биотехнология

Когда мы только начинали разрабатывать новое для Республики Коми направление исследований, ещё не ставился остро вопрос о нефтяных загрязнениях, но на слуху были экологические проблемы других отраслей народного хозяйства  лесопереработки, сельского хозяйства, восстановление земель после добычи каменного угля. Первые наши работы были посвящены исследованию возможности биологической трансформации и обезвреживания токсичных веществ в составе отходов лесопереработки и деревообработки. Изучая возможность трансформации фенольных соединений в составе отходов лесопереработки, мы разработали серию технологий получения из гидролизного лигнина, древесных опилок и коры экологически-безопасных и биологически-активных материалов. В перспективе разные модификации полученного материала могли стать сырьём для последующего использования для улучшения плодородия почв, стимулирования роста сельскохозяйственных культур, а также в качестве альтернативных торфу органических удобрений для рекультивации техногенно-нарушенных, труднодоступных и нефтезагрязнённых территорий Крайнего Севера.
Первым стал органно-минеральный компост, полученный путём биотехнологически переработанного с опилками и птичьим помётом гидролизного лигнина, который был разработан для утилизации крупнотоннажных отходов лесоперерабатывающего производства с целью получения органического удобрения, альтернативного торфу, для восстановления почвенно-растительного покрова на бедных органикой нарушенных землях в зоне добычи угля и транспортировки нефти в условиях Крайнего Севера. Первые успешные испытания полученного удобрения были проведены в зоне Воркутинской тундры в районе шахты Хальмер-Ю на участках, лишённых растительного покрова в 1991 году.
Лигносорбент, изготавливаемый на основе высушенного до воздушно-сухого состояния и измельчённого компоста с предварительной инокуляцией его нефтеокисляющими микроорганизмами, был разработан для биоремедиации бедных органикой нарушенных и загрязнённых углеводородами почвенных и водных субстратов на территориях, где использование иных органических материалов природного происхождения, таких как торфа, затруднено из-за их дефицита или отсутствия.
Биологически активный гранулированный удобрительно-посевной материал (БАГ), полученный на основе органо-минерального компоста, в который были добавлены минеральные удобрения и семена многолетних трав, предназначен для рекультивации посттехногенных и отдалённых территорий Крайнего Севера, лишённых почвенной органики, труднодоступных для техники, и где восстановление растительного покрова иными методами было неэффективно.
Одним из направлений использования альтернативных органическим удобрениям материалов, полученных путём биотехнологической переработки отходов лесного и сельского хозяйства, стали методы получения средств защиты растений по нестандартным технологиям. По секрету могу сказать, что в своё время был применён метод получения грибного препарата, эффективно устраняющего фитофтороз и ряд других заболеваний картофеля в заражённых почвах. Обработанные в 1991 году опытные участки по сей день отличаются от соседних тем, что на них даже спустя 17 лет (то есть и сейчас, в период повсеместного массового распространения различных инфекций на овощных культурах) отсутствуют фитофтора, парша, мучнистая роса, чёрная ножка. Однако тогда, в начале 90-х годов, наработанные методы и даже построенные пилотные производства пришлось закрыть и забыть.
Уже в 1991 году параллельно с работами по переработке отходов и получения новых средств защиты растений мы приступили к изучению набирающих темпы экологических проблем в нефтяной отрасли и поиску способов их решения. Сейчас можно с уверенностью сказать, что мы были первыми, кто исследовал возможность восстановления загрязнённых нефтью земель не только в экстремальных условиях Севера, но и при высоких исходных концентрациях нефти. Например, считалось, что биологическое очищение почв, загрязнённых нефтью, возможно при концентрации её не более 5%. Нами были получены результаты, определяющие возможность активизации биологической нефтедеструкции при уровне загрязнения более 35%. Принято было считать, что разложение нефти в почвах происходит при температуре окружающей среды более +15 градусов. В наших исследованиях положительный результат был достигнут при температуре окружающей среды около +3 градусов. Мы впервые применили дифференцированный подход в очистке земель от нефти и показали, что нет универсальных методов их восстановления. Положительный результат достигается только технологиями, учитывающими конкретные условия восстанавливаемой территории, концентрацию загрязнения, возраст разлива, состав нефти, степень функциональной активности почвенной микробиоты и, конечно, природно-климатические условия.
Исследование специфики восстановления загрязнённых нефтью почв в условиях Севера сталоприоритетным в работе лаборатории после крупной нефтяной катастрофы, произошедшей в 1994 году под Усинском. Авария вошла в книгу рекордов Гиннеса как самое значительное загрязнение на суше. Ликвидация её последствий заняла 10 лет, в течение которых при участии специалистов со всей России был накоплен не только уникальный опыт противодействия масштабным экологическим катастрофам в нефтяной отрасли, но и была разработана целая система межотраслевых взаимодействий. Эта система упорядочила сам процесс планирования, ведения и приёмки работ в чёткой связке контролирующих структур, недропользователей и подрядчиков, а жёсткий анализ результатов применяемых технологий позволил определить приоритетные направления в рекультивации земель на Севере. Наше участие в этих работах привело к разработке серии технологий, в том числе и биотехнологий с применением микробных препаратов, поверхностно-активных веществ, микроэлементов.
В результате исследований микробной трансформации нефти в почвах Севера была создана специализированная коллекция микроорганизмов, суб стратспецифичных к деструкции углеводородов разных классов. На основе ряда бактерий и дрожжей, выделенных из загрязнённых почв Республики Коми, Пермской области и Нефтеюганского района Тюменской области, был разработан биопрепарат нефтеокисляющего действия «Универсал». Биопрепарат успешно применяется для восстановления загрязнённых нефтью земель и переработки нефтеотходов в Республике Коми, Тюменской и Пермской областях в зоне деятельности нефтедобывающих предприятий. Промышленное внедрение подтверждено соответствующими документами. С применением биопрепарата «Универсал» в РК восстановлено более 150 га земель, в ХМАО  более 800 га.
Комплекс биотехнологических разработок, предназначенных для оптимизации очистки почв, вод и нефтеотходов, прошедших положительные испытания в течение последних 15 лет, довольно обширен и пополняется постоянно новыми.
Например, технологии очистки водных объектов и донных отложений от поверхностной нефти, растворённых углеводородов, основаны на применении принципа «природных ферментеров», где эффективное разложение углеводородов разных классов осуществляется за счёт комплекса технологических решений: использование препаратов углеводородокисляющего действия для деструкции загрязняющего вещества, выделение применяемыми микроорганизмами в субстрат биосурфактантов для усиления десорбции нефти из толщи донных отложений и усиление скорости процесса за счёт увеличения уровня растворённого кислорода, достигаемое за счёт применения специальных аэрирующих устройств. Международными экспертами в 1997 году метод признан одним из лучших для очистки водных объектов.
В период с 2000 по 2004 год разработаны и внедрены в практику в промышленных масштабах технологии переработки нефтеотходов, которые в настоящее время широко применяются для обезвреживания нефтешламов в Пермской области и в Республике Коми. Среди технологий переработки нефтеотходов выделяется способ круглогодичной переработки твёрдых нефтешламов, особенно актуальный для условий Севера.
Разработанная ещё 10 лет назад и модифицированная в настоящее время комплексная технология переработки отходов разных производств может стать основой для начала эффективной реализации программы «Отходы» в Республике Коми в ближайшие годы. Она основана на использовании биотехнологий переработки и обезвреживания отходов лесного производства, сельскохозяйственного и коммунального хозяйств, получении биологически-активных и экологически-безопасных субстратов для последующего обезвреживания и переработки отходов нефтяной и газовой промышленности до получения биологически безопасного, богатого доступной для растений и микроорганизмов органикой удобрения, которое может применяться для озеленения городских и производственных территорий, а также для рекультивации ранее нарушенных и загрязнённых земель. Получаемому на выходе органическому субстрату после обогащения его минеральными и микробиологическими добавками можно придать полезные свойства, такие, как стимулирование роста сельскохозяйственных, декоративных и лесных культур, свойства энтомопатогенного характера, а также свойство эффективно разлагать различные загрязняющие вещества. Данная технология подводит итог представленным разработкам и включает в себя основной результат разработанного комплекса биотехнологий для восстановления техногенно-нарушенных и загрязнённых углеводородами биогеоценозов в экстремальных условиях Севера.
Республика Коми,
Экологическая биотехнология, как было показано, может найти разумное и законное применение в скором или отдаленном будущем. Вследствие этого, хотя процессы в общем работают хорошо, они не способны подстраиваться к быстрым изменениям состава входного стока или требуемого качества выходного стока. [1]
Таким образом, экологическая биотехнология, по существу, не отличается от любой другой отрасли биотехнологии. Она охватывает множество дисциплин, набор которых меняется в зависимости от характера проблемы. Существенно и то, что как ни одна дисциплина не может в своем развитии игнорировать проблемы охраны окружающей среды, так и при решении этих проблем нельзя игнорировать ни одну из дисциплин. Каждый биотехнолог ( вне зависимости от того, специализируется ли он на проблемах охраны окружающей среды или нет) должен стараться работать так, чтобы всегда выполнять это правило. [2]
Освещены перспективные вопросы экологической биотехнологии в нефтегазодобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности. [3]
Успехи микробиологии, молекулярной биологии и биотехнологии способствовали появлению междисциплинарной отрасли знания - экологической биотехнологии, которую можно определить как синтез науки и практики, призванный использовать микроорганизмы или препараты, полученные на их основе, в целях защиты окружающей среды. [4]
Аэробная очистка с использованием активного ила, - вероятно, наиболее изученный процесс в экологической биотехнологии. Многие из этих проблем относятся и к другим процессам. Быть может, эти сложности непреодолимы, но, пока будут предприниматься попытки решения таких задач, моделирование останется основным методом в этой области исследований. [5]
Ориентация биотехнологии на производство малотоннажных, дорогостоящих продуктов является более перспективной задачей. В связи с этим в программу дисциплины введены обзорные лекции по медицинской, сельскохозяйственной, экологической биотехнологии. [6]
Датчики, пригодные к использованию в очистных сооружениях, описаны в обзоре Бриггса [727], из которого следует, что, хотя в системе водоочистки в Великобритании и применяются элементы автоматизированного управления, но в гораздо меньшей степени, чем в других отраслях промышленности. В обзоре также подчеркнуто, что увеличение количества автоматики зависит от производства дешевых датчиков, не только достаточно прочных и надежных, но и легко обслуживаемых с помощью замены отдельных модулей. Это значит, что приборостроение также должно рассматриваться как интегральная часть экологической биотехнологии, так как проблемы анализа, существующие в водоочистке, отражают состояние этого вопроса во всех разделах экологической биотехнологии - от измерения загрязненности вод при прохождении их через свалку до оценки количества органических кислот, образующихся при компостировании. [7]
Датчики, пригодные к использованию в очистных сооружениях, описаны в обзоре Бриггса [727], из которого следует, что, хотя в системе водоочистки в Великобритании и применяются элементы автоматизированного управления, но в гораздо меньшей степени, чем в других отраслях промышленности. В обзоре также подчеркнуто, что увеличение количества автоматики зависит от производства дешевых датчиков, не только достаточно прочных и надежных, но и легко обслуживаемых с помощью замены отдельных модулей. Это значит, что приборостроение также должно рассматриваться как интегральная часть экологической биотехнологии, так как проблемы анализа, существующие в водоочистке, отражают состояние этого вопроса во всех разделах экологической биотехнологии - от измерения загрязненности вод при прохождении их через свалку до оценки количества органических кислот, образующихся при компостировании. [8]
Европейская биотехнологическая федерация определяет биотехнологию как совместное использование биохимии, микробиологии и химической технологии для технологического ( промышленного) применения полезных качеств микроорганизмов и культур тканей. Исходя из этого определения, неверно было бы утверждать, что эта книга исчерпывающе освещает данную тему, она не предназначена ни для этого, ни для того, чтобы служить пособием по соответствующему спецкурсу. Это, по существу, только перечень основных направлений деятельности, которые могут быть отнесены к сфере экологической биотехнологии, а также оценка тех принципов, которые являются основой для организации таких процессов. Борьба с загрязнениями - важная часть природоохранной деятельности и в силу этого обсуждается более подробно. Например, существует важная современная проблема различных загрязнений сельскохозяйственных угодий в результате человеческой деятельности. Поэтому предлагаются решения и попытки решения проблемы загрязнения почвы, вместе со сведениями о переработке стоков различными способами. Уничтожение отходов с помощью захоронения также является потенциальным источником загрязнения окружающей среды, поэтому в книге обсуждаются проблемы и непредвиденные трудности такого способа уничтожения твердых отходов. Однако экологическая биотехнология, по своей сути, должна рассматривать все аспекты процесса, в том числе возможность получения биогаза при захоронении отходов. [9]
Однако одной из задач, стоящей перед биотехнологом, является достаточно глубокое понимание процесса, чтобы сделать его полностью управляемым. Такое положение еще не достигнуто для аэробных процессов очистки бытовых и промышленных сточных вод. Может ли оно вообще быть достигнуто - это, конечно, спорный вопрос. Необходимый уровень понимания почти всегда обеспечивается созданием теоретических математических моделей. Портер [39], например, сделал вывод о том, что есть существенные трудности в создании теории, которая позволяла бы проектировать быстрофильтрующие биофильтры, только исходя из характера сточных вод. Нет сомнения в том, что споры о применимости моделирования, о том, какой подход предпочтительнее: теоретический или эмпирический, будут продолжаться. Вне зависимости от исхода этих споров важно, что специалист в области экологической биотехнологии играет ведущую роль в решении проблемы управления очистными установками. Если это будет достигнуто, можно думать о гораздо более гибких ( зависящих от основных параметров сточных вод) нормах очистки. Это, в свою очередь, может привести к снижению затрат как на строительство очистных сооружений, так и на их эксплуатацию. [10]
Европейская биотехнологическая федерация определяет биотехнологию как совместное использование биохимии, микробиологии и химической технологии для технологического ( промышленного) применения полезных качеств микроорганизмов и культур тканей. Исходя из этого определения, неверно было бы утверждать, что эта книга исчерпывающе освещает данную тему, она не предназначена ни для этого, ни для того, чтобы служить пособием по соответствующему спецкурсу. Это, по существу, только перечень основных направлений деятельности, которые могут быть отнесены к сфере экологической биотехнологии, а также оценка тех принципов, которые являются основой для организации таких процессов. Борьба с загрязнениями - важная часть природоохранной деятельности и в силу этого обсуждается более подробно. Например, существует важная современная проблема различных загрязнений сельскохозяйственных угодий в результате человеческой деятельности. Поэтому предлагаются решения и попытки решения проблемы загрязнения почвы, вместе со сведениями о переработке стоков различными способами. Уничтожение отходов с помощью захоронения также является потенциальным источником загрязнения окружающей среды, поэтому в книге обсуждаются проблемы и непредвиденные трудности такого способа уничтожения твердых отходов. Однакоэкологическая биотехнология, по своей сути, должна рассматривать все аспекты процесса, в том числе возможность получения биогаза при захоронении отходов.
Биологическая очистка сточных вод

Ещё в городах древнего Египта, Греции и Рима существовали канализационные системы, по которым отходы жизнедеятельности людей и животных транспортировались в водоёмы – реки, озера и моря. В Древнем Риме перед сбросом в Тибр канализационные стоки накапливались и выдерживались в накопительном пруде-отстойнике-клоаке (cloaca maxima). В Средние века этот опыт был в значительной степени забыт, потом, экскременты людей и животных, выливались на городские улицы и удалялись эпизодически. Это являлось причиной загрязнения и заражения источников питьевой воды и приводило к возникновению эпидемий холеры, тифа, амебной дизентерии и др. В начале 19 века в Англии был изобретен туалет с водяным смывом (water closet, WC). Возникла очевидная необходимость в обработке сточных вод и предотвращения их попадания в источники питьевой воды. Сточные воды собирали и выдерживали в больших емкостях, осадок использовали в качестве удобрений. В начале двадцатого века были разработаны интенсивные системы очистки бытовых сточных вод, включая поля орошения, где вода очищалась, фильтруясь через почву, струйные фильтры со щебневой и песчаной загрузкой, а также резервуары с принудительной аэрацией – аэротенки. Последние являются основным узлом современных станций аэробной очистки городских сточных вод. Первоначально основной целью очистки стоков являлось их обеззараживание. Понимание важности качественной очистки сточных вод для охраны природных водоемов пришло позже. Проблемой чистой воды является одной из актуальнейших проблем наступившего века. Для сохранения мест забора питьевой воды чистыми необходима качественная очистка сточных вод, производство которых Украине достигает 500 литров в сутки на душу городского населения. В настоящее время разработаны и развиваются современные технологии очистки сточных вод. Наибольший интерес и перспективу имеют естественные и самые дешевые биологические методы очистки, представляющие собой интенсификацию природных процессов разложения органических соединений микроорганизмами в аэробных или анаэробных условиях.
Очистка сточных вод подразумевает практически полное биологическое разложение органических соединений в воде. По существующим нормам, содержание органических веществ в очищенной воде не должно превышать 10 мг/л.
Биохимическая очистка основана на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек. Этот процесс протекает благодаря способности некоторых микроорганизмов разрушать органические и некоторые неорганические соединения (например, сульфиды и соли аммония), превращая их в безвредные соединения. – продукты окисления – воду, двуокись углерода, нитрат и сульфаты.
Деградация органических веществ микроорганизмами в аэробных и анаэробных условиях осуществляется с разными энергетическими балансами суммарных реакций. При аэробном биоокислении глюкозы 59% энергии, содержащейся в ней, расходуется на прирост биомассы и 41% составляет тепловые потери. Этим обусловлен активный рост аэробных микроорганизмов. Чем выше концентрация органических веществ в обрабатываемых стоках, тем сильнее разогрев, выше скорость роста микробной биомассы и накопления избыточного активного ила. При анаэробной деградации глюкозы с образованием метана лишь 8% энергии расходуется на прирост биомассы, 3% составляют тепловые потери и 89% переходит в метан. Анаэробные микроорганизмы растут медленно и нуждаются в высокой концентрации субстрата.
Аэробный процесс: С6Н12О6+6О2–>6СО2 +6Н2О+ микробная биомасса + тепло.
Анаэробный процесс: С6Н12О6–>3СН4 +3СО2+ микробная биомасса + тепло.
Аэробный осуществляется бактериями при наличии в воде кислорода и является основным способом биоочистки. Существует несколько видов устройств, использующих аэробный принцип.
В биофильтрах сточные воды пропускаются через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной плёнкой. Благодаря этой плёнке, служащей действующим началом, быстро протекают процессы биологического окисления.
В биологических прудах в очистке сточных вод принимают участие все организмы, населяющие водоём.
В аэротенках (огромных резервуарах из железобетона) очищающим началом служит активный ил из различных микроорганизмов. Их развитию способствуют органические вещества, поступающие со сточными водами, а так же искусственно создаваемый избыток кислорода. Ферменты, выделяемые микроорганизмами, минерализуют органические загрязнения.
Для увеличения окислительной мощности аэротенка можно использовать кислород вместо воздуха. Такой технологический прием реализуется в окситенках герметизированных сооружениях, оборудованных системами механических перемешивающих устройств (аэраторами) и циркуляции кислорода. ОМ окситенков в 5.6 раз выше ОМ аэротенков.
Окситенки сооружения биологической очистки, в которых вместо воздуха используется технический кислород или же воздух, обогащенный кислородом. Кислород
газ, относительно мало растворяющийся в воде. При температуре 20 °С в воде растворяется около 9 мг/л кислорода. Если применять чистый кислород вместо воздуха, то растворимость его возрастает пропорционально повышению парциального давления кислорода в газовой фазе (по закону Генри).
Существенным отличием окситенка от аэротенка, работающего на атмосферном воздухе, является возможность повысить в нем концентрацию ила в связи с увеличенным массообменом кислорода между газовой и жидкой фазами. Рекомендуемая концентрация ила в окситенке составляет 6.8 г/л, хотя принципиально сооружение может работать и при более высоких концентрациях. При прочих равных условиях окислительная мощность окситенков в 5.10 раз выше, чем у аэротенков, эффективность использования кислорода составляет 90.95 %.
Конструктивно окситенк выполнен в виде резервуара круглой в плане формы с цилиндрической перегородкой, отделяющей зону аэрации от зоны илоотделения. В средней части цилиндрической перегородки устроены окна для перепуска иловой смеси из зоны аэрации в илоотделитель; в нижней части для поступления возвратного ила в зону аэрации (рис. 5.6).
Биологический метод даёт хорошие результаты при очистке коммунальных стоков. Он применяется и при очистке стоков предприятий целлюлозно-бумажной, нефтеперерабатывающей промышленности.
Аэробное микробное сообщество представлено разными микроорганизмами, в основном бактериями, окисляющими различные органические вещества в большинстве случае независимо друг от друга, хотя окисление некоторых веществ осуществляется путем соокисления (кометаболизм). Аэробное микробное сообщество активного ила систем аэробной очистки воды представлено исключительным биоразнообразием. В последние годы с помощью новых молекулярно-биологических методов, в частности специфических рРНК проб, в активном иле показано присутствие бактерий родов Paracoccus, Caulobacter, Hyphomicrobium, Nitrobacter, Acinetobacter, и т.д.
Считается что к настоящему времени идентифицировано не более 5% видов микроорганизмов, участвующих в аэробной очистке воды. Следует отметить, что многие аэробные бактерии являются факультативными анаэробными. Они могут расти в отсутствии кислорода за счет других акцепторов электрона (анаэробное дыхание) или брожения (субстратное фосфорилирование). Продуктами их жизнедеятельности являются углекислота, водород, органические кислоты и спирт.
Анаэробный осуществляется бактериями, не требующими кислорода и заключаются в сбраживании загрязняющих веществ в закрытых аппаратах без доступа воздуха – метатенках и может применяться для предварительной подготовки стоков, с большим содержанием органических осадков.
Биологической очистке сточных вод обычно предшествует механическая очистка. А следуют за ней химические и физико-химические методы (хлорирование, электролиз, озонирование).
Анаэробная деградация органических веществ, при метаногенезе осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором необходимо участие по мере четырех групп микроорганизмов: гидролитиков, бродильщиков, ацетаногенов и метаногенов. В анаэробном сообществе между микроорганизмами существуют тесные и сложные взаимосвязи, имеющие аналоги в многоклеточных организмах, поскольку ввиду субстатной специфичности метагенов, их развитие невозможно без трофической связи с бактериями предыдущих стадий. В свою очередь метановые археи, используя вещества, продуцируемые первичными анаэробными, определяют скорость реакций, осуществляемых этими бактериями. Ключевая роль в анаэробной деградации органических веществ до метана играют метановые археи родов Methanosarcina, Methanosaeta (Methanothrix), Methanomicrobium и другие. При их отсутствии или недостатке анаэробное разложение заканчивается на стадии кислотогенного и ацетогенного брожений, что приводит к накоплению летучих жирных кислот, в основном масляной, пропионовой и уксусной, снижению рН и остановке процесса.
Биоплато. Прогрессивным развитием методов естественной биологической очистки являются биоинженерные сооружения типа биоплато. Для очистки и доочистки сточных вод населенных пунктов могут быть использованы конструкции типа инфильтрационных и поверхностных биоплато.
Инфильтрационное биоплато – инженерное сооружение, размещенное, как правило, в котловане глубиной до 2 м, на дне которого устраивается противофильтрационный экран из полиэтиленовой пленки. Поверх крана укладывается горизонтальный дренаж и слой щебня, песка, керамзита или другого фильтрующего материала. Поверхность сооружения засаживается камышом, тростником, рогозом и другими местными видами высшей водной растительности из расчета не менее 10–12 стеблей на 1 – 2 м.
По технологии биоплато в очистке воды принимает участие сообщества водных (на поверхности блока) и почвенных (в фильтрующем слое) микроорганизмов, высшая водная растительность и сам фильтрующий слой.


