Биологический способ нейтрализации загрязнения с помощью микроорганизмов

Биологические

Методы биоочистки активно применяются в промышленных и бытовых условиях.

Использование микроорганизмов – обязательный этап улучшения качества сточных вод наряду с механическими, физическими и химическими способами.

Природный процесс, воссозданный в искусственных условиях, помогает справиться со многими загрязнениями без применения дорогостоящих технологий.

Что это такое и каков принцип работы?

После этапа механической фильтрации (удаления нерастворимых частиц) сточные воды попадают на биологическую очистку.

Принцип основан на способности некоторых микроорганизмов расщеплять органические соединения до простых веществ – воды, углекислого газа, метана, сероводорода. Органика является источником энергии для бактерий и простейших.

Сточные воды включают в себя нитраты, аммиак, аминокислоты – они содержат азот, который обеспечивает жизнедеятельность микроорганизмов.

Фосфор и калий добывается бактериями из минеральных солей.

Чем больше в сточных водах этих веществ, тем интенсивнее размножение микроорганизмов и эффективнее очистка.

Методы очистки сточных вод

Специалисты выделяют две большие группы методов биоочистки:

• Естественные. Для улучшения качества сточных вод используются природные процессы, протекающие в воде, почве, растительных экосистемах. Загрязнения удерживаются, минерализуются, трансформируются или переносятся. Естественные экосистемы используются для доочистки сточных вод перед их спуском в водоемы.
• Искусственные методы. Для их реализации используются сооружения, созданные человеком. В них помещаются аэробные или анаэробные микроорганизмы и обеспечиваются благоприятные условия для переработки загрязнений.

Эффективность

Биологическая очистка сточной воды в промышленных условиях избавляет от 98% загрязнений.

Чтобы поддерживать процесс, нужно все время вносить активные микроорганизмы.

Биологический метод помогает переработать такие загрязняющие вещества и их соединения:

• Аммонийный азот;
• Легкоокисляющиеся органические соединения: бензол, глюкозу, ацетон, этанол и т.д.;
• Калий;
• Фосфор;
• Кальций;
• Белки, жиры, углеводы.

К сточным водам относятся промышленные и хозяйственно-бытовые стоки, а также атмосферные осадки. Все эти группы обязательно проходят этап биологической очистки на промышленных или локальных сооружениях.

Плюсы и минусы

Преимущества биологической очистки:

• Малое количество отходов. После переработки образуются вещества (углекислый газ, вода), которые легко утилизируются. Если при очистке выделяется метан, его используют для получения тепловой энергии. Переработанный ил – хорошее удобрение.
• Системы для биологической очистки работают автономно. Для их обслуживания не нужно вводить реагенты, а с контролем процесса справится 1 человек.
• Стоимость реализации биотехнологий ниже, чем на другие способы очистки воды.
• Естественные реакции создают экологически чистый цикл природного использования.

Биологическая очистка сточных вод не лишена недостатков.

Главные минусы метода:

• Сложность сохранения постоянного количества биомассы бактерий. Если их будет меньше нормы, сточные воды не очистятся полностью.
• В постройку очистных сооружений нужно вложить много денег. Но со временем затраты окупаются.
• Технологический режим очистки должен строго соблюдаться. При нарушениях эффективность метода значительно снижается.
• Не все органические соединения подлежат переработке. Если в сточных водах есть токсические соединения, их нужно удалить, иначе биомасса погибнет.

Механизм процесса

Для улучшения качества сточных вод используется два метода: аэробная и анаэробная биологическая очистка. В первом случае процесс протекает с помощью кислорода, во втором – без него.

Механизм очистки зависит от выбранного метода и биоценоза.

Технологическая схема аэробной чистки

Агентом выступает биопленка или активный ил.

Это совокупность бактерий, грибов, простейших, представителей микрофауны того или иного рода/группы с заданными характеристиками.

