Технология биологической переработки отходов, извлечение из отходов полезных веществ, проблемы переработки промышленных отходов.

Тысячелетиями отходы деятельности человека перерабатывались естественным путем, при участии соответствующих микроорганизмов. В настоящее время для этих целей используются специальные установки (биофильтры, аэротенки). Одной из важнейших проблем экологической биотехнологии является очистка сточных вод. 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 расщепление 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 для очистки сточных вод химической, пищевой и 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 клеток;

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 биофильтрами и системы с использованием активного ила.

Биофильтр 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).

В биофильтрах сточные воды пропускают через слой крупно­зернистого материала (гравий или пластмассы), покрытого тонкой бактериальной пленкой, благодаря которой интенсивно протекают процессы биологичес­кого окисления. Использование пластмасс позволяет применять такие системы для переработки 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 биофильтра – сложность контроля условий, в результате чего происходит избыточный рост на нем микроорганизмов, ухудшается вентиляция, ограничивается протекание жидкости и, в конечном счете, фильтр засоряется и выходит из строя.

С 1914 г. применяется переработка отходов с помощью активного ила, осуществляемая сложной смесью микроорганизмов. Этот процесс осуществляется в специальных установках – аэротенках.

Аэротенки — огромные резервуары из железобетона, в кото­рых очистка происходит с помощью активного ила из бактерий и микроскопических животных, которые бурно развиваются в этих сооружениях, чему способствуют органические вещества сточных вод и избыток кислорода, поступающего с потоком подаваемого воздуха. Бактерии, склеивающиеся в хлопья, выделяют в среду ферменты, разрушающие органические загрязнения. Ил с хлопь­ями оседает, отделяясь от очищенной воды. Инфузории, жгутико­вые, амебы, коловратки и другие мельчайшие животные, пожи­рая бактерии, не слипшиеся в хлопья, омолаживают бактериальную массу ила. Сточные воды сначала подвергают ме­ханической, а после химической очистке для удаления болезнет­ворных бактерий путем хлорирования жидким хлором или хлор­ной известью. Для дезинфекции используют также ультразвук, озонирование, электролиз и другие методы.

Процесс переработки отходов с помощью активного ила является более эффективным, 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, чувствительностью к различным воздействиям и неприспособленностью к изменениям нагрузки. Конверсия субстрата также происходит довольно медленно и поэтому обходится дорого.

Тем не менее, анаэробная ферментация отходов 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).