Очистные сооружения типа биоплато: А – инфильтрационное биоплато; Б – поверхностное биоплато: 1 – подача воды на очистку; 2 – отстойник; 3 – осадок; 4 – распределительный трубопровод; 5 – противофильтрационный экран; 6 – растительный грунт; 7 – песок; 8 – щебень; 9 – дренаж; 10 – высшая водная растительность; 11 – каменная наброска; 12 – очищенная вода

Поверхностное биоплато также размещается в котловане и имеет противофильтрационный экран. Роль дренажа выполняет каменная наброска, вместо фильтрующего слоя укладывается грунт котлована, поверхность которого засаживается высшей водной растительностью. Высшая водная растительность, кроме очистительной функции, обеспечивает повышенную транспирацию (испарение) очищаемой жидкости в летний период примерно на 10-15%. Транспирационные свойства высшей водной растительности могут быть использованы также для ускорения подсушивания иловых площадок, повышения пропускной способности и эффективности очистки полей фильтрации.
Очистные сооружения по технологии биоплато состоят, как правило, из нескольких блоков, располагаемых каскадом, причем блок поверхностного биоплато является концевым. В состав сооружения биоплато в качестве концевого может быть включен болотистый участок (естественное поверхностное биоплато) с наличием достаточных зарослей высшей водной растительности. Начальным блоком сооружения является отстойник, где происходит удаление крупных включений и взвешенных веществ.
По технологии биоплато обеспечивается очистка хозяйственно-бытовых сточных вод по БПК до 5–10 мг/л, по взвешенным веществам – до 8–12 мг/л, причем наличие взвешенных веществ в основном связано с выносом их из фильтрующего слоя. Значительно (на 40–70%) снижается содержание соединений азота и фосфора. Сооружения биоплато, удачно расположенные по рельефу местности, не требуют применения электроэнергии, химикатов и обеспечивают надежную работу как в летний, так и в зимний период. Для очистки производственных сточных вод по технологии биоплато требуется производить их предочистку в соответствии с особенностями их состава и свойств.
Необходимо отметить, что существующими методами очистить сточные воды полностью, на 100% не только технически невозможно, но и экономически нецелесообразно. После определённой границы затраты на каждый дополнительный процент очищения возрастают по экспоненте. Поэтому обычно поступают так – очищают воду до определённой экономически обоснованной границы, затем разбавляют её чистой водой таким образом, чтобы содержание примесей не превышало определённые предельно допустимые значения. Биопрепараты как средство для инициации и интенсификации очистки сточных вод.
В настоящее время существует множество биопрепаратов, используемых для очистки сточных вод. Это консорциумы микроорганизмов, выделенные методом накопительных культур обычно из активного ила аэротенков городских сооружений очистки сточных вод. Они используются для очистки сточных вод местного значения, например в селах, дачных и коттеджных поселках, небольших поселках городского типа, мини – заводах и т.п. Биопрепараты, содержащие органическое число видов микроорганизмов, по спектру разлагаемых веществ уступают свежему активному илу. Однако, они содержат быстро растущие штаммы, которые инициируют процессы разложения органических загрязнений. В не стерильном процессе развиваются также микроорганизмы, содержащие в отходах, и в микробное сообщество включаются недостающие звенья.
Действие микроорганизмов биопрепаратов в том, что в процессе своей жизнедеятельности они вырабатывают ферменты, которые способны, расщеплять жиры, белки и другие сложные вещества органического происхождения на более простые органические вещества, которые легко разлагаются ими до углекислоты и простых соединений азота. После добавления препарата возрастает концентрация микроорганизмов, а следовательно и степень очистки. Клетки микроорганизмов иногда иммобилизуют на твердом дисперсном носителе, который может служить дополнительным источником азота и фосфора. Препараты содержат ассоциации 6–12 штаммов аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов, обеспечивающих комплексную очистку сточной воды от органических загрязнений: жиров, белков, сложных углеводов, и даже (специализированные) от нефтепродуктов. В качестве питательных элементов биопрепараты содержат соли азота и фосфора, которые стимулируют рост микроорганизмов и выработку микроорганизмами липолитических, амилазолитических, карбогидразных, и других ферментов, максимально облегчающих разложение органики. Аналогичные биоактиваторы, но с несколько другим составом, применяются так же при производстве компоста, в биотуалетах и т.п.
Вывод. Преимуществом аэробной очистки является высокая скорость и использование веществ в низких концентрациях. Существенными недостатками, особенно при обработке концентрированных сточных вод, является высокие энергозатраты на аэрацию и проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств избыточного ила. Аэробный процесс используется при очистке бытовых, некоторых промышленных и свиноводческих сточных вод с ХПК не выше 2000. Исключить указанные недостатки аэробных технологий может предварительная анаэробная обработка концентрированных сточных вод методом метанового сбраживания, которая не требует затрат энергии на аэрацию и более того сопряжена с образованием ценного энергоносителя – метана. Преимуществом анаэробного процесса является также относительно незначительное образование микробной биомассы. К недостаткам следует относить невозможность удаления органических загрязнений в низких концентрациях. Для глубокой очистки концентрированных сточных вод анаэробную обработку следует использовать в комбинации с последующей аэробной стадией. Выбор технологии и особенности обработки сточных вод определяется содержанием органических загрязнений в них.
Сточные воды больших городов и небольших поселков значительно отличается по концентрации органических загрязнителей. Содержание органических загрязнителей в сточных водах больших городов не превышает 500 мг/л, составляя обычно 200–300 мг/л. Бытовые сточные воды небольших населенных пунктов содержат больше органики, от 500-1000 г./л и более. В современных дачных и коттеджных поселках часто туалетные и кухонные сточные воды, содержащие большое количество органических загрязнений, отделяются от стоков ванных комнат. Для очистки сточных вод интенсивно развивающихся коттеджных поселков строятся локальные очистные сооружения, для пуска которых и вывода на рабочий необходимо использовать активный ил городских станций аэрации или специальные микробные препараты.

Биологические методы очистки воды
В зависимости от протекающих процессов различают методы аэробной и анаэробной биологической очистки воды. Сооружения искусственной биологической очистки включают и аэробные, и анаэробные системы. По характеру используемых биоценозов эти сооружения можно классифицировать на системы с активным илом, с биопленкой и комбинированные (рис. 1). Классификация искусственных методов аэробной очистки представлена на рис. 2.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 1. Принципы функционирования аэробных методов очистки:  а – с активным илом (аэротенки); б – с биопленкой (биофильтры), в – с активным илом и биопленкой (биотенки).
Искусственные методы биологической очистки
 
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]
Рис. 2. Классификация сооружений и методов биологической аэробной очистки.
Основными сооружениями биологического метода очистки воды являются аэротенки. Аэротенк обычно работает в паре со вторичным отстойником, где происходит разделение очищенной сточной воды на выходе из аэротенка и суспензии активного ила. При этом часть ила удаляется из системы, а часть (возвратный, рециркулируемый ил) возвращается в аэротенк для повышении его производительности и сокращения количества избыточного ила. Следующий метод биологической очистки воды - окситенк (с аэрацией воздухом, обогащенным кислородом или чистым кислородом), фильтротенк (с откачиванием сточной воды из аэротенка через фильтр, задерживающий активный ил в аэротенке), окислительные каналы (с циркуляцией сточной воды и системами поверхностной аэрации), шахтные аппараты (в виде шахт или колонн для повышения давления воды), аэроакселераторы (аэротенк, совмещенный со вторичным отстойником. В реакторах с биопленкой очистка производится на поверхности загрузочных материалов или носителей, покрытых биопленкой микроорганизмов и внеклеточных продуктов их жизнедеятельности. Из систем аэробной очистки с биопленкой чаще всего применяют биофильтры (70% всех очистных сооружений в Европе) – сооружения с загрузкой, на поверхности которой развивается биопленка микроорганизмов.  Промежуточное положение между сооружениями с активным илом и с биопленкой занимают биотенки, биосорберы, реакторы со взвешенным (псевдоожиженным) слоем, сочетающие преимущества и аэротенков, и биофильтров. В биотенках с аэрацией жидкости, с активным илом и загрузкой из различных материалов жидкость с илом циркулирует и аэрируется в зазорах между загрузкой.
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.

21
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).



12
Биологические основы очистки и дезодорации газов. Методы биодезодорации.

Основными загрязнителями атмосферы городов являются предприятия нефтеперерабатывающей, химической, пищевой и перерабатывающей промышленности, сельскохозяйственные комплексы, отстойники сточных вод, установки по обезвреживанию отходов, автотранспорт. Среди загрязняющих веществ – органические (ароматические и непредельные углеводороды, азот-, кислород-, серо- и галогенсодержащие соединения) и неорганические вещества (сернистый газ, сероуглерод,иокислы углерода, аммиак, хлорводород, галогены и др.).

Для очистки воздуха применяют различные методы – физические, химические и биологические.

Среди применяемых физических методов – абсорбция примесей на активированном угле и других поглотителях, абсорбция жидкостями.

Наиболее распространенными химическими методами очистки воздуха являются озонирование, прокаливание, каталитическое дожигание, хлорирование.

Биологические методы очистки газовоздушных выбросов базируются на способности микроорганизмов разрушать в аэробных условиях широкий спектр веществ и соединений до конечных продуктов, СО2 и Н2О. Только представители рода Pseudomonas способны использовать в качестве единственного источника углерода, серы или азота свыше 100 соединений – загрязнителей биосферы.

Подавляющее число токсических загрязнителей атмосферы может быть разрушено монокультурами микроорганизмов, но более эффективно применение смешанных культур, имеющих больший каталитический потенциал и, следовательно, деструктурирующую способность.

Для биологической очистки воздуха применяют три типа установок: биофильтры, биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем.

Принципиальная схема для биологической очистки воздуха была предложена в 1940 г. Прюссом. Первый биофильтр в Европе был построен в ФРГ в 1980 г. Спустя три года, в 1984 г. Только в ФРГ функционировало и находилось в стадии запуска около 240 установок.

Основным элементом биофильтра для очистки воздуха, как и водоочистного биофильтра, является фильтрующий слой, который сорбирует токсические вещества из воздуха. Далее эти вещества в растворенном виде диффундируют к микробным клеткам, включаются в них и подвергаются деструкции. В качестве носителя для фильтрующего слоя используют природные материалы – компост, торф и др. Эти материалы содержат в своем составе различные минеральные соли и вещества, необходимые для развития микроорганизмов. Поэтому в биофильтры не вносят каких-либо минеральных добавок. Воздух, подлежащий очистке, подается вентилятором в систему, проходит через фильтрующий слой в любом направлении, снизу – вверх, или – наоборот. При этом воздух должен проходить через всю массу фильтрующего слоя равномерно. Поэтому требуется однородность слоя и определенная степень влажности. Оптимальная для очистки воздуха влажность фильтрующего слоя составляет 40–60 %. Увлажнение материала обеспечивается распылением воды на поверхности фильтрующего слоя. При избыточной влажности в толще слоя происходит образование анаэробных зон с высоким аэродинамическим сопротивлением. В результате снижается время контакта потока воздуха с поглотителем и падает эффективность очистки. Температурный режим и Рн в биофильтре поддерживается постоянным.

Для обеспечения стабильной работы биофильтров следует соблюдать комплекс мер, важнейшими из которых являются следующие:

Воздух, подаваемый на очистку в биофильтр, предварительно увлажняют в биоскруббере до относительной влажности в 95–100 %. При заполнении фильтрующего слоя для снижения аэродинамического сопротивления в материал добавляют гранулы (диаметром 3–10 мм) из синтетических полимерных материалов (полиэтилена, полистирола), а также частицы автопокрышек, активированный уголь. Масса добавок составляет от 30 до 70 % от массы фильтрующего материала.

Для предотвращения резкого закисления материала фильтрующего слоя в ходе трансформации органики в него добавляют известняк или карбонат кальция.

С целью избежания ситуаций, когда микроорганизмы, входящие в состав рабочего тела биофильтра, могут подавляться токсическими веществами в результате, например, залповых выбросов, в материал вносят активированный уголь.

Эффективность работы биофильтра определяется газодинамическими параметрами фильтрующего слоя, спектром и концентрацией присутстсвующих в воздухе веществ и ферментативной активностью микрорганизмов-деструкторов.

Стационарное состояние и наиболее высокая скорость биоочистки наступают спустя некоторое время после запуска биофильтра. Требуется некоторый период для созревания и адаптации микробиологического це-

ноза. Длительность периода адаптации зависит от концентрации веществ в воздухе и микробного пейзажа в диффузионном слое и может составлять от нескольких часов до нескольких недель. Концентрация микроорганизмов в ходе очистки возрастает и может стать избыточной. Поэтому периодически материал фильтрующего слоя приходится обновлять. Длительность циклов достаточно велика и составляет несколько лет.

Принцип функционирования биоскрубберов отличается тем, что процесс очистки воздуха реализуется в две стадии в двух различных установках. На первом этапе в абсорбере токсические вещества, находящиеся в воздухе, а также кислород, растворяется в воде. В результате воздух выходит очищенным, а загрязненная вода далее следует на очистку.

Применяют различные типы абсорберов (барботажные, насадочные, распылительные, форсуночные и т.д.). Цель конструкционных усовершенствований заключается в увеличении площади поверхности раздела фаз, газовой и жидкости. Это определяет эффективность абсорбции.

На второй стадии загрязненная вода поступает в аэротенк, где она регенерируется. Очищение воды в аэротенке происходит по обычной схеме с участием кислорода. В ходе очистки сложные органические вещества окисляются микроорганизмами, формирующими активный ил, до конечных продуктов с образованием биомассы.

Биореактор с омываемым слоем: рабочим телом этой биосистемы являются иммобилизованные микроорганизмы. Биослой реактора представляет собой гранулы с иммобилизованными микробными клетками. Этот слой омывается водой, содержащей необходимые для развития клеток минеральные вещества. Загрязненный воздух проходит через него, при этом вещества, подлежащие деструкции, диффундируют в водную пленку, покрывающую частицы биокатализатора, и далее окисляются микроорганизмами.

Скорость деструкции может лимитироваться скоростью диффузии веществ из газовой фазы в жидкую, а также скоростью протекания реакций в микробных клетках. Скорость диффузии, в свою очередь, зависит от природы токсических веществ и их концентраций.

Стационарный режим биореактора с омываемым слоем после его запуска наступает через 5–10 дней. При использовании заранее адаптированных к очищаемым веществам микроорганизмов этот срок может быть сокращен до нескольких часов. Периодически, обычно раз в несколько месяцев, биослой очищают от избытка биомассы и наполняют свежими гранулами.



Наиболее распространенным типом установок являются биофильтры. Они достаточно дешевы, малоэнергоемки, требуют незначительных расходов воды. Однако производительность биофильтров сравнительно невысока, – от 5 до 400 м3 очищаемого воздуха на 1 м2 поперечного сечения фильтрующего слоя/ч. Высота биофильтров из-за требований однородности структуры и газодинамических ограничений невелика (около 1 м), поэтому они занимают большие площади (от 10 до 1600 м2). Степень очистки воздуха в биофильтрах – достаточно высока. Например, используемые в сельском хозяйстве ФРГ биофильтры обеспечивают 90 % очистку воздуха от дурнопахнущей органики.

Биоскрубберы по сравнению с биофильтрами занимают меньшую площадь, так как представляют собой башни высотой несколько метров. Эксплуатационные затраты при использовании биоскрубберов выше, так как процесс биоочистки воды требует существенных затрат. Применение биоскрубберов эффективно при наличии в воздухе хорошо растворимых токсических веществ. Производительность биоскрубберов существенно выше по сравнению с биофильтрами, при этом эффективность очистки также высока.

Наиболее перспективными для очистки воздуха являются биореакторы с омываемым слоем. Эти установки, практически не уступая в степени очистки, характеризуются более высокой удельной производительностью (несколько тысяч кубометров очищаемого воздуха в час). Такие малогабаритные установки очень эффективны для очистки воздуха предприятий интенсивного животноводства. Степень очистки воздуха в реакторе с иммобилизованными на активированном угле микроорганизмами от ацетона, бутанола, пропионового альдегида, этилацетата достигает 90 % при удельной производительности установки 10 000 ч–1.

Существуют другие подходы для очистки воздуха, например, на основе растущей суспензии микроорганизмов. Пропускание воздуха, насыщенного сероводородом, сернистым ангидридом и парами серной кислоты, через интенсивную культуру микроводоросли Chlorella, имеющую большую поверхность контакта суспензии с воздухом, обеспечивает 100 % очистку воздуха при производительности установки до 1 млн. м3/ч.
33. Биологическое удаление тяжелых металлов и радионуклидов

При загрязнении почв и растительности тяжелыми металлами используют такие приемы:

1) Ограничение поступления тяжелых металлов в почву. При планировании применения удобрений, мелиорантов, пестицидов, осадков сточных вод необходимо учитывать содержание в них тяжелых металлов и буферную емкость используемых почв. Ограничение доз, обусловленное экологическими требованиями, является необходимым условием экологизации земледелия.

Поступление тяжелых металлов в растения может быть уменьшено за счет изменения питательного режима, при создании конкуренции за поступление в корни токсикантов и катионов удобрений, при осаждении тяжелых металлов в корне в виде труднорастворимых осадков.

2) Удаление тяжелых металлов за пределы корнеобитаемого слоя достигается следующими приемами:

- удалением загрязненного слоя почвы;

- засыпкой загрязненного слоя чистой землей;

- выращиванием культур, поглощающих ТМ и удалением с поля их растительной массы;

- промывкой почв водой и водорастворимыми (чаще органическими) соединениями, образующими с тяжелыми металлами водорастворимые комплексные соединения, в качестве органических лигандов используют продукты из отходов с/х производства;

- промывкой почв раствором для выщелачивания ТМ из верхних горизонтов на глубину 70-100 см и затем осаждения их на этой глубине, в виде трудно растворимых осадков (за счет последующей промывки почв реагентами, содержащими анионы, образующие с тяжелыми металлами осадки).

3) Связывание ТМ в почве в малодиссоциируемые соединения. Уменьшение поступления тяжелых металлов в растения может быть достигнуто их осаждением в почве в виде осадков карбонатов, фосфатов, сульфидов, гидроокисей; с образованием малодиссоциирующих комплексных соединений с большой молекулярной массой. Наилучшим способом, обеспечивающим существенное снижение содержания тяжелых металлов в растениях, является совместное внесение навоза и извести. Наиболее эффективными мероприятиями, приводящими к снижению подвижности свинца в почвах, является глинование (внесение цеолита) и совместное внесение извести и органических удобрений. Применение полного комплекса химических мелиорантов (органических и минеральных удобрений, извести и органики) на 10-20% снижает в почве содержание поливалентных металлов.

4) Адаптивно-ландшафтные системы земледелия, как фактор оптимизации экологической обстановки при загрязнении почв ТМ.

