Биотехнология переработки отходов
Не отрицая важности для окружающей природной среды (ОПС) большого опыта и разнообразия механических и физико-химических методов утилизации твердых бытовых отходив реальную перспективную альтернативу им представляют биотехнологические методы.Особую важность биотехнологии по обработкиотходов обуславливаетуже не долговременная исчерпаемостьтрадиционных энергоносителей: угля, нефти, газа,а также далеко нe бесспорныеэкологические характеристики атомных электростанций.
Биотехнологияпереработки твердых отходов не толькопозволяет утилизироватьбиогаз и снизить энергетический дефицит, но и в значительной степени уменьшить антропогенную нагрузкуна ОПС, вт. ч. уменьшить компоненты парникового эффекта.
Общим подходом к биотехнологии утилизации отходов с энергетическими целями является их анаэробная деструкция. Анаэробное сбраживание представляет собой кислородный ферментативный стадийный микробный процесс, осуществляемый в мезофильных (t==30-33°C) условиях с помощью различных групп микроорганизмов. При этом время контакта твердых отходов с микроорганизмами составляет 5-30 суток в зависимости от сырья, влажности, перемешивания.
В большинстве случаев при обработке твердая фазаимеет 3-5% концентрацию веществ, до 75% из которых —органическиекомпоненты, примерно 50% их превращаются присбраживаниив биогаз. Газ состоит на 65-70% из метана, 25-29% — углекислоты, а остальное составляют водород, сероводород, аммиак. Средняя производительность по газусоставляет 1 л на 1 кг биологически окисляемых веществ. Средняятеплота сгорания биогаза 22-24 МДж/м.Возможными путями утилизации биогаза являются: использование в котельных для обогрева; получение электроэнергии посредством газогенераторных установок, сжижение и использование в качестве автомобильного топлива или бытового баллонного газа.
В США, Японии, Германии насчитываются сотни, а в Китае имеются десятки тысяч фсрмснгеров для получения электроэнергии индивидуального пользования в жилом секторе и сельскохозяйственныхфермах путем переработки собственных и с незначительным добавлением растительных отходов. В нашей стране получение биогаза не вышло из стадии опытно-промышленных исследований, но перспектива применения биотехнологии в этом направлении, особенно для сельских регионов, очевидна.
Несколькоиной механизмбиодеструкции, но также с получением биогаза, наблюдается припереработке твердых бытовых отходов(ТБО) на полигонах. Напервой стадии катаболизма ТБО преобладают аэробныемикробные процессы в сочетаниис физическими и химическими, по существу представляющиебиокомпостированис. После исчерпания кислорода снижается температураТБО, происходит развитие микроаэрофилов, факультативных анаэробов, участвующих в образовании метана. В теплый период года наблюдается наиболее интенсивное метанообразование (от 3,1 до 371 л/кгТБО в год). Уменьшение размера частицТБО до 10-20 мм увеличивает газоинтенсивность метановыделепия в 4 раза. Положительное воздействие оказывает на мстаногенез внесениев ТБО твердой фазы сточных вод станции аэрации, особенно после анаэробной биодеструкции в качестве посевного биоматериала (инокулянта). В основе биогаза отТБО практикой идентифицировано до 46 компонентов, доминантным из которых является метан (50-60%).
Биогаз, образующийся на свалках, может быть извлечен при помощи вертикальных или горизонтальных перфорированных труб из полиэтилена. После удаления конденсата и пыли его теплотасгорания составляет 17-20 МДж/м3, а при дальнейшей очистке может достигнуть 34-37 МДж/м3.
3.БИОТЕХНОЛОГИЯ ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ
Молекулы, служащие источником дурно пахнущего загрязнения воздуха, образуются в результате множества различных процессов. Эти молекулы часто являются органическими и могут быть подвергнуты микробной деградации. Пороговые концентрации дурного запахавесьма незначительные. Например:
валериановая кислота — 0,6%; тиофенол — 0,06%; диамилсульфид — 0,14%;масляная кислота — 1,0%; метилмеркантан — 1,104%; скатол —1,2%; этилмеркантан — 0,19%.
Дурно пахнущиезапахи могут удаляться биотехнологичсски в«сухих» или«мокрых» биореакторах.
«Мокрый» реактор или биоскруббер работает как реактор с насадкой с иммобилизированной биомассой и противотоком жидкости. Дурно пахнущие газы при этом переносятся из газовой фазы в жидкую, как в обычномскруббере, а затем окисляются закрепленной биомассой.Основные преимущества этого процесса:
— большая эффективность поглощения, биоокислсние практически до нуля снижает дурно пахнущие загрязнения, резко уменьшается объем поглощающей жидкойфазы;
— параллельно решается проблема удаления сточных вод.
«Сухой» биореактор загружаетсянасадкой из биоактивного сорбирующего материала (компост, торф), через который продуваются загрязненные газы. Сорбированные соединения активно окисляются микробными сообществами, развивающимися па поверхности насадки, одновременно регенерируя ее. По такой биотехнологии, например, производится очистка воздуха в свинарниках. Перспективным направлением биотехнологии очистки газов является создание биологически активных сорбентов и оптимизация микробного сообщества (включая генетические методы), окисляющих широкий спектр субстратов (воздухоочистителей).
