Биоремедиация природных и производственных сред

i в мире науки |

Биоремедиация природных и производственных сред

Окончание. Начало в №10

В связи с неуклонным повышением содержания в стоках трудноразлагаемых органических загрязнителей, а также общим увеличением объема бытовых и промышленных органических отходов традиционная биологическая очистка уже не дает удовлетворительных результатов. Биологические очистные сооружения испытывают существенные нагрузки при поступлении стоков с повышенным количеством загрязняющих веществ, а также содержащих токсические и трудноразлагаемые соединения. Многие отрасли промышленности (пищевая, целлюлозно-бумажная, микробиологическая, химическая, фармацевтическая и др.) являются масштабными производителями концентрированных по органическим загрязнениям сточных вод, которые приводят к перегрузкам сооружений аэробной биологической очистки. В результате загрязнения беспрепятственно попадают в окружающую среду - реки, озера, грунтовые воды.

Алисса Самсонова,

завлабораторией деградации ксенобиотиков и биоремедиации природных и производственных сред Института микробиологии НАН Беларуси, доктор биологических наук

Для решения этой проблемы необходима предварительная очистка сточных вод с применением принципиально новых методов, основанных на использовании специализированных микроорганизмов-деструкторов, способных разрушать токсические соединения в концентрациях, в десятки раз превышающих предельно допустимые, принятые для подачи на биологически очистные сооружения, и обеспечивающих эффективную очистку многокомпонентных сильнозагрязненных стоков. Их биоремедиация экономична, не требует больших капитальных и эксплуатационных затрат. Локальные установки, в которых реализуется очистка,

занимают незначительные площади, просты и надежны в обслуживании. К ее преимуществам относится также то, что по сравнению с химической она не вызывает появления в окружающей среде нового загрязняющего соединения.

Основные факторы, определяющие возможность биоремедиации сточных вод:

• способность органических веществ, содержащихся в стоках, биохимически окисляться;

• наличие необходимых питательных веществ (К Р, К, С, витамины и микроэлементы);

• концентрация загрязненных веществ не превышает установленную норму;

• активная реакция среды должна быть близкой к нейтральной;

• в сточных водах должны отсутствовать поверхностно-активные вещества, мешающие доступу кислорода на очистное сооружение.

Эффективность биоремедиации связана с устранением недостатков биохимического способа очистки, основанной на

деятельности спонтанной микрофлоры активного ила. Достоинство применяемых для биоремедиации чистых культур специфических деструкторов заключается в том, что они могут быть использованы в иммобилизованном виде на абсорбентах и биофильтрах для предотвращения вымывания клеток из системы.

Закрепление микроорганизмов позволяет не только постоянно наращивать биомассу микроорганизмов-деструкторов в очистном сооружении, но и осуществлять их пространственную сукцессию.

Методы иммобилизации микроорганизмов условно можно разделить на три типа: химические (связывание бифункциональными реагентами), механические (включение в гель, мембрану) и физические (адсорбция, агрегирование).

При химической иммобилизации между поверхностью клетки и материалом носителя создаются ковалентные связи, то есть клетка химически «пришивается» к носителю. При физическом методе происходит удерживание клетки носителем за счет физических факторов: адсорбционно, сеткой полимерного геля с порами меньше размеров клетки, непроницаемой для клеток мембраной или электрическим полем.

Совершенствование метода биоремеди-ации высококонцентрированных сточных вод способствовало разработке комбинированной технологии, основанной на использовании как аэробных, так и анаэробных микроорганизмов-деструкторов в системе, состоящей из двух биореакторов - ана- и аэробного типа.