Различные виды и сорта культур накапливают в растительной продукции неодинаковое количество ТМ. Это обусловлено селективностью к ним корневых систем отдельных растений и особенностью их процессов метаболизма. ТМ в большей степени накапливаются в корнях, меньше в вегетативной массе и генеративных органах. При этом отдельные группы культур селективно накапливают и определенные токсиканты. Подбор культур для выращивания на почвах определенной степени и характера загрязнения является наиболее простым, дешевым и достаточно эффективным способом оптимизации использования загрязненных почв.

22 Восстановление очерных экосистем Биологическая очистка природных водоемов. Биопруды и гидроботанические площадки

Водоем, являясь замкнутой биологический системой, способен к саморегуляции и самоочищению. Но в некоторых случаях это равновесие нарушается. Это может произойти в результате загрязнения сточными водами, из-за неблагоприятных погодных условий (ливневые дожди, аномальная жара и т.д.), или из-за его постепенного обмеления.

В таких случаях, а также в целях профилактики, для хозяйственных и декоративных гидросооружений должна применяться биологическая очистка водоема. Существует большой выбор методов и технологий такой очистки. Это может быть регенерационная очистка с помощью механических фильтров, принудительная аэрация воды с помощью пневмонагнетателей, восстановление биоценоза водоема с помощью внесения полезных микроорганизмов, восстановление нормального химического состава воды методом уменьшения ее кислотности и т.д.

Успешная биологическая очистка водоемов может быть реализована лишь на основании предварительной диагностики его общего состояния, проведения анализов проб грунта и воды.



Проведение экологической реабилитации водных объектов обычно проводится в два этапа:

Этап 1. Техническая реабилитация.

Проводится техническая реабилитация водоема, а именно: осуществляется выемка загрязненных иловых отложений, проводится ремонт гидротехнических сооружений (плотин, колодцев), выполняется укрепление берега.

Гидроизоляция пруда выполняется либо с использованием специальной глины, либо расстилается современное покрытие из пленки, имеющей специальный экологический сертификат качества.

Биоинженерное укрепление берега – комплекс озеленительных мероприятий в прибрежной зоне: залужение береговых откосов, высадка влаголюбивых деревьев и кустарников, – позволяет достаточно быстро и сравнительно недорого укрепить приурезовую зону водоема, а также стабилизировать гидрогеологический режим в системе “берег-водоем”, не нарушая его искусственными инженерными сооружениями.

Этап 2. Биологическая реабилитация или биоремедиация.

Для восстановления биологической полноценности воды используется биоинженерная технология, называемая биоремедиацией. Биоремедиация водоема – это восстановление его экосистемы с помощью гидробионтов, улучшающих качество воды. Задача технологии «биоремедиации» заключается в использовании способности живых фито- и зооорганизмов-фильтраторов путем «фильтрации» загрязнений подвергать их деструкции и детоксикации. В результате полностью нейтрализуется неблагоприятное воздействие загрязняющих веществ на естественные процессы биологического самоочищения воды, нормализуется метаболизм, восстанавливается и активизируется аборигенный для мезосапробных водоемов видовой состав биоты экосистемы.

Создание гидроботанической площадки (или биоплато). Для очищения и улучшения качества воды в водоеме служат природоохранные мероприятия, к которым в первую очередь относится создание искусственных водно-болотных участков. Такие участки являются прототипом естественных водно-болотных угодий, в которых происходит накапливание и естественная очистка загрязнений с помощью экосистемы (гидробиосистемы) – растений-макрофитов и микроорганизмов, населяющих водную толщу.

Процессы очищения заключаются в том, что в искусственных водно-болотных системах происходит поглощение органического вещества сообществом водных микроорганизмов, живущих в пленке обрастания (перифитоне), закрепляющейся на растениях-макрофитах, и деструкция загрязнений микроорганизмами в корнях растений (так называемый процесс перколяции). Микроорганизмы утилизируют органическое вещество и используют его в качестве субстрата для своей жизнедеятельности.

Заселение водоема живыми организмами. Для восстановления экосистемы водоема и улучшения качества воды проводят заселение его специальными живыми организмами: фито- и зоопланктоном, моллюсками, рыбами, которые в процессе своей жизнедеятельности фильтруют воду, очищая ее от вредных болезнетворных бактерий и загрязняющих веществ.

Биоинженерная технология очистки поверхностных стоков. Для очистки загрязненных стоков с территории поселков можно использовать биоинженерные технологии, основанные на биологической очистке с помощью микроорганизмов. Наиболее известные из них септики и биологические пруды.

Так, для очистки поверхностного стока используется очистное сооружение биологического типа, в котором в качестве биологического фильтра доочистки служит биопруд, подругому, гидроботаническая площадка (ГБП).

Схема очистного сооружения биологического типа.



А – водоподводящий лоток,

Б – камера-отстойник,

В – фильтровальный блок,

Г – гидроботаническая площадка,

Д – водосбросная плотина.

Настоящий биоинженерный комплекс разработан специально для условий холодного климата.

В весенне-осенний период, когда растения на ГБП еще (или уже) не способны к очистке, основная очистка стоков происходит на фильтровальном блоке В.

Рассматриваемый комплекс очистных сооружений обеспечивает трехстадийную очистку поверхностного стока.

Первая стадия – первичная очистка стоков (осветление) происходит в камере-отстойнике Б.

Вторая стадия – очистка стоков в фильтровальном блоке В; очистка происходит путем задержания взвешенных твердых частиц и загрязняющих веществ на фильтрах из современных фильтрующих материалов.

Третья стадия – доочистка стоков на гидроботанической площадке Г с использованием высших водных растений.

Предложенный биоинженерный способ биологической очистки загрязненных стоков характеризуется достаточно низкими эксплуатационными расходами, поскольку в очистке используются в качестве природных фильтров биологические экосистемы (гидробионты), которые способны к самовосстановлению.

18 сновные принципы микробной биоремедиации почв


Цель ремедиации как активной формы охраны природы заключается в защите и восстановлении природных ресурсов, включая почвенные. При этом используемые технологии не должны нарушать биологического равновесия в природе, эффективно разлагать загрязнители без образования токсичных продуктов деструкции и восстанавливать плодородие почв.


До недавнего времени проблема обезвреживания земельных участков осуществлялась весьма примитивно: загрязненная почва собиралась бульдозером и транспортировалась на контролируемые свалки. Почва в основном выступала либо в качестве приемника поллютантов, где они разлагались и откуда постепенно перемещались в растения и окружающую среду, либо в качестве хранилища, где некоторые из них могли сохраняться много лет.


Существует два подхода к стандартам на очистку загрязненных почв: многофункциональный (когда ремедиация почв позволяет устранить комплекс токсичных веществ) и по конечному результату (когда очистку почвы осуществляют в отношении определенного токсического соединения).


В последнее десятилетие большее распространение получили способы биоремедиации земель, при которых загрязненную почву собирают экскаватором и загружают в специальные установки различных типов, где ее перемешивают с суспензией микроорганизмов. Почву подвергают периодическому перемешиванию и рыхлению для активизации аэробных и анаэробных процессов очистки.


Более перспективно направление работ, при котором очистку почвы от загрязнений проводят на месте, без снятия грунта – «in situ». Так, по одному из известных способов в очищаемую почву вносят с помощью мобильной буровой установки суспензию микроорганизмов в питательной среде. В ФРГ разработан также способ, при котором используется передвижная установка, с помощью которой одновременно проводится вспашка и введение суспензии микроорганизмов.


Для ремедиации загрязненных территорий биологические технологии являются наиболее предпочтительными вследствие своей экологической безопасности, низкой себестоимости работ и достаточно высокой эффективности, что было неоднократно продемонстрировано при решении различных экологических задач. Поэтому разработка и внедрение в практику эффективных технологий биоремедиации почв, загрязненных токсичными химическими соединениями, крайне актуальна.


При кажущейся простоте решения данной задачи возникает ряд трудностей. Во-первых, необходимо выделить технологичные (пригодные для промышленного использования и безопасные для людей) микроорганизмы; во-вторых, подобрать условия их культивирования; в-третьих, необходимо правильно выбрать время, метод и дозу внесения биодеструкторов в почву. Кроме всего вышеперечисленного, необходим контроль за интегральной токсичностью почвы с целью гарантии безопасности продуктов деструкции поллютантов и достаточной степени очистки почвы.


Наиболее эффективным способом поиска микроорганизмов-деструкторов является выделение микробных изолятов из природных почв, длительное время загрязняемых сельскохозяйственными ядохимикатами или промышленными отходами аналогичного состава. В ходе длительной, многолетней эволюции микроорганизмы, находящиеся в почве, постепенно приспосабливаются к наличию этих токсикантов в их среде обитания. На первом этапе естественной селекции у некоторых микроорганизмов появляются ферменты (оксидазного типа), защищающие микробную клетку от воздействия токсикантов. На втором этапе селекции микроорганизмы начинают утилизировать (разлагать) эти вещества и использовать полученную энергию для обеспечения своей жизнедеятельности. Со временем такие микроорганизмы наследуют приобретенные признаки и передают своему потомству. Признак деградирующей способности в отношении токсичных соединений постепенно закрепляется генетически. Несмотря на высокую скорость размножения микроорганизмов, эти процессы в почве занимают десятилетия. Поэтому методологически наиболее целесообразно исследовать образцы почв на территориях старых складов ядохимикатов, сельскохозяйственных полей (где эти вещества использовались в производстве и затем накапливались в почве), промышленных предприятий по производству пестицидов.


В ходе всесторонних лабораторных исследований проводят селекцию микроорганизмов, способных наиболее активно разлагать в почве и/или воде целевой поллютант. Оценивают неприхотливость микроорганизмов для культивирования, степень и сроки деструкции загрязнителя, интегральную токсичность почвы до и после микробной биоремедиации.


Затем отобранные штаммы микроорганизмов-деструкторов проверяют на безопасность для теплокровных животных. Токсикологические испытания проводят на лабораторных линиях белых мышей и крыс по наиболее строгим критериям, принятым в международной практике для оценки безопасности штаммов микроорганизмов-продуцентов лекарственных препаратов. Этими критериями являются вирулентность, токсичность, токсигенность и диссеминация в органах и тканях лабораторных животных.


Только после комплекса лабораторных исследований приступают к испытаниям микроорганизмов в полевых условиях. По результатам химических анализов и оценки интегральной токсичности почвы до и после биоремедиации судят об эффективности проведенных работ. Это позволяет гарантировать безопасное культивирование и применение в окружающей среде микроорганизмов для биоремедиации почв.


На основании проведенных лабораторных и полевых исследований разрабатывают технологию применения «in situ» микроорганизмов для биоремедиации почв, загрязненных химическими веществами. Полученные штаммы микроорганизмов-деструкторов депонируют в Международной коллекции промышленных микроорганизмов и патентуют.


Таким образом, разработка технологии биоремедиации почвы, загрязненной каким-либо химическим веществом, – длительный, многостадийный процесс, требующий совместной работы специалистов различного профиля: микробиологов, химиков-аналитиков, биохимиков, биотехнологов и токсикологов. Эта работа, несмотря на ее длительность и многопрофильность, позволяет в итоге разрабатывать эффективные, экологически безопасные и малозатратные технологии биоремедиации почв.

19 Источники загрязнения окружающей среды УВ


Воздействие нефтяной и газовой промышленности на основные компоненты окружающей среды (воздух, воду, почву, растительный, животный мир и человека) обусловлено токсичностью природных углеводородов, большим разнообразием химических веществ, используемых в технологических процессах, а также все возрастающим объемом добычи нефти и газа, их подготовки, транспортировки, хранения, переработки и широкого разнообразного использования.

Все технологические процессы в нефтяной промышленности (разведка, бурение, добыча, сбор, транспорт, хранение и переработка нефти и газа) при соответствующих условиях могут нарушить естественную экологическую обстановку.

Нефть, углеводороды нефти, нефтяной и буровой шламы, сточные воды, содержащие различные химические соединения в больших количествах проникают в водоемы и другие экологические объекты:

1)при бурении и аварийном фонтанировании разведочных нефтяных и газовых скважин;

2) при аварии транспортных средств;

3) при разрывах нефте- и продуктопроводов;

4) при нарушении герметичности колонн в скважинах и технологического оборудования;

5) при сбросе неочищенных промысловых сточных вод в поверхностные водоемы.



1) Для некоторых районов характерны естественные выходы нефти на поверхность земли. Один из береговых пунктов в Южной Калифорнии, например, был назван по этому признаку Нефтяным мысом. Такие выходы обычны в Карибском море, Мексиканском и Персидском заливах. В нашей стране они наблюдаются для ряда месторождений республики Коми (г. Ухта) и др. Нередко эти выходы проявляются на поверхности морей и океанов или на донных или береговых участках рек.

Фонтаны, возникающие в процессе добычи нефти и газа, делят на нефтяные и газовые. При этом за нефтяные принимают фонтаны с большим дебитом (суточная производительность) нефти (1500-2000 т/сут и более) и меньшим количеством газа (750 тыс. м3/сут); газонефтяные с содержанием газа более 50 %, газовые с 90-100 % газа. Во всех случаях огромный экологический вред и опасность фонтанов для основных объектов природной среды (атмосферы, водоемов, почвы, недр и т. д.) очевидны.



Отрицательные последствия каждого из фонтанов в одних и тех же условиях неодинаковы. Фонтан в штате Риверс залил нефтью поверхность земли площадью около
607 тыс. м2. В пределах аварийного участка земли были выделены четыре зоны с разной степенью загрязнения: глубина проникновения нефти в сильно загрязненной зоне достигла 90 см.



2) Все возрастающее потребление нефти и нефтепродуктов в мире обусловило в последние годы значительный рост танкерного флота. В последние годы наметилась тенденция к резкому увеличению вместимости нефтеналивных судов. Эксплуатация супертанкеров выгодна экономически, но создает большую потенциальную опасность для загрязнения окружающей среды, т.к. при аварии в воду выливаются десятки и сотни тысяч тонн нефти. Очень часто нефтепродукты выбрасываются за борт судов со сточной водой, которая используется в качестве балласта или для промывки танков. Загрязнение морей при использовании танкеров происходит во время загрузки и разгрузки нефти на конечных пунктах, за счет переливов при загрузке, при аварийном столкновении и посадке судов на мель. Вся поверхность Мирового океана покрыта в настоящее время нефтяной пленкой толщиной 0,1 мкм.

3) Большую опасность для окружающей среды представляют и
трубопроводы.

Строительство трубопроводов, особенно в северных районах, оказывает влияние на микроклимат тундры и лесотундры. Проходка траншей локально изменяет режим питания растительного покрова влагой, нарушает теплофизическое равновесие, растопляет вечномерзлые грунты, приводит к гибели чувствительный к механическому воздействию растительный покров тундры.

При эксплуатации трубопроводов утечки нефти, газа, конденсата, сточной воды, метанола и других загрязняющих веществ на участках трубопроводов, расположенных под судоходными трассами морей и рек, наиболее подверженных механическим повреждениям, нередко остаются незамеченными в течение длительного времени и наносят большой ущерб всем экологически значимым объектам окружающей среды. Подсчитано, что в среднем при одном порыве нефтепровода выбрасывается 2 т нефти, приводящей в непригодность 1000 м2 земли.

4) В процессе бурения и добычи непрерывное загрязнение окружающей природной среды вызвано утечками углеводородов через неплотности во фланцевых соединениях (сальниках, задвижках), разрывами трубопроводов, разливами нефти при опорожнении сепараторов и отстойников.

Основная часть нефти и сточных вод на территории промысла накапливается и поступает в водоемы из устья скважин и прискважинных площадок. Разлив нефти в этих случаях возможен через неплотности в сальниках; при ремонтных работах и освоении скважин; из переполненных мерников; при очистке мерников и трапов от грязи и парафина; разлив нефти происходит при спуске сточной воды из резервуаров; при переливе нефти через верх резервуара и др.

Наиболее типичные утечки нефти из резервуаров обусловлены коррозией их днища под действием воды. Постоянный автоматический контроль содержимого в резервуаре позволяет своевременно обнаруживать даже небольшие утечки нефти и нефтепродуктов и устранять их. Большинство хранилищ не исключают испарения нефти, газа, конденсата.

Характерными остаются разливы нефти в результате аварий на нефтегазосборных коллекторах и технологических установках, ликвидация которых нередко затягивается и выполняется некачественно.
5) Наиболее тяжелым и опасным по последствиям является загрязнение подземных и наземных пресных вод и почвы. К основным их загрязняющим веществам относятся нефть, буровой и нефтяной шламы, сточные воды.


Образующийся при бурении скважин буровой шлам может содержать до 7,5 % нефти и до 15 % органических химических реагентов, применяемых в буровых растворах.

В относительно большом объеме нефтяной шлам накапливается при подготовке нефти. В этом случае шламы могут содержать до 80-85 % нефти, до 50 % механических примесей, до 67 % минеральных солей и 4 % поверхностно-активных веществ.

Основное же загрязнение природной среды при бурении и эксплуатации скважин дают буровые и промысловые сточные воды. Объем их во всех развитых нефтедобывающих странах мира быстро растет и намного превышает объем добываемой нефти. Из-за отсутствия системы канализации промысловые стоки сбрасывают в близлежащие водоемы или болота, значительно загрязняя их и грунтовые воды

20 спользование микроводорослей для очистки сточных вод
По этой теме
Органические удобрения
Использование жидкого навоза для удобрения сельскохозяйственных земель. Современные технологии и технические средства.
Современные технологии и технические средства использования жидкого навоза для удобрения сельскохозяйственных земель


По мнению д-ра Брайана Х. Киппера (Brian H. Kiepper), ассистент-профессора, специалиста отделения заочного образования Колледжа сельскохозяйственных и экологических наук Университета штата Джорджия, использование микроводорослей признаннаятехнология очистки сточных вод, не требующая больших первоначальных вложений и эксплуатационных расходов, которая может применяться в дополнение или вместо механически аэрируемых систем очистки сточных вод.

С момента введения закона «О чистоте воды» и последующего создания Агентства по охране окружающей среды США в начале 1970-х гг. промышленные, ведомственные и коммерческие организации обязаны постоянно улучшать качество сбрасываемых промышленных сточных вод. В то же время результатом роста численности населения и объемов производства стало увеличение количества потребляемой воды и, соответственно, количества сточных вод.

Повышение потребления воды и выбросов отработанной воды требует более эффективных технологий удаления отходов и загрязняющих веществ, позволяющих обеспечить соответствие качества сбрасываемых сточных вод нормативам, установленным регулирующими органами по охране окружающей среды.

Потребность в эффективной очистке сточных вод удовлетворялась за счет внедрения передовых энергоемких специализированных очистных систем, требовавших существенных капиталовложений и последующих эксплуатационных затрат. Несмотря на высокую эффективность, эти передовые очистные системы зачастую были недоступны для предприятий, функционирующих в менее развитых районах или сельских местностях.

Однако существуют действенные альтернативные методы. Системы с низким потреблением энергии, работающие на основе свойств микроводорослей и естественного биологического процесса фотосинтеза, могут увеличить эффективность водоочистных сооружений.

Что такое микроводоросли?

Согласно определению, водоросли это большая гетерогенная группа примитивных организмов, обитающих в водной среде, которые иногда называют «низшие растения», потому что у них отсутствуют многие органы наземных растений, такие как корни, стебли и листья.

Водоросли являются автотрофами, а их размеры варьируют от одноклеточных до огромных многоклеточных морских водорослей, высота которых может превышать 150 футов (45 метров). Автотрофные организмы являются продуцентами в пищевой цепи, вырабатывающими из молекул простых неорганических веществ сложные органические соединения при помощи фотосинтеза, или солнечной энергии.

Водоросли распространены повсеместно в окружающей среде, их можно обнаружить во всех типах водоемов, включая пресноводные водоемы, солоноватые воды и морскую среду.

Поскольку термин «водоросли» используется для определения столь обширной и многообразной группы организмов, ученые обычно выделяют макроводоросли, многоклеточные водоросли и микроводоросли, микроскопические водорослевые организмы.

К микроводорослям относятся виды одноклеточных водорослевых организмов, которые могут жить по отдельности либо колониями. Микроводоросли могут быть свободноплавающими или прикрепляться к поверхности каких-либо подводных образований. Размеры водорослей могут варьировать от 1 до нескольких сотен микрометров (мкм) в зависимости от вида. Для справки: 1 микрометр (мкм) = 1/1000 миллиметра (мм).

Микроводоросли это одна из наиболее важных групп организмов на нашей планете. Установлено, что они производят почти половину атмосферного кислорода на Земле, поглощая огромное количество парникового газа двуокиси углерода. Биоразнообразие микроводорослей также необычайно велико. По оценкам ученых, существует от 200 000 до 800 000 видов, из которых определены и описаны лишь 35 000.

Микроводоросли в естественных водных системах

Микроводоросли играют важную роль в поглощении загрязняющих веществ в естественных водных системах. Различные органические соединения, которые образуются в этих естественных системах в результате фотосинтеза водорослей, входят в состав трофической цепи водной среды, становясь пищей для разнообразных микробов и других гетеротрофных организмов. Кроме того, восстановленный стабилизированный углерод зачастую сохраняется непосредственно в форме детрита, образуя торфяные отложения на заболоченных участках, в прудах и озерах.

Поскольку жизнедеятельность видов водорослей и растений природных водных систем зависит от множества факторов, например, от температуры, уровня кислотности, возраста, времени года, высоты и состава воды, и является устойчивой, если эти факторы находятся в относительном равновесии, включение каких-либо новых источников загрязнения в потенциальную очистную систему не рекомендуется. Тем не менее допускается формирование искусственной среды для увеличения концентрации микроводорослей, контроля и наблюдения за их ростом для того, чтобы обеспечить эффективную обработку сточных вод.

