2. Переробка відходів

Тисячоліттями відходи діяльності людини перероблялися природним шляхом, при участі відповідних мікроорганізмів. У найбільше широко розповсюджених установках для очищення стічних вод виконуються чотири основні операції (рис1).

1. При первинній обробці видаляються тверді частини, що або викидаються, або направляються в реактор.

Рис.1. Стадії переробки відходів шляхом анаеробного розкладу.

2. На другому етапі відбувається руйнування розчинених органічних речовин при участі природних аеробних мікроорганізмів. Мул, що утворюється складається головним чином з мікробних клітин, він або видаляється, або перекачується в реактор, частина його повертається в аераційний тенк.

3. На третьому етапі (необов'язковому) відбувається хімічне осадження і розділення фосфору й азоту.

4 . Для переробки мулу, що утворюється на перших етапах, використовується процес анаеробного розкладу. При цьому зменшується обсяг осаду і кількість патогенів, знищується запах, а крім того, утворюється органічне паливо – метан.

Подібні процеси застосовують при переробці промислових стічних вод, особливо в хімічній, харчовій, целюлозно-паперовій промисловості. Біотехнологічні удосконалення можуть бути спрямовані на збільшення потужності установок, підвищення виходу корисних побічних продуктів, на заміну синтетичних хімічних добавок, усунення запаху і видалення металів, а також стійких до переробки сполук.

Аеробна переробка відходів

Аеробна переробка стоків – це сама велика галузь контрольованого використання мікроорганізмів у біотехнології. Вона включає наступні стадії: 1) адсорбція субстрату на клітинній поверхні; 2) розщеплення адсорбованого субстрату зовнішньоклітинними ферментами; 3) поглинання розчинених речовин клітинами; 4) ріст і ендогенне дихання; виділення продуктів життєдіяльності; 6) «виїдання» первинної популяції організмів вторинними споживачами. В ідеалі це повинно приводити до повної мінералізації відходів до простих солей, газів і води. Ефективність переробки пропорційна кількості біомаси і часу контакту її з відходами.

Системи аеробної переробки можна розділити на системи з перколяційними фільтрами і системи з використанням активного мулу.

Перколяційні фільтри

Перколяційний фільтр був самою першою системою, застосованою для біологічної переробки відходів, причому його конструкція фактично не змінилася з часу створення у 1890 р. Великі ємності заповнені каменем, гравієм, на поверхні яких у тонкій водній плівці розвивається велике розмаїття мікро і макроорганізмів. Ця система використовується в 70% очисних споруд Європи й Америки і володіє такими перевагами. як простота, надійність, малі експлуатаційні витрати, утворення невеликого надлишку біомаси і можливість тривалого використання установки (протягом 30–50 років).

Основний недолік перколяційного фільтра – надлишковий ріст на ньому мікроорганізмів; це погіршує вентиляцію, обмежує протікання рідини і приводить до засмічення фільтра і виходу його з ладу. Одна з недавніх модифікацій установки складається у використанні подвійного фільтрування, що чергується, (ЧДФ), коли фільтри, на які спочатку надходить потік рідини, періодично змінюють місцями з іншими фільтрами. У товщі фільтрів використовують також зворотну циркуляцію і пульсуючу подачу. Це поліпшує потребу в кисні, але знижує активність нітрифікації. Інші модифікації в конструкції і роботі установок з перколяційними фільтрами спрямовані на зменшення швидкості надходження рідини для більш рівномірного розподілу біомаси, та ін.

У 1970 р. на зміну каменю чи гравію в системах з перколяційними фільтрами прийшли пластмаси. Це дозволило застосовувати такі системи для переробки деяких промислових стоків високої концентрації. Важлива перевага, що пластмаси – легкий матеріал, і це дозволяє будувати високі, що не займають багато місця очисні споруди. Для створення оптимальної (більшої) поверхневої площі для розвитку біомаси, вентиляції і пористості пластмаси розмелюють.

Основна зміна в конструкцію очисних споруд була внесена в Англії у 1973р., коли був створений колесоподібний біологічний реактор. Він являє собою «стільники» із пластикових смуг, які занурюються поперемінно в стічні води і піднімаються на поверхню. При цьому збільшується площа поверхні, з якою контактує біомаса, і поліпшується аерація .

Середовище, перколяційних фільтрів, не є водним, це усього лише тонка водяна плівка над шаром біомаси. Визначити, які саме мікроорганізми присутні в середовищі, досить важко через складність і гетерогенність біомаси. Очевидно, основною активною групою бактерій, що беруть участь у переробці стічних вод, служать Zoogloea, хоча велику роль відіграють і ряд інших бактерій. В очисних спорудах відзначається також активний ріст деяких видів нитчастих бактерій і грибів. З водоростей найчастіше присутні синьо-зелені (Cyanophyceae) і Chlorophyceae. Зустрічаються і численні Metazoa, у тому числі земляні хробаки, комахи і ракоподібні. Мухи і хробаки дуже важливі для регуляції розвитку плівки біомаси.

Системи з активним мулом.

