3277

прикрепленные и сосущие инфузории > коловратки > черви > водные клещи > другие представители третьего трофического уровня.

На начальных стадиях первичной сукцессии (наращивание активного ила при пуске сооружений в рабочий режим) доминирующими видами являются нитчатые бактерии, Zoogloea, осмотрофные простейшие, свободноплавающие инфузории; на стадии сформировавшегося сообщества в активных илах со средним деструкционным потенциалом доминируют брюхоресничные и прикрепленные инфузории, раковинные амебы, коловратки, бактериофаги. Сформировавшееся сообщество в активных илах с высоким деструкционным потенциалом характеризуется преобладанием бактериофагов и хищников и практически полным вытеснением из биоценоза осмотрофных простейших и нитчатых бактерий.

Для образования биоценозов систем очистки используют активный ил с уже работающих очистных сооружений, состав которого сходен с составом поступающих загрязнений. При отсутствии очистных систем-аналогов активный ил формируют из сточных вод, разбавленных водой местных хозяйственно-бытовых предприятий или из реки, постепенно адаптируя ценоз к загрязнениям стоков. Иногда активный ил формируют, используя сообщества микроорганизмов, полученных в лаборатории и потребляющих один или несколько основных компонентов загрязнений. Однако в условиях очистных сооружений лабораторный ценоз неустойчив и является лишь начальным звеном для образования рабочего активного ила.

Диагностика состояния активного ила и выявление причин, неблагоприятно на него воздействующих, — основная задача при эксплуатации сооружений биологической очистки.

Биофильтры аэробных сооружений в качестве активного компонента содержат биопленку, поверхностный слой которой реагирует с очищаемой водой. Морфология пленок довольно сложна: в них наблюдаются пустоты, каналы, каверны, поры и филаменты с клетками, агрегированными в кластеры и слои. Синтезируемые бактериями и входящие в состав биопленок внеклеточные полимеры состоят из полисахаридов, белков и полиуроновых кислот. Они составляют 50–80% массы органического вещества пленок и определяют его механические и физические свойства, близкие к свойствам пористых полимерных гелей.

Состав доминирующей микробиоты первой фазы зависит от состава микробиоты поступающего в метантенки субстрата, а также от химической природы деградируемых органических веществ. Гидролитические бактерии гидролизуют макромолекулы до органических кислот (уксусной, пропионовой, масляной, капроновой, муравьиной, молочной, янтарной и др.), жирных кислот с более длинной цепью, спиртов и кетонов (метанола, этанола, изопропилового спирта, бутанола, глицерина, ацетона), газов (СН4, СО2, Н2). Бактерии этой группы, которые могут быть как облигатными, так и факультативными анаэробами, используют ряд экзоферментов: протеазы, липазы, целлюлазы, амилазы, пектиназы.

В гранулах и флокулах метаногенного ила и в пленках сооружений анаэробной очистки снаружи развиваются сульфатредукторы, а внутри — метаногены. В промежуточном слое развиваются ацидогенные и гетероацетогенные бактерии, которые сбраживают субстраты до низкомолекулярных органических кислот и обеспечивают сульфатредукторы и метаногены водородом и ацетатом.

Метаногенные бактерии — наиболее капризная с точки зрения культивирования группа среди микроорганизмов, участвующих в анаэробном брожении, требующая для роста широкий спектр питательных веществ, включая углерод, фосфор, азот, серу, кальций, магний, калий, натрий, аминокислоты, витамины и др. Кроме того, эти бактерии относятся к археям

— отдельному царству живых организмов, строение и метаболизм которых отличается от прокариот. Метаногенез зависит от химического состава среды и физических факторов. Метаногены являются строгими анаэробами, кислород для которых яд, имеют низкую скорость роста, потребность в адгезии, поэтому высокую концентрацию метаногенных бактерий можно обеспечить путем их иммобилизации на поверхности носителей.

