Экологические аспекты современной биотехнологии

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.

Количество перерабатываемых стоков, м3/сут              500

ХПК, т/сут                                                               1,3

БПКл, т/сут                                                            0,6

Взвешенные вещества, т/сут                              1,1

Температура, °С                                                   20

Редукция по БПКт, %                                       > 80

Содержание метана в биогазе,%                    70—74

На одном из заводов о/о «Алко» и бумажной фабрики в г. Аньяле (Финляндия) фирма «Тампелла» разработала систему очистки стоков, состоящую из анаэробной и аэробной частей. Завод производит крахмал, этанол и различные корма и за год перерабатывает около 140 тыс. т ячменя. Стоки завода сначала обрабатываются в нейтрализаторе, затем после­довательно проходят усреднитель, две стадии метанового бро­жения, аэротенк и вторичный отстойник. Общая емкость мета­нтенков 1350 м3, суточная производительность по стокам 2000 м3, в которых ХПК равен 10 т, БПКг — 6,7 т, количество взвешен­ных веществ 1 т. Процесс идет при мезофильном режиме (35— 40 °С), степень редукции по ВПК 95 %.

Метановое сбраживание отходов

Первые опыты в СССР по метановому сбраживанию жидких отходов были начаты в Латвии в специально сконструированном реакторе объёмом по 75 м3. Внутри реактора имеются пере­городки, обеспечивающие лабиринтное движение субстрата и ус­траняющие случайный прямолинейный проход частиц навоза в аппарате. Режим работы термофильный (54 °С), средняя суточ­ная замена субстрата в биореакторе 20 %. Навозные стоки за­гружают в емкость для свежего навоза, далее насосом — в ем­кость для предварительного нагрева, а затем перекачивают в биореактор.

Биогаз собирался в верхней части биореактора и в газгольдере, а оттуда по трубопроводу направляется в котел для сжига­ния в инжекционных горелках низкого давления. Подогретая в котле теплая вода поступает в бойлер, откуда часть расходу­ется для поддержания температуры в биореакторе, а часть нап­равляется на обогрев помещений для животных. Сброженный субстрат вытесняется из биореактора н трактором вывозится для удобрения полей. Средний состав жидкого удобрения (в%): сухое вещество— 1,0—5,0, органические вещества — 0,25—4,2, фосфор — 0,05—0,7, азот —0,31 —1,14, рН 6,5—8,3. Жидкое ор­ганическое удобрение после метанового брожения проверено в опытных и полевых условиях. При этом доказано его высокое качество, особенно для поливки полей с многолетними травами. В этом случае урожай зеленой массы удваивается. Средние данные за 12 мес эксплуатации этой установки в совхозе «Огре» приведены ниже (В. С. Дубровские, 1987).

Выход биогаза с 1  м3 рабочего объема биореакто-      2,55

ра, м3/сут

Выход биогаза из 1 кг сухого органического вешест-           0,448

ва, м3/сут

Содержание метана в биогазе, %                                  64,8

Средняя загрузка органического вещества на   1  м3                 5,69

рабочего объема реактора, кг/сут

Среднее выделение метана с 1  м3 рабочего объема            1,65

биореактора, м3/сут

Максимальное  выделение метана  с   1   мл  рабочего        3,93

объема биореактора, м3/сут

Четырехлетний опыт работы этой установки показал перспективность термофильного метанового сбраживания отходов ферм, как экономически и экологически оправданного способа обезвре­живания навоза. До 50 % энергии, полученной с биогазом, мож­но использовать в животноводческих комплексах, остальное ко­личество расходуется на поддержание процесса.

На  крупных   животноводческих  комплексах  ферментирован-

ный навоз фракционируют. Жидкую фракцию целесооб­разно дополнительно обра­батывать и рециркулировать, а твердую - - исполь­зовать в качестве высокока­чественного органического удобрения.

Своеобразными компос-тами являются городские свалки. Толщина слоя мусо­ра на городских свалках до­стигает 10 и даже 20 м. В городских отходах содержатся различные органиче­ские вещества,

поэтому в массе отходов протекают сначала аэроб­ные, а затем анаэробные микробиологические процессы. Условно микробиологические про­цессы, происходящие в свалках, можно разделить на четыре этапа, различающиеся по газовому составу (рис. 8). Сначала между частицами мусора находится воздух, содержащий около 20 % кислорода. Через некоторое время он поглощается аэроб­ной микрофлорой и начинается деятельность анаэробной микро­флоры — сначала не образующей метан, а затем метаногенов. В зависимости от местных условий через несколько месяцев или через год наступает стабильное метановое брожение, и в выделяющемся газе содержится 50—55 % СН4, около 40 % СО2 и 5 % N2.