Преимущества комбинированной технологии по сравнению, например, с тради-

ционной аэробной очисткой (аэротенки, биофильтры) заключается в следующем:

• отсутствуют энергозатраты на аэрацию;

• органические загрязнения сточных вод как минимум на 90%о конвертируются в ценный энергоноситель - метан, выходы последнего достаточно высоки - 0,35 м3 с 1 кг удаленного ХПК;

• прирост избыточной биомассы по сухому веществу в 5-10 раз меньше, чем при чисто аэробной очистке; избыточная биомасса стабильна, не загнивает при хранении, легко обезвоживается без применения реагентов. Высокое содержание в анаэробной биомассе витамина В делает ее ценным сырьем для получения кормовых добавок;

• применительно к очистке концентрированных стоков анаэробные системы, как правило, значительно производительнее аэробных, так как в анаэробных реакторах достигается очень высокая концентрация биомассы - до 30-50 г/л и более при 4-8 г/л в аэробных. Производительность современных высокоскоростных анаэробных реакторов составляет 15-20 кг ХПК/м3 в сутки. Окислительная мощность аэротенков и аэробных биофильтров не превышает 5-10 кг ХПК/м3 в сутки;

• анаэробные реакторы устойчивы к длительным перерывам в подаче сточной воды, что позволяет эффективно использовать их для очистки стоков сезонных производств;

• применительно к сточным водам, не содержащим биогенные элементы, анаэробная очистка требует в 5-10 раз меньшей биогенной подпитки, чем аэробная;

• конструкция анаэробных реакторов герметична, что предотвращает распространение дурно пахнущих веществ и бактериальных аэрозолей вокруг очистных сооружений и позволяет значительно снизить размеры санитарно-защитной зоны очистного сооружения;

• компактность и санитарно-гигиеническая безопасность современных анаэробных биореакторов делает возможным их широкое использование для локальной очистки концентрированных промышленных сточных вод предприятий, расположенных в населенных пунктах. Избыточная анаэробная биомасса может быть использована в качестве удобрения или для запуска других анаэробных реакторов;

• промежуточные и конечные продукты анаэробной очистки (ЛЖК, объем и состав

биогаза) легко поддаются количественному определению. Это облегчает применение автоматизированного контроля и управления.

Экономика комбинированной технологии, рассчитанная на примере типового спиртзавода с ежедневной продукцией сточных вод, составляющей в среднем 500 м3 при 90%-ной эффективности удаления ХПК загрязнений, показала, что годовой доход от биогаза (70% метана) составляет 35 542 долл.

Удаление из почвы и воды вредных для здоровья тяжелых металлов, а также радиоактивных изотопов требует других подходов по сравнению с обезвреживанием ядовитых органических отходов.

Биологическую очистку антропогенно нарушенной окружающей среды все чаще осуществляют с помощью растений, которые не только сами активно участвуют в процессах фиторемедиации, но и благоприятно действуют на микрофлору почв, повышая эффективность процессов восстановления в них нарушенных естественных условий. Совместное симбиотическое использование детокси-кационного потенциала микроорганизмов и растений может быть очень результативным.

Метод фиторемедиации стал особенно эффективным и экономически выгодным методом после того, как были обнаружены растения - гипераккумуляторы тяжелых металлов, способные накапливать в своих листьях до 5% никеля, цинка или меди в пересчете на сухой вес, то есть в десятки раз больше, чем обычные растения.

Американские исследователи подсчитали, что восстановление обычным способом одного акра (0,4 га) почвы, загрязненной ртутью до глубины 50 см, в среднем обходится от 400 тыс. до 1,7 млн долл., тогда как применение фиторемедиацион-ной технологии на порядок ниже: от 60 до 100 тыс. долл.

Современные фиторемедиационные технологии основаны на различных методологических подходах, включающих

фитоэкстракцию, ризофильтрацию, фито-деградацию, фитоволотализацию.

Растения-гипераккумуляторы привлекают большое внимание исследователей в связи с их потенциальным использованием для очистки загрязненных тяжелыми металлами почв методом фитоэкстрак-ции. По отношению к никелю (№) термин «гипераккумулятор» применяют для описания растений, накапливающих более 1000 мг/кг данного элемента в пересчете на сухое вещество, что примерно на два порядка выше максимальных значений, обнаруженных в неаккумулирующих данный элемент видах растений. Гипераккумуляторы тяжелых металлов обычно эндемичны к определенному типу геологического субстрата и могут служить индикаторами специфических типов пород.

