Промышленная биотехнология

Анаэробная  деградация органических веществ, при  метаногенезе осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором необходимо участие  по меньшей мере четырех групп  микроорганизмов: гидролитиков, бродильщиков, ацетогенов и метаногенов. В анаэробном  сообществе между микроорганизмами существуют тесные и сложные взаимосвязи, имеющие аналогии в многоклеточных организмах, поскольку ввиду субстратной  специфичности метаногенов, их развитие невозможно без трофической связи  с бактериями предыдущих стадий. В  свою очередь метановые археи, используя  вещества, продуцируемые первичными анаэробами, определяют скорость реакций, осуществляемых этими бактериями. Ключевую роль в анаэробной деградации органических веществ до метана играют метановые  археи родов Methanosarcina, Methanosaeta (Methanothrix), Мethanomicrobium  и другие. При их отсутствии или недостатке анаэробное разложение заканчивается на стадии кислотогенного и ацетогенного брожений, что приводит к накоплению  летучих жирных кислот, в основном масляной, пропионовой  и уксусной, снижениию рН и остановке  процесса. 

Преимуществом аэробной очистки является высокая  скорость и использование веществ  в низких концентрациях. Существенными  недостатками, особенно при обработке  концентрированных сточных вод, являются высокие энергозатраты  на аэрацию и проблемы, связанные  с обработкой и утилизацией больших  количеств избыточного ила. Аэробный процесс используется при очистке  бытовых, некоторых промышленных и  свиноводческих сточных вод с  ХПК не выше 2000. Исключить указанные  недостатки аэробных технологий может  предварительная  анаэробная обработка  концентрированных сточных вод  методом метанового сбраживания, которая  не требует затрат энергии на аэрацию  и более того сопряжена с образованием ценного энергоносителя – метана. Преимуществом анаэробного процесса является также относительно незначительное образование микробной биомассы. К недостаткам следует отнести  невозможность удаления органических загрязнений в низких концентрациях. Для глубокой очистки концентоированных  сточных вод анаэробную обработку  следует использовать в комбинации с последующей аэробной стадией. Выбор технологии  и особенности  обработки сточных вод определяются содержанием органических загрязнений  в них. 

Сточные воды больших городов и небольших  поселков значительно отличаются по концентрации органических загрязнителей. Содержание органических загрязнителей  в сточных водах больших городов не превышает 500 мг/л, составляя обычно 200–300 мг/л. Бытовые сточные воды небольших населенных пунктов содержат больше органики, от 500-1000 г/л и более. В современных дачных и коттеджных поселках часто туалетные и кухонные сточные воды, содержащие большое количество органичеаских загрязнений, отделяются от стоков ванных комнат. Для очистки сточных вод интенсивно развивающихся коттеджных поселков строятся локальные очистные сооружения, для пуска которых и вывода на рабочий необходимо использовать активный ил городских станций аэрации или специальные микробные препараты. 

В)Биопрепараты как средство для инициации и интенсификации очистки сточных вод. 

В настоящее  время существует множество биопрепаратов, используемых для очистки сточных  вод. Это консорциумы микроорганизмов, выделенные методом накопительных  культур обычно из активного ила  аэротенков городских сооружений очистки  сточных вод. Они используются для  очистки сточных вод местного значения, например в селах, дачных и коттеджных поселках, небольших  поселках городского типа, мини-заводах  и т.п. Биопрепараты, содержащие ограниченное число видов микроорганизмов, по спектру разлагаемых веществ  уступают свежему активному илу. Однако, они содержат быстро растущие штаммы, которые инициируют процессы разложения органических загрязнениий. В нестерильном процессе развиваются  также микроорганизмы, содержащиеся в отходах, и в микробное сообщество включаются недостающие звенья.  

Действие  микроорганизмов биопрепаратов  в том, что в процессе своей  жизнедеятельности они вырабатывают ферменты, которые способны, расщеплять жиры, белки и другие сложные вещества органического происхождения на более простые органические вещества, которые легко разлагаются  ими  до углекислоты и простых соединений азота. После добавления препарата  возрастает концентрация микроорганизмов, а следовательно и степень  очистки. Клетки микроорганизмов иногда иммобилизуют на твердом дисперсном носителе, который может служить  дополнительным источником азота и  фосфора. Препараты содержат ассоциации 6-12 штаммов аэробных и факультативно  анаэробных микроорганизмов, обеспечивающих комплексную очистку сточной  воды от органических загрязнителей: жиров, белков, сложных углеводов, и даже (специализированные) от нефтепродуктов. В качестве питательных элементов  биопрепараты содержат соли азота и  фосфора, которые стимулируют рост микроорганизмов и выработку  микроорганизмами липолитических, амилазолитических, карбогидразных, и др. ферментов, максимально  облегчающих разложение органики. Аналогичные  биоактиваторы, но с несколько другим составом, применяются также при  производстве компоста, в биотуалетах  и т. п. 

Г)Высокоэффективная энергопродуцирующая очистка концентрированных сточных вод промышленности. 

