Экологическая биотехнология
Биотехнология активно
применяется в целях очистки
всех компонентов биосферы (воды,
почвы, воздуха и др.) от загрязняющих
веществ. Кроме того, существенным
является не только сам процесс
очистки, но и возможность использования
выделенных отходов в качестве
вторичного сырья.
Биологическая очистка
стоков. Существуют микроорганизмы,
для которых загрязнения, содержащиеся
в сточных водах, являются питательными
веществами. В начале 20 века произошла
революция в очистки сточных
вод с помощью активного ила
– сложной смеси микроорганизмов.
Хотя при этом требуется перемешивать
жидкость и непрерывно аэрировать
её воздухом, такой способ позволяет
перерабатывать большие объёмы
стоков с самыми разнообразными
загрязнениями – от хозяйственно-бытовых
до промышленных.
Биологическая очистка
газовых выбросов. Многие выбросы
в атмосферу содержат вредные
или дурно пахнущие примеси.
Для их очистки применяют биофильтры,
заполненные насадкой, на которой
закреплены специальные микроорганизмы.
Вредные примеси сорбируются
на насадке и затем потребляются
и обезвреживаются микроорганизмами.
Биокомпостирование твёрдых
отходов. Аналогом аэробной очистки стоков
является аэробное биокомпостирование
твёрдых отходов. Твёрдые отходы смешиваются
с микроорганизмами, разлагающими вредные
загрязнения, и балластным материалом
типа торфа, который обеспечивает доступ
кислорода к микроорганизмам. Это позволяет
превратить отходы в удобрение или просто
использовать их в качестве подсыпки для
дорог, в строительстве и в других случаях.
Метановое сбраживание
твёрдых отходов. Ещё в 1776 году
Вольта обнаружил, что в болотном
газе содержится метан. С 1901
года успешно применяют анаэробное
сбраживание осадка избыточного
активного ила, образующегося
при работе установок биологической
очистки сточных вод. Сброженный
осадок, если только он не содержит повышенных
концентраций тяжёлых металлов, успешно
используют как удобрение. Он лучше исходного
осадка по составу, и в нём почти полностью
отсутствуют болезнетворные микроорганизмы
[2].
Также существуют и
многие другие способы биотехнологического
воздействия на окружающую среду: биодеградация
химических пестицидов и инсектицидов,
борьба с накоплением метана в шахтах,
обессеривание нефти и каменного угля,
обогащение воздуха кислородом и другие.
Компостирование
органических отходов
Компостирование –
это экзотермический процесс
биологического окисления, в котором
органический субстрат подвергается
аэробной биодеградации смешанной
популяцией микроорганизмов в
условиях повышенной температуры
и влажности. В процессе биодеградации
органический субстрат претерпевает
физические и химические превращения
с образованием стабильного гумифицированного
конечного продукта. Этот продукт представляет
ценность для сельского хозяйства и как
органическое удобрение, и как средство,
улучшающее структуру почвы.
Отходы, поддающиеся компостированию,
варьируют от городского мусора,
представляющего собой смесь
органических и неорганических
компонентов, до более гомогенных
субстратов, таких как навоз, отходы растениеводства,
сырой активный ил и нечистоты. В процессе
компостирования удовлетворяется в основном
потребность в кислороде, органические
вещества переходят в более стабильную
форму, выделяются диоксид углерода и
вода и возрастает температура. В естественных
условиях процесс биодеградации протекает
медленно, на поверхности земли, при температуре
окружающей среды и в основном в анаэробных
условиях. Естественный процесс разложения
может быть ускорен, если перерабатываемый
субстрат собрать в кучи, что позволит
сохранить часть теплоты, выделяющейся
при ферментации, и достигнуть более высокой
скорости реакции. Этот ускоренный процесс
и есть процесс компостирования.
