Биотехнологическая переработка отходов
Роль биотехнологии в охране окружающей среды
Извлечение полезных веществ из отходов.
Окружающая среда и биотехнология
Лекция 6
Роль бобовых культур в сельском хозяйстве.
Улучшение сортов растений
4. Методы повышения содержания азота в почве.
5. Методы инокуляции семян азотфиксирующими бактериями.
6. Биологический контроль.
1 Роль биотехнологии в охране окружающей среды.
2 Биотехнологическая переработка отходов.
С момента возникновения цивилизованного общества перед ним все время стояла проблема охраны окружающей среды. Из-за промышленной, сельскохозяйственной и бытовой деятельности человека постоянно происходили изменения физических, химических и биологических свойств окружающей среды, причем многие из этих изменений были весьма неблагоприятны. Ожидается, что биотехнология будет оказывать многообразное и все возрастающее влияние на способы контроля за окружающей средой и на ее состояние. Хорошим примером такого рода служит внедрение новых, более совершенных методов переработки отходов, однако этим применение биотехнологии в данной сфере отнюдь не ограничивается. Она будет играть все большую роль в химической промышленности и сельском хозяйстве и поможет хотя бы отчасти решить многие из существующих проблем.
Сегодня быстро развиваются многообразные отрасли промышленности, в которых процессы жизнедеятельности микробов используются для создания замкнутых систем, для контроля за загрязнением сточных вод, для использования альтернативных энергоресурсов и химического сырья в промышленности; эти процессы широко используются в сельском хозяйстве.
Для переработки отходов уже построены огромные биореакторы емкостью 4000-5000 м3. Поскольку потенциал бактерий в таком реакторе может быть порядка 108-109 клеток в 1 мл, биотехнологи получают в свое распоряжение достаточно мощный источник «биологической энергии».
Биотехнологическая переработка отходов опирается на целый ряд дисциплин – биохимию, генетику, химию, микробиологию, химическую технологию и вычислительную технику. Усилия всех этих дисциплин концентрируются на трех основных направлениях:
1. деградация органических и неорганических токсичных отходов;
2. возобновление ресурсов для возврата в круговорот веществ углерода, азота, фосфора и серы;
3. получение ценных видов органического топлива.
Тысячелетиями отходы деятельности человека перерабатывались естественным путем, при участии соответствующих микроорганизмов. В наиболее широко распространенных установках для очистки сточных вод выполняются четыре основные операции:
1. При первичной обработке удаляются твердые частицы, которые либо отбрасываются, либо направляются в биореактор.
2. На втором этапе происходит разрушение растворенных органических веществ при участии природных аэробных микроорганизмов. Образующийся ил, состоящий главным образом из микробных клеток, либо удаляется, либо перекачивается в реактор.
3. На третьем этапе (необязательном) производится химическое осаждение и разделение фосфора и азота.
4. Для переработки ила, образующегося на первом и втором этапах, обычно используется процесс анаэробного разложения. При этом уменьшается объем осадка и количество патогенов, устраняется запах, а кроме того, образуется ценное органическое топливо – метан.
Сходные процессы применяются при переработке промышленных сточных вод, особенно в химической, пищевой, целлюлозно-бумажной промышленности. Поэтому любые биотехнологические усовершенствования этих процессов находят немедленное применение в промышленности.
Такие усовершенствования могут быть направлены на увеличение мощности перерабатывающих установок, повышение выхода полезных побочных продуктов, на замену обычно применяемых синтетических химических добавок, устранение запаха и удаление металлов, а также не поддающихся переработке соединений.
Аэробная переработка стоков – это самая обширная область контролируемого использования микроорганизмов в биотехнологии. Отличительной особенностью аэробной биологической системы является свободный доступ воздуха к аэробным микроорганизмам, участвующим в превращении различных веществ, содержащихся в отходах, в относительно стабильные продукты. Аэробная переработка отходов включает следующие стадии:
1. Адсорбция субстрата на клеточной поверхности;
2. Расщепление адсорбированного субстрата внеклеточными ферментами;
3. Поглощение растворенных веществ клетками;
4. Рост и эндогенное дыхание;
5. Высвобождение экскретируемых продуктов;
6. «выедание» первичной популяции организмов вторичными потребителями.
В идеале это должно приводить к полной минерализации отходов до простых солей, газов и воды. Эффективность переработки пропорциональна количеству биомассы и времени контактирования ее с отходами.
Системы аэробной переработки можно разделить на системы с перколяционными фильтрами и системы с использованием активного ила.
Перколяционный фильтр был самой первой системой, примененной для биологической переработки отходов, причем его конструкция фактически не изменилась со времени создания в 1890 г. Эта система используется в 70% очистных сооружений Европы и Америки и обладает рядом преимуществ, которые состоят в простоте, надежности, малых эксплуатационных расходах, образовании небольших излишков биомассы и возможности длительного использования установки (в течение 30-50 лет).
