Общая биотехнология: Курс лекций Часть II - Блинов В.А. 2004

Экологическая биотехнология

♦ Биологические проблемы охраны и восстановления окружающей среды.

♦ Аэробные процессы очистки воды.

♦ Анаэробные системы очистки стоков. Метановое брожение и экономические аспекты такой переработки.

Биологические проблемы охраны и восстановления окружающей среды. Непродуманная в ряде случаев деятельность человека, технический прогресс в промышленности и на транспорте, интенсификация сельского хозяйства и производства пищевых продуктов для все более увеличивающегося населения планеты вызвали диспропорции в окружающей среде, привели к деформациям установившихся равновесий экосистем и ухудшению экологической ситуации.

В обобщенном виде сложившуюся экологическую ситуацию в мире можно представить следующим образом. В последнее время существенно увеличилась эрозия почвы, произошло ее уплотнение, засорение химикатами, сорняками, в почве резко уменьшилось содержание гумуса. Водоемы в значительной степени отравлены различными химикатами, в них уменьшились запасы рыбы, изменилась водная фауна и флора. Атмосфера Земли насыщена вредными газами: SО₂, N_2О, СО₂, СО; произошло ее запыление. Обычным явлением стали кислотные дожди (pH 4,5-5,7). Разрушается слой озона от действия фреона и N_2О; усилилось действие ультрафиолетовых лучей. К началу третьего тысячелетия исчезли 15-20 % видов животных и растений, главным образом, в результате вырубки тропических лесов и попадания химикатов в водоемы. Вследствие ухудшения экологической обстановки у людей участились различные болезни, стали чаще регистрироваться генетические сдвиги, возникли серьезные трудности в хозяйственной деятельности.

Далеко не безопасны и биотехнологические производства, хотя роль биотехнологии в переработке и утилизации отходов и побочных продуктов хозяйственной деятельности человека весьма существенна и с каждым годом все возрастает. Приведем ряд примеров. В 1979 г. во Франции насчитывалось 395 млн т органических отходов. В Японии ежегодно остается 76,6 млн т рисовой соломы и шелухи, древесных и других сельскохозяйственных и пищевых отходов. От различных злаков, культивируемых в мире, ежегодно получается примерно 1700 млн т соломы, большая часть которой не используется. В крупномасштабных биотехнологических производствах потребляется большое количество природной воды, что приводит к появлению значительного количества стоков. Так, в промышленности расходуется на переработку 1 т нефти 10 л воды; производство 1 банки консервов - 40; 1 кг бумаги - 100; 1 кг шерстяной ткани - 600; 1 т сухого цемента - 3500; 1 т стали - 20000: а на производство 1 т сухих дрожжей - более 100000 л воды и более 10 т пара. Другой пример: один пивоваренный завод способен дать в день около 10⁷ л стоков с окислительным потенциалом, эквивалентным окислительному потенциалу сточных вод города с населением в 200000 человек.

Биотехнология может вызвать и загрязнение среды как всякое направление промышленной деятельности человека. В первую очередь это связано с использованием огромных масс технологической воды и воздушных выбросов. Экологическая опасность таких выбросов определяется присутствием в них живых или мертвых клеток микроорганизмов, а также остатков культуральной жидкости, содержащей всевозможные БАВ. В результате этого возможно изменение структуры экологических ниш в окружающей заводы почве, воде и т.д., что приводит к нарушению состава сообществ микроорганизмов и иной их роли в круговороте веществ в природе. Кроме того, весьма нежелательным последствием таких выбросов является

В обработке отходов условно можно выделить четыре стадии:

♦ разрушение сложных белковых комплексов до простых растворимых веществ и отделение их от нерастворимых субстанций;

♦ разжижение и анаэробную обработку нерастворимого остатка с помощью микроорганизмов;

♦ трансформацию органического азота до NH₄⁺ (аммонификация) с последующим окислением аммония до нитратов;

♦ превращение органического углерода в СО₂.

