Переробка відходів

1. Екологічна біотехнологія і її завдання і методи.

2. Операції в очисних установках. Аеробна переробка відходів.

5. Мікрофлора метантенків. Стадії біометаногенезу.

1. З моменту виникнення цивілізованого суспільства перед ним увесь час стояла проблема охорони навколишнього середовища. Через промислову, сільськогосподарську і побутову діяльність людини постійно відбувалися зміни фізичних, хімічних і біологічних властивостей навколишнього середовища. Біотехнологія буде все більше впливати на способи контролю за навколишнім середовищем і на його стан. Добрим прикладом служить упровадження нових, більш досконалих методів переробки відходів, однак цим застосування біотехнології в даній сфері аж ніяк не обмежується. Її роль зростатиме у хімічній промисловості і сільському господарстві, що допоможе хоча б частково вирішити багато існуючих проблем.

Так до БТ методів захисту навколишнього середовища відносять:

- створення безвідходних технологічних процесів (вирощування дріжджів на відходах ЦПК, виробництво вітаміну В₁₂)4

- створення препаратів для боротьби із збудниками хвороб людини, тварин;

- створення рослин стійких до хвороб і шкідників;

- біологічні методи боротьби з хворобами і шкідниками рослин;

- бактеріальні добрива і стимулятори росту рослин;

- створення продуктивних культурних рослин;

- аеробна і анаеробна біологічна очистка стоків;

- селективна утилізація індивідуальних хімічних сполук;

- детоксикація ґрунту від пестицидів та інших хімічних забруднень;

- діагностика ступеня забруднення середовища;

- альтернативні енергоресурси (біогаз, гідроліз води) та ін.

Біотехнологічні виробництва за своєю природою є екологічними. Специфічне застосування БТ методів для вирішення проблем навколишнього середовища, таких як переробка відходів, очищення води, знищення (усунення) забруднень та ін. складає предмет екологічної БТ.

Це нова галузь, новий підхід до охорони і збереження навколишнього середовища при використанні досягнень сучасної біохімії, мікробіології, генетичної інженерії, хімічної технології та ін.

- від розробки і удосконалення методології і комплексного хіміко-біологічного дослідження екосистем, насамперед поблизу джерел техногенного впливу до розробки технологій і рекомендацій по рекультивації ґрунтів, біологічної очистки води, повітря, біосинтезу препаратів, які послаблюють (компенсують) шкідливу дію канцерогенних, мутагенних, токсичних речовин на людей і тварин.

Особливо акцентується увага на створених людиною низькомолекулярних (ядохімікати, детергенти) і високомолекулярних полімерах (ароматичні, галогенвмісні вуглеводні), які дуже стійкі і не розкладаються мікроорганізмами.

Швидкість природного очищення в природі залежить від багатьох факторів. Органічні речовини трансформуються мікроорганізмами а неорганічні переважно осідають, накопичуються. Особливу небезпеку складають – важкі метали.Тому зараз розроблені системи для окиснення Ме (бактерії роду Lepterillus окислюють Ag, Mg, Se) Широко практикують денітрифікацію стоків, біологічну утилізацію, видалення ВВ, нафти.З допомогою іммобілізованих в альгінатному гелі культури мікроорганізмів Thiobocillus denitrificans здійснюють окиснення сульфідів до сульфатів

Сьогодні швидко розвиваються різноманітні галузі промисловості, у яких процеси життєдіяльності мікроорганізмів використовуються для створення замкнутих систем, для контролю за забрудненням стічних вод, для використання альтернативних енергоресурсів і хімічної сировини в промисловості; ці процеси широко використовуються й у сільському господарстві. У країнах, що розвиваються, подібна діяльність, відома за назвою «цілеспрямована технологія», могла б привести до значного підвищення життєвого рівня людей.

