Глава 20. Биотехнология и экология

Термин «экология» был предложен еще в XIX в. известным био­логом Э. Геккелем, который впервые сказал о том, что экология изу­чает отношения организмов и окружающей среды. По научным направлениям экология подразделяется на общую и частную. Предметом изучения общей экологии являются общие закономерности взаи­моотношений организмов с окружающей средой. Частная экология изучает закономерности взаимоотношений со средой обитания определенного таксона (систематической группы), например, микроорганизмов.

Ряд исследователей подразделяют экологию на нормальную и патологическую. Нормальная экология изучает взаимоотношения организмов и среды их обитания в естественных условиях, тогда как патологическая экология обращает внимание на антропогенные факторы, усложняющие эти отношения.

В связи с расширением хозяйственной деятельности человека и изменением природных экосистем перед человечеством остро встала проблема охраны и сохранения окружающей среды, важнейшая роль в решении которой принадлежит экологии. Биотехнологические методы, направленные на решение экологических проблем, активно применяются для защиты окружающей среды от промышленных, сельскохозяйственных и бытовых отходов, деградации токсикантов. Кроме того, кооперация биотехнологии и экологии позволяет создавать малоотходные производства получения пищевых и фармацевтических продуктов, кормов, минерального сырья и энергии.

Осложняет экологическую ситуацию то, что любая деятельность ­человека сопровождается образованием сточных вод, загрязненных разнообразными органическими и неорганическими соединениями, сбрасывание которых в природные водоемы нарушает биологическое рав­новесие в них. И здесь на помощь приходит биотехнология.

Очистка сточных вод

Воды и стоки, загрязненные различными отбросами и отходами, называют сточными. По происхождению и составу различают бытовые, промышленные и атмосферные стоки. Бытовые — это результаты жизнедеятельности человека; промышленные являются результатом деятельности предприятий. Атмосферные сточные воды — это ливневая канализация, талые и дождевые воды.

Очистка сточных вод — это комплекс мероприятий, направленных на устранение из них присутствующих, в том числе токсичных, веществ, а также патогенов. В определенных пределах для многих водоемов характерны процессы естественного самоочищения. Тем не менее для очистки промышленных и хозяйственных стоков необходимо применять искусственные очистные сооружения, функционирование которых основано на использовании механических, физико-химических и биологических методов очистки. Очистные сооружения подраз­деляют на локальные, общие и районные (городские).

В локальных очистных сооружениях, созданных для очистки сточных вод после технологических процессов, применяют механические (отстаивание, фильтрация и флотация) и физико-химические (окисление, сорбция, коагуляция, экстракция) методы очистки. Общие очистные сооружения включают несколько ступеней очистки: механическую, биологическую и стадию доочистки — и предназначены для обработки стоков методами механической и биологической очистки (рис. 20.1, см. цв. вклейку).

Биологический метод очистки заключается в применении спе­цифических микроорганизмов. Достоинства данного метода: возможность удаления широкого спектра токсичных веществ, простота технологии очистки и аппаратурного оформления, экономичность. Для биологической очистки стоков применяют аэробные и анаэробные методы.

Принцип действия аэробных систем биоочистки основан на методах проточного культивирования. Стадии удаления органических примесей: поступление органических веществ и кислорода из жидкости к клеточным мембранам микроорганизмов; диффузия веществ и кислорода внутрь клеток через наружную клеточную мембрану; расщепление поступивших в клетку органических веществ; прирост микробной биомассы с выделением энергии и углекислоты; нитрификация в виде окис­ления азотсодержащих веществ до нитритов и нитратов. Появление в очищаемых стоках нитратов и нитритов свидетельствует о глубокой степени очистки.

В процессах биологической очистки участвует сложная ассоциация организмов, состоящая не только из бактерий, но и одноклеточных организмов — грибов, простейших классов саркодовых, жгутиковых и реснитчатых, а также представителей класса кольчатых червей — коловраток, некоторых круглых червей, водных клещей и ряда других организмов, которая формируется в виде активного ила или биопленки. По сравнению с биопленкой активный ил содержит меньшее разнообразие видов микроорганизмов, преимущественно представленных углеродокисляющими флокулирующими бактериями и бактериями-­нитрификаторами. Углеродокисляющие флокулирующие­ бактерии участвуют в деградации органических веществ стоков, а также формируют флокулы, осаждающиеся в отстойнике. Нитрификаторы окисляют азот­содержащие соединения.

Биологическая очистка стоков проводится в биофильтрах и аэротенках. Биофильтр имеет неподвижную биопленку и фильтрующий слой с противотоком воздуха и жидкости. При прохождении сточных вод через фильтрующий слой происходит ряд процессов: контакт с биопленкой, сорбция органических веществ поверхностью микробных клеток и окисление веществ в процессах микробного метаболизма.

Процесс биоочистки в аэротенке состоит из следующих этапов: сточные воды взаимодействуют с воздухом и частицами активного ила, в результате чего происходит биохимическое окисление органических веществ; далее происходит разделение вод и частиц активного ила во вторичном отстойнике (рис. 20.2). Следует отметить, что процесс очистки стоков в аэротенке непрерывный.

Рис. 20.2. Схема аэротенка (Грищенко Е.А. и др., 2007)

Интенсивность очистки сточных вод в биореакторах определяется также режимом перемешивания. Различают системы полного смешения и идеального вытеснения. В системах первого типа происходит быстрое разбавление всего тока поступающих сточных вод в аэротенке, что защищает микробную ассоциацию активного ила от блокирую­щего действия стоков, однако активность микроорганизмов ила постепенно снижается. В системах идеального вытеснения активный ил в ходе аэрации успевает восстанавливать свою окислительную способность в результате постепенного перемещения стоков по системе коридоров аэротенка. Однако в данном случае содержание загрязняющих веществ в сточных водах не должно превышать предельно допустимые концентрации.