Технология очистки почв и утилизации твердых отходов
Известные методы очистки почв от соединений As, Cd, Hg, Cu предусматривают полное удаление загрязненной почвы, допустима перевозка и хранение ее в других местах. Но, эти соединения могут накапливаться в стеблях и листьях. Тогда методы, которые необходимо использовать намного дешевле и безопаснее.
Как известно, биологические процессы, происходящие в окружающей среде, могут нейтрализовать экологически опасные органические молекулы. Это может происходить либо сразу на месте разлива загрязнителя, либо во время стечения его в глубокие недра. Такие биологические преобразования, которые включают различные ферменты-катализаторы, часто вносят обширную модификацию в структуру загрязняющих веществ, а также в их токсикологические свойства. Эти биотические процессы могут привести к полной конверсии органической молекулы в безвредные неорганические продукты, либо, вызвав серьезные изменения, привести к новым опасным органическим продуктам, либо привести только к незначительным изменениям. Имеющийся объем информации говорит о том, что основными средствами, вызывающие биологические преобразования в почве, донных отложениях, поверхностных и подземных водах являются коренные микроорганизмы, населяющие эти среды.
Биологическое разложение (биодеградация) в данном случае может быть определено как микробиологический катализируемый процесс уменьшения сложности химических веществ. В случае органических соединений, биодеградация часто, хотя и не обязательно, приводит к превращению большей части углерода, азота, фосфора, серы и других элементов исходного соединения в неорганические конечные продукты. Такое преобразование органического вещества в неорганические именуется как процесс минерализации. Таким образом, в минерализации органические С, N, P, S, или другие элементы выделяются организмами в окружающею среду в виде CO2, неорганических форм N, P, S или других элементов. Мало небиологических реакций в природе приводят к аналогичным изменениям.
Природные сообщества микроорганизмов, присутствующих в недрах обладают удивительной физиологической универсальностью. Микроорганизмы могут осуществлять биодеградации в различных местах обитания и средах, как в аэробных, так и в анаэробных условиях.
Сообщества бактерий и грибков могут разложить множества синтетических соединений и, предположительно, каждый натуральный продукт. Биоремедиация представлена комплексом практических подходов к очистке все экосистем. В любом случае в ее основе лежит метаболический потенциал биообъектов, к которым относятся растения, грибы, насекомые, черви и прочие организмы.
Опасные соединения сохраняются в недрах долгое время, потому что условия окружающей среды не подходят для микробной активности, что приводит к возможности протекания только биохимической деградации. Оптимизация условий среды это разные биологические принципы, при которых могут разлагаться нужные соединения, а также снижаться эффект присутствия микробов и их метаболических реакций. Для понимания микробной деградации любого природного или синтетического органического соединения используют так называемый «биодеградационный треугольник».
Это понятие состоит из знаний микробного сообщества, условий окружающей среды, а также структур и физико-химических характеристик органического соединения, чтобы процесс деградации мог быть осуществлен. Природные органические соединения легко разлагаются и могут служить в качестве источников углерода и энергии для микроорганизмов, которые развивались в течение долгого времени в геологических условиях. В отличие от этого, ксенобиотические соединения синтезируются и высвобождаются в биосфере только из-за деятельности человека, и они могут представлять серьезные проблемы для экологии данного места. Включение необычных химических связей, или замещения галогенов, или других функциональных групп может сделать молекулу более устойчивой к микробной деградации.
Удивительно, но большое количество галогенированных органических соединений образуется в природе и без вмешательства человека. В результате, существуют соответственно большие количества микроорганизмов, способных разрушать галогензамещенные соединения, которые имеют некоторое сходство с природными веществами. В настоящее время, наиболее важная экологическая проблема вызвана широким загрязнением почвы взрывчатыми веществами (нитроароматическими соединениями). Огромные земные участки бывшего производства, погрузки и хранения этих веществ находятся в Соединенных Штатах и Европе. В основном это связано с загрязнениями боеприпасами времен Второй мировой войны. Микробная деградация взрывчатых веществ и соединений нитроароматического ряда была рассмотрена многими авторами.
