Экологические аспекты современной биотехнологии

Метаногенез зависит в большой степени от химического со-става среды и физических факторов. Прежде всего необходимо иметь в виду, что метаногены строгие анаэробы и кислород является для них ядом. Значение окислительно-восстановительного потенциала (еН), при котором лимитируется рост метаноге-нов, равно 330 мВ; оптимум -- примерно -- 400 мВ. Присутствие одной молекулы О2 в 10 л воды ингибирует метаногенез. Однако наши исследования показали, что кратковременная аэрация метантенка не приводит к гибели метаногенов, так как сопутствую-щая факультативно анаэробная микрофлора утилизирует кисло-род и через 2 сут метаногенез возобновляется (рис. 5).

Мета-нобразующие бактерии хорошо развиваются и метаболизируют субстрат в метан при рН 6--8. Однако различные представители по-разному реагируют на из-

РН

менение рН среды. В метан-тенках рН поддерживают на уровне, близком к нейтраль-ному или щелочному.

2 4 6 8 10 12 сут

Рис. 5. Влияние кратковременной аэра-ции среды на метаногенез при сбражива-нии свиного навоза в термофильных ус-ловиях

По температурному оп-тимуму различные метаноге-ны сильно различаются. В природе встречаются как психрофилы, так и термо-филы, выживающие даже при 97 °С. Большинство ме-тантенков работает в мезо-фильном режиме при 35-- 45 °С. Термофильная фер-ментация (при 50--57 °С) идёт менее интенсивнее, чем мезофильная, однако процесс отличается меньшей стабильностью.

Биомасса метанобразующих бактерий состоит из 54 % углерода, 20 % кислорода, 10 % водорода, 12 % азота, 2 % фосфора и 1 % серы. Кроме того, в биомассе содержатся калий, натрий, кальций, магний и ряд микроэлементов, наиболее важные из ко-торых кобальт, молибден и никель. Чтобы обеспечить формиро-вание клеточной массы, в среде должны содержаться необходи-мые питательные вещества. Соотношение ХПК: N:P должно быть 700:5:1, нельзя допускать избытка азота (C:N не менее 20:1). Уровень токсичности ионов аммиака для метанобразующих бак-терий 1500--2000 мг/л; цианида (CN~) --0,5--1,0 мг/л; калия, натрия и кальция -- 3000--6000 мг/л.

Ингибирование метаногенеза вызывают сульфиты, которые при метановом брожении сульфатвосстанавливающие бактерии восстанавливают до H2S. Метаногенез ингибируется при концентрации сульфидов 100--159 мг/л. При метаногенезе на 50 % сокращается содержание растворимых солей тяжелых металлов при следующих концентрациях ионов (в мг/л}: железо-- 1 --10; цинк-- 10~4; кадмий-- 10~7; медь --10~12 и 10~1 (для двухвалентной формы).

Процесс метаногенеза замедляется в присутствии различных детергентов (при их концентрации около 15 мг/л), антибиотиков и других веществ. Если метановое брожение не ингибировано, при 35 °С выход метана составляет 0,34--0,36 м3 из 1 кг расходованного ХПК или 0,91--0,93 м3 из 1 кг использованного органи-ческого углерода. Можно считать, что в среднем из 1кг ХПК получают 0,35 м3 метана. Если эти показатели ниже, то можно предполагать, что метаногенез ингибируется каким-либо факто-ром. Об этом свидетельствуют, например, изменение реакции среды (подкисление), накопление пропионата. Сумма летучих жирных кислот в среде не должна быть выше 250 мг/л.

