"Московская правда", Москва, 5 октября 2023 06:00
Автор: Маевская Яна
Под каждым большим городом текут целые реки, в которых в изобилии находятся всевозможные минеральные и органические вещества. "..." Перемешиваясь в почти бесконечных вариациях и концентрациях при самых различных температурах и давлениях, эти вещества представляют собой тот химический котел, из которого может возникнуть что угодно... Из романа "Клон" Теодора Л. Томаса и Кейт Вильгельм.
Сточные воды огромного города, этот мутный поток самых разнообразных отходов... как ни странно, эта временами пузырящаяся и практически всегда дурно пахнущая субстанция может служить источником вдохновения. Зависит от того, какими глазами на нее смотреть. Слышали, наверное, притчу: вышли трое в поле, один понюхал цветы, второго ужалила пчела, а третий вляпался в коровью лепешку...
Так же и тут. На взгляд обычного человека - ничего особенного, разве что только запах. Эдакое неизбежное зло, которое лучше не видеть и тем более не обонять. Американские писатели-фантасты Кейт Вильгельм и Теодор Томас увидели здесь возможное появление хтонического ужаса.
Ну, а для ученого-химика - это огромный потенциал научных изысканий и великолепных возможностей для развития науки. Причем как теоретической, так и практической - ибо использование сточных вод имеет непосредственное отношение к комфорту, гигиене, санитарии и экологии.
В мае 1997 года в АО "Мосводоканал" появился Инженерно-технологический центр. Его задача - проводить исследования в области очистки природных и сточных вод, совершенствовать и оптимизировать технологические процессы. Специалисты центра разрабатывают, испытывают и внедряют наиболее перспективные технологические схемы водоподготовки и очистки сточных вод, проводят пусконаладочные работы при внедрении новых технологий. А также оперативно решают вопросы текущей эксплуатации сооружений.
Причем все это достаточно серьезно и глубоко научно: сотрудники центра активно участвуют в международных конгрессах и конференциях, пишут статьи. На основе этой темы можно защищать диссертации, получать ученые степени, ну и, конечно, делать нашу жизнь более чистой, более экологичной, более комфортной.
Мы постараемся рассказать максимально простыми словами об одном из важнейших процессов очистки сточных вод - удалении из них соединений азота и фосфора. А также о том, как специалисты Инженерно-технологического центра ставят самые современные научные открытия на службу человеку.
Очень важный элемент
Наша жизнь зависит от нескольких ключевых химических элементов и их соединений. Обычно главным называют углерод - за его способность образовывать длинные полимерные цепочки. Именно благодаря этой способности существуют белки, жиры, сахара, целлюлоза, хитин и многое другое. На втором и третьем месте стоят водород и кислород.
А на четвертом - азот. По числу атомов он занимает 2 процента в составе живых клеток, по массе - 2,5 процента. Азот входит в состав белков, гемоглобина, хлорофилла. Пожалуй, главная его роль - это передача информации, именно азотистые основания составляют основу как рибонуклеиновой, так и дезоксирибонуклеиновой кислоты, РНК и ДНК. Гуанин, аденин, тимин, урацил и цитозин, основа жизни, передача наследственной информации, синтез белков...
Все эти четыре элемента наш организм не только использует, но и постоянно выделяет. Углерод и кислород - с дыханием. Водород и кислород - с потом. А вот азот выделяется либо в виде мочевины, либо - мочевой кислоты. У нас, млекопитающих, это в основном именно мочевина, конечный продукт метаболизма белков. Состоит она из двух молекул аммиака и одной молекулы углекислого газа и является метаболическим ядом. Именно поэтому нам надо много пить и все время промывать свой организм водой.
К слову, у рептилий и насекомых конечным продуктом метаболизма является не мочевина, а мочевая кислота, вещество намного менее ядовитое (хотя тоже доставляющее массу проблем, например, у человека она служит "спусковым крючком" подагры). Поэтому рептилии пьют намного меньше. И если гипотетически представить себе город рептилий (как в трилогии Гарри Гаррисона "Эдем"), то у него, возможно, и не возникнет таких проблем, которые стоят перед Мосводоканалом.
