Статья: Экологические аспекты современной биотехнологии

Скорость массопередачи кислорода, как известно, характери­зуется уравнением:

M = K (C* - Cl)

где К — объемный коэффициент массопередачи кислорода, С*, Сl — равновесная и рабочая концентрации растворенного кислорода, г/л.

На практике для очистки стоков используют различные технические системы. Если сточные воды не сильно загрязнены, для очистки можно использовать окисление на капельных или биологических фильтрах. При этом предварительно очищенную от механических примесей и жиров жидкость пропускают через плотный слой каменной щебенки, кокса или крупнозернистого (0,5—5 см) полимерного материала (полистирола или полипро­пилена) толщиной 0,9 — 3 м. Через несколько недель поверхность слоя покрывается слизистой пленкой, состоящей из микробной массы. В контакте с воздухом (в случае необходимости исполь­зуют принудительную циркуляцию воздуха) микроорганизмы на­чинают эффективно окислять органические вещества сточных вод. БПКз их равен 500 мг/л. Пропуская через биологические фильтры промышленные сточные воды со скоростью 1000— 1200 л/м3 в сутки, добиваются снижения БПКб до 10 мг/л. Воз­дух можно пропускать снизу вверх и наоборот. Подача воздуха должна быть около 0,6 м3/мин на 1 м2 поверхности фильтра.

При работе с биологическим фильтром надо следить за составом сточных вод, не допускать перегрузку фильтра и предотвра­щать уничтожение микрофлоры токсичными соединениями и не­растворимым остатком. В холодное время года такие системы очистки снижают или совсем теряют свою эффективность, так как невозможно регулировать температуру воды.

На сезонных предприятиях, например на сахарных заводах, для аэробной очистки вод используют биологические пруды — систему прудов глубиной 0,6—1,2 м. Одновременно они служат водохранилищами. В прудах нельзя допускать протекания анаэ­робных процессов гниения. В теплое солнечное время в прудах могут развиваться одноклеточные фотосинтезирующие водорос­ли, весьма благоприятно влияющие на очистку воды. По окончании сезона  работ воду спускают,  а  ил  используют в качестве удобрения.

Способы очистки сточных вод базируются на микрофлоре, способной активно перерабатывать загрязнения. Для деятельности микроорганизмов кроме органических питательных веществ необходим кислород и в небольшом количестве биогенные вещества в виде азот- и фосфорсодержащих веществ.

Рис.   2. Схема системы аэробной очистки промышленных стоков: / — усреднитель, 2 отстойник, 3 — аэротенк, 4 — регенератор ила, 5 — отстойник

ила, 6 — уплотнитель ила

Таблица 6. Системы аэробной очистки сточных вод

Коридорный

Работает по принципу вы­теснения. Малоинтенсив­ные; открытые

Системы Кессенера

Поверхностный аэратор с     Стоки ограниченной     глубиной;         открытый. Массообмен до 1,8 кг

 О2г на  1  кВт-ч из­расходованной     электро­энергии

Системы «Симплекс» Турбинный аэратор; от­крытый. Массообмен до 2,3 кг O2 на 1 кВт-ч

Ч

U/4J»

Пневматический с ке- Интенсивная аэрация
рамическими воздухе- (требуется компрессор);
распределителями            открытый

Продолжение

Колонный,   башенный    Низкая турбидизация сре-
или эрлифтный                 ды    (требуется    компрес-

сор); закрытый; высота 30—60 м. Малые энерго­затраты (около 0,5 кВт-ч на 1 кг СМ

Инжекционный  с  ре-    Интенсивная         аэрация циркуляцией    ила    и     (требуется    компрессор); сжиганием   органических веществ

Воздух

Воздух

В биологических фильтрах бактерии находятся в неподвижном состоянии в слизистой пленке, покрывающей крупно­зернистую поверхность наполнителя. Очищаемая вода медленно капает сверху, а в щели между гранулами поступает воздух естественным путем или принудительно (аэрация). Мощность биологических фильтров зависит от площади поверхности напол­нителя.

В биологических прудах колонии микроорганизмов свободно перемещаются в воде. Кислород поступает через водную поверхность или от фотосинтезирующих водорослей и естественным образом медленно растворяется в воде. Микроорганизмы свободно перемещаются в воде. Кислород поступает через водную поверхность или от фотосинтезирующих водорослей и естественным образом медленно растворяется в воде. Концентрация мик­роорганизмов и одноклеточных растений должна быть не слиш­ком высока, иначе на дне прудов появится дополнительный слой осадка, анаэробные процессы гниения начнут преобладать над аэробными, и произойдет вторичное загрязнение воды.

Сейчас у нас и за рубежом широко распространены интенсивные методы очистки сточных вод, когда в водный бассейн вводят большие количества воздуха и непрерывно перемешивают воду вместе с бактериальным илом.

Примеры интенсивной очистки — система аэрируемых прудов, в которые воздух подают при помощи специальных механических аэраторов, и аэротенки. Последние представляют собой же­лезобетонный или металлический резервуар, в котором непре­рывно происходит перемешивание сточных вод, микробного ила и воздуха. Аэротенки работают в комплекте с отстойниками, где осаждается ил, который накапливается в больших количествах.

На промышленных предприятиях, в том числе относящихся к микробиологической промышленности, в состав очистных сооружений обычно входят следующие узлы (рис. 2): усреднитель стоков для выравнивания концентраций загрязнений и стабилизации потока сточных вод; отстойник для осаждения взвешенных веществ; аэротенк или биофильтр, в котором осуществляется собственно биодеградация органических соединений; регенератор, в котором осуществляется восстановление активно­сти ила; отстойник активного ила.

Наиболее крупномасштабной отраслью российской биотехнологии традиционно является дрожжевая промышленность, поэтому экологи­чески важное значение имеет эффективная очистка стоков дрож­жевых заводов. В стоках гидролизно-дрожжевых заводов повы­шена концентрация фурфурола (до 50 мг/л); в стоках заводов по производству БВК из парафинов повышена концентрация углеводородов до 600 мг/л. БПК стоков микробиологической промышленности достигает 3000 мг/л, содержание взвешенных веществ 1000 мг/л; азота — 250, фосфора (Р2О5] —50 мг/л.

