Биотехнология и переработка отходов. Биогаз

БИ О Т ЕХНОЛОГИЯ И ПЕРЕРАБОТКА ОТХОДОВ С момента возникновения цивилизованного общества перед ним все время с тояла проблема охраны окружающей среды. Из-за промышленной, сельскохозя йственной и бытовой деятельности человека постоянно прои с ходили изменения физических, хими ческих и биологических свойств окр у жающей среды, причем многие из этих изменений были весьма неб лагопр и ятны. Биотехнологические приемы являются примером эффективного контроля за состоянием окружающей среды. Особенно остро сейчас стоит проблема расп ространения в окружающей среде ксенобиотиков и нефтяных з а грязнений. Биологическая переработка отходов преследует три основные цели: Деградация органических и неорганических токсичных отходов; Возобновление ресурсов для возврата в круговорот веществ С, N , P , S ; Получение ц ен ных видов органического топлива Классический процесс очистки стоков включает в себя следующие эт а пы: При первичной обработке удаляются твердые частицы, которые либо отбрас ываются, л и бо направляют ся в реактор. На втором этапе происходит разрушение растворенных органических вещес тв при уч а стии природных аэробных микроорганизмов. Образующийся ил, состоящий главным о б разом из микробных клеток, либо удаляется, либо перекачивается в реактор. По технол о гии, использующей активный ил, част ь его возвращается в аэрационный танк. На третьем этапе производится химическое осаждение и разделение фосфо ра и азота. Для переработки ила, образующегося на первом и втором этапах, обычно и с пользуется процесс анаэ робного разложения. при этом уменьшается объем осадка и количество пато генов, устраняется запах, а кроме того, образуется ценное органическое т опливо – м е тан. Аэробная переработка стоков – это самая обширная область контрол и руемого использования микр оорганизмов в биотехнологии. Она включает следу ю щие стадии: адсорбция субстрата на клеточной поверхности; расщепление адсорбированного субстрата внеклеточными ферме н тами; поглощение растворенных веществ клетками; рост и эндогенное дыхание; высвобождение экскретируемых продуктов; «выедание» первичной популяции организмов вторичными потребит е лями. В идеале это должно приводить к полной минерализации отходов до простых солей, газов и воды. Эффективность переработки пропорциональна количес тву биомассы и времени контактирования ее с отх о дами. Системы аэробной переработки можно разделить на системы с перколяцион ными фильтрами и си с темы с использованием активного ила. Принцип перколяционного фильтра – разложение отходов при помощи микр оорганизмов, находящихся ф фильтрующем элементе. В качестве з а полнителя элемента может использ оваться песок, гравий или полимерные материалы. Недостаток таких фильтр ов – изб ы точный рост био массы. Активный ил – сложная смесь микроорганизмов, осуществляющая перер а ботку отходов в биореактора х. Для успешной переработки необходимо по д бирать микробный засевной материал под каждый вид сто ков. Анаэробное разложение отходов – используется с 1901 г. Анаэробная ферментация отходов очень перспе ктивна для экономичного получения газообразного топлива при умере н ных температурах (30-35 о С). Сообщество метанообразующих микроорганизмов состоит из трех в и дов бактерий: бактерии, осущест вляющие гидролиз и брожение. За счет их деятельности расщепляется целлю лоза, синтезируются жирные кислоты. Далее – бактерии, образующие водоро д и уксусную кислоту. И, наконец, водород о трофные метанообразующие бактерии. Аэробная пе реработ ка отходов в сельском хозяйстве Применение в животноводстве интенсивных технологий привело к образов а нию большого количества разнообразных отходов, для использования которых может не хватить земе льной площади. На сегодняшний день сущ е ствует несколько систем контролируемой переработки отх одов в сельском хозяйс т в е. Для переработки твердых отходов необходимо много времени и средств, поэ тому для их удаления широко используется вода, а образующаяся взвесь з а качивается в хранилища, либо в системы переработки. Водоем для окисления. Установка представляет собой емкость глуб и ной не более 150 см и с площадью поверхности, обеспечивающей аэ рацию. На поверхности этого водоема растут фотосинтезирующие водоросл и, которые п о вышают эффек тивность системы благодаря выделению кислорода. К недо с таткам таких установок относятся: потребность во времени; накопление твердых отходов, которые разлагаютс я в анаэробных условиях; создание у с ловий для размножения насекомых. Достоинства – не требует м еханизации и о б служиваю щего персонала. Аэрируемый водоем отличается от водоема для окисления только наличием аэрационной устано в ки. Каскадные бассейны – простая немеханизированная система. В эту систем у отходы поступают постоянно. Они включают