Массовое культивирование микроводорослей для очистки сточных вод

Микроводоросли существуют в природных водных системах в различных формах и концентрациях, однако именно массовое культивирование (или концентрированное выращивание и контроль) микроводорослей делает их пригодными к использованию для очистки сточных вод.

Культивирование микроводорослей в сточных водах может внести существенный вклад в процесс регулирования водных экосистем, предлагая недорогую и экологически приемлемую технологию, дополняющую (в случае относительно сильного загрязнения) или заменяющую (если степень загрязнения относительно невелика) традиционные энергоемкие водоочистные системы.

Энергопотребление

Основное преимущество очистной системы с использованием культивируемых микроводорослей перед традиционными системами аэробной очистки сточных вод заключается в ее низкой стоимости благодаря уменьшению объемов потребляемой энергии.

Функционирование любой системы аэробной очистки сточных вод основано на подаче кислорода соответствующих концентраций различным микробам, которые «разлагают» загрязняющие вещества в водостоках до стабильных соединений. В традиционных аэрируемых системах биохимической очистки сточных вод процесс подачи кислорода включает несколько этапов, описанных ниже и представленных на рисунке 1.



Рис. 1. Шесть этапов подачи растворенного кислорода в раствор в традиционной системе очистки сточных вод.
Рост растений происходит при помощи солнечной энергии, используемой в процессе фотосинтеза.
Растения умирают и разлагаются.
Результатом разложения органического вещества, осуществлявшегося на протяжение миллиардов лет, стало образование ископаемого топлива.
Люди добывают ископаемое топливо и используют его в качестве источника энергии для получения электричества.
Сооружения по очистке сточных вод преобразуют эту электроэнергию в механическое действие, выполняемое скребками или вентиляторами.
Это механическое действие направляет атмосферный кислород в раствор в форме растворенного кислорода для дыхания микробов, содержащихся в сточных водах.

В соответствии с основными положениями инженерного искусства на каждом этапе этого процесса происходит потеря энергии, что увеличивает издержки.

Напротив, в системах очистки сточных вод с использованием микроводорослей подаваемый кислород является непосредственным продуктом фотосинтеза. Таким образом, процесс подачи кислорода в традиционных системах биохимической очистки сточных вод, включающий шесть этапов, заменяется гораздо менее энергоемким двухшаговым процессом нагнетания кислорода, когда насыщение сточных вод кислород происходит в результате дыхания микроводорослей в ходе фотосинтеза.

Необходимая площадь

Главный недостаток систем, применяющих культивируемые микроводоросли, связан с требованиями в отношении площади. Поскольку в основе жизнедеятельности микроводорослей лежит процесс фотосинтеза, обеспечение доступа солнечного света является ключевым моментом.

Большинство систем, применяющих культивируемые микроводоросли, представляют собой неглубокие лотки глубиной 612 дюймов (1530 см), для размещения которых нужно гораздо больше пространства, чем для канав на насыщения кислородом традиционных систем очистки сточных вод, глубина которых может достигать нескольких футов. Однако недостаток, связанный с большой площадью, необходимой для очистных систем с использованием микроводорослей, имеет существенное значение для высокоразвитых городских районов, где цены на земельные участки велики. В менее развитых регионах или населенных пунктах, которые характеризуются наличием недорогих обширных участков и стремлением снизить эксплуатационные расходы, этот недостаток нивелируется.

Кроме того, системы микроводорослевой очистки сточных вод эффективнее функционируют в теплом климате, где отрицательные температуры маловероятны.

Микроводоросли в сконструированных болотных экосистемах

Микроводоросли играют важную роль в развитии сконструированных болотных экосистем.

Очень часто именно они становятся первыми колонистами в водоемах вновь созданных болотных экосистем со слабым растительным покровом. Благодаря своей способности к быстрому росту в соответствующих условиях микроводоросли, как правило, в течение многих месяцев остаются доминирующими организмами в таких экосистемах. Со временем водоем начинает заполняться полупогруженными растениями, которые закрывают водную поверхность от солнечного света и сокращают популяцию микроводорослей. Поэтому последние редко сохраняют доминирующее положение среди организмов сконструированных болотных экосистем.

Для устойчивого использования микроводорослей для очистки сточных вод необходимо культивировать основные наиболее выносливые виды в контролируемых условиях внешней среды.

Микроводорослевая очистка сточных вод в стабилизационных прудах (СП)

Наиболее простой и распространенный пример использования микроводорослей для очистки сточных вод стабилизационные пруды (СП).

Разработка СП как приемлемого вспомогательного технологического процесса очистки сточных вод во многом была случайной. Первоначально пруды организовывались на водоочистных предприятиях как бассейны-отстойники или резервуары для аварийного перелива.

И лишь в течение последних 20 лет были определены конструктивные и эксплуатационные критерии СП. Сегодня СП признаются во всем мире как одна из основных технологий очистки сточных вод, успешно заменяющая другие системы биологической очистки в тех регионах земного шара, для которых характерно большое количество солнечных дней и наличие дешевых легкодоступных земельных участков. Наибольшее распространение СП получили в Австралии, Африке, Индии, Канаде и в отдельных районах США.

Система СП включает как механически аэрируемые отстойники, так и пруды с естественным насыщением кислородом. Конструкция последних обеспечивает аэробный распад органического субстрата в сточных водах, причем значительная часть растворенного кислорода продуцируется микроводорослями. К этой группе относятся три типа СП:
факультативные пруды (ФП),
третичные пруды (ТП),
пруды с повышенным содержанием водорослей (ППСВ).

Факультативные пруды

Факультативные пруды (ФП) характеризуются наличием верхней аэробной зоны участка на поверхности пруда, открытого для доступа кислорода, а также нижней анаэробной зоны участка с наибольшей глубиной, куда не проникает кислород.

Активные процессы очистки сточных вод происходят на обоих уровнях ФП. ФП самый распространенный тип СП, позволяющий полностью очистить сточные бытовые воды, а также устранить различные загрязняющие вещества органического происхождения из промышленный сточных вод. Действие ФП основано на сложных взаимосвязях между аэробными и анаэробными бактериями, которые являются главными редуцентами в СП, и микроводорослями.

Основные биологические взаимодействия в экосистеме факультативного пруда показаны на рисунке 2.



Рис. 2. Основные биологические взаимодействия в экосистеме факультативного пруда.

Несмотря на то, что в разные периоды года доминирующее положение в ФП занимают разные виды свободноплавающих и прикрепляющихся микроводорослей, в целом в любой момент времени будут доминировать лишь один или два вида. Ученые обнаружили, что ФП на территории США поразительно схожи по видовому составу водорослей, обитающих в них, с незначительными различиями, обусловленными географическим фактором.

В ФП нет поверхностей, пригодных для закрепления нитрифицирующих бактерий (это особый тип бактерий, необходимых для выведения азота из сточных вод), поэтому нитрификация не характерна для ФП.При отсутствии соответствующих нитратов специфических азотных соединений, содержащихся в сточных водах, в питающем потоке денитрификация будет незначительна. Тем не менее было установлено, что в ФП восстанавливается 80 процентов общего количества азота и 95 процентов общего количества аммиака.

Биохимическое потребление кислорода (БПК) предположительно составляет 90 процентов, а уровень дефосфорации, сопровождающей его, может достигать 45 процентов.

Основная функция ФП заключается в сохранении в водоеме растворенного кислорода, продуцируемого микроводорослями, на таком уровне, который обеспечит оптимальную степень гетеротрофной активности (т.е. разложения и стабилизации органических веществ).

Как правило, по проекту предусматривается сооружение ФП на расстоянии не менее 0,30,6 миль (0,51 км) от населенных пунктов, что объясняется выделением запаха в определенные периоды года (обычно весной).

Идеальным местом организации ФП являются открытые участки, обеспечивающие максимальное движение поверхностных воздушных масс по всей площади пруда для ускорения процесса смешивания.

Форма ФП неважна, так как питающий поток быстро смешивается с надосадочной водой пруда. Глубина ФП может составлять 25 футов (0,71,5 м), а высота надводного борта 35 футов (11,5 м) над высшей точкой водной поверхности на случай волнообразования.

Минимальная глубина должна поддерживаться на уровне 2 футов (0,7 м) для того, чтобы избежать роста корневых водных растений.

Типичные показатели нагрузки для ФП с учетом основных климатических зон приведены в таблице 1.

Таблица 1. Обобщенные показатели нагрузки и проектные критерии для ФП в различных климатических зонах.

Поверхностная нагрузка
(кг БПК га-1-сут-1)
Численность популяции на 1 га
Время пребывания стока в ФП
(сутки)
Климатические условия

< 10
< 200
< 200
Полярные зоны с сезонным ледяным покровом, постоянно низкими температурами воды и различной облачностью

10-50
200-1000
200-100
Холодный климатический пояс с выраженными сезонами с сезонным ледяным покровом и непродолжительным периодом умеренных температур в летнее время

50-150
1000-3000
100-33
Умеренный и субтропический климат, слабый ледяной покров, отсутствие продолжительной облачности

150-350
3000-7000
33-17
Тропический климат, равномерное и стабильное распределение количества солнечных дней и температур, отсутствие сезонной облачности


Третичные пруды (ТП)

Третичные пруды (ТП) или пруды доочистки сточных вод широко используются по всему миру в качестве заключительного этапа очистки или этапа доочистки сточных вод для улучшения качества стоков после обработки в биологических системах, включая ФП.

Предполагается, что обработка в ТП позволяет сократить общее содержание взвешенных частиц, количество аммиака, нитратов и фосфора в стоке, но главная задача ТП в большинстве регионов мира связана с устранением патогенных организмов. За решение этой задачи отвечает целый ряд механизмов в ТП, включая осаждение, естественное вымирание (действие времени и температуры), повышенный рН-уровень, ультрафиолетовое облучение и истребление хищниками.

Конструкция, размер и количество (в ряду) ТП завися, как правило, от желаемого бактериологического качества конечного стока. Обычно ТП имеют такую же глубину, как и факультативные пруды (25 футов, 0,71,5 метров).

Время задержания стока в ТП для обеззараживания составляет 1014 дней, однако для удаления взвешенных частиц или уменьшения количества фосфатов требуется меньше времени (45 и 710 дней соответственно).

Уровень БПК в ТП низкий из-за невысокой первоначальной концентрации органических веществ. Однако ТП является эффективным малозатратным промежуточным звеном между системами вторичной биологической очистки и приемниками очищенных стоков, что объясняется их способностью уменьшать воздействие токсических нагрузок и колебания уровня сточных вод в традиционных очистных системах.

ТП отличаются от ФП меньшей вертикальной и физико-химической стратификацией водных масс, которые насыщаются кислородом на протяжении всего дня. Популяция микроводорослей в ТП более многообразна, чем в факультативных прудах, и это многообразие увеличивается в каждом последующем пруде данного ряда. В ТП встречаются как свободноплавающие, так и неподвижные виды микроводорослей, причем последние преобладают.

Одним из недостатков ТП является то, что популяция микроводорослей создает дополнительную нагрузку БПК, что может вызвать проблему при получении разрешительных документов на водосброс, т.к. свободноплавающие микроводоросли покидают ТП вместе с последним потоком.

ФП и ТП чаще всего используются рядами в районах, где имеются дешевые легкодоступные участки земли. Капитальные издержки и расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание СП, как правило, ниже по сравнению с другими системами биологической очистки сточных вод, но связанные с сооружением СП требования к площади земельных участков гораздо выше. Эти аспекты отражены в таблице 2.

Таблица 2. Первоначальные капиталовложения, ежегодные расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание (ЭиТО) и требования к площади участков для традиционных и естественных систем очистки сточных вод в 1996 г.

Технология очистки
Капитальные издержкиa
(доллары США/человек)
Расходы на ЭиТОb
(доллары США/м3)
Площадь участка
(м2/человек)

Биохимическая очистка
1 300
1,31
0,31
плюс 500%c

Биологический фильтр
980
1,11
0,41
плюс 500%c

Аэрируемый пруд
785
1,11
41
плюс 100%c

СП
460
0,79
1015
плюс 50%c

a по курсу 1996 г.: 1 немецкая марка = 0,65472 долларов США
b сумма в немецких марках на м3 очищенных сточных вод
c Дополнительно требуемая рабочая площадь


Пруды с повышенным содержанием водорослей (ППСВ)

В отличие от вышеописанных систем очистки сточных вод с применением микроводорослей, основная задача которых связана с очисткой сточных вод, пруды с повышенным содержанием водорослей (ППСВ) сооружаются не с целью достижения оптимальной эффективности очистки, а главным образом для увеличения производства водорослевой биомассы.

ППСВ мелкие пруды, обогащенные кислородом, построенные специально для стимулирования роста свободноплавающих микроводорослей с использованием отработанных сточных вод в качестве источника пищи.Эти системы, иногда сооружаемые в виде неглубоких круглых лотков с желобами с мешалками малой мощности, в течение многих лет используются во всем мире для очистки сточных вод.

ППСВ, как правило, имеют глубину 920 дюймов (2050 см), время задержания стока в них составляет от одного до трех дней.

Аэробность ППСВ поддерживается за счет большой популяции микроводорослей, а также применения механических перемешивающих устройств с низкой мощностью, например, лопастных смесителей с низкой частотой вращения. Перемешивание предотвращает илообразование из-за анаэробных условий. Стандартные нагрузки для ППСВ в умеренном климате составляют 134 кг БПК/(га–сутки) с оптимальной нагрузкой в летнее время в 366 кг БПК/(га–сутки).

Как показывают многочисленные данные в существующей научной литературе, ППСВ могут обеспечить высокий уровень очищения бытовых и сельскохозяйственных сточных вод, что подтверждается снижением уровня БПК, содержания взвешенных частиц, азота, фосфора и тяжелых металлов. Тем не менее, как уже отмечалось, ППСВ предназначены, главным образом, для производства микроводорослевой биомассы и представляют собой дополнительную сложно организованную биосистему для очистки сточных вод.

Заключение

Использование микроводорослей, которые выращиваются в контролируемых условиях внешней среды, это признанная технология очистки сточных вод, не требующая больших первоначальных вложений и эксплуатационных расходов. Она может применяться в дополнение или вместо механически аэрируемых систем очистки сточных вод.

Внедрение систем очистки сточных вод на основе микроводорослей является особенно выгодным в районах с дешевыми земельными участками, отличающихся достаточным количеством ясных и теплых дней.


<<<Назад
Теги: лагуны,

Поделиться
Обсуждения

23 Микробиогическачя переработка органических отходов
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ

Имя изобретателя: Пименов Б.И.; Пивикова И.Б.
Имя патентообладателя: Пивикова Ирина Борисовна
Адрес для переписки:
Дата начала действия патента: 1993.01.28

Использовние: в сельском хозяйстве. Сущность изобретения: реактор содержит цилиндрическую камеру сбраживания с плавающим колпаком, имеющим герметичный шлюз, по оси камеры установлено перемешивающее приспособление со стержнями, которое выполнено в виде телескопически соединенных труб. Стержни расположены рядами и имеют длину, уменьшающуюся по направлению к днищу в отношении 0,8 0,5 к радиусу камеры. Плавающий колпак расположен на вертикальных направляющих на подпружиненных втулках. Приводом для вращения перемешивающего приспособления служит ветросиловая установка, установленная на плавающем колпаке вместе с генератором электродвигателем.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к установкам для сбраживания органических отходов, и может использоваться для получения удобрений и горючих газов.

Известны микробиологические реакторы для переработки органических отходов, включающие бродильную камеру, крышку с технологическими патрубками, вал с мешалками и привод [1]

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является микробиологический реактор для переработки органических отходов, содержащий цилиндрическую камеру сбраживания с расположенным в ней и связанным со средством вращения в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси камеры перемешивающим приспособлением, выполненным в виде цилиндрического элемента с набором лопастей, расположенных рядами, приспособление для подачи в реактор исходных органических отходов и выгрузки сброженной массы и плавающий газовый колпак с патрубками отвода биогаза и средством регулирования давления газа под колпаком [2]

Недостатком известного реактора является необходимость использования электроэнергии и электродвигателей в приводе для вращения перемешивающего устройства. Кроме того, в известном реакторе для получения давления получаемого г
·аза плавающий колпак делают массивным из коррозионно-стойкого металла.

В предлагаемом реакторе эти недостатки исключены.

Это достигается тем, что в известном микробиологическом реакторе для переработки органических отходов, содержащие цилиндрическую камеру сбраживания с расположенным в ней и связанным со средством вращения в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси камеры перемешивающим приспособлением, выполненным в виде цилиндрического элемента с набором лопастей, расположенных на нем рядами, приспособление для подачи в реактор исходных органических отходов и выгрузки сброженной массы и плавающий газовый колпак с патрубком отвода биогаза и средством регулирования давления газа под колпаком, средство регулирования давления газа выполнено в виде установленных на стенках камеры вертикальных направляющих с подпружиненными втулками для взаимодействия с боковой поверхностью газового колпака при его перемещении в вертикальной плоскости, а также в виде размещенного на крышке газового колпака средства вращения перемешивающего приспособления, лопасти которого выполнены в виде стержней, закрепленных на цилиндрическом элементе под прямым углом к его оси, при этом стержни каждого ряда выполнены длиной, уменьшающейся в направлении днища камеры и составляющей 0,8-0,5 величины радиуса упомянутой камеры, а цилиндрический элемент выполнен в виде телескопически соединенных между собой труб.

Кроме того, средство вращения перемешивающего приспособления выполнено в виде ветросиловой установки, а также в виде генератора электродвигателя, вал которого посредством муфт соединен с валом ветросиловой установки и цилиндрическим элементом.

Кроме того, цилиндрический элемент установлен в крышке колпака посредством уплотнения, которое выполнено магнитожидкостным.

Кроме того, приспособление для подачи в реактор органических отходов выполнено в виде герметичного загрузочного шлюза, расположенного на крышке газового колпака.

На чертеже изображена схема микробиологического реактора для переработки органических отходов.
Реактор содержит цилиндрическую камеру сбраживания 1 с днищем 2 и плавающим газовым колпаком 3, установленное по вертикальной оси цилиндрической камеры 1 перемешивающее приспособление, выполненной в виде цилиндрического элемента 4 с закрепленным на нем набором лопастей в виде стержней 5. Стержни 5 закреплены на цилиндрическом элементе 4 рядами под прямым углом к его оси и имеют длину, уменьшающуюся по направлению к днищу 2 в отношении 0,8-0,5 к радиусу камеры.

Цилиндрический элемент 4 загерметизирован в месте прохода его через плавающий колпак 3 магнитожидкостным уплотнением 6. На плавающем колпаке 3 установлена ветросиловая установка 7 с лопастями, установленными вертикально на валу 8, служащая в качестве привода для вращения цилиндрического элемента 4 со стержнями 5. Крепление ветросиловой установки 7 на плавающем колпаке 3 осуществляется металлической фермой (не показана).

На валу 8 ветросиловой установки 7 установлен генератор-электродвигатель 9, который является обратимым, т.е. может работать генератором электроэнергии при вращении его ветросиловой установкой 7 либо электродвигателем при подаче на него электроэнергии от постороннего источника тока (не показан).

Генератор-электродвигатель 9 имеет валы, выходящие на две его стороны: вал 10, выходящий в сторону вала 8 ветросиловой установки 7, и вал 11, выходящий в сторону цилиндрического элемента 4 со стержнями 5 цилиндрической камеры сбраживания 1.


Вал 8 ветросиловой установки 7 и вал 10 генератора-двигателя 9 соединены муфтой 12. Цилиндрический элемент 4 со стержнями 5 цилиндрической камеры сбраживания 1 и вал 11 генератора-двигателя 9 соединены муфтой 13.

В верхней части плавающего колпака 3 установлен герметический загрузочный шлюз 14, имеющий внешний 15 и внутренний 16 люки и корпус 17. Внешний люк 15 герметизируется быстросъемными зажимами 18. Внутренний люк 16, находящийся внутри цилиндрической камеры сбраживания 1, открывается и герметизируется штоком 19, проходящим через плавающий колпак 3 в магнитожидкостном уплотнении 20 с возможностью осевого и вращательного движения.

На плавающем колпаке 3 установлен технологический патрубок 21 с гибкой трубкой 22 для отвода биогаза. Днище 2 снабжено патрубком 23 выгрузки сброженной массы, соединенной с трубой 24. Над патрубком 23 на днище 2 установлена крупноячеистая сетка 25 для задержания крупных несброженных отходов, на которой установлена опора 26 цилиндрического элемента 4.

Масса, сбраживаемая в цилиндрической камере сбраживания 1, образует на своей поверхности плотную корку 27.

Плавающий колпак 3 в местах соприкосновения с внутренней поверхностью цилиндрической камеры сбраживания 1 снабжен уплотнениями 28. По торцу цилиндрической камеры сбраживания 1 установлены вертикальные направляющие 29, соединенные втулками 30 с плавающим колпаком 3. Для снижения и регулирования давления биогаза в реакторе на вертикальных направляющих 29 установлены пружины 31, на которые плавающий колпак 3 опирается своими втулками 30. Пружины 31 снабжены устройством для регулировки их длины (не показано).

