Сартакова О.Ю. Промышленная микробиология

Подождите немного. Документ загружается.

тывать большие объемы стоков с самыми разнообразными загрязне-

ниями — от хозяйственно-бытовых до промышленных.

Биосорбция тяжелых металлов из стоков. Обычная очистка сто-

ков удаляет из них в основном органические загрязнения. Если же в

стоках содержатся тяжелые металлы, такие, как медь, никель, хром,

свинец и другие, то требуются дополнительные методы очистки, на

пример биотехнологические. Имеются определенные виды микроор-

ганизмов, которые способны осаждать на себе (сорбировать) металлы,

растворенные в жидкости. Концентрация металлов при этом возрастает

настолько, что после тепловой обработки биосорбент можно рассмат-

ривать как сырье для получения цветных металлов.

Биокомпостирование твердых отходов. Аналогом аэробной

очистки стоков является аэробное биокомпостирование твердых отхо-

дов.

Твердые отходы смешиваются с микроорганизмами, разлага-

ющими вредные загрязнения, и балластным материалом типа торфа,

который обеспечивает доступ кислорода к микроорганизмам. Это по-

зволяет превратить отходы в удобрение или просто использовать их в

качестве подсыпки для дорог, в строительстве и в других случаях.

Метановое сбраживание твердых отходов. Еще в 1776 г. Воль-

та

обнаружил, что в болотном газе содержится метан. Но только значи-

тельно позже была определена роль анаэробных микроорганизмов в

этом процессе. С1901 г. успешно применяют анаэробное сбраживание

осадка избыточного активного ила, образующегося при работе устано-

вок биологической очистки сточных вод. В результате сбраживания

получают газ, содержащий 65 % метана и 30 % диоксида углерода, ко-

торый вполне может быть использован для отопления. Процесс проте-

кает в специальных аппаратах — метантенках, где накапливающийся

газ находится под некоторым давлением. Сброженный осадок, если

только он не содержит повышенных концентраций тяжелых металлов,

успешно используют как удобрение. Он лучше исходного осадка по со-

ставу, и в нем почти полностью отсутствуют болезнетворные микроор

ганизмы.

Метановое брожение применяют также и для переработки кон-

центрированных жидких отходов, хотя скорость его протекания мень-

ше, чем в случае аэробной биологической очистки активным илом. С

середины XX века процесс анаэробного сбраживания с получением

биогаза стал очень популярен применительно к отходам животновод-

ческих ферм, особенно в теплых странах, таких, как

Китай и Индия.

Биологическая очистка газовых выбросов. Многие выбросы в

атмосферу содержат вредные или дурно пахнущие примеси. Для их

очистки применяют биофильтры, заполненные насадкой, на которой

закреплены специальные микроорганизмы. Вредные примеси сорбиру-

ются на насадке и затем потребляются и обезвреживаются микроорга-

низмами.

Биодеградация нефтяных загрязнений на почве и воде. При ава-

рийных разливах нефти используют биотехнологические способы вос-

становления загрязненных территорий, которые обрабатывают спе-

циально выращенными нефтеокисляющими микроорганизмами, внося

различные

добавки для их азотистого и фосфорного питания, что поз-

воляет утилизировать углеводороды нефти, превращая их в биомассу

микроорганизмов и диоксид углерода.

Биодеградация химических пестицидов и инсектицидов. Для

борьбы с сорняками и вредителями растений часто используют хими-

ческие пестициды и инсектициды. Они действуют жестко и в короткое

время ликвидируют сорняки и

вредителей на обработанном участке.

Однако в дальнейшем возникают проблемы: пестициды создают хими-

ческую опасность, сохраняясь на растениях или попадая в поверхност-

ные природные воды. Чтобы это исключить, разработаны биопрепара-

ты из специфических микроорганизмов или ферментов, позволяющих

ускорить деградацию пестицидов.

Борьба с накоплением метана в шахтах. Мы часто слышим о

взрывах в

шахтах, вызванных нарушением условий эксплуатации. От

метана в шахтах трудно освободиться: нужна очень сильная вентиля-

ция, чтобы снизить концентрацию ниже взрывоопасного предела. Био-

технологи предложили вносить в шахты — в отработанные штреки —

суспензию микроорганизмов, способных потреблять метан. Это позво-

ляет снижать концентрацию метана. Рассматривались также проекты

использования метана, отсасываемого вентиляцией из

шахт, для непре-

рывного выращивания этих микроорганизмов, а их избыток использо-

вать для получения кормового белка.