первичный отстойник, в кот о ром осаждаются крупные ч астицы, а также каскад мелких бассейнов, разд е ленных перегородками или плотинами, через которые перетекает вода. Переливаясь из бассейна в бассейн, вода аэрируется. Есл и время удержания подобрано правильно, то глубина перерабо т ки оказывается не меньше, чем в вод оеме для окисления. Недостатки – плохое перемешивание и подавление мик р о флоры из-за недостатка кислорода. Канава Пасвира. – представляет собой непрерывную вытянутую в дл и ну емкость, которую часто распо лагают под полом животноводческих пом е щений. Жидкость с толщиной слоя 0,3- 0,6 м аэрируют и перемешивают с п о мощью ротора. По сути является реактором непрерывн ого действия, в котором фо р мируется спцифическая микрофлора. Переработк а отходов сельского хозяйства в анаэробных условиях П ри переработке органических отх одов в анаэробных условиях образ у ется горючий газ, на 60% состоящий из метана, и твердый остаток, с одерж а щий почти весь азо т и все другие питательные вещества, содержащиеся в и с ходном растительном материале. В п рироде такой процесс развивается при недостатке кислорода в местах ско пления веществ растительного или живо т ного происхождения: в болотах, осадках на дне озер, в желудк е травоядных. Температурный оптимум процесса лежит в пределах 30-35 о С, и для его поддерж а ния нужен подогрев. Еще в начале века было выявлено, что из навоза можно получать гор ю чий газ, а отходы использовать к ак удобрение. Основные части такой биоу с тановки: герметичный танк, или реактор, в котором осуще ствляется ферме н тация, и емкость для газа – накопительный плавающий колокол с емкостью близкой к т а ковой у реактора. Метанобразующие бактерии являются строгими анаэробами. На пе р вой стадии процесса ферментац ии из растительной и фекальной массы образую т ся летучие жирны кислоты (уксусная, масляная). Важну ю роль при этом играют клостридии. Кислоты (за исключением уксусной) служ ат далее су б стратом для г руппы уксуснокислых бактерий. В конечном счете в результате совместног о действия этих групп бактерий образуются уксусная кислота, в о дород и углекислый газ, которые явл яются подходящим субстратом для метанообр а зующих бактерий. О сновная проблема, которая возник ает на фермах, где содержится много ж и вотных, заключается в хранении навоза и использовании его наиболее выгодным образом. Если при этом в качестве побочного продукта будет образов ы ваться ме тан и затраты на хранение навоза не увеличатся, то для ферм это будет безу словно положительным моментом. Современные конструкции реакторов не о купают себя за счет производства метана. Такие реакторы ок а зываются рентабельными в развива ющихся странах, где используется деш е вый ручной труд. ПОЛУЧЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ. БИОГАЗ Экологически чистую энергию можно получать путем преобразования солне чной энергии в электрическую с помощью солнечных коллекторов, а также из биогаза и микробного этанола. Биогаз — это смесь из 65 % метана, 30 % СО 2 , 1 % сероводорода и незначительных примесей азота, к и слорода, водорода и угарного газа. Энергия, заключенная в 28 м 3 биогаза, эквивалентна энергии: 16,8 м 3 природного газа; 20,8 л нефти; 18,4 л дизельного топлива. В осн ове получения биогаза лежит процесс мет а нового брожения, или биометаногенез — процесс превра щения биомассы в энергию. Биометаногенез — сложный м икробиологический процесс, в котором органическое вещество разлагаетс я до диоксида углерода и метана в аэробных условиях. Микробиологич е скому анаэробному разложен ию поддаются практически все соединения природного происхождения, а та кже значител ь ная часть к сенобиотиков органической природы. В анаэробном процессе биометаноген еза выделяют три последовательные стадии, в которых учас т вуют свыше 190 различных микроорган измов. На первой стадии под в лиянием экстрацеллюлярных ферментов ферментативному гидролизу подве рг а ются сложные многоуг леродные соединения — белки, липиды и полисахар и ды. Вместе с гидролитическими бакт ериями функционируют и микроорг а низмы — бродильщики, которые ферментируют моносахариды, орг анич е ские кислоты. На второй стадии (ацидогенез ) в процессе ферментации участвуют две группы микроо р ганизмов: ацето ге нные и гомоацетат ные. Ацетогенные Н 2 -продуцирующие микроорг а низмы ферментируют моносахариды, спирты и органические кислоты с образованием Н 2 , СО 2 , низ ших жирных кислот, в основном ацетата, спиртов и некоторых других низком олекулярных соедин е ний. Деградация бутирата, пропионата, лактата с образованием ацетата пр о исходит при совместном дейс твии ацетогенных Н 2 -продуци рующих и Н 2 -утилизирующих ба ктерий. Гомоацетатные микроорганизмы усваивают Н 2 и СО 2 , а также некоторые одноуглеродные соединения через