Анаэробный метод биологической очистки воды.

Системы анаэробной очистки применяют для сбраживания высококонцентрированных стоков, осадков, ила, в том числе активного ила очистных сооружений. Процессы с использованием реакторов традиционных конструкций чаще всего осуществляются в анаэробных лагунах, септитенках (септиках), метантенках, контактных биореакторах.

По сравнению с другими методами биологическая очистка характеризуется меньшими эксплуатационными затратами, простотой в эксплуатации, универсальностью, относительно небольшим образованием малотоксичных и нетоксичных вторичных отходов (III, IV класса опасности) и позволяет перерабатывать большие количества сточных вод различного состава.
Недостатки биологического метода очистки воды обусловлены высокими капитальными затратами на сооружение очистных систем, чувствительностью и небольшим диапазоном допустимых изменений параметров окружающей среды (To, pH, концентрация примесей), необходимостью строгого соблюдения технологического режима очистки, токсичностью некоторых органических веществ для биоценоза активного ила и их биостойкостью, необходимостью предварительного разбавления высококонцентрированных токсичных стоков, что приводит к увеличению потока сточной воды, относительно низкими скоростями разложения загрязнений в биологических реакциях по сравнению с процессами, протекающими при использовании физических, физико-химических и химических методов, и как следствие, потребностью в больших площадях под очистные сооружения.

Биоремедиация загрязнённых почв – это набор методов, основанных на применении биологических агентов для очистки их от ксенобиотиков (поллютантов). Чаще всего для биоремедиации почв используют микроорганизмы (бактерии и грибы), реже – растения. Выбор определенной технологии биоремедиации основывается на таких критериях как природные условия места очистки, свойства почвы, концентрация и уровень токсичности загрязняющего агента и т.д. Применяемые в биоремедиации почв технологии проводятся в условиях in situ и ex situ.

Биоремедиация in situ. Биоремедиация in situ основана на очистке среды от загрязняющего агента без удаления загрязнённой почвы из района загрязнения. Поскольку технологии этого типа не требуют проведения землеройных работ, они являются более дешёвыми, создают меньше запыления воздуха и высвобождают меньше летучих поллютантов, чем технологии ex situ.

Один из подходов биоремедиации in situ заключается во введении в загрязнённую почву кислорода с помощью специального оборудования, для того, чтобы стимулировать рост микроорганизмов и аэробную биодеградацию ксенобиотиков. Данная технология чаще всего применяется для очистки от различных нефтепродуктов.

Активация биодеградации может осуществляться путём введения в почву питательных веществ для стимуляции роста и метаболизма микроорганизмов, осуществляющих деградацию ксенобиотиков. Чаще всего для этих целей используют азот- и фосфорсодержащие удобрения.

Другим распространённым подходом является введение в почву микроорганизмов (в том числе генетически модифицированных) или ферментов для ускорения деградации органических ксенобиотиков в почве.

Биоремедиация ex situ. Биоремедиация ex situ основана на снятии слоя загрязнённой почвы и очистки её от ксенобиотиков за пределами места загрязнения. Такой подход более дорогостоящий, чем биоремедиация in situ, но имеет ряд преимуществ – требуют меньше времени и обеспечивает полный контроль процесса очистки.

Существует нескодько методов биоремедиации ex situ:

Биоремедиация ex situ с использованием биореакторов. Перед помещением в биореактор из почвы удаляются крупные камни, грунт подвергается перемешиванию, что делает его более однородным; после добавления воды образуется глинистая суспензия. В данную суспензию вносят препараты микроорганизмов проводящих очистку почвы от ксенобиотиков, для них в реакторе создаются оптимальные условия. После завершения процесса очистки почва высушивается и возвращается в окружающую среду.

Другой подход биоремедиации in situ заключается в том, что удалённая с места загрязнения почва размещается на определённой территории, её обеспечивают аэрацией, питательными веществами и водой для стимуляции роста и метаболизма микроорганизмов, осуществляющих биоремедиацию. По сравнению с очисткой с помощью биореакторов, данная технология требует много места и занимает дольше времени.

Можно выделить несколько различных вариантов такого подхода:

- загрязнённую почву удаляют с места загрязнения и распределяют тонким слоем на площади, специально огороженной по периметру для предотвращения распространения загрязнения за её пределы, вспахивают для обеспечения доступа кислорода к почвенным микроорганизмам и добавляют стимулирующие их рост вещества. Также над почвой разбрызгивают воду, что позволяет поддерживать оптимальную влажность и понижает запыленность воздуха;

- загрязнённую почву можно также складывать толстым слоем высотой 1-3 м. При этом аэрация путём вспахивания заменяется аэрацией с помощью системы труб, доставляющих в почву воздух для стимуляции биодеградации. В этом случае почву обычно смешивают с каким-нибудь рыхлым веществом (например, соломой), чтобы облегчить аэрацию. В процессе ремедиации из-за продувки воздуха происходит испарение из грунта различных веществ, в том числе самого загрязняющего агента, поэтому система обязательно снабжается датчиком состава почвенных испарений. Также в грунт добавляют удобрения и поддерживают на определённом уровне влажность. При смешивании грунта с большим количеством разрыхлителей (сена, кукурузных кочерыжек, соломы) аэрацию можно осуществлять с помощью вакуумных насосов или вентиляторов. Такую смесь также можно аэрировать путём перемешивания в специальных резервуарах, или размещать загрязнённую почву с разрыхлителем в длинные кучи, регулярно перемешиваемые тракторами. Во всех случаях соотношение разрыхлитель/почва составляет примерно 1/3. После каждого перемешивания почва укрывается, что позволяет поддерживать нужную температуру и влажность. Очистка таким способом занимает недели вместо обычных для биоремедиации почв месяцев.