Обессеривание нефти и каменного угля. Имеются микроорга-

низмы, способные переводить серу из сульфидов и меркаптанов в эле-

ментную серу. На основе использования таких микроорганизмов разра-

батывают технологии обессеривания угля и нефти. В результате и топ

ливо электростанций, и моторное топливо автомобилей становится бо-

лее экологичным — дает меньше выбросов диоксида серы в атмосфе-

ру.

Обогащение воздуха кислородом. Хотя диоксид углерода — про-

дукт дыхания многих живых существ — считается безвредным, все же

в повышенных концентрациях он оказывает неблагоприятное воздей-

ствие на животный мир и человека. Работа многих промышленных

предприятий, тепловых электростанций приводит к постепенному по-

вышению его концентрации в атмосфере. Следствием этого может

стать глобальное потепление на Земле, связанное с так называемым

«парниковым эффектом». Это влечет за собой многие весьма неприят-

ные последствия для обитателей Земли.

Сейчас роль очистителя

атмосферы от диоксида углерода играют

травянистые растения и деревья, но уменьшение зеленого покрова в

связи с урбанизацией подрывает сами основы существования человече-

ства.

В компактной форме эти проблемы возникают при организации

систем жизнеобеспечения на космических кораблях, подводных лодках

и, вообще, в замкнутых пространствах обитания людей. Для поглоще-

ния выдыхаемого диоксида углерода

и восполнения убыли кислорода

на таких объектах уже давно предлагалось культивирование микрово-

дорослей (или цианобактерий) хлорелла, которые под действием сол-

нечного света позволяют решать эту задачу. Может быть, этот прием в

дальнейшем будут использовать и в более крупных масштабах, напри-

мер для улавливания углекислоты в выбросах тепловых электростан-

ций.

Биоразлагаемые

полимеры. Вещи из полиэтилена, полипропиле-

на и других пластмасс, в буквальном смысле слова, окружают нас по-

всюду. Особенно много пластиковой упаковки, которую после исполь-

зования чаще всего просто выбрасывают. И здесь ее, в принципе цен-

ное, свойство — устойчивость к разложению влагой, светом, холодом

и теплом, почвенными микроорганизмами — играет отрицательную

роль. Земной

шар буквально переполнен использованной пласт-

массовой упаковкой. Поэтому в некоторых странах, заботящихся об

экологии (США, Германии, Англии), уже действуют ограничения на

использование пластмассовой упаковки. Взамен предлагается упаковка

на основе полигидроксибутирата, либо полилактата, или специальным

образом обработанного крахмала, в смеси с целлюлозой. Биотехноло-

гия может помочь в создании таких материалов, хотя

они и будут до-

роже. Выброшенные пакеты или флаконы из таких материалов при

взаимодействии с почвенными микроорганизмами будут превращаться

в воду, диоксид углерода и биомассу этих самых микроорганизмов,

предохраняя планету от отходов.

Стиральные порошки с ферментами. Сейчас уже не новость

это достижение биотехнологии, хотя появилось оно чуть больше 30 лет

назад. Ферменты для таких порошков (протеазы) производятся биотех-

нологическими методами.

Вермикультивирование и копрокультивирование. Многие от-

ходы сельскохозяйственного производства и пищевой промышленнос-

ти могут перерабатываться не только с помощью микроорганизмов

(биокомпостирование или метановое брожение), но и с помощью низ-

ших организмов — червей. Среди них есть очень эффективные виды

— калифорнийские красные

черви, которые «перемалывают» землю с

разными органическими отходами в прекрасное удобрение. Нормаль-

ное состояние кладбищ также невозможно без червей. Это направление

переработки отходов называют вермикультивированием. Кстати, если

при этом поблизости иметь подсобное хозяйство для разведения птиц,

то избыток червей вполне может служить пищей курам, гусям и про-

чей птице.

Вермикультивирование чем

-то напоминает разведение личинок

мух (нельзя давать им превращаться в летающих мух). Известно, что

мухи откладывают огромное количество яиц, которые весьма быстро

растут, превращаясь в личинки мух и при этом перерабатывая всевоз-

можные гнилые отходы. Показано, что личинки являются превосход-

ным кормом для птиц, а при определенной обработке — также для

сви-

ней и пушных зверей (норок, например). Это направление называют

копрокультивированием.