Классическая схема аэробной очистки выглядит так:

1. Сточные воды попадают в анаэробную зону аэротенка-вторичного отстойника. Там они перемешиваются с активным илом.
2. В установку нагнетается кислород, при необходимости вводятся компоненты, способствующие переработке.
3. Происходит два биохимических процесса: окисление органического углерода и нитрификация.
4. Осуществляется один или несколько рециклов: воды снова перемешиваются с активным илом и обогащаются кислородом.
5. Переработанные стоки отстаиваются – происходит гравитационное разделение иловой смеси.
6. Избыточный активный ил поступает на переработку, а часть массы возвращается на исходную позицию.
7. Очищенные воды поступают на доочистку или спускаются в водоем.

Этапы очистки отличаются в разных системах, но суть метода остается той же.

Анаэробной

Этот метод применяется, когда в сточных водах большое количество органических загрязнений, твердых осадков и активного ила. В ходе метаногенеза (так называется процесс анаэробной очистки) загрязнения конвертируются в биогаз, который состоит из метана и углекислого газа.

Технологическая схема классической анаэробной очистки:

Сточные воды попадают в отсек, где происходит метановое брожение. После взаимодействия анаэробных бактерий с загрязнениями образуется метан, углекислый газ, сероводород. Эти газы утилизируются.

Сброженный осадок поступает в следующий отсек, где происходит обезвоживание ила в центрифуге. Затем очищенная вода спускается в водоем.

Обезвоженный ил поступает в барабанную сушилку. Выделившуюся воду утилизируют.

Сухой ил обеззараживается и становится материалом для компостирования.

Помощь микроорганизмов и бактерий

Аэробные бактерии запускают процессы окисления и нитрификации. Для этого им нужен кислород. Микроорганизмы живут в диапазоне температур – от +9 до +28 градусов, рН – 5,0-7,0.

• Псевдомонады – занимают 80% активного ила. Перерабатывают спирты, жирные кислоты, ароматические углеводороды, парафины и другие органические вещества.
• Нитрифицирующие – окисляют соединения азота.
• Серобактерии и тионовые бактерии – перерабатывают восстановленные соединения серы.
• Нитчатые – окисляют соединения углерода.
• Целлюлозоразлагающие – перерабатывают целлюлозное волокно.

В активном иле также встречаются:

1. дрожжи,
2. плесневые грибы,
3. простейшие,
4. коловратки,
5. малощетинковые кольчатые черви.

Анаэробные бактерии не нуждаются в кислороде. Они запускают процессы брожения, аноксигенного окисления и метанообразования.

Группы анаэробных бактерий:

• Гидролитики – отвечают за первую стадию метаногенеза. Бактерии расщепляют белки, жиры, соединения целлюлозы, крахмала, обладают аммонифицирующей активностью. В результате образуется глицерин, жирные кислоты, аминокислоты, пептиды, моно- и дисахариды.
• Ацидогенные – отвечают за вторую стадию метаногенеза. С помощью бактерий происходит маслянокислое, ацетоно-бутиловое, пропионовое, спиртовое брожение. Перерабатываются промежуточные продукты гидролиза.
• Гетероацетогенные – отвечают за третью стадию метаногенеза. Бактерии переводят органические кислоты (масляную, пропионовую) в уксусную кислоту.
• Метаногенные – завершают анаэробную очистку. Микроорганизмы образуют биогаз, перерабатывая водород, углекислый и чадный газ, ацетат, метиламин, метанол.

Состав доминирующей микрофлоры зависит от характеристик стоков.

Системы

Для искусственной аэробной очистки чаще всего используют такие сооружения:

• Аэротенк – резервуар, в котором стоки смешиваются с активным илом. Часто он разделен на несколько камер, где происходят разные этапы биоочистки. Резервуар оснащен аэратором – системой подачи кислорода.
• Биотенк – разновидность аэротенков, в которой специальная загрузка позволяет увеличить общее количество биомассы.
• Биофильтр – бассейн с дренажем на днище. Очистка стоков происходит путем минерализации. Биоценоз – пленка аэробных микроорганизмов.
• Станция биологической очистки – локальное сооружение, которое устанавливается там, где нет возможности провести общесплавную канализацию. Очищенные стоки спускаются в грунт, а отходы используются в качестве удобрения. Станции перерабатывают объем сточных вод от 5 до 1000 куб. м. ЛОС очищают от 98-99% загрязнений.