Скорость процесса биодеградации органических веществ в аэротенках зависит от количества активного ила в 1 л объема (обычно от 4 до 10 г/л), а также от массообменных и гидродинамических характеристик аппаратов. Массообмен в аэротенках зависит от системы аэрации, а гидродинамика — от структуры потоков жидкости и условий микросмешивания в различных зо­нах аэротенка. Аэротенки, как любые химические и биотехнологи­ческие реакторы, можно условно разделить на аппараты вытес­нения и полного смешивания. К аппаратам вытеснения относятся аэротенки коридорного типа. В них происходит достаточно глу­бокая деструкция органических веществ. Процесс можно регули­ровать путем подачи субстрата в различные точки аппарата. Недостаток аэротенков вытеснения — чувствительность системы к колебаниям нагрузки. Аэротенки полного смешивания обычно используют для очистки стоков с ВПК до 3000 мг/л.

Очистку стоков желательно организовать так, чтобы их можно было использовать на производстве повторно в качестве технической воды. Однако описанная схема этого не обеспечивает, и требуется дополнительно устраивать биологические пруды, населенные водорослями и фауной. Данную проблему можно ре­шить также путем анаэробной детоксикации отдельных соедине­ний.

Активный ил после отстойника имеет влажность 95—99 %, поэтому его обезвоживание на полях фильтрации малоэффектив­но. Активный ил перед фильтрацией рекомендуется обработать флокулянтами, что позволяет заметно уменьшить объем ила и улучшает процесс фильтрации. Финская фирма «Тампелла» рекомендует использовать специальные шнековые прессы «Тасстер», которые уплотняют массу ила до 17—20 % СВ. Актив­ный ил в натуральном виде или после обработки можно ис­пользовать для удобрения лесов, а в ограниченных количествах—для удобрения полей. Однако более рационально ил перерабатывать в биогаз.

В поверхностных аэраторах системы Кесснера снабжение кислородом обеспечивается в ограниченном слое жидкости (менее 5 м). При этом на 1 кВт мощности аэрация составляет до 1,8 кг 62. Более эффективны аэраторы типа «Симплекс» — до 2,3 кг О2 на 1кВт. Скорость массопередачи кислорода в этих системах 2—4 кг/ч.

В России до недавнего времени выпускались пневмомеханические аэраторы производительностью по воздуху 900, 1300 и 1900 м3/ч (по кислороду соответственно 54, 130 и 190 кг/ч).

Для очистки городских коммунальных стоков в некоторых западных странах успешно применяют аэротенки с керамическими аэраторами. Характеристика системы очистки стоков города с населе­нием около 1 млн человек и объемом очищенной жидкости 550000 м3/сут приведена в табл. 7. Для эксплуатации биоло­гической системы очистки стоков в сутки требуется 72000 кВт-ч электроэнергии, главным образом для сжатия воздуха. Высота столба жидкости в таких аэротенках открытого типа около 4 м.

Более эффективны аэротенки с большой высотой столба жидкости: колонные, башенные или шахтные. Высота шахтных аэротенков 50 м и более; в них имеется внутренняя система циркуляции субстрата, например, по внутренним трубам субстрат падает сверху вниз, а по межтрубному пространству при помощи сжатого воздуха поднимается вверх. Стоки, имеющие ВПК 2100 мг/л, очищаются на 85 %, при этом производительность составляет 25 м3/ч; концентрация ила 6,5 г/л; эффективность аэрации 3—4 кг О2 на 1 кВт.

Таблица 7. Система аэробной очистки городских стоков

Недавно российскими и зарубежными учёными разработан аэротенк со щелевыми эжекторами из пластмассы, обеспечивающими эффективное насыщение субстрата кислородом. Аэротенк выполнен в виде четырех параллельно работаю­щих колонн высотой 30 м. В каждой колонне установлены 72 эжектора. Производительность установки 90000 м3/сут. При необходимости, если отработанный воздух содержит вредную микрофлору или вещества, а также имеет неприятный запах, газовую среду обрабатывают в печах с инфракрасным обогре­вом.

На практике при аэробной очистке разбавленных стоков широко применяют аэробные фильтры, или триклеры. Это вертикальные цилиндры, заполненные щебнем, камнем, углем разме­ром 5—10 см. Высота фильтров может быть 2—3 м. Сверху на наполнитель обычно с помощью вращающегося разбрызгивателя подают очищаемые стоки. Жидкость стекает и покрывает части­цы пленкой, в которой затем развивается аэробная микрофлора (в основном гетеротрофные бактерии). В присутствии кислорода происходит окисление органических веществ стоков, стекающая жидкость поступает в осадительные бассейны. Ил не рециркулирует. Аэробные фильтры обеспечивают производительность 1—3 м3/(м2-сут).

Для очистки разбавленных стоков используют также вращающиеся биологические контакторы. Эти аэробные очистительные устройства представляют собой цилиндры, в которых на горизон­тальной оси по всей длине цилиндра установлены диски из пласт­массы или шифера. На 35—45 % диаметра диски погружены в жидкий субстрат. При вращении оси с частотой 2—5 об/мин субстрат прилипает к поверхности диска и в виде пленки подни­мается в воздушное пространство, где обогащается кислородом. Микрофлора преимущественно фиксируется (иммобилизуется) на поверхности дисков. Вращающиеся контакторы успешно при­меняют для переработки стоков с ВПК 130—200 мг/л и обеспечи­вают его снижение на 80—85 %.

Таким образом, современные аэротенки фактически являются ферментаторами различной мощности, в которых выращивается активный ил. Как правило, в аэротенках реализуется только непрерывный процесс, чаще всего с рециркуляцией активного ила.

Аэробную очистку стоков можно интенсифицировать путем создания псевдоожиженного слоя с применением в качестве

носителя ила инертных частиц, например песка, размером 0,3— O,9 мм. Другой путь интенсификации — повышение концентрации растворенного кислорода до 12 мг/л путем подачи технического кислорода.

