Экологические аспекты современной биотехнологии
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 конц
ентрации 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
Биореактор |
Принцип действия и конструкция |
Схема |
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
Биореактор |
Принцип действия и конструкция |
Схема | |
Двухступенчатый биореактор |
Ферментационное пространство разделено на две части: в первой реализуется процесс биодеградации субстрата и ки- /-_. слотообразования, а во — |
Виагаз | |
^_1 | |||
Нисяояю- 7ки образоВа- |
qj Метано- 5 генез s Hi з | ||
1 са |
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.
Другие рефераты на тему «Экология и охрана природы»:
Поиск рефератов
Последние рефераты раздела
- Влияние Чекмагушевского молочного завода на загрязнение вод реки Чебекей
- Влияние антропогенного фактора на загрязнение реки Ляля
- Киотский протокол - как механизм регулирования глобальных экологических проблем на международном уровне
- Лицензирование природопользования, деятельности в области охраны окружающей среды и обеспечения экологической безопасности
- Мировые тенденции развития ядерной технологии
- Негативные изменения состояния водного бассейна крупного города под влиянием деятельности человека
- Общественная экологическая экспертиза и экологический контроль