Процессы анаэробной очистки зачастую проходят в таких традиционных сооружениях:

• Анаэробная лагуна – один или несколько отстойников, где стоки находятся от 1 недели до 2 месяцев. Газы выделяются в атмосферу.
• Септитенк – отстойник закрытого типа, в котором осадок из образовавшихся твердых частиц перегнивает и расщепляется анаэробами.
• Метантенк – конструкция, внешне похожая на септитенк. Но в резервуаре происходит перемешивание, обогрев и контроль основных параметров.

Биопрепараты

Биопрепараты применяют для выполнения таких задач:

• Разложения органики: жиров, углеводов, белков;
• Стимуляции работы активного ила;
• Сокращения объема побочных продуктов в виде осадка;
• Ускорения процесса переработки;
• Снижения показателей биохимического потребления кислорода (БПК, ХПК);
• Наращивания и восстановления активного ила.

Производители выпускают препараты, где сконцентрировано определенное количество штаммов натуральных бактерий.

Каждый биопрепарат содержит разные штаммы микроорганизмов, которые подбираются в зависимости от состава сточных вод.

Популярные биопрепараты:

Название	Цель использования	Цена
Biofos	Очистка бытовых сточных вод	43 р./25 мг
bioExpert BIO STARTER	Стимуляция развития активного ила в септике или выгребной яме	565 р./400 г
Unibac (compost, start, winter, effect)	Очистка бытовых и промышленных стоков, наращивание активного ила	470-750 р./0,5 л.

Доочистка хозяйственно-бытовых стоков

В некоторых случаях после биологического этапа воды должны пройти доочистку.

Это нужно, когда:

• Их планируют спускать в маломощные водоемы, особенно предназначенные для рыбного хозяйства;
• Их будут использовать в промышленности или в бытовых целях.

Распространенный метод доочистки – отстаивание в биопрудах с естественной и искусственной аэрацией. В таких водоемах создаются благоприятные условия для массового развития микроорганизмов, которые расщепляют остатки загрязнений и борются с патогенами.

Несколько месяцев воды отстаиваются в биопрудах, и после удовлетворительного лабораторного анализа поступают в конечный пункт.

Полезное видео

Смотрите интересный видеоматериал, в котором подробно рассказано о процессе очистки сточных вод биологическим методом.

Заключение

Биологическая очистка сточных вод – метод, основанный на возможностях микроорганизмов, при помощи которых можно перерабатывать органические и некоторые минеральные загрязнения.

Особенности процесса:

• Происходит при участии аэробных и анаэробных бактерий;
• Осуществляется в природных или искусственно созданных условиях;
• Метод удаляет 98-99% загрязнений;
• Промышленная очистка стоков проходит в аэро-, био-, метантенках;
• На любом участке можно установить локальные очистные сооружения;
• Для запуска и интенсификации процесса используются биопрепараты;
• Отходы, образующиеся в результате процесса, экологически безопасные;
• Когда к сточным водам предъявляются повышенные требования по химическому составу, они проходят доочистку.

Биологическая очистка – обязательный этап улучшения качества сточных вод. Соблюдение технологий делает процесс безопасным, высокоэффективным и даже полезным для окружающей среды.

Источник

Использование микроорганизмов при биологической очистке загрязнений, вызванных вредными выбросами поршневых двигателей

Дата публикации: 30.01.2017 2017-01-30

Статья просмотрена: 1066 раз

Библиографическое описание:

Литвинов, П. В. Использование микроорганизмов при биологической очистке загрязнений, вызванных вредными выбросами поршневых двигателей / П. В. Литвинов, А. И. Чиркова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 4 (138). — С. 200-203. — URL: https://moluch.ru/archive/138/38785/ (дата обращения: 19.11.2021).

В статье рассмотрено влияние отработавших газов двигателей внутреннего сгорания на окружающую среду, а также способы очистки почвы, атмосферы и воды от загрязняющих веществ при помощи биологических методов. Обобщены данные о возможности использования микроорганизмов при очистке почвы, воды и атмосферы. Обозначены цели дальнейших исследований.