Важными параметрами
являются соотношение углерода
и азота и мультидисперсность
субстрата, необходимая для нормальной
аэрации. Навоз, сырой активный ил и многие
растительные отходы имеют низкое отношение
углерода к азоту, высокую влажность и
плохо поддаются аэрации. Их необходимо
смешивать с твёрдым материалом, собирающим
влагу, который обеспечит дополнительный
углерод и нужную для аэрации структуру
смеси.
В процессе компостирования
принимает участие множество
видов бактерий – более 2000
и не менее 50 видов грибов. Эти
виды можно подразделить на
группы по температурным интервалам,
в которых каждая из них
активна. Для психрофилов предпочтительна
температура ниже 200С, для мезофиллов –
от 20 до 400С и термофилов – свыше 400С. Микроорганизмы,
которые преобладают на последней стадии
компостирования, являются, как правило,
мезофилами.
Утилизация отходов
потребления
Наряду с производственными
отходами образуются и отходы потребления,
которые. тоже необходимо утилизировать.
В настоящее время широко
распространены два основных способа
переработки ТБО – сжигание и
биокомпостирование.
Практически все построенные
в России мусоросжигательные заводы
используют импортное оборудование.
При этом они либо работают неудовлетворительно,
либо остановлены. Серьезной и пока
нерешенной проблемой для них
является задача улавливания из дымовых
газов паров ртути и диоксинов.
Альтернативой мусоросжигательным заводам
являются мусороперерабатывающие заводы,
крупнейший из которых уже много лет успешно
работает в Санкт-Петербурге. Здесь использован
метод биотермического компостирования
(разложение содержащегося в ТБО органического
вещества микроорганизмами). Конечным
продуктом является компост, который можно
использовать либо как органическое удобрение,
либо как биотопливо Экономисты подсчитали,
что эксплуатация такого завода становится
рентабельной начиная годовой производительности
500 000 м3 ТБО.
Разумеется, перед компостированием
(и перед сжиганием в мусоросжигательных
заводах) городской мусор должен
пройти сортировку, в ходе которой
из него извлекают:
1 стекло;
2 бумагу и картон;
3 пластмассу;
4 органические вещества.
Третьим, более простым
и менее современным способом
утилизации мусора является его захоронение
на свалках и полигонах ТБО
Проблема утилизации
твёрдых бытовых отходов
В области переработки
и ликвидации твердых отходов
биотехнологические методы наиболее широко
применяются для утилизации коммунальных
отходов и ила из систем биоочистки стоков.
Традиционно твердые
отходы складируются на городских
свалках. Все возрастающие объемы
отходов на душу населения
приводят к возникновению огромного
количества свалок, увеличению их
площадей, а также к неуправляемому
попаданию отходов в окружающую
среду из-за рассыпания их при
транспортировке. После того, как
стало ясно, что при анаэробной
переработке отходов в больших
количествах образуется ценный
энергетический носитель – биогаз,
основные усилия стали направляться на
соответствующую организацию свалок и
получение на месте их переработки метана.
Поведение отходов
на свалке носит чрезвычайно
сложный характер, так как постоянно
происходит наслаивание нового
материала через различные временные
промежутки. В результате этого
процесс подвержен действию градиентов
температуры, рН, потоков жидкости,
ферментативной активности и пр. В общей
массе материала свалок присутствует
сложная ассоциация микроорганизмов,
которые развиваются на поверхности твердых
частиц, являющихся для них источником
биогенных элементов. Внутри ассоциации
складываются разнообразные взаимосвязи
и взаимодействия. В целом состояние и
биокаталитический потенциал микробного
сообщества зависит от спектра химических
веществ материала свалок, степени доступности
этих веществ, наличия градиентов концентраций
различных субстратов, в особенности градиентов
концентраций доноров и акцепторов электронов
и водорода.