Хотя эти два направления, строго говоря, не подпадают под наше

определение биотехнологии, все же о них стоит вспомнить, так как они

могут применяться в сочетании с биокомпостированием.

6.2 Примеры блок-схем микробиологической очистки стоков

и почвы

Практически полным биотехнологическим производством явля-

ется биологическая очистка стоков (рис. 26). Здесь представлено

большое число подготовительных стадий (усреднение стоков, их ней-

трализация до необходимой величины рН, очистка от механических

примесей фильтрованием или отстаиванием, очистка от нефтепродук-

тов в нефтеловушке, коагуляция реагентами растворенных примесей;

отделение образовавшегося осадка отстаиванием). Подготовленный

сток поступает на стадию

биоокисления, на которой происходит изъя-

тие растворенных органических веществ активным илом. Это и есть

собственно биотехнологическая стадия, протекающая в аэротенках с

подачей воздуха. Далее активный ил отделяется от жидкости отстаива-

нием, и очищенный сток поступает в водоем. Сгущенный активный ил

частично возвращается на стадию биоокисления. Избыточное количе-

ство активного ила утилизируют одним из трех способов.

Усреднение

стоков

Нейтрализация

стоков

Очистка от

механических

примесей

коагуляция

отстаивание

шлам

осадок

воздух биоокисление отстаивание

Осветленная

вода

флотация Активный ил

Распределение

на иловых

площадках

лотат

Сушка активного ила

Кормовой

продукт или

удобрение

Метановон

брожение

Биогаз

Сушка осадка удобрение

Рисунок 26 - Блок-схема биологической очистки стоков

Первый и самый неэкологичный — распределение на так назы-

ваемых «иловых площадках», где он долго сушится на открытом воз-

духе, занимая большие площади и распространяя вокруг запахи.

Второй способ предполагает концентрирование ила с помощью

флотации. Концентрат активного ила поступает на сушку. Высушенн-

ый ил используют

в качестве удобрения или кормового продукта — в

зависимости от его загрязненности.

И наконец, третий способ: концентрат активного ила перерабаты-

вается метановым брожением в биогаз, а образовавшийся осадок вы-

сушивается и также применяется как удобрение.

На рисунке 27 представлена блок-схема очистки почвы от за-

грязнений нефтью. Эта технология весьма напоминает сельскохозяй-

ственную. Сначала загрязненный участок подвергают рыхлению путем

вспашки. Далее в него вносят удобрение и биопрепарат (живые неф-

теокисляющие микроорганизмы). После этого начинается биокомпо-

стирование, в процессе которого обработанный участок периодически

взрыхляют для обеспечения доступа воздуха к микроорганизмам, про-

водят дополнительные подкормки удобрениями. При этом нефтеокис-

ляющие микроорганизмы размножаются и в процессе своего роста по-

требляют нефтяные загрязнения, разлагая их до диоксида углерода и

воды. Когда их содержание снизится

до определенного уровня, прово-

дят посев травяных культур, которые дополнительно восстанавливают

структуру загрязненной почвы.

Рисунок 27 - Блок-схема микробиологической очистка почв

от загрязнения нефтью

6.3 Биохимические методы очистки воды

Биохимические процессы используются на завершающей стадии

технологической схемы очистки сточных вод. Они позволяют произве-

сти деструкцию органических загрязнителей воды с помощью биоло-

гической системы. Особая роль в этом процессе отводится микроорга-

низмам, малый размер которых обуславливает

высокую поверхность

контакта их с окружающей средой, поэтому обменные процессы про-

текают очень активно.

6.3.1 Микробная ассоциация и технологические условия ме-

тодов биохимической очистки воды

Способность микроорганизмов (вирусов, фагов, бактерий, водо-

рослей, грибов, простейших) использовать в процессе своей жизнедея-

тельности в качестве питания различные органические и минеральные

вещества сточных вод является основой процессов биологической очи-

стки. Микроорганизмы имеют очень разнообразные физиологические

возможности в отношении питательных веществ и условий окру-

жающей среды, что позволяет удалять из сточных вод практически лю-

бые органические соединения.

