У Ч Е Б Н И К  Д Л Я  В Ы С Ш Е Й  Ш К О Л Ы
У Ч Е Б Н И К  Д Л Я  В Ы С Ш Е Й  Ш К О Л Ы
У Ч Е Б Н И К  Д Л Я  В Ы С Ш Е Й  Ш К О Л Ы

ПРИКЛАДНАЯ
ЭКОБИОТЕХНОЛОГИЯ 

В ДВУХ ТОМАХ

1

Москва
БИНОМ. Лаборатория знаний

2015

3-е издание (электронное)

Допущено
Учебно-методическим объединением 
по образованию в области 
химической технологии и биотехнологии  
в качестве учебного пособия для студентов, 
обучающихся по специальности
«Биотехнология»

УДК 504.06+574+663.1
ББК 30.16:20.1я73
П75

С е р и я о с н о в а н а в 2009 г.
А в т о р с к и й к о л л е к т и в:
А. Е. Кузнецов, Н. Б. Градова, С. В. Лушников, М. Энгельхарт,
Т. Вайссер, М. В. Чеботаева

П75
Прикладная экобиотехнология [Электронный ресурс] : учеб-
ное пособие : в 2 т. Т. 1 / А. Е. Кузнецов [и др.]. — 3-е изд. (эл.). —
Электрон. текстовые дан. (1 файл pdf : 672 с.). — М. : БИНОМ.
Лаборатория знаний, 2015. — (Учебник для высшей школы). —
Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10".
ISBN 978-5-9963-2626-6 (Т. 1)
ISBN 978-5-9963-2631-0
В учебном пособии, написанном опытными преподавателями, извест-
ными учеными и технологами из России и Германии, систематизирован
и обобщен материал по биологическим, инженерным, эколого-экономиче-
ским основам, практическим методам и способам реализации современной
биотехнологии для решения задач охраны окружающей среды. В томе 1
рассмотрены методы биологической очистки загрязненных вод, дезодорации
газовоздушных выбросов, переработки органических отходов (в том числе
полимерных материалов) и ремедиации почв.
Для студентов, преподавателей вузов, аспирантов, научных работников,
инженеров-технологов и других специалистов по биотехнологии, решаю-
щих задачи охраны окружающей среды и рационального использования
природных ресурсов.
УДК 504.06+574+663.1
ББК 30.16:20.1я73

Деривативное
электронное
издание
на
основе
печатного
анало-
га:
Прикладная
экобиотехнология
:
учебное
пособие
:
в 2 т.
Т. 1
/
А. Е. Кузнецов [и др.]. — 2-е изд. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний,
2012. — 629 с. : ил., [4] с. цв. вкл. — (Учебник для высшей школы). —
ISBN 978-5-9963-0778-4 (Т. 1); ISBN 978-5-9963-0777-7.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать
от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-9963-2626-6 (Т. 1)
ISBN 978-5-9963-2631-0
c○ БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010

