Томский государственный университет (г.Томск)

Эта статья опубликована сборнике научных трудов "Фундаментальные науки и практика" с материалами Третьей Международной Телеконференции "Проблемы и перспективы современной медицины, биологии и экологии" - Том 1 - №4. - Томск - 2010.

 

Проблема сохранения водных ресурсов стоит в ряду важнейших экологических проблем и с каждым годом становится все более актуальной. В то время как потребность населения в чистой пресной воде всё увеличивается, растет и объем сбрасываемых в водные объекты сточных вод. Вследствие значительных капитальных и эксплуатационных затрат, многочисленных климатических ограничений использования, а также – технической и технологической сложности стандартные системы очистки сточных вод постепенно теряют свою популярность. Для предотвращения угрозы загрязнения окружающей среды сточными водами необходима замена традиционных технологий на альтернативные, мелкомасштабные, экологически и экономически приемлемые.
Наиболее перспективными из них можно назвать те, которые основаны на использовании естественных процессов, происходящих в экосистемах. Наиболее успешно себя зарекомендовала система водно-болотной очистки сточных вод.
Суть данной технологии заключается в создании искусственных заболоченных участков с высаженной на их поверхность высшей водной растительностью для очищения и обеззараживания сточных вод с помощью естественных биохимических процессов. Биологическими агентами очистки выступает микрофлора, иммобилизованная на фильтрующей загрузке и корнях растений.
Перспективность данного направления заключается в ряде достоинств биоинженерных сооружений эксплуатируемых по данной технологии: низкие капитальные и эксплуатационные затраты; отсутствие климатических ограничений использования; высокая эффективность очистки сточных вод; отсутствие эмиссии парниковых газов.
Однако в ряде случаев данная технология не может быть рекомендована для внедрения. Проблема заключается в том, что для очистки воды от азотсодержащих соединений - требуется отчуждение значительных площадей.
Удаление соединений азота является одним из важнейших современных требований очистки коммунальных сточных вод. Традиционным способом биологической очистки сточных вод от азота является проведение двух последовательных реакций: нитрификации и денитрификации. В этом случае большую роль играет наличие в сточных водах необходимого количества доступного органического вещества, которое может быть потреблено в ходе гетеротрофного процесса денитрификации. Для Российских условий образования сточных вод характерно весьма низкое значение соотношения БПК5/N, составляющее после первичного отстаивания 3-4 (близко к минимально необходимой величине)[1].
В процессе нитрификации происходит окисление аммонийного азота до нитритов и нитратов в аэробных условиях нитрифицирующими бактериями-автотрофами, которым углерод необходим в неорганической форме (углекислота, карбонаты, бикарбонаты) - Nitrosomonas и Nitrobacter
После нитрификации сточные воды подвергаются процессу денитрификации: восстановлению нитрат-ионов до свободного азота специфической группой бактерий – денитрификаторами. Способностью осуществлять денитрификацию обладают представители многих родов бактерий – Achromobacter, Aerobacter, Alkaligenes, Bacillus, Flavobacterium, Micrococcus, Proteus, Pseudomonas. Эти бактерии являются гетеротрофами: в аэробных условиях они потребляют органическое вещество, окисляя его кислородом воздуха, а в анаэробных – окисляя азотом нитратов и нитритов.
Таким образом, для эффективной очистки сточных вод от соединений азота требуется реализация двух реакций с различными условиями протекания.
В конце 80-х годов ХХ века была показана возможность микробного анаэробного окисления аммония, получившая название анаммокс процесс. Процесс ANAMMOX (англоязычное сокращение от ANaerobic AMMonium OXidation, переводимое на русский язык как аноксидное окисление аммония) был открыт в последние годы как автотрофный процесс, основанный на способности автотрофных бактерий окислять аммонийный азот, используя нитриты в качестве акцептора электронов. Процесс проводится в две стадии: частичной нитрификации, для получения нитрита, и собственно реакция ANAMMOX: окисление аммония нитритом, проводимая бактериями порядка Planctomycetales.[2]
По сравнению с традиционным нитри-денитрифицирующим способом удаления азотных загрязнений, для процесса анаммокс не требуется поддержание постоянной концентрации кислорода, а так же дополнительного донора электронов.
Процесс анаэробного окисления аммония привлекает к себе внимание большого количества исследователей, так как позволяет исключить стадию денитрификации и уменьшить наполовину реакцию нитрификации. Сточные воды, для очистки которых наиболее эффективно может быть применен анаммокс-процесс, должны содержать высокие концентрации аммония и низкие - органических веществ.
Для создания биоинженерных систем с использованием комбинированной технологии водно-болотной очистки с участком для процесса анаммокс необходимо строительство фитокарты, позволяющей создать оптимальные условия для его реализации: создание котлована, с загрузкой из материала с высокой удельной поверхностью, таким образом, чтобы на дне карты создавались условия для протекания анаммокс-процесса, на поверхность фитокарты производится высадка растений для дополнительной очистки и обеззараживания сточных вод.
Таким образом, включение участка анаммокс-процесса в водно-болотные системы очистки сточных вод позволят не только повысить эффективность очистки, но также, дополнительно, снизит капитальные затраты на строительство биоинженерных систем. Такие сооружения не имеют конечного срока эксплуатации и выраженной сезонности функционирования за счет вовлечения с процессы очистки и обеззараживания стоков естественных механизмов самоочищения водных экосистем.

Литература:
1.    Николаев Ю.А., Данилович Д.А., Мойжес О.В., Казакова Е.А., Грачев В.А. Анаэробное окисление аммония в возвратных потоках обработки сброженного осадка (анаммокс): Сб. статей и публикаций / МГУП Мосводоканал. - М., 2008.-е. 215-229.
2.    Анюшева М. Г., Калюжный С. В. Анаэробное окисление аммония: Микробиологические, биохимические и биотехнологические аспекты. Успехи современной биологии - том 127, № 1, 2007, С. 34-43