Видовой состав анаэробного ила и пленок менее разнообразен, чем аэробного. В активном иле метантенков встречается примерно 50 видов бактерий, осуществляющих различные стадии брожения и метанообразования: протеолиз белков и аммонификацию, гидролиз целлюлозы, сбраживание промежуточных продуктов гидролиза, углеводов, аминокислот до органических кислот, конверсию пропионата и бутирата до ацетата и водорода, метанообразование, сульфатредукцию. Количество анаэробных бактерий достигает 15 млрд/мл ила. Могут присутствовать грибы, дрожжи и простейшие, попадающие в метантенк вместе со сбраживаемым материалом. Формирование анаэробного активного ила требует значительно большего времени по сравнению с аэробным.

-атмосферный перенос, биотехнология получения экологически чистого топлива, экологические характеристики биотоплива;

-промышленное производство этанола, микроорганизмыпродуценты этанола.;

-утилизируемые субстраты, образование водорода микроорганизмами;

-биофотолиз воды, использование промышленных сельскохозяйственных и бытовых отходов в качестве сырья для производства биогаза.

Атмосферный перенос - распространение загрязняющих веществ от источника загрязнения над поверхностью Земли посредством восходящих потоков воздуха и ветров.

Процессу переноса и рассеяния подвержены все фазовые состояния вещества: газообразные, жидкие (аэрозоли и испарения), твердые (мелкая пыль). Основную роль в глобальном загрязнении биосферы играют два наиболее низко расположенных и наиболее плотных слоя атмосферы - тропосфера и стратосфера. Именно в них происходит перенос загрязняющих веществ на большие расстояния от густонаселенных и индустриальных районов.

Если в тропосфере примеси быстро распространяются по вертикали, то в стратосфере обмен примесями между слоями происходит очень медленно. Поэтому частицы, попавшие в стратосферу, могут оставаться в ней годами. Так, например, газы антропогенного происхождения могут находиться в тропосфере 2--4 месяца. Однако почти во всех случаях атмосферные примеси не находятся бесконечно долго в атмосфере. Газообразные примеси часто растворяются в воде или поглощаются почвой. Твердые частицы достигают поверхности Земли либо с осадками, либо под действием силы тяжести.

Загрязнение атмосферного воздуха в промышленных городах и городских агломерациях значительно выше, чем на прилегающих территориях. Так высокая концентрация предприятий химической промышленности создает повышенное загрязнение окружающей среды. Вещества, выделяемые в атмосферу (NO, SO2, CO2, CO, C и т.д.), могут вступать в химические реакции друг с другом, образуя высокотоксичные соединения. Часто образуется озон в концентрациях, во много раз превосходящих нормальный его уровень в воздухе у поверхности Земли.

В наши дни становится очевидной ограниченность традиционных источников энергии, базирующихся на нефти, природном газе и угле. Поиск новых источников энергии - актуальная проблема, как для современной России, так и для всего мира. Существенную и все возрастающую роль в мировой энергетике начинают играть альтернативные источники энергии, основанные на использовании биоэнергии сырья различной природы.

При правильном подходе биотопливо может стать фактически неиссякаемым источником энергии. Спешность перехода на возобновляемые топлива обусловлена 3-мя факторами: отклонение климатического фона, увеличение спроса на энергию, шаткость доступа к истощимым ресурсам. В противоположность нефтяным, угольным и газовым ископаемым, применение топлив, производимых из возобновляемого сырья (в большей части случаев - биомассы), не повышает количества двуокиси углерода в атмосфере. Количество диоксида углерода образующегося при горении биомассы количественно точно соответствует двуокиси углерода, которую растение (основа топлива), усвоило в ходе собственного роста. Сохранение баланса, при котором сбор урожая будет равен количеству выращенных

растений, позволит поддерживать содержание двуокиси углерода в атмосфере земли на одном уровне.

Этанол (этиловый спирт), который обычно называют просто спиртом, образуется при так называемом спиртовом брожении. Многие виды сахаров, а также продукт осахаривания крахмала в присутствии солода расщепляются под действием микроскопически маленьких дрожжевых грибков с образованием спирта и углекислого газа.