Анаэробные системы очистки стоков

Для очистки сточных вод в народном хозяйстве при утилизации отходов животноводческих ферм, производстве кормового витамина B12 и в других случаях используют метановое брожение. Этот процесс широко распространен в природе (разложе­ние органических веществ в болотах, водоемах, в почве, у жи­вотных в рубце и т.д.). Метановое брожение — строго анаэроб­ный процесс, осуществляется, как правило, в особых аппара­тах — метантенках.

Биодеградация органических веществ при метановом брожении в метантенках протекает в три последовательные фазы (табл. 8).

В первой, гидролитической фазе около 76 % органических веществ переходит в высшие жирные кислоты, до 20 % — в ацетат и 4 % — в водород. Первую фазу можно разбить, в свою очередь, на фазы гидролиза и ацидогенеза (кислотообразования). Во второй фазе главными являются процессы образо­вания из высших жирных кислот ацетата (52 %) и водорода (24%). В третьей фазе (брожение) метаногенные бактерии образуют из ацетата 72 % метана, и СОз — 28 % метана. Соотношение промежуточных и конечных продуктов в процессе метанового брожения зависит от состава среды, условий фер­ментации и присутствующей микрофлоры.

В первой фазе брожения принимают участие микроорганизмы, обладающие целлюлолитической, протеолитической, липолитической, сульфатвосстанавливающей, денитрифицирующей и други­ми видами активности. Состав доминирующей микрофлоры данной фазы зависит от состава микрофлоры поступающего в ме-тантенки субстрата, а также от химической природы деградиру-емых органических веществ. Количество аэробных и факульта­тивно анаэробных микроорганизмов в первой фазе брожения достигает 106 кл/мл, содержание облигатных анаэробов на 2—3 порядка выше. Целлюлозоразрушающие анаэробные бактерии в метантенках могут накапливаться в количестве до 106 кл/мл. Среди бактерий, разрушающих гемицеллюлозу, обнаружены штаммы Bacterioides ruminicola, Butyrivibrio fibriosolvens и др.

Протеолитические бактерии, используемые в промышленности относятся к роду Clostridium (28 штаммов из 43 выделенных), Peptococcus anaerobis (8 штаммов), к родам Bacterioides и Eubacterium (3 штамма), а также к родам, близким к Bifidobacterium. Общее количество микро­организмов, обладающих протеолитической активностью, в ме­тантенках достигает 105 кл/мл. Отмечается, что до 50 % выде­ленных бактерий, участвующих в метановом брожении, образуют споры. Влияние микробиологического состава поступившего в ме-тантенк субстрата на микрофлору метанового брожения хорошо видно на примере анаэробного сбраживания стоков свиноферм, в культуральной жидкости которых обнаружено до 50 % энтеробактерий Е. coli и анаэробных стрептококков. В этом опыте пер­выми развивались бактерии, обладающие амилолитической активностью, а позднее — обладающие целлюлолитической и протеолитической активностями.

Существенная роль в процессах метанового брожения принадлежит ацетогенными и водородпродуцирующим бактериям. Эти бактерии, например Syntrophobacter wolinii, превращают пропионат в ацетат, СО2, если в среде одновременно при­сутствуют водородпотребляющие бактерии. Водород образуется при окислении NADH2 с образованием NAD. Содержание водоро­да в среде зависит не только от ацетогенных бактерий, но и от водородпотребляющих метаногенов. Метаногенная система будет работать эффективно тогда, когда парциальное давление водоро­да будет низким. При этом условии углеродные соединения кон­вертируются в ацетат, СО2 и будут плохо накапливаться различные жирные кислоты. В условиях загрузки биореактора легкодеградируемым субстратом концентрация СО2 может увели­чиваться и в среде будут накапливаться пропионовая, масляная и другие органические кислоты.

В третьей фазе — метаногенной — участвуют метанобразующие бактерии. Эта группа анаэробных бактерий принадлежит к древнейшему царству живых существ — архибактериям. Строе­ние и метаболизм метанобразующих бактерий сильно отличаются от прокариот. Так, у метаногенов маленький геном около '/з генома кишечной палочки. Исследования последних лет показа­ли, что последовательность нуклеотидов в РНК у метаногенов и у обычных бактерий существенно различаются. Энергию для роста эти бактерии получают при восстановлении наиболее окисленного соединения СО2 до наиболее восстановленного СН4. Предполагаемый путь автотрофной ассимиляции СО2 у Methano­bacterium thermoautotrophicum показан на рис. 3.

Таблица 8. Фазы метанового брожения

Биогидролиз   полимеров   и   ацидогенез

Гидролитические ацетогенные

Комплекс   оргашче-    Высшие жирные кис-
ских веществ                   лоты

Ацетогенез   и   дегидрогенизация Водородпродуцирующие бактерии     Высшие жирные кис-    На, СО2, СН3СООН

Метанобразующие бактерии

Метаногенез

На, СО2, СНзСООН

СН4, СО2

Галактозо-КНг

|Аспартат{

Оксал о ацетат

I

Малат Фумарат

Сукцинат

ATP I

Сукцинил-СоА

(С02) 1   факт°Р 420ВОСС а-кетоглутарат

Гексозофосфат

Триоэофосфат

АТР

Фосфоенолпирув ат

Пентоэофосфат

Рис.  3.

Предполагаемая схема автотрофной ассимиляции СО2 у бакте­рий Methanobacterium thermoautotrophicum

После создания Хангейтом Р. Э. в 1985 г. упрощенной техники культивирования метанобразующих бактерий удалось выде­лить 30 видов метаногенов, принадлежащих к 14 родам и 6 семействам. Некоторые представители метанобразующих бактерий приведены в табл. 11.9. По форме клеток метаногены являются кокками или палочками различных размеров и подвижности. Некоторые представители Methanobacterium и особенно Methanothrix могут образовывать даже нитеобразные клетки. Строение клеточной стенки у метаногенов отличается от таковой у обычных бактерий.

