Сартакова О.Ю. Промышленная микробиология

Подождите немного. Документ загружается.

Объем аэробного стабилизатора для активного ила (W) определя-

ется из соотношения:

W=GT/C,

где G - суточное количество сухого вещества осадка, подаваемого

в стабилизатор, т/сут;

Т - требуемая продолжительность сбраживания, сут;

С - концентрация сухого вещества, поддерживаемая в соо-

ружении, т/м

Для увеличения концентрации осадка в стабилизаторе выделяется

успокоительная зона, из которой отводится иловая вода. Более высо-

кой концентрации (до 20 г/л) можно достичь сочетанием аэробного

стабилизатора и уплотнителя, связанных аналогично аэротенку и вто-

ричному отстойнику системой возврата осадка. Влажность осадка по-

сле аэробной стабилизации 98%-99%, а из уплотнителя - 96,5%-97%.

6.3.8 Метановое брожение

(биометаногенез)

Биометаногенез, или метановое «брожение» – давно известный

процесс превращения биомассы в энергию. Он был открыт в 1876 г.

Вольтой, установившим наличие метана в болотном газе. Биогаз, по-

лучаемый из органического сырья, в ходе биометаногенеза при уча-

стии смешанной микробной ассоциации, представляет собой смесь из

65%-75% метана и 20%-35% углекислоты, а также незначительных

ко-

личеств сероводорода, азота, водорода. Теплотворная способность

биогаза зависит от соотношения метана и углекислоты и составляет

5 ккал/м

- 7 ккал/м

Неочищенный биогаз используют в быту для обогрева жилищ и

приготовления пищи, а также применяют в качестве топлива в стацио-

нарных установках, вырабатывающих электроэнергию. Компримиро-

ванный газ можно транспортировать и использовать (после предвари-

тельной очистки) в качестве горючего для двигателей внутреннего сго-

рания.

Толчком к созданию данного эффективного биотехнологического

направления послужил

энергетический кризис, разразившийся в сере-

дине 70-х гг. Производство биогаза стало одним из основных принци-

пов энергетической политики ряда стран тихоокеанского региона: Ки-

тая, Индии, Филиппин, Израиля, латинской Америки, в 70-е годы ин-

терес проявили страны Европы, особенно ФРГ, Франция и страны Аф-

рики. Производство биогаза путем метанового брожения отходов – од-

но из возможных решений энергетической проблемы в большинстве

сельских районов развивающихся стран. Метаногенные ассоциации с

успехом используют для очистки сточных вод от органических соеди-

нений с одновременным получением высококалорийного топлива.

6.3.8.1 Этапы метанового

брожения

Этапы анаэробного метанового брожения можно схематически

представить следующим образом

Биополимеры (углеводы, липиды, белки)

Органические кислоты, спирты, NH

, CO

Ацетат, формиат, CO

, H

Биогаз (СН

, CO

)

6.3.8.2 Химизм процесса метанового брожения

Химизм процесса метанового брожения состоит из следующих

реакций

1. Брожение органических кислот:

4Н−СООН = СН

+ ЗСО

+ 2Н

О;

СН

− СООН = СН

+ СО

2 .

2. Брожение спиртов:

4СН

−ОН = 3СН4 + СО

+ 2Н

О;

2СН

−СН

−ОН + СО

= СН

+ 2СН

СООН .

3. Восстановление оксидов углерода

СО

+ 4Н

= СН

+ 2Н

О;

4СО + 2Н

О = СН

+3СО

2 .

6.3.8.3 Микробная ассоциация биометаногенеза

В сложных процессах деструкции органических субстратов и об-

разования метана участвует микробная ассоциация различных ми-

кроорганизмов. В ассоциации присутствуют следующие группы ми-

кроорганизмов: деструкторы, вызывающие гидролиз сложной органи-

ческой массы с образованием органических кислот (масляной, пропио-

новой, молочной), а также низших спиртов, аммиака, водорода; ацето-

гены,

превращающие эти кислоты в уксусную кислоту, водород и ок-

сиды углерода; метаногены – микроорганизмы, восстанавливающие

водородом кислоты, спирты и оксиды углерода в метан.

С биохимической точки зрения метановое «брожение» – это про-

цесс анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органического

вещества переносятся на углекислоту; последняя затем восстанавлива-

ется до метана (при истинном

брожении конечным акцептором элек-

тронов служит молекула органического вещества, являющегося конеч-

ным продуктом брожения). Донором электронов для метаногенов яв-

ляется водород, а также уксусная кислота.

«Венцом» метанового сообщества являются собственно метано-

генные или метанообразующие бактерии (архебактерии), катализирую-

щие восстановительные реакции, приводящие к синтезу метана. Суб-

стратами для реализации этих реакций являются водород и углекисло-

та, а также окись углерода и вода, муравьиная кислота, метанол и др.

