CC BY
68
УДК 574.589
Челноков В.В., Раткин И.М., Заболотная Е.
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ВОДЫ
Челноков Виталий Вячеславович, д.т.н., профессор кафедры логистики и экономической информатики Раткин Илья Михайлович, студент 2 курса магистратуры факультета инженерной химии; e-mail: ilya. ratkin@yandex. ru
Заболотная Елена, аспирант 3 года обучения факультета цифровых технологий и химического инжиниринга кафедры логистики и экономической информатики.
Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9В данной статье приводится обзор основных принципов биологической очистки воды и стоков. Выполнен краткий анализ процессов. Рассматривается актуальность комплексного подхода к созданию сооружений биологической очистки воды.
Ключевые слова: биологическая очистка, биоплато, антропогенные загрязнения, экосистема, восстановление водоемов, нефтяные загрязнения
MODERN TECHNOLOGIES OF BIOLOGICAL WATER TREATMENT
Chelnokov Vitaliy Vyacheslavovich, Ratkin Ilya Mihaylovich, Zabolotnaya Elena
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia, 125047, Miusskaya 9
The article provides an overview of the basic principles of biological treatment of water and effluents. A brief analysis of the processes is performed. The relevance of a comprehensive approach to the creation of biological water treatment facilities is considered.
Keywords: biological treatment, constructed wetlands, anthropogenic pollution, ecosystem, restoration of lakes, oil pollution.
По принципу действия очистка водных объектов или загрязненных стоков может быть механической (отделение или осаждение нерастворимых фракций), биологической (аэробное и анаэробное преобразование загрязняющих веществ в безопасные, поглощение неразлагаемых токсинов) и физико-химическиой.
Среди способов очистки стоков и поверхностных вод от загрязнений наиболее безопасным и экономически эффективным в ряде случаев является биологическая очистка. В процессе очистки хозяйственно-бытовых стоков широко используется метод биологической очистки в аэротенках (традиционные поля аэрации). Являясь энергонезависимыми и саморегулирующимися, биологические методы очистки могут быть использованы для решения практически любых задач очистки водных объектов в любых масштабах (от лабораторного аквариума до морской акватории).
Процессы, происходящие при биологической очистке вод, не достаточно глубоко изучены, имеют сложные связи и зависят от множества факторов (температура, освещение, концентрация
загрязняющих веществ, внешние экологические и биологические факторы, пищевая конкуренция), что затрудняет аналитическое исследование этих процессов. Создание математической модели такой установки осложняется отсутствием единого теоретического подхода в математической экологии.
Биологическая очистка воды происходит в результате следующих основных процессов:
- сорбция (поглощение) загрязняющих веществ из воды с накоплением этих веществ в тканях применяемых организмов и материалов;
- химическое преобразование (биодеградация) загрязнений и токсинов в менее опасные;
- механическое осаждение взвешенных частиц;
- конкуренция биологических видов (угнетение нежелательной биоты).
Для реализации этих механизмов используются высшие водные растения, микроскопические водоросли, бактерии, искусственные волокна и их сочетания.
Для биологической очистки применяются, в основном, полупогруженные высшие водные растения (ВВР). Корни таких растений полностью погружены в воду и взаимодействуют с растворенными в воде веществами. Роль высших водных растений состоит, прежде всего, в следующем:
- растения стимулируют продуктами своего метаболизма деятельность микроорганизмов, обитающих на их поверхности и непосредственно в воде;
- поглощают из воды некоторые загрязняющие вещества (фенол, нефтепродукты, металлы, азот и фосфор);
- создают активную адсорбирующую и перерабатывающую поверхность;
- поддерживают высокий окислительный уровень за счет обогащения воды растворенным кислородом;
- участвуют в расщеплении или окислении некоторых загрязняющих веществ (не только органических);
- подавляют развитие фитопланктона.