2

ПРЕДИСЛОВИЕ

Экологическая биотехнология – одна из важнейших областей развития и прикладно-
го применения биотехнологии, направленная на решение природоохранных задач спец-
ифическими биотехнологическими методами, сочетающая химические, биологические 
и инженерные знания с профессиональными навыками микробиолога и химика-ана-
литика, геохимика и гидробиолога, почвоведа и агротехника, фито- и зооценолога, по-
пуляционного генетика и эколога, токсиколога и эпидемиолога, менеджера, владеюще-
го вопросами экологического и нормативного законодательства, оценки риска, работы 
с геоинформационными системами, инженерного строительства.
Предлагаемая книга подготовлена коллективом авторов, объединивших опыт пре-
подавания дисциплины «Экобиотехнология» на кафедре биотехнологии Российского 
химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева с практическим опы-
том реализации передовых природоохранных технологий в России, странах Западной 
Европы и других. Она дополняет и развивает материал изданной в 2006 г. книги «Науч-
ные основы экобиотехнологии»1, в которой впервые в отечественной литературе была 
предпринята попытка систематизации и обобщения знаний, составляющих научную 
основу биотехнологических методов, используемых для охраны окружающей среды. 
В ней были освещены основные особенности организации и функционирования 
природных экосистем и сред (водных, почвенных), приоритетные загрязнения и от-
ходы, особенности микроорганизмов, применяемых для переработки и обезврежива-
ния различных загрязнений, абиотических и биотических процессов, протекающих 
в различных средах при миграции и трансформации загрязнений, и основных факто-
ров, влияющих на эти процессы, ключевые научные проблемы, возникающие в связи 
с реализацией экобиотехнологий.
В настоящем учебном пособии рассмотрены вопросы, включающие инженерно-
технологические аспекты использования экологических биотехнологий и мето-
дов, принципы работы и наиболее важные конструкции промышленных аппаратов 
и сооружений биологической очистки, специфика различных организмов и их со-
обществ, предназначенных для биологической очистки водных и почвенных сред, 
воздуха, природных водоемов, переработки различных отходов деятельности чело-
века, эколого-экономические основы природоохранной деятельности и использо-
вания экобиотехнологий. Определенное внимание уделено методам и технологи-
ям, предназначенным для удаления таких приоритетных загрязнений, как нефть 
и нефтепродукты, тяжелые металлы, а также биодеградации и биокоррозии различ-
ных материалов, предотвращению биокоррозии, биоповреждений и биообрастаний, 
получению и модификации «экологически дружественных» полимеров, биоиндика-
ции и биомониторингу. 

1 Кузнецов А. Е., Градова Н. Б. Научные основы экобиотехнологии. – М.: Мир, 2006. – 504 с.

Предисловие

Для того чтобы избежать чрезмерного усложнения и увеличения объема 
книги, в ней приведен лишь необходимый минимум формул и расчетов, важ-
ных для понимания сути наблюдаемых зависимостей и изменений, для выбо-
ра того или иного инженерно-технологического и природоохранного решения. 
Подробные расчеты приведены в технической литературе, учебниках, учебных 
пособиях и нормативных документах. Список некоторых из них находится 
в конце книги.
Учебное пособие предназначено для студентов и аспирантов, обучающихся 
по специальности и направлению «Биотехнология». Книга может быть исполь-
зована студентами вузов, обучающимися по направлению «Охрана окружающей 
среды и рациональное использование природных ресурсов». Много полезного 
могут почерпнуть здесь преподаватели колледжей, высших учебных заведений 
при организации учебного процесса и подготовке лекционных курсов, научные 
работники, инженеры-технологи и другие специалисты, использующие биотех-
нологию для решения экологических задач.
Часть материала рукописи книги была подготовлена в рамках гран-
та, выделенного Федеральной целевой программой «Интеграция», а также 
по программе научно-образовательных проектов, выполнявшихся в РХТУ 
им. Д. И. Менделеева при поддержке компании BP. Дополнительную спон-
сорскую поддержку при подготовке книги оказали фирма ЭнвироХеми (Гер-
мания), которая является одним из мировых лидеров в области реализации 
современных технологий анаэробно-аэробной очистки производственных 
сточных вод, и НТО «Приборсервис» – одна из ведущих фирм России в обла-
сти очистки нефтезагрязненных природных и техногенных сред, активно ис-
пользующая биотехнологические способы ремедиации на основе существую-
щих и собственных научно-технических разработок и выпускаемого фирмой 
специализированного оборудования.