Несмотря на то, что метанобразующие бактерии выделены и опи-

саны совсем недавно, в середине 80-х гг., их возникновение относят к

архею и возраст оценивают в 3,0-3,5 млрд. лет. Эти микроорганизмы

достаточно широко распространены в природе в анаэробных зонах и

вместе с другими микроорганизмами активно участвуют в деструкции

органических веществ, с образованием биогаза в морских осадках, бо-

лотах, речных и озерных илах

К настоящему времени выделены в чистой культуре и описаны

около 30 метанообразующих бактерий; список этот непрерывно попол-

няется. Наиболее изученными являются следующие: Methanobacterium

thermoautotrophicum, Methanosarcina barkerii, Methanobrevibacter rumin-

antium. Все метаногены – строгие анаэробы, среди них встречаются как

мезофильные, так и термофильные формы, гетеротрофы и автотрофы.

Особенностью метанобразующих бактерий является также способ-

ность активно развиваться в тесном симбиозе

с другими группами ми-

кроорганизмов, обеспечивающими метаногенов условиями и суб-

стратами для образования метана.

6.3.8.4 Сырье биометаногенеза

В процессах метаногенеза можно переработать самое разнообраз-

ное сырье – различную растительную биомассу, включая отходы дре-

весины и несъедобные части сельскохозяйственных растений, отходы

перерабатывающей промышленности, специально выращенные куль-

туры (водяной гиацинт, гигантские бурые водоросли),

жидкие отходы

сельскохозяйственных форм, промышленные и бытовые стоки, ил очи-

стных сооружений, а также мусор городских свалок. Важно, что сырье

с высоким содержанием целлюлозы, трудно поддающееся переработке,

также эффективно сбраживается и трансформируется в биогаз.

6.3.8.5 Технологические режимы и аппаратурное оформление

процесса метанового брожения

Установки для биометаногенеза с учетом их объемов и

произво-

дительности можно подразделить на несколько категорий:

− реакторы для небольших ферм сельской местности от 1 м

до

20 м

;

− реакторы для ферм развитых стран от 50 м

до 500 м

;

− реакторы для переработки промышленных отходов от 500 м

до 1000 м

;

− для переработки твердого мусора городских свалок от 1 м

до100 м

Реакторы называются метантенки (рис. 31).

Рисунок 31 - Устройство метантенка

Метантенк представляет собой герметическую емкость, ча-

стично погружённую в землю для теплоизоляции и снабженную для

дозированной подачи и подогрева сырья, а также газгольдером – емко-

стью переменного объема для сбора газа.

Метантенки могут изготавливаться из металла или железобетона.

Имеют различную форму: кубическую, цилиндрическую и даже яйце-

видную

. Метантенки классической, европейской, англо-американской

и яйцевидной формы представлены на рисунке 32. Несмотря на внеш-

нее различие внутреннее устройство метантенков схоже.

Очень важным в конструкции метантенков является обеспечение

требуемого уровня перемешивания всего гетерогенного содержимого

аппарата. Вместе с тем известно, что максимальное выделение метана

наблюдается в системах со слабым перемешиванием. Поэтому в

от-

личие от аэробных процессов, требующих интенсивной аэрации и пе-

ремешивания, перемешивание при метаногенезе, главным образом,

должно обеспечивать гомогенизацию бродящей массы, препятствовать

оседанию твердых частиц и образованию твердой плавающей корки.

При переработке жидких отходов животноводческих ферм соот-

ношение между твердыми компонентами и водой в загружаемой массе

должно составлять примерно 1:1, что соответствует концентрации

твердых веществ от 8% до 11% по весу. Смесь материала обычно

засе-

вают аценогенными и метанобразующими микроорганизмами из от-

стоя сброженной массы от предыдущего цикла или из другого метан-

тенка.

В ходе сбраживания органической массы на первой, так называе-

мой «кислотной», фазе в результате образования органических кислот

рН среды снижается. При резком сдвиге рН среды в кислую сторону

возможно ингибирование метаногенов.

Поэтому процесс ведут при

рН 7,0-8,5. Против закисления используют известь. Снижение рН сре-

ды является своеобразным сигналом, свидетельствующим о том, что

процесс деструкции органики с образованием кислот закончен, то есть

в аппарат можно подавать новую партию сырья для переработки. Оп-

тимальное соотношение C:N в перерабатываемой органической массе

находится в диапазоне (11-16):1. При изменении соотношения

C:N в

исходном материале в сторону увеличения содержания.