Основные механизмы воздействия ВВР с
загрязнителями следующие:
- испарение. Некоторые соединения, такие как фенолы и ароматические углеводороды, поглощаются корнями ВВР и выделяются в атмосферу через устьица;
- осаждение. На корнях и подводных частях растений хорошо задерживаются взвешенные частицы, органические эмульсии, жировые и нефтяные пленки. Они вместе с минеральными частицами и органическими суспензиями образуют более крупные осаждаемые агрегаты, которые в дальнейшем разрушаются уже донными организмами;
- регуляция «цветения» водоема. Крупные макрофиты (такие как тростник, рогоз, рдесты, роголистник и др.), затеняя поверхность воды и поглощая биогеннные и другие минеральные соединения, являются мощным антагонистом синезеленых и иных водорослей, подавляют их развитие и этим они устраняют вредное для гидробионтов «цветение» водоемов;
- аккумуляция растениями химических элементов. Ряд ВВР обладает высокой способностью накапливать минеральные вещества: например, один гектар густых зарослей тростника может аккумулировать в своей биомассе до 6 тонн различных минеральных веществ, в том числе калия - 860 кг, азота - 170 кг, фосфора -120 кг, натрия - 450 кг, серы - 280 кг, а также кремний и хлор [1]. Из воды и грунта ВВР извлекают соединения тяжелых металлов, синтетические поверхностно-активные вещества. Наибольшая аккумулирующая способность техногенных элементов отмечена у погруженных растений. Многие виды растений обладают высоким избирательным накоплением радиоактивных элементов. Накапливающая способность гидробионтов характеризуется таким показателем, как коэффициент накопления - соотношение концентрации изотопа в организме и воде. Коэффициент накопления у мхов (сфагнум, фонтиналис) составляет 1600 в течение суток, у ряски в течение трех суток экспозиции составил 2500-4000 при концентрации 90Sr 10-7 - 1010 К^ Коэффициент накопления радиоактивного стронция у зеленых водорослей составляет 6000. Таким образом, растения являются резервуаром-накопителем токсичных веществ, изымая их из воды. Для того, чтобы вещества не возвращались обратно в водоем вместе с отмершими частями растений, требуется систематическое выкашивание водных растений;
- фотосинтетическая аэрация водоемов. Увеличивается содержание кислорода в воде под влиянием растений, в результате чего происходит быстрое окисление органического вещества, ускоряется процесс нитрификации, усиливается потребление фотосинтетиками свободной углекислоты;
- преобразование токсинов (минерализация и окислительная функция). Деструкция фенолов в харовых водорослях, например, объясняется
наличием у них фермента фенолоксидазы. В экспериментальных условиях уруть в течение 3-7 дней удаляла из водоема до 50% дифенамида, а водный гиацинт - до 80%; эти растения разлагают этот гербицид на менее устойчивые соединения, которые в дальнейшем разрушается микроорганизмами.
Основная роль другого участника системы биологической очистки - бактерий, состоит в расщеплении (чаще всего, аэробном) загрязнений [3]. Грибы также участвуют в деградации практически всех органических субстратов, в том числе таких как лигнин, хитин, кератин и других труднодоступных соединений, которые практически не разлагаются бактериями. Традиционная биологическая очистка использует именно бактериальный механизм очистки: аэробный (аэротенки) или анаэробный (метантенки). Кроме того, деятельность бактерий является основным процессом расщепления нефтепродуктов и других органических загрязнений. Как показали эксперименты, наилучших результатов можно добиться используя симбиотическую связку колоний бактерий и высших водных растений
Животные-фильтраторы (прежде всего, двустворчатые моллюски) также принимают участие в очистке воды, извлекая из толщи воды и осаждая на дне взвешенные и слаборастворимые органические и минеральные вещества. Роль фильтраторов в некоторых водоемах может оказаться решающей в процессе очистки.
Однако наилучших результатов добиваются при использовании совокупного действия нескольких факторов, как показано на примере комплексной деструкции нефтяных загрязнений. Разложение нефти - результат совместной деятельности гетеротрофных микроорганизмов и растений.
Разрушение нефти и нефтепродуктов осуществляется в основном за счет жизнедеятельности нефтеокисляющих и сапрофитных бактерий. Наличие ВВР ускоряет бактериальное разложение нефти и нефтепродуктов в 3-5 раз (различные виды нефти: сырая, товарная, эмульгированная, а также нефтепродукты, при концентрации 1 г/л).
Существенная (часто - основная) часть высокотоксичных органических соединений (в частности, фенолов, нефти, пестицидов и др.) разрушается бактериями и грибами, обитающими на поверхности корней ВВР. При этом происходит интенсивное потребление кислорода аэробными микроорганизмами. Окисление двухвалентного железа в трехвалентное также происходит в результате деятельности железобактерий
хемолитоавтотрофов, развивающихся на поверхности корней высших водных растений.