ВВЕДЕНИЕ

Направление исследований и практической деятельности, использующее биотехноло-
гические процессы, объекты и продукты для решения экологических проблем, – сфера 
экологической биотехнологии (экобиотехнологии).
Экобиотехнология изучает, разрабатывает и применяет такие уже доста-
точно развитые технологии и методы, как биологическая очистка сточных вод 
(в аэротенках, на биофильтрах), переработка органических отходов (приготовление 
компостов, анаэробное сбраживание в метантенках и реакторах других конструк-
ций, получение кормовых добавок и биоудобрений), биологическая дезодорация 
газов, а также сравнительно новые, применяемые для очистки загрязненных почв 
(биоремедиация почв), донного ила, осадков, водоемов, восстановления плодоро-
дия земель, получения и модификации «экологически дружественных» полимеров, 
поверхностно-активных веществ и других материалов и соединений с полезными 
свойствами, предотвращения коррозии, повреждений и обрастаний, в мониторин-
ге и индикации. 
Проблема загрязнения окружающей среды волновала человека еще 5000 лет на-
зад. Уже в Древнем Риме воды Тибра были непригодны к употреблению, поэтому 
строили акведуки для снабжения населения свежей водой (знаменитый римский 
водопровод был построен за 400 или 500 лет до н. э.), а нечистоты удаляли в море 
по сточным каналам. Для многих городов Европы эта проблема стала актуальной в 
Средние века. Указом Карла VII ассенизаторам запрещалось выливать содержимое 
выгребных ям непосредственно в Сену. В 1388 г. в Англии был принят первый закон, 
направленный на охрану качества воды. В Лондоне того времени бытовые и произ-
водственные отходы вывозили и сваливали в Темзу, что привело к значительному за-
грязнению ее русла. Принятый закон запрещал дальнейший сброс отходов в черте 
города.
В Москве к концу XVIII в. были загрязнены реки Неглинная и Яуза, мно-
гие пруды, так как развитие ремесленного дела и строительство промышленных 
предприятий велись, как правило, вдоль Москва-реки, Яузы, Сетуни, откуда лег-
че было брать воду и куда удобно было сбрасывать стоки. В то время население 
Москвы пользовалось водой из рек, прудов и колодцев, хотя уже действовали не-
сколько местных водопроводов (в Кремле, в Измайлово). В 1767 г. Екатерина II 
издала указ, в котором предписывалось «… накрепко запретить и неослабно того 
наблюдать, чтобы в  Москва-реку и протчие через город текущие воды никто ни-
какого сору и хламу не бросал и на лед нечистот не вывозил». В результате со 
второй половины XVIII столетия в Москве было начато строительство первой си-
стемы централизованного водоснабжения.
Сооружение туалета вне дома оставалось самым обычным способом избавле-
ния от человеческих экскрементов вплоть до конца XIX в. Стоки, попадающие от-
туда в питьевую воду, вызывали заболевания, особенно в городах, где туалеты и пи-
тьевые колодцы находились недалеко друг от друга. С появлением туалетов со 
смывом, вода из которых направлялась в ливнестоки, канализационные отходы 
сбрасывались прямо в естественные водоемы. К концу 1870-х гг. многие водоемы 
в наиболее промышленно развитых городах были настолько засорены мертвой 