Ключевые слова: отработавшие газы, вредные вещества, микроорганизмы, биоремедиация, бактерии

В течение жизни человек находится в среде воздуха, от качества которой зависит его здоровье, самочувствие и работоспособность. Ухудшение качества воздуха из-за присутствия в нем различных загрязняющих веществ, ведет к гибели зеленых насаждений, загрязнению почв, водоемов и водотоков, к повреждению памятников культуры, конструкций зданий и сооружений. Автотранспортная деятельность сопровождается выделением в атмосферный воздух различных веществ, загрязняющих воздушную среду. В воздух поступают отработавшие газы (ОГ) поршневых двигателей. Качество воздушной среды ухудшается из-за присутствия в ней носителей неприятных запахов [1. С. 128–130].

При развитии современных экологических требований к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) учитываются различные факторы влияния на окружающую среду. В последние годы в связи с ростом плотности движения автомобилей в городах резко увеличилось загрязнение атмосферы продуктами сгорания двигателей. Выпускные газы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) состоят в основном из безвредных продуктов сгорания топлива — углекислого газа и паров воды. [2] Тем не менее в ОГ ДВС содержатся вещества, негативно влияющие на состояние здоровья человека. Согласно правилам ЕЭК ООН № 24–03, 49–01, 49–02, 49–05, 83–02, 83–04, 83–05, 83–06, 96–02, стандартам Евро-4, 5, 6 и Техническому регламенту Таможенного Союза ТР ТС 018/2011 основными вредными веществами, подлежащими контролю являются окись углерода (CO), оксиды азота (NO_x), углеводороды (CH), сера (S) [3].

При попадании в атмосферу и водные источники, на почву и растительность, а также на поверхности зданий, сооружений и других объектов жизнедеятельности человека оксиды азота, растворяясь в воде, образуют азотную и азотистую кислоту, вредное действие которых сказывается и на организме человека, вызывая заболевания сердечнососудистой, дыхательной, нервной систем и желудочно-кишечного тракта.

Окись углерода связывая гемоглобин крови человека и животных образует карбоксигемоглобин, блокирующий перенос кислорода к тканям и органам. При концентрации в 0,2 % по объёму данный газ вызывает тяжёлые отравления, а при превышении 1 % — летальный исход.

Различные виды углеводородов представляют опасность как канцероген, а также вызывают заболевания сердечнососудистой, нервной и дыхательной и др. систем [4]. Помимо этого отрицательное воздействие нефти и нефтепродуктов на окружающую среду общеизвестно и при нарушении природоохранного законодательства приводит к изменению состава почв, загрязнению поверхностных и подземных вод, а также атмосферы. Загрязнение природной среды нефтепродуктами является экологической проблемой во многих регионах Российской Федерации, поскольку негативное воздействие ОГ ДВС вызывает непосредственную деградацию почвенного покрова, так и на различные объекты биосферы [5, 6]

Существуют несколько методов ликвидации загрязнений от продуктов сгорания бензиновых ДВС, в том числе использование альтернативных топлив, в особенности в тепловозных и судовых дизельных установках, а также стационарных дизельных генераторах [7, 8], каталитических нейтрализаторов, в том числе из палладия, приготовленных методом микродуговой оксидации [9, 10] и каталитических покрытий поршня [11, 12, 13]. Однако полностью избавиться от выбросов не представляется возможным, поэтому при попадании вредных веществ в почву, в водную среду и в приземный слой атмосферы используют биологический метод очистки [14].

Основная часть. Биологические методы подразумевают использование углеводородокисляющих и других микроорганизмов (УОМ), которые способны разлагать продукты сгорания до безопасных минеральных соединений. В различных источниках имеется описание 22 родов бактерий, 31 рода микроскопических грибов и в том числе 19 родов дрожжей выделенных из почвенных экосистем. Из морской среды обитания выделено 25 родов бактерий и 27 родов микроскопических грибов. В их числе: бактерии (Bacillus, Clostridium, Escherichia и др.), мицелиальные грибы (Aspergillus, Penicillium, Mucor и др.), дрожжи (Candida, Saccharomyces, Trichosporon и др.), цианобактерии (Microcoleus, Oscillatoriam, Plectonema и др) [14, 15].