Биоэтанол - это обычный этанол, получаемый в процессе переработки растительного сырья для использования в качестве биотоплива. Его производство схоже с производством пищевого спирта.

При микробиологическом синтезе классическими продуцентами этанола являются дрожжи - сахаромицеты и шизосахаромицеты. Чаще других используют дрожжи Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces vini, Schizosaccharomyces pombe.

Автомобильное топливо на основе этанола содержит 10% этанола (топливо Е-10) или 85% этанола (Е 85). При стоимости нефти 60-70 $ за баррель биоэтанол становится конкурентоспособным топливом. Введение этанола в бензин позволяет отказаться от добавки в топливо тетраэтилсвинца, в результате чего снижается токсичность выхлопных газов и расход горючего.

В США проводятся масштабные исследования по производству биоэтанола из возобновляемого растительного сырья (из стеблей кукурузы, тростника и др.)

Впромышленных условиях этанол получают гидратацией этилена в

присутствии катализатора (H3PO4 на силикагеле), из гидролизатов растительного сырья (древесины, стеблей кукурузы, тростника), а также из крахмалсодержащего сырья (пшеница, рожь, тритикале, картофель), мелассы, молочной сыворотки, топинамбура.

Внастоящее время ведется интенсивный поиск нетрадиционных микроорганизмов-продуцентов этанола, способных сбраживать широкий круг субстратов, имеющих высокую продуктивность по этанолу, обладающих повышенной устойчивостью к этанолу и высокой температуре. Представляют интерес этанолсинтезирующие бактерии. Например, бактерии Zymomonas mobilis отличаются от дрожжей интенсивным метаболизмом: имеют высокую удельную скорость конверсии глюкозы в этанол, обеспечивают более высокий выход этанола (до 95% от теоретически возможного), более толерантны к спирту. Но эти бактерии чувствительны к присутствию в питательных средах ингибиторов (фурфурола, фенолов) и требуют осуществления процесса брожения в условиях асептики.

Термофильные бактерии Clostridium thermocellum (оптимальная температура роста 68°С) способны непосредственно трансформировать целлюлозу растительного сырья в этанол, но при этом сырье должно быть освобождено от лигнина. Достичь высокого выхода спирта при прямой конверсии растительного сырья пока не удается.

Получены штаммы дрожжей, способные сбраживать пентозные сахара

(Pachysolen tannophilus, Pichia stipitis, Candida shehata). Выход этанола при сбраживании 100 кг ксилозы достигает 35-47 л.

Проблема получения водорода является одной из основных проблем технического прогресса ряда важнейших промышленных отраслей, в том числе энергетики. Водород рассматривается в качестве главного энергоносителя будущего, отчасти превосходящего основные современные энергоносители – нефть и природный газ. Теплотворная способность водорода достаточно высока (28.53 ккал/кг), что в 2.8 раза выше бензина. Водород легко транспортируется и аккумулируется в различных фазовых состояниях; в газообразном состоянии не токсичен, имеет высокую теплопроводность и малую вязкость в различных фазовых состояниях. Но главное его достоинство – экологическая чистота, единственным побочным продуктом его сгорания является вода. По прогнозам экспертов, энергетическая система будущего столетия будет «водородной», то есть будет основана на применении двух энергоносителей – электричества и водорода, наиболее удобного для использования на транспорте и в промышленных технологиях. Создание будущего крупномасштабного производства водорода ставит перед наукой задачи поиска наиболее экономичных и экологичных путей получения водорода с использованием таких источников первичной энергии, как энергия деления тяжелых элементов, термоядерного синтеза и солнечная.

Получение водорода возможно в результате электролиза воды, а также термохимического разложения воды с использованием отходящего тепла атомных станций.

Сравнительно недавно показана принципиальная возможность получения водорода разложением воды с участием биокаталитических агентов.

Работы по созданию систем биофотолиза воды проводятся достаточно активно во многих странах. Это привело к созданию различных типов систем. Эти системы, независимо от природы составляющих ее компонентов, должна иметь два элемента: 1) электрон-транспортную систему фотосинтеза, включающую систему разложения воды; 2) катализаторы образования водорода. В качестве катализаторов образования водорода можно использовать как неорганические катализаторы (металлическая платина), так и ферментативные (гидрогеназы). Последние могут функционировать как в растворимом, так в иммобилизованном состоянии.