Искусственные волокна также способствуют повышению эффективности очистки. С развитием технологий получения углеродных волокон широко стали применяться такие волокна для очистки воды от загрязнений. Применение искусственных волокон развивается в двух различных направлениях: сорбция
и развитие бактериальных колоний на поверхности волокон. С целью сорбции используют активированные волокна, эффективность поглощения которых оказывается выше эффективности поглощения традиционных порошковых сорбентов. Значение удельной поверхности углеродного волокнистого сорбента более 700 м2/г [2]. Для развития колоний бактерий-деструкторов
используются более гладкие волокна с поверхностью около 0,5 м2/г. Такие волокна подвешивают к корням высших водных растений, существенно увеличивая площадь, предоставленную для формирования бактериальной пленки (известно, что корни водных растений слабо развиты в сравнении с наземными растениями и наличие дополнительной поверхности значительно повышает эффективность работы бактериопланктона).
Современная очистная система биологической очистки использует комплекс описанных механизмов снижения объема загрязняющих веществ. В такой системе используется совместная работа высших водных растений с применением искусственных волокон, бактериопланктона и консументов. Одной из наиболее известной является конструкция плавучего биоплато, схема которого представлена на рисунке 1.
Рис.1. Биоплато
Биоплато представляет собой плавающий мат высших водных растений с развитой подводной экосистемой (корневая система, система редуцентов и консументов, обитающих в корневой системе плато). Корни высших водных растений контактируют с водной средой, образуя естественную биопленку, что способствует очищению водной среды. При применении в биоплато углеродсодержащих волокнистых материалов с высшими водными растениями они образуют большую площадь биопленки (рис. 2). Таким образом, формируется благоприятная среда для жизнеобеспечения аэробных и анаэробных микроорганизмов.
Рис.2. Схема конструкции биоплато с углеродным волокном
В такой системе представлены три основных уровня трофической цепи:
- продуценты (высшие водные растения и водоросли). Их основная роль в биоплато - это аэрация, создание благоприятных условий для существования бактериопланктона, поглощение продуктов расщепления органики (в первую очередь, это поглощение азота, фосфора, соединений углерода);
- редуценты (в основном, бактерии) разлагают сложные органические соединения до соединений, которые могут быть усвоены продуцентами или до менее токсичных соединений, как например в случае с окислами железа;
- консументы потребляют неразлагаемые органические останки, а также участвуют в выведении малорастворимых соединений фосфора
Некоторые звенья этой цепи не участвуют непосредственно в поглощении или расщеплении загрязнений. Это могут быть рыбы, паразиты, зоопланктон. Роль таких вспомогательных звеньев состоит в создании условий для жизнедеятельности основных рабочих звеньев трофической цепи и замыкании трофической цепи. При определенных условиях в системе наступает динамическое равновесие, что делает такую систему устойчивой и саморегулирующейся. Автономность такой системы очистки позволяет использовать ее на больших площадях, не требуя непрерывного обслуживания и частой замены расходных материалов.
Приведенная в статье технология очистки водных объектов занимает достойное место в списке энерго-ресурсоэффективных производств, обеспечивая безопасный процесс очистки, не нанося вред окружающей среде. Подобные технологии могут быть использованы как для очистки вод от органических загрязнений, СПАВ, так и от соединений тяжелых металлов.
Список литературы
1. Ягодкин Ф.И., Вильсон Е.В., Долженко Л.А., Романенко Е.Ю. Теоретические исследования целесообразности использования «Биоплато» для обезжелезивания шахтных вод // Юг России: экология, развитие. — 2017. — Т.12, N2. С.147-158
2. Давлятёрова Р.А., Смирнов А.Д., Ткаченко С.Н. Перспективность применения углеродных волокнистых сорбентов для очистки воды от техногенных загрязнений // Водоснабжение и санитарная техника. — 2010. — № 10, ч. 2 с.12-17
3. Котелевцев С. В., Маторин Д. Н., Садчиков А. П. Экологическая токсикология и биотестирование водных экосистем. Учебное пособие. — ИНФРА-М Москва, 2015. — 252 с
