Герасименко В.Г., Герасименко М.О., Цвіліховський М.І. та ін. Біотехнологія
Подождите немного. Документ загружается.
Рідка фракція теж використовується як рідке органічне
добриво для поливу сільськогосподарських культур. При зро
шуванні стічними водами відбувається їх ґрунтове доочищення,
що створює сприятливі умови для охорони навколишнього се
редовища.
Широке розповсюдження методу гальмується санітарно
гігієнічними та економічними вимогами. Так, патогенні мікро
організми, які містяться в гнойовій біомасі, мають властивості
тривалого збереження в зовнішньому середовищі і можуть бути
причиною епідемій та епізоотій. Забезпечення ветеринарно
санітарного благополуччя у цьому випадку можна досягти за
рахунок знезараження відходів тваринництва термічною стери
лізацією при високій температурі, що є енергоємним заходом.
Значні економічні проблеми пов’язані з витратами на вида
лення, транспортування, зберігання і використання гною в рос
линництві, а також на знезараження його термічною стериліза
цією для забезпечення ветеринарносанітарного благополуччя.
22.2.2. Мінералізація органічних речовин у ґрунті та
водоймищах
Цим методом утилізують рідку фракцію, тобто стічні води.
Процес утилізації відбувається за рахунок життєдіяльності
різних груп організмів (бактерій, грибів, водоростей, найпрості
ших, черв’яків і членистоногих), які використовують органічні
та неорганічні сполуки стічних вод як поживні речовини і дже
рело енергії. Аеробні мікроорганізми за участю кисню повітря
перетворюють органічні речовини на мінеральні сполуки –
аміак, діоксид вуглецю і воду.
Серед відомих методів очищення стічних вод біологічне
знезасаження залишається найбільш доступним і надійним у
санітарному відношенні.
Існують дві великі групи аеробних процесів біологічного
очищення стічних вод – екстенсивні та інтенсивні.
До екстенсивних належать методи, не пов’язані безпосе
редньо з керованим культивуванням мікроорганізмів – це поля
зрошення, поля фільтрації, біоставки. Мікроорганізми, які зна
ходяться у верхніх шарах ґрунту полів зрошення і фільтрації
або у воді біоставків, утворюють біоценози, за рахунок діяльно
сті яких проходить очищення води.
ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії
470
В основі інтенсивних способів лежить діяльність активного
мулу або біологічної плівки, тобто природно виниклого біоце
нозу, який формується на конкретному виробництві залежно
від складу стічних вод і вибраного режиму очищення. Форму
вання біоценозу – процес досить тривалий і проходить постій
но під час очищення стічних вод у спеціальних спорудах – аеро
тенках або біологічних фільтрах.
Аеротенки – це бетонні або залізобетонні резервуари,
крізь які повільно протікає суміш активного мулу і попередньо
відстояної стічної рідини. В них очищення стічних вод відбу
вається за допомогою активного мулу. Активний мул – це суб
страт у вигляді темнокоричневих пластівців і складається на
70 % з природної асоціації аеробних мікроорганізмів (різних
бактерій і найпростіших) та 30 % твердих частинок неорганічної
природи. Мікроорганізми разом з твердими частинками, до
яких вони прикріплені, утворюють зооглей – симбіоз популяцій
організмів, покритих спільною слизовою оболонкою. На актив
ному мулі адсорбуються і окислюються за участю кисню пові
тря органічні речовини стічних вод. Суміш стоків і активного
мулу безперервно аерується для підтримки мулу в завислому
стані та подачі кисню.
Аеротенки працюють в комплекті з відстійниками, в яких
осаджується мул, що накопичується у великих кількостях.
Частина активного мулу знову повертається у систему очищен
ня, а надлишковий активний мул, який утворився в результаті
росту мікроорганізмів, надходить на мулові майданчики з по
дальшим вивезенням його після зневоднювання на поля.
В Україні для очищення стічних вод спиртзаводів викори
стовують біотенки (аеротенки), в яких функціонують іммобілі
зовані мікроорганізми на нерухомому носії. Цей волокнистий
носій має велику питому поверхню (1 кг носія – 8–10 тис. м
2
площі), високу адгезійну здатність. Завдяки цьому на ньому
закріплюється значна кількість біомаси, що сприяє інтенсифі
кації очищення та усуває утилізацію надлишкового активного
мулу, оскільки його приріст фактично відсутній. Тому зі схеми
очищення вилучається ціла низка споруд – вторинний відстій
ник для виділення надлишкової біомаси, мінералізатор, мулові
майданчики. Це робить очисні споруди малогабаритними,
компактними, спрощує їх обслуговування. Крім цього, носій є
біологічно інертним, тобто практично не рйцнується мікроорга
Розділ22.Біотехнолоії"тилізаціїібіоонверсіївідходіваропромисловоо...