4. БИОТЕХНОЛОГИЯ ОХРАНЫ ЗЕМЕЛЬ
Загрязненность почв неорганическими ионами и нехватка полезных органических, избыток пестицидов и других вредных минеральных добавок приводят к снижению урожайности и качества сельскохозяйственных культур, а также эрозии и дефляции почвы. При этом традиционные удобрения и методы внесения их в почву являются весьма затратными. (По мнению специалистов США, на производство стакана молока необходимо расходовать в настоящее время стакан дизтоплива).
Вместе с тем имеются безграничные, возобновляемые ресурсы удобрений, содержащие необходимые питательные элементы для сельхозкультур и близкие, а иногда и превышающие по качеству органические удобрения (например: осадки сточных вод станций аэрации). Широкому применению их в сельском хозяйстве препятствует бактериальная зараженность и содержание тяжелых металлов. Если первое препятствие (технически и организационно) в целом разрешимо, то второе — требует новых подходов, основанных на биотехнологических приемах.
В настоящеевремя в России и за рубежом проводится большая работа по селекции и получению методами генетической инженерии микроорганизмов, способных при внесении их в почву вместес осадками продуцироватьполимеры, переводящие тяжелыеметаллы в неподвижные формы, и осуществляющие одновременно процесс азотфиксации (усвоение атмосферного азота).
Уже не одно десятилетие насчитывает опыт применения красного калифорнийского червя для получения биологически ценного удобрения (биогумуса) из клетчаткосодержащих и широкого спектра органических отходов, а также для улучшения структуры почв, аэрирования. Прошедший через червя гумус обогащен всеми необходимыми аминокислотами, микроэлементами.
Одним из наиболее распространенных и стойких загрязненений является нефть. Естественная микрофлора, адаптируясь способна, разрушить загрязнения такого типа. Смешение загрязненней нефтью почвы с измельченной сосновой корой ускоряет на порядок скорость разрушения нефти за счет способности микроорганизмов, существующих на поверхности коры, к росту сложных углеводородов, входящих в состав сосновой смолы, а также адсорбции нефтепродуктов корой. Такой биотехнологическпй прием получил название «микробное восстановление загрязненной нефтью почвы».
Не менее перспективным и эффективным является бактериальный препарат «Путидойл», промышленный выпуск которого освоен в г. Бердске Свердловской области. Препарат представляет собой лиофилизированную (высушенную при низких температурах под вакуумом) и дезинтегрированную клеточную массу бактерий рода Pseudomonas. Конкретные параметры и технология выращивания клеточной массы бактерий являются коммерческим секретом, ноу-хау авторов, но эффект огромный. Внесение путидойла на загрязненныеместа (территории) с нефтью и нефтепродуктами позволяет через 1-3 суток полностью разрушить загрязнения до конечных продуктов (воды и углекислоты) и восстановить естественные свойства почв.
5. БИОТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ ВОД
Биологическая очистка природных и сточных вод в настоящее время является достаточно изученным и широко применяемым методом, значение и роль которого со временем будет только возрастать в связи с требованиями экологичности и эко-номичности современных видов производств.
Однако такой способ в его настоящем применении позволяет разрушить только относительно простые органические и аммонийные соединения, так называемые «биологические мягкие». Неорганически восстановленные (сульфиды, сульфиты, нитриты и др.) соединения, токсины, комплексные соединения и сложные органическиемолекулы,удаляемые лишь частично при такой технологии, относятся к «биологическимжестким» органическим и аммонийным соединениям. Присутствие таких веществ как в очищенных сточных водах, так и в осадках и илах представляет угрозу для окружающей природной среды. Поэтому разработка методов детоксикации таких загрязнений — текущая и перспективная задача биотехнологии очистки вод. Загрязнение биосферы вследствие выброса ксенобиотиков и других вредных соединений, почти не включаемых в циклы углерода, азота, фосфора и серы, приводит к необратимым изменениям в генофонде.
Среди ксенобиотиков наибольшее распространение имеют гербициды и пестициды, представляющие галогеносодержащие соединения и попадающие в водоемы из почвы и атмосферы. Если нe применять специальные адсорбционные мембранные технологии или озонирование, то существующиестанции очистки природныхвод для хозяйственных целей необеспечат удаления ксенобиотиков. Это обстоятельство ставит проблему предварительной очистки природных вод от ксенобиотиков, которая может быть решена путем экологизацииили прекращения выпуска соответствующих препаратов, или способами биотехнологии.
Для обеспечения стандартов качества очищенных вод, соответствующих нормативам ВОЗ, современными приемами биотехнологии являются:
— селекция и конструирование искусственных микробных ассоциаций;
— совершенствование иммобилизационных комплексов;
— ферментативный катализ;
— физико-химические воздействия;
— генно-инжснерииговые комбинации.
