Ежегодно в водоемы попадают миллионы тонн загрязняющих веществ: нефтепродуктов, фенолов, тяжелых металлов, пестицидов, соединений азота и фосфора, а также других опасных органических соединений. Сточные воды промышленных предприятий обычно включают в себя широкий спектр органических и неорганических соединений, многие из которых токсичны. Такие компоненты, как нефтепродукты, фенолы и бензол, характеризуются низкой скоростью биодеградации и представляют значительную угрозу для поверхностных и подземных водных источников. Согласно актуальной статистике, количество случаев загрязнения водных объектов в России за год увеличилось на 12%. Параллельно ужесточаются экологические нормативы, особенно в отношении очищенных сточных вод, сбрасываемых в природные водоемы.
Екатерина Королёва
Фото: Состояние инфузорий Opercularia sp. (увеличение ×600): а) свободно-плавающего ила, б) на носителях биомассы. Источник: Пресс-служба ПНИПУ
Ограничения существующих методов очистки
Существующие технологии очистки, такие как сорбция, химическая обработка или мембранные методы (ультра- и микрофильтрация), часто отличаются высокой стоимостью либо узкой специализацией в отношении конкретных загрязнений. Широко применяемый биологический метод с использованием активного ила — сообщества бактерий, микроскопических грибов и простейших, которые утилизируют загрязнения в процессе жизнедеятельности, — также имеет ограничения. Он не всегда позволяет достичь необходимых нормативных показателей, демонстрируя недостаточную эффективность против некоторых соединений и не гарантируя требуемых органолептических характеристик воды (прозрачность, отсутствие запаха). Это связано со сложным переменным составом стоков и неравномерностью их поступления на очистные сооружения.
Результативность биологического метода можно повысить путем иммобилизации микроорганизмов на твердых носителях, что увеличивает биомассу и возраст ила, усиливает метаболическую активность микробного сообщества и его резистентность к токсичным веществам. Однако большинство стандартных материалов для носителей (керамика, стекло, полимеры) сегодня дороги и не обеспечивают комплексного удаления всех типов загрязнителей. В настоящий момент в основном используются промышленные носители, изготавливаемые из первичного сырья, требующего добычи и обработки. Существующие коммерческие продукты не обеспечивают комплексной очистки, а их применение финансово затратно, увеличивая расходы предприятий.
Суть разработки Пермского Политеха
Специалисты Пермского Политехнического университета впервые создали и протестировали новые носители для активного ила, произведенные из пиролизных остатков нефтесодержащих отходов и пластика. Ученые впервые разработали и испытали новые носители для активного ила на основе продуктов пиролиза отходов, содержащих нефть, и пластиковых отходов. Это позволяет совместить утилизацию отходов нефтеперерабатывающей промышленности и пластика с эффективной очисткой сточных вод.
Фото: Внешний вид биомассы микроорганизмов, иммобилизованных на углеродно-синтетическом носителе. Источник: Пресс-служба ПНИПУ
Материалы и технология создания
Для создания носителей исследователи изучили различные виды вторичного сырья: хлопья рециклированного пластика и этикетки от ПЭТ-бутылок, поскольку эти материалы широко доступны и нуждаются в утилизации. Также был синтезирован углеродно-синтетический носитель на основе остатков нефтесодержащих отходов и полиэтилена. Компоненты смешивали в различных пропорциях при непрерывном перемешивании и нагреве до 110–120 °C.
Методика тестирования и сравнения
«Оценка эффективности применения полученного носителя проводилась в условиях, максимально приближенных к реальным. Для этого в специальные лабораторные реакторы загружали сточные воды и живой активный ил, отобранные на нефтеперерабатывающем предприятии. Мониторингу подвергались ключевые параметры: скорость адгезии микроорганизмов к поверхности, динамика изменения видового состава ила и органолептические свойства очищенной воды (цвет, запах, прозрачность). В ходе эксперимента также определялась эффективность удаления органических веществ, нефтепродуктов и соединений азота», — пояснила Елена Калинина, кандидат технических наук, доцент кафедры «Охрана окружающей среды» ПНИПУ. Чтобы определить преимущества углеродно-синтетического носителя перед известными технологиями, ученые сравнили его с распространенными промышленными аналогами, используемыми на очистных сооружениях.
Результаты и эффективность нового носителя
- Эффективность очистки: Полученный материал на 6–22% эффективнее аналогов удаляет нефтепродукты, а других органических соединений — на 5–10% в зависимости от конкретного типа вещества.
- Удаление азота: В отличие от аналогов, носитель эффективно удаляет азотные соединения (аммоний — на 94%, нитриты — на 79%).
- Качество воды: Применение углеродно-синтетического носителя в два раза улучшает органолептические показатели: прозрачность воды увеличивается с 15 до 30 см, а запах ослабевает с отчетливого до слабого.
- Биоразнообразие: Использование такого носителя также позволяет почти вдвое увеличить видовое разнообразие микроорганизмов в активном иле. Это повышает устойчивость бактериального сообщества и его способность очищать воду от более широкого спектра загрязнений.
Экологический и экономический эффект
Разработка позволяет предотвратить экологический ущерб, такой как эвтрофикация (массовое цветение воды) и гибель рыбы из-за дефицита кислорода, вызываемые сбросом соединений азота. По расчетам ученых, внедрение созданного носителя на одном предприятии (заводе) позволит сократить экологический ущерб и даст экономический эффект более 1,5 миллиона рублей в год за счет снижения объемов вредных сбросов и уменьшения платежей за негативное воздействие на окружающую среду.
Результаты исследования размещены в журнале «Теоретическая и прикладная экология». Работа выполнена в рамках программы «Приоритет 2030».
В России внедрены автоматизированные комплексы для мониторинга качества воды на промышленных предприятиях. В основе этих систем лежат передовые интеллектуальные технологии. Данный факт был освещён в издании «Химагрегаты».