При этом, большинство вредных веществ, содержащихся в ОГ ДВС, попадают в атмосферу. В связи с этим необходимо рассмотреть роль микроорганизмов в очистке воздуха.

Верхние слои атмосферы в малой степени очищаются микроорганизмами, поскольку большинство из них гибнет в атмосфере из-за ультрафиолетовых лучей, высыхания, отсутствия питательных веществ. Основная часть микроорганизмов обитает в верхних слоях почвы и очищает приземный слой атмосферы, используя в качестве субстратов роста окись углерода (CO), сероводород (H₂S), углеводороды (CH) и окислы азота (NO_x). При этом главным источником загрязнения воздушной среды является почва. Частично микроорганизмы попадают в воздух с открытых водоемов с капельками воды, от человека, животных, растений [16].

Существенным фактором очищения воздуха является наличие лесов в загородной среде, и парков, скверов и газонов в городской. При этом, в сельской местности лесопосадки создают также защиту от шума, а газонная трава в городской местности играет большую роль, нежели скверы и парки. Корневая система газонной травы способствует рыхлению почвы и проникновению в неё воздуха, что является благоприятным фактором для микроорганизмов, окисляющих вредные газы и токсичные летучие примеси в приземном слое атмосферы. При этом, при удобрении клумб и газонов возможно использование стабилизированных осадков сточных вод, богатых органикой. При этом необходимо учитывать, что данный вид удобрения применим только к озеленительным процессам, но не к сельскому хозяйству.

Несмотря на преимущества данных способов очистки атмосферы, одним из серьёзных препятствий для их осуществления является патогенность или условная патогенность микроорганизмов и грибов, таких как Gongronella butleri, Alternaria alternate, Proteus vulgaris, бактерии родов Staphylococcus и Streptococcus.

Кроме того, существуют и другие физиологические группы бактерий, среди которых выделяют нитрифицирующие (Nitrosomonas, Nitrosococcus и Nitrosospira). До недавнего времени считалось, что данные бактерии оказывают благородное влияние на почву. Однако при использовании на автотранспортных и сельскохозяйственных предприятиях машин, оснащённых дизельными двигателями возникает опасность окисления вредных выбросов NOx с последующим образованием гидроксамовых кислот и различных вредных азотных соединений.

Также пагубное влияние оказывают сероокисляющие бактерии, поскольку сера является одним из компонентов вредных выбросов дизельных ДВС.

В связи с этим снижение выбросов серы, азота, а также углеводородов и окиси углерода является задачей инженеров конструкторов ДВС. Способы снижения выбросов данных веществ ранее были представлены в данной статье.

Учитывая данные факторы, представляется возможным контролировать загрязнение в крупных городах, предприятиях и около автомагистралей. Указанные способы очистки являются применимыми на сегодняшний день. В последующих работах будут рассмотрены влияние микроорганизмов на содержание вредных веществ возле автомобильных дорог и магистралей, а также будут проведены и проанализированы расчёты экономического ущерба от загрязнения почвы, атмосферы и воды и будут предложены способы уменьшения данного ущерба.

Вывод. Применение методов биологической очистки при загрязнении продуктами сгорания углеводородных топлив в большей степени подходит для очистки почвы и воды, поскольку многие микроорганизмы, ненадолго попадающие в атмосферу, являются патогенными и условно патогенными, а также вызывающими образование опасных соединений, в том числе азотной и серной кислоты. Для предотвращения загрязнения атмосферы предлагается использование альтернативных топлив, каталитических нейтрализаторов и каталитических покрытий поршня, что в свою очередь также уменьшит уровень загрязнения почвы и воды.

1. Хомич В. А. Экология городской среды: учебное пособие для вузов. — Омск: Изд-во СибАДИ, 2002. — 267 с.

2. Рыжих Н. Е. Способы уменьшения выброса двигателями внутреннего сгорания токсичных газов в атмосферу // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2004. № 7. С. 61–68.

