Исследование возможностей микроорганизмов для очистки сточных вод

Механизм действия ХОС на рыб во многом сходен с их влиянием на теплокровных животных. Рыбы и другие водные организмы более чувствительны к ХОС, чем наземные животные. Особенно чувствительны к ХОС водные ракообразные и насекомые, которых нередко используют для контроля загрязнения воды как индикаторные организмы.

В организм рыб ХОС поступают осмотически через жабры и через пищеварительный тракт с кормом. Интенсивность поглощения ХОС рыбами увеличивается при повышении температуры воды. Гидробионты способны концентрировать ХОС в гораздо больших количествах, чем в окружающей среде (воде, грунте), коэффициент накопления этих веществ составляет в грунте 100, зоопланктоне и бентосе -- 100 -- 300, рыбах -- 300 -- 3000 и более. По этому показателю они относятся к группе веществ со сверхвысокой или с выраженной кумуляцией. Суммарные концентрации ХОС в воде пресных и морских водоемов обычно ниже микрограмма на литр.

ХОС относят к ядам политропного действия с преимущественным поражением центральной нервной системы и паренхиматозных органов, особенно печени. Кроме того, они вызывают расстройство функций эндокринной и сердечно-сосудистой системы, почек и других органов. ХОС также резко угнетают активность ферментов дыхательной цепи, нарушают тканевое дыхание. Некоторые препараты блокируют SH-группы тиоловых ферментов. ХОС опасны для рыб своими отдаленными последствиями: эмбриотоксическим, мутагенным я тератогенным действием. Они снижают иммунологическую реактивность и повышают восприимчивость рыб к инфекционным болезням. ХОС относятся к группе высокотоксичных для рыб соединений.[17,18]

1.2.1.2 Фосфорорганические пестициды (ФОС)

Фосфорорганические пестициды объединяют большую группу препаратов различной химической структуры, в основе которых лежат эфиры кислот фосфора. Среди них видное место занимают эфиры монотио-фосфорной кислоты [тиофос (паратиоп), метафос (метилпаратион) и др.], эфиры фосфоновой кислоты [хлорофос (трихлорфон)], эфиры дитиофос-форпой кислоты [карбофос (малатион), рогор и др.]. Основанием к широкому использованию фосфорорганических пестицидов в сельскохозяйственной практике послужили прежде всего высокая их инсектицидная эффективность и сравнительно быстрая инактивация во внешней среде. Важной особенностью фосфорорганических пестицидов является сравнительно невысокая токсичность, а в ряде случаев и полное отсутствие токсических свойств продуктов их распада (гидролиза). Это позволило допустить наличие во всех пищевых продуктах остаточных количеств продуктов разложения таких высокотоксичных фосфорорганических пестицидов, как тиофос (рис.10).

Рис.10 - Структурная формула тиофоса

Фосфорорганические пестициды, за исключением некоторых (хлорофос), плохо растворимы в воде и хорошо -- в органических растворителях. Концентраты эмульсий переходят в воде в стойкую эмульсию и наиболее опасны для рыбоводства. ФОС относительно малостойки в окружающей среде. Большая часть их разлагается в растениях, почве и воде в течение одного или нескольких месяцев. Только некоторые инсектоакарициды внутрирастительного действия (метилмеркаптофос, антио, фосфамид, сайфос и др.) сохраняются до года. Такие распространенные пестициды, как метафос и карбофос (рис.11), распадаются значительно быстрее и практически уже через несколько дней после обработки почти полностью инактивируются.

а)

б)

Рис.11 - Структурные формулы а) карбофос; б) метофос

С увеличением рН и повышением температуры воды скорость гидролиза этих, соединений возрастает в несколько раз. В рыбохозяйственных водоемах они, как правило, обнаруживаются в незначительных количествах.

1.3 Микроорганизмы и их функции

В отличие от многообразия макромира (мира больших и видимых невооруженным глазом существ) мир микробов характеризуется относительным однообразием. Существующие в настоящее время более 3000 различных видов бактерий, но своему внешнему виду подразделяются на 3 основные формы:

1. Шаровидные или эллипсовидные (кокки) размерами от 1 до 2 микрон (рис. 12). Кокки относятся к наиболее простой форме бактерий; они могут соединяться друг с другом, образуя диплококки (по две), тетра-кокки (по четыре) и стрептококки (цепочки).

а б в

Рис. 12. Шаровидные формы; а - кокки; б - микрококки; в - диплококки.

2. Палочковидные или цилиндрические размерами от 1 до 5 микро (рис. 13). Они также способны соединяться друг с другом попарно ив цепочку и дают большое разнообразие форм бактерий (диплобактерии, диплобациллы, стрептобациллы, стрептобактерии).

а б в г

Рис. 13. Палочковидные формы; а - тетракокки; б - стрептококки; в - палочки; г - стрептобактерии.

3. Извитые или спириллы размерами от 1 до 30 микрон. Извитые формы разделяют на три группы:

- вибрионы (слегка изогнутые, в виде запятой) величиной от 1 до 3 микрон;

- спирохеты (сильно изогнутые с крупными завитками на конце) размерами от 5 до 30 микрон;

- спириллы (изогнутые палочки с небольшим количеством изгибов) - от 5 до 10 микрон.

Характерно, что в капле жидкости можно обнаружить почти все формы бактерий, но особенно много там содержится бактерий-палочек.

Нитчатые бактерии, к которым относятся следующие многоклеточные микроорганизмы: серобактерии; железобактерии; марганцовистые бактерии, вызывают разрушения и закупорку металлических труб, проводов, холодильников и других сооружений.

Нитчатые бактерии могут быть как свободно плавающими, так и прикрепленными, причем многие из них покрыты слизистой оболочкой. Они размножаются очень быстро с помощью гонидий и конидий - особых спороподобных овальных телец, возникающи в конце нити.

Гонидии созревают в материнской нити и затем отслаиваются, приобретая самостоятельное движение за счет жгутиков.