Многие отрасли  промышленности (пищевая, целлюлозобумажная, микробиологическая, химическая, фармацевтическая и др.) являются масштабными производителями  концентрированных по органическим загрязнениям сточных вод. Традиционным способом обработки этих сточных  вод в России является аэробная биологическая  очистка, сопряженная с большими затратами на аэрацию и утилизации избытка активного ила. Помимо крайней экономической неэффективности такого подхода, переменный состав сточных вод и высокая концентрация загрязнений часто приводит к перегрузкам сооружений аэробной биологической очистки, в результате чего загрязнения беспрепятственно попадают в окружающую среду (реки, озера, грунтовые воды). Очевидно, что такая практика имеет крайне негативные экологические последствия и ведет к бессмысленному расходованию полезных веществ, заключенных в сточных водах. Экономически эффективным и экологически приемлемым решением существующей проблемы может служить комбинированная анаэробно-аэробная технология очистки концентрированных сточных вод, разрабатываемая в настоящий момент на кафедре химической энзимологии Химического ф-та МГУ. Технологическая схема этого процесса может быть представлена следующим образом: 
 
 

В соответствии с этой схемой, сточная вода поступает  в высокоскоростной анаэробный реактор  с грануллированной (иммобилизованной) биомассой (UASB-реактор), где происходит как минимум 90% конверсия органических загрязнений в биогаз (70% метана, 30% углекислого газа). Биогаз после  очистки от следов сероводорода является ценным энергоносителем и может  использоваться в заводских котельных  для генерации тепла/пара или  конвертироваться в электроэнергию в газогенераторах. Эффлюент анаэробного  реактора содержит не более 10 % от начального содержания ХПК, а также азот и  фосфор в минерализованном виде. Такой  эффлюент может использоваться как  эффективное жидкое удобрение, если позволяют условия, или сбрасываться в канализационные системы очистки  сточных вод, если таковые существуют. В случае отсутствия или перегрузки последних анаэробный эффлюент может  быть доочищен аэробными методами до стандартов (БПК, N, P и др.) сброса в  открытые водоемы.  

Преимущества  предлагаемой комбинированной технологии по сравнению, например, с традиционной аэробной очисткой (аэротенки, биофильтры, биопруды) заключаются в следующем.  

1.         Кардинальное снижение энергозатрат  на аэрацию, так как предварительная  анаэробная обработка концентрированных  сточных вод, естественно, не  требует затрат энергии на  аэрацию, удаляяя при этом 90% и  более ХПК загрязнений; электроэнергия  на анаэробной стадии необходима  только для перекачки сточных  вод, как правило, не более  0.02-0.06 кВт ч/м3.  

2.         Органические загрязнения сточных  вод как минимум на 90% конвертируются  в ценный энергоноситель - метан,  причем выходы последнего достаточно  высоки - 0.35 м3 с кг удаленного  ХПК;  

3.         Прирост избыточной биомассы  по сухому веществу в 5-10 раз  меньше, чем при чисто аэробной  очистке, а по объему - в 25-50 раз. Избыточная биомасса стабильна,  не загнивает при хранении, легко  обезвоживается без применения  реагентов. Высокое содержание  в анаэробной биомассе витамина  В12 делает ее ценным сырьем  для получения кормовых добавок.  

4.         Применительно к очистке концентрированных  стоков анаэробные системы, как  правило, значительно производительнее  аэробных. Это связано с тем,  что в анаэробных реакторах достигается очень высокая концентрация биомассы - до 30-50 г/л и более, тогда как в аэробных сооружениях концентрация биомассы жестко ограничена возможностями аэрирующих устройств (обычно не более 4-8 г/л). Вследствие этого, производительность современных высокоскоростных анаэробных реакторов типа UASB составляет 15-20 кг ХПК/м3 сут (для сравнения: окислительная мощность аэротанков и аэробных биофильтров не превышает 5-10 кг ХПК/м3 сут, а в большинстве случаев - 2-3 кг ХПК/м3 сут). Последние же конструкции анаэробных реакторов (EGSB, IC-UASB реакторы с псевдоожиженным слоем и др.) способны эффективно работать в промышленном масштабе с производительностью, на порядок превосходящей максимально возможную для аэробных систем (до 30-60 кг ХПК/м3 сут).  

5.         Анаэробные реакторы устойчивы  к длительным перерывам в подаче  сточной воды, что позволяет эффективно  использовать их для очистки  стоков сезонных производств.  

6.         Применительно к сточным водам,  не содержащим биогенные элементы, анаэробная очистка требует в  5-10 раз меньшей биогенной подпитки, чем аэробная.  

7.         Конструкция анаэробных реакторов  может быть полностью герметичной,  что предотвращает распространение  дурно пахнущих веществ и микробиальных  аэрозолей вокруг очистных сооружений. Вследствие этого, может быть  значительно сокращена санитарно-защитная  зона.  