Введение

рыбой и так неприятно пахли из-за обеднения кислородом, что представляли со-
бой серьезную угрозу для здоровья людей. 
Согласно одному из документов, датированных 1907 г., вода Темзы в райо-
не Гринвича во время отлива после очистки от жиров и нечистот и удаления за-
паха становилась таким крепким напитком, который буквально валил с ног даже 
моряков. Как писал в 1928 г. В. Л. Омелянский: «Вода реки, протекающей через 
один из крупных промышленных городов Англии – Брадфорд, была настоль-
ко загрязнена фабричными и городскими отбросами, что исследовавшая ее са-
нитарная комиссия написала свой отчет, пользуясь ею как чернилами» (цит. по 
П. Бертокс, Д. Радд, 1980).
Систематические поиски способов обработки отходов, очистки сточных вод и 
строительство канализационных сетей в городах начались лишь с середины XIX в. 
В то время Луи Пастером и другими микробиологами было установлено, что мно-
гие инфекционные заболевания вызываются бактериями, присутствующими в ка-
нализационных стоках, а необработанные сточные воды, сбрасываемые в водоемы, 
являются переносчиками инфекций.
В России в 1884 г. было создано учреждение, осуществлявшее санитарный над-
зор за промышленными, торговыми и коммунальными объектами. В 1891 г. про-
фессором Ф. Ф. Эрисманом была открыта в Москве первая в России санитарно-
эпидемиологическая станция (СЭС). Им же были разработаны санитарные вопросы 
строительства в Москве водопровода и канализации. В 1891 и 1892 гг. были прове-
дены первые гидрохимические и гидробиологические обследования, в отчетах от-
мечалось загрязнение воды фабричными и бытовыми стоками. 
С началом промышленной революции в странах Европы и Северной Америки 
загрязнение водоемов, угрожающее здоровью и жизни горожан, стало возрастать 
особенно резкими темпами.
Таким образом, к началу XX в. проблемы загрязнения водоемов и очистки город-
ских (бытовых и промышленных) стоков стали особенно важными.
В Москве до конца XIX в. значительное количество бытовых отходов остава-
лось в городе. В то время удаление твердых отходов из города проводилось либо 
хозяйственным, либо подрядным способом. Мусор свозился на свалки. Нечистоты 
вывозились ассенизационными обозами на свалки и огороды, сливались в пруды. 
Из-за слива нечистот в Великий (Красносельский) пруд его площадь сократилась 
с 23 га до 9 га к концу века. Обезвреживание отбросов проводилось только на од-
ной свалке на Сукином болоте. В начале своего существования свалки находились 
вдали от жилья, но с ростом города жилье приблизилось к нездоровым местам, воз-
никла проблема утилизации отходов.
Во многих городах уже тогда существовали системы отвода ливневых вод, но спу-
скать в них человеческие отходы было запрещено. Однако ввиду остроты ситуации та-
кое решение быстро отменили. В Англии во избежание загрязнения городов в 1847 г. 
был принят Законодательный акт об улучшении городских условий, предписывающий 
местным властям сбрасывать твердые отходы в реки.
Рост числа отходов, особенно твердых, на одного городского жителя, достиг-
ший в XX в. в наиболее промышленно развитых странах нескольких сотен кг в год, 
привел к развитию методов переработки твердых отходов.

Введение

С увеличением численности населения и развитием городов менялись природ-
ные условия и формировались специфические городские ландшафты. Сильным 
изменениям подвергались растительный и животный мир, сводились леса, боль-
шая часть пригодных для земледелия земель распахивалась. Последствия экстен-
сивного ведения хозяйства начали проявляться уже к концу XVIII – началу XIX вв.: 
наблюдались падение урожайности и рост эрозии почвы, неуклонно уменьшалось 
содержание гумуса в пахотных почвах.
Для поддержания плодородия требовалось регулярное внесение органических 
удобрений. В XVIII–XIX вв. начались исследования способов повышения плодоро-
дия почв на научной основе.
По мере развития земледелия и роста городов, изъятия полезных руд и ми-
нералов, сведения лесов, распашки полей, строительства дамб и каналов, роста 
количества загрязнений трансформация почвы становилась все более интенсив-
ной, снижалось плодородие, нарушались естественные процессы самоочище-
ния почв и во многом менялись их роль и функции. В результате в Европе уже 
к началу XX в. девственные леса и почвы в основном были «окультурены». Это 
вызвало необходимость развития методов восстановления поверхностного слоя
и свойств почв (рекультивации, реабилитации, мелиорации).
Рост объемов потребляемого органического топлива, появление железных до-
рог, автомобильного транспорта, развитие промышленности привели к выде-
лению в атмосферу большого количества вредных выбросов: газов (прежде все-
го оксидов серы и азота, монооксида углерода) и твердых частиц (сажи, пыли). 
К середине XX в. загрязнение атмосферы этими вредными примесями в крупнейших 
промышленных городах достигло критического предела, что стимулировало развитие 
методов очистки газов и газовоздушных выбросов, в том числе биологической очистки. 
С развитием промышленности и сельского хозяйства, ростом городов стала 
очевидна необходимость принятия мер для улучшения среды обитания человека. 
К концу XIX в. состояние науки и инженерного дела позволило вплотную занять-
ся проблемами удаления загрязнений и отходов. В наибольшей степени уделялось 
внимание развитию городского коммунального хозяйства и очистке сточных 
вод.
В США к тому времени были разработаны способы очистки от загрязне-
ний смеси дождевой и канализационной воды и построены первые водоочист-
ные сооружения. Была осознана необходимость создания приспособлений для 
очистки сточных вод и было признано, что ливневые и канализационные стоки 
следует собирать раздельно, поскольку очищать их суммарный объем нерацио-
нально. Постепенно появились правила, требующие создания раздельных си-
стем: ливнестоков для сбора и отведения в ручьи дождевой воды и санитарной 
канализации, принимающей воду из расположенных в зданиях раковин, ванн 
и туалетов и направляющей ее на водоочистные сооружения. В 1914 г. был при-
нят первый стандарт на питьевую воду.
В конце XIX в. к строительству канализационной системы, а также ливнесточ-
ной канализации для отвода талых и дождевых вод приступили и в Москве. Работы 
начались в сентябре 1893 г. Для строительства потребовалось принять специаль-
ный указ о принудительном отчуждении земель для канализационных сооружений. 

