1. Механические методы. Сущность этих методов состоит в том, что из сточных вод путем отстаивания и фильтрации удаляют механические примеси. Механическая очистка позволяет выделять из бытовых сточных вод до 60–75% нерастворимых примесей, а из промышленных – до 95%.
2. Химический метод. В сточные воды добавляют различные реагенты (AL2(SO4)3), которые вступают в реакцию с загрязнителями и осаждают их в виде нерастворимых осадков. Химическая очистка уменьшает количество нерастворимых примесей до 95%, а растворимых – до 25%.
3. Физико-химические методы используют для удаления тонкодисперсных и растворенных неорганических примесей, а также разрушения органических и плохо окисляемых веществ. В арсенал этих методов входят электролиз, окисление, сорбция, экстракция, ионообменная хроматография, ультразвук, высокое давление и др.
4. Биологический метод основан на использовании закономерностей биохимического и физиологического самоочищения рек и других водоемов. Для очистки сточных вод используют биофильтры, биологические пруды и аэротенки.
В биофильтрах (перколяционные фильтры известны с1890г.) сточные воды пропускают через слой крупнозернистого материала, покрытого тонкой бактериальной пленкой, благодаря которой интенсивно протекают процессы биологического окисления. С 1970 г. на смену клинкеру и гравию, в качестве пористого материала, пришли пластмассы.
Аэротенки – огромные резервуары из железобетона, в которых очистка происходит с помощью активного ила (известен с 1914 г.) из бактерий и микроскопических животных, которые бурно развиваются в этих сооружениях, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего с потоком подаваемого воздуха. Процесс более эффективен, чем фильтрация, но характеризуется высокими эксплуатационными расходами (аэрация).
С 1980 г. и по сей день в технологии очистки сточных вод применяется принцип «псевдоожиженного слоя» – сочетание первых двух систем. Реализуется этот принцип в уловителе Саймона-Хартли (периодическое наращивание биомассы проводят в пустотах пористого полиэфира) и оксигенаторе Дорра – Оливера (подложкой служит песок).
После биоочистки проводят хлорирование жидким хлором или хлорной известью. Для дезинфекции используют также ультразвук, озонирование, электролиз.
Микробное выщелачивание
Методы извлечения меди из пород, содержащих минералы, путем обработки их кислыми растворами используются уже много веков. Однако лишь в 50-е и 60-е годы ХХ века выяснилось, что в получении металлов из минералов решающую роль играют бактерии[4]. В 1947 г. Колмер и Хинкл выделили из шахтных дренажных вод бактерию Tiobacillus ferrooxydans. Этот организм окислял двухвалентное железо и восстанавливал серосодержащие соединения, а также, возможно, и некоторые металлы. Вскоре оказалось, что он участвует в переводе меди из рудных минералов в раствор.
Окислительным процессом, катализируемым бактериями, является окисление железа,
4FeSO2 + O2 + 2H2SO4 = 2Fe2 (SO4)3 + 2H2O, (1)
и окисление серы,
S8 + 12O2 + 8H2O = 8H2SO4. (2)
Ряд минералов непосредственно окисляется некоторыми выщелачивающими организмами. Примерами такого рода могут быть окисление пирита,
2FeS2 + 15O2 + 2H2O = 2Fe2 (SO4)3 + 2H2SO4, (3)
и сфалерита,
ZnS + 2O2 = ZnSO4. (4)
Ион трехвалентного железа служит сильным окисляющим агентом, переводящим в раствор многие минералы, например халькоцит,
Cu2S + 2Fe2 (SO4)3 = 2CuSO4 + 2Fe2SO4 +Sº, (5)
и уранинит,
UO2 + Fe2 (SO4)3 = UO2SO4 + 2FeSO4. (6)
Выщелачивание, происходящее при участии иона трехвалентного железа, который образуется в результате жизнедеятельности бактерий, называют «непрямой» экстракцией. В настоящее время бактериальное выщелачивание, известное также как биогидрометаллургия или биоэкстрактивная металлургия, применяется в промышленных масштабах для перевода в растворимую форму меди и урана.
Выщелачивание медных отвалов. Для начала процесса выщелачивания отвал смачивают водой, подкисленной серной кислотой до рН 1,5–3,0. Этот кислый раствор, или «выщелачиватель», просачивается сквозь бедную руду или отвальные материалы. Он содержит кислород и углекислый газ и создает благоприятную среду для размножения ацидофильных гиобацилл, широко распространенных в сульфидных рудах. В некоторых случаях содержание Tiobacillus ferrooxydans превышает 106 клеток на 1 кг породы и на 1 мл выщелачивающего раствора. Этот организм активно окисляет растворимые ионы двухвалентного железа (1) и воздействует на серу – и железосодержащие минералы (2) (3). При окислении медно-сульфидных минералов нередко образуется элементарная сера (5). Эта сера маскирует частицы минералов, ограничивая воздействие на них со стороны трехвалентного железа. T. Ferrooxydans, присутствующая в количестве 103-105 клеток на 1 г породы и на 1 мл выщелачивающего раствора, окисляет некоторые растворимые соединения серы и элементарную серу (2). Разрушение серы этим организмом приводит к удалению маскирующего слоя серы, окружающего некоторые частицы минералов, и усиливает процесс выщелачивания. Из выщелачиваемых отвалов вытекают растворы, содержащие 0,75–2,2 г меди в 1 л. Эти растворы направляют в отстойники; медь из них получают путем осаждения с использованием железа или экстракцией растворителями. «Отработанные» выщелачивающие растворы вновь поступают в отвал.