В 70-х годах в США и странах Европы для получения энергии начали использовать газ, выделяющийся при разложении мусора в свалках. Для этого на различной глубине устанавливают перфорированные трубы, через которые откачивают газ.

В Дании проведено обследование городских свалок и сделано заключение, что 45 из них пригодны для получения биогаза {WiMumsen, 1985). На этих свалках около 38 млн т мусора, и биогаз может образовываться в течение 25 лет.

В годы перестройки в г. Выборге изготовлена опытная установка по получению электроэнергии из выделяющегося в городской свалке биогаза. Данная свалка занимает площадь около 1 га, толщина слоя мусора 6—12 м, масса мусора 400 тыс. т. Для эксперимента был выделен участок с массой мусора около 50 000 т, на котором сдела­ны 8 отверстий, соединенных при помощи трубопроводов, насосов и фильтров с дизелем мощностью 32 кВт и способностью тепло-генерирования 60 кВт. При скорости сбора газа 20 м3/ч дизель работал хорошо. На основании этого опыта выполнен проект получения энергии на свалке г. Выборга. При этом можно полу­чать ежегодно 24 000 кДж энергии, что заменит 600 т нефти. Данное мероприятие оказалось экономически выгодным, но дальнейшего развития к сожалению не получило.

Получение биогаза на городских свалках относится к типу твердофазной ферментации. Аналогично можно ферментировать и отходы сельскохозяйственного производства, например солому влажностью около 60 %. При температуре 35 °С деструкция органического вещества на 90 % достигается за 120—200 сут, при 55 °С — за 60—90 сут (R. С. Loehr, 1984).

Экономические аспекты переработки отходов

В некоторых странах Азии широко распространены небольшие биогазовые установки объемом 1 — 2 м3 и производительностью 2—3 м3/сут. Конструкции таких биореакторов несложны, поэтому их изготовляют в основном си­лами семьи. В связи с этим стоимость их невелика, следовательно, они экономически оправданы, так как обеспечивается газом кухня и к тому же обезвреживаются отходы. В Китае и Индии начат промышленный выпуск биореакторов объемом 5—10 м3, производительностью по биогазу около 10 м3/сут. Такие биореак­торы используют кооперативно. В Юго-Восточной Азии, где ши­роко применяются эти установки, благоприятны и климатические условия, что позволяет обеспечить мезофильный режим без по­догрева.

В странах Европы к концу 20 века действовали 546 крупных биогазовых установок, причем 77 % их были установлены на фермах для утилизации сельскохозяйственных отходов {Demuynck et. al., 1984). При обследовании 150 установок выявлено, что капи­таловложения зависят от их комплектации. Если в комплект входит генератор электроэнергии, то стоимость увеличивается на 30—70 %. Однако эксплуатация биогазовых установок в Европе показала преимущества трансформации энергии биогаза в элек­трическую. Если установки изготовлены силами хозяина, стои­мость на 26 % ниже, чем при заводском изготовлении. Уста­новлено также, что удельная стоимость 1 м3 полезного объема биореактора снижается при увеличении объема аппарата и ста­билизируется при объеме 100 м3. Стоимость оборудования суще­ственно влияет на стоимость получаемого биогаза. В странах Общего рынка удельная стоимость установки в расчете на 1 м3 реактора не должна превышать 300—400 европейских единиц валюты (ECU—European Currency Unit). Немаловажное зна­чение имеют система биореактора и принцип его работы. Был проведен сравнительный анализ продуктивности и стоимости оборудования следующих трех систем:

1) анаэробный контакт в одном реакторе (французская сис­тема) ;

2)            механическое  перемешивание  и  рециркуляция  биомассы;

3)            проточная система с флокуляцией биомассы без носителя
(табл.  11).  Данные  получены   при   метановом   сбраживании
сточных вод сахарного производства.

Таблица 11. Производительность и стоимость биореакторов различных систем

Анаэробный контакт в одном реакторе                                   0,88                       248

С механическим перемешиванием и рециркуля-                     0,64                       436
цией биомассы

Проточная с флокуляцией биомассы                                         5,4                     2159

Была изучена также окупаемость биогазовых установок. Обследованы 32 установки, из которых 5 самодельные и 3 явно экономически выгодные (срок окупаемости 3—4 года). 27 установок, изготовленных различными фирмами, по окупаемости ока­зались менее выгодными.

