Экологические аспекты современной биотехнологии

Скорость разрушения органических компонентов в почве различная, поэтому у некоторых веществ период полураспада длит­ся месяцами, а у некоторых продолжительность полураспада из­меряется часами и минутами. Скорость разрушения зависит от свойств почвы, температуры, влажности, рН и других факторов. Так, органические вещества в почве трансформируются микроорганизмами и другими биологическими объектам, а неоргани­ческие обычно абсорбируются частицами почвы или осаждаются, но не разрушаются. Особую опасность представляют тяжелые металлы, поэтому их количество в почве строго лимитируется. По данным Р. Ц. Лоера (R. C.Loehr, 1984) в почву можно внести (в кг/га): цинк не более 1000, медь и никель не более 500, а кад­мий не более 20. Вносить металлы можно в почвы с высокой катионообменной способностью; в почвы с низкой катионообменной спо­собностью допустимые количества цинка, меди, никеля и кадмия соответственно 250, 125, 125 и 5 кг/га.

В заключение можно сказать, что использовать почву для утилизации отходов можно и необходимо, но это надо делать при постоянном строгом контроле за процессами усвоения всех компонентов.

Выбор оборудования и метода очистки сточных вод зависит от характера самого загрязнения. Твердые плавающие предметы отделяют на ситах, жиры и масла — фильтрацией через специальные фильтры. Осаждение можно осуществлять в ямах с досками, расположенными в верхнем слое воды, перпендикулярно направлению потока воды. Доски должны находиться над уровнем во­ды. В таких ямах на дно оседают тяжелые твердые предметы. Чтобы их оседание было полным, размеры ямы должны быть подобраны в соответствии с размерами осаждаемых частиц и ско­ростью потока воды. Для обеспечения периодического удаления осадка необходимо устраивать резервные ямы.

При рециркуляции воды или для временного замедления биологических процессов сточные воды иногда обрабатывают хлором или хлорной известью. Химическая очистка сточных вод осу­ществляется путем регуляции рН и осаждения коллоидных ве­ществ электролитами {чаще всего солями железа или алюми­ния), поликатионитами, флокулянтами. Эти методы обычно комбинируют с биологическими методами очистки: обработкой воды в аэробных условиях активным илом или анаэробной фермента­цией.

Аэробные системы очистки стоков

В стоках, загрязненных органическими веществами, в присутствии кислорода интенсивно развивается аэробная микрофлора. Возникают очень сложные ассоциации, образующие так называе­мый активный ил, куда входят различные бактерии и простей­шие, находящиеся в сложных трофических взаимоотношениях. При интенсивной аэрации среды и сбалансированных соотно­шениях биогенных элементов основную массу ила образуют бак­терии. При этом очень важно обеспечить седиментационные свойства ила, т. е. образование флокул, которые задерживались бы в аэротенке и оседали при выходе из него. Это технологически облегчает воз­вращение флокул в аэротенк, а также осаждение в отстойниках. Флокулы ила имеют размеры до 150 мкм и различную форму.

На практике можно считать, что из общей массы утилизированных органических веществ образуется 50 % микробной био­массы, т. е. половина органических веществ перегазируется в СО2. Чтобы превратить в газообразные соединения активный ил, образовавшийся при аэробной очистке стоков, обычно в сис­тему очистных сооружений включают стадию анаэробного мета­нового сбраживания. При этом 95 % СВ ила превращается в биогаз.

Чтобы обеспечить в аэротенках интенсивное образование ила и утилизацию органических веществ стоков, важно правильно определить скорость потребления кислорода, что прямо связано со скоростью утилизации органических веществ (u,s) и скоростью накопления активного ила (цт) согласно уравнениям:

DS/dt = mX = m/Ys

где ms — удельная скорость роста; Ys — выход биомассы из суб­страта  (экономический коэффициент), г/л.

Скорость массопередачи кислорода, как известно, характери­зуется уравнением:

M = K (C* - Cl)

где К — объемный коэффициент массопередачи кислорода, С*, Сl — равновесная и рабочая концентрации растворенного кислорода, г/л.