Перспективные и разрабатываемые направления – это получение водорода на основе растущих микробных популяций хемосинтезирующих и фотосинтезирующих организмов.

Среди хемотрофных микроорганизмов в качестве продуцентов водорода привлекают внимание виды, способные расти на достаточно доступных и дешевых субстратах. Например, культура клостридий C. perfringens, сбраживая различную органику, способна продуцировать в 10литровом аппарате до 23 л Н2/ч. Создание крупномасштабной системы на

такой основе не представляется трудным, так как уже разработаны и внедрены в промышленность процессы получения ацето-бутилового брожения с использованием клостридий. Некоторые энтеробактерии в процессах брожения способны продуцировать водород, однако эффективность процесса при этом не превышает 33 % от энергии используемого субстрата. Таким образом, применение хемотрофов для сбраживания органики с получением водорода менее выгодно по сравнению с процессами биометаногенеза.

Более перспективными продуцентами являются фототрофные микроорганизмы, так как образование ими водорода связано с процессами поглощения энергии света и, следовательно, может повысить эффективность использования солнечной радиации. С наибольшей скоростью водород выделяют некоторые пурпурные бактерии, например некоторые штаммы Rh. capsulata, до 150–400 мл Н2/ч.г сухого вещества. В качестве субстратов пурпурные бактерии используют различные органические соединения, которые они разлагают с образованием углекислоты и водорода. Например, при разложении 1 г лактата пурпурные бактерии образуют до 1350 л водорода. При этом эффективность конверсии света достигает 2.8 % (бактерии поглощают свет в области 800–900 нм, некоторые виды – до 1100 нм, то есть инфракрасные лучи, которые не используются никакими другими фотосинтезирующими организмами). Важным моментом является способность пурпурных бактерий продуцировать водород при использовании, помимо органических соединений, также тиосульфата и других восстановленных соединений серы. В качестве субстрата возможно применение также некоторых отходов, включая навоз. Эффективность продукции водорода при этом составляет до 50 кг Н2/м2.г.

Наиболее выгодным для микробиологического получения водорода является использование фототрофных организмов, способных к биофотолизу воды, то есть использующих при фотосинтезе в качестве доноров электронов воду. Интересны в этом плане азотфиксирующие цианобактерии, способные выделять водород на свету в аэробных условиях с одновременным образованием кислорода. В культуре цианобактерий получено устойчивое выделение водорода со скоростью 30–40 мл Н2/ч г АСБ. Эффективность использования энергии при искусственном освещении составила 1.5–2.7 % и 0.1–0.2 % – при естественном освещении. То есть эти результаты достаточно обнадеживающие. Для получения фотоводорода разрабатываются различные, в том числе многокомпонентные биосистемы, содержащие, в том числе, лиофилизированные клетки цианобактерий и пурпурных бактерий; цианобактерии и водоросли и т.д. Как двухкомпонентную водородобразующую систему можно рассматривать систему бобовых растений, имеющих клубеньки с азофиксирующими бактериями Rhizobium.

Тема 5. Защита литосферы.

При изучении данной темы самостоятельно рекомендуется рассмотреть следующие вопросы:

-использование биологических источников для производства энергии;

-биотехнология получения метана из органических отходов;

-биогазовые установки, состав сырья для получения биомассы-компоста;

-биохимический и оздоровительный аспекты биодеградации, продукты утилизации органических отходов и их применение, экологические методы утилизации твердых отходов, продукты утилизации твердых бытовых отходов.