В качестве субстрата многие метаногены потребляют формиат, который трансформируют в метан:

4HCOOH-CH4+3CO2+2H2O

Таблица 9. Характеристика метанобразующих бактерий

Methanobacterium

formicum

bryantii

thermoautotrophicum Methanobrevibacterium

ruminantium

smithi

orboriphilus Methanococcus

vannielii

voltae

thermoiithotrophicus

mazei

Methanomicrobium mobile

Methanobacterium cariaci marisnigri

Methanospirillum hunga-tei

Methanosarcina barken

Methanolhrix soehngenii

Methanothermus fervidus

Палочки от длинных до ни­теобразных; в клеточной стенке содержится псевдо­муреин

Комки, короткие палочки; в клеточной стенке содер­жится псевдомуреин

Подвижные нерегулярные небольшие кокки; в клеточ­ной стенке содержатся по­липептидные субъединицы

Подвижные короткие палоч­ки и нерегулярные под­вижные небольшие кокки; в клеточной стенке содер­жатся полипептидные субъ­единицы

Подвижные небольшие не­регулярные кокки; в клеточ­ной стенке содержатся по­липептидные субъединицы Подвижные палочки; в кле­точной стенке содержатся полипептиды

Нерегулярные кокки, сгруп­пированные в пакеты; в кле­точной   стенке   содержатся гетерополисахариды Палочки от длинных до ни­тей; в клеточной стенке не содержится     муравьиная кислота

Неподвижные палочки; в клеточной стенке содержит­ся псевдомуреин

Водород и формиат

Водород

То же

Водород и формиат

То же

Водород

Водород и формиат То же

»

Водород, метанол, метил­амин, ацетат Водород и формиат

То же

Водород и формиат

Водород,    ацетат,    мета­нол, метиламин

Ацетат

Водород

При переработке различных коммунальных и промышленных стоков пищевых производств основным субстратом для метаногенов является ацетат, который также превращается в метан:

СН3СООН -СН4 + СО2.

К этой группе метаногенов относятся Methanosarcina barkeri Methanococcus mazei, Methanothrix soengenii. При конверсии ацетата в метан с их помощью очень мало изменяется свобод­ная энергия субстрата (AG6 = —32 кДж), поэтому скорость их роста низка и их генерация длится не менее 10 сут.

Некоторые метаногены, как следует из таблицы 9, конвертируют в метан также метанол и метиламин:

4/3 СН3СООН -СН4 + ½ СО2  + 2/3 H2O.

4/3 СН3NH2 + 2/3 H2O - СH4  + 1/3 CO2.

Метан при метановом брожении получается также из СО2 и Н2, образующегося в результате деятельности в основном ацетогенных бактерий. Предполагаемая схема восстановления СО2 до метана представлена на рис. 11.4. Согласно этой схеме перенос­чиками С] являются метаноптерин (МР) и 7,8-дигидрометанопте-рин (ДНМР) , коферменты FA и М.

Количество газа, получаемого из 1 моля кислоты в процессе брожения, можно определить по уравнению Басвелла:

сnнa0b + ( „ - i

COOH-DHMP

t

НСО-МР

HS-CoM          СНгОН-8-СоМ

CH,-&-CoM

„   CoM*

Рис.    11.4.   Предполагаемая   схема   восстановления СО2 в метан метаногенами

где п, a, b — число атомов углерода, водорода и кислорода в соответствующей кислоте при 30 °С и нормальном давлении.

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

Исследования, проведенные экологами, показали, что при термофильном метановом сбраживании паточной барды спиртового производства с содержанием СВ 4,2 % при суточной замене 10 % среды из 1 объема ферментационной жидкости выделяется 22 объема газа. Общее содержание кислот в жидкой среде 2,5 %, в том числе муравьиной 0,46 %, уксусной — 0,79 %, пропио-новой — 0,86 %, масляной — 0,39 %. Экспериментально установ­лено, что по скорости сбраживания органические кислоты рас­пределяются в следующем нарастающем порядке: пропионовая, капроновая, валериановая, муравьиная, масляная, уксусная. Наиболее интенсивно сбраживается уксусная кислота.

Метаногенез зависит в большой степени от химического со­става среды и физических факторов. Прежде всего необходимо иметь в виду, что метаногены строгие анаэробы и кислород является для них ядом. Значение окислительно-восстановительного потенциала (еН), при котором лимитируется рост метаноге-нов, равно 330 мВ; оптимум — примерно — 400 мВ. Присутствие одной молекулы О2 в 10 л воды ингибирует метаногенез. Однако наши исследования показали, что кратковременная аэрация метантенка не приводит к гибели метаногенов, так как сопутствую­щая факультативно анаэробная микрофлора утилизирует кисло­род и через 2 сут метаногенез возобновляется (рис. 5).

Мета-нобразующие бактерии хорошо развиваются и метаболизируют субстрат в метан при рН 6—8. Однако различные представители по-разному реагируют на из-

менение рН среды. В метан-тенках рН поддерживают на уровне, близком к нейтраль­ному или щелочному.

По температурному оп­тимуму различные метаноге­ны сильно различаются. В природе встречаются как психрофилы, так и термо­филы, выживающие даже при 97 °С. Большинство ме-тантенков работает в мезо-фильном режиме при 35— 45 °С. Термофильная фер­ментация (при 50—57 °С) идёт менее интенсивнее, чем мезофильная, однако процесс отличается меньшей стабильностью.

Биомасса метанобразующих бактерий состоит из 54 % углерода, 20 % кислорода, 10 % водорода, 12 % азота, 2 % фосфора и 1 % серы. Кроме того, в биомассе содержатся калий, натрий, кальций, магний и ряд микроэлементов, наиболее важные из ко­торых кобальт, молибден и никель. Чтобы обеспечить формиро­вание клеточной массы, в среде должны содержаться необходи­мые питательные вещества. Соотношение ХПК: N:P должно быть 700:5:1, нельзя допускать избытка азота (C:N не менее 20:1). Уровень токсичности ионов аммиака для метанобразующих бак­терий 1500—2000 мг/л; цианида (CN~) —0,5—1,0 мг/л; калия, натрия и кальция — 3000—6000 мг/л.

Ингибирование метаногенеза вызывают сульфиты, которые при метановом брожении сульфатвосстанавливающие бактерии восстанавливают до H2S. Метаногенез ингибируется при концентрации сульфидов 100—159 мг/л. При метаногенезе на 50 % сокращается содержание растворимых солей тяжелых металлов при следующих концентрациях ионов (в мг/л}: железо 1 —10; цинк— 10~4; кадмий 10~7; медь —10~12 и 10~1 (для двухвалентной формы).

