Лекции по "Основам биотехнологии"

Еще эффективнее, чем  бактерии, справляются с посвенными загрязнителями грибы. Они могут  разрушать такие вещества, как  пентахлорбензол, пентахлофенол. В  одном из экспериментов грибами  обработали около 10000 тонн почвы с  территории деревоперерабатывающего комплекса. В этой почве содержание пентахлорфенола достигало 700 мг/кг, но за год деятельности оно снизилось до 10 мг/кг, что является допустимой нормой. Бактерии смогли бы переработать эту почву лишь за 4-5 лет. Грибы активны и зимой, разрушают высокомолекулярные полиароматические углеводороды, действуют внеклеточно, выделяя неспецифические ферменты. Стоимость грибной и бактериальной очистки одинаковы, но применение грибов позволяет сокращать сроки деградации и существенно удешевляет ее.

 

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

 

АЭРОБНЫЕ СИСТЕМЫ  ОЧИСТКИ

 

Биологическая переработка  отходов опирается на ряд дисциплин: биохимию, генетику, химию, микробиологию, вычислительную технику. Усилия этих дисциплин  концентрируются на трех основных направлениях: 

- деградация  органических и неорганических  токсичных отходов; - возобновление  ресурсов для возврата в круговорот  веществ углерода, азота, фосфора,  азота и серы;

- получение  ценных видов органического топлива. 

 

При очистке сточных  вод выполняют четыре основные операции:

1. При первичной переработке происходит усреднение и осветление сточных вод от механических примесей (усреднители, песколовки, решетки, отстойники).

2. На втором  этапе происходит разрушение  растворенных органических веществ  при участии аэробных микроорганизмов. Образующийся ил, состоящий главным образом из микробных клеток, либо удаляется, либо перекачивается в реактор. При технологии, использующей активный ил, часть его возвращается в аэрационный тенк.

3. На третьем  (необязательном) этапе производится химическое осаждение и разделение азота и фосфора.

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 и образуется ценное органическое топливо - метан.

 

На практике применяются  одноступенчатые и многоступенчатые системы очистки. Одноступенчатая  схема очистки сточной воды представлена на рис. 6.

Сточные воды поступают  в усреднитель, где происходит интенсивное перемешивание стоков с различным качественным и количественным составом. Перемешивание осуществляется за счет подачи воздуха. В случае необходимости в усреднитель подаются также биогенные элементы в необходимых количествах и аммиачная вода для создания определенного значения рН. Время пребывания в усреднителе составляет обычно несколько часов.

 

Рис. 6. Принципиальная схема  очистных сооружений:

1- пескоуловители; 2- первичные отстойники; 3- аэротенк; 4- вторичные отстойники; 5- биологические пруды; 6-осветление; 7-реагентная обработка; 8-метатенк; АИ-активный ил.

 

При очистке фекальных  стоков и отходов нефтепереработки необходимым элементом очистных сооружений является система механической очистки - песколовки и первичные отстойники. В них происходит отделение очищаемой воды от грубых взвесей и нефтепродуктов, образующих пленку на поверхности воды.

Биологическая очистка воды происходит в аэротенках. Аэротенк представляет собой открытое железобетонное сооружение, через которое проходит сточная вода, содержащая органические загрязнения и активный ил. Суспензия ила в сточной воде на протяжении всего времени нахождения в аэротенке подвергается аэрации воздухом. Интенсивная аэрация суспензии активного ила кислородом приводит к восстановлению его способности сорбировать органические примеси.

В основе биологической  очистки воды лежит деятельность активного ила (АИ) или биопленки, естественно возникшего биоценоза, формирующегося на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод и выбранного режима очистки. Активный ил представляет собой темно-коричневые хлопья, размером до нескольких сотен микрометров. На 70% он состоит из живых организмов и на 30% - из твердых частиц неорганической природы. Живые организмы вместе с твердым носителем образуют зооглей - симбиоз популяций микроорганизмов, покрытый общей слизистой оболочкой.

Микроорганизмы, выделенные из активного ила относятся  к различным родам: Actynomyces, Azotobacter, Bacillus, Bacterium, Corynebacterium, Desulfomonas, Pseudomonas, Sarcina и др.

Наиболее многочисленны  бактерии рода Pseudomonas, о всеядности которых упоминалось ранее. В зависимости от внешней среды, которой в данном случае является сточная вода, та или иная группа бактерий может оказаться преобладающей, а остальные становятся спутниками основной группы.

Существенная роль в  создании и функционировании активного  ила принадлежит простейшим. Функции  простейших достаточно многообразны; они сами не принимают непосредственного участия в потреблении органических веществ, но регулируют возрастной и видовой состав микроорганизмов в активном иле, поддерживая его на определенном уровне. Поглощая большое количество бактерий, простейшие способствуют выходу бактериальных экзоферментов, концентрирующихся в слизистой оболочке и тем самым принимать участие в деструкции загрязнений. В активных илах встречаются представители четырех классов простейших: саркодовые (Sarcodina), жгутиковые инфузории (Mastigophora), реснитчатые инфузории (Ciliata), сосущие инфузории (Suctoria).

Показателем качества активного  ила является коэффициент протозойности, который отражает соотношение количества клеток простейших микроорганизмов  к количеству бактериальных клеток. В высококачественном иле на 1 миллион бактериальных клеток должно приходиться 10-15 клеток простейших. При изменении состава сточной воды может увеличится численность одного из видов микроорганизмов, но другие культуры все равно остаются в составе биоценоза.

На формирование ценозов  активного ила могут оказывать  влияние и сезонные колебания  температуры, обеспеченность кислородом, присутствие минеральных компонентов. Все это делает состав или сложным  и практически невоспроизводимым. Эффективность работы очистных сооружений зависит также от концентрации микроорганизмов в сточных водах и возраста активного ила. В обычных аэротенках текущая концентрация активного ила не превышает 2-4 г/л.

Увеличение концентрации ила в сточной воде приводит к  росту скорости очистки, но требует усиления аэрации, для поддержания концентрации кислорода на необходимом уровне.

Таким образом, аэробная переработка стоков включает в себя следующие стадии:

1) адсорбция  субстрата на клеточной поверхности; 

2) расщепление  адсорбированного субстрата внеклеточными ферментами;

3) поглощение  растворенных веществ клетками;

4) рост и  эндогенное дыхание;

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. На практике очищенная вода и активный ил из аэротенка подаются во вторичный отстойник, где происходит отделение активного ила от воды. Часть активного ила возвращается в систему очистки, а избыток активного ила, образовавшийся в результате роста микроорганизмов, поступает на иловые площадки, где обезвоживается и вывозится на поля. Избыток активного ила можно также перерабатывать анаэробным путем. Переработанный активный ил может служить и как удобрения, и как корм для рыб, скота.

Система полной доочистки  может состоять из множества элементов, которые определяются дальнейшим назначением  сточной воды. Возможно применение биологических прудов, где биологически очищенная вода проходит осветление и насыщается кислородом. Пруды также относятся к системе биологической очистки, в которой под воздействием биоценоза активного ила происходит окисление органических примесей. Состав биоценозов биологических прудов определяется глубиной нахождения данной группы микроорганизмов. В верхних слоях развиваются аэробные культуры, в придонных - факультативные аэробы и анаэробы, способные осуществлять процессы метанового брожения или восстановление сульфатов.

Насыщение воды кислородом происходит за счет процессов фотосинтеза, осуществляемого водорослями, из которых особенно широко представлены Clorella, Scenedesmus, встречаются эвгленовые, вольвоксовые и т.д. В прудах также в той или иной мере представлена микро- и макрофауна: простейшие, черви, коловратки,насекомые и др. В биопрудах из воды хорошо удаляются нефтепродукты, фенолы и другие органические соединения. В некоторых случаях воду после биологической очистки подвергают реагентной обработке - хлорированию или озонированию.

Интенсифицировать процессы биологической очистки можно путем аэрации суспензии активного ила чистым кислородом. Этот процесс можно осуществить в модифицированных аэротенках закрытого типа - окситенках, с принудительной аэрацией сточной воды. В отличие от аэротенков в биофильтрах (или перколяционных фильтрах) клетки микроорганизмов находятся в неподвижном состоянии, так как прикреплены к поверхности пористого носителя. Образовавшуюся таким образом биопленку можно отнести к иммобилизованным клеткам. В этом случае иммобилизована не монокультура, а целый консорциум, неповторимый по качественному и количественному составу и различающийся в зависимости от его местонахождения на поверхности носителя. Очищаемая вода контактирует с неподвижным носителем, на котором иммобилизованы клетки и за счет их жизнедеятельности происходит снижение концентрации загрязнителя.