Цилиндрический элемент 4 выполнен в виде телескопически соединенных между собой труб: внешней 32 и внутренней 33, соединенных между собой шлицом (не показан).
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ РЕАКТОР РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ

Для первоначального заполнения реактора открывают внешний 15 и внутренний 16 люки герметичного загрузочного шлюза 14. При этом внутренний люк открывают, опуская и поворачивая шток 19 вместе с люком 16. Через открытый загрузочный шлюз 14 по его корпусу 17 загружают цилиндрическую камеру сбраживания 1 органическими отходами до уровня, не превышающего его краев.

Во время загрузки реактора плавающий колпак 3 с втулками 30 на вертикальных направляющих 29 и уплотнением 6 на цилиндрическом элементе 4 находятся в нижнем положении, так как отсутствует давление газа. Цилиндрический элемент 4 при этом находится в сложенном положении и внутренняя труба 33 вдвинута во внешнюю трубу 32. Пружины 31 также находятся в сжатом положении.

После окончании загрузки в реактор загрузочный люк 14 закрывают и герметизируют, внешний люк 15 герметизируют быстросъемными зажимами 18, а внутренний люк 16 герметизируют поворотом и подъемом штока 19.

Вал 8 ветросиловой установки 7 и вал 10 генератора-двигателя 9 соединяют муфтой 12, а цилиндрический элемент 4 со стержнями 5 и вал 11 генератора 9 соединяют муфтой 13.

Под действием потока воздуха лопасти ветросиловой установки 7 начинают вращать цилиндрический элемент 4 cо стержнями 5. Сбраживаемая масса перемешивается и процесс идет непрерывно. Биогаз, образующийся при этом создает давление под плавающим колпаком 3. Давление газа регулируют, изменяя длину пружин 31. Под действием давления газа плавающий колпак поднимается вверх, скользя своими втулками 30 по вертикальным направляющим 29. Одновременно цилиндрический элемент 4 раздвигается и внутренняя труба 33 выходит из внешней трубы 32, оставаясь с ней в зацеплении с помощью шлица.

Полученный биогаз под давлением через патрубок 21 в плавающем колпаке 3 по гибкой трубе 22 поступает потребителям.

Сброженная масса по мере накопления через патрубок 23 в днище 2 также под давлением удаляется из реактора по трубе 24 и используется в качестве удобрения. Крупноячеистая сетка на днище 2 задерживает крупные непереработанные частицы до их полного разложения.

По мере удаления из реактора сброженной массы он загружается без остановки новыми порциями без разгерметизации и потери наработанного биогаза. Для этого внешний люк 15 загрузочного шлюза 14 открывают и загружают его корпус 17 новой порцией органических отходов. Затем внешний люк 15 закрывают и герметизируют быстросъемными зажимами 18. После этого опусканием и поворотом штока 19 открывают внутренний люк 16 и загружают новую порцию отходов в реактор. Затем внутренний люк 16 закрывают и герметизируют.

Процесс в реакторе может идти непрерывно.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ РЕАКТОР ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ, содержащий цилиндрическую камеру сбраживания с расположенным в ней и связанным со средством вращения в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси камеры перемешивающим приспособлением, выполненным в виде цилиндрического элемента с набором лопастей, расположенных на нем рядами, приспособление для подачи в реактор исходных органических отходов и выгрузки сброженной массы, плавающий газовый колпак с патрубком отвода биогаза и средством регулирования давления газа под колпаком, отличающийся тем, что средство регулирования давления газа выполнено в виде установленных на стенках камеры вертикальных направляющих с подпружиненными втулками для взаимодействия с боковой поверхностью газового колпака при его перемещении в вертикальной плоскости, а также в виде размещенного на крышке газового колпака средства вращения перемешивающего приспособления, лопасти которого выполнены в виде стержней, закрепленных на цилиндрическом элементе под прямым углом к его оси, при этом стержни каждого ряда выполнены длиной, уменьшающейся в направлении днища камеры и составляющей 0,8 0,5 величины радиуса камеры, а цилиндрический элемент выполнен в виде телескопически соединенных между собой набора труб.

2. Реактор по п.1, отличающийся тем, что средство вращения перемешивающего приспособления выполнено в виде ветросиловой установки и генератора-электродвигателя, вал которого посредством муфт соединен с валом ветросиловой установки и цилиндрическим элементом.

3. Реактор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что цилиндрический элемент установлен в крышке колпака посредством уплотнения, которое выполнено магнитожидкостным.

4. Реактор по п. 1, отличающийся тем, что приспособление для подачи в реактор органических отходов выполнено в виде герметичного загрузочного шлюза, расположенного в крышке газового колпака.

25 Анаэробное сбраживание

При анаэробном сбраживании органические вещества разлагаются в отсутствие кислорода. Этот процесс включает в себя два этапа. На первом этапе сложные органические полимеры (клетчатка, белки, жиры и др.) под действием природного сообщества разнообразных видов анаэробных бактерий, разлагаются до более простых соединений: летучих жирных кислот, низших спиртов, водорода и окиси углерода, уксусной и муравьиной кислот, метилового спирта. На втором этапе метанообразующие бактерии превращают органические кислоты в метан, углекислый газ и воду.

Первичные анаэробы представлены разнообразными физиологическими группами бактерий: клеткоразрушающими, углеродосбраживающими (типа маслянокислых бактерий), аммонифицирующими (разлагающими белки, пептиды, аминокислоты), бактериями, разлагающими жиры и т.д. Благодаря этому составу, первичные анаэробы могут использовать разнообразные органические соединения растительного и животного происхождения, что является одной из важнейших особенностей метанового сообщества. Тесная связь между этими группами бактерий обеспечивает достаточную стабильность процесса.

Метановое брожение протекает при средних (мезофильное) и высоких (термофильное) температурах. Наибольшая производительность достигается при термофильном метановом брожении. Особенность метанового консорциума позволяет сделать процесс брожения непрерывным. Для нормального протекания процесса анаэробного сбраживания необходимы оптимальные условия в реакторе: температура, анаэробные условия, достаточная концентрация питательных веществ, допустимый диапазон значений рН, отсутствие или низкая концентрация токсичных веществ.

Температура в значительной степени влияет на анаэробное сбраживание органических материалов. Наилучшим образом сбраживание происходит при температуре 30-40оС (развитие мезофильной бактериальной флоры), а также при температуре 50-60оС (развитие термофильной бактериальной флоры). Выбор мезофильного или термофильного режима работы основывается на анализе климатических условий. Если для обеспечения термофильных температур необходимы значительные затраты энергии, то более эффективной будет эксплуатация реакторов при мезофильных температурах.

Наряду с температурными условиями на процесс метанового брожения и количество получаемого биогаза влияет время обработки отходов

При эксплуатации реакторов необходимо проводить контроль за показателем рН, оптимальное значение которого находится в пределах 6,7-7,6. Регулирование этого показателя осуществляется путем добавления извести.

При нормальной работе реактора получаемый биогаз содержит 60-70% метана, 30-40% двуокиси углерода, небольшое количество сероводорода, а также примеси водорода, аммиака и окислов азота. Наиболее эффективны реакторы, работающие в термофильном режиме при 43-52оС. При продолжительности обработки навоза 3 дня выход биогаза на таких установках составляет 4,5 л на каждый литр полезного объема реактора. В исходную массу для интенсификации процесса анаэробного сбраживания навоза и выделения биогаза добавляются органические катализаторы, которые изменяют соотношение углерода и азота в сбраживаемой массе (оптимальное соотношение C/N=20/1-30/1). В качестве таких катализаторов используются глюкоза и целлюлоза.

Получаемый при брожении биогаз имеет теплоту сгорания 5340-6230 ккал/м3 (6.21-7.24 кВт.ч/ м3).

В бродильных камерах необходимо проводить энергичное перемешивание для предупреждения образования в верхней части слоя всплывающего вещества. Это значительно ускоряет процесс брожения и выход биогаза. Без перемешивания для получения такой же производительности объем реакторов должен быть значительно увеличен. Отсюда следствие - большие затраты и удорожание установки.

Перемешивание осуществляется:
механическими мешалками различной формы или погружными насосами с приводом от электродвигателя,
гидравлическими насадками за счет энергии струи, перекачиваемого насосом сбраживаемого навоза, или рециркуляцией,
избыточным давлением биогаза, пропускаемого через барботер или трубку, расположенную в нижней части редуктора.

Остаток, образующийся в процессе получения биогаза, содержит значительное количество питательных веществ и может быть использован в качестве удобрения. Состав остатка, полученного при анаэробной переработке животноводческих отходов, зависит от химического состава исходного сырья, загружаемого в реактор. В условиях, благоприятных для анаэробного сбраживания, обычно разлагается около 70% органических веществ, а 30% содержится в остатке.

Основное преимущество анаэробного сбраживания заключается в сохранении в органической или аммонийной форме практически всего азота, содержащегося в исходном сырье.

Метод анаэробного сбраживания наиболее приемлем для переработки животноводческих отходов с точки зрения гигиены и охраны окружающей среды, так как обеспечивает наибольшее обеззараживание остатка и устранение патогенных микроорганизмов.

Жидкая фаза навоза после анаэробной переработки обычно отвечает требованиям, предъявляемым к качеству сточных вод органами охраны природы. Отработанная жидкая органическая масса поступает через выгрузочную камеру в резервуар сброженной массы, а оттуда перекачивается в цистерны, с помощью которых вносят на поля обычную навозную массу.
Биоконверсия органических отходов



Технология микробиологической биоконверсии отходов предназначена для переработки сырьевых компонентов, не используемых в традиционном кормопроизводстве, в высококачественные углеводно-белковые кормовые добавки и комбикорма. Технология микробиологической биоконверсии предназначена для переработки отходов сельского хозяйства, пищевой и зерноперерабатывающей промышленности в кормовые добавки и комбикорма.

Суть технологии биоконверсии заключается в следующем: сырьевые компоненты (отходы) содержащие сложные полисахариды – пектиновые вещества, целлюлозу, гемицеллюлозу подвергаются воздействию комплексных ферментных препаратов, содержащих пектиназу, гемицеллюлазу и целлюлазу. Ферменты представляют собой очищенный внеклеточный белок и способны к глубокой деструкции клеточных стенок и отдельных структурных полисахаридов, т.е. осуществляется расщепление сложных полисахаридов на простые с последующим построением на их основе легко усвояемого кормового белка.

В качестве исходных сырьевых компонентов могут быть использованы следующие отходы:

- растительные компоненты сельскохозяйственных культур: стебли зерновых и технических культур, корзинки и стебли подсолнечника, льняная костра, стержни кукурузных початков, картофельная мезга, трава бобовых культур, отходы сенажа и силоса, отходы виноградной лозы, чайных плантаций, стебли табака.

- отходы зерноперерабатывающей промышленности: отруби, отходы при очистке и сортировке зерновой массы (зерновые отходы), зерновая сорная примесь, травмированные зерна, щуплые и проросшие зерна, семена дикорастущих растений, некондиционное зерно.

- отходы консервной, винодельческой промышленности и фруктовые отходы: кожица, семенные гнезда, дефектные плоды, вытерки и выжимки, отходы винограда, отходы кабачков, обрезанные концы плодов, жмых, дефектные кабачки, отходы зеленого горошка (ботва, створки, россыпь зерен, битые зерна, кусочки листьев, створки), отходы капусты, свеклы, моркови, картофеля.

- отходы сахарной промышленности: свекловичный жом, меласса, рафинадная патока, фильтрационный осадок, свекловичный бой, хвостики свеклы.

- отходы пивоваренной и спиртовой промышленности: сплав ячменя (щуплые зерна ячменя, мякина, солома и др. примеси), полировочные отходы, частицы измельченной оболочки, эндосперма, битые зерна, солодовая пыль, пивная дробина, меласса, крахмалистые продукты (картофеля и различных видов зерна), послеспиртовая барда, бражка.

- отходы чайной промышленности: чайная пыль, сметки, волоски, черешки.

- отходы эфирно-масличной промышленности: отходы травянистого и цветочного сырья.

- отходы масло – жировой промышленности: подсолнечная лузга, хлопковая шелуха.

- отходы кондитерской и молочной промышленности.

Таким образом, любое растительное сырье и его производные, как лигноцеллюлозный источник, доступны для микробиологической биоконверсии в углеводно-белковые корма и кормовые добавки.

В процессе биоконверсиив некондиционных компонентах уничтожаются болезнетворная микрофлора, яйца гельминтов, возбудители тяжелых заболеваний (бруцеллез, туберкулез, холера, тиф и др.), а также и вредные паразитирующие простейшие (аскариды, солитеры и др.). При этом кормовая ценность некондиционного сырья после соответствующей обработки превышает кормовую ценность кондиционных аналогов в 1,4-1,8 раз.

После завершения процесса биоконверсии конечным продуктом является кормовая добавка – углеводно-белковый концентрат (УБК), который приобретает кормовые свойства в 1,8-2,4 раза превосходящие фуражное зерно хорошего качества, а также обладает рядом существенных и необходимых свойств, которыми не обладает традиционное зерновое сырье.

Ключевым элементом технологической цепи является биореактор, в котором и осуществляется процесс микробиологической биоконверсии отходов в корма. Реакторы являются универсальными и позволяют работать с любым сырьем и получать различные кормовые добавки. Технология предусматривает круглогодичный режим работы предприятия, низкие требования к квалификации большинства рабочих, малые энергетические затраты. Технология – экологически безопасная, не имеет сточных вод и выбросов.

Влажная (55%) смесь различных отходов загружаются в биореактор. С момента загрузки сырья, в биореакторе процесс микробиологической биоконверсии протекает в течение 4-6 дней (в зависимости от желаемых зоотехнических параметров конечной продукции). В результате получается влажная кормовая добавка – углеводно-белковый концентрат (УБК). Затем ее сушат до влажности 8 – 10 % и измельчают. После измельчения концентрат можно использовать для производства комбикормов, где в качестве основного компонента используется УБК (65 – 25% в зависимости от рецепта и целевого назначения комбикорма).

Технологическая схема производственного комплекса по микробиологической переработке растительных отходов в корма





1 – прием сыпучего и влажного сырья; 2 – прием жидкого сырья; 3 – бункеры-дозаторы; 4 – смеситель; 5 – био-реактор; 6 – компрессор; 7 – парогенератор; 8 – сушилка; 9 – измельчитель; 10 – отгрузка в мешки.

27Вермипроизводство - переработки органического мусора с помощью красного калифорнийского червя



Технологический червь для вермипроизводства Lumbricusrubellus (малый красный выползок) – симбиоз червей всех возрастов в определенном соотношении (взрослые особи/молодняк/коконы) специально подготовленные для переработки органических отходов. Очень быстро адаптируются к новым видам субстратов. Легко переносят транспортировку, подходят для разведения, как на закрытом, так и на открытом грунтах.

Оптимальное соотношение:

- взрослых червей 10-25%;

- мальков червей – 60-80%;

- коконов – 10-15%.

Биогумус – продукт переработки органических отходов красным калифорнийским червем. В сутки одна взрослая особь производит до 1 грамма биогумуса, являющегося хорошим удобрением. Красный калифорнийский червь появился в 1959 году в результате селекционной работы в США. В отличие от других червей, которые дают воспроизводство 4-6 раз, калифорниец может в год дать более чем 500-кратное увеличение, правда в оптимальных условиях.

Красный калифорнийский червь (ККЧ) в десятки раз быстрее перерабатывает органические отходы. Сам червь весит в среднем один грамм и за сутки перерабатывает столько же отходов. Исходный ящик червя, с тысячной популяцией, за три летних месяца заселит один куб отходов и размножится в 20 раз. При соблюдении технологии рентабельность производства от 300 до 700%. Максимальная рентабельность достигается при переработке в условиях фермерского хозяйства, имеющего не менее 50 га земли, определенное поголовье птицы или скотины. В хозяйстве червь питался фруктовыми отходами, навозом КРС, соломой и прочими органическими отходами. Важно, что бы в рационе отсутствовал свиной навоз и птичий помет. Рационально зимой запасаться отходами на специальной площадке, чтобы весной ввести подкорм червю.

Неотъемлемой частью технологии переработки органики червем является солома. Летом слой соломы на буртах должен быть не менее 10 см – он предохраняет червя от попадания солнечных лучей (ультрафиолет для него смертелен), препятствует испарению влаги. Если солома в ограниченном количестве – укрывной слой при подкормке легко снять вилами, а затем опять укрыть. При поливе солома пропускает влагу и не теряет долго своих качеств.

Площадка под ферму должна быть на равнине, желательно ограждена. Желательно расположение рядом с водоемом, так как необходим регулярный полив в засушливое лето. Располагать бурты нужно на земле, чтобы свободно уходила излишняя влага.

Стоимость технологических червей (маточного поголовья): 20 000 штук червей всех возрастов в субстрате – 4 000 рублей, 100 000 – 20 000 рублей, 500 000 – 100 000 рублей.

Опыт решить проблем с органическим мусором в Калининградской области с помощью красного калифорнийского червя проводился в середине 90-х годов прошлого века. Развития проект не получил в виду отсутствия надлежащей сортировки отходов, и, как следствие – гибели пого

28Биодеградация неытяных загрязнгений
Рассмотрим процессы биодеградации сложных смесей углеводов и их производных в средах, загрязненных нефтью. Источники таких загрязнений могут быть самыми разнообразными: промывка карабельных бункеров для горючего, аварии на танкерах в открытом море (основная причина нефтяных загрязнений окружающей среды), утечки в нефтехранилищах и сброс отработанных нефтепродуктов.

Сточные воды нефтяной промышленности обычно очищают биологическим способом после удаления большей части нефти физическими способами или с помощью коагулянтов. Токсическое воздействие компонентов таких сточных вод на системы активного ила можно свести к минимуму путем постепенной «акклиматизации» очистной системы к повышенной скорости поступления стоков и последующего поддержания скорости потока и его состава на одном уровне.

Самые большие утечки нефти в окружающую среду происходят в море, где она затем подвергается различным физическим превращениям, известным как выветривание. В ходе этих абиотических процессов, включающих растворение, испарение и фотоокисление, разлагается – в зависимости от качества нефти и от метеорологических условий – 25-40% нефти. На этой стадии разрушаются многие низкомолекулярные алканы. Степень микробиологической деградации выветрившихся нефтяных разливов определяется рядом факторов. Весьма важен состав нефти: относительное содержание насыщенных, ароматических, содержащих азот, серу и кислород соединений в различных типах нефти различно. Определенную устойчивость нефти придают разветвленные алканы и серусодержащие ароматические соединения.

Кроме того, скорость роста бактерий, а следовательно, и скорость биодеградации определяются доступностью питательных веществ, в частности азота и фосфора. Оказалось, что добавление этих веществ увеличивает скорость биодеградации. Количество разных организмов, способных расти на компонентах нефти, зависит от степени загрязненности углеводородами. Например, больше всего их находят поблизости крупных портов или нефтяных платформ, где среда постоянно загрязнена нефтью. Полная деградация нефти зачастую не происходит даже при участии богатых по видовому составу микробных сообществ. Основные физические факторы, влияющие на скорость разложения нефти - это температура, концентрация кислорода, гидростатическое давление и степень дисперсности нефти. Наиболее эффективная биодеградация осуществляется тогда, когда нефть эмульгирована в воде.

Особую проблему представляют выбросы или случайные разливы нефти на поверхности почвы, поскольку они могут привести к загрязнению почвенных вод и источников питьевой воды. В почве содержится очень много микроорганизмов, способных разрушать углеводороды. Однако даже их активность не всегда достаточна, если образуются растворимые производные или поверхностно-активные соединения, увеличивающие распространение остаточной нефти.

29 иотехнологии в решении экологических проблем
Биодеградация ксенобиотиков

В удалении ксенобиотиков из окружающей среды важны несколько факторов:
устойчивость ксенобиотиков к различным воздействиям;
растворимость их в воде;
летучесть ксенобиотиков;
рН среды;
способность ксенобиотиков поступать в клетки микроорганизмов;
сходство ксенобиотиков и природных соединений, подвергающихся естественной биодеградации.


Для биодеградации ксенобиотиков лучше использовать ассоциации микроорганизмов, так как они более эффективны, чем отдельно взятые виды. При этом типы связей в подобной ассоциации могут быть различны. Один вид микроорганизмов может непосредственно участвовать в разложении ксенобиотиков, а другой – поставлять недостающие питательные вещества. Это может быть метаболическая «атака» на субстрат, когда синтезируются разные компоненты ферментативного комплекса, или же цепочка ферментативных реакций (многосубстратные конверсии) и т.д.

Особенно трудно разлагаются такие биоциды, как детергенты, пластики и углеводороды. Самыми способными к борьбе с загрязнителями различного типа являются представители рода Pseudomonas – они практически «всеядны». Клетки этих микроорганизмов содержат оксидоредуктазы и гидроксилазы, способные разлагать большое число молекул углеводородов и ароматических соединений, таких как бензол, ксилол, толуол. Гены, кодирующие эти ферменты, находятся в составе плазмид. Например, плазмида OCT отвечает за разложение октана и гексана, XYL – ксилола и толуола, NAH – нафталина, CAM – камфары. Плазмиды САМ и NAH обеспечивают собственный перенос, индуцируя скрещивание бактериальных клеток; остальные плазмиды могут быть перенесены только в том случае, если в бактерии введены другие плазмиды, обеспечивающие скрещивание.

В 1979 г. Чакрабарти (в то время совместно с компанией «Дженерал электрик») после успешных скрещиваний получил штамм, содержащий плазмиды XYL и NAH, а также гибридную плазмиду, полученную путем рекомбинации частей плазмид САМ и ОСТ (сами по себе они несовместимы, т. е. не могут сосуществовать как отдельные плазмиды в одной бактериальной клетке). Этот штамм способен быстро расти на неочищенной нефти, так как он метаболизирует углеводороды гораздо активнее, чем любой из штаммов, содержащих только одну плазмиду. Штамм может быть особенно полезен в очистных водоемах для сточных вод, где можно контролировать температуру и другие внешние факторы.