Процесс метаногенеза замедляется в присутствии различных детергентов (при их концентрации около 15 мг/л), антибиотиков и других веществ. Если метановое брожение не ингибировано, при 35 °С выход метана составляет 0,34—0,36 м3 из 1 кг расходованного ХПК или 0,91—0,93 м3 из 1 кг использованного органи­ческого углерода. Можно считать, что в среднем из 1кг ХПК получают 0,35 м3 метана. Если эти показатели ниже, то можно предполагать, что метаногенез ингибируется каким-либо факто­ром. Об этом свидетельствуют, например, изменение реакции среды (подкисление), накопление пропионата. Сумма летучих жирных кислот в среде не должна быть выше 250 мг/л.

Для восстановления интенсивности метанового брожения можно снижать скорость подачи субстрата, подщелачивать среду химическими веществами, разбавлять стоки водой, удалять токсические соединения путем предварительной обработки стоков. Интенсифицировать метановое брожение можно также, разделяя процесс на две стадии: первую — предварительную, в которой в отдельном аппарате или секции реализуется гидролиз субстратов, и вторую собственно метаногенез. Это позволяет локали­зовать специфическую для каждой стадии микрофлору и обеспечить наиболее благоприятные условия для развития каждой группы микроорганизмов: в первой — преимущественно гидролитическую и ацетогенную, во второй главным образом метаногены. Установлено, что метаногены любят адгезировать на по­верхностях, поэтому во второй секции можно помещать специальные иммобилизующие средства (щетки, гранулы и т.д.).

Так как метанобразующие бактерии имеют низкую скорость роста, важно технологическими методами обеспечить их высокую концентрацию в биореакторе. Один из таких методов — иммобилизация клеток на поверхности носителей. Нами установлено, что на щетках из капроновых волокон уже через 2—3 нед ферментации накапливается в 2—3 раза больше метаногенов, чем в жидкости.

Оригинальный метод повышения концентрации биомассы разработан в 1970 г. Леттингом Г., Зендером А. и др. В биореакторе создают условия, способствующие естественному образованию гранул бактериальной биомассы под воздействием факторов среды и гидродинамического режима. Например, направляя поток среды снизу вверх, достигают выноса из реактора нефлокулирующих микроорганизмов. Этим создаются благоприятные усло­вия для накопления биомассы флокулообразующих сарцин и нитеобразующих форм бактерий (например, из рода Methanot-hrix). Гранулообразованию способствует выбор специального субстрата. Так, Methanosarcina и Methanothrix утилизируют пре­имущественно ацетат, следовательно, в среде должен быть аце­тат.

Для накопления в среде ацетата в начале процесса устанавливают небольшие скорости загрузки биореактора, чтобы создать условия для утилизации и трансформации всех высших жирных кислот. Кроме того, в среде должны быть ионы кальция, которые способствуют флокуляции. При таких условиях в нижней части биореактора постепенно накапливаются гранулы величиной 0,5 2,5 мм с хорошими седиментационными свойствами. В реакторе не должно быть механического перемешивания, чтобы не дефор­мировать и не разрушить гранулы. В верхней части биореактора необходимо устанавливать сепарационное устройство, в котором гранулы отделяются от жидкой фазы и возвращаются в нижнюю часть аппарата. Кроме того, в сепарационном устройстве отделя­ется также газовая фаза. По такому же принципу созданы и эффективно работают биореакторы с верхним вводом потока и с толстым слоем шлама (биореактор UASB — Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor).

Схема такого биореактора приведена в табл. 10. В нижней части биореактора в слое высотой 1,5—2,5 м концентрация биомассы достигает 50—100 кг/м3; над этим слоем концентрация биомассы 5—20 кг/м3. В оптимальных условиях биореактор обе­спечивает суточную загрузку ХПК до 15 кг/м3, полная замена субстрата происходит за 4 ч при степени очистки 70—90 %.

Таблица 10. Системы анаэробной очистки сточных вод

Анаэробные лагуны   Система отстойников, в         Стони

которых стоки пребыва-                    I Биогаз       Виозоз

ют от нескольких недель             .T_i_i_i_    __ t M   1Т,{]'илц?н-

7777Z

до 2 мес. газы свободно    г..                                              ъныеамю

выделяются в атмосферу

Продолжение

Для анаэробного брожения стоков применяют различные биореакторы очень больших объемов, изготовленные из металла или железобетона, в виде вертикальных и горизонтальных цилиндров или прямоугольных резервуаров. В Китае, Индии и некоторых других странах Азии успешно используют небольшие биореакторы объемом до 10 м3 очень простой конструкции для утилизации отходов домашнего хозяйства. Количество таких биореакторов составляет более 10 млн. В развитых странах по­строено множество крупных биогазовых установок для очистки стоков промышленных предприятий и отходов ферм. Метановое брожение традиционно применяют при очистке городских стоков, для утилизации активного ила после аэробной ферментации.

В последнее время анаэробное метановое брожение применяют для детоксикации стоков. Установлено, что анаэробные бакте­рии деградируют не только углеводы, липиды, протеины, нуклеи­новые кислоты, но и многие соединения нефтехимической про­мышленности, например бензольную кислоту.

4 С6Н5СООН + 18 Н20 - 15 СН4+ 13 СО2.

Адаптированные ассоциации анаэробов деградируют ацетальдегид, ацетон, бутанол, этилацетат, этилакрилат, глицерол, ни­тробензол, фенол, пропанол, пропиленгликоль, кретоновую, фумаровую и валериановую кислоты, винилацетат, парафины, син­тетические полимеры и многие другие вещества и продукты.

Метановое брожение должно рассматриваться не только как средство защиты окружающей среды, но и как метод полу­чения газообразного топлива, ценных органических удобрений и даже кормовых добавок. Так, в начале 60-х годов Институтом биохимии им. А. Н. Баха при участии Института микробиологии им. А. Кирхенштейна Латвии был создан метод получения концентрата витамина В12 путем метанового сбраживания мелассной барды спиртового производства. Витамин B12 содержится в биомассе бактерий метанового броже­ния.

