Scienty

Фото: img.freepik.com

Использование удобрений способствует поддержанию и увеличению урожайности на 30-40%, что существенно укрепляет продовольственную безопасность и повышает экономическую эффективность сельского хозяйства. В связи с тем, что создание безотходного производства в России является одной из приоритетных задач национального проекта «Экологическое благополучие», струвит сегодня представляется особенно ценным удобрением. Он производится из отходов сточных вод, содержащих азот и фосфор, что позволяет осуществлять их очистку. Дополнительным преимуществом является то, что, в отличие от других видов удобрений, он медленно растворяется в почве и не вымывается дождем, сохраняя свои полезные свойства на протяжении всего сезона. Тем не менее, сам процесс производства струвита не является полностью безотходным: из-за малого размера кристаллов в очищенной воде остается приблизительно 1% частиц. Содержащиеся в них фосфор и азот даже в таком небольшом количестве способны вызвать цветение водоемов и, как следствие, привести к гибели их обитателей. Ученые Пермского Политеха разработали технологию производства струвита, не образующую отходов, которая позволяет утилизировать его остатки с помощью дрожжей. Данная методика обеспечивает удаление 100% аммонийного азота и 96,7% фосфора, что гарантирует абсолютную чистоту воды.

Результаты исследования опубликованы в статье. Работа по исследованию была выполнена в соответствии с программой стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».

Растениям для нормального роста и развития необходимы два важнейших компонента: азот и фосфор. Азот служит основным веществом, из которого формируются белки, хлорофилл и нуклеиновые кислоты. Благодаря ему обеспечивается быстрый прирост зеленой массы, насыщенный оттенок листвы и общее здоровье растений. Фосфор, в свою очередь, играет незаменимую роль в процессах энергетического обмена в клетках, способствует формированию развитой корневой системы, ускоряет цветение и созревание плодов, а также усиливает сопротивляемость болезням и неблагоприятным условиям.

Как правило, растения поглощают азот и фосфор из окружающей среды, получая их из атмосферы и в процессе разложения органики, такой как навоз или компост. Тем не менее, в интенсивном сельском хозяйстве или на почвах с повышенной кислотностью и песчаных грунтах, природных ресурсов может быть недостаточно – питательные вещества теряются с дождевыми водами или усваиваются микроорганизмами. В результате, для получения высоких урожаев необходимы дополнительные удобрения, особенно в регионах с неблагоприятными климатическими и почвенными особенностями, как, например, на Северо-Западе России.

Традиционные удобрения характеризуются высокой растворимостью. Несмотря на то, что они способствуют росту урожая, значительная часть азота и фосфора – до 50% – вымывается из почвы после полива или дождя, что приводит к загрязнению водоемов. В связи с этим все большую популярность приобретает струвит – «умное» удобрение, получаемое путем переработки сточных вод. В отличие от обычных удобрений, он обеспечивает постепенную передачу азота и фосфора растениям, медленно растворяясь в почве на протяжении всего сезона, что позволяет повысить степень усвоения питательных веществ до 90%. Также струвит уменьшает негативное воздействие на окружающую среду и является экономически целесообразным решением в долгосрочной перспективе.

– Современная технология позволяет извлекать струвит с минимальными отходами. На первом этапе сточные воды, содержащие азот и фосфор, направляются в реактор, где добавляют раствор магния. После этого магний, аммоний и фосфат взаимодействуют, формируя небольшие кристаллы струвита. Они выпадают в осадок, их отделяют от воды, подвергают сушке – и получают удобрение для растений, – рассказывает Дарья Нестерова, студентка кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ.

Данная технология обладает преимуществом, заключающимся в том, что для проведения синтеза не нужен избыток исходных веществ, а также в сточные воды не попадает значительное количество фосфора и азота. Тем не менее, получаемые кристаллы имеют очень малый размер, поэтому до 1% их массы всё равно может проникать через фильтры и оказывать влияние на очищенную воду. Хотя концентрация в 1% может казаться несущественной, она способна спровоцировать цветение ядовитых водорослей, вызвать гибель рыбы и сделать воду непригодной для использования в питьевых и рекреационных целях.

Для уменьшения указанных рисков необходимо полностью удалять частицы струвита, которые прошли через систему. На текущий момент для этой цели применялись микроорганизмы, потребляющие эти вещества, а именно – зеленые микроводоросли Chlorella sp., Scenedesmus sp. При значительных концентрациях фосфора они оказываются неэффективными и не способны к переработке нерастворимых соединений.

В ходе исследований специалисты ПНИПУ разработали метод, который позволяет применять дрожжи Yarrowia lipolytica. Изучали, как эти дрожжи могут использоваться для очистки сточных вод от струвита. Сначала дрожжи культивировали в жидкой среде в течение одиннадцати дней. Затем, на втором этапе эксперимента, в них добавили порошок струвита и наблюдали за изменениями кислотности среды при температуре 20°C. Это позволяет оценить эффективность растворения струвита под воздействием дрожжей.

– Эксперимент показал, что Yarrowia lipolytica эффективно очищают воду от остатков удобрения. При добавлении 1 г/л их рост ускорялся, но при повышении концентрации до 2 г/л – замедлялся из-за «передозировки». При добавлении даже такой критически высокой концентрации струвита дрожжи смогли удалить 100% аммонийного азота и 96,7% фосфора. То есть идеально справились со своей задачей, – комментирует Юлия Кузнецова, доцент кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ, кандидат технических наук.

Для оценки возможности повторного использования очищенной воды после эксперимента провели анализ. Результаты, полученные с помощью инфракрасного спектрометра, показали ее чистоту и пригодность для повторного синтеза струвита.

Разработанная учеными из Пермского Политеха методика обеспечивает полное удаление азота из сточных вод и снижение концентрации фосфора на 96,7%. Это позволяет организовать замкнутый цикл водопользования на предприятиях по производству удобрений и существенно сократить потребление воды.

Использование данной технологии на промышленных объектах поможет избежать загрязнения рек и озер азотом и фосфором, обеспечивая сохранение чистоты водоемов. Благодаря технологии производство струвита становится полностью безотходным. Это движение к более экологичному и устойчивому сельскому хозяйству.

Информация предоставлена пресс-службой ПНИПУ