Эти микроорганизмы удобно использовать для очистки нефтяных пятен на суше или море при различных авариях. Для большей эффективности создают микроэмульсию, содержащую бактериальные штаммы и капсулы со смесью основных питательных элементов - азота, фосфора и калия внутри. Добавление этих веществ стимулирует размножение бактриальных штаммов. Применение такого метода позволяет очистить от 70 до 90% загрязненной поверхности, за это же время очищается всего порядка 10-20% необработанной поверхности.

Преимущество бактериальной очистки по сравнению с химической в том, что она не вызывает появления нового загрязняющего агента в окружающей среде. Плотность фитопланктона после бактериальной очистки повышается. Некоторые микроорганизмы способны изменять молекулу ксенобиотика и делать ее доступной и привлекательной для других микроорганизмов («кометаболизм»). Примером может служить разложение инсектицида паратиона под действием двух штаммов Pseudomonas – P. aeruginosa и P. stuzeri. В некоторых случаях происходит неполное превращение молекулы ксенобиотика - фосфорилирование, метилирование, ацетилирование и т. д., результатом которого является утрата этим веществом токсичности.

Одним из сильных загрязнителей является ЭДТА (этилендиаминтетрауксусная кислота). Причина в том, что ЭДТА связывает тяжелые металлы, способствуя их накоплению в почве. Бактрии родов Pseudomonas и Bacillus способны за две недели разрушить все связи комплекса Fe-ЭДТА. Эти бактерии успешно применяются для очистки бытовых сточных вод, куда попадают детергенты моющих средств. Кроме Pseudomonas, биодеградацию ксенобиотиков могут осуществлять и представители родов Acinetobacter, Metviosinus.

Однако, в некоторых случаях внесение этих микроорганизмов в почву может изменить экосистему местности. Избежать этого можно ограничивая время жизнедеятельности бактерий. Например, облучая штаммы ультрафиолетом, получили мутант, ауксотрофный по лейцину. Бактерии размножают в питательной среде, содержащей лейцин. Суспензией микроорганизмов в питательной среде пропитывают древесную стружку, которую разбрасывают по загрязненной территории. Количество лейцина рассчитывается на время, достаточное для уничтожения вредных примесей, поэтому после очистки мутантные штаммы гибнут.

Еще эффективнее, чем бактерии, справляются с посвенными загрязнителями грибы. Они могут разрушать такие вещества, как пентахлорбензол, пентахлофенол. В одном из экспериментов грибами обработали около 10000 тонн почвы с территории деревоперерабатывающего комплекса. В этой почве содержание пентахлорфенола достигало 700 мг/кг, но за год деятельности оно снизилось до 10 мг/кг, что является допустимой нормой. Бактерии смогли бы переработать эту почву лишь за 4-5 лет. Грибы активны и зимой, разрушают высокомолекулярные полиароматические углеводороды, действуют внеклеточно, выделяя неспецифические ферменты. Стоимость грибной и бактериальной очистки одинаковы, но применение грибов позволяет сокращать сроки деградации и существенно удешевляет ее.

31 Мониторинг окружающей среды

Состояние окружающей среды, соответственно и среды обитания, непрерывно изменяется. Эти изменения различны по характеру, направленности, величине, неравномерно распределены в пространстве и во времени. Естественные, природные, изменения состояния среды имеют весьма важную особенность они, как правило, происходят около некоторого среднего относительно постоянного уровня. Их средние значения могут существенно изменяться лишь в течение длительных интервалов времени.
Совсем другой особенностью обладают техногенные изменения состояния среды обитания, которые стали особенно значительными в последние десятилетия. Техногенные изменения в отдельных случаях приводят к резкому, быстрому изменению среднего состояния природной среды в регионе.
Для изучения и оценки негативных последствий техногенного воздействия возникла необходимость организации специальной системы контроля (наблюдения) и анализа состояния окружающей среды, в первую очередь из-за загрязнений и эффектов, вызванных ими в среде. Такую систему называют системой мониторинга состояния окружающей среды, которая является частью универсальной системы контроля состояния окружающей среды.
Мониторинг представляет собой комплекс мероприятий по определению состояния окружающей среды и отслеживанию изменений в ее состоянии.
Основными задачами мониторинга являются:
систематические наблюдения за состоянием среды и источниками, воздействующими на окружающую среду;
оценка фактического состояния природной среды;
прогноз состояния окружающей среды и оценка прогнозируемого состояния последней.
С учетом обозначенных задач мониторинг это система наблюдений, оценки и прогноза состояния среды обитания.
Мониторинг является многоцелевой информационной системой.
Контроль состояния среды включает наблюдение за источниками и факторами техногенного воздействия (в том числе источниками загрязнений, излучений и т. п.) химическими, физическими, биологическими и за последствиями, вызываемыми этими воздействиями на окружающую среду.
Наблюдение осуществляют по физическим, химическим и биологическим показателям. Особенно эффективными представляются интегральные показатели, характеризующие состояние окружающей среды. При этом подразумевается получение данных о первоначальном (или фоновом) состоянии среды.
Наряду с наблюдением одной из основных задач мониторинга является оценка тенденций изменений состояния окружающей среды. Подобная оценка должна дать ответ на вопрос о неблагополучии положения, указать, чем именно обусловлено такое состояние, помочь определить действия, направленные на восстановление или нормализацию положения, или, наоборот, указать на особо благоприятные ситуации, позволяющие эффективно использовать имеющиеся экологические резервы природы в интересах человека.
В настоящее время различают следующие системы мониторинга.
Экологический мониторинг универсальная система, целью которой являются оценка и прогноз за реакцией основных составляющих биосферы. Он включает геофизический и биологический мониторинги. К геофизическому мониторингу относится определение состояния крупных систем погоды, климата. Основной задачей биологического мониторинга является определение реакции биосферы на техногенное воздействие.
Мониторинг в различных средах (различных сред) включающий мониторинг приземного слоя атмосферы и верхней атмосферы; мониторинг гидросферы, т. е. поверхностных вод суши (рек, озер, водохранилищ), вод океанов и морей, подземных вод; мониторинг литосферы (в первую очередь почвы).
Мониторинг факторов воздействия это мониторинг различных загрязнителей (ингредиентный мониторинг) и других факторов воздействия, к которым можно отнести электромагнитное излучение, тепло, шумы.
Мониторинг сред обитания человека включающий Мониторинг природной среды, городской, промышленной и бытовой сред обитания человека.
Мониторинг по масштабам воздействия пространственным, временным, на различных биологических уровнях.
Фоновый мониторинг базовый вид мониторинга, умеющий целью знание фонового состояния биосферы (как в настоящее время, так и в период до заметного влияния человека). Данные фонового мониторинга необходимы для ана-Аиза результатов всех видов мониторинга.
Территориальный мониторинг включающий системы мониторинга техногенных загрязнений, в основу классификации которых положен территориальный принцип, так как данные системы являются важнейшей составной частью мониторинга окружающей среды.
Различают следующие системы (подсистемы) территориального мониторинга:
глобальный проводимый на всем земном шаре или в пределах одного-двух материков,
государственный проводимый на территории одного государства,
региональный проводимый на большом участке территории одного государства или сопредельных участках нескольких государств, например внутреннем море и его побережье;
локальный проводимый на сравнительно небольшой территории города, водного объекта, района крупного предприятия и т. п.,
"точечный" мониторинг источников загрязнения, являющийся по сути импактным, максимально приближенным к источнику поступления загрязняющих веществ в окружающую среду,
фоновый данные которого необходимы для анализа результатов всех видов мониторинга.
Классификация систем мониторинга по территориальному принципу представлена на рис. 1.
Глобальный мониторинг. В 1971 г Международный совет научных союзов впервые сформулировал принципы построения глобальной системы мониторинга состояния биосферы и определил показатели, за которыми следует установить постоянные наблюдения и контроль В 1972 г. Стокгольмская конференция ООН по окружающей среде одобрила эти основные принципы, а в рамках Программы ЮНЕП (Программа ООН по проблемам окружающей среды) в 1973-1974 гг. были разработаны основные положения создания Глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС).



Рис. 7.1. Классификация систем мониторинга по территориальному принципу

На совещании в Найроби (1974 г.) определены следующие задачи ГСМОС:
организация расширенной системы предупреждения об угрозе здоровью человека;
оценка глобального загрязнения атмосферы и его влияния на климат;
оценка количества и распределения загрязнителей биосферы, особенно пищевых цепей;
оценка реакции наземных экосистем на загрязнение окружающей среды;
оценка загрязнения океана и его влияния на морские Экосистемы;
создание и усовершенствование системы предупреждения о стихийных бедствиях в международном масштабе.
Государственный мониторинг. С 1994 г. в Российской Федерации проводится в рамках Единой государственной системы экологического мониторинга (ЕГСЭМ).
Задачи ЕГСЭМ:
разработка программ наблюдения состояния окружающей среды;
организация наблюдений и проведение измерений показателей объектов экологического мониторинга;
обеспечение достоверности и сопоставимости данных наблюдений;
организация хранения данных, создание специализированных банков данных;
гармонизация банков и баз данных экологической информации с международными эколого-информационными системами;
оценка и прогноз состояния окружающей среды, антропогенного воздействия на нее, откликов экосистем и здоровья населения на изменения состояния окружающей среды;
организация и проведение оперативного контроля и прецизионных измерений радиоактивных и химических загрязнений при авариях и катастрофах, прогноз последствий и оценка ущерба;
обеспечение доступности интегрированной экологической информации широкому кругу потребителей (центральному и местному руководству, ведомствам и организациям, населению);
информационное обеспечение органов управления состоянием окружающей среды, природных ресурсов и экологической безопасностью;
разработка и реализация единой научно-технической политики в области экологического мониторинга.
Региональный мониторинг. На территории крупных регионов больших государств, например таких, как Российская Федерация, США, Канада и т. п., организуется региональный мониторинг. Он не только является частью государственного мониторинга, но и решает задачи, специфические для данной территории. Основная задача регионального мониторинга получение более полной и детальной информации о состоянии окружающей среды региона и воздействии на нее техногенного фактора, что не представляется возможным сделать в рамках глобального и государственного мониторинга, так как в их программах нельзя учесть особенности каждого региона.
Локальный мониторинг. Этот мониторинг является составной частью регионального и организуется для решения задач исключительно местного масштаба.
При организации и проведении локального мониторинга необходимо определить приоритетные загрязнители, за которыми уже ведутся наблюдения в рамках глобального, государственного и регионального мониторинга (или хотя бы большинство из них), а также загрязнители от имеющихся источников загрязнения или на основе изучения технологических регламентов (проектов) создаваемых производств.
По результатам локального мониторинга соответствующие компетентные органы могут приостановить деятельность предприятий, приводящих к сверхнормативному загрязнению окружающей среды, до ликвидации аварийной ситуации и ее последствий или улучшения технологического процесса, устраняющего возможность загрязнения. В особых случаях может ставиться вопрос о полном закрытии предприятия, его перепрофилировании или переносе в другую местность.
"Точечный" мониторинг. Он представляет собой постоянное или эпизодическое наблюдение за конкретным объектом источником загрязнения и фиксирование количественных параметров окружающей среды (ОС) в точке (зоне) первичного контакта среды с источником. Фактически мониторинг источника загрязнения вплотную смыкается с производственным (техническим) контролем технологических или других техногенных процессов, "открытых" во внешнюю среду, а также соответствующих объектов наблюдения (объектовый "точечный" контроль).
Мониторинг источника загрязнения (МИЗ) может являться составной частью подсистемы локального мониторинга окружающей среды, а может включать в себя только элементы объектового производственного контроля, практически полностью замкнутого на технологию, ее процессы и аппараты.
Организация мониторинга источников загрязнения на объектах осуществляется с целью получения оперативной и систематической информации о состоянии окружающей среды, прежде всего для обеспечения технологической и экологической безопасности самих контролируемых объектов, с приоритетом вопросов безопасности и комфортности условий труда работающего на них персонала.
В уголовном законодательстве РФ отражена концепция, рассматривающая природную среду не как "кладовую" природных богатств, которую надо охранять от разграбления, а как биологическую основу существования человека и всего живого на Земле. Она отражает и приоритет охраны интересов личности перед интересами общества и государства.
С этих позиций экологические преступления можно рассматривать и как преступления против человечества, здоровья, конституционного права на благоприятную природную сферу обитания посредством воздействия на окружающую природу. Изменяются также взгляды на степень общественной опасности данных посягательств, что нашло соответствующее отражение в санкциях, предусмотренных Уголовным кодексом РФ (УК РФ).
Таким образом, в уголовном законодательстве представлена целая область, полностью охватывающая очень важную в наши дни сферу экологию. Многие преступления, ранее остававшиеся безнаказанными, теперь довольно жестко наказуемы. Это вселяет определенную надежду на то, что шквал преступлений против природы будет остановлен.
Задача правоохранительных органов на современном этапе широко и повсеместно внедрять новые нормы уголовного права в практику.
Все вышеизложенные вопросы далеко не исчерпывают пределов действия российского законодательства в области безопасности жизнедеятельности. Сфера его применения постоянно расширяется. Предмет правового регулирования охватывает все новые отношения в областях, где требуется обеспечение безопасности жизнедеятельности человека.

биотестирование
Происхождение названия:


Описание:

Метод анализа заключающийся в определении действия токсикантов на специально выбранные организмы в стандартных условиях с регистрацией различных поведенческих, физиологических или биохимических показателей. Биотестирование широко применяется для контроля качества природных и токсичности сточных вод, при проведении экологической экспертизы новых технологий очистки стоков, при обосновании нормативов предельно допустимых концентраций загрязняющих компонентов.

Применение биотестирования имеет ряд преимуществ перед физико-химическим анализом, средствами которого часто не удается обнаружить неустойчивые соединения или количественно определить ультрамалые концентрации экотоксикантов. Довольно часты случаи, когда выполненный современными средствами химический анализ не показывает наличия токсикантов, тогда как использование биологических тест-объектов свидетельствует об их присутствии в исследуемой среде. Биотестирование дает возможность быстрого получения интегральной оценки токсичности, что делает весьма привлекательным его применение при скрининговых исследованиях.

В отличие от биоиндикаторов, одним из основных требований к которым является толерантность, тест-объекты обычно выбирают среди наиболее чувствительных к загрязняющим компонентам видов. Другое важное требование заключается в том, что воздействие на тест-объект токсиканта должно вызывать ответную реакцию, аналогичную или близкую к реакциям лабораторных животных. Знание механизмов специфического токсического действия позволяет ослаблять или усиливать действие токсиканта с помощью специально подобранных фармакологических средств. Если последние обладают селективностью, то в ряде случаев становится возможным с помощью тест-объектов не только обнаружить токсический эффект, но и произвести групповую идентификацию токсиканта. Усиление действия с помощью фармакологических средств позволяет снизить порог обнаружения токсиканта, не прибегая к его концентрированию (прием, обычный при инструментальном физико-химическом анализе примесей).

Для оценки качества вод с начала 1930-х годов используют дафнию (Daphnia magna). К настоящему времени выполнено множество работ по определению действия на дафнию большинства обнаруживаемых в водных объектах ксенобиотиков. В законодательном порядке этот веслоногий рачок включен в число тест-объектов для оценки качества воды во многих странах мира. Широко используют для биотестирования воды и медицинскую пиявку (Hirudo medicinalis).

Рассмотрим использование этих тест-объектов для обнаружения и идентификации в воде некоторых классов пестицидов. К числу наиболее токсичных химических соединений относятся фосфорорганические и карбаматные пестициды, обладающие антихолинэстеразным действием. В эту группу входят и некоторые боевые отравляющие вещества (зарин, зоман, V-газы), уничтожение которых также приводит к загрязнению природных сред, включая водные объекты. Для обнаружения в воде антихолинэстеразных соединений обычно используют очищенные холинэстеразы. В основе этого метода, не отличающегося высокой чувствительностью, лежит способность токсикантов снижать активность фермента.

Обнаружение антихолинэстеразных соединений более эффективно может производиться с помощью дафний, которые в сравнении с мышами в 5-18 раз чувствительнее к карбаматным пестицидам и в 100075 000 раз чувствительнее к фосфорорга-ническим соединениям (Тонкопий и соавт., 1993). Методология определения сводится к следующему. Если у дафний, помещенных в пробу тестируемой воды, отмечается 50-100%-ная гибель, а при помещении в ту же воду с добавленным в нее алкалоидом атропином (известный антидот, м-холинолитик) токсическое действие достоверно снижается, то это свидетельствует о наличии в пробе воды соединения с антихолинэстеразным действием. Так, при задании в воде концентрации атропина 12 мг/л величина ЛК50 карбаматного пестицида аминостигмина для дафний увеличивалась с 12 до 84 мкг/л, т. е. в семь раз.

С другой стороны, добавление в испытуемую воду миорелаксанта дитилина приводит к уменьшению полулетальной концентрации антихолинэстеразных пестицидов: гибель 50 % дафний наблюдается уже при концентрациях пестицидов на уровне 0,05-0,25 JIKso- Такой эффект позволяет обнаруживать антихолинэстеразные токсиканты при их содержании в нетоксических концентрациях и, что очень важно, регистрировать хроническое воздействие.

В опытах с медицинскими пиявками была продемонстрирована также возможность селективного обнаружения фосфорор-ганических и карбаматных токсикантов. Летальность при отравлении пиявок карбаматными пестицидами снижается в четыре раза, если животных предварительно выдерживают в воде с добавкой к-холинолитика педифена (1 мг/л) или вводят его внутримышечно. Если же токсическое действие тестируемой пробы воды предотвращается только при одновременной обработке пиявок педифеном и каким-либо карбаматом, то это говорит о наличии в пробе фосфорорганических соединений (Тон-копий и соавт., 1994). В этом случае мы имеем дело с примером групповой биоидентификации токсиканта.

Кроме дафний и пиявок для биотестирования применяются бактерии, водоросли, высшие растения, моллюски, рыбы (главным образом, на ранних стадиях развития) и другие организмы. Каждый из этих объектов имеет свои преимущества и ограничения, и ни один из организмов не может служить универсальным "тестером", одинаково чувствительным ко всем загрязняющим веществам. С другой стороны, нецелесообразно бесконечно расширять круг биологических тест-объектов.

По чувствительности и степени изученности среди других тест-объектов кроме дафний (D. magna, D. pulex) выделяются несколько видов микроскопических одноклеточных зеленых водорослей из класса протококковых (сценедесмус Scenedesmus quadricauda, хлорелла Chlorella sp.) и пять-шесть видов рыб, как аквариумных, так и мелких аборигенных (голец, гольян). Опыт токсикологического нормирования показывает, что при использовании этих видов биотестированием может быть охвачено более 80 % подлежащих контролю загрязняющих воду химикатов.

32 Формы биоиндикации



Биоиндикация – это оценка состояния среды с помощью живых объектов. Живые объекты (или системы) – это клетки, организмы, популяции, сообщества. С их помощью может проводиться оценка как абиотических факторов (температура, влажность, кислотность, соленость, содержание поллютантов и т.д.), так и биотических (благополучие организмов, их популяций и сообществ). Термин "биоиндикация" чаще используется в европейской научной литературе, а в американской его обычно заменяют аналогичным по смыслу названием "экотоксикология".

Часто задают вопрос: "Почему для оценки качества среды приходится использовать живые объекты, когда это проще делать физико-химическими методами?" По мнению Ван Штраалена (1998), существуют по крайней мере три случая, когда биоиндикация становится незаменимой.

1. Фактор не может быть измерен. Это особенно характерно для попыток реконструкции климата прошлых эпох. Так, анализ пыльцы растений в Северной Америке за длительный период показал смену теплого влажного климата сухим прохладным и далее замену лесных сообществ на травяные. В другом случае остатки диатомовых водорослей (соотношение ацидофильных и базофильных видов) позволили утверждать, что в прошлом вода в озерах Швеции имела кислую реакцию по вполне естественным причинам.

2. Фактор трудно измерить. Некоторые пестициды так быстро разлагаются, что не позволяют выявить их исходную концентрацию в почве. Например, инсектицид дельтаметрин активен лишь несколько часов после его распыления, в то время как его действие на фауну (жуков и пауков) прослеживается в течение нескольких недель.

3. Фактор легко измерить, но трудно интерпретировать. Данные о концентрации в окружающей среде различных поллютантов (если их концентрация не запредельно высока) не содержат ответа на вопрос, насколько ситуация опасна для живой природы. Показатели предельно допустимой концентрации (ПДК) различных веществ разработаны лишь для человека. Однако, очевидно, эти показатели не могут быть распространены на другие живые существа. Есть более чувствительные виды, и они могут оказаться ключевыми для поддержания экосистем. С точки зрения охраны природы, важнее получить ответ на вопрос, к каким последствиям приведет та или иная концентрация загрязнителя в среде. Эту задачу и решает биоиндикация, позволяя оценить биологические последствия антропогенного изменения среды. Физические и химические методы дают качественные и количественные характеристики фактора, но лишь косвенно судят о его биологическом действии. Биоиндикация, наоборот, позволяет получить информацию о биологических последствиях изменения среды и сделать лишь косвенные выводы об особенностях самого фактора. Таким образом, при оценке состояния среды желательно сочетать физико-химические методы с биологическими.

