Вход

Биотехнология и переработка отходов. Биогаз

Реферат по экологии, охране природы
Дата добавления: 11 декабря 2010
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 134 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
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.
© Рефератбанк, 2002 - 2017