Конидии созревают и развиваются в теле материнской нити. Но они не обладают собственным движением.

Нитчатые бактерии устойчивы к высыханию, солнечному свету и действию некоторых слабых дезинфицирующих веществ, поэтому борьба с ними ведется следующими способами:

а) термической обработкой воды (при высокой температуре)

б) действием сильных окислителей (хлором, озоном, хлораминами, растворами КМnО₄ или К₂Сг₂О₇).

К микроорганизмам относятся также плесневые грибы и дрожжи. Морфология грибов разнообразна, но основной структурой их тела являются мицелии, или грибница, состоящая из разветвленных бесцветных нитей, называемых гифами. Большинство грибов имеет многоклеточное строение. Они сочетают признаки низших растительных организмов и бактерии. Ветвистый мицелий частью погружен в питательную среду (воду) и быстро прорастает, образуя полый мицелии. Грибы размножаются вегетативным способом (путем деления мицелии, и спорами; в воде мицелии грибов способны распадаться на мелкие отрезки, которые по размерам и составу оболочки близки к палочковидным бактериям).

Важность грибов при минерализации водоемов обусловливается тем, что в процессе жизнедеятельности они продуцируют полезные антибиотики (пенициллин и стрептомицин) и активно участвуют в расщеплении устойчивых органических соединений (целлюлозы, парафинов, крахмала и др.).

Дрожжи относятся к одноклеточным грибам, не образующим мицелий. Их клетка имеет шарообразную или овальную форму размером от 6 до 10 микрон, т. е. значительно больше величины обычных бактерий. Дрожжевая клетка подобно бактериям состоит из ядра, цитоплазмы и оболочки, но построена более сложно; она размножается, как и бактерии, путем деления (отпочкования) материнской клетки на дочерние.[12]

Дрожжи участвуют в процессах брожения различных углеводов, расщепляя их в конечном итоге до спиртов и углекислого газа.

Биологические методы очистки сточных вод основываются на естественных процессах жизнедеятельности гетеротрофных микроорганизмов. Микроорганизмы, как известно, обладают целым рядом особых свойств, из которых следует выделить три основных, широко используемых для целей очистки:

1. Способность потреблять в качестве источников питания самые разнообразные органические (и некоторые неорганические) соединения для получения энергии и обеспечения своего функционирования.

2. Свойство быстро размножаться; в среднем число бактериальных клеток удваивается через каждые 30 мин. По утверждению проф. Н.П. Блинова, если бы микроорганизмы могли беспрепятственно размножаться, то при наличии достаточного питания и соответствующих условий за 5 - 7 дней масса только одного вида микроорганизмов заполнила бы бассейны всех морей и океанов. Этого, однако, не происходит как из-за ограниченности источников питания, так и благодаря сложившемуся природному экологическому равновесию.[8]

3. Способность образовывать колонии и скопления, которые сравнительно легко можно отделить от очищенной воды после завершения процессов изъятия содержавшихся в ней загрязнений.

В живой микробной клетке непрерывно и одновременно протекают два процесса - распад молекул (катаболизм) и их синтез (анаболизм), составляющие в целом процесс обмена веществ - метаболизм. Иными словами, процессы деструкции потребляемых микроорганизмами органических соединений неразрывно связаны с процессами биосинтеза новых микробных клеток, различных промежуточных или конечных продуктов, на проведение которых расходуется энергия, получаемая микробной клеткой в результате потребления питательных веществ. Источником питания для гетеротрофных микроорганизмов являются углеводы, жиры, белки, спирты и т.д., которые могут расщепляться ими либо в аэробных, либо в анаэробных условиях. Значительная часть продуктов микробной трансформации может выделяться клеткой в окружающую среду или накапливаться в ней. Некоторые промежуточные продукты служат питательным резервом, который клетка использует после истощения основного питания. Весь цикл взаимоотношений клетки с окружающей средой в процессе изъятия из нее и трансформации питательных веществ определяется и регулируется соответствующими ферментами. Ферменты локализуются в цитоплазме и в различных субструктурах, встроенных в мембрану клетки, выделяются на поверхность клетки или в окружающую среду. Общее содержание ферментов в клетке достигает 40 - 60% от общего содержания в ней белка, а содержание каждого из ферментов может составлять от 0,1 до 5% от содержания белка. При этом в клетках может находиться свыше 1000 видов ферментов, а каждую биохимическую реакцию, осуществляемую клеткой, могут катализировать 50 ~ 100 молекул соответствующего фермента. Часть ферментов представляют собой сложные белки (протеиды), содержащие кроме белковой части (апофермента) небелковую часть (кофермент). Во многих случаях коферментами являются витамины, иногда -комплексы, содержащие ионы металлов.

Ферменты делятся на шесть классов по характеру реакций, катализирующих: окислительные и восстановительные процессы; перенос различных химических групп от одного субстрата к другому; гидролитическое расщепление химических связей субстратов; отщепление от субстрата химической группы или присоединение таковой; изменение в пределах субстрата; соединение молекул субстрата с использованием высокоэнергетических соединений.

Поскольку микробная клетка потребляет только растворенные в воде органические вещества, то проникновение в клетку нерастворимых в воде веществ, таких например, как крахмал, белки, целлюлоза и др. возможно лишь после их соответствующей подготовки, для чего клетка выпускает в окружающую жидкость необходимые ферменты для гидролитического их расщепления на более простые субъединицы.[13]

Коферменты определяют природу катализируемой реакции и по выполняемым функциям подразделяются на три группы:

1. Переносящие ионы водорода или электроны; связаны с окислительно-восстановительными ферментами - оксидоредуктазами.

2. Участвующие в переносе групп атомов (АТФ - аденозинтрифосфорная кислота, фосфаты углеводов, СоА - коферменат А и др.)

3. Катализирующие реакции синтеза, распада и изомеризации углеродных связей.