Процесс усвоения тяжелых металлов растениями стимулируется рядом веществ (например, этилендиаминте-трауксусной кислотой), образующих с металлами в почвенном растворе устойчивые, но растворимые комплексные соединения. Повышению доступности тяжелых металлов способствуют также фитосидерофоры, выделяемые корнями растений. Роль фитосидерофоров, возможно, играют и некоторые белки, связывающие тяжелые металлы и делающие их более доступными для растений. Это свойство, связанное с частицами почвы, повышают и находящиеся в мембранах корневых клеток ферменты редуктазы, а также корневая микрофлора.

Механизмы очистки воды с помощью корней и проростков могут быть разными. При удалении свинца главную роль играет образование нерастворимых соединений и ионная сорбция. Так, на корнях индийской горчицы, находящихся в воде, образуется нерастворимый слой, который состоит преимущественно из карбоната свинца; такой же слой образуется и на корнях кукурузы. Вместе с тем свинец может связываться и с пектиновой фракцией клеточных стенок, обладающей ионообменными свойствами.

Ризофильтрация - способность растений создавать вокруг корневой системы микросреду, способствующую концентрации

1 в мире науки 1

и проникновению в них веществ; свойственна в основном широколиственным, однодольным многолетним растениям, хорошо растущим в условиях и теплого, и холодного климата. Этим требованиям отвечают многие водные и болотные растения.

Фитодеградация, или фитотрансформа-ция, - один из основных технологических приемов фиторемедиации. Он основан на возможности растений совместно с почвенной микрофлорой осуществлять ферментативное расщепление органических токсикантов почвы. В процессе деградации органических веществ происходит удаление из почвы и неорганических токсических загрязнителей, таких как тяжелые металлы и радионуклиды.

Фитодеградационная технология эффективна также в случаях загрязнения почвы высокими концентрациями алифатических, ароматических и полициклических углеводородов, фенолов, пестицидов и др. Наиболее высокие фитодеградаци-онные характеристики проявляют такие однолетние травянистые растения, как овсяница, хрен, люцерна, а также древесные: дуб, тополь, ива, кипарис. Органические токсиканты в воде активно метаболизируют многие водоросли.

Сущность такой фиторемедиационной технологии, как фитоволотализация, заключается в способности растений к газообмену и транспирации. При этом токсиканты, поступившие в растение через корневую систему, выделяются в атмосферу с транспирационным током. Эта технология оказалась весьма пригодной для очистки почв и водоемов от органических и даже неорганических соединений на основе селена и ртути. Однако у этой технологии в ряде случаев имеются серьезные ограничения. Выделившиеся в атмосферу нетрансформированные токсиканты могут оказаться вовлеченными в пищевую цепь и стать причиной вторичного загрязнения окружающей среды.

Для очистки воздуха используют технологии, основанные на механических, химических и физико-химических способах поглощения и удаления загрязняющих

атмосферный воздух веществ, такие как термический дожиг, каталитическая и термокаталитическая очистка, озонирование, газоразрядно-каталитическая очистка, конденсация и др.

В настоящее время для очистки вент-воздуха различных предприятий используются способы, основанные на применении биоремедиации. Наиболее простой из них - биофильтр - работает по принципу пропускания загрязненного воздуха через слой высокопористого материала (солома, опилки и т.д.), на которых находится биопленка, состоящая из специализированных микроорганизмов-деструкторов. Такие биофильтры не получили достаточно широкого использования в связи со сложностью обеспечения равномерности поступления на фильтр загрязнителей, сложностью поддержания на биофильтре избыточной концентрации микроорганизмов и необходимых для них биогенных элементов.

Наиболее прогрессивный способ биоремедиации производственного воздуха сочетает в себе преимущества самого широко используемого приема- абсорбционной очистки вент-воздуха и биологической деструкции загрязняющих веществ. Для этого последние улавливаются и фиксируются в растворе, а затем минерализуются до состояния естественных (природных) аналогов в аппаратах типа биореактор. Применение абсорбера с подвижной, постоянно орошаемой абсорбентом на основе воды, доведенной до состояния псевдоожиженности, насадкой позволяет вести процесс стабильно, надежно и эффективно даже при условии изменения нагрузок по количеству очищаемого вентвоздуха и степени его загрязнения вредными веществами. При этом характер загрязнителей мало влияет на эффективность работы аппарата, так как проводится тщательный подбор состава абсорбента и технологии его регенерации. В то же время раздельная регенерация абсорбционного раствора позволяет кислые, щелочные, неорганические и органические примеси переводить в форму ионов минеральных

солей или СО2, Н2О, свободного азота и других природных аналогов. Обеспечивается это современными технологиями биохимической обработки раствора с применением специальных штаммов микроорганизмов, активирующих присадок и оригинальных конструкций аппаратов.