Однако, как показали результаты проведённых иссследований эко­номически оправданы лишь биогазовые установки, которые обе­спечивают продуктивность не ниже 1 м3/(м3-сут) и имеют удель­ные капиталовложения не более 300—400 ECU за 1 м3 биореак­тора.

Экономические аспекты получения биогаза при современных животноводческих фермах изучены также в Швейцарии (Э. Эдельманн, 1985). Автор приходит к выводу, что практически все виды отходов сельскохозяйственного производства могут быть перера­ботаны в биогаз и получаемая таким образом энергия может покрыть основные потребности хозяйства. Однако невыгодно ори­ентироваться только на энергию биогаза, так как для утилизации различных отходов требуется применение специальных техноло­гий и оборудования. Получение биогаза и отходов выгодно тем, что переработке подвергаются влажные субстраты.

Э. Эдельманн отдает предпочтение мезофильному режиму ферментации, при котором на поддержание процесса тратится меньше энергии и не нужна столь тщательная изоляция обору­дования и коммуникаций. В отдельных случаях допустим даже психрофильный режим (15—20 °С), но в этом случае потребуется биореактор большого объема. Чем больше животных на ферме, тем меньше удельные капиталовложения. Так, при поголовье крупного рогатого скота 20—30 ежегодные удельные расходы на выращивание одного животного в условиях Швейцарии состав­ляет около 2500 швейцарских франков, а при 70 животных — 1500. 40—50 % капиталовложений идут на работу биореактора, коммуникаций и насосов. Для эксплуатации биореактора удельные расходы на одно животное составляют 150—300 швей­царских франков.

Рентабельность эксплуатации биогазовых установок во многом зависит от конкретных условий и умелого проектирования установки. Э. Эдельманн приводит ряд случаев, когда были созданы слишком большие биореакторы и биогаз использовался нерационально, особенно в летний период. Автор считает, что государство должно поощрять создание биогазовых установок, выделяя дотации, так как это мероприятие направлено на оздоровление окружающей среды.

Весьма положительным фактором при оценке экономики метанового сбраживания сельскохозяйственных отходов является использование жидких отходов после ферментации в качестве удобрения или в качестве корма для рыб и других животных (Maramba et. a!., 1983; Marchaim, 1983).

На основании данных работ опытной установки в Калабрии (Италия) был сделан расчет стоимости биогаза. Биомассу водорослей получили в морской воде в бассейне площадью 500 м2 и сбраживали ее в метан в биореакторе объемом 1 м3. При выходе метана из 1 кг растворенного сухого вещества биомассы 0,35 м3 оказалось, что стоимость 1 кДж энергии такого биогаза составляет 10 долл. Выход энергии при получении метана из водорослей выше, чем при получении этанола из сахарного трост­ника или метанола из древесины (Wagner, 1985).

Необходимо отметить, что биологическая очистка коммунальных и промышленных стоков должна стать обязательным усло­вием хозяйствования. Выбор системы очистки — дело инженер­ного расчета с учетом экономической оценки вариантов. Но глав­ным критерием всегда должно быть получение безвредных для природы стоков. При одинаковом экологическом результате экономически более оправданы системы анаэробной обработки стоков (табл. 12), при которых в анаэробной установке перерабатывается 1,1 т ХПК/сут и обеспечивается БПКб очи щенной воды около 4,5 мг/л. Годовой доход от такой системы около 3000 руб. Аэробная система очистки стоков никакой прибыли не дает.

Чтобы стимулировать оздоровление экологической ситуации, государство должно не только обеспечить контроль за соблюдением экологических нормативов, но и централизованно покрыть часть расходов на установление таких систем. Такого подхода тре­буют интересы современного общества и будущих поколений российских учёных.

Таблица 12. Сравнительная оценка систем очистки стоков

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

А и а л а   Ф.,    К а и г е р   Дж.    Современная  генетика.  В 3-х томах:   перевод с английского/под ред. Ю. П. Алтухова, Е. В. Ананьева. — М.; Мир, 1987. Т. 1 -295 с., Т. 2 — 368 с.

Б и от е х н о л о г и я./[Р. Г. Бутенко, М. В. Гусев, А. Ф. Киркин и др.] — М.: Высшая школа, 1987.

Кн. 3. Клеточная инженерия. 1987. — 127 с.