В осуществлении биологической очистки сточных вод участвуют самые разнообразные группы микроорганизмов такие как бактерии, грибы, водоросли, простейшие и многоклеточные. В двух основных типах реакторов биологической очистки - биофильтрах и установках с активным илом - создаются разные условия для жизнедеятельности, и это сказывается на составе обитающих в них организмов. Наибольшее число видов организмов обнаружено в биофильтрах. Из-за различий в конструкции и операционных характеристиках биофильтры отличаются сильно изменяющимися условиями среды, и хорошо приспосабливаться к обитанию в них могут самые различные организмы. В установках с активным илом их меньше и они не так разнообразны по видовому составу.

Бактерии. Многочисленны в реакторах обоих типов, но в реакторах с активным илом их относительно больше. Основная задача бактерий - первичеая трансформация и разложение растворенных органических веществ. Они также участвуют в разложении взвешенных органических веществ посредством синтеза внеклеточных ферментов. Обычное содержание бактерий в активном иле составляет 10¹⁰ - 10¹² на литр [3].

Грибы. Конкурируют с бактериями за источники питания и, поскольку преимущество обычно бывает на стороне бактерий, в реакторах грибы не так многочисленны, как бактерии. Однако именно их развитию способствуют низкие значения рН в реакторе. Грибы лучше представлены в биофильтрах, чем в активном иле.

Водоросли. Обнаруживаются на поверхности биофильтров, где условия благоприятны для их развития (свет и питание), а также в биопрудах, используемых на конечных стадиях очистки стока.

Простейшие. Обычные обитатели биофильтров. В сооружениях с активным илом их численность зависит от нагрузки на это сооружение: чем ниже нагрузка, тем больше простейших. Простейшие паразитируют на бактериях, поедают грибы и водоросли, взвешенные органические вещества и выполняют важную функцию во вторичном осаждении сточных вод.

Многоклеточные. Ареал распространения тот же, что и у простейших, т.е они предпочитают биофильтры и активный ил при низкой нагрузке. В реакторах можно обнаружить коловраток, ракообразных, различного вида насекомых и т.д.[1]

1.4 Биологическая очистка сточных вод от органических загрязнителей

Процесс очистки основан на способности микроорганизмов использовать органические вещества для питания в процессе жизнедеятельности -- они для микроорганизмов являются источником углерода и энергии. Контактируя с органическими веществами, микроорганизмы частично разрушают их, превращая в воду, диоксид углерода, нитрит - и сульфат - ионы и др. Другая часть вещества идет на образование биомассы. Разрушение органических веществ называют биологическим окислением, возможности подачи промышленных сточных вод на биологические очистные сооружения устанавливают максимальные концентрации токсичных веществ, которые не влияют на процессы окисления и на работу очистных сооружений.

Выделяют аэробный метод очистки от органических веществ. Он основан на использовании аэробных групп организмов, для жизнедеятельности которых необходим постоянный приток кислорода и температура 20--40 °С. При изменении кислородного и температурного режима состав и число микроорганизмов меняются. При аэробной очистке микроорганизмы культивируются в активном иле или биопленке.

Аэробная стабилизация - это процесс окисления органических веществ в присутствии микроорганизмов и кислорода атмосферного воздуха, вводимого принудительно. Этот процесс, с точки зрения кинетики распада органики, аналогичен процессу окисления органических загрязнений в аэротенке. Аэротенками называют железобетонные аэрируемые резервуары, процесс очистки в них идет по мере протекания через него аэрированной смеси сточной воды и активного ила. Аэрация необходима для насыщения воды кислородом и поддержания ила во взвешенном состоянии. Сточную воду направляют в отстойник, куда для улучшения осаждения взвешенных частиц можно подавать часть избыточного ила. Затем осветленная вода поступает в предаэратор-усреднитель, в который направляют часть избыточного ила из вторичного отстойника. Здесь сточные воды предварительно аэрируются воздухом в течение 15--20 мин. В случае необходимости в предаэратор могут быть введены нейтрализующие добавки и питательные вещества. Из усреднителя сточную воду подают в аэротенк, через который циркулирует и активный ил. [30]

Биологические процессы, протекающие в аэротенке, могут быть разделены на два этапа:

1) адсорбция поверхностью активного ила органических веществ и минерализация легко окисляющихся веществ при интенсивном потреблении кислорода;

2) доокисление медленно окисляющихся органических веществ, регенерация активного ила; на этом этапе кислород потребляется медленнее.

Большинство микроорганизмов в процессе жизнедеятельности деструктируют органические загрязнения при одновременном потреблении кислорода. т.о. постоянно восполняя запас энергии и получая "строительный материал" для производства новых микроорганизмов.

Органические вещества, попадающие в аэробный биологический реактор, могут:

- окисляться до диоксида углерода и различных питательных веществ;

- ассимилироваться в биомассе (иле);

- проходить сквозь реактор, не претерпевая изменений (биологически не разлагаемые в данных условиях вещества);

- превращаться в другие органические вещества.

Процесс идет до образования безвредных конечных продуктов (СО₂, Н₂О), при одновременном образовании новых микроорганизмов (рис 14). После отделения от воды, часть микроорганизмов образуют "избыточный активный ил", который должен быть определенным образом обработан.

Микроорганизмы

Органические вещества {CHO}n Диоксид углерода

+ кислород О₂ + вода

+ биогенные элементы СО₂ + Н₂О

Новые микроорганизмы

Рис.14 - Влияние микроорганизмов на органические вещества

Для того чтобы происходил процесс биологического окисления органических веществ, находящихся в сточных водах, они должны попасть внутрь клеток микроорганизмов. К поверхности клеток вещества поступают за счет конвективной и молекулярной диффузии, а внутрь клеток -- диффузией через полупроницаемые цитоплазматические мембраны, возникающей вследствие разности концентраций веществ в клетке и вне её.

Однако большая часть вещества попадает внутрь клеток при помощи специфического белка-переносчика. Образующийся растворимый комплекс веществ -- переносчик, диффундирующий через мембрану в клетку, где он распадается, и белок-переносчик включается в новый цикл переноса.

