Конкурс «био/мол/текст»-2019

Эта работа опубликована в номинации «Наглядно о ненаглядном» конкурса «био/мол/текст»-2019.

---

Генеральный спонсор конкурса и партнер номинации «Сколтех» — Центр наук о жизни Сколтеха.

---

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

Спонсором приза зрительских симпатий выступила компания BioVitrum.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Вводный раздел

Для начала разберемся, что такое сточная вода. В нашем случае мы говорим о сточных водах, на которые было оказано воздействие человеком, не учитывая талые и ливневые сточные воды. По происхождению сточные воды можно поделить на хозяйственно-бытовые сточные воды и промышленные сточные воды.

Характерными загрязнителями хозяйственно-бытовых сточных вод являются органические остатки: продукты жизнедеятельности человека, остатки пищи и пр. Такие сточные воды очищаются на городских очистных сооружениях.

Спектр загрязнителей промышленных сточных вод зависит от специфики производства. К примеру, характерные загрязнители сточной воды горнодобывающих предприятий — это неорганические минеральные примеси, то есть физическое загрязнение. В случае химической промышленности происходит изменение кислотности (рН) сточной воды, то есть химическое загрязнение. В свою очередь, предприятия обязаны соблюдать нормативы предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ при сбросе сточных вод в водные объекты, поэтому промышленные предприятия часто оснащены собственными очистными сооружениями.

Подготовка воды

Прежде чем передать воду в «заботливые руки» микроорганизмов, ее необходимо предварительно очистить от нерастворимых механических загрязнений и взвесей. Делается это с помощью:

• решеток;
• песколовок;
• фильтров;
• бассейнов-отстойников (рис. 2).

Впоследствии выловленные загрязнители либо дробятся и направляются на переработку со сброженным осадком, либо вывозятся с территории очистного сооружения как твердые бытовые отходы.

Первичная очистка

Затем вода попадает в аэротенки — специальные емкости, где вода очищается методом биологического окисления (рис. 3). Протекая по резервуару, сточная вода смешивается с микробным сообществом, называемым активным илом. Причем каждому очистному сооружению присущ свой состав активного ила, зависящий от состава сточных вод [1].

Получается взаимовыгодный процесс как для людей, так и для микроорганизмов — люди очищают сточную воду, а микроорганизмы получают питательную среду обитания.

Вторичная очистка

После вода попадает в закрытый резервуар без доступа кислорода. Здесь происходит анаэробный процесс, в котором участвуют уже другие микроорганизмы — анаэробные бактерии. Их роль крайне важна, так как они удаляют из воды аммоний и фосфаты, которые в избытке содержатся в бытовых сточных водах. Сброс неочищенной сточной воды в водоемы вызывает активное размножение планктона, зацветание и может вызвать гибель всех живых существ в водоеме. Поэтому на этом этапе фосфаты удаляются из воды при помощи полифосфат-накапливающих организмов, а аммоний частично разлагается микроорганизмами до нитрита.

Получение метана

В процессе очистки сточных вод появляется излишек активного ила, который используется для получения метана [2]. Этот излишек сбраживается без доступа кислорода в метатенках. Благодаря очистке сточных вод мы можем получать биогенное топливо для автомобилей, обогрева домов, газовых плит, водонагревателей, электростанций и др.

Получение удобрений

После сбраживания излишка активного ила остается сброженный осадок, который отделяется от жидкой фазы, высушивается, складируется и впоследствии используется в качестве удобрения для сельскохозяйственной промышленности.

Очистка жидкой фазы

После отделения сброженного осадка в жидкой фазе остается некоторое количество аммония и нитриты, которые необходимо удалить. В таких случаях используют технологию анаммокс — анаэробное окисление аммония нитратом с получением газообразного азота, который безопасен для атмосферы [3]. Процесс анаммокса играет ключевую роль в круговороте азота в природе, его осуществляют специальные окисляющие аммоний анаэробные бактерии (анаммокс-бактерии).

Дезинфекция воды

Для того чтобы сделать возвращаемую в окружающую среду воду безопасной, то есть очистить воду от вредных возбудителей болезней и излишка микроорганизмов, применяют дезинфицирующие средства. Самые популярные методы дезинфекции:

• хлорирование;
• озонирование;
• обработка ультрафиолетом.

Очистка от микрозагрязнителей

Микрозагрязнители могут стать серьезной проблемой при очистке воды: это стойкие загрязнители окружающей среды, такие как тяжелые металлы, фармацевтические препараты, компоненты чистящих и косметических средств и др. К примеру, попадание в водоемы антибиотиков может вызвать резистентность микроорганизмов к действию этих антибиотиков.

Для очистки от микрозагрязнителей используются как бактерии, так и адсорбирующие средства. Адсорбция — процесс концентрирования загрязняющего вещества на поверхности адсорбента [4]. Активированный уголь в порошковой либо гранулированной формах — самый популярный наполнитель для фильтров благодаря своей небольшой стоимости и высокой степени очистки. Наиболее продвинутыми методами очистки от микрозагрязнителей считаются:

• озонирование с использованием активированного угля (озонсорбция);
• фильтрация с использованием ацетатцеллюлозных мембран (ультрафильтрация).

Почему эта проблема важна?

Очистка сточных вод очень важна для всего человечества: регулярная недоочистка стоков может стать серьезной проблемой, так как приводит к накоплению в водоемах загрязняющих веществ. Их негативное воздействие может обернуться гибелью живых существ водоема или к невозможности дальнейшего использования воды из этого водного объекта.

Сейчас наиболее острым вопросом в очистке сточных вод является очистка от микрозагрязнителей, поскольку не все виды этих веществ могут быть переработаны биологическим путем. К тому же микрозагрязнители характерны как для хозяйственно-бытовых сточных вод, так и для промышленных. Если специальные фильтры не используются или не справляются с очисткой сточных вод, такие виды загрязнений могут постепенно накапливаться в водных объектах и затем неблагоприятно отразиться на состоянии водоема и здоровье людей. К сожалению, мембранные фильтры, способные должным образом очищать воду от микрозагрязнителей, при применении в масштабах предприятия и целого города могут быть слишком дороги, поэтому дальнейший этап совершенствования очистки сточных вод — это поиск более дешевых подходов для эффективной очистки от микрозагрязнителей.

Литература

1. Пименов Н. (2018). Как бактерии очищают воду? «Постнаука»;
2. Макаров О. (2017). Как очищают воду в Мосводоканале. «Популярная механика»;
3. Boran Kartal, Naomi M. de Almeida, Wouter J. Maalcke, Huub J.M. Op den Camp, Mike S.M. Jetten, Jan T. Keltjens. (2013). How to make a living from anaerobic ammonium oxidation. FEMS Microbiol Rev. 37, 428-461;
4. Treatment of micropollutants. SUEZ worldwide.