Биотехнология/под ред. И. Хиггинса, Д. Беста, Дж. Джонса/пере­вод с английского/под ред. А. А. Баева. — М.: Мир, 1988. — 479 с.

Биотехнология микробного синтеза/под ред. М. Е. Бекера — Рига: Зинатне, 1980. — 350 с.

Быков В. А., Винаров В. А., Шерстобитов В. В. Расчет про­цессов микробиологических производств. — Киев: Техника, 1985. — 244 с.

Виестур У. Э., Кристапсонс М. Ж., Б ы л и н к и н а Е. С. Куль­тивирование микроорганизмов. — М.: Пищевая промышленность, 1980. — 232 с.

Виестур У. Э., Ш м и т е И. А., Ж и л е в и ч А. В. Биотехнология. — Биотехнологические агенты, технология, аппаратура. — Рига: Зинатне, 1987. — 263 с.

Воробьев Л. И. Техническая микробиология. — М.: Высшая школа, 1987. — 94 с.

Д е б а б о в В. Г., Лившиц В. А. Биотехнология. — М.: Высшая шко­ла, 1988.

Кн. 2. Современные методы создания промышленных штаммов микроорга­низмов. 1988. — 208 с.

Инге-Вечтомов С. Г. Введение в молекулярную генетику. — М.: Высшая школа, 1983. — 343с.

К о э н Ф. Регуляция ферментативной активности: перевод с англий­ского/под ред. Л. М. Гинодмана. — М.: Мир, !986. — 144 с.

Л и е п и н ь ш Г. К-, Д у н ц е М. Э. Сырье и питательные субстраты для промышленной биотехнологии. — Рига: Зинатне, 1986. — 156 с.

Маниатис Т., Фрич Э., Сэмбрук Дж. Молекулярное клониро­вание. Методы генетической инженерии: перевод с английского/под ред. А. А. Ба­ева, К- Г. Скрябина. — М.: Мир, 1984. — 480 с.

Молекулярная биология. В 5 томах/Б. Альберте, Д. Брей, Дж. Люи'с и др.: перевод с английского под ред. Г. П. Георгиева. — М.: Мир, 1986, с. 197, 223, 231, 296, 1312.

Основы общей биологии/под ред. Э. Либберта: перевод с немецкого/под ред. В. А. Энгельгардта. — М.: Мир, 1982. — 437 с.

Переработка мелассы на спирт и другие продукты по безотходной технологии/под ред. П. И. Рудницкого. — М.: Агропромиздат, 1985. — 287 с.

Прист Ф. Внеклеточные ферменты микроорганизмов: перевод с англий­ского/под ред. В. К. Плакунова. — М.: Мир, 1987. — 118 с.

Промышленная микробиология и успехи генетической инженерии. Сборник: перевод с английского под ред. Г. К- Скрябина. — М.: Мир, 1984. — 172 с.

Рис Э., Стернберг М. От клетки к молекулам. Иллюстрированное введение в молекулярную биологию: перевод с английского/под ред. Ю. С. Ло-зуркина, В. А. Ткачука. — М.: Мир, 1988. — 144 с.

Свенсон К., Уэбстер П. Клетка: перевод с английского/под ред. Т. Днепровского. — М.: Мир, 1980. —- 303 с.

Смирнов В. А. Пищевые кислоты. — М.: Легкая и пищевая промыш­ленность, 1983. — 240 с.

Трансформация продуктов фотосинтез а/под ред. М. Е. Бекера. — Рига: Зннатне, 1984. -—250 с.

Уотсон Дж., Туэ Дж., Кур ц Д. Рекомбинантные ДНК: перевод с англ и некого/под ред. А. А. Баева. — М.: Мир, 1986. — 285 с.

Шлегель Г. Общая микробиология: перевод с немецкого/под ред. Е. М. Кондратьевой. — М.: Мир, 1987. — 566 с.

Basic biotechnology Ed. by John Bu'Lock and Bjern Kristiansen.— Acad. Press, London, Orlando San Diego, New York, Austin, Boston, Sydney Tokio, Toronto, 1987. — 561 p.

Hacking A. J. Economic aspects of biotechnology, Cambridge university press, 1986.— 306 p.

Sahm H. Anaerobic wastwater treatment. Advances in Biochemical Engi­neering (Biotechnology), vol. 29, 1984. — 84— 115 p.

The global 2000 report to the president: entering the twentyfirst century; including global future; time to act; vol. 1,2.— Blue Angel, Inc.. 1985. — 228 p.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5