В процессах биологической очистки наибольшая роль отводится

бактериям

. Все необходимые питательные вещества бактерии получа-

ют из сточной воды, поэтому ее качественный и количественный со-

став, а также условия проведения очистки - концентрация растворенно-

го кислорода, рН, температура, наличие токсических примесей - имеют

большое значение для получения высоких и устойчивых показателей

качества очищенной воды.

Бактериальное разложение органических веществ может происхо-

дить

в анаэробных и в аэробных условиях (то есть в бескислородной

среде и в присутствии кислорода).

Аэробы разлагают органические вещества, окисляя их кислоро-

дом, который потребляют из воздуха или из химических соединений.

Некоторые виды бактерий растут и размножаются в отсутствии сво-

бодного кислорода, получая энергию при анаэробном разложении ор-

ганических веществ и

накапливая частично окисленные промежуточ-

ные продукты.

Процессы биохимической деструкции веществ в сточных водах

реализуются в естественных условиях: на полях фильтрации, ороше-

ния; биологических прудах, а также в искусственных условиях: в аэро-

тенках и биофильтрах (аэробные методы) и в метантенках (анаэроб-

ные методы).

Потребное для полного окисления количество кислорода биохи-

мическая

потребность в кислороде (БПК) является мерой количества

органического вещества, способного окисляться бактериями в аэроб-

ных условиях. При оценке степени разложения органического веще-

ства в анаэробных условиях и определении эффективности работы ана-

эробных сооружений, где кислород не потребляется, показатель БПК

применяться не должен.

При очистке сточных вод, содержащих разнообразные органиче-

ские

и минеральные вещества, используют сообщество микроорганиз-

мов, которое обладает широким спектром физиологических возможно-

стей и устойчивостью к воздействию внешних факторов. При этом не-

которые бактерии участвуют в нескольких этапах разложения веще-

ства: например, могут использовать белки, а затем углеводы, окислять

спирты, а затем альдегиды, элементарный, а затем связанный азот и

т.д. Как известно, большинство бактерий могут потреблять только оп-

ределенные вещества, не используя другие. Одни виды бактерий могут

вести окисление органического вещества до конца - до образования уг-

лекислого газа и воды, то есть реализовать полное окисление, другие -

до промежуточных продуктов

, которые в свою очередь могут являться

субстратом для других видов бактерий.

Активный ил и биопленка представляют собой сообщество орга-

низмов, основную часть которого составляют бактерии, в незначитель-

ном количестве присутствуют различные виды простейших, коловрат-

ки, некоторые виды червей.

Активный ил – это свободно перемещающиеся в очищаемой во-

де микроорганизмы. Активный ил

применяется в аэротенках.

Биопленка – сообщество прикрепленных (иммобилизованных) на

специальной загрузке микроорганизмов. Биопленка развивается в био-

фильтрах.

Простейшие, присутствующие в активном иле и в биопленке, не-

посредственного участия в окислении органического вещества не при-

нимают. Они питаются бактериями и мельчайшими взвешенными ве-

ществами, находящимися в воде. Это обуславливает их специфиче-

скую

регулирующую роль в очистке сточной воды: поедая клетки бак-

терий, простейшие способствуют омоложению активного ила, присут-

ствие простейших стимулирует рост бактерий, простейшие снижают

общее количество единичных бактериальных клеток в очищенной во-

де, в том числе и патогенных. На разных этапах очистки, при разных

условиях ее проведения преобладают разные группы простейших, что

позволяет с большой степенью достоверности использовать их в каче-

стве индикаторных организмов и судить о полноте очистки. Например,

в условиях работы аэротенков в режиме полного окисления с ин-

тенсивным процессом аэрации в активном иле в массовом количестве

присутствуют такие простейшие как, кругло- и брюхоресничные инфу-

зории, а также – коловратки и

малощетинковые черви. При орга-

нической перегрузке, недостатке кислорода и др. появляются другие

простейшие - бесцветные жгутиковые, равноресничные инфузории,

переносящие повышенную концентрацию органических веществ и де-

фицит кислорода в воде.

Условная химическая формула активного ила, которая варьирует

в зависимости от условий процесса очистки, имеет вид C

ОH

Основными химическими соединениями органического вещества ак-

тивного ила являются белки - 56-58%, жиры - 21-22%, углеводы - 4-5%

от общего органического вещества активного ила.