Фильтрующими элементами в фильтрах являются гравий или пластмассы. Использование пластмасс позволяет применять такие системы для переработки некоторых промышленных стоков высокой концентрации. Другим важным преимуществом является то, что пластмассы – легкий материал, и это позволяет строить высокие, не занимающие много места очистные сооружения. Для создания оптимальной поверхностной площади, вентиляции и пористости пластмассы размалывают.
Основное изменение в конструкцию очистных сооружений было внесено в 1973 году (в Англии), когда был создан вращающийся биологический реактор. Он представляет собой вращающиеся «соты» из пластиковых полос, попеременно погружаемые в сточные воды и поднимаемые на поверхность. При таком способе увеличивается площадь поверхности, с которой может контактировать биомасса, и улучшается аэрация.
Основной недостаток перколяционного фильтра – избыточный рост на нем микроорганизмов; это ухудшает вентиляцию, ограничивает протекание жидкости и приводит в конечном счете к засорению фильтра и выходу его из строя.
Активный ил. Переработка отходов с помощью активного ила, осуществляемая сложной смесью микроорганизмов, была предложена в 1914 г. Этот процесс более эффективен, чем фильтрация, и позволяет перерабатывать сточные воды в количестве, в десять раз превышающем объем реактора. Однако он обладает рядом недостатков: более высокими эксплуатационными расходами из-за необходимости перемешивания и аэрации; большими трудностями в осуществлении и поддержании процесса; образованием большого избытка биомассы. Несмотря на все это, процесс, использующий активный ил, остается наиболее распространенным методом переработки сточных вод в густонаселенных районах, поскольку требует меньших площадей, чем эквивалентная фильтрационная система.
Эффективность данного процесса можно повысить, изучив механизмы регуляции метаболизма в микрофлоре систем с активным илом. Регуляция биодеградации – это сложная задача. Однако, зная биохимию соответствующих процессов, можно вмешиваться в их регуляцию. Например, добавление к илу промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот в низких концентрациях (2-5 мг/л), глюкозы, аминокислот и витаминов (в частности, аланина и никотиновой кислоты) приводит к ускорению окисления ряда соединений.
Все возрастающая стоимость переработки отходов с помощью аэробного разложения и энергетический кризис, с одной стороны, и новые достижения микробиологии и технологии – с другой, возродили интерес к анаэробнойпереработке. При переработке органических отходов в анаэробных условиях образуется горючий газ и твердый остаток, содержащий азот и другие питательные вещества, содержащиеся в исходном растительном материале. В природе такой процесс развивается при недостатке кислорода в местах скопления веществ растительного или животного происхождения. Он может протекать и в закрытой емкости, наполненной подходящим органическим веществом, куда не поступает воздух. Метанообразующие бактерии и некоторые другие микроорганизмы, продуцирующие нужные этим бактериям субстраты, формируют в таких условиях систему прочных симбиотических отношений, которая может функционировать неопределенно долгое время, если в нее в подходящем количестве поступают все новые порции отходов. Самая распространенная технология анаэробной переработки – разложение ила сточных вод. Эта хорошо разработанная технология с успехом используется с 1901 г. Однако здесь существует ряд проблем, обусловленных малой скоростью роста облигатных анаэробных метанообразующих бактерий, которые используются в данной системе. К ним относятся также чувствительность к различным воздействиям и неприспособленность к изменениям нагрузки. Конверсия субстрата также происходит довольно медленно и поэтому обходится дорого.
Тем не менее, этот подход представляется перспективным с точки зрения биотехнологии; например, можно добавить к отходам ферменты для повышения эффективности процесса или попытаться усилить контроль за переработкой путем изменения тех или иных биологических параметров.
Анаэробная ферментация отходов или растительных культур, специально выращиваемых для получения энергии, очень перспективна для экономичного получения газообразного топлива при умеренных температурах (30-35 0С).
Для получения энергии и полезных побочных продуктов можно использовать самые разнообразные отходы и сырье. Некоторые страны, например Бразилия, Австралия и Новая Зеландия используют специально выращиваемые культуры в качестве источника топлива.
Сходные проекты обсуждаются и в некоторых европейских странах, например в Финляндии, Швеции и Ирландии.
В Англии работа по биоконверсии энергии проводится в рамках Программы по использованию солнечной энергии; за счет этой программы финансируются и проекты ЕЭС по получению энергии биологическими способами.
Множество подходов используется в США; например, одно очистное сооружение за счет биологической конверсии бытового мусора позволяет получать газ в количестве, достаточном для обеспечения им 12 тыс. домов.
Анаэробные ферментеры могут применяться также в целях получения промежуточных продуктов для химической промышленности (например, уксусной, молочной и акриловой кислот в качестве химического сырья, идущего на переработку).