Масштаби деяких нових біотехнологічних процесів і їх застосування для вирішення завдань охорони навколишнього середовища приголомшуючі. Так, для переробки відходів уже побудовані величезні біореактори ємністю 4000–5000 м³. Оскільки концентрація бактерій у такому реакторі може бути порядку 10⁸–10⁹ клітин у 1 л, біотехнологи здобули досить могутнє джерело «біологічної енергії». Біологічна переробка відходів базується на цілому ряді дисциплін – біохімії, генетиці, хімії, мікробіології, хімічній технології й обчислювальній техніці. Зусилля всіх цих дисциплін концентруються на трьох основних напрямках: 1) деградація органічних і неорганічних токсичних відходів; 2) поновлення ресурсів для повернення в кругообіг речовин вуглецю, азоту, фосфору і сірки; 3) одержання цінних видів органічного палива.

Біотехнологічні методи захисту навколишнього середовища

Метод	Сфера застосування або субстрат	Сутність методу
Створення безвідхідних технологічних процесів	Народне господарство	Одержання з відходів корисних продуктів або знешкодження їх
Створення препаратів для боротьби зі збудниками хвороб людини і тварин	Охорона здоров'я і ветеринарія	Засоби для діагностики, імуностимулятори, вакцини, антибіотики й ін.
Створення рослин, стійких до хвороб і шкідників	Сільське господарство	Одержання методами генетичної і клітинної інженерії культурних рослин, при обробленні яких відпадає необхідність використання ядохімікатів як засобів боротьби проти шкідників і хвороб.
Біологічні методи господарство боротьби з хворобами і шкідниками рослин	Сільське і лісове господарство	Спеціальні мікробіологічні або інші біологічні препарати селективно знищують шкідливих комах, гризунів або збудників хвороб
Бактеріальні добрива і стимулятори росту рослин	Сільське господарство	Посилення біологічної фіксації атмосферного азоту, мобілізації фосфору; прискорення росту органів рослин; зниження потреби в мінеральних добривах
Створення культурних рослин, здатних фіксувати атмосферний азот без участі мікроорганізмів	Те ж	Перенесення методами генетичної інженерії в геном рослин генів від мікроорганізмів, що визначають фіксацію
Аеробне біологічне очищення стоків	Комунальні і виробничі стічні води.	В аеротенках спонтанна мікрофлора в присутності кисню утилізує речовини стоків і накопичується біомаса - активний іл. Зміст СВ знижується на 50%
Анаеробна біологічне очищення стоків	Те ж	У метантенках анаеробна мікрофлора утилізує органічні речовини, у тому числі активного мулу, отриманого після аеробної обробки з утворенням біогазу (95% від переробленої органічної речовини)
Селективна утилізація індивідуальних хімічних сполук стоків	Промислові стоки	Спеціально адаптовані культури мікроорганізмів звичайно в іммобілізованому виді утилізують визначені шкідливі речовини (фенол, кислоти та ін.)
Кероване компостування твердих відходів	Сільське господарство, міські смітники ванні твердих відходів	При аерації твердих відходів прискорено відбувається мікробна деструкція частини компонентів субстрату з утворенням компосту
Детоксикація ґрунту від пестицидів і інших хімічних забруднень	Ґрунт	Промиванням ґрунту і мікробіологічною обробкою промивних вод досягається утилізація шкідливих з'єднань, що накопичуються в ґрунті при хімізації сільськогосподарського виробництва
Біосорбція металів	Стічні води	У спеціальних біофільтрах мікроорганізми селективно сорбують зі стічних вод визначені метали, у тому числі радіоактивні
Діагностика ступеня забруднення середовища	Стічні води, ґрунт, повітря	За допомогою моноклональних антитіл або імуноферментного аналізу визначають присутність вірусів і бактерій. За допомогою ферментів контролюють присутність у середовищі визначених речовин

Тисячоліттями відходи діяльності людини перероблялися природним шляхом, при участі відповідних мікроорганізмів. У найбільше широко розповсюджених установках для очищення стічних вод виконуються чотири основні операції (рис1).

1. При первинній обробці видаляються тверді частини, що або викидаються, або направляються в реактор.

Рис.1. Стадії переробки відходів шляхом анаеробного розкладу.

2. На другому етапі відбувається руйнування розчинених органічних речовин при участі природних аеробних мікроорганізмів. Мул, що утворюється складається головним чином з мікробних клітин, він або видаляється, або перекачується в реактор, частина його повертається в аераційний тенк.

3. На третьому етапі (необов'язковому) відбувається хімічне осадження і розділення фосфору й азоту.