Газообразные отходы. Ассортимент их небольшой, что определяется особенностями биохимических реакций, катализируемых ферментами. Газообразным отходом биотехнологических производств при использовании аэробных микроорганизмов является «отработанный воздух». Он не должен поступать в атмосферу без очистки и обезвреживания. Отработанный воздух - это чаще всего высоко дисперсионный аэрозоль, где дисперсной фазой оказываются капельки жидкости и/или микроорганизмы. Они в зависимости от размеров, а также смещения воздушных потоков осаждаются, могут переноситься на большие расстояния и оказывать вредное влияние на людей. Другим газообразным продуктом биотехнологических производств является диоксид углерода, который образуется в значительных количествах при брожении, окислении, синтезе метана.

Утилизация отходов. Она зависит от качества отходов, образующихся в биотехнологических производствах. Так, патогенные микробы - продуценты токсинов — должны полностью обезвреживаться (сжигаться). Биомассу стрептомицетов инактивируют нагреванием, а затем добавляют в корм скоту или вносят в почву в качестве органического удобрения. Кроме того, ее можно передавать на общегородские очистные сооружения или подвергнуть метановому брожению. При обезвреживании плотных отходов в микробиологических производствах следует иметь в виду, что такая микробная масса может быть антигеном, поэтому надо исключить сенсибилизирующее влияние на макроорганизм. Наконец, почти все органические вещества, кроме лигнина, являются субстратами для получения метана и диоксида углерода.

Есть особенности в утилизации отходов некоторых конкретных производств. Например, отходы при получении пива широко используются для откорма сельскохозяйственных животных, так как они обладают высокой питательной ценностью. Если содержание протеина во влажных дрожжах составляет примерно 7 %, то в солодовой и хмелевой дробине - 4-5 %, а в белковом остатке - 44 %. У свиней и жвачных усвояемость влажных дрожжей равна 85 %, а солодовой дробины - только 52 %; хотя она обобщена витаминами группы В и микроэлементами. В данном случае проблема заключается в том, что горечь женских соцветий хмеля и продуктов их превращения при кипячении с солодовым суслом препятствуют усвоению дробины животными. К таким продуктам (торечам) относятся: гумулон (a-горькая кислота), лупулон (ß-горькая кислота), дигидрогумулиновая кислота, смолы и др.

Из 1 кг хмеля, применяемого для варки пива, получается около 7 кг хмелевой дробины. Из-за горечи она чаще всего используется как подстилка на скотных дворах, закладывается в компост, ее сжигают, добавляя к каменному утлю, используют для подкормки рыб. В суммарном выражении пивоваренное производство относится к малоотходным и выгодным с экономической и экологической точек зрения.

При изготовлении вина сырьем является зерно, картофель, меласса и др. Плотные отходы виноделия используются в качестве кормовых добавок, диоксид углерода, как и при других аналогичных производствах, улавливается, очищается, дезодорируется, сжижается и реализуется как «сухой лед». Кроме того, диоксид углерода применяется при изготовлении безалкогольных напитков, для консервации кормовых и пищевых продуктов и в технике.

В виноделии образуются и другие отходы: виноградные выжимки (до 20 % от веса винограда), дрожжевые клетки и отстойные осадки. Из этих отходов получают этанол, солиизводств, включающих большой спектр органических соединений, определяют, как правило, БПХК_n. При измерении БПК особое значение имеет количество и качество микрофлоры. Оптимальным является использование микрофлоры из уже работающих биологических систем, адаптированных к данному спектру загрязнений. Причем количество вносимой микрофлоры должно соответствовать ее концентрации в работающих очистных сооружениях.

Доступность некоторых органических соединений биологическому окислению (мг О₂/1 мг вещества) следующая:

В зависимости от характера загрязнений и их концентраций возможно применение различных способов очистки сточных вод. Наиболее распространены механические (отстаивание, фильтрация), механо-физические (коагуляция, нейтрализация с последующим отстаиванием), физико-химические (ионный обмен, сорбция), термические и биохимические методы. Биохимические способы очистки относятся к процессам биотехнологии и используются там, где в сточных водах содержится значительное количество разных загрязнений, каждое из которых присутствует в небольших количествах. Действующим началом такой очистки являются микроорганизмы. К веществам, загрязняющим водоемы и почву, относят:

♦ различные яды и вредные вещества - соли тяжелых металлов, мышьяк, цианиды, фенолы, анилин, пестициды и др.