Как показала практика, абсорбционно-биохимический метод нашел широкое применение в очистке вентвоздуха от наиболее токсических органических веществ - фенола, формальдегида, метанола, триэтиламина, ЛОС, спиртов и может с успехом заменить любой из других наиболее известных методов.

Мировая тенденция в области разработки технологий ремедиации вент-выбросов обращена в сторону более широкого использования биотехнологий, так как последние обладают малой энергоемкостью и высокой степенью подобия природным процессам, протекающим в естественной среде; надежны в работе, не требуют больших трудовых затрат и расходных материалов на обслуживание и поддержание в рабочем состоянии аппаратов газоочистки; практически не имеют побочных продуктов, требующих дополнительных технологических приемов для их утилизации, а по капитальным и эксплуатационным затратам выгодно отличаются от других методов.

В нашей стране в условиях интенсификации промышленного и сельхозпроиз-водства отмечается наличие природных территорий и промышленных объектов, характеризующихся высокой степенью загрязнения токсическими химическими веществами, содержащимися в пылега-зовыбросах и недоочищенных сточных водах.

По результатам локального мониторинга за период 2006-2010 гг., представленным в Национальном докладе Республики Беларусь об осуществлении Конвенции ООН по борьбе с деградацией земель, площадь территорий с опасным уровнем загрязнения в городах страны оценивается в 78 тыс. га, в зонах

влияния автодорог - в 119 тыс. га, в пределах сельхозугодий - в 10 тыс. га, в районах влияния полигонов - в 2,5 тыс. га. К категории основных загрязняющих веществ в городской местности относятся нефтепродукты - в 50% населенных пунктов содержание нефтепродуктов в почвах превышает предельно допустимую концентрацию в 5-15 раз, а также тяжелые металлы - кадмий, цинк, свинец. Источником загрязнения почвы полициклическими ароматическими углеводородами (ПАУ), нефтепродуктами и полихлорированными бифени-лами (ПХБ), летучими органическими соединениями (ЛОС) выступают предприятия химического и нефтехимического комплексов. В отдельных случаях в промышленных зонах концентрация указанных ксенобиотиков превышает допустимый уровень в почве более чем в 100 раз.

Суммарное количество сточных вод промышленных предприятий и жилищно-коммунального хозяйства городов Беларуси находится на уровне 1500 млн м3/ год. В 2009 г. фактический объем нормативно очищенных вод составлял менее 700 млн. м3, а большая их половина сбрасывалась в водные объекты республики недостаточно очищенной (с содержанием органических веществ, нефтепродуктов и аммиачного азота 78, 83 и 89% соответственно).

Выбросы основных загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух, на территории Беларуси представлены в основном оксидами азота, взвешенными частицами и ЛОС, которые в среднем по годам (2005-2009 гг.) составили 66,6, 45,7 и 74,4 тыс. т в год соответственно. Кроме основных загрязняющих веществ, по которым ведется локальный мониторинг, в атмосферном воздухе в повышенных концентрациях присутствуют также приоритетные специфические загрязняющие вещества - фенол, формальдегид, аммиак, сероводород, бензпирен и тяжелые металлы - свинец и кадмий.

С учетом сложившейся ситуации вопросы охраны окружающей среды и рациональ-

ного использования природных ресурсов отнесены к приоритетным направлениям государственной политики. В соответствии с Национальной стратегией устойчивого социально-экономического развития Республики Беларусь на период до 2020 года важнейшими задачами экологической политики страны являются совершенствование технологического уровня производства, ориентация его на разработку и применение новых технологий, способствующих сокращению объемов выбросов загрязняющих веществ и ликвидации негативных последствий хозяйственной деятельности на окружающую среду.