471
нізмами і може працювати без заміни багато років (Кошель М.
та ін., 2002).
Біологічні фільтри – це металеві або залізобетонні ре
зервуари, заповнені фільтрувальним матеріалом (шлаком, ке
рамзитом, гравієм, пластмасою, щебінкою та ін.). Мікроорганіз
ми у них знаходяться в нерухомому стані, закріпленими на
фільтрувальному матеріалі (носії) у вигляді біологічної плівки.
Біологічна плівка – це об’єкти зі складною структурою з
живих і мертвих клітин, клітинних фрагментів і позаклітинних
полімерів, які закріплені на поверхні (Іпполітов К. Г. та ін.,
2003). Всередині біологічних плівок міститься суміш популя
цій, що постійно змінюється. На поверхні біоплівки відбуваєть
ся активне розмноження клітин, тому що тут найвища концен
трація субстрату. Ближче до поверхні носія концентрація
субстрату стає лімітуючою, що є причиною руйнування вну
трішньої структури біоплівки. Значна частина біоплівки втра
чається через ерозію поверхні під впливом сил потоку рідини,
або її відриву внаслідок розшаровування. Регенерація біоплівки
під час процесу здійснюється за рахунок відриву та віднесення
її частини і розвитку на звільненому місці нової, більш активної.
Стічні води надходять зверху і повільно проходять вниз через
біофільтри, де відбувається мінералізація органічних речовин, а
в щілини між гранулами знизу вгору надходить повітря природ
ним шляхом або примусово (аерація). Потужність біологічних
фільтрів залежить від площі поверхні наповнювача. Схема біо
фільтра показана на рис. 22.1.
У процесах біологічного очищення стічних вод у спеціаль
них спорудах широко використовують три основні режими
культивування біомаси мікроорганізмів: безперервний, періо
дичний і відлучнодоливний.
Відлучнодоливний метод має переваги над іншими. Перш
за все це компактність очисних споруд, оскільки в одному реак
торі поєднуються процеси очищення води і відділення активно
го мулу шляхом відстоювання. Навіть при використанні декіль
кох реакторів така система займає меншу площу, ніж
традиційна система «аеротенк – вторинний відстійник». Тепер
цей режим використовують при очищенні стічних вод в усьому
світі. Так, в Баварії (ФРН) з 1990 по 2000 рр. кількість реакто
рів, які працюють за цією схемою, збільшилася у 25 разів (ШаA
гінуров Г.І. та ін., 2003).
ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії
472
Збільшення окислювальної потужності біологічних очи
сних споруд при відлучнодоливному процесі на відміну від ін
ших режимів досягають не методом іммобілізації (адгезійної
і/або адсорбційної) на поверхні носіїв, а шляхом одержання
щільних мікробних гранул. Мікробні агрегати, відомі в літера
турі як «мікробні гранули», являють собою сферичну біоплівку,
яка утворюється за певних умов шляхом самоіммобілізації
мікроорганізмів активного мулу (Шагінуров Г.І. та ін., 2003).
Основними перевагами гранул над пластівцями активного мулу
є висока швидкість осідання через великі розміри і, як наслідок,
швидке розділення рідкої і твердої фаз, а також висока актив
ність.
Біологічні ставки – водоростеві, рачкові, рибоводні.
Недоліком є повна безконтрольність процесу і те, що функціо
нують вони лише у теплий період року. У водоростевому ставку
проходить очищення стоків за допомогою аерування їх мікрово
доростями, які утилізують біогенні елементи стоків, збагачують
середовище киснем, підлужують його до рН 9–10, що сприяє ін
гібуванню сапрофітної і патогенної мікрофлори. В ньому, крім
водоростей, активно розвивається біомаса непатогенних бакте
рій і найпростіших.
Із водоростевого ставка стоки, збагачені продуктами мета
болізму бактерій, найпростіших, водоростей і їх біомасою, над
ходять у рачковий ставок. У ньому очищення відбувається за
Розділ22.Біотехнолоії"тилізаціїібіоонверсіївідходіваропромисловоо...
