Кандидат биологических наук Николай Тимофеев рассказывает об уникальном сообществе микроорганизмов, способном справляться с огромным объёмом промышленных стоков
Идя на первую нашу встречу, я даже не знал толком, чем занимается на комбинате этот человек. Меня заинтриговал уже тот факт, что Николай Петрович Тимофеев – кандидат биологических наук, автор множества научных статей, коэффициент цитируемости которых как в нашей стране, так и в мире очень высок.
Конечно, он мог рассказать много интересного и о многом, так как сфера его научных интересов довольно широка – экология, сельское хозяйство, химия и фармацевтика. Для начала меня интересовал вопрос: чем может заниматься биолог на целлюлозно-бумажном производстве?
– Ну, если в двух словах, – улыбается Николай Петрович, – я работаю в должности инженера-микробиолога станции биологической очистки промышленных стоков. Но это, наверное, интересно только для кадровой службы и непосредственного начальства. А вообще, мы тут с коллегами занимаемся очень интересным делом.
И биолог Тимофеев со свойственной учёным обстоятельностью принялся рассказывать об удивительных вещах, которые происходят в его ведомстве – на станции биологической очистки промышленных стоков.
Предваряющая калькуляция
Для начала Николай Петрович объяснил, что производство бумаги – это химическая переработка растительного сырья. За год на комбинат завозится свыше 2,5 миллиона тонн древесины и химикатов. На выходе половина этой массы становится продукцией. Вторая половина – отходами. Если кора удаляется механическим способом, то лигнин и смолы растворяются щелочными растворами, а в производстве бумаги и белёной целлюлозы применяются ещё и отбеливатели. Отходы, разбавленные водой, становятся промышленными стоками и в смешанном виде приходят на станцию биологической очистки. А воды для этих целей требуется около 100 млн тонн в год, её комбинат забирает из Вычегды.
– Наша задача такова: какой из природы воду взяли, такой в природу и вернуть, – заключил учёный.
Как это делается в природе
Человеком придуманы различные химические системы очистки, но они позволяют очищать какие‑то небольшие объёмы – 10–20 кубов в час. Это годится для пионерлагеря, например. Но когда идут десятки тысяч кубометров воды в час, как на целлюлозно-бумажных комбинатах, тут могут помочь только биотехнологические системы очистки, основанные на процессах, протекающих в природных экосистемах. В ней, в матушке-природе, все органические вещества разлагаются до минеральных веществ, углекислого газа и воды. И занимаются этим процессом бактерии, простейшие микроорганизмы, и другие (более сложные) представители животного мира.
Бактерии есть везде, даже на космических кораблях. Радиоактивные отходы атомных станций, которые невозможно утилизировать, закапываются глубоко в землю, в бетонные бункеры. И даже этот бетон постоянно разрушается бактериями. Но в природе на разложение уходят сотни, тысячи лет. Нам нужно ускорить этот процесс. Изучив особенности биоценоза (сложившегося сообщества микроорганизмов), мы можем его контролировать, регулировать, следовательно – ускорять процесс очистки и управлять им.
– На нашей станции биологической очистки живёт огромное количество бактерий и других существ, – рассказывает Николай Петрович. – Только в одном грамме находится около 10¹² – 10¹⁴ бактерий. Это не какие‑то синтезированные существа, это, по сути, обычные почвенные и лесные бактерии – когда‑то собранные и завезённые на станцию. Они адаптировались, выработали свою уникальную ферментную систему, произошла их селекция, изменилась генетика, поэтому они могут разлагать отходы в ускоренном темпе. Это рабочее живое вещество (или активный ил) можно понимать как единый организм, некое существо массой около 100 тыс. тонн. Оно живёт и размножается по общебиологическим законам. Как объект живой природы имеет систему дыхания (аэрация – насыщение кислородом в аэротенках), питания (снабжение минеральными элементами), пищеварения (утилизация сбрасываемых цехами и производствами химических веществ), отходы своей жизнедеятельности (участок по обезвоживанию активного ила).
Драмы под микроскопом
– Как я понял, главная задача этого живого «существа» – превращать химические отходы в безобидную золу. А как микроорганизмы это делают?
Николай Петрович подводит меня к монитору компьютера и показывает видеофильм, который собственноручно снял при помощи обычной зеркальной фотокамеры и исследовательского микроскопа. Это фильм о жизни простейших, о тех событиях и драмах, что происходят ежесекундно в системе биологической станции очистки.
– Как я уже говорил, для удобства активный ил на станции можно считать единым живым существом, но на самом деле – это замкнутая система биоценоза. И в ней всё, как в других экологических сообществах, например, в лесу: есть почва, на которой произрастает трава, её поедают жвачные, за ними охотятся хищники. Кто охотится стаями, кто в одиночку.
Вот, смотрите: бактерии собираются в небольшие артели, окружают вредные для нас и чужеродные для них вещества, обволакивают их ферментами, чистую воду выбрасывают обратно, остальное переваривают при помощи этих ферментов до минеральной золы, воды и углекислого газа.