Институт микробиологии НАН Беларуси принимает активное участие в реализации указанной стратегии. В целях обеспечения снижения вредных воздействий на окружающую среду созданы микробные препараты, на основе которых разработаны новые технологии очистки вентвыбросов от триэтиламина, фенола, формальдегида, ЛОС, внедренные совместно с сотрудниками УП «Промышленные экологические системы» на 17 предприятиях народного хозяйства Республики Беларусь, России, Украины, Киргизии. Созданные установки функционируют с высокой производительностью по воздуху - от 2 до 19 тыс. м3/час, интенсивностью рециркуляции абсорбционного раствора 5-6 м3/час и эффективностью очистки по загрязняющим ингредиентам от 87 до 96,5%.

Существенный социальный эффект внедрений заключается в предотвращении выбросов в атмосферу вредных органических веществ и создании благоприятных условий труда рабочих данных предприятий. Эффективность абсорбционно-биохимических установок соответствует мировому уровню, что подтверждается результатами их работы и запросами на продажу технологий, поступившими от итальянских и американских компаний, переходящих от химических технологий очистки вентвоздуха к экологически безопасным - биологическим.

Для улучшения качества подземных и поверхностных вод путем снижения

сброса в них загрязняющих веществ от источников жилищно-коммунального хозяйства и промышленных источников в Институте разработаны технологии локальной микробной очистки сточных вод крупнейших химических предприятий республики - ОАО «Гродно Химволокно» и «Могилевхиволокно».

В частности, на ОАО «Гродно Химволок-но» внедрен микробный метод утилизации технологических стоков полиамидных производств. На ОАО «Могилевхимволок-но» в установке объемом 40 м3 внедрена технология микробной очистки сточных вод от анионактивных и неионогенных СПАВ, а в установке объемом 140 м3 - от метанола, динила, этиленгликоля, нефтепродуктов. Такие высокопроизводительные установки для биоремедиации многокомпонентных сточных вод созданы в Республике Беларусь впервые. Они обеспечивают эффективную очистку стоков от токсических органических веществ до ПДК сброса в канализацию, предотвращают поступление загрязненных стоков в реки Днепр и Сож, способствуют экономии материальных средств на эксплуатацию биологических очистных сооружений в Могилеве и Гродно.

Разработанный в Институте микробиологии НАН Беларуси первый в республике микробный препарат «Клинбак» на основе нетоксичных и непатогенных микроорганизмов предназначен для интенсификации очистки сельскохозяйственных и коммунальных стоков в биологических очистных сооружениях. Препарат может использоваться на промышленных предприятиях, в жилищно-коммунальном и сельском хозяйстве, в быту. Конкурентоспособность препарата основана на его высокой эффективности и сравнительно низкой стоимости (в 3 раза меньше цены рыночных аналогов - украинских препаратов «Аква-Трит», «Вейст-Трит» и др.).

Для биоремедиации загрязненных земель разработаны микробные препараты «Экобел» и «Родобел-Т», предназначенные для очистки почвы и воды от нефти и продуктов ее переработки. По данным областных отделов Минприроды, в

1 в мире науки 1

Гомельской области загрязненные нефтепродуктами почвы составляют в среднем 1,4 га, в Брестской - 2,32 га. Концентрация нефтепродуктов в них на глубине 0-20 см достигает 442 т/га , для деструкции которых потребуется не менее 40 т препарата «Экобел».

Применение препарата «Родобел-Т» обеспечивает ликвидацию нефтяных загрязнений (1-4%) почвы и воды на 99% за три летних месяца, эффективную рекультивацию загрязненных почв, полную экологическую безопасность, простоту хранения и транспортировки.

Опытные партии препарата «Экобел», выпущенные на Новополоцком заводе БВК, прошли успешные производственные испытания на полигоне МЧС Республики Беларусь. Дизельное топливо, внесенное в почву в концентрации 1 и 10%, было разрушено препаратом на 80,5 и 75,5% за 3,5 месяца. Деструктивная активность «Экобела» и «Родобела-Т» соответствует мировому уровню, а по эффективности они не уступают зарубежным аналогам - нефтедеструкторам «Деворойл», «Дестройл» и др. и более предпочтительны для использования в нашей стране, поскольку базируются на аборигенных штаммах, адаптированных к местным условиям и имеют в 3 раза более низкую стоимость.