стадию о бразов а ния ацетил-КоА и п ревращения его в низкомолекулярные кислоты, в осно в ном в ацетат. На заключительной третьей стадии анаэробного разложения отходов образуется метан. Он может си нт е зироваться через ста дию восстановления СО 2 моле кулярным водородом, а также из метильной группы ацетата. Некоторые мет а новые бактерии способны использовать в качестве субстрата формиат, СО 2 , метанол, метиламин и ароматические соединения: Особое место в утилизации отх о дов занимает метановое сбра живание. Оно позволяет получать из местного сырья биогаз как локальный и сточник энергии, а также улучшать качество органического удобрения и за щищать окружающую среду от загрязнений. Экологически чистые источники эне р гии не влияют отрица тельно на окружающую среду. Современные источники энергии — ГЭС, ТЭС, АЭ С — вызывают серьезные нарушения во внешней среде. ГЭС (гидроэлектроста нции) служат причиной затопления территорий, изменения ландшафта, гибел и биоценозов. ТЭС (теплоэлектростанции) загрязняют атм о сферу, нарушают альголо гический баланс, вызывают отчуждение земель. АЭС (атомные эле ктростанции) создают угрозу радиац и онного загрязнения. Сжигание нефти и газа вызывает повышение концентрации СО 2 , о б разование смога и, кроме того, у меньшение ресурсов нефти и газа. 90— 95 % используемого углерода метанообразующие бактерии пр е вращают в метан и лишь 5 — 10% углерод а превращаются в биомассу. В литературе имеются данные о спо собности метанооб разующих бактерий в ан а эробных условиях одновр еменно синтезировать и окислять метан. В зависимости от температуры протекания процесса метановые бакт е рии разделяют на мезо- и терм офильные. Оптимальная температура для м е зофильных бактерий от 30 до 40 "С, а для термофильных от 50 до 60 °С. В целом термофильный процесс метаногенеза идет интенсивнее мезофил ьн о го, притом в этих услов иях анаэробной переработки отходов субстрат обе з зараживается от патогенной микро флоры и гельминтов. При анаэробной п е реработке отходов животноводческих ферм микрофлора мет антенков (анаэробных ферментеров) формируется преимущественно из микр офлоры желудочно-кишечного тракта данного вида животных и микрофлоры о кружа ю щей среды. Из наибо лее часто встречающихся культур следует отметить La c tobacillus acidophilus , Butyrivibrio fibrisolvens , Peptostreptococcus productus , Bacteroides uniformis , Eubacterium aerofa - ciens . К числ у целлюлозоразлага ю щих бактерий микрофлоры жвачных относятся Bacteroides succinoqenes и Ruminococcus flavefaciens . Из рубца и навоза жвачных были изолиров аны такие метанообразующие бакт е рии, как Methanobacterium mobile , Methanobrevibacter ruminantium и Meth a nosarcina ssp . После определенного срока ра боты метантенка при устано в ленном температурном режиме и на постоянном субстрате образ уется сравнительно стабильный консорциум микроорганизмов. В ходе изуч ения микрофлоры свиного навоза при метановом брожении выделено около 130 ра з личных бактерий. Первую стадию разрушения сложных органических полимеров осущ е ствляют бактерии из родов Clostridium , Bacteroides , Ruminococcus , Butyrivibro . Глав ные продукты ферментации — ацетат, пропионат, сукцинат, Н 2 и СО 2 . Конечными продуктами ферментации целлюлозы и гемицеллюл о зы под действием бактери й, выделенных из рубца жвачных и кишечника свиней, являются различные ле тучие жирные кислоты. Бактерии второй, или ацетогенной, фазы, относящиеся к родам Syntrophobacter , Syntrophomonas и Desu l fovibrio , вызывают разложение пропионата, бутирата, лактата и пирувата до ацетата, Н 2 и СО 2 — предшественников м е тана. Ряд микроорганизмов способн ы синтезировать ацетат из СО 2 в терм о фильны х условиях, к их числу принадлежат Clostridium formicoaceticum , Ac e tobacterium woodii , метановые бактерии из родов Methanothrix , Methanosarc i na , Methanococcus , Methanogenium и Methanospirillum . Для получения биогаза можно использовать отходы сельского хозяйс т ва, испорченные прод укты, стоки крахмалперерабатыва ющих пре дприятий, жидкие отходы сахарных заводов, бытовые отходы, сточные в о ды городов и спиртовых заво дов. Процесс ведется при температуре 30— 60 "С и рН 6 — 8. Этот способ п о лучения биогаза широко примен яют в Индии, Китае, Японии. В настоящее время для производства биогаза чащ е используют вторичные отходы (отходы животноводства и сточные воды гор одов), чем первичные (отходы зерноводства, полеводства, хлопководства, пи щевой, легкой, микр о биоло гической, лесной и других отраслей), обладающие сравнительно ни з кой реакционной способностью и нуждающиеся в предварительной обрабо т ке. Основное преимущество биогаза состоит в том, что он является возобновля емым исто ч ником энергии. Его производство будет так же длительно, как существование жизни на Земл е.