3. Ведрученко В. Р., Литвинов П. В. Анализ требований к нормативам выбросов вредных веществ // Архитектура, строительство, транспорт [Электронный ресурс]: материалы Международной научно-практической конференции. — Омск: СибАДИ, 2015. — С. 970–976. (дата обращения 17.01.2017)

4. Шароглазов Б. А. Поршневые двигатели: теория, моделирование и расчёт процессов: учебник по курсу «Теория рабочих процессов и моделирование процессов в двигателях внутреннего сгорания»: для высших учебных заведений, обучающихся по специальности 140501 «Двигатели внутреннего сгорания» направления подготовки 140500 «Энергомашиностроение» / Б. А. Шароглазов, В. В. Шишков: под ред. Б. А. Шароглазова; М-во образования и науки Российской Федерации, Южно-Уральский гос. Ун-т. Челябинск, 2011.

5. Хабиров И. К., Габбасова И. М., Хазиев Ф. Х. Устойчивость почвенных процессов. — Уфа: БГАУ, 2001. — 327 с.

1. Бурмистрова Т. И., Алексеева Т. П., Перфильева В. Д., Терещенко Н. Н., Стахина Л. Д. Биодеградация нефти и нефтепродуктов в почве с использованием мелиорантов на основе активированного торфа // Химия растительного сырья. 2003. № 3. — С. 69–72.
2. Ведрученко В. Р., Малахов И. И. Альтернативные виды топлива для судовых дизелей: монография / ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта». Омск, 2012. 172 с.
3. Ведрученко В. Р., Крайнов В. В., Жданов Н. В., Кульков М. В. О выборе схем и разработке технических решений систем топливоподачи альтернативных и тяжёлых топлив в дизелях // Омский научный вестник. — 2010. — № 2(90). — С. 157–162.

9. Борисов В. А., Иванов А. Л. Обоснование выбора материала катализатора для повышения экологической безопасности ДВС // Архитектура, строительство, транспорт [Электронный ресурс]: материалы Международной научно-практической конференции. — Омск: СибАДИ, 2015. — С. 967–970. (дата обращения 17.01.2017)

1. Борисов В. А., Супрунов Г. И., Сигаева С. С., Мухин В. А., Иванов А. Л., Аношкина Е. А., Темерев В. Л. Окисление CO на палладиевых катализаторах на носителях SiO₂ (B₂O₃-SiO₂, ZrO₂-CeO_2, γ-Al₂O₃, CeO₂)/ силумин, приготовленных микродуговой оксидацией // Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства: материалы 5-й международной научно-технической конференции. — Омск, 2015. — С. 11.
2. Zeng W., Xie M. A novel approach to reduce hydrocarbon emissions from the HCCI engine // Chemical engineering journal, Volume 139, Issue 2, p.380–389, 2008.
3. Hu Z, Ladommatos N., In-Cylinder Catalysts — A Novel Approach to Reduce Hydrocarbon Emissions from Spark-Ignition Engines // SAE Technical Paper 952419, 1995, doi:10.4271/952419.
4. Ведрученко В. Р., Иванов А. Л., Борисов В. А., Литвинов П. В. Влияние материала поршня на процесс сгорания топлива в двигателе // Вестник СибАДИ. — 2016. — № 5(51). — С. 61–68.
5. Александров А. Ю. Характеристика штаммов микроорганизмов, участвующих в процессе биоремедиации // Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 3: Экономика. Экология. — 2009. — № 1. С. 231–237.
6. Тимергазина И. Ф., Переходова Л. С. К проблеме биологического окисления нефти и нефтепродуктов углеводородокисляющими микроорганизмами // Нефтегазовая геология. Теория и практика. — 2012. — Том. 7. — № 1. С. 1–28.
7. Евдокимова Г. А., Корнейкова М. В., Мозгова Н. П., Редькина В. В. Микроорганизмы воздушной среды обитания по градиенту загрязнения от комбината «Печенганикель» к заповеднику «Пасвик» // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2012. — № 3(10). — С. 22–25.

Источник