Выщелачивание урана. Бактериальное выщелачивание урана применяли в восточных районах Канады для извлечения остаточного урана на уже выработанных площадях, а также из отвалов. Для роста бактерий достаточно 3–4 месяцев, за это время T. ferrooxydans окисляет железо до трехвалентного состояния. Затем трехвалентное железо окисляет восстановленный уран до растворимого окисленного состояния в соответствии с реакцией (6). Промывные воды, содержащие уран, собирают и извлекают из них уран с помощью ионного обмена либо экстрагируют растворителями. Бактериальное выщелачивание применялось в Канаде и в качестве первичного средства для получения урана. Рудное тело разрушали взрывом и осуществляли выщелачивание in situ.
Практическое применение бактериального выщелачивания сдерживается по ряду причин. Главное препятствие заключается в том, что процесс еще плохо исследован как на опытных установках, так и в полевых условиях. Процессы бактериального выщелачивания нередко протекают медленнее, чем химические процессы. Для бактерий, окисляющих железо и серу, требуется кислая среда. Поэтому для переработки непригодны руды и отходы, поглощающие кислоты в большом количестве. При подземном выщелачивании с помощью растворов следует принимать во внимание такие факторы, как влияние на активность бактерий повышенного гидростатического давления и гипербарической оксигенации.
Биотехнология многолика и по своим историческим корням, и по своей современной структуре, объединяющей элементы фундаментальных наук и прикладных исследований. Её развитие позволяет существенно повышать эффективность использования природных ресурсов, решать экологические проблемы, создавать новые источники энергии. Очевидно, что новые «скачки» биотехнологии глубоко скажутся на судьбе человечества.
Именно поэтому мы считаем необходимым более подробное изучение данного раздела в школьном курсе химии и предлагаем разработку методических рекомендаций, позволяющих сделать данное изучение наиболее эффективным.
2. Содержание вопросов биотехнологии в школьном курсе химии
2.1 Анализ школьных программ и учебников[15]
Основными идеями современной концепции школьного химического образования являются идеи гуманизации и демократизации образования, согласно которым «следует преодолеть отчуждение науки и производства от человека. В процессе обучения химии необходимо раскрывать связь между химическими знаниями и повседневной жизнью человека… [10]»
Программа В.В. Пасечника для 11 класса в курсе общей биологии содержит тему «основы селекции и биотехнологии». Затрагиваются следующие вопросы: микробиологическое производство пищевых продуктов, витаминов, ферментов и лекарств, проблемы и перспективы биотехнологии, генная инженерия её достижения и перспективы.
В.Б. Захаров в программе, рекомендованной для 10–11 классов с углубленным изучением биологических дисциплин в курсе общей биологии в теме «основы генетики и селекции» также затрагивает биотехнологию и генетическую инженерию.
Необходимо отметить, что если базовый стандарт по химии не предусматривает изучение вопросов биотехнологии, то таковой по биологии содержит наиболее общие её аспекты: достижения генной инженерии и перспективы биотехнологии.
2.2 Межпредметные связи по изучению аспектов биотехнологии в средней школе
По программе Р.Г. Ивановой и Л.А. Цветкова в 10 классе предусмотрено изучение темы «промышленное получение важнейших неорганических веществ» (15 часов), при этом затрагивается вопрос охраны окружающей среды от загрязнения. Считаю уместным затрагивание темы переработки отвалов металлургических предприятий биологическими методами (микробное выщелачивание).
О.С. Габриелян предлагает в 9 классе тему-модуль «химические вещества в сельском хозяйстве» (5 ч.). При рассмотрении проблемы защиты окружающей среды от пестицидов возможно акцентирование внимания учащихся на современных разработках в этой области (ГМ растения, резистентные к пестицидам и вредителям). В модуле «химия и экология» (9 кл. 5 ч.) рассматриваются основные источники загрязнений гидросферы и современные способы очистки сточных вод.
В учебнике О.С. Габриеляна, Ф.Н. Маскаева, С.Ю. Пономарёва, В.Н. Терёнина для 10 класса рассматривается тема «биологическиактивные соединения» затрагивающая применение ферментов в промышленности, а также гормональные препараты, витамины и антибиотики. Т.о. здесь уместно рассмотрение основных биотехнологических приёмов получения данных БАВ.