Потенциальная потребность в препарате «Экобел» может составить 90 т, а в препарате «Родобел-Т» - свыше 1 тыс. т в год.

В соответствии с Перечнем приоритетных направлений фундаментальных и прикладных научных исследований Республики Беларусь на 2011-2015 гг. в Институте микробиологии планируется:

• осуществить в рамках ГНТП «Промышленные биотехнологии» разработку и внедрение технологий получения и применения микробных препаратов для интенсификации очистки сточных вод от аммонийного азота

и жировых веществ, содержание которых в воде, подлежащей сбросу в водоемы, на ряде очистных сооружений республики ежегодно превышают ПДК в 13-37 раз, а нефтепродуктов - в 90 раз;

• разработать и внедрить в рамках межгосударственной целевой программы

ЕврАзЭС «Инновационные биотехнологии» на 2011-2015 годы комплексный микробный препарат на основе сурфактантобразующих микроорганизмов - деструкторов нефти, иммобилизованных на торфяном носителе.

Технико-экономические преимущества разработанных в институте препаратов перед зарубежными аналогами в значительной степени определяют целесообразность их промышленного выпуска. Их производство обладает существенным коммерческим потенциалом и может внести весомый вклад в решение проблемы импортозамещения.

Экономическая привлекательность биоремедиации для потребителей в Беларуси иллюстрируется таким примером: затраты на биоремедиацию нефтезагряз-ненной почвы при использовании жидкого отечественного препарата можно свести до 50 долл. при общепринятых мировых расценках использования сухих препаратов, составляющих 200 долл. Очистка сточных вод предприятий по переработке сельскохозяйственной продукции, широко представленных на территории республики, при интенсификации процесса методами биоремедиации обойдется государству в 2 раза дешевле в связи с практически полным отсутствием затрат на доочистку их на биологических очистных сооружения, а также благодаря сохранению экологического состояния водоемов, принимающих высокоочищен-ные стоки.

Экономическая эффективность технологий очистки сточных вод производства синтетического волокна на МПО «Химволокно» в биореакторах объемом 20, 40 и 140 м3 в сутки (три установки), разработанных в Институте микробиологии, могут обеспечить экономию средств при их использовании в сравнении со сжиганием загрязненных вод в размере 1728 млн долл. в год. Биоремедиация атмосферного воздуха и воздуха производственных помещений предприятий деревообрабатывающей, металлургической, машиностроительной, лакокрасочной и других отраслей, широко развитых в Беларуси, основана на снижении до 25% расхода

электроэнергии на обслуживание процесса биоочистки в сравнении с физико-химическими способами, экономии воды в режиме ее оборотного использования, а также существенном уменьшении затрат на химические реагенты, аппараты и обслуживающий персонал.

Биоремедиация абсорбционных растворов, образуемых при очистке вентвоз-духа производственных помещений от триэтиламина, фенола, формальдегида, ЛОС, объемом 4250 м3 в год, разработанная в Институте микробиологии, для отечественных предприятий (МТЗ, БМЗ, МАЗ) только за счет использования воды в обороте (при обслуживании биореактора) может составить 153 тыс. долл. в год.

Пристальное внимание государства к разработке и осуществлению биоремеди-ационных мероприятий подтверждается существенными средствами, выделяемыми на улучшение качества очищаемых вод, образуемых на предприятиях, в рамках Государственной программы «Чистая вода». В частности, на реконструкцию и строительство локальных очистных сооружений для организаций промышленности (всего 27 предприятий) на 2011-2015 гг. выделено 147 млрд руб.

Однако отсутствие в Республике Беларусь промышленного выпуска препаратов природоохранного назначения не позволяет проводить целенаправленную работу по улучшению экологической ситуации в стране. Несмотря на усилия, которые предпринимает Институт микробиологии НАН Беларуси в продвижении на рынок биоремедиационных технологий, их используют только отдельные предприятия. Очевидно, что для внедрения биопрепаратов и технологий на их основе в широкую хозяйственную практику необходима разработка законодательной базы, регламентирующая применение природоохранных микробных препаратов, что послужит основой государственной поддержки процесса экологизации окружающей среды.