В разделе об аэробных системах очистки стоков уже говори­лось, что в городах, где за 1 сут сбрасывается 550 тыс. м3 стоков, успешно работают комбинированные системы, состоящие из 27 аэротенков объемов 39 000 м3 и 6 метантенков объемом 6500 м3 каждый. Метантенки работают в мезофильном режи­ме, длительность замены субстрата 17 сут. После метанового брожения биомасса отделяется и высушивается с использованием энергии биогаза. Сухой продукт, получаемый в количестве 280 т/сут, служит удобрением.

Финской фирмой «Тампелла» предложена рациональная система очистки стоков пищевых и бумажных заводов. Биореактор «Таман» сконструирован с учетом возможности реа­лизации двухстадийного процесса (кислая и метаногенная ста­дии), причем на метаногенной стадии применяется гранулооб-разный шлам. Интенсификация метанообразования обеспечива­ется в результате выноса из зоны метаногенеза свежего суб­страта с важными ингибиторами, а также наличия во второй зоне большой биомассы метанобразующих бактерий. Обе зоны могут быть размещены в одном вертикальном цилиндре, разде­ленном горизонтальной перегородкой на верхнюю зону объемом 300 м3 и нижнюю — 350 м . На молочном заводе, перерабатыва­ющем за год 63 млн л молока и производящем 3000 т сыра, 2 тыс. т сливочного масла, 1,2 млн т мороженого и 17 млн л то­варного молока, система очистки «Таман» обеспечивает хорошую очистку стоков.

Количество перерабатываемых стоков, м3/сут             500

ХПК, т/сут                                                              1,3

БПКл, т/сут                                                            0,6

Взвешенные вещества, т/сут                              1,1

Температура, °С                                                   20

Редукция по БПКт, %                                       > 80

Содержание метана в биогазе,%                    70—74

На одном из заводов о/о «Алко» и бумажной фабрики в г. Аньяле (Финляндия) фирма «Тампелла» разработала систему очистки стоков, состоящую из анаэробной и аэробной частей. Завод производит крахмал, этанол и различные корма и за год перерабатывает около 140 тыс. т ячменя. Стоки завода сначала обрабатываются в нейтрализаторе, затем после­довательно проходят усреднитель, две стадии метанового бро­жения, аэротенк и вторичный отстойник. Общая емкость мета­нтенков 1350 м3, суточная производительность по стокам 2000 м3, в которых ХПК равен 10 т, БПКг — 6,7 т, количество взвешен­ных веществ 1 т. Процесс идет при мезофильном режиме (35— 40 °С), степень редукции по ВПК 95 %.

Метановое сбраживание отходов

Первые опыты в СССР по метановому сбраживанию жидких отходов были начаты в Латвии в специально сконструированном реакторе объёмом по 75 м3. Внутри реактора имеются пере­городки, обеспечивающие лабиринтное движение субстрата и ус­траняющие случайный прямолинейный проход частиц навоза в аппарате. Режим работы термофильный (54 °С), средняя суточ­ная замена субстрата в биореакторе 20 %. Навозные стоки за­гружают в емкость для свежего навоза, далее насосом — в ем­кость для предварительного нагрева, а затем перекачивают в биореактор.

Биогаз собирался в верхней части биореактора и в газгольдере, а оттуда по трубопроводу направляется в котел для сжига­ния в инжекционных горелках низкого давления. Подогретая в котле теплая вода поступает в бойлер, откуда часть расходу­ется для поддержания температуры в биореакторе, а часть нап­равляется на обогрев помещений для животных. Сброженный субстрат вытесняется из биореактора н трактором 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, рН 6,5—8,3. Жидкое ор­ганическое удобрение после метанового брожения проверено в опытных и полевых условиях. При этом доказано его высокое качество, особенно для поливки полей с многолетними травами. В этом случае урожай зеленой массы удваивается. Средние данные за 12 мес эксплуатации этой установки в совхозе «Огре» приведены ниже (В. С. Дубровские, 1987).

Выход биогаза с 1  м3 рабочего объема биореакто-       2,55

ра, м3/сут

Выход биогаза из 1 кг сухого органического вешест-           0,448

ва, м3/сут

Содержание метана в биогазе, %                                  64,8

Средняя загрузка органического вещества на   1  м3                 5,69

рабочего объема реактора, кг/сут

Среднее выделение метана с 1  м3 рабочего объема               1,65

биореактора, м3/сут

Максимальное  выделение метана  с   1   мл  рабочего         3,93

объема биореактора, м3/сут

Четырехлетний опыт работы этой установки показал перспективность термофильного метанового сбраживания отходов ферм, как экономически и экологически оправданного способа обезвре­живания навоза. До 50 % энергии, полученной с биогазом, мож­но использовать в животноводческих комплексах, остальное ко­личество расходуется на поддержание процесса.

На  крупных   животноводческих  комплексах  ферментирован-

ный навоз фракционируют. Жидкую фракцию целесооб­разно дополнительно обра­батывать и рециркулировать, а твердую - - исполь­зовать в качестве высокока­чественного органического удобрения.

Своеобразными компос-тами являются городские свалки. Толщина слоя мусо­ра на городских свалках до­стигает 10 и даже 20 м. В городских отходах содержатся различные органиче­ские вещества,

поэтому в массе отходов протекают сначала аэроб­ные, а затем анаэробные микробиологические процессы. Условно микробиологические про­цессы, происходящие в свалках, можно разделить на четыре этапа, различающиеся по газовому составу (рис. 8). Сначала между частицами мусора находится воздух, содержащий около 20 % кислорода. Через некоторое время он поглощается аэроб­ной микрофлорой и начинается деятельность анаэробной микро­флоры — сначала не образующей метан, а затем метаногенов. В зависимости от местных условий через несколько месяцев или через год наступает стабильное метановое брожение, и в выделяющемся газе содержится 50—55 % СН4, около 40 % СО2 и 5 % N2.

В 70-х годах в США и странах Европы для получения энергии начали использовать газ, выделяющийся при разложении мусора в свалках. Для этого на различной глубине устанавливают перфорированные трубы, через которые откачивают газ.

В Дании проведено обследование городских свалок и сделано заключение, что 45 из них пригодны для получения биогаза {WiMumsen, 1985). На этих свалках около 38 млн т мусора, и биогаз может образовываться в течение 25 лет.

