XVIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2026

Введение

Одной из актуальных проблем промышленной экологии является снижение загрязнения водоемов сточными водами машиностроительных предприятий. Сброс стоков с большим содержанием вредных примесей приводит к загрязнению отдельных источников водопотребления, даже больших объемов, иногда приводя их в негодность. Несмотря на широкое внедрение оборотных систем водопотребления, все еще не удается предотвратить выброс загрязнений в водоемы [4].

Впервые метод биологической очистки появился в Британии, в XIX веке, после появления фильтрационных полей для хозяйственной деятельности. Тогда воду очищали, пропуская ее через слой почвы, далее жидкость вновь использовалась для нужд человека.

На протяжении 20 века эта методика активно разрабатывалась и развивалась, и в результате стала самым эффективным и безопасным для экологии способом переработки стоков, образуемых как в быту, так и в промышленности [15].

Цель нашего исследования – комплексно изучить биологическую очистку сточных вод как экологичный и эффективный метод удаления органических загрязнений. Для этого требуется решить такие задачи как, анализ принципов и особенностей методов биоочистки; рассмотреть ключевые сооружения, применяемые для их реализации; оценить преимущества и ограничения биологического метода очистки сточных вод.

Биологическая очистка сточных вод – это технология удаления биодеградируемых загрязнений, которая основана на способности колоний живых микроорганизмов использовать органические образования для собственного развития. В первую очередь это касается фосфора и азота, которые необходимы для роста бактерий. В результате образуется осадок, а на выходе – очищенная от органических загрязнений вода [3].

Сточные воды классифицируют на следующие группы. Производственные стоки – воды, которые используют в технологических процессах при работе технологических машин и агрегатов, изготовления узлов и деталей машин, получении материалов и т. п. Бытовые воды – стоки от санитарных узлов производственных и жилых помещений. Третью группу составляют атмосферные стоки, которые содержат дождевые воды и талый снег [10].

К основным видам загрязняющих примесей промышленного происхождения относятся нефтепродукты, тяжёлые металлы и синтетические вещества. 

1. Нефтепродукты. Нефтяная пленка усложняет воздухообмен, а элементы нефти на дне образуют отложения. В результате разложения нефтепродуктов происходит химическое взаимодействие, при котором образуются вещества высокой токсичности [6].

• Предприятия нефтеперерабатывающей, химической, машиностроительной и других отраслей промышленности сбрасывают сточные воды, содержащие остатки нефтепродуктов, которые используются в технологических процессах.

• Разливы нефти при транспортировке морским и речным транспортом, а также утечки с автозаправочных станций и предприятий автосервиса являются значимыми источниками загрязнения.

• Аварийные ситуации на нефтепроводах, танкерах и буровых платформах приводят к масштабным разливам нефти, наносящим огромный ущерб экосистемам.

• Сточные воды от автомоек, гаражей, а также ливневые стоки с территорий, где эксплуатируется автотранспорт, содержат значительное количество нефтепродуктов [12].

2. Тяжелые металлы – это элементы с высокой атомной массой, которые могут оказывать токсическое воздействие на живые организмы даже в небольших концентрациях. К ним относятся такие металлы, как свинец, ртуть, кадмий, мышьяк и хром, особенно опасные из-за высокой токсичности [11].

Источники загрязнения сточных вод тяжелыми металлами многообразны и охватывают широкий спектр хозяйственной деятельности человека.

Основныеисточники:

• Промышленные сточные воды. Ключевым фактором загрязнения являются стоки от металлургических и горнодобывающих предприятий, а также заводов химической и легкой промышленности.

• Промышленные выбросы в атмосферу. Газодымовые выбросы, в том числе от тепловых электростанций и автотранспорта, содержат тяжелые металлы, которые оседают на поверхностях, загрязняя, таким образом водные источники и почву.

• Утилизация отходов. Неправильная обработка и утилизация промышленных, медицинских и бытовых отходов может приводить к попаданию тяжелых металлов в почву и водные источники.

• Транспорт. Выхлопные газы транспортных средств содержат свинец, кадмий, ртуть и другие тяжелые металлы, которые влияют на качество атмосферного воздуха и могут попадать в водные источники.