На начальной стадии
биодеградации твердых отходов
доминируют аэробные процессы, в
ходе которых под воздействием
микроорганизмов (грибов, бактерий,
актиномицетов) и также беспозвоночночных
(клещей, нематод и др.) окисляются наиболее
деградируемые компоненты. Затем деструкции
подвергаются трудно и медленно окисляемые
субстраты – лигнин, лигноцеллюлозы, меланины,
танины. Существуют различные методы оценки
степени биодеградации твердых отходов.
Наиболее информативным принято считать
метод оценки, основанный на различиях
в скоростях разложения целлюлозы и лигнина.
В непереработанных отходах отношение
содержания целлюлозы к лигнину составляет
около 4,0; в активно перерабатываемых –
0,9–1,2 и в полностью стабилизированных
отходах – 0,2. В течение аэробной стадии
температура среды может повышаться до
80°С, что вызывает инактивацию и гибель
патогенной микрофлоры, вирусов, личинок
насекомых. Температура может служить
показателем состояния свалки. Увеличение
температуры повышает скорость протекание
процессов деструкции органических веществ,
но при этом снижается растворимость кислорода,
что является лимитирующим фактором. Исчерпание
молекулярного кислорода приводит к снижению
тепловыделения и накоплению углекислоты.
Это, в свою очередь, стимулирует развитие
в микробной ассоциации сначала факультативных,
а затем облигатных анаэробов. При анаэробной
минерализации в отличие от аэробного
процесса участвуют разнообразные, взаимодействующие
между собой микроорганизмы. При этом
виды, способные использовать более окисленные
акцепторы электронов, получают термодинамические
и кинетические преимущества. Происходит
последовательно процесс гидролиза полимеров
типа полисахаридов, липидов, белков; образованные
при этом мономеры далее расщепляются
с образованием водорода, диоксида углерода,
а также спиртов и органических кислот.
Далее при участии метаногенов происходит
процесс образования метана (рис.1).
В результате комплекса
процессов, происходящих при биодеградации
содержимого свалок, образуются
два типа продуктов – фильтрующиеся
в почву воды и газы.
Фильтрующиеся воды, помимо
микроорганизмов, содержат комплекс разнообразных
веществ, включая аммонийный азот, летучие
жирные кислоты, алифатические, ароматические
и ациклические соединения, терпены, минеральные
макро- и микроэлементы, металлы. Поэтому
важным моментом при выборе и организации
мест свалок является защита поверхности
земли и грунтовых вод от загрязнений.
Для борьбы с фильтрацией вод применяют
малопроницаемые засыпки или создают
непроницаемые оболочки вокруг свалки
или специальные заграждения. Возможно,
что наиболее эффективным способом может
стать организация сбора фильтрующихся
вод свалок и управляемая анаэробная переработка
с применением капельных биофильтров,
аэротенков или аэрационных прудов. В
системе аэрационных прудов в течение
нескольких месяцев можно удалить из вод
до 70% БПК; в капельных биофильтрах или
системах с активным илом – до 92% БПК с
одновременным извлечением в результате
биосорбции свыше 90% металлов (железа,
марганца, цинка). Анаэробная биоочистка
позволяет удалить 80–90% ХПК в течение
40–50 дней при 25°С ( при 10°С величина удаления
ХПК снижается до 50%).
Биогаз, образуемый при биодеградации
материала свалок, является ценным энергоносителем,
но также может вызывать негативные явления
в окружающей среде (дурной запах, закисление
грунтовых вод, снижение урожайности сельскохозяйственных
культур), поэтому следует ограничивать
утечки газа. Это возможно при помощи специальных
приспособлений (преграды, траншеи, наполненные
гравием, системы экстракции газа), позволяющих
управлять перемещением газа, а также
созданием над массивом свалок оболочек,
препятствующих его утечке.