Всовременных условиях для человечества очень важны две проблемы: дефицит энергоносителей и охрана окружающей среды. Именно эти проблемы обусловили формирование нового научно-технического направления − биоэнергетики, суть которого состоит в получении и использовании энергии топлива из возобновляемого органического сырья: − растительной биомассы, сельскохозяйственных, бытовых и промышленных отходов. Запасы растительной биомассы на Земле оцениваются в 1836 млрд. т, что по энергосодержанию эквивалентно 640 млрд. т нефти. Природоохранный аспект биоэнергетики очевиден: энергетическая переработка отходов приводит к значительному уменьшению загрязненности окружающей среды.

Способы получения энергии и топлива из растительной биомассы и отходов разнообразны: сжигание, сухая перегонка, гидролиз с последующей биоконверсией продуктов гидролиза, ферментативное анаэробное разложение.

Наибольший интерес представляют экономичные анаэробные технологии: метановое сбраживание с получением биогаза; биоконверсия в этанол; анаэробная ферментация с образованием ацетона, бутанола и водорода. Одним из наиболее эффективных методов переработки органических отходов является метановое сбраживание, в результате которого органические вещества отходов превращаются в биогаз. Состав биогаза, а также его выход сильно зависят от природы (химического состава) перерабатываемого отхода и колеблется в достаточно широких пределах, %

об.: СН4 − 55−80; СО2 − 15−50; N2 − до 5; O2 − до 3; Н2S − до 3.

Энергетический потенциал биогаза составляет 20−27 МДж/н. м3, плотность при нормальных условиях 0,98−1,40 кг/м3. По теплотворной способности 1 н. м3 биогаза эквивалентен 0,6 дм3 керосина, или 1,5 кг угля.

Известно, что развитие биогазовых технологий позволяет решать проблемы, которые особенно характерны для сельской местности:

− экологическую – утилизация отходов агропромышленного комплекса, бытовых отходов;

−энергетическую – получение газообразного топлива, электрической и тепловой энергии;

−агрохимическую – производство экологически чистых органических удобрений;

−социальную – улучшение условий труда и быта сельского населения. Мировое производство биогаза для практического применения

составляет более 700 млрд. м3 в год. Биогазовые технологии широко распространены в Китае, Индии, США, Канаде, Германии, Англии, Швейцарии и в ряде других стран. В Китае и Индии количество находящихся в эксплуатации биогазовых установок исчисляется миллионами. В Российской Федерации имеется небольшое число действующих промышленных биогазовых установок, предназначенных главным образом для переработки осадков коммунальных очистных сооружений крупных городов. Часть построенных метантенков не эксплуатируется либо функционирует без утилизации биогаза, что объясняется, как правило, отсутствием оборудованных контрольно-измерительными приборами систем биогазоснабжения, а также низким качеством метантенков. В Республике Беларусь анаэробные технологии утилизации органических отходов только начинают внедряться в результате закупки единичных биогазовых установок за рубежом.

В качестве сырья для производства биогаза могут быть использованы отходы, содержащие биологически разлагаемое органическое вещество, имеющие высокую влажность (90−94%), нейтральную или близкую к нейтральной величину рН и не содержащие токсичных химических соединений (антибиотиков, СПАВ и др.) в концентрациях, ингибирующих рост и размножение бактерий. Прежде всего, это отходы животноводческих комплексов и птицефабрик, осадки коммунальных и производственных сооружений по очистке сточных вод, промышленные органосодержащие отходы. В США и некоторых странах Западной Европы получает распространение анаэробная переработка городского мусора. Твердофазная метангенерация возможна при условии, что влажность отходов не ниже

30−40%.

Одним из основных сырьевых ресурсов для получения биогаза является навоз. Концентрация животных на крупных фермах и комплексах приводит к резкому увеличению объемов навозных отходов, являющихся серьезным источником загрязнения окружающей среды, в том числе нитратами, патогенными микроорганизмами. Метановое сбраживание является рациональным способом обезвреживания навозных отходов с одновременным получением экологически чистого органического удобрения и газообразного энергоносителя. Анаэробная обработка навоза обеспечивает его дезодорацию, дегельминтизацию, потерю способности семян сорных растений к всхожести, практически полное сохранение важнейших питательных элементов − азота, фосфора, калия.