4. Для переробки мулу, що утворюється на перших етапах, використовується процес анаеробного розкладу. При цьому зменшується обсяг осаду і кількість патогенів, знищується запах, а крім того, утворюється органічне паливо – метан.

Подібні процеси застосовують при переробці промислових стічних вод, особливо в хімічній, харчовій, целюлозно-паперовій промисловості. Біотехнологічні удосконалення можуть бути спрямовані на збільшення потужності установок, підвищення виходу корисних побічних продуктів, на заміну синтетичних хімічних добавок, усунення запаху і видалення металів, а також стійких до переробки сполук.

Аеробна переробка стоків – це сама велика галузь контрольованого використання мікроорганізмів у біотехнології. Вона включає наступні стадії: 1) адсорбція субстрату на клітинній поверхні; 2) розщеплення адсорбованого субстрату зовнішньоклітинними ферментами; 3) поглинання розчинених речовин клітинами; 4) ріст і ендогенне дихання; виділення продуктів життєдіяльності; 6) «виїдання» первинної популяції організмів вторинними споживачами. В ідеалі це повинно приводити до повної мінералізації відходів до простих солей, газів і води. Ефективність переробки пропорційна кількості біомаси і часу контакту її з відходами.

Системи аеробної переробки можна розділити на системи з перколяційними фільтрами і системи з використанням активного мулу.

Перколяційний фільтр був самою першою системою, застосованою для біологічної переробки відходів, причому його конструкція фактично не змінилася з часу створення у 1890 р. Великі ємності заповнені каменем, гравієм, на поверхні яких у тонкій водній плівці розвивається велике розмаїття мікро і макроорганізмів. Ця система використовується в 70% очисних споруд Європи й Америки і володіє такими перевагами. як простота, надійність, малі експлуатаційні витрати, утворення невеликого надлишку біомаси і можливість тривалого використання установки (протягом 30–50 років).

Основний недолік перколяційного фільтра – надлишковий ріст на ньому мікроорганізмів; це погіршує вентиляцію, обмежує протікання рідини і приводить до засмічення фільтра і виходу його з ладу. Одна з недавніх модифікацій установки складається у використанні подвійного фільтрування, що чергується, (ЧДФ), коли фільтри, на які спочатку надходить потік рідини, періодично змінюють місцями з іншими фільтрами. У товщі фільтрів використовують також зворотну циркуляцію і пульсуючу подачу. Це поліпшує потребу в кисні, але знижує активність нітрифікації. Інші модифікації в конструкції і роботі установок з перколяційними фільтрами спрямовані на зменшення швидкості надходження рідини для більш рівномірного розподілу біомаси, та ін.

У 1970 р. на зміну каменю чи гравію в системах з перколяційними фільтрами прийшли пластмаси. Це дозволило застосовувати такі системи для переробки деяких промислових стоків високої концентрації. Важлива перевага, що пластмаси – легкий матеріал, і це дозволяє будувати високі, що не займають багато місця очисні споруди. Для створення оптимальної (більшої) поверхневої площі для розвитку біомаси, вентиляції і пористості пластмаси розмелюють.

Основна зміна в конструкцію очисних споруд була внесена в Англії у 1973р., коли був створений колесоподібний біологічний реактор. Він являє собою «стільники» із пластикових смуг, які занурюються поперемінно в стічні води і піднімаються на поверхню. При цьому збільшується площа поверхні, з якою контактує біомаса, і поліпшується аерація.

Середовище, перколяційних фільтрів, не є водним, це усього лише тонка водяна плівка над шаром біомаси. Визначити, які саме мікроорганізми присутні в середовищі, досить важко через складність і гетерогенність біомаси. Очевидно, основною активною групою бактерій, що беруть участь у переробці стічних вод, служать Zoogloea, хоча велику роль відіграють і ряд інших бактерій. В очисних спорудах відзначається також активний ріст деяких видів нитчастих бактерій і грибів. З водоростей найчастіше присутні синьо-зелені (Cyanophyceae) і Chlorophyceae. Зустрічаються і численні Metazoa, у тому числі земляні хробаки, комахи і ракоподібні. Мухи і хробаки дуже важливі для регуляції розвитку плівки біомаси.