Отрицательное воздействие на физиологическое состояние актив-

ного ила оказывает недостаток биогенных элементов: азота, фосфора,

калия, магния, кальция, серы и др. Как правило, в хозяйственно-быто-

вых сточных водах недостатка этих элементов не бывает. Более того,

эти элементы, особенно азот

и фосфор присутствуют в избытке, и ос-

новная задача состоит в том, чтобы удалить их из очищаемой воды.

Эффективность очистки сточных вод активным илом в значитель-

ной степени зависит от температуры воды. Считается, что оптималь-

ный диапазон температур 20°С - 25°С. Повышение температуры, осо-

бенно резкое, до 28°С и выше ведет

к изменениям в структуре актив-

ного ила и ухудшению его седиментационных свойств, что нарушает

работу, следующих за аэротенком , вторичных отстойников. Темпера-

тура выше критической, которая может привести к гибели бактериаль-

ных клеток, практически не встречается при очистке хозяйственно-

бытовых сточных вод. Значительно чаще на очистные сооружения по-

ступает вода с пониженной

температурой. По существующим норма-

тивам на биологическую очистку не следует подавать сточную воду с

температурой ниже 6 °С. При низкой температуре, замедляется ско-

рость окисления органического вещества, скорость адаптации микро-

организмов к новым загрязняющим веществам, поступающим на очи-

стку. Особенно сильное воздействие пониженная температура оказы-

вает на скорость процессов нитрификации и

денитрификации (эти

процессы будут рассмотрены ниже). При низкой температуре ухудша-

ются седиментационные свойства активного ила.

На физиологическую активность микроорганизмов активного ила

оказывает влияние величина рН. При рН среды менее 6 и более 9 эф-

фективность очистки сточных вод резко снижается, что объясняется

влиянием активной реакции среды на скорость ферментативных про-

цессов. В условиях

резко щелочной или кислой среды может произой-

ти необратимая денатурация белков бактериальных клеток. Величина

рН, поступающей на очистку сточной воды, обычно около 7. За счет

процессов, происходящих в аэротенке, особенно нитрификации и де-

нитрификации, активная реакция среды изменяется - при высокой эф-

фективности очистки достигает 8 - 8,5. Это зависит также от буферно-

сти системы,

в частности от величины щелочности сточной воды.

Отрицательное действие на процесс биологической очистки ока-

зывают различные токсические вещества органического и неорганиче-

ского происхождения: соли тяжелых металлов (медь, ртуть, свинец,

хром и др.), четыреххлористый углерод, амиловый спирт, гидрохинон,

хлорбензол, хлорвинил и др. Степень влияния токсических веществ

зависит от адаптированности активного ила, его дозы, температуры,

рН, количества и вида других загрязнений. Токсические органические

вещества в концентрациях ниже предельно допустимых могут исполь-

зоваться бактериями активного ила в качестве питательного субстрата

и таким образом

удаляться из сточной воды. Поэтому так важно уст-

ройство на промышленных предприятиях локальных очистных соору-

жений и соблюдение требований, предъявляемых к производственным

сточным водам при приеме их на городские очистные сооружения.

Механизм действия токсических веществ различен. Например,

малые концентрации синильной кислоты или ее солей инактивируют

один из дыхательных ферментов - цитохромоксидазу

; ПАВ снижают

поверхностное натяжение, что создает неблагоприятные условия для

микроорганизмов.

6.3.2 Очистка воды в аэротенках

Стадия аэробной биохимической очистки воды реализуется в

комплексе сооружений аэротенк – вторичный отстойник (рис.28).

Очищенная вода

Избыточный активный ил

Сточная вода

Возвратный активный ил

1-аэротенк, 2-вторичный отстойник

Рисунок 28 - Схема работы аэротенки в комплексе с вторичным

отстойником

При окислении органического вещества в аэротенке часть его

идет на построение клеток бактерий, то есть увеличение биомассы ак-

тивного ила. Образующийся в результате прироста избыточный актив-

ный ил должен регулярно удаляться из системы для поддержания за-

данной

дозы и нормальной работы вторичного отстойника.

Важным свойством активного ила, позволяющим поддерживать

нормальный режим работы комплекса и относительно высокую био-

массу бактерий в аэротенке, является способность ила образовывать