Существует целый ряд методов биоремедиации, позволяющих проводить более полную очистку почв, как в условиях in situ так и ex situ:

- применение пены. Смесь пенообразующего вещества вместе с деградирующими бактериями накачивается сжатым воздухом на определённой глубине почвы. Пена мобилизирует загрязняющие вещества (в частности жидкие углеводороды) и повышает их биодоступность. С помощью вакуумного насоса смесь пены, бактерий и деградируемого вещества выкачивается из почвы, ксенобиотик удаляется и идет на дальнейшую деградацию, а очищенное пенообразующее вещество снова используют вместе с микроорганизмами для очистки.

- технология биоремедиации почвы основанная на механизме электролиза. В почву помещают два противоположно заряженных электрода (катод и анод). Происходит электролиз почвенной воды, образуется водород и кислород, который стимулирует метаболизм биодеструкторов. Кроме стимуляции кислородом, рост и метаболизм микроорганизмов стимулируется повышением температуры, сопровождающим электролиз. Водород и кислород, а также другие выделяющиеся из почвы газообразные вещества, затем собирают в танкер. После смешивания в танкере они обратно накачиваются в почву. Также в почву подается вода и лактат для обеспечения оптимальной влажности и рН.

своих тканях различные элементы. Растительную массу не составляет особого труда собрать и сжечь, а образовавшийся пепел или захоронить, или использовать как вторичное сырье.

Фиторемедиация

Метод очистки окружающей среды с помощью растений был назван фиторемедиацией – от греческого "фитон" (растение) и латинского "ремедиум" (восстанавливать).

Фиторемедиация — комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферного воздуха с использованием зеленых растений.

История

Первые простейшие методы очистки сточных вод — поля орошения и поля фильтрации — были основаны на использовании растений.

Первые научные исследования были проведены в 50-х годах в Израиле, однако активное развитие методики произошло только в 80-х годах XX века.

Растение воздействует на окружающую среду разными способами, основные из них:

ризофильтрация — корни всасывают воду и химические элементы необходимые для жизнедеятельности растений;

фитоэкстракция — накопление в организме растения опасных загрязнений (например, тяжёлых металлов);

фитоволатилизация — испарение воды и летучих химических элементов (As, Se) листьями растений;

фитотрансформация:

фитостабилизация — перевод химических соединений в менее подвижную и активную форму (снижает риск распространения загрязнений);

фитодеградация — деградация растениями и симбиотическими микроорганизмами органической части загрязнений;

фитостимуляция — стимуляция развития симбиотических микроорганизмов, принимающих участие в процессе очистки. Главную роль в деградации загрязнений играют микроорганизмы. Растение является своего рода биофильтром, создавая для них среду обитания (обеспечение доступа кислорода, разрыхление грунта. В связи с этим, процесс очистки происходит также вне периода вегетации (в нелетний период) с несколько сниженной активностью.

Используемые виды растений

В фиторемедиации может быть использован широкий спектр водных растений (гидроботаническая очистка), например:

Тростник (Phragmiittes communiis)

Ива (Salix cinerea, Salix peuntandra)

Ряска (Lemna sp.)

В настоящее время производятся активные исследования гипераккумуляторов (водяной гиацинт — Eichhornia crassipes — уже применяется в фиторемедиации), а также возможности генной модификации растений (трансформация растений бактериальными генами, ответственными за деградацию органических веществ, например метилртути и взрывчатых веществ).

Большинство дикорастущих (не водных) гипераккумуляторов относится к семейству крестоцветных – близких родственников капусты и горчицы; один из видов горчицы, называемой индийской, или сарептской, оказался весьма эффективным накопителем свинца, меди и никеля. Свинец способны накапливать также кукуруза и амброзия.

Растения слабо усваивают многие тяжелые металлы – например, тот же свинец – даже при их высоком содержании в почве из-за того, что они находятся в виде малорастворимых соединений. Поэтому концентрация свинца в растениях обычно не превышает 50 мг/кг, и даже индийская горчица, генетически предрасположенная к поглощению тяжелых металлов, накапливает свинец в концентрации всего 200 мг/кг, даже если растет на почве, сильно загрязненной этим элементом.

Проблему удалось решить, когда обнаружили, что поступление тяжелых металлов в растения стимулируют вещества (например, этилендиаминтетрауксусная кислота), образующие с металлами в почвенном растворе устойчивые, но растворимые комплексные соединения. Так, стоило внести подобное вещество в почву, содержащую свинец в концентрации 1200 мг/кг, как концентрация тяжелого металла в побегах индийской горчицы возрастала до 1600 мг/кг!

Преимущества фиторемедиации:

возможность проведения ремедиации in situ;

относительно низкая себестоимость проводимых работ по сравнению с традиционными очистными сооружениями;

метод безопасен для окружающей среды;

теоретическая возможность экстракции ценных веществ из зеленой массы растений (Ni, Au, Cu);

возможность мониторинга процесса очистки;

уровень очистки не уступает традиционным методам, особенно при небольшом объёме сточных вод (например, в деревнях).