• Производство электроэнергии. Особенно при сжигании угля, происходит выброс оксидов тяжелых металлов в атмосферу, что приводит к их распространению и последующему попаданию в почву и воду [11].

3. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) — продукт, входящий в состав моющих средств. На поверхности воды, содержащей ПАВ, образуется плотная пена, которая препятствует поступлению кислорода на глубину [6].

В естественные водоемы, ПАВ поступают в значительных количествах с хозяйственно-бытовыми (использование синтетических моющих средств в быту) и промышленными сточными водами (текстильная, нефтяная, химическая промышленность, производство синтетических каучуков), а также со стоком с сельскохозяйственных угодий (в качестве эмульгаторов входят в состав инсектицидов, фунгицидов, гербицидов и дефолиантов) [9].

Последствия попадания загрязненных вод в экосистемы:

1. Дефицит пресной воды. Это может привести к снижению качества жизни как людей, так и животных, которые зависят от пресной воды.

2. Вред для здоровья. Ухудшение качества питьевой воды пагубно отражается на здоровье человека и животных. Химические загрязнения вызывают серьезные заболевания, отравления, кишечные инфекции и эпидемии.

3. Гибель и вымирание животных и рыб. Загрязнения водоемов приводят к болезням и гибели их обитателей: рыб, растений, моллюсков, микроорганизмов.

4. Цветение водоемов. Органика, удобрения, химические вещества, моющие средства и другие вещества при попадании в реки приводят к нарушению процессов в экосистеме, изменению качества воды и в результате приводят к цветению воды [6].

Наиболее предпочтительны физические методы электромагнитного и гидроимпульсного воздействия. Воздействие электрического и магнитного полей позволяет в зависимости от состава вызывать сопряженные процессы: электродиализ, электрофлотация, электрокоагуляция, кавитация с локальными гидравлическими ударами. Обработка воды интенсивным излучением на фоне электромагнитного воздействия позволяет в малогабаритных установках осуществлять окислительно-восстановительные процессы с озонированием воды [1].

К химическим методам очистки сточных вод относят нейтрализацию, окисление и восстановление. К окислительным методам относится также электрохимическая обработка. Их применяют для удаления растворимых веществ в замкнутых системах водоснабжения. Химическую очистку проводят иногда как предварительную перед биологической очисткой или после неё как метод доочистки сточных вод. Основными методами химической очистки являются окисление и нейтрализация [7].

Современные методы очистки воды используют различные технологии и процессы, чтобы удалить загрязнения и микроорганизмы из воды и сделать ее безопасной для употребления. Некоторые из самых распространенных методов очистки воды включают следующие [1]:

1. Фильтрация: метод, основанный на пропускании сточных вод через фильтрующие материалы для удаления твердых частиц металлов.

2. Флотация: метод, основанный на прикреплении частиц металла к пузырькам воздуха, что позволяет извлечь их из сточной воды.

3. Сорбция: метод, основанный на поглощении металлов различными сорбентами (например, активированным углем)[14].

Рассмотренные материалы имеют ряд преимуществ:

• Экологическая устойчивость: использование отходов производства для очистки воды способствует уменьшению их объемов и снижению негативного воздействия на окружающую среду.

• Экономическая эффективность: использование невостребованных ресурсов снижает затраты на закупку и производство природных материалов, а также логистику, так как большинство из них возможно применять непосредственно на участке их образования, что позволит акцентировать внимание на безотходности производства.

Однако существуют и недостатки:

• Как правило, отходы имеют различные состав и свойства в зависимости от их происхождения и методов обработки, что может затруднять их повсеместное использование.

• Предварительная обработка отходов/модификация увеличивает трудоемкость процесса и, как следствие, экономические затраты [14].

Биотехнология возлагает на себя главную роль в вопросах обеспечения защиты и охраны окружающей среды. Термин экология в классическом восприятии является биологической дисциплиной, которая изучает взаимодействия живых организмов, в том числе и человека с окружающей средой.

Биотехнологами были разработаны специализированные методы, в основу которых положены пути устранения экологических проблем связанных с переработкой бытовых и промышленных отходов, борьбой с загрязнениями различной степени, соединениями химических, физико-химических технологий с биологическими и созданием безвредных способов получения энергии, минерального сырья и пищи. Они нацелены на охрану окружающей среды с применением микроорганизмов, которые, в свою очередь, могут оказать существенное влияние в переработке отходов производств, в очищении природной среды от техногенных загрязнений [13].