Введение

К  1917 г. канализацию имели 28% домовладений. Это были в основном дома, рас-
положенные в центре города. Сооружения канализации принимали сточные воды 
в количестве 90 тыс. м3/сут. 
Первоначально сточные воды с неприятными загрязнениями просто текли 
вдоль открытых канав и использовались установки механической очистки в виде 
бассейна-отстойника (очистного пруда) для осаждения находящихся в сточных во-
дах твердых частиц и тем самым предотвращения засорения канализации и образо-
вания продуктов гниения, распространяющих дурной запах. Первыми примерами 
таких устройств являются «дортмундские эмсские колодцы», нашедшие приме-
нение во всем мире, а также поля орошения. Осажденный ил из колодцев удаляли 
и складировали на свалках. 
Сточные воды, подаваемые для обезвреживания на специально подготовленные 
поля (поля орошения), просачивались через песчаный грунт, отфильтровывались 
и осветлялись. Такой метод использовался во многих городах Германии в течение де-
сятилетий. На сахарных заводах России стали применять этот метод еще в 90-е гг. XIX в., 
а с началом XX в. – использовать для очистки муниципальных стоков. В Москве канали-
зационные стоки первоначально  поступали на Люблинские поля орошения, под которые 
было приспособлено 76 га земли (одним из организаторов Люблинских полей орошения 
был В.Р. Вильямс). В последующем в дополнение к Люблинским полям были созданы 
Люберецкие поля фильтрации. Их общая мощность составляла 250  тыс. м3/сут. Поля оро-
шения и очистные пруды и до настоящего времени не утратили своего значения. Очистка 
сточных вод в них протекает в условиях, близких к естественным.
Предпринимались также попытки химической очистки сточных вод с помощью 
различных осадителей: известняка, солей железа и алюминия, которые, однако, не 
давали желаемых результатов.
В 1865 г. А. Мюллер предложил бактериальную очистку сточных вод, при которой, 
как он отмечал, «различные – главным образом микроскопически маленькие – жи-
вотные и растительные организмы используют органически связанную энергию для 
обеспечения своей жизнедеятельности» (цит. по П. Бертокс, Д. Радд, 1980). Способ об-
работки сточных вод, предложенный Мюллером, использовался на заводах по произ-
водству свекловичного сахара.
Биологические методы очистки сточных вод постепенно совершенствовались. 
Примерно в то же время получил применение способ очистки воды от органических 
веществ с использованием капельного фильтра. Бактерии развивались и удерживались 
на среде-носителе, в качестве которой чаще всего использовался слой песка. Первые 
биофильтры появились в 1893 г. в Англии, а в 1908 г. – и в России. Кислород подавался 
с помощью вентиляции или путем естественной тяги. Сточные воды 6 часов в сутки сли-
вались на грунт, остальное время суток вода не подавалась. При таком методе удавалось 
очистить около 1000 м3 стоков в сутки на 1 га песчаного слоя. По тем временам его исполь-
зование для очистки сточных вод такого крупного города, как Лондон, потребовало бы 
около 800 га подходящих земель. Метод капельного фильтра (или перколяционного слоя) 
в дальнейшем был модернизирован – вместо песка стали использовать другие фильтрую-
щие материалы и конструкции фильтров – и получил широкое распространение.
Параллельно с созданием системы очистки с капельным фильтром осуществля-
лась разработка такой системы, в которой микроорганизмы находились бы во взве-

