Человек в процессе своей хозяйственной и бытовой деятельности оказывает воздействие на окружающую среду, одно из которых загрязнение среды обитания всех живых организмов на Земле. Среди всех сред жизни (почва, атмосфера, вода) наибольшее загрязняющее воздействие оказывается на водную среду. Потому что, загрязнения, которые выбрасываются в атмосферу или вносятся в почву в преобразованном или в неизменном виде в конце концов попадают в водоемы. Во время выпадения осадков и в период таяния снега загрязняющие вещества вместе с поверхностным стоком попадают в оду. Вода – это природный ресурс, который используется во всех отраслях народного хозяйства, без воды немыслима работа промышленности, сельского хозяйства, энергетической, жилищно-коммунальной отраслей, вода используется как транспортное средство также использование её важно и в мелиорации земель. Побывавшая в использовании вода имеет химически измененный состав, температуру, биологические загрязнения в том числе и в виде множества микроорганизмов, которые могут быть болезнетворными.

Для орошения, для нужд промышленности и бытового обеспечения забирается больше 13% речного стока, использованная вода сбрасывается обратно в водоёмы ежегодно это сотни миллиардов кубических метров. Для нейтрализации промышленных и коммунальных стоков бывает необходимо 5–10 кратное разбавление природной чистой воды.

Человечество применяет разнообразные способы и пути борьбы с загрязнением природной среды. Это строительство очистных сооружений, установка фильтров, улавливающих пыль и газы, применение малоотходных и безотходных технологий в производстве, использование отходов в качестве вторичного сырья, применение замкнутых циклов в водопользовании, использование биологических методов для борьбы с болезнями и вредителями в сельском и лесном хозяйстве, поиски альтернативных источников энергии и многое другое.

В охране окружающей среды от загрязнения также немаловажна роль микроорганизмов. Микроскопические организмы осуществляют процессы разрушения и обезвреживания целого ряда загрязняющих веществ водной и почвенной среды.

Микроорганизмы являются основой биологической очистки сточных вод. Сточные воды перед спуском в открытые водоемы должны в обязательном порядке подвергаться очистке. Уровень очистки зависит от количества и химического состава вод, и характера водоема, в который они отводятся.

В основе метода биологической очистки воды лежит способность микроорганизмов использовать органическое вещество в составе воды для своей жизнедеятельности.

Биологическая очистка сточных вод промышленности и коммунально-бытовых предприятий заключается в минерализации микроорганизмами органических загрязнений, которые находятся в растворенном или эмульгированном виде.

Существуют аэробные и анаэробные методы биологической очистки сточных вод. Сущность методов заключается в использовании биохимической деятельности аэробных и анаэробных микроорганизмов, то есть их способности усваивать органические и минеральные вещества в процессе энергетического и конструктивного обмена бактериальной клетки.

Аэробная очистка осуществляется в естественных и искусственных условиях.

Естественными условиями для очистки сточных вод является организация специальных земельных участков, называемых полями фильтрации и создание очистных или биологических прудов. В них сточные воды проходят фильтрацию через слои почвы. Микроорганизмы почвы осуществляют процессы окисления органического вещества, находящегося в просачивающейся воде, минерализуют их и тем самым осуществляют процесс очищения. Вместе с органическими соединениями почвой задерживаются до 99% микробов, находящихся в сточных водах. Вода, полученная после очистки по специальным сборным дренажным трубам, отводится в водоем.

Для биологической очистки вод организуют также и поля орошения, в отличии от полей фильтрации в них одни и те же земельные участки используют для очистки сточных вод и одновременно для выращивания сельскохозяйственных растений, например, трав, овощных и плодовых культур. На полях орошения растениями используются ценные вещества образованные в ходе минерализации бактериями органических загрязнителей. Полями орошения очищается значительно меньше сточных вод, но производится продукция растениеводства.

Биологические пруды представляют собой искусственные водоемы, последовательно соединённые друг с другом в них, отводятся разбавленные сточные воды. Процесс очистки происходит такой же как в процессах самоочищения водоёмов в природной среде.

В биологических прудах в месте спуска сточных вод имеются загрязнения в них развивается сапрофитная микрофлора, которая может достигать величины нескольких миллионов в одном кубическом сантиметре воды. Сапрофитные микроорганизмы вызывают процессы гниения и брожения органических загрязнителей. В процессе минерализации уменьшается и количество сапрофитных микроорганизмов до 10⁵–10⁴ в 1 см³ воды.  Вода становится пригодной для жизнедеятельности других водных организмов таких как коловратки, простейшие, водоросли и др. Наблюдается гибель сапрофитной микрофлоры в результате нехватки пищи и от воздействия антибиотических веществ, выделяемых другими организмами, например, водорослями. Коловратки и простейшие начинают поедать бактерии, также микробы подвергаются лизису бактериофагов. Число бактерий сапрофитов уменьшается до величины 10²–10¹ клеток в 1 см³ воды.

Искусственными условиями биологической очистки сточных вод является также организация специальных очистных сооружений – биологических фильтров и аэротенков. Предварительно воду для этого процесса очищают от механических примесей.

Биологические фильтры – это резервуары которые заполняются крупнозернистым материалом им может быть шлак, щебень или искусственный материал в виде пластмассовых пористых блоков. Через толщу этого загрузочного материала и фильтруют сточную воду. Организуют аэрацию биофильтра естественным и искусственным путем. В этом случае биофильтр будет называться аэрофильтр. Поверхность загрузочного материала является местом развития микробов и простейших. Образуется более или менее мощная биологическая пленка жизни. Процесс очистки сточных вод микроорганизмами биологической пленки состоит из двух фаз.

Первая фаза заключается в окислении углеродсодержащихся веществ и аммонификации азотсодержащихся органических веществ. Второй фазой является окисление образовавшихся аммиачных солей с образованием азотистой и азотной кислот. То есть происходит процесс нитрификации. Первая фаза окисления углеродсодержащихся веществ и аммонификации азотсодержащихся органических веществ протекает на поверхности загрузочного материала, вторая фаза в более глубоких его слоях.

Аэротенк также является резервуаром, в который вместе с отстоявшейся сточной водой вводят определенное количество активного ила которая состоит из различных микроорганизмов. Активный ил может выглядеть как хлопья. Смесь сточной воды и активного ила в аэротенке активно насыщают воздухом. Воздух, источник кислорода смешиваясь с содержимым аэротенка поддерживает ил во взвешенном состоянии и способствует активному перемешиванию сточной воды и микроорганизмов. Происходит постоянный и быстрый контакт микробов активного ила с органическими веществами сточной воды и воздухом.

В аэротенках также, как и в биофильтрах происходит последовательное биохимическое окисление органических веществ сточных вод. Из-за принудительной аэрации этот процесс протекает интенсивнее чем в биофильтрах. Качественный состав микроскопического населения биологической пленки и активного ила служит показателем работы очистного сооружения.

После очищения в биофильтрах и аэротенках вода отстаивается в отстойниках где происходит осаждение активного ила и биопленки. Отстоявшуюся воду сбрасывают в водоем в некоторых случаях её подвергают дезинфекции хлором или хлорной известью.

Анаэробная биологическая очистка. При очистке загрязненных вод накапливается большое количество осадка, содержащего органическое вещество, микроорганизмы в том числе болезнетворные бактерии. Обработка и обезвреживание осадков осуществляется в метантенках, септиктенках и двухъярусных отстойниках.

В любом типе очистного сооружения происходят разнообразные микробиологические процессы. Сложные органические соединения осадка такие как белки, жиры, клетчатка и др. в процессе брожения и гниения превращаются в жирные кислоты, спирты и в углекислый газ, аммиак, метан, водород. Из газов, образующихся в процессе 60 – 65% составляет горючий газ – метан. Из перебродившего осадка удаляют воду, высушивают и отправляют в качестве удобрения на поля, некоторую часть брикетируют и используют в качестве топлива.

В процессах самоочищения от загрязнений в природных водах и почвах протекают аналогичные процессы, осуществляемые микроорганизмами.

Утилизация отходов промышленности с применением методов биотехнологии при участии промышленных штаммов микроорганизмов является способом предотвращения загрязнения природной среды.

Например, в настоящее время с использованием микроорганизмов получают различные продукты из отходов молочной промышленности (молочная сыворотка), которые по пищевой и биологической ценности превосходят молоко, из которого они получены. С помощью дрожжей жирообразователей получают заменители растительных масел из отходов плодово-консервной промышленности.

Появление гидролизного производства позволило использовать отходы после брожения и отделения спирта для выращивания кормовых дрожжей применяемых в кормлении животных.

В настоящее время известны способы культивирования дрожжей и бактерий способных в качестве субстрата использовать метанол, этанол, метан, отходы органического синтеза или селективно извлекать н- алканы непосредственно из дизельной фракции прямой перегонки нефти. Исследования в этом направлении продолжаются.

 

Задания для самостоятельной работы

 

1. Использование микроорганизмов в охране окружающей среды
2. Биологическая очистка сточных вод.
3. Существующие методы биологической очистки сточных вод.
4. Условия необходимые для очистки сточных вод.
5. Организация полей фильтрации.
6. Очистные сооружения относящиеся к биологическим прудам.
7. Принципы обустройства полей орошения.
8. Определение биологических фильтров.
9. Фазы, из которых состоят процессы очистки сточных вод.
10. Описание и принцип работы аэротенка.
11. Сущность анаэробной биологической очистки сточных вод.