8.         Компактность и санитарно-гигиеническая  безопасность современных анаэробных  биореакторов делает возможным  их широкое использование для  локальной очистки концентрированных  промышленных сточных вод предприятий,  расположенных в населенных пунктах.  Избыточная анаэробная биомассы  от биореакторов может сбрасываться  в канализационную сеть с очищенной  сточной водой без превышения  норм приема по взвешенным  веществам, либо периодически  вывозиться на сельскохозяйственные  угодья как удобрение или на  продажу для запуска других  анаэробных реакторов. 

9.         Минимальный объем анаэробных  реакторов не ограничен. В отличие  от аэробной очистки, эксплуатация  небольших установок (20-50 м3) не  представляет трудностей,  

10.      Промежуточные и конечные продукты  анаэробной очистки (ЛЖК, объем  и состав биогаза) легко поддаются  количественному определению. Это  облегчает применение автоматизированного  контроля и управления.  

11.      Комбинированная технология может  быть очень органично интегрирована  в различные системы глубокой  утилизации сточных вод и рекуперации  загрязнений, включающие в себя:  

- получение  энергии, топлива, товарной углекислоты,  биомассы (метанотрофных микроорганизмов)  и других продуктов из биогаза; - разведение, кормовую и энергетическую  утилизацию высшей водной растительности  в биопрудах доочистки; - разведение  в биопрудах рыбы; - орошение и  удобрение очищенными сточными  водами; - удобрение почв избыточным  анаэробным илом; - извлечение и  рекуперация азота, фосфора и  серы. 

Технико-экономическое  обоснование. 

Экономика предлагаемой комбинированной технологии может быть оценена на примере  Плавского спиртзавода Тульской области и используя цены июля 1998 г. (1$ = 6.1 руб.)  

Ежедневная  продукция сточных вод на этом заводе составляет в среднем 500 м3 со средней загрязненностью в 12 кг ХПК/м3. Для обработки такого количества сточных вод потребуется UASB реактор  с рабочим объемом не более 500 м3 (гидравлическое время удержания ~ 1 сут). При 90% эффективности удаления ХПК загрязнений, реактор ежедневно  будет производить 2 700 м3 биогаза (70% метана). Так как 1 м3 биогаза эквивалентен по энергетической ценности 1 квт-ч, который  стоил 22 коп., то ежедневный доход от биогаза можен быть оценен как 0.22 руб. х 2700 квт-ч = 594 руб., что в годовом  исчислении равно 495 руб. х 365 дн. = 216 810 руб. или 35 542$.  

Стандартная расценка на обработку 1 м3 коммунальными  системами очистки сточных вод  г. Москвы ~ 7 руб. Предлагаемая комбинированная  технология будет ежедневно обрабатывать 500 м3 х 365 дн. = 182 500 м3, что эквивалентно 1 277 500 руб. или 209 426 $. Следует заметить, что, конечно, в России в настоящее  время ни один из существующих спиртзаводов не платит таких сумм коммунальным службам за обработку сточных  вод, предпочитая губить окружающую среду и время от времени платить  мизерные штрафы за нанесенный экологический  ущерб, но такое положение дел  не может продолжаться бесконечно.  

Из зарубежных источников известно, что капитальные  затраты, приведенные к 1 м3 реактора, составляют 500-750$ для стран Западной Европы и 280-350$ для стран Латинской  Америки. Учитывая существующий уровень  цен и зарплат, для России ближе  латиноамериканские расценки, т.е., ~ 300$/м3 реактора. Капитальные затраты для  реактора объемом 500 м3, следовательно, равны 150 000$. Эксплуатационные расходы  оцениваются на Западе как 0.06-0.08$/м3сточной  воды, т.е., в нашем случае для ежегодных 182 500 м3 они равны 10950-14600$, хотя, наверное, будут ниже из-за дешевизны рабочей  силы.  

Таким образом, окупаемость капитальных затрат комбинированной технологии, учитывая только биогаз, составляет 150000/35542 = 4.22 года. С учетом же наносимого экологического ущерба, этот срок существенно ниже. Следует заметить, что во времена  СССР внедрение технологии считалась  обоснованным, если срок окупаемости  капитальных затрат не превышал 8 лет.

3.Сельскохозяйственная биотехнология 

Биологическая азотфиксация - процесс перевода азота, содержащегося  в атмосфере в виде химически  инертного N2, в доступную для растений форму нитратов и аммония. Азот составляет 78% от общего объема атмосферного воздуха  и абсолютно недоступен для растений в таком виде. Именно поэтому люди вынуждены вносить азотные удобрения  для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур. Фиксации атмосферного азота  осуществляется бактериями, живущими в симбиозе с представителями  семейства бобовых (клубеньковые бактерии из рода Rhizobium) или свободноживущими азотфиксаторами, например, Azotobacter. Для  ускорения заселения ризосферы  обычно используют бактериальные удобрения, содержащие культуры азотфиксирующих микроорганизмов. Бактериальные удобрения на основе клубеньковых бактерий вносят под бобовые культуры, симбионтами которых они являются. Методами генной инженерии выведены мутанты клубеньковых бактерий с повышенной способностью к азотфиксации. Ведутся работы по созданию азотфиксирующих растений, способных к симбиозу со злаковыми. Есть и бактериальные препараты, улучшающие фосфорное питание растений.