Рыбак судит по клёву
– В отстойниках активный ил в течение 2,5–3 часов оседает на дно, и в реку попадает практически такая же чистая вода, что мы взяли на водозаборе. Существуют нормативы содержания вредных веществ в сбрасываемых водах. Мы в эти нормативы укладываемся. Вообще, цифры могут быть разные. И мониторинг есть, и общественные организации, и государственные надзорные органы. У всех свои методики, своя интерпретация показателей. Но есть ещё и народный контроль – рыбаки. Если у них клюёт по реке ниже места сброса вод, значит, рыба есть. Это уже объективный показатель.
Как борются с излишним весом
– Бактерии постоянно делятся, следовательно – их общая масса непрерывно увеличивается. А куда деваются избытки ила?
– Мы обезвоживаем ил на специальном оборудовании и вывозим с территории комбината в илонакопители. Там происходит дальнейшая биотрансформация, где ил становится похожим на обычную почву, которая может быть использована. Этот ил способствует плодородию почв. Кстати, лес, удобренный таким илом, будет расти быстрее – к этому идём, к замкнутым циклам.
Чужаки здесь не выживают
На нашу станцию приходят и стоки городской канализации. С этой водой к нам могут попасть чужеродные микроорганизмы, черви, паразиты. Люди сейчас легко путешествуют по миру, поэтому могут быть потенциальными носителями весьма экзотических экземпляров. Но на непрошеных гостей у нас есть управа в очистной системе: микроорганизмы-хищники, которые питаются этими потенциально вредными организмами. Вообще, человеческие паразиты приспособлены для жизни внутри человеческого организма. В биоценозе нашей станции они в любом случае долго не протянут.
Для активного ила страшны другие организмы – это нитчатые бактерии, которые при неконтролируемом размножении создают в отстойниках плавучие сети. Это мешает илу оседать на дно. Что, конечно же, очень плохо для технологии очистки. К тому же эти нитчатые выделяют антибиотики, убивающие полезные бактерии.
Не спи, бактерия, замёрзнешь
– Какие ещё «враги» у нашего стотысячетонного существа?
– Да уж есть всякие факторы как природного, так и техногенного характера. Для любого живого организма главное – стабильность. Но ведь наши сооружения находятся под открытым небом. Если производство круглый год постоянно, то природа циклична.
Зимой световой день сокращается, наступают холода. Генетика подсказывает бактериям: пора отдохнуть, впасть в спячку, а мы их заставляем интенсивно работать. Поэтому для нас самые тяжёлые условия – это декабрь, январь, февраль.
– Как заставляете?
– Если спортсмен устал, ему дают стимуляторы. Этим же примерно занимаемся мы: повышаем насыщенность кислородом и придумываем хитрые диеты.
Летом свои проблемы. Вот, посмотрите этот любопытный график: в июле-августе численность живых веществ в организме уменьшается. При повышении температуры воды до 42 градусов белок начинает сворачиваться – микроорганизмы умирают. А охлаждать такие огромные массы воды (250–300 тысяч тонн в сутки) нечем – надо искать решение.
С другой стороны, летом в речной воде количество микроорганизмов, в том числе и вредных для производства бумаги и картона, увеличивается. Поэтому для обеспечения качества продукции и минимизации обрывов на бумагоделательных машинах в неё добавляют антибиотические вещества – биоциды. Мы должны контролировать процесс, чтобы эти вещества не убили одновременно и микрофлору активного ила.
При выходе из каждого производства существуют локальные очистные сооружения, у которых есть свои нормативы. Но всякое случается. Если концентрация вредных веществ в сточных водах вдруг становится выше нормы, то наш активный ил может ими «отравиться», почувствовать «недомогание».
– Что же тут можно предпринять?
– Ну, например, разбавить эти стоки водой до безопасной концентрации. Или вывести их в отдельный накопитель. У каждого начальника цеха есть инструкции, что он должен сделать в случае внеплановых ситуаций.
«Самочувствие» активного ила – под постоянным контролем
– В лаборатории на станции биологической очистки промстоков трудятся около 20 человек, кроме того, существуют ещё другие лаборатории, ведущие мониторинг сточных вод всего комбината. Все они фиксируют множество показателей, так что получается огромный объём информации: цифры, цифры, цифры. Но для управления процессом биоочистки надо понимать, что за этими цифрами стоит, какие процессы происходят.
Цифры визуализируем в графики. Из них можно узнать, что происходит на комбинате: вот, смотрите, видите скачок – остановили содорегенерационный котёл. А вот во время капитального ремонта оборудование прочищали, промывали. Соответствующая водичка к нам пришла.
Если активный ил – это живое существо, то нашу службу можно сравнить с врачом, который следит за состоянием здоровья этого стотысячетонного организма. Если у человека врач отслеживает уровень сахара в крови, инсулина, гормонов, смотрит кардиограмму, то у активного ила нужно отслеживать нечто подобное. Мы смотрим, нет ли отклонений. Если есть, что‑то предпринимаем сами или выдаём рекомендации производству.
Если, например, на производстве собираются применять новые химикаты, мы заранее ставим лабораторные опыты: должны предусмотреть, как это отразится на состоянии здоровья трудолюбивого «существа», обитающего на станции биологической очистки.