Они ингибируют активность ферментных систем, связывают кислород или нарушают обмен веществ;

♦ кислоты и щелочи, изменяющие реакцию среды в природных водоемах и приводящие к нарушению равновесия в живых системах;

♦ различные ПАБ, которые часто недоступны воздействию микроорганизмов и не разрушаются;

♦ растворимые органические вещества, содержащие углерод и азот, нефтепродукты, углеводы и др.;

♦ нерастворимые органические вещества — крахмал, целлюлоза, лигнин, другие ВМС, которые поступают в водоемы и вызывают глубокие негативные последствия;

♦ радиоактивные и другие вредные загрязнители.

В естественных условиях в водоемах и почве происходит биологическое самоочищение. Однако как только концентрация вредных веществ превышает критическую, развитие живых организмов и процесс биологического самоочищения нарушается.

Существует две большие группы аэробных процессов биоочистки - экстенсивные и интенсивные. К экстенсивным относятся методы, непосредственно не связанные с управляемым культивированием микроорганизмов это поля орошения, поля фильтрации и биопруды. В основе интенсивных способов лежит деятельность активного ила или биопленки, т.е. естественно возникшего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки.

Активный ил - это темно-коричневые хлопья, размером до нескольких сотен микрометров (≈ 150 мкм), различной формы. Активный ил на 70 % состоит из живых организмов и на 30 % из твердых частиц неорганической природы. Живые организмы вместе с твердым носителем, к которому они прикреплены, образуют зооглей - симбиоз популяций организмов, покрытый общей слизистой оболочкой. Соотношение капсульных и бескапсульных форм клеток в иле называется коэффициентом зооглейноcти K_z.

Микроорганизмы, выделенные из активною ила, относятся к различным родам: Actinomyces. Arthrobacter, Bacillus, Bacterium, Corynebacterium, Micrococcus, Pseudomonas, Sarcina и др. Наиболее многочисленны псевдомонады. Эти микроорганизмы окисляют спирты, жирные кислоты, парафины, ароматические углеводороды, углеводы и др. Микроорганизмы рода Bacterium осуществляют деградацию нефти, парафинов, нафтенов, фенолов, альдегидов, жирных кислот. Алифатические углеводороды окисляются представителями рода Bacillus. Существенная роль в создании и функционировании консорциума клеток принадлежит простейшим: саркодовым, жгутиковым инфузориям, реснитчатым инфузориям и сосущим инфузориям.

В активных илах высокого качества на 1 млн бактериальных клеток должно быть 10 15 простейших организмов. Это соотношение называется коэффициентом протозойности К_р. Скорость биохимического окисления растет с увеличением значения коэффициентов зооглейности и протозойности.

Основными параметрами, влияющими на биологическую очистку, являются: температура, pH, концентрация растворенного кислорода, уровень перемешивания, концентрация и возраст циркулирующего в очистных системах активного ила, наличие в воде токсичных примесей.

Для очистки загрязненных сточных вод используется следующая схема: грубые примеси отделяют на ситах, в осадительных ямах или фильтрацией через специальные фильтры. Так отделяют жиры и масла. Образующийся осадок измельчают, разрушают аэробными или анаэробными способами, затем отходы утилизируют - сжигают или используют в качестве удобрения. Жидкая часть сточных вод может быть субстратом, она подвергается химическому осаждению, органические вещества в ней разрушаются биологическим способом, а очищенные сточные воды либо используются повторно, либо спускаются в канализацию.

Для ОЧИСТКИ стоков используют различные технические приемы. Так, очищенную от механических примесей и жиров сточную воду пропускают через плотный слой каменной щебенки, кокса или полимера (полистирола или полипропилена - 0,5 5 см) толщиной 0,9-3 м. Через несколько недель на поверхности образуется слизистая пленка, состоящая из микробной массы. Воздух пропускают снизу вверх или наоборот обычно со скоростью 0,6 м³/мин на 1 м² фильтра Микробы начинают эффективно окислять органические вещества сточных вод.