Метан весьма распространен на планете – он является основной частью природного газа, содержится в залежах каменного угля и нефти, есть в

болотах и некоторых типах почвы. Его несложно получить в результате химических реакций. Но наиболее интересно то, что метан образуется во время жизнедеятельности живых организмов – в качестве побочного продукта. Также довольно много метана выделяется при различных процессах гниения и анаэробного разложения органических масс.

В настоящее время полученный таким образом метан скорее является источником проблем, чем ценным сырьем. Он неконтролируемо накапливается в местах скопления органических отходов, а при достижении концентрации в 9,5% становится чрезвычайно взрывоопасным. Так как метан легче воздуха, он постоянно улетучивается в атмосферу, но в замкнутом пространстве этот газ способен концентрироваться годами. При нарушении герметичности ниши с газом с очень большой вероятностью происходит взрыв.

Добывать метан из органики несложно – надо всего лишь поместить исходное сырье в герметичную емкость, из который газ будет откачиваться по мере того, как он станет выделяться из-за процессов гниения. Проблема в том, что происходит это неравномерно и в очень малых количествах, поэтому эффективность такой установки будет крайне невелика. Более выгодно переоборудовать существующие мусоросборную и канализационные системы, установив там специальные модули с насосами для откачки метана. Отстойники и мусорные ямы сами по себе являются колоссальным источником газа, который к тому же регулярно возобновляется, так как человечество постоянно создает органический мусор.

Лучше всего установка по сбору метана вписывается в концепцию «умного дома будущего», в котором мусор перерабатывается на 90% и более. Она не сможет стать основным источником энергии – количество получаемого газа слишком незначительно. Но, по крайней мере, его можно использовать для сжигания тех компонентов мусора, которые не удалось переработать. Либо применять для обогрева отдельных помещений, что позволит уменьшить расходы энергии, получаемой извне. А сырье для установки, мусор и отходы, практически бесплатно.

Стандартная установка, состоит из следующих узлов и агрегатов: Емкость накопитель, в которой накапливается используемое, для получения биогаза, сырье; Миксеры и мельницы различной конструкции, делящие крупные фракции сырья на более мелкие; Газгольдер, герметично закрываемая емкость, служащая накопителем получаемого газа; Реактор, емкость или резервуар, в котором происходит процесс образования биотоплива; Системы подачи сырья в реактор установки; Система передачи получаемого топлива от реактора и газгольдера, далее на этапы обработки и преобразования в другие виды энергии; Системы автоматики, защиты и контроля за процессами производства газа и продуктов его переработки.

Источник: https://alter220.ru/bio/biogazovaya-ustanovka.html

Рисунок Установка для производства биогаза

Природные органические полимеры (биополимеры) составляют основу всех животных и растительных организмов. В растительном мире широко распространены полисахариды (целлюлоза, крахмал и т. п.) и полиизопрены (натуральный каучук, гуттаперча, фрагменты липидов и т. п.).

Как известно, растительная ткань состоит главным образом из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Лигнин — природный полимер, входит в состав почти всех наземных растений и по распространенности среди природных высокомолекулярных соединений уступает только полисахаридам. В древесине хвойных пород содержится 23–38% лигнина, в лиственных породах —14–25,в соломе злаков —12–20% от их массы. Лигнин расположен в клеточных стенках и межклеточном пространстве растений и скрепляет целлюлозные волокна. Вместе с гемицеллюлозами он определяет механическую прочность стволов и стеблей. Лигнин обеспечивает герметичность клеточных стенок (для воды и питательных веществ) и благодаря содержащимся в нем красителям определяет цвет одревесневшей ткани. Лигнин выделяется в больших количествах как побочный продукт в основных лесохимических производствах — целлюлозном и гидролизном.

Гемицеллюлозы — это высокомолекулярные гетерополисахариды. Встречаются в значительном количестве (от 6 до 27 %) в одревесневших частях растений (соломе, семенах, орехах, древесине) вместе с целлюлозой и в отличие от нее легко гидролизуются разбавленными минеральными кислотами с образованием галактозы, ксилозы, арабинозы и уроновых кислот.