«Кнут и пряник» очистят воду

Александр Кузнецов: «Мы контактируем с немецкой фирмой Enviro-Chemie, построившей ряд очистных сооружений для промышленных предприятий в России (например, одного из пивзаводов компании «Балтика» — ред.). Но пока они не готовы инвестировать: у нас недостаточно НИР для разработки готового проектного решения»

Пероксид водорода поможет микроорганизмам выжить

«Если говорить о нашей технологии совсем просто, то мы предлагаем добавлять в аэротенки, где происходит биоочистка воды, определённые дозы пероксида водорода или других активных форм кислорода, например, озона», — говорит один из разработчиков, доцент кафедры биотехнологии РХТУ Александр Кузнецов, — «В больших дозах подобные вещества губительны для микроорганизмов, но в малых они будут не подавлять, а, наоборот, стимулировать активность очищающих воду бактерий». Аэротенк — резервуар, в котором сточные воды насыщаются воздухом и очищаются активным илом, который включает т. н. «микроорганизмы-деструкторы» загрязнений. «Мы изучили природные механизмы самоочищения водоёмов с участием микроорганизмов, физических и химических факторов этого процесса, и обнаружили, что их определенное сочетание может позитивно влиять на живые клетки, повышая их жизнеспособность и физиологическую активность. Некоторые из этих факторов вызывают у микроорганизмов так называемое состояние стресса, при котором активность микроорганизмов подавляется. «Стресс-факторами» выступают прежде всего активные формы кислорода, например, пероксид водорода, озон, гидроксильные радикалы. Они образуются в водоёмах, когда толщей воды поглощается мягкий ультрафиолет Солнца. Другие, «антистресс-факторы» помогают этот стресс преодолеть с пользой для клетки. Одним из таких «антистресс-факторов» выступает видимый свет. Мы эти процессы воздействия на микроорганизмы смоделировали и пришли к «ноу-хау», — продолжает Александр Кузнецов.

До этого считалось, что активные формы кислорода действуют на живые клетки только губительно, повреждают их структуру. Например, подобные соединения широко используются для обеззараживания воды.

Кстати, господствующая сегодня теория старения живых организмов основана на том, что активные формы кислорода, образующиеся в процессе дыхания, повреждают клетки. Эти повреждения накапливаются в течение жизни, и в результате организм стареет. На этом распространённом мнении строятся, например, рекламные кампании различных биодобавок, кремов, содержащих антиоксиданты. Но специалисты кафедры биотехнологии РХТУ экспериментально показали, что такое мнение не совсем правильно. По крайней мере, в отношении микроорганизмов — бактерий и дрожжей. Как оказалось в результате исследований, внутри клетки функционируют различные системы защиты от стресса, вызываемого активными формами кислорода. Так, воздействие имитированного в лабораторном аэротенке природного сочетания растворённого в воде пероксида водорода и видимого света только повысило выживаемость и активность очищающих воду микроорганизмов. А значит, и эффективность биологической очистки стоков. Причём концентрация пероксида водорода (именно с этим соединением проводились модельные эксперименты) лишь незначительно должна превышать его естественное содержание в природных водоёмах — не более нескольких миллиграмм на литр. К сожалению, как подчеркнул Александр Кузнецов, причина положительного влияния на микроорганизмы смоделированного сочетания стресс- и антистресс-факторов пока еще не совсем ясна. Но положительный эффект проявлялся на всех типах стоков, которые были использованы в исследованиях ученых.

Ранее считалось, что активные формы кислорода действуют на живые клетки только губительно, повреждают их структуру, на чём и основана господствующая сегодня теория старения живых организмов. Но специалисты кафедры биотехнологии в экспериментах показали, что такое мнение не совсем верно. По крайней мере, в отношении микроорганизмов — бактерий и дрожжей

ХПК «на выходе» не промеряется

В рамках выполнения контракта с Федеральным агентством по науке и инновациям специалистам кафедры биотехнологии РХТУ удалось доказать, что если слегка модернизировать аэротенк с помощью разработанной технологии, то при стандартном режиме его работы качество очистки сточных вод с т. н. показателем ХПК примерно грамм на литр (1000 мг/л) приближается к ста процентам, то есть «на выходе» ХПК практически не промеряется. ХПК (химическое потребление кислорода) — основной показатель степени загрязненности сточных вод, он определяет количество кислорода, требуемое для полного окисления загрязняющих стоки органических примесей до воды и углекислого газа. «Это очень важно, потому что у нас холодная климатическая зона, и процессы самоочищения протекают медленно. В стране очень жёсткие природоохранные требования к качеству очищаемой воды. Скажем, в Европе разрешается сбрасывать стоки в водоём, если ХПК составляет 100—125 миллиграмм на литр. У нас — если вода сбрасывается в водоём для разведения рыбы — уровень ХПК должен быть не более 15. Если в водоём для хозяйственно-бытовых целей — 30 миллиграмм на литр. Существующие технологии при высоких уровнях загрязнений (когда ХПК приближается к двум тысячам миллиграмм на литр) обеспечивают такую очистку только через строительство дополнительных блоков доочистки, например, с использованием биофильтра. А это означает не только дополнительные затраты на строительство очистных сооружений, но и дополнительные выбросы тех заводов, которые производят и стальную арматуру, и бетон, и сами конструкции. Внедрение нашей технологии позволит «убить сразу двух этих зайцев», — отмечает Александр Кузнецов. Конечно, по подсчётам исследователей РХТУ, текущие затраты на очистку воды в модернизированном аэротенке повысятся примерно на 20—30% от затрат на аэрацию (насыщению стоков воздухом) в обычном, но зато держать дополнительный блок очистки просто не понадобится. Кстати, в лабораторных условиях близкий к нулю показатель ХПК удалось обеспечить на модельных стоках пивоварения, которые содержат много трудно окисляемых веществ.