Актуальность биоиндикации обусловлена также простотой, скоростью и дешевизной определения качества среды. Например, при засолении почвы в городе листья липы по краям желтеют еще до наступления осени. Выявить такие участки можно, просто осматривая деревья. В таких случаях биоиндикация позволяет быстро обнаружить наиболее загрязненные местообитания. Биоиндикация может быть специфической и неспецифической. В первом случае изменения живой системы можно связать только с одним фактором среды (рис. 1). Например, высокая концентрация в воздухе озона вызывает появление на листьях табака (сорта Bel W3) серебристых некрозных пятен. Во втором случае различные факторы среды вызывают одну и ту же реакцию. Например, снижение численности почвенных беспозвоночных может происходить и при различных видах загрязнения почвы, и при вытаптывании, и в период засухи и по другим причинам.



Рис. 1. Формы биоиндикации

При другом подходе различают прямую и косвенную биоиндикацию. О прямой биоиндикации говорят, когда фактор среды действует на биологический объект непосредственно (рис. 2). В описанном выше случае серебристые пятна на листьях табака возникают от прямого действия озона.



Рис. 2. Прямая и косвенная биоиндикация

При косвенной биоиндикации фактор действует через изменение других (абиотических или биотических) факторов среды. Например, применение одного из гербицидов (2,2 дихлорпропионовой кислоты) на лугу ведет к уменьшению злаков в растительном покрове (с 55 до 12%) и, соответственно, увеличению разнотравья, что может рассматриваться как прямая биоиндикация. Эти изменения растительного покрова ведут к падению численности саранчовых и росту численности тлей. Изменение в соотношении двух групп насекомых – пример косвенной биоиндикации применения гербицида.

34 иотехнологии в энергетике



Биотехнология, как наука решает ряд энергетических проблем.

Для решения глобальной проблемы актуальны следующие направления, которые способна решить наука биотехнология:

1) Повышение нефтеотдачи регулирование микрофлоры пластов с целью продуцирования нефтевытесняющих соединений, применение полимеров (на базе акриламида), микробных полисахаридов и др. эмульгирующих спецагентов.

2) Удаление метана из угольных пластов- с использованием-метанотрофных бактерий.

3) При добычи меди, благородных металлов, урана, цинка, кобальта, никеля, редких и других металлов используют бактериально-химическое выщелачивание меди.

4) Борьба с биокоррозией нефтепроводов и других коммуникаций.

Благодаря этому стали интенсивно развиваться новые разделы биотехнологии – биоэнергетика и биогеотехнология металлов.

Биоэнергетика

Биоэнергетика - это наука, которая изучает механизмы преобразования энергии в процессах жизнедеятельности организмов. Иначе говоря, биоэнергетика – наука о путях и механизмах трансформации энергии в биологических системах, характеризующий рядом причин. Одна из причин, энерговооруженность – это фактор определяющии
· уровень развития общества. В последнее время для сравнения эффективности процессов и технологии
·, прибегают к энергетическому анализу. Основная задача энергетического анализа – планирование методов производства, которые обеспечивают наиболее эффективное потребление возобновляемых и ископаемых энергоресурсов, а также охрану окружающеи
· среды.

Потребление энергии на одного человека возросло более чем в 100 раз, при этом запасы источников энергии, таких как нефть, уголь, газ истощаются.

Сжигание ископаемых видов топлив приводит к нарастающему загрязнению окружающей среды. Поэтому важным вопросом становится получение энергии в экологически чистых технологиях.

Пути получения энергии.

Растительный покров Земли составляет более 1800 млрд. т сухого вещества.

Использование сухого вещества, это простейший способ превращения биомассы в энергию заключается в сгорании. Сухое вещество обеспечивает тепло, которое в свою очередь превращается в механическую или электрическую энергию. Для сырого вещества, наиболее эффективным методом превращения биомассы в энергию является получение биогаза (метана), при помощи метанового «брожения», или биометаногенеза.

Получение топлива основывается на сочетании фотосинтеза, кормопроизводства, животноводства, и ферментации с использованием биологических агентов. Проведенные исследования приводят к выводу, что наиболее эффективны методы преобразования солнечнои
· энергии – это методы, основанные на использовании биосистем. Достаточно хорошо освоенные методы биологической технологии превращения биомассы в энергоносители в процессах биометаногенеза и производства спирта, а также новые разработки, направленные на повышение эффективности самого процесса фотосинтеза, и создание биотопливных элементов, получение фотоводорода, биоэлектрокатализ.

Известно, что около 99,4% доступной нам неядерной энергии мы получаем от Солнца, и часть ее аккумулируется в биомассе, хотя и с малой эффективностью. Усредненная максимальная эффективность превращения энергии при фотосинтезе составляет от 5% до 6%. В зонах с умеренным климатом эффективность преобразования энергии составляет от 0,5% до 1,3%. Растения используют свет с длиной волны от 400 до 700 нм, то есть доля фотосинтетически активной радиации (ФАР) составляет 50% всего солнечного света.

Основные процессы фотосинтеза протекают в хлоропластах, которые поглощают СО2, поступающий в растение путем диффузии.
Преимущество использования солнечной энергии, заключенной в биомассе, в том, что она запасается в форме органических веществ и поэтому ее можно хранить и перемещать во времени и в пространстве.

Биомассу можно сжигать или довольно простыми способами при помощи микроорганизмов превращать в жидкое или газообразное топливо (метан, этиловый спирт или водород). По этой причине биомасса представляет собой постоянно возобновляемый источник энергии.
Сырье, используемое для производства биотоплива: древесина, масличные растения, водоросли.

Ранее основным путем использования растительного сырья в качестве топлива во всем мире было прямое сжигание. В настоящее время - это система термической модификации такого сырья: пиролиз, газификация и гидрогенизация. При всем разнообразии жизненных функций, связанных с потреблением энергии, в их основе лежат три вида трансформации энергии:

энергия АТФ – энергия химических связей стабильных биологических соединений;
энергия АТФ – механическая работа;
энергия АТФ – осмотическая работа.

Первый вид использования энергии АТФ составляет основу синтезов разнообразных химических соединений, в том числе и биополимеров – нуклеиновых кислот, белков и полисахаридов (анаболическая ветвь метаболизма). Их энергообеспечение достигается сопряжением реакций, протекающих на одном ферменте («энергия из рук в руки»). При этом запасы энергии в одном из участков реакции повышаются за счёт распада макроэргических соединений с понижением запасов энергии системы в целом.
Второй вид - использование энергии АТФ для осуществления механической работы. Этот процесс лежит в основе разнообразных форм двигательной активности организмов и клеток: сокращение мышц у животных, движение листьев и цветков у растений, работы жгутиков и ресничек у простейших, перемещения ядерного аппарата при делении клеток и т.п. Коэффициент полезного действия трансформации энергии в мышце составляет около 40%. Решающую роль в таких механо-химических процессах играют сократительные белки, способные перестраивать свою структуру и взаиморасположение, что находит свое внешнее проявление в макроскопическом эффекте – сокращении мышцы.

Третий вид использования энергии АТФ – осмотическая работа. В ее основе лежит генерация и поддержание концентрационных перепадов (градиентов) различных веществ и, прежде всего, ионов натрия и калия в системах: клетка – окружающая среда или клеточные органоиды – цитоплазма. Перенос веществ, связанный с расходом богатых энергией соединений, получил название активного транспорта. Благодаря активному транспорту, в клетках поддерживается необходимое постоянство ионного состава и ионная поляризация мембран возбудимых (нервные, мышечные) клеток – мембранный потенциал, или потенциал покоя. Это является основной предпосылкой для возникновения и распространения нервного импульса – потенциала действия.

Наконец, энергия АТФ может с высокой эффективностью трансформироваться в световую энергию. Это имеет место в явлении биолюминесценции. Значительно меньшую роль в биоэнергетике играют процессы чисто физического переноса энергии. Наибольшее функциональное значение миграция энергии имеет в процессе фотосинтеза: с ее помощью осуществляется перенос энергии квантов света (фотонов), поглощенных различными пигментами, к реакционным центрам, с помощью которых энергия электронного возбуждения трансформируется в химическую энергию продуктов фотосинтеза.

35 Биокоррозия

Биокоррозия (биологическая коррозия) - тип коррозионного разрушения в условиях воздействия микроорганизмов. Продукты жизнедеятельности различных микроорганизмов, которые присутствуют в воде, грунте, интенсифицируют процесс коррозии.

Биокоррозию можно рассматривать, как самостоятельный вид разрушения, но чаще всего процессы биологической коррозии протекают параллельно с другими, например, почвенной (грунтовой), морской, атмосферной, коррозией в неэлектролитах, водных растворах.

Повреждениям от биокоррозии подвергаются различные подземные конструкции (трубопроводы, резервуары, сваи, метро и т.п.), сооружения и трубопроводы, находящиеся в воде. Биокоррозия – неотъемный спутник нефте- и газопромышленности.

Первые догадки о влиянии на процесс коррозионного разрушения биологических организмов появились только в конце ХIХ века.


В результате протекания биокоррозии на поверхности металла появляются небольшие углубления (блестящие либо шероховатые), раковины, неровности, которые могут быть заполнены продуктами коррозии. Биокоррозия в большинстве случаев носит язвенный либо питтинговый характер. Чаще всего биокоррозия является локальным разрушением.

Виды биологической коррозии (биокоррозии)

Биокоррозия подразделяется на бактериальную, микологическую. Иногда разрушение может быть вызвано присутствием в коррозионной среде дрожжей, других микроорганизмов. Все микроорганизмы делятся на аэробные и анаэробные. Аэробные существуют и размножаются только при наличии кислорода. Анаэробным же для нормальной жизнедеятельности кислород не требуется. Среди аэробных микроорганизмов наиболее опасными являются серобактерии и железобактерии (обитают в почве). В природных средах аэробные и анаэробные микроорганизмы существуют совместно.


Чаще всего протекает бактериальная биокоррозия. Она же и наиболее разрушительна. Данный вид встречается в воде, почве, топливе при наличии бактерий. Бактерии очень быстро размножаются и легко приспосабливаются к всевозможным условиям окружающей среды. Бактериальная биокоррозия может протекать при рН среды от 1 до 10,5 и температуре (чаще всего) 6 – 40 °С при наличии различных органических и неорганических веществ, содержащих кислород, углерод, водород, железо, азот, калий, серу и т.д.

Классификация биоповреждений

Все виды биоповреждений протекают по довольно сложным механизмам. Микроорганизмы чаще всего только стимулируют коррозионный процесс, но могут и непосредственно разрушать материалы.

Классификация биоповреждений по среде обитания микроорганизмов:

- в водных средах;

- в почве;

- в космосе;

- в грунте;

- в органических средах (продукты нефтепереработки и т.п.);

- в воздушной среде (наземной).

Биоповреждению подвергаются: стекло, камень, здания, сооружения, кожа, нефть, силикаты, полимеры, металл и металлоизделия, нефтепродукты, клеи, дорожные покрытия, одежда, краски, оборудование и т.д.

По биологическим факторам различают повреждения от:

- микроорганизмов: бактерий, простейших, лишайников, грибов;

- макроорганизмов: хордовые и беспозвоночные животные, растения.


Классификация процессов биологических повреждений:

- химическое разрушение материалов;

- прямое разрушение микроорганизмами;

- коррозионное электрохимическое разрушение;

- комплексное воздействие (одновременное влияние микроорганизмов, продуктов их жизнедеятельности и переменных климатических условий).

По тому, как протекает процесс биокоррозии, его можно разделить на: биохимическое, физическое, физико-биохимическое разрушение.


Защита конструкций от биокоррозии

Для защиты конструкций от биологической коррозии эффективным и основным способом является обработка поверхности изделии бактерицидными средствами (содержащие хлор, формалин и т.п.). Очень часто бактерицидные вещества вводят в состав лакокрасочных материалов и других видов покрытий. Но такой способ защиты достаточно дорогой и не всегда возможен.


Для защиты от биокоррозии также используют электрохимическую защиту.
Электрохимическая защита

Электрохимическая защита – эффективный способ защиты готовых изделий от электрохимической коррозии. В некоторых случаях невозможно возобновить лакокрасочное покрытие или же защитный оберточный материал, тогда целесообразно использовать электрохимическую защиту. Покрытие подземного трубопровода или же днища морского суда очень трудоемко и дорого возобновлять, иногда просто невозможно. Электрохимическая защита надежно защищает изделие от коррозии, предупреждая разрушение подземных трубопроводов, днищ судов, различных резервуаров и т.п.

Применяется электрохимическая защита в тех случаях, когда потенциал свободной коррозии находится в области интенсивного растворения основного металла либо перепассивации. Т.е. когда идет интенсивное разрушение металлоконструкции.

Суть электрохимической защиты


К готовому металлическому изделию извне подключается постоянный ток (источник постоянного тока или протектор). Электрический ток на поверхности защищаемого изделия создает катодную поляризацию электродов микрогальванических пар. Результатом этого является то, что анодные участки на поверхности металла стают катодными. А вследствии воздействия коррозионной среды идет разрушение не металла конструкции, а анода.

В зависимости от того, в какую сторону (положительную или отрицательную) смещается потенциал металла, электрохимическую защиту подразделяют на анодную и катодную.

36 Методы контроля ветеринарных билогических препаратов.

Государственный надзор и контроль за производством и качеством биологических препаратов для ветеринарии и животноводства, изготовляемых на предприятиях биопромышленности MСX РФ, других ведомств и министерств (в том числе поступающих из-за рубежа), осу-тся Всероссийским Государственным научно-исследовательским институтом контроля, стандартизации и сертификации ветеринарных препаратов (ВГНКИ). В задачу такого надзора и контроля входят: 1) государственный учет имеющееся в системе МСХ PФ, а также поступающих из-за рубежа и высылаемых в зарубежные страны культур микроорганизмов, токсинов и ядов животного и растительного происхождения; 2) хранение и поддержание национального фонда высокоценных штаммов культур микроорганизмов, используемых для производства препаратов и научно-исследовательских целей; 3) проведение экспертизы новых фармакологических препаратов и различиях веществ, предлагаемых для ветеринарных и животноводческих целей научными учреждениями России и зарубежными фирмами. В настоящее время все препараты, применяемые в животноводстсве и ветеринарии, систематически подвергаются государственному контролю, осуществляемому государственными контролерами ВГНКИ, работающими непосредственно на биопредприятиях. С этой целью на каждом биопредприятии создаются контрольные лаборатории во главве с государственным контролером (заведующим отделом биологического контроля при биопредприятии). Государственные контролеры на биопредприятиях являются штатными сотрудниками ВГНКИ. Они обязаны осуществлять контроль за технологией изготовления препаратов и за качеством готовой продукции в соответствии с требованиями нормативно-технической документации (НТД). Государственные контролеры имеют право полностью или частично приостанавливать производство и выпуск биопрепаратов в тех случаях, когда нпрусаотся требования нормативно-технической документации и не принимается меры для устранения причин изготосления недоброкачественно продукции. На кажды йпрепарат, выпускаемый биопредприятием, должна иметься НТД, в кот. входят: 1) инструкция по изгготовлению и контролю препарата, утв. разработчиком данного препарата, содержащая: общие сведения о препарате и его назначении; характеристику производственных штаммов микроорганизмов и порядок работы с ними при изготовлении препарата; подробное изложение технологического процесса производства препарата; методы контроля готового изделия;, условия хранения препарата; правила по соблюдению санитарного режима и мер безопасности при изготовлении и контроле препарата;2) технические условия, утверждаемые Департаментом ветеринарии МСХ РФ и регистрируемые в Государственном комитете стандартов, включающие: технические требования к препарату; правила приемки его Госконтролером предприятия-изготовителя {методы испнтаний препарата на его соответствие требованиям НГД с указанием ГОСТов и ТУ на используемые при этом оборудование, материалы, реактивы, а также порядок транспортировки и хранения; перечень гарантий, которые должны обеспечиваться предприятием-изготовителем; 3) наставление по применению препарата, утверждаемое Департаментом ветеринарии МСХ РФ, в котором содержатся: общие сведения о препарате (внешний вид, назначение, срок годности, правила хранения); сведения о его фармакологических свойствах, подробное изложение порядка его применения. Осуществляя свои контрольные функции, государственнне контролеры обязаны руководствоваться требованиями НТД. Выпуск препаратов с биопредприятий .в ветеринарную практику допускается лишь при условии прохождения ими следующих контролей: контроль безвредности, микробиологический контроль, контроль специфической активности.

Контроль безвредности биопрепаратов проводят на ларбораторнта или сельснохозяйственнмх животных. Для живых инактивированных вакцин, лечебно-профилактических сывороток и иммуноглобу.пинов этот показатель определяют на основании данных о выживании или гибели прививаемых животных, клинических признаков их переболенания, изменений массы животных и бактериологических показателен с идентификацией выделяемой от них микрофлоры. При решении вопроса о безвредности препарата следует учитывать, что поствакцинальные осложнения могут быть обусловлены рядом причин: прямым к опосредованным токсическим эффектом, который устанавливают методами фармакологичесшгх исследований, определяя степень изменения физиологического состояния животных; недостаточной аттенуацией культуры вакпионного штамма или неполной инактивацией производственных культур, которые определятют в опытах на животных, чувствительных к данной инфекции; специфической и неспецифической сенсибилизацией, в том числе гиперчувствительностью замедленного типа. Для определения безвредности вакцины или сыворотки вводят животным парентерально. Дозы препарата, применяемые при проверке на с/х животных, должны превышать рекомендуемые для практического использования в 2-10 раз; а при проверке на лабораторных животных - приближаться к максимально переносимым. Срок наблю­дения за животными, в течение которого они должны остаться здоровыми, не менее 10 дней. Кроме того, контроль безвредности лечебно-профилактических сывороток включает проверку их апирогенности. Апирогенность проверяют на 3-х кроликах породы шиншилла массой 1,5-2,0 кг. Перед опытом кроликов в течение 3-х дней взвешивают и измеряют температуру их тела, которая должна быть в пределах 38,6-39,8 °С. Кроликов, имеющих тенденцию к снижению массы тела и повышению температуры тела, в опыт не берут. Испытуемый препарат перед введением подогревают до 37 °С и вводят кроликам в ушную вену в количестве I мл/кг массы. Через I, 2 и 3 ч после введения препарата у кроликов измеряют температуру тела. Она не должна повышаться более, чем на 0,8 °С. Контроль безвредности антибиотиков обусловлен тем, что при антибиотикотерапии возможны осложнения, в виде прямых токсических реакций и непрямых побочных реакций. Прямых побочные реакции - обусловлены органотропностыо и специфичностью эффекта, зависят от дозы, метода и длительности применения антибиотиков. Могут проявляться поражением почек, печени, нервной и кроветворной систем, нарушением деятельности велудочно-кишечного тракта.

Непрямые побочные реакции неспецифичны для антибиотиков и могут быть вызвали веществами различной природы. К такого рода осложнениям относятся; гиперчувствительность, реакция бактериолиза (освобождение большого количества эндотоксинов при гибели и разрушении микроорганизмов), дисбактериоз (качественные и количественные изменения нормальной микрофлоры желудочно-кишечного траста) и др. Исходя из вышеизложенного, антибиотики контролируют в отношении острой и хронической токсичности. Для контроля острой токсичности определяют: максимально переносимую дояу (МПД) препарата, дозу, рнзнвающую гибель 50% подопытних животных (LД5о), дозу, вызывающую гибель 100% подопытных животных (LD 100). Для контроля хронической токсичности изучают влияние препарата на различные органы и системы организма подопытных животных при его длительном применении. Микробиологический контроль. В жиоых бактерийных и вирусуых вакцинах не должно содержаться посторонней микрофлоры (контаминан-тов); инактивированные вакцины, анатоксины, лечебно-профилактические сыворотки и иммуноглобулины должны быть стерильными (свободными от жизнеспособной микрофлоры). Чистоту живых и стерильность инактивированных вакцин, сывороточных препаратов и анатоксинов проверяют высевами на специальные питательные среды. Для отого.применяют МПА, МПБ с глюкозой; бульон и агар Мартена; МППБ под маслом; бульон и агар Сабуро или Чапека и другие среды, обеспечивающие рост как анаэробных, так и аэробных бактерий и грибов. Посевы выдерживают при температуре 36-37 °С. Из флаконов с посевами инактивированных вакцин» анатоксинов, сывороточных препаратов там, где нет роста, через 5-6 дней делают пересевы на аналогичные среды. Первичные посевы выдерживают при указанной температуре 15 дней. Среды Сибуро или Чапека для выявления грибковой микрофло­ры выдерживают 15 дней -при комнатной температуре (20-25 °С). Пересевы выдерживают не менее 10-ти дней. Для выяснения стерильности антибиотиков используют, как правило, два метода. Первый метод связан с инактиваиией антибиотика биологическим инактиватором (например инактивация бензилпенициллина и полусинтетических препаратов, полученных на его основе, ферментом пенициллиназой) и последующим высовом на питательные среды. При втором методе раствор антибиотиков пропускают через мембранные фильтры с диаметром пор не более 0,75 мкм. После атого фильтры переносят на плотные или жидкие питательные среды. Вторым методом пользуются в тех случаях, когда для антибиотика не имеется биологическж инактиваторов его активности.



