Основную роль в процессе очистки сточных вод играют процессы превращения вещества, протекающие внутри клеток микроорганизмов. Эти процессы заканчиваются окислением вещества с выделением энергии и синтезом новых веществ с затратой энергии.

Если в сточных водах находится несколько веществ, то процесс окисления будет зависеть от содержания и структуры всех растворенных органических веществ. В первую очередь будут окисляться те вещества, которые необходимы для создания клеточного материала и для получения энергии.

Другие вещества потребляются микроорганизмами в зависимости от набора ферментов с равными или разными скоростями окисления одновременно или последовательно.

Порядок окисления вещества сказывается на продолжительности очистки сточных вод. При последовательном окислении вещества продолжительность, очистки определяется суммой длительности окисления каждого вещества в отдельности [15,16]

Пути метаболизма ароматических соединений очень многообразны. Распад этих соединений связан с разрывом кольца. На это бактериям требуется кислород. Различают три типа разрыва ароматического кольца. По первому типу кольцо разрывается между двумя соседними гидроксилированными атомами углерода. Например, под действием фермента разрыв кольца пирокатехина приводит к образованию цис- нуконовой кислоты. По этому пути распадаются фенол, бензойная кислота, нафталин, фенантрен, антрацен. Окисление фенола начинается с его гидроксилирования в орто - положении, при этом образуется пирокатехин (дифенол)

Большинство ароматических соединений образует сначала пирокатехин (или пирокатехиновую кислоту), который преобразуется в бетоадипиновую кислоту. Эта кислота с участием КОА включается в цикл трикарбоновых кислот.

Второй путь разрыва кольца ароматических соединений -- это разрыв связи между гидроксилированными и не гидроксилированными углеродными атомами. В этом случае под действием фермента пирокатехин распадается на полуальдегид 2-оксимуконовой кислоты, который далее превращается в уксусную, щавелево-уксусную, муравьиную кислоты или ацетальдегид.

Третий путь характеризуется разрывом кольца между гидроксилированным атомом углерода и атомом углерода, к которому присоединена карбоксильная или другая группа

При заданной степени очистки основными факторами, влияющими на скорость биологических реакций, являются концентрация потока, содержание кислорода в сточной воде, температура и рН среды, содержание биогенных элементов, а также тяжелых металлов и минеральных солей.

Для успешного протекания реакций биологического окисления необходимо присутствие в сточных водах соединений биогенных элементов и микроэлементов: N, S, Р„ К, Mg, Ca, Na, Cl, Fe, Mn, Mo, Ni, Co, Zn, Си и др. Среди этих элементов основными являются N, P и К, которые при биологической очистке должны присутствовать в необходимых количествах. Содержание остальных элементов не нормируется, так как их в сточных водах достаточно. [17]

1.5 Механизм биодеградации углеводородных загрязнений

В биодеградации углеводородных органических загрязнителей углеводородокисляющие микробы (УОМ), выступают в роли основных минерализаторов. Одним из главных путей ликвидации углеводородных загрязнений в природных и сточных водах является целенаправленная деятельность разнообразных таксономических групп микроорганизмов.

Биодеградацию углеводородных органических загрязнений в природных и сточных водах можно успешно осуществлять в результате

1) стимуляции естественной углеводородокисляющей микрофлоры природных вод путем внесения различных питательных элементов, включая источники минерального азота, фосфора и другие;

2)интродукции активных отселектированных УОМ в загрязненную органическими углеводородами экосистему, создание оптимальных условий дл их развития и стимуляции жизнедеятельности целенаправленным применением сопутствующих органических и неорганических соединений;

3) использования иммобилизованных клеток УОМ, обладающих высокой деструктирующей способностью органических углеводородов и ксенобиотиков и созданием на их базе высокоэффективных бактериальных препаратов промышленного образца, обладающих широким спекторм окисления различных классов углеводородов н-алканов до асфальтенов и смол включительно. Наиболее интересной, по мнению специалистов, является биотехнология, основанная на введении ассоциации специально созданных или адаптированных к улеводородсодержащим производственным стокам УОМ в загрязненную экосистему и создание оптимальных условий их развития, и соответственно ускоренного биоразложения органических соединений.

С учетом вышесказанного, учеными был проведен отбор наиболее активных в окислении органики ассоциативных сообществ из 10-ти штаммов УОМ, ранее выделенных из объектов органического загрязнения, определение оптимальных параметров достижения максимальной численности (биомассы) и проведение полупроизводственных испытаний очистки углеводородсодержащих стоков. Был рассмотрен сток загрязненный нефтью и нефтепродуктами. На первом этапе были изучены различные типы сообществ (монокультура и культуры, состоящие из трех и десяти штаммов нефтеокисляющих бактерий), влияющих на степень трансформации нефти, машинного и соляревого масел, бензина и др. (табл.4,5). Культуры выращивали в сточной воде.

Таблица 4. Содержание, г/дм³ (числитель), и эффективность, %, (знаменатель) деструкции нефтяных загрязнений сообществами нефтеокисляющих микроорганизмов в стационарных условиях.

Нефтепродукты	Исходное количество, г/дм3	Культуры
		Контроль	Моно-культура	Три штамма	Десять штаммов
Товарная нефть Бензин Соляровое масло Машинное масло	0,138 0,122 0,139 0,167	0,08/42 0,062/49 0,085/39 0,142/35	0,041/70 0,022/82 0,057/59 0,072/57	0,032/77 0,012/90 0,042/70 0,055/67	0,021/85 0,016/87 0,036/74 0,05/70

Таблица 5. Содержание, г/дм³ (числитель), и эффективность, %, (знаменатель) деструкции нефтяных загрязнений сообществами нефтеокисляющих микроорганизмов в условиях периодической аэрации.

Нефтепродукты	Исходное количество г/дм3	Культуры
		Контроль	Моно-культура	Три штамма	Десять штаммов
Товарная нефть Соляровое масло Машинное масло	0,138 0,139 0,167	0,046/67 0,073/48 0,092/45	0,035/75 0,043/69 0,067/60	0,022/84 0,032/77 0,045/73	0,012/91 0,024/83 0,034/80

Как видно из таблиц 4 и 5 на степень и скорость деструкции углеводородов нефти влияют состав нефтяных загрязнений и типы сообществ, с которыми они контактируют.

Скорость окисления нефти максимальна при участии десяти штаммов нефтеокисляющих бактерий. В присутствии трех штаммов скорость разложения несколько меньше, а в среде с одной монокультурой она минимальна. Имело место различие в скорости окисления лишь при окислении бензиновой фракции. Что касается оценки роста штаммов, то наибольшая плотность биомассы наблюдалась в варианте с тремя штаммами бактерий, что по всей вероятности связано с избирательностью и доступностью в окислении легких фракций углеводородов (табл. 4).

Установлено, что разрушение углеводородов нефти протекает в результате биологического окисления и активности участвующих в окисление нефти УОМ и зависит от растворимости нефтепродуктов в водной среде.

Это видно при аэрации среды в результате, которой происходит переход исходного субстрата во взвешенное и растворенное состояние. Благодаря этому происходит увеличение соприкосновения молекул нефтяного загрязнения с бактериальными клетками, что, в свою очередь, отражается на росте численности и увеличении степени усвоения углеводородов (табл. 5).

Известно, что температура среды, где культивируются УОМ, оказывает значительное влияние на процесс деградации нефти и нефтепродуктов. Исходя, из полученных результатов было установлено, что оптимальный температурный интервал для роста и развития сообществ УОМ составляет 23-28^оС.

Степень и эффективность биоокисления нефтепродуктов зависит от концентрации углеводородов в воде и времени их контакта с окисляющей микрофлорой. Это связано с одной стороны с доступностью углеводородов к микробной атаке, а с другой, с возможностью оптимизации среды для участвующих в биодеградации микроорганизмов.[21]

1.6 Механизм биодеградации фенола и его хлорированных соединений

Сегодня известен ряд микроорганизмов, способных использовать фенол в качестве единственного источника углерода и энергии. Фенол при воздействии микроорганизмов подвергается окислительному разложению до неароматических соединений. При этом в аэробных условиях образование ключевого интермедиата - пирокахетина и его последующее расщепление. Этап, на котором этот разрыв происходит, является ключевым, от него в значительной степени зависит скорость и эффективность утилизации ароматических соединений.

К настоящему времени известны три типа окислительного расщепления ароматического кольца - орто-, мета-расщепление и расщепление по пути гентизиновой кислоты.

Орто-расщепление происходит между двумя гидроксильными группами с образованием цис, цис-муконовой кислоты, которая в дальнейшем метаболизируется до сукцината (рис.15)

Рис.15 - Схема орто-расщепления. Условные обозначения: I - пирокатехин, II - цис, цис-муконовая кислота, III - янтарная кислота.

Такой путь метаболизма характерен для большинства штаммов-деструкторов фенола.

В случае мета-расщепления ароматическое кольцо раскрывается по соседству с гидроксильной группой таким образом, что образуется полуальдегид 2-гидроксимуконовой кислотыю дальнейший метаболизм приводит к образованию пирувата, муравьиной кислоты и ацетальдегида (рис.16).

Рис.16 - Схема мета-пути метаболизма пирокатехина. Условные обозначения: I - пирокатехин, II - 2-гидроксимуконовая кислота, III - пировиноградная кислота, IV - ацетальдегид, V - муравьиная кислота

Расщепление ароматического кольца по пути гентизиновой кислоты осуществляется между гидроксилированным атомом углерода и тем, к которому присоединена карбоксильная группа, с образованием малеилпировиноградной кислоты, которая превращается далее в фумарат и пируват (рис.17)

Рис.17 - Схема метобализма гентизиновой кислоты. Условные обозначения: I - гентизиновая кислота, II - малеилпировиноградная кислота, III - фумаровая кислота, IV - пировиноградная кислота.

В биодеградации галогенсодержащих фенолов присутствуют галогеновые заместители в ароматическом кольце, делающие субстрат (в сравнении с фенолом) менее доступным для микроорганизмов. Однако существуют и такие штаммы, которые способны расщеплять моно-, ди-, три- и пентахлорфенолы.

Доступность хлорфенолов при их расщеплении зависит от положения галогена в молекуле, которое и определяет последующие этапы катаболизма. Некоторые микроорганизмы, разлагающие моно- и дихлорфенолы, не способны использовать полигалогенированные субстраты, и наоборот, штаммы, метаболизирующие полихлорированные фенолы, оставляли интактными моно- и дихлорфенолы. Существуют и такие штаммы, способные утилизировать целый спектр от ди- до полихлорированных фенолов. При этом некоторые микроорганизмы могут инициировать расщепление сложного субстрата, а другие могут проводить более поздние реакции. Расщепление хлорфенолов приводит к образованию хлоргидрохинонов. Далее хлоргидрохиноны метаболизируются по орто-пути, аналогично расщеплению фенола (схема 1).

1.7 Оборудования для практического применения микроорганизмов

Для полной биологической очистки сточных вод от органических загрязнителей применяются:

- аэрационные установки, работающие по методу полного окисления органических загрязнителей (аэротенки подлинной аэрации);

- аэрационные установки с аэробной стабилизацией избыточного активного ила.

Установки обоих типов обеспечивают стабильную высокую эффективность очистки сточных вод от органических соединений, могут применятся в любых климатических, грунтовых и гидрогеологических условиях и не требую отвода больших площадей земли. [22]

1.7.1 Аппараты, работающие по методу полного окисления органических загрязнителей

Полное окисление органических загрязнений в очистительных сооружениях протекает в три фазы. В первой фазе, наличие большого количества органических веществ в сточной жидкости обеспечивает быстрое размножение микроорганизмов с непрерывным прогрессированием общего их количества.

Во второй фазе, нагрузка по органическим загрязнениям на активный значительно ниже, и из-за недостаточного количества этих загрязнений размножение микроорганизмов несколько сдерживается. Устанавливается определенное соотношение между количеством поступивших органических веществ и приростом ила.

В третьей фазе размножение микроорганизмов активного ила замедляется из-за недостатка органических загрязнений.

Ил как бы находится в «голодном» состоянии. Это заставляет микроорганизмы активного ила использовать не только органические вещества поступившие со сточными водами, но и большую часть органических веществ отмерших микроорганизмов, т.е. минерализовать органическую часть самого активного ила.

В результате полного окисления органических загрязнений прирост активного ила настолько мал, что его можно удалять из сооружений через 1-4 месяца.

Компактные установки для биологической очистки производительностью 12 и 25 куб.м в сутки, изготавливаются в заводских условиях в виде единого металлического блока. Все установки конструктивно выполнены в виде аэротенков-отстойников с принудительным возвратом активного ила.

Установки производительностью 12 куб.м в сутки оборудованы механической системой аэрации, остальные - эжекторной или пневматической.

Принцип работы установки (рис. 18): сточные воды пропускают через решетку и без первичного отстаивания направляют в зону аэрации.

Рис.18 - Компактная установка для биологической очистки КУ-12

Здесь происходит биологическая очистка сточных вод активным илом, который поддерживается во взвешенном состоянии за счет вращения роторного аэратора. Затем после полутора часового контакта в аэрационном объеме, смеси сточных вод и активного ила по дегазационному каналу поступает в зону отстаивания. Осевший ил через нижнюю щель отстойника возвращается в аэрационную зону. Сверху установка перекрывается щитами для предохранения от замерзания в зимний период.

Принцип работы установок КУ -25 - КУ-200 (рис.19): до поступления на установку сточную воду пропускают через решетку-дробилку или решетку с ручной очисткой. На установку сточная жидкость поступает через входной патрубок и по подающему лотку перетекает в два распределительных лотка, проходящих по продольным стенкам.

Рис. 19. Схема установки для биологической очистки КУ-25 - КУ-200

Для предотвращения осаждения взвешенных веществ в лоток подается сжатый воздух. Из распределительных лотков через отверстия с регулируемыми треугольными водосливами сточная вода переливается в аэротенк-отстойник. Аэрационные зоны расположены по продольным стенкам. Воздух в аэрационную зону подается от воздуходувок по воздухопроводам и распределяется через дырчатые трубы. В аэротенка возможно применение эжекционной аэрации.

Отстойная зона расположена в центре установки. Смесь сточных вод и активного ила поступает в зону через нижнюю щель, проходит через взвешенный слой, образованный активным илом, где происходит разделение активного ила и очищенной сточной жидкости.

Последняя поднимается к поверхности отстойной зоны, протекает через затопленные отверстия в сборный лоток и по нему отводится из установки. Активный ил увлекается потоком в бункеры отстойной зоны и перекачивается лифтами в аэрационные зоны. Избыточный активный ил периодически (1 раз в 1-4 месяца) удаляется из аэрационных зон на иловые площадки.

Компактные установки КУ-12 - КУ-200 прошли длительные испытания на многих очистных станциях, качество очищенного стока БПК и взвешенным веществам составляет 12-15 мг/л, концентрация аммонийного азота снижается на 40%. Эффективность очистки сточных вод на этих сооружениях повышается, если во вторичных отстойниках использовать тонкослойные модули.

Институтом Уралагропромпроект в 1988 году был разработан проект очистных сооружений канализации.

Биологическая очистка осуществляется в аэротенке-отстойнике, совмещенном с сооружением доочистки сточных вод (Рис. 20). Одна секция рассчитана на расход 50 куб.м в сутки. Максимальная пропускная способность очистной станции 500 куб.м в сутки. В зоне аэрации принят режим полного окисления органических загрязнений. Аэрация - пневматическая, среденепузырчатая продолжительность ее в среднем 18-20 часов.

Рис. 20 - Аэротенк - отстойник. Доочистка

Сточная вода поступает в зону аэрации по трубопроводу диаметром 100 мм, туда же попадает воздух от воздуходувки и циркуляционный активный ил с помощью эрлифта.

По истечении периода биологической очистки активный ил со сточной водой поступает во вторичный отстойник, где происходит осветление стоков. Активный ил, находящийся главным образом в нижней части отстойника, эрлифтом подсасывается и перекачивается в зону аэрации.

Избыточный активный ил периодически удаляется из зоны аэрации через илопровод диаметром 100 мм на иловые площадки.

Осветленная вода поступает по трубопроводу из отстойной зоны в сооружения доочистки стоков.

В качестве сооружения доочистки могут быт использованы биореакторы с затопленной загрузкой, либо эту часть сооружений можно использовать как нитрификатор - денитрификатор. Выбор сооружения доочистки зависит от местных условий и требований качества очищенного стока. В каждом конкретном случае необходима частичная реконструкция сооружения доочистки.[23]

1.7.2 Аппараты, работающие по методу аэробной стабилизации избыточного активного ила

Аэробная стабилизация - это процесс окисления органических веществ в присутствии микроорганизмов и кислорода атмосферного воздуха, вводимого принудительно. Этот процесс, с точки зрения кинетики распада органики, аналогичен процессу окисления органических загрязнений в аэротенке.

Аэробная стабилизация осадка приемлема до 1400 куб.м в сутки и более. Поскольку продолжительность процесса зависит от начальной концентрации органических загрязнений и объема образующегося осадка, то для малых расходов стабилизаторы получаются малыми и легко эксплуатируемыми.

В стабилизаторе широко применяется как пневматическая (дырчатые трубы), так и механическая (турбинные или струйные аэраторы) аэрация. На процесс стабилизации осадков влияет наличие токсичных, агрессивных и трудно окисляемых веществ при концентрациях, превышающих допустимые.