Введение

шенном состоянии в очищаемой воде. Первые системы такой обработки представляли 
собой мелкие пруды: биологические пруды или лагуны. В 1914 г. была предложена систе-
ма аэробной биологической очистки с активным илом. По новому способу время, необ-
ходимое для окисления загрязнений сточных вод, сокращалось до нескольких часов. 
Инновационным методом была принудительная аэрация, которая позволяла заметно 
улучшить эффективность очистки стоков.
Первоначально применялись периодические процессы с использованием ак-
тивного ила, которые и в настоящее время сохранили ограниченное применение. 
В дальнейшем были разработаны непрерывные системы очистки, в ходе которых 
часть образованного ила (рециркулируемый, возвратный ил) возвращалась в систе-
му очистки для смешения с подаваемой водой, а часть избыточного ила удалялась 
из системы очистки. 
Среди других методов биологической обработки, которые стали интенсив-
но развиваться с начала XX в., – методы анаэробного сбраживания сточных вод, 
осадков и твердых отходов, а также метод компостирования органических осадков 
и твердых отходов, который хотя и был известен фермерам и садоводам с дав-
них времен, но в промышленном масштабе начал использоваться только в 1925 г. 
(в Индии). Дешевый компост стали также применять в промышленных системах 
для устранения запахов из воздуха и отработанных газов. Однако низкая произ-
водительность и короткое время жизни таких фильтров побудили в последующем 
развитие более совершенных методов. Для очистки бытового газа были созданы 
фильтры, которые оказались очень эффективными, хотя в то время принципы их 
действия не были известны.
Особенностью всех этих методов являлось использование биологических про-
цессов, которые применялись сначала спонтанно, затем осознанно. 
Методы, разработанные в первой половине XX в., в той или иной форме использу-
ются и в настоящее время. В последующие годы они не претерпели каких-либо прин-
ципиальных изменений и их развитие было нацелено на создание новых конструкций 
оборудования и обеспечение оптимальных условий для повышения интенсивности и 
качества очистки, снижения затрат. При этом и в такой индустриально развитой стра-
не, как США, в конце 1960-х гг. примерно треть канализационных стоков все еще сбра-
сывалась без всякой очистки в естественные водоемы вместе с ливневыми водами. Еще 
треть подвергалась перед этим только первичной очистке. Даже в городах с  хорошими 
системами очистки существовало множество мест сброса необработанных канализа-
ционных стоков из домов, которые никогда не были подключены к централизованной 
муниципальной системе.
Во второй половине XX в. деятельность человека на земле затронула и измени-
ла практически все природные среды обитания. Вместе с ростом антропогенного 
влияния росли и масштабы природоохранной деятельности. С середины 70-х гг. 
локальные проблемы, связанные с ухудшением качества окружающей среды, пере-
росли в глобальные (деградация озонового слоя, изменение климата, загрязнение 
биосферы радионуклидами и токсичными химическими соединениями, быстрое 
уменьшение биологического разнообразия). 

Для этого периода стали характерными три тенденции, определившие развитие 
природоохранных мероприятий: