Биотехнология. принципы и применение - Бич Г.
ISBN 5-03-000058-5
Скачать (прямая ссылка):
4000-5000 м3. Поскольку концентрация бактерий в таком реакторе может быть
порядка 108-Ю9 клеток в 1 мл, биотехнологи получают в свое распоряжение
достаточно мощный источник "биологической энергии".
Биологическая переработка отходов опирается на целый ряд дисциплин -
биохимию, генетику, химию, микробиологию, химическую технологию и
вычислительную технику. Усилия всех этих дисциплин концентрируются на
трех основных направлениях: 1) деградация органических и неорганических
токсичных отходов; 2) возобновление ресурсов для возврата в круговорот
веществ углерода, азота, фосфора и серы; 3) получение ценных видов
органического топлива.
6.2. Переработка отходов
Тысячелетиями отходы деятельности человека перерабатывались естественным
путем, при участии соответствующих микроорганизмов. В наиболее широко
распространенных установках для очистки сточных вод выполняются четыре
основные операции (рис. 6.1).
1. При первичной обработке удаляются твердые частицы, которые либо
отбрасываются, либо направляются в реактор.
2. На втором этапе происходит разрушение растворенных органических
веществ при участии природных аэробных микроорганизмов. Образующийся ил,
состоящий главным образом из микробных клеток, либо удаляется, либо
перекачивается в реактор. По технологии, использующей активный ил, часть
его возвращается в аэрационный тэнк.
3. На третьем этапе (необязательном) производится химическое осаждение и
разделение фосфора и азота.
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, а кроме того,
образуется ценное органическое топливо - метан.
Сходные процессы применяют при переработке промышленных сточных вод,
особенно в химической, пищевой, целлюлозно-бумажной промышленности.
Поэтому совершенно очевидно, что любые биотехнологические
усовершенствования этих процессов найдут немедленное применение в
промышленности. Такие усовершенствования могут быть направлены на
увеличение мощности перерабатывающих установок, повышение выхода полезных
побочных продуктов, на замену обычно применяе-
Первичная переработка Вторичная переработка
Рис. 6.1. Стадии переработки отходов путем анаэробного разложения.
Окружающая среда и биотехнология
249
мых синтетических химических добавок, устранение запаха и удаление
металлов, а также не поддающихся переработке соединений.
6.2.1. Аэробная переработка отходов (см. также гл. 9)
Аэробная переработка стоков - это самая обширная область контролируемого
использования микроорганизмов в биотехнологии. Она включает 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.
Эффективность переработки пропорциональна количеству биомассы и времени
контактирования ее с отходами.
Системы аэробной переработки можно разделить на системы с перколяционными
фильтрами и системы с использованием активного ила.
Перколяционные фильтры
Перколяционный фильтр был самой первой системой, примененной для
биологической переработки отходов, причем его конструкция фактически не
изменилась со временени создания в 1890 г. Эта система используется в 70%
очистных сооружений Европы и Америки и обладает рядом преимуществ,
которые состоят в простоте, надежности, малых эксплуатационных расходах,
образовании небольших излишков биомассы и возможности длительного
использования установки (в течение 30-50 лет).
Основной недостаток перколяционного фильтра - избыточный рост на нем
микроорганизмов; это ухудшает вентиляцию, ограничивает протекание
жидкости и приводит в конечном счете к засорению фильтра и выходу его из
строя. Одна из недавних модификаций установки состоит в использовании
чередующегося двойного фильтрования (ЧДФ), когда фильтры, на которые
сначала поступает поток жидкости, периодически меняют местами с другими
фильтрами. ЧДФ особенно ценно при очистке промышленных стоков. Для
разрушения слоев грязи в толще фильтров используют также обратную
циркуляцию и пульсирующую подачу. Это улучшает величину биохимической
потребности в кислороде (ВПК), но снижает нитрифицирующую активность.
Другие модификации в конструкции и работе
250
Глава 6
установок с перколяционными фильтрами состоят в уменьшении скорости
поступления жидкости для более равномерного распределения биомассы, а
также в использовании прямой двойной фильтрации с большим объемом среды,
когда на первый фильтр поступает больший объем среды и тем самым
увеличивается его загрузка.
В 1970 г. на смену клинкеру, камню или гравию в системах с
перколяционными фильтрами пришли пластмассы. Это позволило Применять