На практике для очистки стоков используют различные технические системы. Если сточные воды не сильно загрязнены, для очистки можно использовать окисление на капельных или биологических фильтрах. При этом предварительно очищенную от механических примесей и жиров жидкость пропускают через плотный слой каменной щебенки, кокса или крупнозернистого (0,5—5 см) полимерного материала (полистирола или полипро­пилена) толщиной 0,9 — 3 м. Через несколько недель поверхность слоя покрывается слизистой пленкой, состоящей из микробной массы. В контакте с воздухом (в случае необходимости исполь­зуют принудительную циркуляцию воздуха) микроорганизмы на­чинают эффективно окислять органические вещества сточных вод. БПКз их равен 500 мг/л. Пропуская через биологические фильтры промышленные сточные воды со скоростью 1000— 1200 л/м3 в сутки, добиваются снижения БПКб до 10 мг/л. Воз­дух можно пропускать снизу вверх и наоборот. Подача воздуха должна быть около 0,6 м3/мин на 1 м2 поверхности фильтра.

При работе с биологическим фильтром надо следить за составом сточных вод, не допускать перегрузку фильтра и предотвра­щать уничтожение микрофлоры токсичными соединениями и не­растворимым остатком. В холодное время года такие системы очистки снижают или совсем теряют свою эффективность, так как невозможно регулировать температуру воды.

На сезонных предприятиях, например на сахарных заводах, для аэробной очистки вод используют биологические пруды — систему прудов глубиной 0,6—1,2 м. Одновременно они служат водохранилищами. В прудах нельзя допускать протекания анаэ­робных процессов гниения. В теплое солнечное время в прудах могут развиваться одноклеточные фотосинтезирующие водорос­ли, весьма благоприятно влияющие на очистку воды. По окончании сезона  работ воду спускают,  а  ил  используют в качестве удобрения.

Способы очистки сточных вод базируются на микрофлоре, способной активно перерабатывать загрязнения. Для деятельности микроорганизмов кроме органических питательных веществ необходим кислород и в небольшом количестве биогенные вещества в виде азот- и фосфорсодержащих веществ.

Рис.   2. Схема системы аэробной очистки промышленных стоков: / — усреднитель, 2 — отстойник, 3 — аэротенк, 4 — регенератор ила, 5 — отстойник

ила, 6 — уплотнитель ила

Таблица 6. Системы аэробной очистки сточных вод

Коридорный

Работает по принципу вы­теснения. Малоинтенсив­ные; открытые

Системы Кессенера

Поверхностный аэратор с     Стоки ограниченной     глубиной;         открытый. Массообмен до 1,8 кг

 О2г на  1  кВт-ч из­расходованной     электро­энергии

Системы «Симплекс» Турбинный аэратор; от­крытый. Массообмен до 2,3 кг O2 на 1 кВт-ч

Ч

U/4J»

Пневматический с ке- Интенсивная аэрация
рамическими воздухе- (требуется компрессор);
распределителями             открытый

Продолжение

Колонный,   башенный    Низкая турбидизация сре-
или эрлифтный                 ды    (требуется    компрес-

сор); закрытый; высота 30—60 м. Малые энерго­затраты (около 0,5 кВт-ч на 1 кг СМ

Инжекционный  с  ре-    Интенсивная         аэрация циркуляцией    ила    и     (требуется    компрессор); сжиганием   органических веществ

Воздух

Воздух

В биологических фильтрах бактерии находятся в неподвижном состоянии в слизистой пленке, покрывающей крупно­зернистую поверхность наполнителя. Очищаемая вода медленно капает сверху, а в щели между гранулами поступает воздух естественным путем или принудительно (аэрация). Мощность биологических фильтров зависит от площади поверхности напол­нителя.

В биологических прудах колонии микроорганизмов свободно перемещаются в воде. Кислород поступает через водную поверхность или от фотосинтезирующих водорослей и естественным образом медленно растворяется в воде. Микроорганизмы свободно перемещаются в воде. Кислород поступает через водную поверхность или от фотосинтезирующих водорослей и естественным образом медленно растворяется в воде. Концентрация мик­роорганизмов и одноклеточных растений должна быть не слиш­ком высока, иначе на дне прудов появится дополнительный слой осадка, анаэробные процессы гниения начнут преобладать над аэробными, и произойдет вторичное загрязнение воды.

Сейчас у нас и за рубежом широко распространены интенсивные методы очистки сточных вод, когда в водный бассейн вводят большие количества воздуха и непрерывно перемешивают воду вместе с бактериальным илом.

Примеры интенсивной очистки — система аэрируемых прудов, в которые воздух подают при помощи специальных механических аэраторов, и аэротенки. Последние представляют собой же­лезобетонный или металлический резервуар, в котором непре­рывно происходит перемешивание сточных вод, микробного ила и воздуха. Аэротенки работают в комплекте с отстойниками, где осаждается ил, который накапливается в больших количествах.

На промышленных предприятиях, в том числе относящихся к микробиологической промышленности, в состав очистных сооружений обычно входят следующие узлы (рис. 2): усреднитель стоков для выравнивания концентраций загрязнений и стабилизации потока сточных вод; отстойник для осаждения взвешенных веществ; аэротенк или биофильтр, в котором осуществляется собственно биодеградация органических соединений; регенератор, в котором осуществляется восстановление активно­сти ила; отстойник активного ила.

Наиболее крупномасштабной отраслью российской биотехнологии традиционно является дрожжевая промышленность, поэтому экологи­чески важное значение имеет эффективная очистка стоков дрож­жевых заводов. В стоках гидролизно-дрожжевых заводов повы­шена концентрация фурфурола (до 50 мг/л); в стоках заводов по производству БВК из парафинов повышена концентрация углеводородов до 600 мг/л. БПК стоков микробиологической промышленности достигает 3000 мг/л, содержание взвешенных веществ— 1000 мг/л; азота — 250, фосфора (Р2О5] —50 мг/л.

Скорость процесса биодеградации органических веществ в аэротенках зависит от количества активного ила в 1 л объема (обычно от 4 до 10 г/л), а также от массообменных и гидродинамических характеристик аппаратов. Массообмен в аэротенках зависит от системы аэрации, а гидродинамика — от структуры потоков жидкости и условий микросмешивания в различных зо­нах аэротенка. Аэротенки, как любые химические и биотехнологи­ческие реакторы, можно условно разделить на аппараты вытес­нения и полного смешивания. К аппаратам вытеснения относятся аэротенки коридорного типа. В них происходит достаточно глу­бокая деструкция органических веществ. Процесс можно регули­ровать путем подачи субстрата в различные точки аппарата. Недостаток аэротенков вытеснения — чувствительность системы к колебаниям нагрузки. Аэротенки полного смешивания обычно используют для очистки стоков с ВПК до 3000 мг/л.

Очистку стоков желательно организовать так, чтобы их можно было использовать на производстве повторно в качестве технической воды. Однако описанная схема этого не обеспечивает, и требуется дополнительно устраивать биологические пруды, населенные водорослями и фауной. Данную проблему можно ре­шить также путем анаэробной детоксикации отдельных соедине­ний.

Активный ил после отстойника имеет влажность 95—99 %, поэтому его обезвоживание на полях фильтрации малоэффектив­но. Активный ил перед фильтрацией рекомендуется обработать флокулянтами, что позволяет заметно уменьшить объем ила и улучшает процесс фильтрации. Финская фирма «Тампелла» рекомендует использовать специальные шнековые прессы «Тасстер», которые уплотняют массу ила до 17—20 % СВ. Актив­ный ил в натуральном виде или после обработки можно ис­пользовать для удобрения лесов, а в ограниченных количествах—для удобрения полей. Однако более рационально ил перерабатывать в биогаз.

В поверхностных аэраторах системы Кесснера снабжение кислородом обеспечивается в ограниченном слое жидкости (менее 5 м). При этом на 1 кВт мощности аэрация составляет до 1,8 кг 62. Более эффективны аэраторы типа «Симплекс» — до 2,3 кг О2 на 1кВт. Скорость массопередачи кислорода в этих системах 2—4 кг/ч.

В России до недавнего времени выпускались пневмомеханические аэраторы производительностью по воздуху 900, 1300 и 1900 м3/ч (по кислороду соответственно 54, 130 и 190 кг/ч).

Для очистки городских коммунальных стоков в некоторых западных странах успешно применяют аэротенки с керамическими аэраторами. Характеристика системы очистки стоков города с населе­нием около 1 млн человек и объемом очищенной жидкости 550000 м3/сут приведена в табл. 7. Для эксплуатации биоло­гической системы очистки стоков в сутки требуется 72000 кВт-ч электроэнергии, главным образом для сжатия воздуха. Высота столба жидкости в таких аэротенках открытого типа около 4 м.