Селекция и конструированиеискусственных микробных ассоциаций заключается в поиске, выделении активных культур, Штампов, исходя из их способности использовать те или иные ксенобиотики по прямому метаболизму или в условиях соокисления (кометаболизма) с последующим внесением их в качестве посевного материала в биореакторах. Иммобилизация — это процесс, прикотором клетки (ферменты) прикрепляются к какой-либо поверхности так, чтобы их гидродинамические характеристики отличались oт показателей среды обитания. При этом достигаются следующие положительные эффекты:
— сохранение практически постоянной биомассы в биореакторе за счет отсутствия выноса ее с потоком очищаемой жидкости;
—создание пространственной сукцессии (распределения) микроорганизмов по ходу движения жидкости с четким регулированием процесса;
— рост производительности, что уменьшает объем биореакторов;
— повышение устойчивости системы к неравномерности поступления сточных вод;
— регулирование процесса но составу носителей. Ферментативный катализ заключается в воспроизводстве определенного вида ферментов или их препаратов для биодеструкции конкретного ксенобиотика и проведения процесса и биореакторах. При этом скорость возрастает на 2-3 порядка, что позволяет уменьшить объем биореактора. К физико-химическим воздействиям относится интенсификация процесса биодеструкции загрязнения путем мутации штампов за счет физических воздействий (ультразвука, ультрафиолетовых излучений, радиационное воздействие, высокочастотное электромагнитное облучение, омагничивание) или химических воздействий (нитрозамины, сильные окислители и пр.). За счет мутации штампов эффект очистки сточных вод повышается на 50-70%. Однако требуется периодическая обработка биомассы, т. к. мутированные признаки со временем снижаются.
Более эффективный и перспективный метод очистки вод с заданными деструктивными свойствами является геноинжениринговый. Он заключается в использовании методов рекомбинатнойДНК: соединений определенных катаболических последовательностей специфических генов, ответственных за деструкцию какого-либо звена молекулы ксенобиотика, обеспечивающего его устойчивость. Введение в гены быстрорастущих штамбов позволяет получить эффективные культуры, которые после помещения в биореакторы обеспечивают эффективную детоксикацию вод.
6. БИОТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ РАСТИТЕЛЬНОСТИ
Отходы растительности — это не подлежащие утилизации по экономическим, экологическим и санитар но-гигиеническим
соображениям клетчаткосодержащиеостатки: спад листьев;
ботва свеклы, моркови, картофеля; листья капусты; очистки картофеля; образующиеся в больших количествах стебли зерновых.
Локально, в небольших объемах эти 'отходы утилизируют, ч 'пример, ботва свеклы и рубленая солома идут на корм скоту. Солома после ее химической обработки служит сырьем для производства дрожжей, из которых получают белковые корма. В сельском хозяйстве частично солому используют как подстилку скоту. Однако в больших количествах отходы растительности сжигаютили вывозят па свалку, загрязняя тем самым ОПС. Наиболее рациональный и сравнительно дешевый способ переработки отходов растительности — это компостирование. Компостирование позволяет получить ценный продукт для «несения в почву в качестве удобрения.Одновременно компостирование является процессом очистки, делающим низкоактивные отходыболее безвредными для ОПС. Гуммифицированные продуктыпосле внесения в почву быстро приходят в равновесие с экосистемой, не вызывая серьезных нарушений в ней.
Помимо остатков растительности компостированию могут быть подвергнуты городской мусор, сырой осадок и активный ил станций аэрации, измельченные автомобильные покрышки и г. п.
Важными параметрами процесса компостирования являются: соотношение углерода, азота и фосфора, влажность, дисперсность, рН, аэрация, размер бурта.
Исходное сырье для компостирования должно быть освобождено от металла, стекла, пластмассы. Дисперсность частиц для компостирования не должна препятствовать аэрации и отводу углекислоты. Соотношение углерода к азоту в оптимальных условиях составляет 25:1-30:1, а фосфора — около 1:2. В качестве добавок, увеличивающих скорость процесса компостирования, применяют активный ил, компост, древесную щепу, опилки, солому. Оптимальная влажность 50-60%, температура 55°С. Парциальная составляющая газовой среды должна быть не менee 30%. Аэрация снабжает микроорганизмы кислородом, отводит воду, теплоту, углекислоту. Перемешивание предотвращает образование анаэробных зон, слежи- ваемость и рекомендуется 3-4 раза за весь процесс. Время компостирования 4-20 суток в автоматизированных установках (вращающихся) и до 3 месяцев - в стационарных (буртах). При компостирования высота бурта не должна превышать 1,5 м, ширина бурта — 2,5 м, длина не ограничена.
Состав готового компоста варьирует в зависимости от исходного сырья и усредненно содержит следующие компоненты: органическое вещество 75-80%; углерод 8-50; азот 0,4-3,5; фосфор 0,1-1,6; калий 0,4-1,6; кальций (в виде СаО) — 0,7-1,5. Важным результатом является практически полная непатогенность компоста, внесение которого рекомендуется, в зависимости от климатических условий, осуществлять 1 раз в 3-4 года из расчета 8-15 т/га.
Дата добавления: 2022-05-27; просмотров: 127;