473
Рис. 22.1. Біофільтр (за Биковим В.А., 1987)
участю личинок різних комах, вислоногих і рачківфільтратів. Із
рачкового ставка очищені стоки надходять у рибоводний ставок,
в якому біоценоз збагачується новими видами гідробіонтів –
мальками риб (коропа), кормом для яких є біоценоз рачкового
ставка. Тут відбувається остаточне очищення стічних вод.
Використовуються біологічні ставки як безпосередньо для
очищення стічних вод без попередніх стадій, так і для доочи
щення стоків після очисних споруд у випадку, коли домішки,
які залишаються, ускладнюють процес подальшої їх утилізації.
Поля зрошення і фільтрації —це спеціально відведе
ні ділянки землі для очищення стічних вод. Вони відрізняються
між собою тим, що поля фільтрації не використовуються для
вирощування сільськогосподарських культур.
Процес самоочищення води відбувається за рахунок життє
діяльності різних груп ґрунтових організмів – бактерій, грибів,
водоростей, найпростіших, черв’яків і членистоногих. На по
верхні ґрунтових грудочок утворюється біологічна плівка.
Недоліки методу мінералізації органічних речовин у ґрунті
та водоймищах:
1) економічний – вимагає великих капіталовкладень і ви
трат енергії на механічну очистку стічних вод. Вартість очисних
споруд в середньому становить 20–25 % суми, витраченої на
спорудження крупного свинарського комплексу;
2) мінералізація органічних сполук відбувається тільки в
поверхневому шарі ґрунту, тому що кисень проникає у ґрунт
тільки на глибину 20–30 см.
22.2.3. Включення гною до раціонів сільськогосподар
ських тварин
До раціонів сільськогосподарських тварин додається пере
важно курячий послід. Гній попередньо висушується і обеззара
жується, а за наявності підстилки – подрібнюється. Це вимагає
певного обладнання і значних витрат енергії.
Крім того, до сьогодні нема одностайної оцінки якості про
дукції, одержаної на раціонах з добавками гною. Але передбача
ється, що при тривалому використанні гною як домішки до
раціонів сільськогосподарських тварин у тваринницькій про
дукції збільшується вміст важких металів, антибіотиків та ін
ших чужорідних речовин (ксенобіотиків).
ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії
474
Цей метод має і соціальнопсихологічну проблему, яка ви
никає при використанні продукції, одержаної з добавками гною.
Через це метод не має широкого розповсюдження і вимагає
більш детального вивчення.
Наведені традиційні методи не відповідають усім вимогам
щодо утилізації і знезараження відходів, які забезпечували б
санітарногігієнічне та екологічне благополуччя і були рента
бельними з точки зору собівартості продукції. Витрати на пере
робку і знезараження тваринницьких відходів можуть в деяких
випадках сягати до 40 % усіх витрат на одержання продукції
тваринництва.
Методом, який відповідає цим вимогам, є анаеробне збро
джування гнойової біомаси за допомогою анаеробних метано
утворюючих мікроорганізмів.
22.3. НЕТРАДИЦІЙНІ МЕТОДИ. БІОТЕХНОЛОГІЯ
ОДЕРЖАННЯ БІОГАЗУ ШЛЯХОМ АНАЕРОБНОГО
ЗБРОДЖУВАННЯ ВІДХОДІВ
Одним із найбільш перспективних методів утилізації відхо
дів агропромислового комплексу (рослинництва, тваринниц
тва) є їх біоконверсія в енергоносій біогаз шляхом мікробіоло
гічної ферментації.
Біомаса (рослинна та гнойова) належить до поновлюваних
джерел енергії. Біомаса – це органічна речовина, яка утворюєть
ся в процесі фотосинтезу, коли за допомогою хлорофілу рос
линна клітина вловлює (фіксує) сонячну енергію з наступним
перетворенням її в енергію хімічних зв’язків синтезованих орга
нічних сполук. Рослинна біомаса Землі має енергетичний по
тенціал, який відповідає усім відомим запасам енергії корисних
копалин.
Гнойова біомаса теж містить значну кількість енергії. Науко
вими дослідженнями було встановлено, що сільськогосподарсь
кі тварини використовують енергію, яка міститься в органічних
речовинах рослинних кормів, з низьким коефіцієнтом. Так, в ор
ганізмі тварин внаслідок складних багатоетапних біохімічних
процесів енергія рослинних кормів трансформується у продук
цію в середньому на 16,4 %; 25,6 % енергії витрачається на пере
травлення та засвоєння кормів, а 58 % енергії переходить у гній.