Более эффективны аэротенки с большой высотой столба жидкости: колонные, башенные или шахтные. Высота шахтных аэротенков 50 м и более; в них имеется внутренняя система циркуляции субстрата, например, по внутренним трубам субстрат падает сверху вниз, а по межтрубному пространству при помощи сжатого воздуха — поднимается вверх. Стоки, имеющие ВПК 2100 мг/л, очищаются на 85 %, при этом производительность составляет 25 м3/ч; концентрация ила 6,5 г/л; эффективность аэрации 3—4 кг О2 на 1 кВт.

Таблица 7. Система аэробной очистки городских стоков

Недавно российскими и зарубежными учёными разработан аэротенк со щелевыми эжекторами из пластмассы, обеспечивающими эффективное насыщение субстрата кислородом. Аэротенк выполнен в виде четырех параллельно работаю­щих колонн высотой 30 м. В каждой колонне установлены 72 эжектора. Производительность установки 90000 м3/сут. При необходимости, если отработанный воздух содержит вредную микрофлору или вещества, а также имеет неприятный запах, газовую среду обрабатывают в печах с инфракрасным обогре­вом.

На практике при аэробной очистке разбавленных стоков широко применяют аэробные фильтры, или триклеры. Это вертикальные цилиндры, заполненные щебнем, камнем, углем разме­ром 5—10 см. Высота фильтров может быть 2—3 м. Сверху на наполнитель обычно с помощью вращающегося разбрызгивателя подают очищаемые стоки. Жидкость стекает и покрывает части­цы пленкой, в которой затем развивается аэробная микрофлора (в основном гетеротрофные бактерии). В присутствии кислорода происходит окисление органических веществ стоков, стекающая жидкость поступает в осадительные бассейны. Ил не рециркулирует. Аэробные фильтры обеспечивают производительность 1—3 м3/(м2-сут).

Для очистки разбавленных стоков используют также вращающиеся биологические контакторы. Эти аэробные очистительные устройства представляют собой цилиндры, в которых на горизон­тальной оси по всей длине цилиндра установлены диски из пласт­массы или шифера. На 35—45 % диаметра диски погружены в жидкий субстрат. При вращении оси с частотой 2—5 об/мин субстрат прилипает к поверхности диска и в виде пленки подни­мается в воздушное пространство, где обогащается кислородом. Микрофлора преимущественно фиксируется (иммобилизуется) на поверхности дисков. Вращающиеся контакторы успешно при­меняют для переработки стоков с ВПК 130—200 мг/л и обеспечи­вают его снижение на 80—85 %.

Таким образом, современные аэротенки фактически являются ферментаторами различной мощности, в которых выращивается активный ил. Как правило, в аэротенках реализуется только непрерывный процесс, чаще всего с рециркуляцией активного ила.

Аэробную очистку стоков можно интенсифицировать путем создания псевдоожиженного слоя с применением в качестве

носителя ила инертных частиц, например песка, размером 0,3— O,9 мм. Другой путь интенсификации — повышение концентрации растворенного кислорода до 12 мг/л путем подачи технического кислорода.

Анаэробные системы очистки стоков

Для очистки сточных вод в народном хозяйстве при утилизации отходов животноводческих ферм, производстве кормового витамина B12 и в других случаях используют метановое брожение. Этот процесс широко распространен в природе (разложе­ние органических веществ в болотах, водоемах, в почве, у жи­вотных в рубце и т.д.). Метановое брожение — строго анаэроб­ный процесс, осуществляется, как правило, в особых аппара­тах — метантенках.

Биодеградация органических веществ при метановом брожении в метантенках протекает в три последовательные фазы (табл. 8).

В первой, гидролитической фазе около 76 % органических веществ переходит в высшие жирные кислоты, до 20 % — в ацетат и 4 % — в водород. Первую фазу можно разбить, в свою очередь, на фазы гидролиза и ацидогенеза (кислотообразования). Во второй фазе главными являются процессы образо­вания из высших жирных кислот ацетата (52 %) и водорода (24%). В третьей фазе (брожение) метаногенные бактерии образуют из ацетата 72 % метана, и СОз — 28 % метана. Соотношение промежуточных и конечных продуктов в процессе метанового брожения зависит от состава среды, условий фер­ментации и присутствующей микрофлоры.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5