися біомаса анаеробних бактерій у вигляді іммобілізованої на інертному носії біоплівки. Конструкція такого біореактора дещо нагадує занурений у стічну воду біофільтр. Стічна вода подається знизу, з певною швидкістю проходить крізь біоплівку і витікає у верхній частині очисної споруди, тобто, на відміну від метантенків, тут застосовується безперервний технологічний процес (рис. 12.16).
Рис. 12.16. Анаеробний проточний біореактор з іммобілізованою на носії біомасою
Такі очисні споруди використовуються для очистки стоків бродильних виробництв, хімічної та фармацевтичної промисловості.
Технології очищення води на основі гранульованого анаеробного мулу беруть свій початок з 70-х років XX ст. На той час голландський учений Ганс Леттінг помітив, що в біореакторі з безперервним висхідним проточним режимом надходження стічної води за певних умов анаеробний мул утворює агрегати у вигляді гранул 0,5-2 мм у діаметрі.
За відсутності будь-якого інертного додаткового носія потік води створює селективні умови, за яких зберігаються і розмножуються в біореакторі лише ті клітини, які здатні прикріплюватися одна до одної. Згодом ці агрегати перетворюються в компактні біоплівки, схожі на гранули.
Гранульований анаеробний мул застосовують для очищення стічних вод спиртових, цукрових заводів, броварень, виробництва крохмалю, целюлозно-паперового виробництва, різних галузей харчової промисловості .
UASB-реактор Леттінг запропонував у 1980 р. За його схемою стічна вода рухається знизу вгору. У нижній частині реактора здійснюються
анаеробні процеси, а вгорі розташований трифазний сепаратор, де відбувається розділення речовин у трьох фазах: твердій - гранули повертаються назад, рідкій - вода витікає з реактора, газоподібній - біогаз виводиться з реактора. Стічна вода проходить крізь шар гранульованого мулу та очищується. Гранули наповнюються біогазом і спливають. Коли біогаз виходить, вони осідають на дно реактора.
EGSB-реактор має збільшений шар гранульованого мулу, що дозволяє здійснювати висхідний потік води з більшою швидкістю. При великій швидкості протоку можливо очищати стічні води, що містять завислі частки (частки не встигають осідати на дно). Крім того, у цій споруді забезпечується рециркуляція води, що дозволяє очищати токсичні стоки (токсична стічна вода перед надходженням у біореактор розбавляється вже очищеною водою).
Традиційна і найбільш поширена у світі технологічна схема очищення муніципальних (побутово-фекальних) стічних вод (рис. 12.17) включає три етапи:
1. Механічна очистка.
1.1. У граберному відділенні вода проходить крізь решітки, на яких затримуються грубі механічні домішки. Ці домішки вивозять на сміттєспалювальний завод.
1.2. На піскоуловлювачах осідає пісок, відділяється від води і вивозиться.
1.3. У первинних відстійниках силами гравітації від води відділяються нерозчинні домішки, осідають на дно і відкачуються в метантенки. Жири збираються на поверхні відстійника, згрібаються певними пристроями в бункер і також направляються в метантенки.
2. Біологічне очищення.
2.1. В аеротенках відбувається аеробне окиснення розчинних органічних забрудників води активним мулом.
2.2. У вторинних відстійниках активний мул осідає і відділяється від води. Частина його подається знову в аеротенки, а надлишок - у метантенки або вивозиться на мулові майданчики.
2.3. У метантенках відбувається анаеробна деструкція сирого осаду та жирів з первинних відстійників та надлишкової біомаси активного мулу зі вторинних відстійників.
3. Фізико-хімічне доочищення води полягає в 'її знезараженні, тобто знищенні патогенних мікроорганізмів. Це може здійснюватися хлоруванням, іноді опроміненням ультрафіолетом чи озонуванням. Для повного і безпечного доочищення води її можна обробляти коагулянтами та флокулянтами, відстоювати і фільтрувати крізь пісок та активоване вугілля.
Рис. 12.17. Технологічна схема очистки господарсько-фекальних стічних вод:
1 - граберне відділення; 2 - піскоуловлювач; 3 - майданчик для вивезення піску;
4 - первинний відстійник; 5 - метантенк; 6 - аеротенк; 7 - вторинний відстійник;
8 - фізико-хімічне доочищення води
Біоремедіація ґрунтів та ґрунтових вод. Біоремедіація ґрунтів може здійснюватися двома способами:
- шляхом внесення в забруднений ґрунт біоелементів (азоту та фосфору), води, кисню, що сприяє збільшенню активності ґрунтових мікроорганізмів, а отже і деструкції забрудників;
- шляхом внесення в забруднений ґрунт спеціально селекціонованих чи генетично-модифікованих високоактивних штамів-деструкторів. Біоремедіацію забрудненого ґрунту здійснюють у біореакторах - ємностях чи контейнерах, у яких контрольовано відбувається біодеструкція забрудників. Конструкція біореактора залежить від типу забрудника, складу забрудненого ґрунту та вартості технології. Існує два основних типи біореакторів:
Сухі реактори (рис. 12.18) застосовуються у випадках неглибокого забруднення ґрунту. Очищення відбувається за допомогою ґрунтових мікроорганізмів. Невелика кількість рідини надходить у біореактор шляхом спеціальної системи розбризкування води або в результаті природного випадання осадів. У ґрунт додають також біогенні елементи. Необхідний рівень кисню забезпечується шляхом фізичного перемішування землі. У ґрунті може бути прокладена система труб для видалення летких випаровувань.
Рис. 12.18. Схема біоремедіації ґрунту в сухому реакторі
Пульпові реактори є більш ефективними для очистки ґрунту від складних забруднень. У них ґрунт змішується з великою кількістю води, мікроорганізмами та поживними речовинами до утворення ґрунтової пульпи.
Біоремедіацію ґрунтових вод здійснюють у реакторах із іммобілізованою біоплівкою за аеробних чи анаеробних умов. Ґрунтові води попередньо піднімають на поверхню, пропускають крізь біореактор, а потім повертають назад, під землю.