Розділ22.Біотехнолоії"тилізаціїібіоонверсіївідходіваропромисловоо...
475
Високий енергетичний потенціал гною дає можливість ви
користовувати його як субстрат для інших організмів, які потім
можна використати на корм тваринам, а також для одержання
палива.
Метанове анаеробне зброджування є найбільш раціональ
ним шляхом використання енергії відходів. Воно відбувається у
спеціальних біогазових або біоенергетичних установках, у яких
за рахунок анаеробної біоконверсії метаноутворюючими мікро
організмами органічних речовин одержують енергоносій у ви
гляді біогазу, високоякісне знешкоджене органічне добриво і,
навіть, кормові добавки.
Цей напрям біоконверсії в умовах поступового виснаження
традиційних енергетичних ресурсів (нафти, газу, вугілля тощо)
і особливо зростаючого дефіциту пального у сільській місце
вості та ускладненням централізованого забезпечення її при
родним газом має важливе значення.
В умовах реформування аграрного сектора економіки Укра
їни це дозволить на першому етапі зменшити споживання елек
троенергії для потреб фермерських господарств, а в подальшому,
широко впроваджуючи моторгенератори на біогазі, повністю
перейти на самозабезпечення господарств електроенергією.
Крім енергетичної і економічної проблеми, біотехнологія
анаеробного зброджування дає можливість вирішувати еколо
гічні та санітарногігієнічні проблеми. В результаті переробки
гною шляхом анаеробного бродіння гине патогенна мікрофло
ра, яйця і личинки гельмінтів, насіння бур’янів, а також відбу
вається дезодорація гною.
Біотехнологія утилізації відходів з одержанням біогазу ши
роко розповсюджена як у промислово розвинених країнах, так і
країнах, що розвиваються. Нині більш ніж у 60ти країнах світу
енергетичні та економічні проблеми вирішуються за допомогою
біогазових установок. У багатьох державах тваринницькі ферми
створюються паралельно з установками метанового бродіння,
тобто БГУ входять до складу тваринницького комплексу.
22.3.1. Біометаногенез та його етапи
Біометаногенез – це процес перетворення органічних спо
лук біомаси на біогаз за участю метаноутворюючих анаеробних
мікроорганізмів. Коефіцієнт трансформації енергії біомаси в
ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії
476
енергію метану при цьому процесі досягає 80 %. Це давно відо
мий процес, відкритий ще 1776 р. Вольтом, який встановив на
явність метану в болотному газі.
Процес біометаногенезу проходить за участю метаноутво
рюючих мікроорганізмів, яких ідентифіковано від 30 до 50 ви
дів. Це симбіотичне угруповання і завдяки тому, що воно може
змінювати свої шляхи ферментації, функціонує як саморегу
лююча система, яка підтримує оптимальні значення рН, оки
слювальновідновний потенціал і термодинамічну рівновагу в
реакторі.
Формування мікрофлори метантенка відбувається за раху
нок мікроорганізмів, які потрапили в нього разом з субстратом
(гнойовою біомасою, стічними водами тощо). Поряд з облігат
ними анаеробами в метантенку можуть бути і факультативні
анаероби. Загальна кількість бактерій в субстраті коливається
від 1 до 15 мг/мл.
До складу природної популяції мікроорганізмів, які здій
снюють процес метаногенезу, входять різні види анаеробів ті,
що руйнують клітковину і зброджують прості вуглеводи, розщі
плюючи білки, пептиди і амінокислоти, ліпіди, завдяки чому
біомаса різного походження може бути вихідною сировиною
для одержання біогазу.
Біометаногенез – це багатостадійний процес, у ході якого
біополімери перетворюються на ацетат, форміат, метанол, мети
ламін, оксид і діоксид вуглецю, аміак, сірководень і водень. Він
проходить у три послідовні етапи або стадії, і кожна з них здій
снюється певною групою мікроорганізмів.
1й етап гідролізу. На цьому етапі беруть участь грам
негативні неспороутворюючі мікроорганізми, які володіють
амілолітичною, целюлолітичною, протеолітичною, ліполітич
ною й іншими видами активності. За допомогою ферментів
гідролаз, які синтезуються цими мікроорганізмами, відбуваєть
ся розкладання біополімерних сполук (вуглеводів, білків, ліпі
дів, нуклеїнових кислот) до низькомолекулярних органічних
речовин (моно і олігоцукрів, амінокислот і пептидів, гліцерину
і карбонових кислот, пуринових і піримідинових основ). Склад
домінуючої на цьому етапі мікрофлори залежить від складу
мікрофлори, яка є на субстраті, що надходить в метантенк, а та
кож від хімічного складу субстрату.