Для восстановления интенсивности метанового брожения можно снижать скорость подачи субстрата, подщелачивать среду химическими веществами, разбавлять стоки водой, удалять токсические соединения путем предварительной обработки стоков. Интенсифицировать метановое брожение можно также, разделяя процесс на две стадии: первую -- предварительную, в которой в отдельном аппарате или секции реализуется гидролиз субстратов, и вторую -- собственно метаногенез. Это позволяет локали-зовать специфическую для каждой стадии микрофлору и обеспечить наиболее благоприятные условия для развития каждой группы микроорганизмов: в первой -- преимущественно гидролитическую и ацетогенную, во второй -- главным образом метаногены. Установлено, что метаногены любят адгезировать на по-верхностях, поэтому во второй секции можно помещать специальные иммобилизующие средства (щетки, гранулы и т.д.).

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 концентрации 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 усло-вия для накопления биомассы флокулообразующих сарцин и нитеобразующих форм бактерий (например, из рода Methanot-hrix). Гранулообразованию способствует выбор специального субстрата. Так, Methanosarcina и Methanothrix утилизируют пре-имущественно ацетат, следовательно, в среде должен быть аце-тат.

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 дефор-мировать 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 отделя-ется 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 обе-спечивает 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

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

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 по-строено 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 бакте-рии деградируют не только углеводы, липиды, протеины, нуклеи-новые кислоты, но и многие соединения нефтехимической про-мышленности, например бензольную кислоту.

4 С6Н5СООН + 18 Н20 - 15 СН4+ 13 СО2.

Адаптированные ассоциации анаэробов деградируют ацетальдегид, ацетон, бутанол, этилацетат, этилакрилат, глицерол, ни-тробензол, фенол, пропанол, пропиленгликоль, кретоновую, фумаровую и валериановую кислоты, винилацетат, парафины, син-тетические полимеры и многие другие вещества и продукты.

Метановое брожение должно рассматриваться не только как средство защиты окружающей среды, но и как метод полу-чения 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 броже-ния.

В разделе об аэробных системах очистки стоков уже говори-лось, 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 режи-ме, 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 реа-лизации двухстадийного процесса (кислая и метаногенная ста-дии), причем на метаногенной стадии применяется гранулооб-разный шлам. Интенсификация метанообразования обеспечива-ется в результате выноса из зоны метаногенеза свежего суб-страта с важными ингибиторами, а также наличия во второй зоне большой биомассы метанобразующих бактерий. Обе зоны могут быть размещены в одном вертикальном цилиндре, разде-ленном горизонтальной перегородкой на верхнюю зону объемом 300 м3 и нижнюю -- 350 м . На молочном заводе, перерабатыва-ющем 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 то-варного 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 после-довательно проходят усреднитель, две стадии метанового бро-жения, аэротенк и вторичный отстойник. Общая емкость мета-нтенков 1350 м3, суточная производительность по стокам 2000 м3, в которых ХПК равен 10 т, БПКг -- 6,7 т, количество взвешен-ных 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 пере-городки, обеспечивающие лабиринтное движение субстрата и ус-траняющие случайный прямолинейный проход частиц навоза в аппарате. Режим работы термофильный (54 °С), средняя суточ-ная замена субстрата в биореакторе 20 %. Навозные стоки за-гружают в емкость для свежего навоза, далее насосом -- в ем-кость 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 сжига-ния в инжекционных горелках низкого давления. Подогретая в котле теплая вода поступает в бойлер, откуда часть расходу-ется для поддержания температуры в биореакторе, а часть нап-равляется 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 ор-ганическое 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 обезвре-живания навоза. До 50 % энергии, полученной с биогазом, мож-но использовать в животноводческих комплексах, остальное ко-личество расходуется на поддержание процесса.

На крупных животноводческих комплексах ферментирован-

ный навоз фракционируют. Жидкую фракцию целесооб-разно дополнительно обра-батывать и рециркулировать, а твердую - - исполь-зовать в качестве высокока-чественного органического удобрения.

Рис.8. Динамика образования газов на свалках в массе мусора:

1 -- метан, 2 -- диоксид углерода, 3-- азот 4 -- кислород,

фазы: / -- аэробная, // -- анаэробная, не образующая метана, /// -- нарастающая анаэробная, метанобра-зующая, IV - стационарная анаэробная, метанобразующая

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6