Преимущество применения биофильтров состоит в том, что  формирование конкретного ценоза приводит к практически полному удалению всех органических примесей. Недостатками этого метода можно считать:

- нереальность  использования стоков с высоким  содержанием органических примесей;

- необходимость  равномерного орошения поверхности  биофильтра сточными водами, подаваемыми  с постоянной скоростью; 

- сточные воды  перед подачей должны быть  освобождены от взвешенных частиц во избежание заиливания.

 

В качестве носителей  можно использовать керамику, щебень, гравий, керамзит, металлический или  полимерный материал с высокой пористостью. Для биофильтров характерно наличие  противотока воды, которая поступает сверху и воздуха, подающегося снизу. Оторвавшиеся частицы микробной пленки после отделения их во вторичном отстойнике не возвращаются обратно в биофильтр, а идут на иловые площадки или в анаэробную преработку.

Существуют также системы, сочетающие в себе как систему биофильтров, так и активного ила в аэротенках. Это так называемые аэротенки-вытеснители. В аэрируемую сточную воду помещают либо стеклоерши, либо создают систему сеток внутри тенка, в которые вкладываются прокладки из пористого полиэфира. В пустотах этих прокладок и на поверхности стеклоершей происходит накопление биоценоза активного ила. Носитель периодически удаляется из тенка, биомасса снимается, после чего носитель возвращается в реактор.

Система с иммобилизованными  на мобильном носителе клетками отличается от биофильтров своей экономичностью, так как используются высокие концентрации микроорганизмов и нет необходимости осаждать конечные продукты. Такая система может найти применение в очистке локальных стоков, с узким спектром загрязнений. Их целесообразно очищать в самостоятельных биологических системах, не смешивая со стоками других производств. Это позволяет получить биоценозы микроорганизмов , адаптированные к данному узкому спектру загрязнений, при этом скорость и эффективность очистки резко возрастают.

 

 

АНАЭРОБНЫЕ  СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ

 

Как уже упоминалось, избыток активного ила может  перерабатываться двумя способами: после высушивания как удобрение  или же попадает в систему анаэробной очистки. Такие же способы очистки  применяют и при сбраживании высококонцентрированных стоков, содержащих большое количество органических веществ. Процессы брожения осуществляются в специальных аппаратах - метатенках.

Распад органических веществ состоит из трех этапов:

- растворение  и гидролиз органических соединений;

- ацидогенез;

- метаногенез. 

На первом этапе сложные  органические вещества превращаются в  масляную, пропионовую и молочную кислоты. На втором этапе эти органические кислоты превращаются в усксусную  кислоту, водород, углекислый газ. На третьем  этапе метанообразующие бактерии восстанавливают диокись углерода в метан с поглощением водорода. По видовому составу биоценоз метатенков значительно беднее аэробных биоценозов.

Насчитывают около 50 видов  микроорганизмов, способных осуществлять первую стадию - стадию кислотообразования. Самые многочисленные среди них - представители бацилл и псевдомонад.

Метанообразующие  бактерии имеют разнообразную форму: кокки, сарцины и палочки.

Этапы анаэробного брожения идут одновременно, а процессы кислотообразования и метанообразования протекают параллельно. Уксуснокислые и метанообразующие микроорганизмы образуют симбиоз, считавшийся ранее одним микроорганизмом под названием Methanobacillus omelianskii.

Процесс метанообразования - источник энергии для этих бактерий, так как метановое брожение представляет собой один из видов анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органических веществ переносятся на углекислый газ, который восстанавливается до метана. В результате жизнедеятельности биоценоза метатенка происходит снижение концентрации органических веществ и образование биогаза, являющегося экологически чистым топливом. Для получения биогаза могут использоваться отходы сельского хозяйства, стоки перерабатывающих предприятий, содержащих сахар, бытовые отходы, сточные воды городов, спиртовых заводов и т.д.