Теоретический выход
метана может составлять 0,266 м3/кг
сухих твердых отходов. Реальные
экспериментальные выходы биогаза,
полученные на различных лабораторных,
пилотных установках и контролируемых
свалках, дают существенный разброс данных,
от десятков до сотен л/кг в год. Огромное
влияние на процесс метаногенеза оказывают
многие факторы, – температура и рН среды,
влажность, уровень аэрации, химический
состав отходов, наличие в них токсических
компонентов и др. Газ, образуемый на свалке,
извлекается с помощью вертикальных или
горизонтальных перфорированных труб
из полиэтилена. Применение воздуходувок
и насосов может повысить степень извлечения
газа. Газ используют для обогрева теплиц,
получения пара, а после дополнительной
очистки его можно перекачивать по трубам
к местам потребления [1].
Таким образом, помимо
экологической, проблема носит
экономический характер, так как
использование образующегося на свалках
биогаза, снижает материальные затраты
на борьбу с загрязнениями, опасными и
дурнопахнущими отходами.
Биологическая переработка
промышленных отходов.
Неотъемлемой чертой
любого цивилизованного общества
является образование как жидких,
так и твёрдых отходов. Поиск
безопасных для здоровья населения
и не загрязняющих окружающую
среду способов их ликвидации
представляет собой одну из
первостепенных задач. В области
переработки и ликвидации твёрдых
отходов биотехнологическими методами
наиболее значительное место, как по стоимостным,
так и по объёмным показателям занимает
утилизация ила сточных вод и твёрдых
коммунальных отходов.
Промышленные отходы
можно в первом приближении
разделить на две категории: 1)
отходы производств, основанных
на использовании биологических
процессов (производство пищевых
продуктов, напитков, ферментация);
2) отходы химической промышленности.
В первом случае отходы имеют
различный состав и обычно
перерабатываются путем биологического
окисления, как это делалось
традиционно в случае бытового
мусора. Однако такой способ экономически
невыгоден, и в настоящее время
широко обсуждается вопрос о
возможности уменьшения объема
разбавленных сточных вод либо
их непосредственного использования
- трансформации (для получения
биомассы или других ценных
продуктов), или же путем извлечения
из них ценных соединений.
В многочисленных и
разнообразных отраслях химической
промышленности образуется большое
количество отходов, причем многие
из них с трудом поддаются
разрушению и длительное время
присутствуют в среде. Поэтому
часто перед обычной биологической
переработкой отходов бывает
необходимо провести их предварительную
химическую или физическую обработку.
Использование специфических микроорганизмов
для расщепления ксенобиотиков при
переработке отходов еще не нашло широкого
применения в промышленности, и тем не
менее подобный подход представляется
весьма перспективным. Это может быть:
1) деградация отдельных
видов отходов in situ с помощью специализированных
культур микроорганизмов или их сообществ;
2) введение специально
подобранных культур в обычные
системы переработки отходов;
3) ликвидация и обезвреживание
разливов нефти;
4) извлечение металлов;
5) биологическая очистка
газов от пахучих и вредных
соединений (меркаптанов, сероводорода,
цианида, хлорзамещенных углеводородов
и т.д.);
6) получение биомассы
из отходов;
7) превращение отходов
в метан.
В результате широкого
применения человеком продукции
химической промышленности в
окружающую среду попадают различные
типы ксенобиотиков: пластмассы (пластификаторы),
взрывоопасные вещества, добавки, полимеры,
красители, поверхностно-активные вещества
пестициды и органические соединения
- производные нефти. Что касается бытового
мусора, то для его переработки созданы
широко применяемые системы, использующие
активный или оросительные фильтры. Сточные
же воды химической промышленности, как
правило, не соответствуют возможностям
подобных систем. Интенсивность переноса
кислорода в ходе процессов, обычно протекающих
в таких системах, бывает недостаточна
для поддержания максимальной скорости
окисления при участии микрофлоры. Эти
процессы чувствительны также к колебаниям
в загрузке реактора, особенно если токсичные
вещества и ингибиторы поступают в систему
в высоких и непостоянных концентрациях.