В годы перестройки в г. Выборге изготовлена опытная установка по получению электроэнергии из выделяющегося в городской свалке биогаза. Данная свалка занимает площадь около 1 га, толщина слоя мусора 6—12 м, масса мусора 400 тыс. т. Для эксперимента был выделен участок с массой мусора около 50 000 т, на котором сдела­ны 8 отверстий, соединенных при помощи трубопроводов, насосов и фильтров с дизелем мощностью 32 кВт и способностью тепло-генерирования 60 кВт. При скорости сбора газа 20 м3/ч дизель работал хорошо. На основании этого опыта выполнен проект получения энергии на свалке г. Выборга. При этом можно полу­чать ежегодно 24 000 кДж энергии, что заменит 600 т нефти. Данное мероприятие оказалось экономически выгодным, но дальнейшего развития к сожалению не получило.

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 сут, при 55 °С — за 60—90 сут (R. С. Loehr, 1984).

Экономические аспекты переработки отходов

В некоторых странах Азии широко распространены небольшие биогазовые установки объемом 1 — 2 м3 и производительностью 2—3 м3/сут. Конструкции таких биореакторов несложны, поэтому их изготовляют в основном си­лами семьи. В связи с этим стоимость их невелика, следовательно, они экономически оправданы, так как обеспечивается газом кухня и к тому же обезвреживаются отходы. В Китае и Индии начат промышленный выпуск биореакторов объемом 5—10 м3, производительностью по биогазу около 10 м3/сут. Такие биореак­торы используют кооперативно. В Юго-Восточной Азии, где ши­роко применяются эти установки, благоприятны и климатические условия, что позволяет обеспечить мезофильный режим без по­догрева.

В странах Европы к концу 20 века действовали 546 крупных биогазовых установок, причем 77 % их были установлены на фермах для утилизации сельскохозяйственных отходов {Demuynck et. al., 1984). При обследовании 150 установок выявлено, что капи­таловложения зависят от их комплектации. Если в комплект входит генератор электроэнергии, то стоимость увеличивается на 30—70 %. Однако эксплуатация биогазовых установок в Европе показала преимущества трансформации энергии биогаза в элек­трическую. Если установки изготовлены силами хозяина, стои­мость на 26 % ниже, чем при заводском изготовлении. Уста­новлено также, что удельная стоимость 1 м3 полезного объема биореактора снижается при увеличении объема аппарата и ста­билизируется при объеме 100 м3. Стоимость оборудования суще­ственно влияет на стоимость получаемого биогаза. В странах Общего рынка удельная стоимость установки в расчете на 1 м3 реактора не должна превышать 300—400 европейских единиц валюты (ECU—European Currency Unit). Немаловажное зна­чение имеют система биореактора и принцип его работы. Был проведен сравнительный анализ продуктивности и стоимости оборудования следующих трех систем:

1) анаэробный контакт в одном реакторе (французская сис­тема) ;

2)      механическое  перемешивание  и  рециркуляция  биомассы;

3)      проточная система с флокуляцией биомассы без носителя
(табл.  11).  Данные  получены   при   метановом   сбраживании
сточных вод сахарного производства.

Таблица 11. Производительность и стоимость биореакторов различных систем

Анаэробный контакт в одном реакторе                                  0,88                       248

С механическим перемешиванием и рециркуля-                    0,64                       436
цией биомассы

Проточная с флокуляцией биомассы                                        5,4                     2159

Была изучена также окупаемость биогазовых установок. Обследованы 32 установки, из которых 5 самодельные и 3 явно экономически выгодные (срок окупаемости 3—4 года). 27 установок, изготовленных различными фирмами, по окупаемости ока­зались менее выгодными.

Однако, как показали результаты проведённых иссследований эко­номически оправданы лишь биогазовые установки, которые обе­спечивают продуктивность не ниже 1 м3/(м3-сут) и имеют удель­ные капиталовложения не более 300—400 ECU за 1 м3 биореак­тора.

Экономические аспекты получения биогаза при современных животноводческих фермах изучены также в Швейцарии (Э. Эдельманн, 1985). Автор приходит к выводу, что практически все виды отходов сельскохозяйственного производства могут быть перера­ботаны в биогаз и получаемая таким образом энергия может покрыть основные потребности хозяйства. Однако невыгодно ори­ентироваться только на энергию биогаза, так как для утилизации различных отходов требуется применение специальных техноло­гий и оборудования. Получение биогаза и отходов выгодно тем, что переработке подвергаются влажные субстраты.

Э. Эдельманн отдает предпочтение мезофильному режиму ферментации, при котором на поддержание процесса тратится меньше энергии и не нужна столь тщательная изоляция обору­дования и коммуникаций. В отдельных случаях допустим даже психрофильный режим (15—20 °С), но в этом случае потребуется биореактор большого объема. Чем больше животных на ферме, тем меньше удельные капиталовложения. Так, при поголовье крупного рогатого скота 20—30 ежегодные удельные расходы на выращивание одного животного в условиях Швейцарии состав­ляет около 2500 швейцарских франков, а при 70 животных — 1500. 40—50 % капиталовложений идут на работу биореактора, коммуникаций и насосов. Для эксплуатации биореактора удельные расходы на одно животное составляют 150—300 швей­царских франков.

Рентабельность эксплуатации биогазовых установок во многом зависит от конкретных условий и умелого проектирования установки. Э. Эдельманн приводит ряд случаев, когда были созданы слишком большие биореакторы и биогаз использовался нерационально, особенно в летний период. Автор считает, что государство должно поощрять создание биогазовых установок, выделяя дотации, так как это мероприятие направлено на оздоровление окружающей среды.

Весьма положительным фактором при оценке экономики метанового сбраживания сельскохозяйственных отходов является использование жидких отходов после ферментации в качестве удобрения или в качестве корма для рыб и других животных (Maramba et. a!., 1983; Marchaim, 1983).