В аэротенках очистка стоков происходит благодаря активному илу – сложной экосистеме микроорганизмов, находящихся во взвешенном состоянии. Сточная вода поступает в резервуар, где активно перемешивается с активным илом и насыщается кислородом. Этот кислород жизненно необходим для микроорганизмов, которые поглощают органические загрязнения, разлагая их на более простые и безопасные вещества, такие как углекислый газ и вода. Ключевым моментом здесь является поддержание оптимальных условий для активного ила. Важно контролировать содержание кислорода, pH и содержание питательных веществ. После процесса очистки активный ил отделяется от очищенной воды в отстойнике. Часть ила возвращается обратно в аэротенк для поддержания необходимой концентрации микроорганизмов, а избыточный ил удаляется.

Биофильтры, в отличие от аэротенков, используют прикрепленную биопленку для очистки стоков. Биопленка – это сообщество микроорганизмов, образующееся на поверхности загрузочного материала. В качестве загрузки могут использоваться различные материалы, такие как щебень, гравий, пластиковые элементы специальной формы (например, кольца Рашига или шары). Сточная вода равномерно распределяется по поверхности загрузочного материала и стекает вниз, омывая биопленку. Микроорганизмы в биопленке поглощают органические загрязнения из сточной воды, окисляя их. Для обеспечения жизнедеятельности микроорганизмов в биопленке необходим кислород, который поступает либо естественным путем (в биофильтрах с естественной вентиляцией), либо принудительно (в биофильтрах с искусственной вентиляцией) [2].

Учитывая обучение и развитие на самом высоком академическом уровне, биотехнология применение в огромном количестве различных отраслей. Она считается инновационным подходом, заменяющим большинство устаревших методов искусственными технологиями. Одним из ярких примеров в этой области является использование морских микроорганизмов путем сбора их генетических ресурсов; это вселяет огромные надежды в биомедицину и способствует развитию экологически чистых технологий будущего. Эта инициатива, основанная на результатах исследований, демонстрирует важность биоразнообразия и то, как оно способствует развитию человечества в деле создания более здоровой глобальной окружающей среды [8].

Ожидается, что биотехнологии изменят подход к решениям в сфере здравоохранения, основанным на новых инновациях в области синтетической биологии и персонализированной медицины. Всё более сложные подходы к здравоохранению требуют синтеза биологических соединений, который проложит путь к новаторским процессам экономически эффективного и высокоэффективного производства жизненно важных лекарственных средств и терапевтических средств. Технологические разработки позволят нам решать, по сути, некоторые из наиболее сложных задач в здравоохранении подходы к решению медицинских проблем [8].

Преимущества биотехнологических методов:

• Эффективность: Биотехнологические методы могут эффективно разлагать широкий спектр загрязняющих веществ, включая трудноразлагаемые соединения.

• Экологичность: Биотехнологические методы не требуют использования химических реагентов, что снижает их негативное влияние на окружающую среду.

• Экономичность: Биотехнологические методы могут быть более экономичными, чем традиционные методы очистки, особенно для обработки больших объемов загрязнений.

• Универсальность: Биотехнологические методы могут быть адаптированы к различным типам загрязнений и условиям окружающей среды [5].

Заключение

Биотехнологии играют ключевую роль в современной экологии и промышленности, выступая ключевым инструментом решения проблемы загрязнения водоёмов. Их значение определяется способностью обеспечивать естественную переработку органических загрязнений с помощью микроорганизмов. В отличие от традиционных методов, биотехнические подходы интегрируют биологические процессы с физико‑химическими технологиями, создавая комплексные решения для охраны окружающей среды и устойчивого производства.

Преимущества биотехнических методов очистки воды перед традиционными подходами очевидны и многогранны. Во‑первых, они демонстрируют высокую экологическую безопасность, не внося в воду дополнительных химических реагентов. Во‑вторых, биоочистка энергоэффективна – требует существенно меньше электроэнергии по сравнению с электродиализом, электрокоагуляцией или озонированием. В‑третьих, экономическая целесообразность достигается за счёт использования естественных биологических процессов, что снижает затраты на химические реагенты.