Контроль специфической активности. Нммуногенную специфическую активность вакцин и анатоксинов оценивают в опытах прямого заражения иммунизированных животных пли косвенными методами. Контроль иммуногенности в. опытах пряного заражении возможен в двух различных вариантах. При порвом иммуногенность оценивают после однократного (или двукратного) введения препарата не менее чем 10-ти подопытным животным. В контроле должно быть также 10 животных, равноценных подопытным по степени чувствительности к заболеванию. Всех животных через определенный срок после вакцинации (14-21 день) заражают соответствующей культурой контрольного вирулентного штамма в количестве 5-10 (а в ряде случаев 100-200) ЛД50 или ИД50. Вакцину считают иммуногенной при выживании без признаков заболевания не менее 8 вакцинированных и гибели или заболевании не менее 8 контрольных животных. Допускается заболевание 3 вакцинированных животных при 100%-ной гибели (заболевании) контрольных. Второй вариант контроля иммуногенности вакцин и анатоксинов заключается в определении ЛД50 или ИД50 контрольного вирулентного штамма для вакцинировали и кнтактных (контрольных) животных. Многократное (в 5-10 и более раз) увеличение величины ЛД50(ИД50) для привитых животных по сравнению с контрольными свидетельствует об иммуногенности препарата. Косвенными показателями иммунологической специфической активности биопрепаратов могут быть алнтигенность, характеризующая уровень образования специфических антител в крови вакцинированных животных, и концентрация антигенов в прививочной дозе. Специфическую активность сывороточных лечебно-профилактических и диагностических препаратов определяют путем измерения эффекта, присущего препарату данного вида. Так, лечебно-профилактические сыворотки проверяют на превентивные свойства на восприимчивых крупных и лабораторных животных. Для этого сыворотку вводят животным внутрибрюшинно, подкожно или внутримышечно. Через 24 ч после инъекции сыворотки животкых заражают подтитрованной дозой контрольного вирулентного штамма соответствующего микроорганизма. Подопытные животные должны оставаться здоровыми минимум 14 дней при гибели или переболевании контрольных. Кроме того, контроль специфической активности лечебно-профилак­тических сывороток мокет быть основан на определении концентрации специфических антител в опытах нейтрализации этими сыворотками соответствующих инфекционных агентов кли их токсинов. Чем меньше доза сыворотки, способная нейтрализовать действие определенной дозы инфекционного агента или токсина, тем выше ее активность. Диагностические сывороточные препарата проверяют в соответстующих реакциях (РА, РН, РДП, РТГЛ, РНГЛ, РСК и др.). Активность сывороточных препаратов любого типа определяют по сравненшэ со стандартными (эталонными) референс-препаратами. Для этого испытуемую сыворотку проверяют параллельно со стандартной, а затем рассчитывают дозу испытуемой сыворотки, эквивалентную по эффекту единице активности стандарта. На каждую проверенную серию биопрепарата заполняют паспорт, п котором укалывают основные технологические, лечебно-проклэктичоские и другие специфические показатели: номер серии; дату изготовления; объем серии (в литрах, дозах); объем препарата в расфасовочных емкостях; результаты, полученные при проховденни препаратом контролей; метод и сроки хранения. На каждой серии биопрепарата, признанной пригодной для использования в животноводстве и ветеринарии, на предприятии-изготовителе оставляют арбитражные образцы, которце должны сохраняться в условиях, определенных требованиями НТД, в течение всего срока годности данной серии препарата.

38 Перспективы развития биотехнологии

Центральная проблема биотехнологии - интенсификация биопроцессов как за счет повышения потенциала биологических агентов и их систем, так и за счет усовершенствования оборудования, применения биокатализаторов (иммобилизованных ферментов и клеток) в промышленности, аналитической химии, медицине.

В основе промышленного использования достижений биологии лежит техника создания рекомбинантных молекул ДНК. Конструирование нужных генов позволяет управлять наследственностью и жизнедеятельностью животных, растений и микроорганизмов и создавать организмы с новыми свойствами. В частности, возможно управление процессом фиксации атмосферного азота и перенос соответствующих генов из клеток микроорганизмов в геном растительной клетки.

В качестве источников сырья для биотехнологии все большее значение будут приобретать воспроизводимые ресурсы не пищевых растительных материалов, отходов сельского хозяйства, которые служат дополнительным источником как кормовых веществ, так и вторичного топлива (биогаза), органических удобрений.

Одной из бурно развивающихся отраслей биотехнологии считается технология микробного синтеза ценных для человека веществ. По прогнозам, дальнейшее развитие этой отрасли повлечет за собой перераспределение ролей растениеводства и животноводства с одной стороны, и микробного синтеза - с другой, в формировании продовольственной базы человечества.

Не менее важным аспектом современной микробиологической технологии является изучения участия микроорганизмов в биосферных процессах и направленная регуляция их жизнедеятельности с целью решения проблемы охраны окружающей среды от техногенных, сельскохозяйственных и бытовых загрязнений.

С этой проблемой тесно связаны исследования по выявлению роли микроорганизмов в плодородии почв (гумусообразовании и пополнении запасов биологического азота), борьбе с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур, утилизации пестицидов и др. химических соединений в почве. Имеющиеся в этой области знания свидетельствуют о том, что изменение стратегии хозяйственной деятельности человека от химизации к биологизации земледелия оправдывается как с экономической, так и с экологической точек зрения. В данном направлении перед биотехнологией может быть поставлена цель регенерации ландшафтов.

Ведутся работы по созданию биополимеров, которые будут способны заменить современные пластмассы. Эти биополимеры имеют существенное преимущество перед традиционными материалами, так как нетоксичны и подвержены биодеградации, то есть легко разлагаются после их использования, не загрязняя окружающую среду.

Биотехнологии, основанные на достижениях микробиологии, наиболее экономически эффективны при комплексном их применении и создании безотходных производств, не нарушающих экологического равновесия. Их развитие позволит заменить многие огромные заводы химической промышленности экологически чистыми компактными производствами.

Важным и перспективным направлением биотехнологии является разработка способов получения экологически чистой энергии. Получение биогаза и этанола были рассмотрены выше, но есть и принципиально новые экспериментальные подходы в этом направлении. Одним из них является получение фотоводорода. Если из хлоропластов выделить мембраны, содержащие фотосистему 2, то на свету происходит фотолиз воды - разложение на кислород и водород. Моделирование процессов фотосинтеза, происходящих в хлоропластах, позволило бы запасать энергию Солнца в ценном топливе - водороде. Преимущества такого способа получения энергии очевидны:
наличие избытка субстрата, воды;
нелимитируемый источник энергии - Солнце;
продукт (водород) можно хранить, не загрязняя атмосферу;
водород имеет высокую теплотворную способность (29 ккал/г) по сравнению с углеводородами (3.5 ккал/г);
процесс идет при нормальной температуре без образования токсических промежуточных продуктов;
процесс циклический, так как при потреблении водорода регенерируется субстрат - вода.


Другой механизм превращения энергии у галофитных бактерий Halobacterium halobium, которые используют энергию солнца, поглощаемую пурпурным пигментом бактериородопсином, находящимся в мембране клетки. Поглощение света вызывает химические и физические изменения в мембране, приводящие к направленному транспорту протонов водорода с одной стороны мембраны на другую и созданию электрохимического градиента. Следствием этого является синтез аденозинтрифосфорной кислоты. H.halobium можно культивировать в мелких водоемов с высоким содержанием NaCl и других минеральных солей. Из 10 литров бактериальной культуры можно получить 0,5 грамма мембран, содержащих до 100000 молекул пигмента. Пигмент можно фиксировать на подложках, обладающих физическими и химическими свойствами для транспорта протонов.

Читать дальше
· промышленная организация биотехнологическх процессов

39 Гигиенический норматив – строгий диапазон параметров факторов среды, оптимальный и безвредный для сохранения нормальной жизнедеятельности и здоровья человека, человеческой популяции и будущих поколений.

Санитарные правила, нормы, гигиенические нормативы – это нормативные акты, устанавливающие критерии безопасности и безвредности для человека факторов среды его жизнедеятельности. Санитарные правила обязательны для соблюдения всеми государственными органами и общественными объединениями, предприятиями и иными хозяйственными субъектами, организациями, учреждениями независимо от их подчиненности и форм собственности, должностными лицами и гражданами.

Гигиенические нормативы для химических веществ устанавливаются в виде предельно допустимых концентраций (ПДК). Для физических факторов они устанавливаются в виде допустимых уровней воздействия (ПДУ).

Для химических веществ ПДК устанавливаются в атмосферном воздухе населенных мест в виде максимальных разовых и среднесуточных предельно допустимых концентраций. Устанавливаются ПДК вредных химических веществ в воде водоемов, питьевой воде. Устанавливаются ПДК для содержания вредных химических веществ в почве. В пищевых продуктах вредные химические вещества нормируются в виде допустимых остаточных количеств (ДОК). Для химических веществ предельно допустимые количества в воде устанавливаются в миллиграммах на 1 дм3, или 1 л, для воздуха – в миллиграммах на 1 м3 воздуха, пищевых продуктов – в миллиграммах на 1 кг массы продукта.

Также устанавливаются ПДУ воздействия физических факторов. В частности, существует представление об оптимальных и допустимых параметрах микроклимата, т. е. температуры, влажности, скорости движения воздуха и т. д. Существуют так называемые физиологические нормы потребности в белках, жирах, углеводах, минеральных веществах, витаминах. Принципы гигиенического нормирования:

1) принцип этапности;

2) принцип пороговости.

Этапность в нормировании состоит в том, что работа по нормированию проводится в строго определенной последовательности, связанной с выполнением соответствующего этапа исследований. Для химических веществ первым этапом данных исследований является аналитический этап. Аналитический этап включает в себя оценку физико-химических свойств: данных о структуре химического вещества, его параметрах – температуре плавления, точке кипения, растворимости в воде, других растворителях. Вторым обязательным этапом гигиенических исследований при установлении ПДК является токсикометрия, т. е. определение основных параметров токсичности. Токсикометрия включает проведение исследований по определению параметров острой токсичности (острая токсикометрия или, проще, острые опыты). Далее следуют подострый эксперимент и хронический санитарно-токсикологический эксперимент.
31. Экологическое нормирование

Экологическое нормирование представляет собой процесс определения видов, размеров, содержания вредных воздействий на окружающую среду в целом или на отдельные средообразующие элементы, что позволяет гарантировать непричинение вреда жизни и здоровью человека, иным охраняемым правом объектам. Это один из самых сложных и интенсивно развивающихся правовых инструментов охраны окружающей среды.

Целью нормирования является установление предельно допустимых масштабов воздействия на окружающую среду, гарантирующих экологическую безопасность населения и сохранение генетического фонда, обеспечивающих рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов в условиях устойчивого развития хозяйственной деятельности.

Российскую систему экологических нормативов составляют установленные Федеральным законом «Об охране окружающей среды» и другими актами:

– нормативы качества окружающей среды;

– нормативы предельно допустимых вредных воздействий на ее состояние;

– нормативы (лимиты) использования природных ресурсов;

– нормативы санитарных и защитных зон.

В числе нормативов качества окружающей среды предусмотрены:

– нормативы, установленные в соответствии с химическими показателями состояния окружающей среды, в том числе нормативы предельно допустимых концентраций химических веществ, включая радиоактивные вещества;

– нормативы, установленные в соответствии с физическими показателями состояния окружающей среды, в том числе с показателями уровней радиоактивности и тепла;

– нормативы, установленные в соответствии с биологическими показателями состояния окружающей среды, в том числе видами и группами растений, животных и других организмов, используемых как индикаторы качества окружающей среды, а также нормативы предельно допустимых концентраций микроорганизмов.

Нормативы предельно допустимых вредных воздействий на состояние окружающей среды – компромисс между экономикой и экологией, вынужденный, но позволяющий и развивать хозяйство, и охранять здоровье человека.

Систему нормативов допустимого воздействия образуют:

– нормативы предельно допустимых выбросов веществ и микроорганизмов;

– нормативы образования отходов производства и потребления и лимиты на их размещение;

– нормативы допустимых физических воздействий (количество тепла, уровни шума, вибрации, ионизирующего излучения, напряженности электромагнитных, иных физических воздействий);

– нормативы допустимого изъятия компонентов природной среды;

– нормативы допустимой антропогенной нагрузки на окружающую среду.

Данный список нормативов не является исчерпывающим.

В российском законодательстве система нормативов использования (изъятия) природных ресурсов часто применима и устанавливается с учетом экологической обстановки в регионе, возможностей самостоятельного восстановления природных ресурсов или возрождения его человеком в целях предупреждения истощения природных ресурсов и нарушения экологического равновесия, а также обеспечения максимальных экономических выгод от использования природного ресурса.

Нормативы санитарных и защитных зон устанавливаются законодательством для охраны источников питьевого водоснабжения, водоемов, курортных, лечебно-оздоровительных зон, населенных пунктов и других территорий.

40 Механизм реализации государственной природоохранной политики



Основы механизма реализации государственной природоохранной политики определены Законом РФ «Об охране окружающей природной среды».

Одной из составных частей механизма организации рационального природопользования является нормирование качества окружающей среды. Оно позволяет устанавливать предельно допустимые нормы воздействия на окружающую среду, способствует сохранению генетического фонда флоры и фауны, обеспечивает экологическую безопасность людей, экологическое использование природных ресурсов.

Государственные органы охраны природы, санитарного и эпидемиологического надзора утверждают нормативы предельно допустимых концентраций вредных веществ (ПДК). При этом для некоторых наиболее ценных природных территорий (заказников, национальных парков, заповедников, курортов и рекреационных зон) устанавливаются более строгие нормативы ПДК.

При нарушении нормативов ПДК выбросы или сбросы вредных веществ могут быть приостановлены, ограничены или прекращены специальным предписанием органов охраны природы или санэпидемнадзора.

Кроме ПДК нормирование качества окружающей среды предусматривает установление предельно допустимых выбросов (ПДВ) и предельно допустимых сбросов (ПДС). Эти нормативы устанавливаются с учетом производственных мощностей предприятий (объектов) в соответствии с действующими нормативами ПДК. ПДВ и ПДС утверждаются также органами охраны природы по химическим веществам и органами санэпидемнадзора по микроорганизмам.

Существуют и другие нормативы, например, допустимый уровень радиационного воздействия, нормативы содержания радиоактивных веществ (в окружающей среде, в продуктах питания), предельно допустимого уровня шума, магнитных полей и других вредных воздействий.









Важным элементом механизма государственной природоохранной политики, обеспечивающим рациональное природопользование, является государственная экологическая экспертиза. Она проводится с целью проверки соответствия хозяйственной и иной деятельности экологической безопасности общества.

Государственная экологическая экспертиза является обязательной мерой охраны окружающей среды, предшествующей принятию хозяйственного решения, осуществление которого может оказывать вредное воздействие на окружающую среду. Экспертизе подлежат все предплановые, предпроектные и проектные материалы по объектам и мероприятиям, намечаемым к реализации на территории Российской Федерации, независимо от их сметной стоимости и принадлежности, а также экологические обоснования лицензий и сертификатов. Финансирование и осуществление работ по всем проектам и программам производится только при наличии положительного заключения государственной экологической экспертизы.

Порядок проведения государственной экологической экспертизы объектов федерального, республиканского или местного значения регулируется законодательством Российской Федерации и республик в составе Российской Федерации.

Действующим законодательством за невыполнение требований заключения государственной экологической экспертизы предусмотрены соответствующие меры воздействия к виновным, как должностным лицам, так и к гражданам, равно как и к председателю и членам экспертных комиссий, в случае неправильности и необоснованности их заключений.

Государственная экологическая экспертиза осуществляется на принципах обязательности, научной обоснованности и законности ее выводов, независимости, вневедомственности в организации и проведении, широкой гласности и участия общественности.

Одним из элементов механизма реализации государственной политики в области природопользования является создание особо охраняемых территорий (заповедники, заказники, национальные парки), учреждение памятников природы для сохранения уникальных природных объектов.

Особое значение в механизме реализации государственной природоохранной политики имеют экономические методы.

Экономический механизм реализации государственной политики в области природопользования включает:

планирование и финансирование природоохранительных мероприятий;

установление эколого-экономических нормативов; платежей за использование природных ресурсов, выбросы и сбросы загрязняющих веществ в окружающую среду, размещение отходов и другие виды вредного воздействия;

предоставление предприятиям, учреждениям и организациям, а также гражданам налоговых, кредитных и иных льгот при внедрении ими малоотходных и ресурсосберегающих технологий и нетрадиционных видов энергии, осуществлении других эффективных мер по охране окружающей среды;

возмещение в установленном порядке вреда, причиненного окружающей среде и здоровью человека.

Эколого-экономические нормативы – это система платежей за использование природных ресурсов, выбросы и сбросы загрязняющих веществ в окружающую среду, размещение отходов и другие виды вредного воздействия.

В соответствии с концепцией государственной экологической политики, изложенной в Законе РФ «Об охране окружающей природной среды», плата за природные ресурсы (землю, недра, воду, лес и иную растительность, животный мир, рекреационные и другие природные ресурсы) должна взиматься: за право пользования и использования природных ресурсов в пределах установленных лимитов; за сверхлимитное и нерациональное использование природных ресурсов, а также на воспроизводство и охрану природные ресурсов.

Таким образом, природные ресурсы подлежат вовлечению в хозяйственный оборот на платной основе.

Ставки платы за пользование природными ресурсами основаны на определении затрат на восстановление ресурсов и проведение мероприятий по их охране. Они устанавливаются Правительством РФ. Местные органы власти самостоятельно могут их корректировать на основе кадастровых оценок соответствующих природных ресурсов.

При отсутствии кадастровых оценок эти ставки должны устанавливаться на договорной основе с учетом естественной продуктивности, местонахождения и условий использования природных ресурсов.

Каждый вид платежа за природные ресурсы включается в состав себестоимости и является устойчивым источником финансирования методов комплексного использования минерально-сырьевой базы, функционирования водного хозяйства, лесовосстановительных работ, восстановления земельных ресурсов и т.п.

За сверхлимитное и нерациональное использование природных ресурсов взимаются штрафные платежи. Источником штрафных платежей должна быть прибыль, остающаяся у предприятий.

По всей территории России введена плата за загрязнение окружающей среды: выброс в атмосферу загрязняющих веществ от стационарных и передвижных источников; сброс в водные объекты загрязняющих веществ, в том числе осуществляемый предприятиями и организациями через систему коммунальной канализации; размещение различных отходов.

Базовые нормативы платы за выбросы загрязняющих веществ в природную среду индексируются в зависимости от изменения уровня цен на строительно-монтажные и научно-исследовательские работы, оборудование, сооружения и другие природоохранные мероприятия.

Для учета суммарного воздействия выбросов загрязняющих веществ на определенной территории вводятся коэффициенты. Дифференцированные ставки платы за загрязнение определяются умножением базовых нормативов платы на коэффициенты, учитывающие экологические факторы по территориям и бассейнам рек.

В основу оценки коэффициентов экологической ситуации и экологической значимости состояния атмосферного воздуха и почвы положен показатель стоимости загрязнения и деградации природной среды на конкретных территориях экономических районов Российской Федерации в результате выбросов в атмосферу и размещаемых отходов. Коэффициенты экологической ситуации и экологической значимости состояния водных объектов российской Федерации определены по бассейнам основных рек на базе данных о количестве сброшенных загрязненных объемов вод и объемов стоков.

Эти коэффициенты могут увеличиваться вдвое решением органов исполнительной власти республик, краев и областей:

в районах Крайнего Севера и местностях, приравненных к районам Крайнего Севера;

на особо охраняемых территориях (заповедниках, заказниках, национальных парках);

в эколого-курортных регионах;

на территориях, включенных в международные конвенции.

Для природопользователей, осуществляющих выбросы загрязняющих веществ в атмосферу крупных промышленных центров, эти коэффициенты могут увеличиваться на 20%.

Органы исполнительной власти с участием территориальных органов Госкомэкологии имеют право корректировать размеры платежей с учетом освоенных природопользователями средств на реализацию конкретных природоохранных мероприятий, затраты на выполнение которых могут засчитываться в общих платежах природопользователя. Такого рода мероприятия определяются в соответствии с Примерным перечнем природоохранных мероприятий, утвержденным Госкомэкологии России по согласованию с Минэкономики и Минфином. Этот перечень может корректироваться исполнительными территориальными органами власти с учетом специфики производств на территории.

Объем корректировок размеров платежей должен уточняться после окончания планового периода (год, квартал) в зависимости от уровня выполнения природоохранных мероприятий и коэффициентов индексации.

В настоящее время законодательными актами практически введены:

платежи за загрязнение окружающей среды;

платежи за землепользование;

платежи за водопользование;

платежи за пользование недрами;

платежи за пользование лесными ресурсами.

Каждый из перечисленных видов платежей более подробно рассмотрен при анализе природоохранной деятельности предприятия.

Неотъемлемым звеном экономического механизма природопользования должно стать и экологическое страхование. Законом РФ «Об охране окружающей природной среды» предусматривается, что:

в Российской Федерации осуществляется добровольное и обязательное государственное экологическое страхование предприятий, учреждений и организаций, а также граждан, объектов их собственности и доходов на случай экологического и стихийного бедствия, аварий и катастроф;

фонды экологического страхования используются для прогнозирования, предотвращения и ликвидации последствий экологических и стихийных бедствий, аварий и катастроф.

Условия, порядок экономического страхования, механизмы формирования и использования фондов экологического страхования разрабатываются Правительством РФ.
Рисунок 1методы биологической очистки Заголовок 1 Заголовок 2 Заголовок 3 Заголовок 515

Приложенные файлы

  • doc 8842210
    Размер файла: 573 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий