Біологічні дослідження

Природоохранные биотехнологии на Украинской антарктической станции Академик Вернадский

Доповідь (word)

Перезентація (pdf)

Відео (avi, 91 mb): РММ-технологія в Антарктиці

Институт микробиологии и вирусологии НАН Украины

А.Таширев, Н.Матвеева, П.Рокитко

Рис. 1. Институт микробиологии и вирусологии НАН Украины при научно-организационной, финансовой и логистической поддержке НАНЦ разработал природоохранные биотехнологии по переработке твердых пищевых отходов и очистке сточных вод для станции Академик Вернадский.

Технологии основаны на способности антарктических микроорганизмов адаптироваться к неблагоприятным условиям среды и чужеродным органическим соединениям, в т.ч. и к указанным антропогенным отходам.  

Рис. 2. Технология сбраживания пищевых отходов внедрена на станции еще в 2004 г., а технология по очистке сточной воды – подготовлена к внедрению.

Использование нетоксичных и экологически безопасных регуляторов микробного метаболизма обеспечивает высокую эффективность обеих технологий.  

Рис. 3. На слайде представлена модульная пилотная установка для сбраживания пищевых отходов до метана и очистки фильтрата от растворенных органических соединений. Основные элементы модуля - это:

• метантенк с твердыми пищевыми отходами;
• газгольдер для аккумуляции газовой фазы;
• аэротенк для очистки фильтрата от органических соединений;
• насос для обеспечения массообмена в замкнутом контуре установки.

Рис. 4. Основные контролируемые параметры при сбраживании отходов – это: 

• снижение массы отходов;
• объем газовой фазы;
• состав газовой фазы.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что сбраживание отходов идет интенсивно, а в газовой фазе накапливается до 50% СН4 .

Рис.5. Модифицированная РММ-технология и модульная пилотная установка позволяют:

• снизить массу отходов в 50 раз за 9 суток;
• очищать токсичный фильтрат;
• получать из каждого кг отходов не менее 10 л СН4, а
• из несброженных остатков пищевых отходов – сухое топливо.

Рис. 6. Очистка бытовой сточной воды на станции Академик Вернадский является серьезной проблемой по следующим причинам:

• по Мадридскому протоколу на станцию запрещен импорт чужеродных микроорганизмов, в т.ч., активного ила, который предназначен для очистки сточных вод;

• антарктические микроорганизмы не приспособлены к потреблению чужеродных для них органических веществ бытовой сточной воды;

• по технологический схеме на станции сток смешивается с соленой морской водой с минерализацией 34 г/л.

До сих пор на всех антарктических станциях отсутствуют технологии очистки сточной воды.

Поэтому на первом этапе мы проверили пригодность 9 природных и техногенных ассоциаций микроорганизмов для очистки модельной соленой сточной воды в нескольких модификациях. Состав и модификации стока представлены в таблице.

Рис. 7. При проверке ряда природных и техногенных ассоциаций установлено, что микроорганизмы донного морского ила Севастопольской бухты адаптируются к органическим соединениям стока и быстро окисляют их в аэробных условиях. Об этом свидетельствует обесцвечивание метиленового синего – индикатора метаболизма. 

Отсюда следует, что микроорганизмы морского ила в районе станции Академик Вернадский могут быть использованы для очистки бытовой сточной воды.

Рис. 8. Очистку сточной воды проводили в модульной пилотной установке, состоящей из 10 секций. В каждой секции находились инертные носители с иммобилизованными микроорганизмами морского ила. 

Рис. 9. В установку подавали сточную воду с концентрацией органических соединений от 0, 731 до 10 г/л по общему углероду.

Установка интенсивно аэрировалась при помощи компрессора.  

Эффективность очистки проверяли по таким показателям:

• концентрация углерода – редокс-титрование перманганатом;
• концентрация биомассы;
• рН и редокс-потенциал.

Рис. 10. Снижение концентрации биомассы по длине установки свидетельствует об эффективной очистке. Очевидно, чем меньше углерода в растворе, тем меньше наблюдается прирост биомассы.

Рис. 11. Деструкция азотсодержащих соединений (мочевины и глицина) сопровождалась повышением рН за счет дезаминирования и выделения аммиака или аммония. Аммиак и аммоний в дальнейшем потребляются микроорганизмами в качестве источника азота.

Рис. 12. Снижение редокс-потенциала до отрицательных величин при интенсивной аэрации свидетельствует об активной деструкции органических соединений. На 19 сутки адаптации потенциал стабилизируется на уровне –

• 250 мв.

Однако, такой потенциал является критическим, т.к. создаются подходящие для сульфатредукции редокс-условия.

Рис. 13. В морской воде концентрация сульфата около 15 г/л, поэтому при дефиците О2 микроорганизмы переключаются на сульфатредукцию – анаэробное дыхание, при котором сульфат восстанавливается до токсичного сероводорода.

Зона сульфатредукции в виде черного пятна видна в первой секции. 

Отсюда очевидна необходимость интенсивной аэрации установки для предупреждения образования сероводорода.

Рис. 14. Очень удобным и практичным показателем эффективности очистки является т.н. координата эффективной очистки:

• длина в см от начала установки до той точки, в которой концентрация углерода менее 50 мг/л.

На рисунке хорошо видно, что по мере адаптации микроорганизмов координата эффективной очистки уменьшается от 100 до 50 см. Иначе говоря, К показывает, что эффективность очистки увеличилась в два раза.

Рис. 15. В целом координата эффективной очистки позволяет оценить тенденции адаптации микроорганизмов и прогнозировать максимальную технологическую нагрузку модуля.

Рис. 16. Для количественной характеристики эффективности очистки использовались два инженерно-технологических показателя:

• Ко - отношение концентрации общего углерода в стоке до и после очистки при постоянной скорости протока;

• К - коэффициент удельной скорости очистки , равный отношению объема очищенной воды к объему модуля за 24 часа при постоянной скорости протока.

Установлено, что концентрация общего углерода снижается более чем в 300 раз, а коэффициент удельной скорости очистки - выше 6. 

В целом, наша технология позволяет снизить концентрацию растворенных органических соединений в сточной воде с 10000 до 20 мг/л (по общему углероду) при минерализации стока 34 г/л.  

Таким образом, мы полагаем, что природные антарктические ассоциации, аналогичные микробным ассоциациям донного ила Севастопольской бухты, могут быть использованы для эффективной очистки сточной воды станции Академик Вернадский.

Рис. 17. Технологии, разработанные для применения на антарктической станции, являются универсальными, и могут использоваться в мегаполисах для эффективного решения стратегической задачи – утилизации органических отходов свалок, получения метана и для очистки токсичного фильтрата. 

Регуляторы микробного метаболизма и интенсивный массообмен в замкнутом технологическом контуре приводят к быстрой деструкции органических соединений. 

В аеротенке, аналогичном модульной пилотной установке, токсичный фильтрат очищается до состояния экологически чистой воды.

Рис. 18. Как мы полагаем, широкомасштабное внедрение разработанной нами универсальной биотехнологии на основе регуляции микробного метаболизма позволит в перспективе решить стратегическую природоохранную задачу –  

• быструю и экологически безопасную утилизацию органических соединений свалок, а также очистку фильтрата до квалификации «экологически чистая вода».

Выводы по технологии очистки сточной воды станции:

1. Впервые показана принципиальная возможность решения проблемы очистки смешанных бытовых сточных вод с высокой соленостью и высоким содержанием органических соединений ( до 10 г/л С) в прямоточной установке;

2. Микроорганизмы донного морского ила могут быть адаптированы для очистки бытовой сточной воды в условиях принудительной аэрации;

3. Микроорганизмы морского ила были адаптированы для эффективной очистки сточной воды с концентрацией общего углерода 0,731 – 10,0 г/л;

4. В диапазоне концентраций общего углерода в течение 2 7 суток наблюдается адаптация микроорганизмов морского ила. Увеличение концентрации С до 10 г/л приводит в увеличению времени адаптации до 41 суток. Максимально допустимая концентрация органических соединений составляет 10 г/л;

5. Максимальная скорость адаптации наблюдалась при содержании органических соединений 7, 31 г/л (8,76 см/сут.), минимальная - при 10 г/л (0,73 см/сут.);

6. Природные антарктические ассоциации, аналогичные микробным ассоциациям донного ила Севастопольской бухты, могут быть использованы для очистки сточных вод антарктических станций.