Самым интересным открытием конца 20-ого века является то, что чистые культуры Desulfovibrio и Clostridium species могут широко деградировать ТНТ. Хотя давно известно, что различные почвенные бактерии могут катализировать редукцию TНT, до сих пор активно изучается понимание ферментативных систем и механизмов деградации ТНТ двумя вышеупомянутыми видами. Два штамма Desulfovibrio широко изучаются из-за их способности трансформировать нитроароматические соединения. Desulfovibrio sp. штамма В использует TНT и множество других соединений нитроароматического ряд в качестве источника азота для роста, а также в качестве конечного акцептора электронов. Также было доказано, что штамм фиксирует атмосферный азот, а также использует аммиак в качестве источника азота. В условиях роста на сульфатах в средних концентрациях штамм снижает содержание ТНТ. После полного преобразования сульфатов в сульфиды образует ТАТ, который впоследствии исчезает из культуральной жидкости.
Бактерии способны разлагать нитрофенолы и нитробензолы, и известно об этом было много лет назад, но механизмы этих превращений не были исследованы. Что такое биоремедиация? Это комплексный подход к очистке экологических ниш, в основе которого лежит использование метаболизма различных организмов. Основные технологии, применяемые в очистке грунта На сегодняшний день вышло очень много статей-обзоров, посвященных биоремедиации почв. Одной из наиболее популярных и часто цитируемых является обзор Lucian Vasile Pavel и Maria Gavrilescu, вышедший в 2008 году. Далее будут перечислены следующие категории средств биоремедиации, в порядке от наименее разрушительных и дешевых к наиболее интенсивным, разрушительным и дорогим.
1) Do nothing (Ничего не делать). Если экологическая оценка показывает, что человек и окружающая среда не в опасности, то и биоремедиация не требуется. «Ничего не делать» может считаться соответствующим действием для разливов на малых участках, где маловероятен контакт человека и животных.
2) Institutional Controls (IC) (Организационный контроль) — метод включает в себя ведомственный контроль, правовые и организационные механизмы, которые ограничивают доступ к использованию веществами, или предупреждают о возможной опасности. IC включают в себя также ограждение загрязненного места или запрещение строительства скважин в районе загрязненных водоносных горизонтов.
3) Monitored Natural Attenuation (Мониторинг природного затухания) — в некоторых случаях природа способствует очистке загрязнения. Некоторые примеси могут быть переработаны на безопасные элементы с помощью энергии солнечного света (фотолиз), природной биологической очистки, а также химических реакций (например, гидролиз). Загрязняющие вещества могут также «придерживаться» (или сорбироваться) в почве или других твердых частицах, ограничивая подвижность других загрязняющих веществ в почве.
4) Containment of Contaminants (Сдерживание загрязняющих веществ) — риск загрязнения окружающей среды может быть уменьшен путем ограничения способов, которыми люди, дикая природа или окружающая среда в целом может вступать в контакт с загрязнителем. Методы включают «укупорки» почв чистым материалом, создавая физические барьеры, и стабилизируя загрязнения на месте. Сдерживание загрязненных подземных вод является более сложным и может включать сложные и дорогие «лечащие» насосные системы.
5) Destruction of contaminant (Уничтожение загрязнителя) — Уничтожение загрязняющих веществ может полностью удалить риск, связанный с загрязняющими веществ, если побочные продукты не являются токсичными. «Лечение» может быть in situ (на месте (in place)) или ex situ (после выкапывания грунта или перекачки грунтовых вод из водоносного горизонта). Технологии включают в себя фиторемедиацию, биоремедиацию, озонирование или действие реагентами (реагент Фентона (имеется в виду реакция Фентона – реакция пероксида водорода с ионами железа, которая используется для разрушения многих органических веществ)).
6) Removal (Снятие) – В некоторых случаях, лучшим вариантом может быть физически удалить загрязненную почву и переместить её в специальное, разрешенное место с пометкой «объект по обработке, хранению и уничтожению» (Treatment, Storage and Disposal Facility — TSDF). Это применяется в почвах, загрязненных радиоактивными химическими веществами. В других случаях, можно удалить примеси из почвы с использованием таких технологий, как «поверхностной-стирки» (surfactant washing), мытья почвы (soil washing) или термической десорбции.