На сахарных заводах используют биологические пруды, их глубина 0,6-1,2 м. В теплое солнечное время в прудах развиваются одноклеточные фотосинтезирующие водоросли. Они благоприятно влияют на очистку воды. По окончании сезона воду сливают, а ил используют в качестве удобрения.

Интенсивную очистку сточных вод проводят также с помощью системы аэрируемых прудов (воздух подается обычно механическими аэраторами) и аэротенков. Аэротенк - это железобетонный или металлический резервуар, в котором непрерывно происходит перемешивание сточных вод, микробного ила и воздуха. Обычно в составе очистного сооружения аэротенки работают в комплекте с отстойниками, где осаждается ил.

Схема узлов очистного сооружения:

1 - усреднитель стоков для выравнивания концентраций загрязнений и стабилизации потока сточных вод;

2 - отстойник;

3 аэротенк или биофильтр. где осуществляется биодеградация органических соединений;

4 - регенератор, где путем аэрации восстанавливается активный ил;

5 - отстойник ила; 6 - уплотнитель ила

Известны следующие конструкций аэротенков; коридорный - работает по принципу вытеснения, малоинтенсивен, открытый;

системы Кессенера - поверхностный аэратор с ограниченной глубиной, открытый;

системы «Симплекс» - турбинный аэратор, открытый; пневматический с керамическими воздухораспределителями - интенсивная аэрация с помощью компрессора, открытый;

колонный, башенный или эрлифтный низкая турбидизация среды (требуется компрессор), закрытый;

инжекционный с рециркуляцией ила и сжиганием органических веществ, содержащихся в отработанном газе - интенсивная аэрация (требуется компрессор), закрытый.

Выбор конструкции аэротенков зависит от специфики состава стоков.

Скорость биодеградации органических веществ в аэротенках зависит от количества активного ила (обычно 4—10 г/л), массообменных и гидродинамических характеристик аппаратов. В свою очередь массообмен зависит от системы аэрации, а гидродинамика - от структуры потоков жидкости и условий микросмешивания в различных зонах аэротенка. Активный ил имеет влажность 95-99 %, поэтому он фильтруется, прессуется, используется для удобрения лесов, реже полей или перерабатывается в биогаз. Во всех модификациях аэротенков, как правило, реализуется только непрерывный процесс, чаще всего с рециркуляцией активного ила.

Обычно в систему аэробной очистки стоков включают стадию анаэробного метанового сбраживания. При этом 95 % сухих веществ ила превращается в биогаз. Чтобы аэротенк был эффективен, надо правильно определить скорость потребления кислорода, что прямо связано со скоростью утилизации органических веществ μ_s и скоростью накопления активного ила р_т, по уравнению:

где μ_s - удельная скорость роста; Y_s - выход биомассы из субстрата, г/л (экономический коэффициент).

Скорость массопередачи кислорода характеризуется уравнением:

где Ku - объемный коэффициент массопередачи O₂, с^-1; С*, Cl - равновесная и рабочая концентрации растворенного кислорода, г/л.

Количество кислорода, необходимою для окисления субстрата, рассчитывается как

где h - ХПК субстрата, г/л; Y_O2 - расход кислорода, г/г.

Анаэробные системы очистки стоков. Метановое брожение и экономические аспекты такой переработки. Этот вид брожения широко распространен в природе, разложение органических веществ в болотах, водоемах, почве, у животных в рубце и т.д. Метановое брожение является строго анаэробным процессом и в искусственных условиях протекает в метантенках. Для метанового брожения характерны три фазы:

♦ сначала гидролитические ацетогенные бактерии образуют из органических отходов высшие жирные кислоты;

♦ затем в процесс включаются водородпродуцирующие бактерии, В результате из высших жирных кислот образуется Н₂, СО₂, СН₃СООН;

♦ на третьей стадии благодаря метанобразующим бактериям из водорода, диоксида углерода и уксусной кислоты образуются СН₄ и СО₂.