Метод аэробной стабилизации избыточного ила по сравнению с методом анаэробной обработки осадка имеет такие существенные преимущества:

- простота конструктивного исполнения сооружений;

- отсутствие взрывоопасности;

- хорошие санитарно-гигиенические показатели;

- лучшие водоотдающие свойства;

- легкость автоматизации процесса;

- простота обслуживания сооружений.

Установки заводского изготовления разработаны для очистных станций, они представляют собой блок, объединяющий аэротенк, вторичный отстойник и стабилизатор избыточного активного ила. Система аэрации пневматическая.

На рис.21 показана схема компактной установки (КУ) с аэробной стабилизацией или пневматической аэрацией.

Рис 21 - Схема установки (КУ) с аэробным стабилизатором и пневматической аэрацией

Сточная вода, пройдя решетку-дробилку, установленную вне блока, и песколовку, поступает в падающий лоток с четырьмя треугольными регулируемыми водосливами и подаются в аэротенк. Аэротенк - квадратный в плане резервуар, по дну которого положены четыре плети перфорированных труб диаметром 150 мм. Аэротенк расчитан на продолжительность пребывания в нем сточных вод в течении 9 часов в часы максимального притока. С противоположной стороны аэротенка имеются затопленные окна для подачи сточных вод в отстойник.

Отстойник - вертикального типа. В нем устанавливается перегородка, направляющая поток жидкости в нижнюю зону. Сборные лотки осветленной воды выполняют с регулируемыми треугольными водосливами. Осветленная сточная жидкость поступает из вторичных отстойников на сооружения доочистки и обеззараживания. В отстойнике имеются шесть приемников, каждый из которых снабжен эрлифтом с трубопроводом возврата активного ила в аэрационную зону; три приемника имеют эрлифты с трубопроводами, направленными в стабилизатор. Вдоль отстойника расположен мостик для обслуживания, куда вынесены вентили управления эрлифтами. Продолжительность пребывания стоков в отстойнике 1,5 часа.

Поступление в стабилизатор свежих порций активного ила вызывает одновременное отделение такого же объема воды в отстойной зоне стабилизатора, которая отводится вместе с очищенными сточными водами из установки. Выгрузка из стабилизатора обработанного активного ила производится при достижении в нем предельной концентрации ила. Период выгрузки составляет 7-10 суток.

Очистка стоков на это установке осуществляется без первичного отстаивания, БПК очищенного стока составляет 15 мг/л.

На рис.22 показана схема установки с аэробной стабилизацией активного ила и механическими аэраторами. Эти сооружения выполняют в блочном варианте что позволяет набирать необходимую производительность (700-400 куб.м в сутки и более).

Рис 22 - Схема установки с аэробным стабилизатором и механической аэрацией

Установка работает следующим образом: сточная вода после решеток-дробилок и песколовки без отстаивания поступает в аэрационную часть сооружения. Аэрация смесь активного ила и сточных вод осуществляется механическим аэратором, установленным исключительно в центре аэрационной части. Обработанная жидкость в смеси с активным илом через затопленный водослив поступает в дегазационную камеру и в отстойник. Возврат активного ила в аэрационную зону осуществляется из бункерной части отстойника через циркуляционный трубопровод за счет гидростатического напора механического аэратора.

Одновременное поступление сточных вод и возвратного ила обеспечивает их хорошее смешение, а это в свою очередь приводит к эффективному изъятию загрязнений.

Осветленные сточные воды собираются в отводной лоток вторичного отстойника, устроенного на поверхности жидкости, и отводится на сооружения доочистки и обеззараживания.

В данном разделе дипломной работы рассмотрено современное состояние загрязнения сточных вод и даны характеристики приоритетных органических соединений, поступающих в сточные воды промышленных предприятий, таких как фенол, хлорфенол, ПАУ, ПХБ, пестициды. Приоритетные органические загрязнители обладают токсическим действием и ухудшают органолептические показатели воды, происходит их накопление в водных экосистемах, биоаккумулирование и экологичекая магнификация.

Масса загрязняющих веществ, сброшенных со сточными водами в окружающую среду, составила 1252,1 тыс. и увеличилась по сравнению с 2005-2006 на 42,9 тыс. Степень загрязнённости сточных вод оценивается концентрацией примесей, т. е. их массой в единице объёма

Оценены способности микроорганизмов к конверсии органических загрязнителей а также проанализирован биологический метод очистки сточных вод от органических соединений. Методы биологической очистки являются наиболее универсальными, эффективными и экологически безопасными. Они основаны на способности микроорганизмов использовать разнообразные вещества, содержащиеся в сточных водах, в качестве источника питания. Микроорганизмы - деструкторы способные утилизировать трудноразлагаемые вещества, что обеспечивается наличием у них специфических ферментативных систем.

Исследованы механизмы биодеградации углеводородных загрязнителей, фенола и его производных. Фенол при воздействии микроорганизмов подвергается окислительному разложению до неароматических соединений. В биодеградации углеводородных органических загрязнителей. А в биодеградации углеводородных органических загрязнителей, углеводородокисляющие микробы (УОМ), выступают в роли основных минерализаторов. Таким образом в обоих случаях микроорганизмы расщепляют органические загрязнения в безвредные продукты.

Рассмотрены оборудования для практического применения микроорганизмов, такие как аэрационные аппараты, работающие по методу полного окисления органических загрязнений, и аэрационные аппараты с аэробной стабилизацией избыточного активного ила. Установки обоих типов обеспечивают стабильную высокую эффективность очистки сточных вод от органических соединений, могут применятся в любых климатических, грунтовых и гидрогеологических условиях и не требую отвода больших площадей земли и являются экономически выгодными.

2. Правовые основы и методы обеспечения природоохранного законодательства в области рационального использования воды

Экологическая политика - совокупность установленных государством правовых норм, направленных на выполнение мероприятий по сохранению среды обитания человека и разумное использование природных ресурсов. Экологический контроль со стороны государства призван минимизировать ущерб окружающей среде, наносимый скапливающимися отходами предпринимательской деятельности. Кроме того, экологический контроль осуществляется с целью эффективного проведения мероприятий по охране окружающей среды.