а- anglo-american b- classical c- egg-shaped d- european-plain

Рисунок 32 - Разновидности конструкций метантенков

Очень важным в конструкции метанотенков является обеспечение

требуемого уровня перемешивания всего гетерогенного содержимого

аппарата. Вместе с тем известно, что максимальное выделение метана

наблюдается в системах со слабым перемешиванием. Поэтому в от-

личие от аэробных процессов, требующих интенсивной аэрации и пе-

ремешивания, перемешивание при метаногенезе

, главным образом,

должно обеспечивать гомогенизацию бродящей массы, препятствовать

оседанию твердых частиц и образованию твердой плавающей корки.

Процессы, протекающие при метановом брожении, эндотермиче-

ские и требуют подвода энергии в виде тепла извне. Для подогрева за-

гружаемого сырья и стабилизации температуры процесса на требуемом

уровне обычно сжигают часть образуемого биогаза. В зависимости от

температуры процесса

количество биогаза, идущего на обогрев процес-

са, может достигать 30% от объема получаемого. Температура и, сле-

довательно, скорость протекания процесса зависят от вида используе-

мого метанового сообщества. Для термофильных организмов процесс

реализуется при 50-60

С, для мезофильных – при 30-40

С и около

С – для психрофильных организмов. При повышенных температу-

рах скорость процесса в 2-3 раза выше по сравнению с мезофильными

условиями. Для нормальной работы метантенков осадок в них должен

поступать равномерно и при сбраживании подогреваться до заданной

температуры. Количество осадка, подаваемого ежесуточно в метантен-

ки должно составлять при мезофильном режиме от 7% до 10% от объ

ема метантенка, при термофильном режиме от14% до19%. Продолжи-

тельность сбраживания в мезофильных условиях от 10 до14 суток, в

термофильных условиях от 5 до7 суток. Величина максимально воз-

можного сбраживания для разных по химическому составу осадков в

среднем составляет:

- для осадка первичных отстойников до 53%,

- для активного ила - до 44%.

Термофильное сбраживание требует

большего расхода тепла, а

образующийся осадок плохо отдает воду и требует более тщательной

подготовки к обезвоживанию, чем осадок, полученный в мезофильных

условиях. С другой стороны, при термофильном сбраживании проис-

ходит обеззараживание осадка.

Скорость подачи субстрата в метантенк должна быть равной ско-

рости роста бактерий метанового сообщества, при этом концентрация

субстрата (по

органически веществам) должна быть стабилизирована

на уровне не ниже 2%. Нормы загрузки сырья в существующих про-

цессах метаногенеза колеблются в пределах от 7% до 20% объема суб-

страта от объема биореактора в сутки. При этом цикличность процесса

составляет 5-14 суток. Обычно время сбраживания животноводческих

отходов составляет около 2 недель. Растительные отходы перерабаты-

ваются дольше (20 суток

и более). Наиболее трудны для переработки

твердые отходы, поэтому время их переработки больше.

Цикличность процесса может быть сокращена до 5-15 ч при уве-

личении скорости загрузки соответственно до 150%-400% от общего

объема/сутки.

Сбраживание в метантенках - процесс довольно сложный в кон-

структивном исполнении и в обслуживании, требует больших капи-

тальных и эксплуатационных затрат, образующийся газ взрывоопасен.

Объем метантенков может достигать 25% объема всех очистных соору-

жений. Однако

до сих пор сохранился большой удельный вес метан-

тенков среди сооружений по обработке осадка на очистных станциях,

построенных 25-30 лет назад, когда этот метод был наиболее изучен-

ным и широко применяемым.

Процессы анаэробного сбраживания до сих пор детально изу-

чаются с целью сокращения продолжительности сбраживания, по-

вышения выхода биогаза и увеличения

в нем содержания метана,

улучшения водоотдающих свойств сброженного осадка.

Основными путями интенсификации технологии анаэробного

сбраживания являются:

1) оптимизация исходной влажности осадка и нагрузки на метан-

тенки;

2) конструктивное разделение двух свойственных процессу фаз -

кислого брожения и метанового брожения - на две и более ступени;

3) повышение температуры сбраживания и улучшение условий

перемешивания содержимого метантенков.

При фазовом разделении анаэробного сбраживания на две ступе-

ни и более общая продолжительность процесса может быть сокращена

до 3 - 4 суток. В целом, анаэробное сбраживание целесообразно приме-

нять для крупных очистных станций.

6.4 Биоценозы как индикаторы сапробности водоемов

Вода водоемов – естественная среда обитания микроорганизмов.

Выделяют две экологические группы микроорганизмов –

автохтон-

ную (самостоятельная, первоначально существующая микрофлора, для

которой данный водоем является естественной средой обитания) и ал-

лохтонную (микроорганизмы, поступившие извне). Между микробами

этих зон возникают антагонистические отношения, что ускоряет отми-

рание аллохтонной группы. Количество микроорганизмов в водоеме

связано с содержанием органических веществ, которые подвергаются

биологической минерализации.