В московских сточных водах очень много органических соединений азота. Причем практически весь аммонийный азот образуется во время гидролиза мочи, конечного продукта азотного обмена у людей. Попробуйте подсчитать: 15 миллионов жителей, примерно два литра в сутки на каждого - итого 30 миллионов литров, 30 тысяч кубометров в сутки!
Есть еще относительно небольшой процент соединений азота, который попадает в воду из различных пищевых отходов.
В нашей жизни есть еще один очень интересный элемент. Это фосфор. Весьма важную роль играют его соединения фосфаты, соли фосфорной кислоты. Во-первых, фосфаты входят в состав тех же ДНК и РНК. А во-вторых, фосфорные эфиры - это своеобразные "клеточные батарейки". Если соединить вместе сахар рибозу, азотистое основание аденин и три фосфатные группы, то получится молекула АТФ - аденозинтрифосфорная кислота, источник энергии для живых клеток. А если оторвать от нее одну фосфатную группу, то получится очень много энергии и молекула АДФ - аденозиндифосфорная кислота. Можно оторвать еще одну фосфатную группу и опять получить очень много энергии и молекулу АМФ, аденозинмонофосфорную кислоту, разряженную батарейку, которую можно снова зарядить.
Фосфор попадает в воду не только из органических отходов, но также из чистящих средств. В составе стиральных порошков и жидкостей для уборки, как правило, есть -фосфаты.
Корень проблем
Вся эта органическая химия сводится к следующему. Если в водоемы попадает большое количество органических соединений с азотом и фосфором, то там начинается процесс эвтрофикации, что по-гречески означает "хорошее питание". Ну просто представьте себе: огромное количество материала, из которого можно строить ДНК, РНК, АМФ, АДФ и АТФ. Не говоря уж о белках.
Вроде бы и хорошо, если водоем начинает хорошо питаться, но - ничего хорошего, потому что на таком обильном "корме" начинают бурно размножаться цианобактерии. Они делают воду мутной, да еще и выделяют в нее токсины - алкалоиды и пептиды.
Для начала в таком водоеме из-за недостатка света гибнут донные растения.
Затем из-за недостатка кислорода начинается гибель организмов, живущих в верхних горизонтах воды, - рыб и зоопланктона.
В норме погибшие организмы разлагают аэробные бактерии (гниение - это по сути процесс окисления), но в сильно эвтрофицированных водоемах, где кислорода и на жизнь-то не хватает, утилизацией погибших от замора животных и растений занимаются анаэробные бактерии, которые живут без кислорода.
И это приводит уже к образованию таких веществ, как фенолы, сероводород и метан.
Короче, отходы жизнедеятельности большого города приводят к тому, что водоемы этого большого города рискуют превратиться в безжизненные ядовитые болота. Ну как безжизненные... там будут царить бактерии начала времен, из той эпохи, когда на Земле не было ни атмосферного кислорода, ни озонового слоя. Эпоха метана, сероводорода и бешеной солнечной радиации.
Таинственное исчезновение азота
В правильной постановке проблемы кроется ее решение. Если соединения азота и фосфора служат пищей для микроорганизмов, то, может быть, эти микроорганизмы будут их усваивать? И тем самым очищать сточные воды?
Бактерии, способные разлагать органические остатки, были известны уже давно. И еще в начале XX века на очистных сооружениях стали строить аэротенки. Аэротенк - это огромное сооружение, эдакий бак, в который постоянно поступает кислород (потому он и "аэро").
В аэротенке живет активный ил - это комплекс бактерий. И этот активный ил постоянно перемешивают, потому что у бактерий тоже есть продукты жизнедеятельности.