Загрязняющие вещества в подземных водах могут быть удалены с помощью насоса и специальных фильтрационно-лечащих технологий, связанных с методами, основанными на активированном угле (дешевый реагент) или ионном обмене (дорогой метод).
Есть много характеристик грунта, которые влияют на перенос загрязняющих веществ, таких как: плотность, пористость, проницаемость и влажность. Это явление также зависит от некоторых свойств загрязнителей и их химической природы. После определения типа почвы и характера загрязнений, подходящая техника рекультивации должен быть правильно выбрана по эффективности. Существующие методы обеззараживания почвы могут быть разделены на: методы in situ и методы ex-situ. Эти методы могут быть разделены в свою очередь на биологические и небиологические методы.
Небиологические методы подразделяются на физико-химические методы, тепловые методы и другие методы (например, сверхкритической экстракции и электрокинетические методы).
Биотехнология утилизации твердых отходов
В процессе своей жизнедеятельности человек оставляет большое количество твердых отходов, которые складируются на городских свалках. Их число постоянно увеличивается. При транспортировке происходит рассыпание отходов в окружающую среду. Переработка отходов намного дороже, чем простая их утилизация. В результате анаэробной переработки может образоваться биогаз – ценный энергетический носитель.
В состав твердых отходов входит бумага, пластмасса, органические и растительные отходы. Со временем на свалке происходит наслаивание материалов. Наблюдается изменение температуры, pH, ферментативной активности микроорганизмов и потоков жидкости. Микроорганизмы используют биогенные элементы, расположенные на поверхностях твердых частиц. Так происходит ассоциация с твердыми отходами. На европейских свалках отходы размещены по отсекам, которые представляют небольшую систему реакторов. Там происходит ступенчатая биодеградация отходов.
На начальной стадии биодеградации отходов происходит окисление при помощи грибов, бактерий, нематод, клещей. Затем разрушаются более сложные соединения: танины, меланины и лигнины.
Выделяют следующие показатели биодеградации отходов
— скорость разложения целлюлозы и лигнина;
— исчерпание молекулярного кислорода.
В результате протекающих реакций может формироваться два типа продуктов – биогаз и фильтрующаяся в почву вода. Для того чтобы выбрать место для свалки необходимо защитить от загрязнения грунтовые воды и поверхность земли. Малопроницаемые засыпки используются в качестве оболочки вокруг свалки, а также ее ограждения. Образующийся биогаз зачастую вызывает дискомфорт. Преграды и траншеи гравия являются защитой от утечки биогаза. Зачастую интерес вызывает извлечение метана. В США находится 10 установок, в Евросоюзе их около сорока. Такие установки производят 40 тысяч м^3 биогаза за день.
Метан на свалке извлекают при помощи перфорированных труб из полиэтилена. Он используется для обогрева теплиц, а также после дополнительной очистки его допустимо перекачать по трубам к месту потребления. Таким образом переработка отходов имеет выгодную экономическую сторону с позиции получения метана т.к. материальные затраты на ликвидацию загрязнений атмосферы заметно сокращаются.
Экологическая биотехнология занимается решением задач, которые связанны с загрязнением окружающей среды. Необходимо сделать акцент на то, что совместное использование достижений современной науки не станет панацеей от всех экологических проблем, которые стоят перед человечеством в настоящее время. Главной задачей является то, что при помощи методов биотехнологии необходимо снизить антропогенную нагрузку на окружающую среду в будущем. Поэтому необходимо уделить должное внимание коммерциализации экологически чистых технологий.
Лишь благодаря многим исследованиям появляются новые передовые методы очистки почв, вод, воздуха. Даже сейчас многообещающие методы in situ проходят стадии экспериментов. Потенциальные области применения данных биодеградации химических соединений включают не только биодеградацию токсичных веществ из окружающей среды, но и использование новых ферментных реакций для синтеза ценных органических молекул.