Итак, при метановом брожении происходит: 1) биогидролиз полимеров и ацидогенез; 2) ацетогенез и дегидрогенизация; 3) метаногенез.

Реакции первой фазы осуществляют Bactericides ruminicola, Butyrivibrio fibnosoivens, а также бактерии рода Clostridium, Peptococcus anaerolis и др. Общее количество протеолитических бактерий в метантенках достигает 10 кл/мл.

Эти и многие другие микроорганизмы обладают целлюлолитической. протеолитической, липолитической, сульфатвосстанавливающей, денитрифицирующей видами активности.

Важная роль в процессах метанового брожения принадлежит ацетогенным и водородпродуцирующим бактериям (вторая фаза). Эти бактерии, например, Syntrophobacter wolinii, превращают пропионат в ацетат, СО₂ и Н₂, если в среде одновременно присутствуют водородпотребляющие бактерии. Метаногенная система тогда будет работать эффективно, когда парциальное давление водорода будет низким.

В третьей фазе участвуют метанобразующие бактерии. Они принадлежат к древнейшему царству - архибактериям. У них маленький геном (1/3 от Е. coli), особенная последовательность нуклеотидов, энергию метаногены получают при восстановлении СО₂. Выделено более 30 видов метаногенов, принадлежащих к 14 родам и 6 семействам. Метаногены осуществляют следующие реакции:

С увеличением длины углеродной цепи кислоты увеличивается количество получаемого газа. Так, из 1 г муравьиной кислоты получается 540 мл газа; из 1 г уксусной кислоты - 823 мл; 1 г масляной кислоты - 1055 мл; 1 г капроновой кислоты -1224 мл.

Метаногенез существенно зависит от химического состава среды и физических факторов. Все метаногены являются строгими анаэробами - одна молекула кислорода в 10 л вода ингибирует метаногенез. Оптимум окислительно-восстановительного потенциала для них составляет 400 мВ; pH среды - 6-8. Большинство метаногенов работает в мезофильном режиме, однако в природе встречаются как психрофильные, так и термофильные метаногены. Для формирования клеточной массы в среде должны содержаться необходимые питательные вещества. Соотношение ХПК ; N ; Р должно быть 700 : 5 ; 1. Нельзя допускать избытка азота, цианидов, калия, натрия и кальция, сульфатов. Метаногенез замедляется в присутствии детергентов, антибиотиков и др. Считают, что в среднем на 1 кг ХПК получается 0,35 м³ метана.

Для восстановления интенсивности метанового брожения снижают скорость подачи субстрата, подщелачивают среду, разбавляют стоки водой, удаляют из них токсичные вещества. Кроме того, метаногенез нередко разделяют на 2 стадии. В первой, предварительной стадии в отдельном аппарате осуществляют гидролиз субстрата и ацетогенез; во второй - собственно метаногенез. Важным условием для интенсивного протекания процесса является высокая концентрация бактерий в биореакторе; этого добиваются, иммобилизуя клетки бактерий на различных носителях.

Известно несколько типов биореакторов для метанового брожения; анаэробные лагуны, метантенки, контактный биореактор, биореактор «кипящего слоя», биореактор со слоем биомассы, двухступенчатый биореактор и др. В Китае, Индии и некоторых других странах Азии успешно используют биореакторы объемом до 10 м³ очень простой конструкции для утилизации отходов домашнего хозяйства. Количество таких биореакторов составляет более 70 млн.

Метановое брожение применяют при очистке городских стоков, для утилизации активного ила после аэробной ферментации. Анаэробные бактерии деградируют не только углеводы, липиды, протеины, нуклеиновые кислоты, но и бензойную кислоту, ацетальдегид, ацетон, бутанол, этиланетат, глицерол, нитробензол, фенол, органические кислоты, парафины, синтетические полимеры и др. Метановое брожение - не только средство защиты окружающей среды, но и метод получения газообразного топлива, ценных органических удобрений, витамина B₁₂ и кормовых добавок.