Чтобы биотехнологии в очистке воды развивались дальше, учёным и инженерам нужно сосредоточиться на нескольких важных задачах. Прежде всего – подобрать идеальные условия для жизни микроорганизмов. Также необходимо создать новые материалы, которые помогут надёжно закреплять микробные сообщества, и сделать активный ил устойчивее к ядовитым веществам. Кроме того, важно сочетать биоочистку с физическими и химическими методами, чтобы удалять не только органические, но и неорганические загрязнения, а также внедрять лабораторные разработки на крупных промышленных очистных сооружениях. Отдельно стоит изучить особые микроорганизмы – те, что живут в экстремальных условиях и в морской воде, а также активнее использовать цифровые технологии (датчики и искусственный интеллект) для контроля процессов. Наконец, необходимо разработать специальные системы очистки для разных отраслей промышленности, оценить долгосрочное влияние биотехнологий на экосистемы и создать стандарты их безопасного применения.

Список литературы

1. Аллабердиев А., Ходжанепесов Дж. и др. Современные методы очистки воды // Ceteris paribus . - 2024. - №2. - С. 25-27.

2. Аэротенки и биофильтры: принцип работы и различия в очистке промышленных стоков. Сравнение технологий биологической очистки сточных вод // EK-TOP URL: https://ek-top.ru/articles/santehnika/aeration-tanks-biofilters-industrial-wastewater-treatment/(дата обращения: 06.12.2025).

3. Биологический этап очистки сточных вод // Техметмаш URL: https://texmetmash.ru/o-kompanii/stati/biologicheskiy-etap-ochistki-stochnyh-vod(дата обращения: 01.12.2025).

4. Давлетшина А.Д. Загрязнение водоемов. Промышленная экология. // «Символ науки».-2016.-№12.-С. 266-267.

5. Дурдыев А., Велмаммедов С., Керимов Б. и др. БИОТЕХНОЛОГИИ МОГУТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ ДЛЯ ОЧИСТКИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ВОД И ПОЧВ НА НЕФТЕГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ // Ceteris paribus. - 2024. - №6. - С. 18-19.

6. Загрязнение воды // Семья URL: https://www.kp.ru/family/ecology/zagryaznenie-vody/(дата обращения: 06.12.2025).

7. ИБОЯН Д.Л., КОСОПЛЁТКИН М.В., БЕЛОВОДСКИЙ Е.А. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД // сборник трудов конференции . – Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2021. - С. 92-97.

8. Как раскрыть потенциал биологии и биотехнологии для мировой промышленности // Mikebio URL: https://www.mike-fermenter.com/ru/blog/unlocking-biology-s-industrial-potential/#-(дата обращения: 06.12.2025)

9. Курамшина Н.Г.,Потапова Ю.Ю. Геоэкологическая оценка водоемов, загрязненных синтетическими органическими соединениями // Биологические науки. - 2021. - №5-2(56). - С. 29-31.

10. Максимов С.П., Алексеев И.А. Обзор методов биологической очистки сточных вод // Технические науки – от теории к практике. - 2014. - №41

11. Очистка сточных вод от металлов // Экосервис URL: https://www.ecosvc.ru/about/blog/ochistka-stochnykh-vod-ot-metallov.htm(дата обращения: 06.12.2025).

12. Очистка сточных вод от нефтепродуктов // Центр экологии URL: https://centerecology.ru/blog/ochistka-stochnykh-vod-ot-nefteproduktov/(дата обращения: 06.12.2025).

13. ПРОХОРЕНКО А.С., РАКОЦА В.Г., ЖУРАВЛЕВА Т.А. РОЛЬ БИОТЕХНОЛОГИЙ В ОБЕСПЕЧЕНИИ БЕЗОПАСНОСТИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ // сборник трудов конференции. - Орел: Орловский государственный университет им. И.С. Тургенев, 2018. - С. 586-590.

14. А.В. Собенин, Н.Ю. Антонинова, А.В. Горбунов, Д.Р. Якупов ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОТХОДОВ В ЦЕЛЯХ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2024. - №12-1. - С. 47-66.

15. Что такое биологическая очистка сточных вод // ТополЭко URL: https://www.topol-eco.ru/articles/chto-takoe-biologicheskaya-ochistka-stochnykh-vod/(дата обращения: 06.12.2025)