Процесс самоочищения загрязненных водоемов в естественных

условиях проходит несколько последовательных стадий, называемых

зонами сапробности.

По определению Никитинского и Долгова «сапробность – это

комплекс физиологических свойств данного организма, обуславли-

вающий его способность развиваться в воде с тем или иным со-

держанием органического вещества, с той или иной степенью за-

грязнения».

Поступающие в

водоем загрязнения в результате самоочищаю-

щей способности водоемов постепенно разбавляются и разрушаются. В

результате постепенной деструкции загрязнений в водоеме постепенно

восстанавливаются условия, которые в нем первоначально существова-

ли. Это длительный процесс и его продолжительность зависит от мно-

гих факторов – от соотношения объемов сточных вод и и речной воды,

от концентрации и

качества загрязнителей, от скорости течения воды и

других факторов. В зависимости от степени загрязненности воды водо-

ем проходит последовательно до полного очищения следующие стадии

– зоны: полисапробную, альфа–мезосапробную, бета-мезосапробную,

олигосапробную.

Полисапробная зона характерна для свежезагрязненной воды с

большим содержанием нестойких органических веществ, продуктов их

анаэробного распада, белков, углеводов. БПК

составляете десятки мг/л,

кислород в воде практически не обнаруживается, процессы носят вос-

становительный характер. Вода содержит метан, сероводород, угле-

кислоту, то есть продукты брожения. Для этой зоны характерна сапро-

фитная микрофлора, автотрофы отсутствуют. Основные обитатели –

различные бактериальные зооглеи, инфузории, бесцветные жгути-

ковые. Количество бактерий достигает сотен миллионов в 1 мл

воды.

Их разнообразие при этом ограничено.

В альфа-мезосапробной зоне продолжается минерализация орга-

нического вещества. Наряду с восстановительными процессами, про-

текают и окислительные процессы, с образованием аммиака и амино-

соединений. Кислород содержится в малых количествах, метан и серо-

водород отсутствуют. БПК все еще десятки мг/л. Кроме бактерий раз-

виваются некоторые

виды инфузорий и коловраток, пожирающих бак-

терий. Появляются единичные виды зеленых растений. Разнообразие

видов становится больше. Много окрашенных и бесцветных жгутико-

вых.

Бета–мезосапробная зона свободна от нестойких органических

веществ. Здесь окислительные процессы преобладают над восстанови-

100

тельными. Благодаря интенсивному развитию водорослей происходит

повышение концентрации кислорода. Концентрации кислорода и угле-

кислого газа сильно колеблются в течение суток: в дневное время со-

держание кислорода доходит до насыщения, а углекислота может пол-

ностью исчезать, в ночное – наблюдается дефицит кислорода. Количе-

ство сапрофитных бактерий – тысячи – десятки тысяч в 1 мл и резко

увеличивается в период отмирания водных растений. Отмечается

большое видовое разнообразие организмов при невысоком общем их

количестве. Развиваются автотрофы, фитопланктон, наблюдается цве-

тение водоема. Главнейшими группами являются различные водорос-

ли, инфузории, коловратки, низшие ракообразные и насекомые.

Олигосапробная зона характеризуются полным завершением са-

моочищения, она характерна для практически чистых водоемов. За-

вершается

процесс окисления азотсодержащих веществ, в результате

которых преобладают нитраты. Органические вещества имеются либо

в незначительном количестве, либо совсем отсутствуют. Содержание

кислорода и углекислого газа в течение суток остается практически

неизменным. Цветение воды не наблюдается. Количество бактерий со-

ставляет десятки и сотни в 1 мл. Население этой зоны отличается

большим разнообразием. Показателем высокой

степени чистоты воды

в этой зоне служат некоторые красные водоросли, водные мхи.

Для оценки влияния токсичности веществ промышленных стоков

на процесс самоочищения водоемов предложены три шкалы оценки

загрязнения: по степени сапробности, токсобности, сапротоксобности.

Токсобность характеризует свойство гидробионтов выживать в

водах с различной степенью загрязнения токсичными веществами.

Аналогично зонам сапробности выделяют

поли- меза- и олиготоксоб-

ные зоны. Водоемы или их зоны, где невозможна жизнь гидробионтов,

из-за высокого загрязнения токсичными веществами относятся к ги-

пертоксобным.

Наличие в водоеме определенных группировок организмов яв-

ляется показателем степени загрязненности воды. Существует список

показательных организмов – биоиндикаторов для каждой зоны сапроб-

ности. Обнаружить эти организмы можно с

помощью биологического

метода анализа воды водоема. Метод основан на регулярном осмотре и

изучении отдельных участков водоема, отборе проб для изучения

планктона, бентоса и перифитона.

Планктон исследуется или непосредственно в некотором объеме

взятой воды, или собирается в водоеме с помощью приспособлений.