Розділ22.Біотехнолоії"тилізаціїібіоонверсіївідходіваропромисловоо...
477
На цій стадії утворюється також невелика кількість діокси
ду вуглецю і водню.
2й етап ацидогенезу. На ньому із одержаних на пер
шому етапі низькомолекулярних органічних речовин за участю
кислотоутворюючих мікроорганізмів утворюються різні орга
нічні кислоти (масляна, пропіонова) і їх солі. Потім вони оки
слюються до ацетату і діоксиду вуглецю. На цьому етапі також
утворюються водень, аміак і сірководень.
Кислотоутворюючі бактерії є факультативними анаеробни
ми гетеротрофами і найкраще функціонують в діапазоні рН від
4,0 до 6,5. Головним продуктом цього етапу є ацетат.
Наприклад, із 1 моль субстрату (глюкози) утворюється 4
моль водню і 2 моль ацетату:
C
6
H
12
O
6
+ 2H
2
O → 2CH
3
COOH + 4H
2
+ 2CO
2
.
Конверсія низькомолекулярних органічних речовин відбу
вається таким чином:
C
6
H
12
O
6
+ 2H
2
→ 2C
2
H
5
COOH + 2H
2
O;
глюкоза пропіонова
кислота
C
2
H
5
COOH + 2H
2
O → CH
3
COOH + CO
2
+ 3H
2
;
пропіонова кислота ацетат
C
6
H
12
O
6
→ C
3
H
7
COOH + 2СO
2
+ 2H
2
;
глюкоза масляна
кислота
C
3
H
7
COOH + 2H
2
O →2CH
3
COOH + 2H
2
.
масляна ацетат
кислота
На цьому етапі близько 76 % органічних речовин переходить
в органічні кислоти (з них 52 % – в ацетат) і 24 % – у водень.
Власне метанове бродіння відбувається на третьому етапі.
Третій етап метаногенний. На цьому етапі за уча
стю ферментів метаногенних споро і неспороутворюючих мік
роорганізмів проходить остаточне перетворення органічних ре
човин на метан і діоксид вуглецю. Також на третьому етапі з
ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії
478
раніше одержаних діоксиду вуглецю і водню теж утворюється
метан. Так, з ацетату утворюється 72 % метану, а із Н
2
і СО
2
–
28 % метану.
Метаногенні мікроорганізми цього етапу є облігатними
(строгими) анаеробами. Вони проявляють найбільшу актив
ність в більш вузькому діапазоні рН від 7,0 до 7,8. Метаногени
належать до найдавніших живих істот – архібактерій. Вони
відрізняються від інших прокаріот тим, що у них маленький ге
ном – близько 1/3 генома кишкової палички. За формою клітин
метаногени є коками або паличками різних розмірів і рухливо
сті, а деякі можуть утворювати навіть ниткоподібні клітини.
В основі життєдіяльності метаноутворюючих мікроорганіз
мів лежить здатність відновлювати діоксид вуглецю за такою
реакцією:
СО
2
+ 2Н
2
О → СН
4
+ 4О (енергія)
З біохімічної точки зору метанове бродіння є не що інше, як
анаеробне дихання, в ході якого електрони з органічних речо
вин переносяться на діоксид вуглецю, що відновлюється до
метану.
Метаногени синтезують метан за такими реакціями:
4H
2
+ CO
2
→ CH
4
+ 2Н
2
О;
3H
2
+ CO → CH
4
+ Н
2
О;
2Н
2
О + 4CO → CH
4
+ 3CO
2
;
4HCOOH → CH
4
+ 3CO
2
+ 2Н
2
О;
мурашина кислота
4CH
3
OH → 3CH
4
+ CO
2
+ 2Н
2
О;
метанол
СH
3
COOH → CH
4
+ CO
2
.
ацетат
Основним субстратом для метаногенів є ацетат:
СН
3
СООН → СН
4
+ СО
2
.
Деякі метаногени використовують як субстрат форміат,
який трансформується ними в метан:
Розділ22.Біотехнолоії"тилізаціїібіоонверсіївідходіваропромисловоо...
479