На основании данных работ опытной установки в Калабрии (Италия) был сделан расчет стоимости биогаза. Биомассу водорослей получили в морской воде в бассейне площадью 500 м2 и сбраживали ее в метан в биореакторе объемом 1 м3. При выходе метана из 1 кг растворенного сухого вещества биомассы 0,35 м3 оказалось, что стоимость 1 кДж энергии такого биогаза составляет 10 долл. Выход энергии при получении метана из водорослей выше, чем при получении этанола из сахарного трост­ника или метанола из древесины (Wagner, 1985).

Необходимо отметить, что биологическая очистка коммунальных и промышленных стоков должна стать обязательным усло­вием хозяйствования. Выбор системы очистки — дело инженер­ного расчета с учетом экономической оценки вариантов. Но глав­ным критерием всегда должно быть получение безвредных для природы стоков. При одинаковом экологическом результате экономически более оправданы системы анаэробной обработки стоков (табл. 12), при которых в анаэробной установке перерабатывается 1,1 т ХПК/сут и обеспечивается БПКб очи щенной воды около 4,5 мг/л. Годовой доход от такой системы около 3000 руб. Аэробная система очистки стоков никакой прибыли не дает.

Чтобы стимулировать оздоровление экологической ситуации, государство должно не только обеспечить контроль за соблюдением экологических нормативов, но и централизованно покрыть часть расходов на установление таких систем. Такого подхода тре­буют интересы современного общества и будущих поколений российских учёных.

Таблица 12. Сравнительная оценка систем очистки стоков

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

А и а л а   Ф.,    К а и г е р   Дж.    Современная  генетика.  В 3-х томах:   перевод с английского/под ред. Ю. П. Алтухова, Е. В. Ананьева. — М.; Мир, 1987. Т. 1 -295 с., Т. 2 — 368 с.

Б и от е х н о л о г и я./[Р. Г. Бутенко, М. В. Гусев, А. Ф. Киркин и др.] — М.: Высшая школа, 1987.

Кн. 3. Клеточная инженерия. 1987. — 127 с.

Биотехнология/под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Дж. Джонса/пере­вод с английского/под ред. А. А. Баева. — М.: Мир, 1988. — 479 с.

Биотехнология микробного синтеза/под ред. М. Е. Бекера Рига: Зинатне, 1980. — 350 с.

Быков В. А., Винаров В. А., Шерстобитов В. В. Расчет про­цессов микробиологических производств. — Киев: Техника, 1985. — 244 с.

Виестур У. Э., Кристапсонс М. Ж., Б ы л и н к и н а Е. С. Куль­тивирование микроорганизмов. — М.: Пищевая промышленность, 1980. — 232 с.

Виестур У. Э., Ш м и т е И. А., Ж и л е в и ч А. В. Биотехнология. — Биотехнологические агенты, технология, аппаратура. — Рига: Зинатне, 1987. — 263 с.

Воробьев Л. И. Техническая микробиология. — М.: Высшая школа, 1987. 94 с.

Д е б а б о в В. Г., Лившиц В. А. Биотехнология. М.: Высшая шко­ла, 1988.

Кн. 2. Современные методы создания промышленных штаммов микроорга­низмов. 1988. — 208 с.

Инге-Вечтомов С. Г. Введение в молекулярную генетику. — М.: Высшая школа, 1983. 343с.

К о э н Ф. Регуляция ферментативной активности: перевод с англий­ского/под ред. Л. М. Гинодмана. — М.: Мир, !986. — 144 с.

Л и е п и н ь ш Г. К-, Д у н ц е М. Э. Сырье и питательные субстраты для промышленной биотехнологии. — Рига: Зинатне, 1986. — 156 с.

Маниатис Т., Фрич Э., Сэмбрук Дж. Молекулярное клониро­вание. Методы генетической инженерии: перевод с английского/под ред. А. А. Ба­ева, К- Г. Скрябина. М.: Мир, 1984. — 480 с.

Молекулярная биология. В 5 томах/Б. Альберте, Д. Брей, Дж. Люи'с и др.: перевод с английского под ред. Г. П. Георгиева. — М.: Мир, 1986, с. 197, 223, 231, 296, 1312.

Основы общей биологии/под ред. Э. Либберта: перевод с немецкого/под ред. В. А. Энгельгардта. — М.: Мир, 1982. — 437 с.

Переработка мелассы на спирт и другие продукты по безотходной технологии/под ред. П. И. Рудницкого. — М.: Агропромиздат, 1985. — 287 с.

Прист Ф. Внеклеточные ферменты микроорганизмов: перевод с англий­ского/под ред. В. К. Плакунова. — М.: Мир, 1987. — 118 с.

Промышленная микробиология и успехи генетической инженерии. Сборник: перевод с английского под ред. Г. К- Скрябина. — М.: Мир, 1984. — 172 с.

Рис Э., Стернберг М. От клетки к молекулам. Иллюстрированное введение в молекулярную биологию: перевод с английского/под ред. Ю. С. Ло-зуркина, В. А. Ткачука. — М.: Мир, 1988. — 144 с.

Свенсон К., Уэбстер П. Клетка: перевод с английского/под ред. Т. Днепровского. — М.: Мир, 1980. —- 303 с.

Смирнов В. А. Пищевые кислоты. — М.: Легкая и пищевая промыш­ленность, 1983. — 240 с.

Трансформация продуктов фотосинтез а/под ред. М. Е. Бекера. — Рига: Зннатне, 1984. -—250 с.

Уотсон Дж., Туэ Дж., Кур ц Д. Рекомбинантные ДНК: перевод с англ и некого/под ред. А. А. Баева. — М.: Мир, 1986. — 285 с.

Шлегель Г. Общая микробиология: перевод с немецкого/под ред. Е. М. Кондратьевой. — М.: Мир, 1987. — 566 с.

Basic biotechnology Ed. by John Bu'Lock and Bjern Kristiansen.— Acad. Press, London, Orlando San Diego, New York, Austin, Boston, Sydney Tokio, Toronto, 1987. 561 p.

Hacking A. J. Economic aspects of biotechnology, Cambridge university press, 1986.— 306 p.

Sahm H. Anaerobic wastwater treatment. Advances in Biochemical Engi­neering (Biotechnology), vol. 29, 1984. — 84 115 p.

The global 2000 report to the president: entering the twentyfirst century; including global future; time to act; vol. 1,2.— Blue Angel, Inc.. 1985. — 228 p.