Как показал проведённый совместно с чешской компанией «КМЦ Групп» патентный поиск и анализ литературы, аналогов в мире у этой технологии нет.

В рамках контракта специалистам кафедры биотехнологии РХТУ удалось доказать: если слегка модернизировать очищающий воду аэротенк с помощью разработанной ими технологии, то при стандартном режиме его работы качество очистки сточных вод с т.н. показателем ХПК примерно один грамм на литр (1000 мг/л) приближается к ста процентам. При сопоставимых затратах этого не позволяет добиться ни одна из существующих технологий в мире

Большинство результатов получены исследователями на небольшой установке, которая помещается на обычный лабораторный стол. Она моделирует процесс очистки сточных вод в «полевых условиях»

Губительный патент?..

Большинство результатов получены исследователями на небольшой установке, которая помещается на обычный лабораторный стол. Она моделирует процесс очистки сточных вод в «полевых условиях». Чтобы убедиться в том, что позитивный результат от добавок пероксида водорода в очищаемую воду в данных условиях не случаен, с каждым стоком необходимо экспериментировать минимум полгода. «Сама установка собрана из остатков оборудования, которому уже более двадцати пяти лет. Мы его чинили и модифицировали своими силами. Да и компьютерную программу, контролирующую процесс очистки по заданным параметрам, написал наш сотрудник», — говорит Александр Кузнецов. О новой, современной установке исследователи даже не задумываются: «лишних» тридцати тысяч евро ни у факультета, ни у университета просто нет.

Между тем, имело бы смысл иметь как минимум несколько таких установок для того, чтобы успеть проверить и оценить требуемые режимы очистки основных видов сточных вод и уже затем защитить комплексную технологию. Но здесь есть ограничение: условия госконтракта с Роснаукой вынуждают разработчика получать патент уже сейчас. С существующим оборудованием за год специалисты кафедры биотехнологии могут проверить только 20—30 различных режимов очистки, каждый из которых характеризуется строго определённым химическим составом сточных вод, концентрацией загрязнений, температурой, добавляемым в аэротенк «стресс-веществом», концентрацией этого вещества, интенсивностью освещения, концентрацией активного ила, скоростью прогона сточной воды через установку... «До хозяйственно-бытовых стоков, например, у нас просто не дошли руки. С озоном также хотелось бы поработать, и с ультрафиолетом», -продолжает Александр Кузнецов.

Патентовать технологию, по мнению исследователей, ещё рано: не закончены необходимые для этого исследования. Получение патента автоматически означает раскрытие ряда деталей, и для любого квалифицированного специалиста «просчитать» технологию очистки на «неохваченном» типе сточных вод и оформить все результаты на себя не составит труда. Но условия госконтракта с Роснаукой вынуждают получать патент уже сейчас

Патентовать технологию, по мнению исследователей, ещё рано. Ведь получение патента автоматически означает раскрытие ряда деталей, и для любого квалифицированного специалиста, в том числе в частной компании, «просчитать» технологию очистки, например, на «неохваченном» патентом типе сточных вод и оформить все результаты на себя не составит труда. Аналогичная проблема возникает и с защитой российской разработки на международном уровне, но к ней добавляется ещё одна. На «полное» международное патентование, которое охватит основные страны, нужно до ста тысяч долларов, отмечает Александр Кузнецов. Эти деньги найти непросто. Поскольку для доработки технологии до внедрения требуется проведение еще некоторого объема исследований, частные инвесторы выделять финансирование под незавершенную разработку не будут. «Мы, например, контактируем с немецкой фирмой Enviro-Chemie, построившей ряд очистных сооружений для промышленных предприятий в России (например, одного из пивзаводов компании „Балтика“ —  ред.). Но пока они не готовы инвестировать: у нас недостаточно НИР для разработки готового проектного решения», — вынужден констатировать Александр Кузнецов.

Пока учёные придерживаются «соломонова решения»: получить патент в России, но в описании формулы разработки все детали не раскрывать и продолжить необходимые исследования. На их завершение потребуется ещё примерно два года.