В активном иле обитают самые разные бактерии - нитрификаторы, денитрификаторы, фосфатоаккумулирующие, амебы, инфузории, жгутиконосцы. Они активно усваивают органику из сточных вод. Но - нет предела совершенству. И вот относительно недавно - в 1999 году - была открыта и описана новая группа бактерий, которые осуществляют процесс анаммокс - ANaerobic AMMonium OXidation. Назвали их анаммокс-бактериями.
Попробуем расшифровать этот странный и пугающий термин - anaerobic ammonium оxidation. То есть бескислородное (анаэробное) окисление аммония.
Как такое может быть? Ведь окисление - это и есть соединение с кислородом?
А вот так! Формула процесса анаммокс такова: аммоний (NH4) соединяется с нитритом (NO2), в результате образуется молекулярный азот и две молекулы воды. И вуаля - молекулярный азот растения не усваивают.
Открытия - особенно микробиологические - дело не быстрое, а их внедрение в жизнь и подавно. Впервые "утечку" аммония заметили еще в тридцатых годах прошлого века. Грубо говоря, имеется масса органических остатков, должно образоваться столько-то аммония, однако он почему-то куда-то девается...
Продолжительное время считалось, что биологическое окисление аммиака невозможно. Поэтому процесс этот долго считался небиологическим и не сильно значимым. Только в начале нового тысячелетия выяснилось, что аммоний окисляют до молекулярного азота именно бактерии, что бактерии эти относятся как минимум к пяти различным родам и что анаммокс играет очень важную роль в биологическом цикле азота.
На сегодняшний день открыто и описано десять видов анаммокс-бактерий, причем честь открытия некоторых из них принадлежит ученым Инженерно-технологического центра Мосводоканала. Бактерии эти уникальны - у них свои собственные белки, свои собственные липиды, а в качестве промежуточного соединения фигурирует гидразин - чрезвычайно ядовитое для большинства организмов вещество, которое, к слову, служит ракетным топливом.
На стадии внедрения
В науке нескоро открытия делаются, а их практическое внедрение - и того медленней. Однако в ИТЦ Мосводоканала быстро поняли, какое огромное значение имеет процесс анаммокс для очистки сточных вод.
И в течение последних 15 лет специалисты Мосводоканала совместно со специалистами Федерального исследовательского центра "Фундаментальные основы биотехнологии" Российской академии наук (ФИЦ Биотехнологии РАН) разработали и запатентовали отечественную технологию очистки сточных вод на основе процесса анаммокс.
Пилотные испытания этой технологии прошли на Люберецких очистных сооружениях. Сейчас идет процесс их внедрения.
Процесс анаммокс удаляет из сточных вод до 90 процентов азота, причем с довольно высокой скоростью и мощностью. Например, стоимость удаления 1 кг азота с помощью анаммокс-бактерий в 2,7 раза ниже, чем по традиционной технологии.
Сейчас осадок сточных вод используется для рекультивации полигонов. Но уже разработана и частично реализована концепция, предполагающая создание систем переработки осадка сточных вод в биотопливо. Это позволит отказаться от его захоронения на полигонах. Из сточных вод также получают удобрение - струвит. Это минеральное соединение, содержащее питательные элементы: азот, фосфор и магний.
АО "Мосводоканал" уделяет большое внимание повышению качества жизни в городе, поэтому постоянно находится в поиске новых решений. Благо источник вдохновения всегда рядом - аэротенки и метатенки, в которых бурлит удивительная, занимательная и пока еще до конца не опознанная жизнь.
Например, есть вполне обоснованное предположение, что десять описанных видов анаммокс-бактерий - это всего лишь малая толика огромного биоразнообразия.
Точно так же, как открытие процесса анаммокс - это лишь маленькая толика грандиозной работы, которую проводят специалисты Инженерно-технологического центра Мосводоканала. А значит, будет повод написать и о других их открытиях.
Гранула активного ила, окрашенная красителем в ходе эксперимента (х300 увеличение)
Пилотная установка Анаммокс
Аэротенки биологической очистки сточных вод на Люберецких очистных сооружениях
Источник: https://mospravda.ru/2023/10/05/704257/