Правовые акты, входящие в отечественное экологическое законодательство, по своей общности делятся на несколько уровней. Основу составляют положения Конституции РФ, относящиеся к экологии. Регулирование природопользования осуществляется с помощью механизма административно-правовых форм управления через систему нормативно-технических документов. Базовым актом в области экологии является Закон Российской Федерации от 10 января 2002 года № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды». Важнейшими из них являются экологические нормативы, правила и стандарты, которые разрабатываются на основе природоохранного законодательства с учетом экологических, санитарно-гигиенических, технических и экономических требований. Стандарты качества природной среды -- единые требования, правила и нормативы, отвечающие современному уровню научно-технического прогресса и предъявляемые к организациям в целях охраны природы на основе правильного соотношения экологических и экономических интересов.

Исследование правовых основ государственного регулирования охраны окружающей среды и рационального использования природных ресурсов важно и актуально в современной России, так как экологическое состояние окружающей среды Российской Федерации в отдельных регионах страны, принимает катастрофический характер, а зачастую, страна не застрахована от «экологических коллапсов» и катастроф.

Поскольку в настоящее время наблюдается интенсивное развитие всех отраслей промышленности, которое приводит к деградации природной среды, то с целью усиления ее охраны необходимо правовое регламентирование потребления отдельных природных компонентов, в частности рационального водопользовании

2.1 Закон РФ от 10 января 2002 года № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды»

Закон «Об охране окружающей природной среды» является главным законодательным актом, определяющий целевые задачи по сохранению природной среды и поэтому все его положения не должны вступать в противоречия с другими нормативными и регулирующими документами в вопросах сохранения природной среды.

Основное направление закона определено как научно обоснованное сочетание экологических и экономических интересов с приоритетом охраны здоровья и прав человека на здоровую, чистую окружающую среду. Отклонение от разработанных нормативов воздействия считается экологическим правонарушением. В отличие от отраслевых законов сформулированы требования, обращенные к источникам вредного воздействия на природную среду. Человек, охрана его жизни и здоровья рассматриваются в законе как субъект воздействия на природную среду, а также как объект такого воздействия, наделенный гарантиями на возмещение причиненного вреда. В законе закреплен механизм его реализации, состоящий из системы, включающей экономическое стимулирование рационального природопользования и меры административно-правового воздействия на нарушителей экологических нормативов. Согласно этому закону считается обязательным проведение государственной экологической экспертизы, государственного экологического контроля, его правомочия по приостановлению, ограничению, прекращению деятельности экологически вредных производств. Определяет правовые основы государственной политики в области охраны окружающей среды, обеспечивающие сбалансированное решение социально-экономических задач, сохранение благоприятной окружающей среды, биологического разнообразия и природных ресурсов в целях удовлетворения потребностей нынешнего и будущих поколений, укрепления правопорядка в области охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности; регулирует отношения в сфере взаимодействия общества и природы, возникающие при осуществлении хозяйственной и иной деятельности, связанной с воздействием на природную среду как важнейшую составляющую окружающей среды, являющуюся основой жизни на Земле, в пределах территории Российской Федерации, а также на континентальном шельфе и в исключительной экономической зоне РФ. В указанном законе рассмотрены нормативы допустимых выбросов и сбросов веществ. Лимиты на выбросы и сбросы допускаются на основании разрешений, выданных органами исполнительной власти, осуществляющими государственное управление в области охраны окружающей среды.

2.2 Водный кодекс РФ от 16 ноября 1995 г.

Водный кодекс РФ регулирует правовые отношения с целью обеспечения сохранения, научного обоснования, рационального использования вод для нужд населения и отраслей экономики, восстановления водных ресурсов, охраны вод от загрязнения и исчерпывания, избегания вредного воздействия вод и ликвидации его последствий, улучшения состояния водных объектов, а также охраны прав предприятий, учреждений, организаций и граждан на водопользование. Водный фонд РФ включает все водные объекты на территории России. К нему относятся: поверхностные воды (озёра), водотоки (реки, ручьи), искусственные водоёмы (водохранилища, пруды) и каналы, подземные воды и источники, внутренние морские воды и территориальное море.

По действующему Водному кодексу все водные объекты являются государственной собственностью. Исключения составляют обособленные искусственные, непроточные водоемы небольшой площади (пруды), которые могут находиться в частной собственности. Таким образом, именно государство как собственник всех водных объектов обеспечивает охрану вод и право граждан на свободное водопользование.

Нарушение водного законодательства влечёт за собой дисциплинарную, административную, гражданско-правовую или уголовную ответственность.

Цели водного законодательства Российской Федерации реализуются на основе принципа устойчивого развития (сбалансированного развития экономики и улучшения состояния окружающей природной среды).

В водном кодексе рассматривается понятие «допустимое воздействие на водные объекты». Это означает, что количество веществ в сбросах сточных вод и дренажных вод в водные объекты не должно превышать установленные нормативы допустимого воздействия. При расчете нормативов допустимого воздействия на водные объекты необходимо учитывать технико-экономические характеристики производства, системы очистки, а также оборотного или повторного использования воды каждого конкретного предприятия. Действующие предприятия-водопользователи, сбрасывающие сточные воды с превышением установленных нормативов допустимого воздействия, обязаны обеспечить разработку и реализацию планов мероприятий по достижению нормативов допустимого воздействия. В период реализации планов или их отдельных этапов, соответствующих нормативным срокам продолжительности строительства и ввода в эксплуатацию водоохранных сооружений, предприятия должны осуществляют сброс сточных вод на основании разрешений на сброс загрязняющих веществ, устанавливающих лимиты на сброс загрязняющих веществ со сточными водами.

Таким образом, в водном кодексе РФ отражены мировые тенденции оценки воздействия на водные объекты.

2.3 Федеральный закон "О санитарно-эпидемиологическом благополучии населения" от 30 марта 1999 г. N 52-ФЗ