Метановое брожение используется для переработки отходов животноводческих ферм, сточных вод сахарного производства, городских свалок и т.д. Так, при метановом сбраживании жидких отходов свинофермы, биогаз собирается в верхней части биореактора и в газгольдере, оттуда по трубопроводу направляется в котел для сжигания в инжекционных горелках низкого давления. Подогретая в котле вода поступает в бойлер: часть ее используется для поддержания температуры в реакторе, а часть направляется на обогрев помещений для животных. Сброженный субстрат вытесняется из биореактора и вывозится для удобрения полей. Средний состав жидкого удобрения (в %): сухое вещество - 1,0—5,0; органические вещества - 0,25-4,2; фосфор - 0,05-0,7; азот 0,31 -1,14; pH - 6,5- 8,3. Жидкое органическое удобрение особенно эффективно для поливки полей с многолетними травами.

Своеобразными компостами являются городские свалки, толщина слоя мусора на которых составляет 10-20 м. Условно микробиологические процессы, происходящие в свалках, разделяют на 4 этапа, различающихся но газовому составу. Сначала между частицами мусора находится воздух, содержащий около 20 % кислорода. Затем он поглощается аэробной микрофлорой и начинается деятельность анаэробной микрофлоры - сначала не образующей метан, а затем метаногенов. Через несколько месяцев наступает стабильное метановое брожение, и в выделяющемся газе содержится 50-55 % СН₄, около 40 % СО₂ и 5 % N₂.

Для получения газа на различной глубине устанавливают перфорированные трубы, через которые откачивают биогаз.

Получение биогаза на городских свалках относится к типу твердофазной ферментации. Аналогично можно ферментировать и отходы сельскохозяйственного производства, например, солому влажностью около 60 %. При температуре 35 °С деструкция органического вещества на 90 % достигается за 120- 200 суток, при 55 °С - за 60-90 суток.

Небольшие биогазовые установки объемом 1-2 м³ И производительностью 2-3 м³ в сутки имеют несложную конструкцию и экономически оправданы. Их часто изготавливают кустарным способом. При промышленном изготовлении таких установок, удельная стоимость 1 м³ полезного объема биореактора снижается при увеличении объема аппарата и стабилизируется при объеме 100 м³. Причем рентабельность установок повышается при трансформации энергии биогаза в электрическую, Экономически оправданны те установки, которые обеспечивают продуктивность не ниже 1 м³ /(м³ в сутки). Получение биогаза и отходов выгодно тем, что переработке подвергаются влажные субстраты.

Предпочтительнее использовать мезофильный режим ферментации. При этом на поддержание процесса тратится меньше энергии и не нужна тщательная изоляция оборудования и коммуникаций. Иногда даже используется психрофильный режим ферментации (15-20 °С), но в этом случае требуется биореактор большого объема. Показано, что чем больше животных на ферме, тем требуются меньшие удельные капиталовложения. Рентабельность эксплуатации биогазовых установок во многом зависит от конкретных условий и умелого проектирования установки. При оценке экономики метанового сбраживания сельскохозяйственных отходов учитывается использование жидких отходов после ферментации в качестве удобрения или в качестве корма для рыб и других животных.

Следует отметить, что биологическая очистка коммунальных и промышленных стоков должна стать обязательным условием хозяйствования. Главным критерием при этом должно быть получение безвредных для природы стоков. Всегда при одинаковом экологическом результате анаэробные установки экономически более оправданны, чем аэробные.

Россия располагает значительными потенциальными возможностями производства биогаза из навоза сельскохозяйственных животных. Объемы различных видов навоза и навозых стоков на фермах России, которые могут быть использованы для производства биогаза, составляют 408,5 млн т в год, с общим содержанием сухих веществ 34,6 млн т. Энергетический потенциал этого навоза составляет 6025 млн м³ биогаза в год, а его использование для технологических нужд ферм способно обеспечить экономию 4340 млн т жидкого условного топлива.

Однако опыт по внедрению процесса метаногенеза в сельскохозяйственную практику показывает, что первое место пока занимает его экологический аспект, затем следует эффект от получения высококачественных удобрений и только третье место занимает энергетическая составляющая процесса.