Переробка відходів за допомогою активного мулу, що здійснюється складною сумішшю мікроорганізмів, була запропонована у 1914 р. Цей процес більш ефективний, ніж фільтрація, і дозволяє переробляти більшу кількість стічних вод. Однак він володіє такими недоліками: більш високими експлуатаційними витратами через необхідність перемішування й аерації; труднощами у здійсненні і підтримці стабільності процесу; утворенням великого надлишку біомаси. Незважаючи на все це, процес, що використовує активний мул залишається найбільш розповсюдженим методом переробки стічних вод у густонаселених районах, оскільки вимагає менших площ, ніж фільтраційна система.

Як і у фільтраційні системи, у систему з активним мулом були внесені зміни. пов'язані в основному з аерацією. Застосовується:

1. Градієнтна аерація, що регулює інтенсивність аерації у відповідності з потребою в кисні.

2. Ступенева аерація, при якій по всій довжині тенка стічні води надходять з інтервалами.

3. Контактна стабілізація, при якій повторне використання мулу супроводжується його аерацією, що сприяє більш повній утилізації мікроорганізмами доступних живильних компонентів.

4. Використання чистого кисню в закритих тенках, які можуть працювати при більш високих концентраціях біомаси; у такий спосіб зменшується час перебування стічних вод у тенках і проблема надлишкового росту нитчастих бактерій і грибів, що перешкоджає осіданню мулу.

5. Розробка колонного эрліфтного ферментера компанією ICI у 1974 р. (рис 2). Він більш економічний, чим звичайний, завдяки зменшенню часу перебування стічних вод у тенку і зниженню експлуатаційних витрат.

Активний мул – це водне середовище. Як і в перколяційних фільтрах, основна група бактерій, що беруть участь у процесі переробки, – це Zoogloea. У порівнянні з фільтрами в активному мулі спостерігається менше різновидів організмів. Ріст водоростей обмежується недостачею світла, а види найпростіших визначаються ступенем переробки відходів .

Для успішної переробки побутових і промислових відходів необхідно точно знати склад і концентрацію стоків. Знаючи якісні і кількісні характеристики середовища, можна установити, який мікробний посівний матеріал необхідний для ініціації роботи системи. Але важко встановити, які саме мікроорганізми, виділені із систем біологічної переробки відходів, здійснюють окиснення присутніх сполук.

Мікробіологічне вивчення будь-якої системи, що використовує активний мул включає: 1) ідентифікацію мікроорганізмів і визначення їхньої чисельності; 2) оцінку мікробіологічної активності як популяції в цілому, так і окремих видів; 3) оцінку співвідношення між (1) і (2), з одного боку, і кількістю живильних речовин, що вводяться, і продуктів переробки – з іншої. Мікробіологічну активність мулу можна оцінювати по приросту біомаси або по інтенсивності загального метаболізму; останній включає зміни, що відбуваються в середовищі. Виміри можуть проводитися і для якоїсь окремої популяції мікроорганізмів. Можна показати, що активність мулу зв'язана з визначеними бактеріями, підрахувати їхнє число і визначити метаболічну активність

Рис.2. Колонний ерліфтний ферментер.

Якщо для стічних вод, що надходять у ємність з активним мулом, характерні високі концентрації органічних сполук, тоді спостерігається наявність великих кількостей хемоорганотрофних видів, наприклад Achromobacter, Flavobacterium, Pseudomonas і Moraxella, а також багатьох інших бактерій. При високих концентраціях неорганічних сполук у стоках виявляються бактерії Thiobaclllus, Nitrosomonas, Nitrobacter і Ferrobacillus spp. окиснюючі відповідно сірку, аміак і залізо. Ці організми були виділені із систем для переробки відходів та ідентифіковані за допомогою методів селективних культур. Нерідко буває важко однозначно установити роль того чи іншого мікроорганізму. Наприклад, якщо із системи по переробці відходів виділені Tbiobacillus, що окиснюють сполуки сірки, то це не означає, що вся активність такого роду визначається саме цими мікроорганізмами: часткове окиснення ряду сполук сірки здійснюють і види Pseudomonas.

Взаємозв'язки між організмами, що беруть участь у катаболізмі органічних і неорганічних субстратів, мають важливе значення для регуляції процесів, що відбуваються в активному мулі. Проміжні продукти метаболізму одного виду бактерій здатні впливати на процеси деградації іншого. Наприклад, відомо, що фенол придушує активність організмів, що окиснюють аміак. Проміжні продукти розщеплення бензойної кислоти до катехолу, сукцинату й ацетату інгібірують утворення ферментів, що беруть участь у початкових етапах розщеплення та ін.

Ефективність даного процесу можна підвищити, вивчивши механізми регуляції метаболізму в мікрофлорі систем з активним мулом. Регуляція біодеградації – це складна задача. Однак, знаючи біохімію відповідних процесів, очевидно можливо втручатися у їх регуляцію. Наприклад, додавання до мулу проміжних продуктів циклу трикарбонових кислот у концентраціях (2–5 мг/л), глюкози, амінокислот і вітамінів (зокрема, аланіну і нікотинової кислоти) приводить до прискорення окиснення ряду сполук.

Завдання мікробіолога-біотехнолога при розробці методів очищення стічних вод – у більш повному вивченні взаємозв'язку між активністю мікроорганізмів, утворенням мулу і продуктивністю установки по переробці відходів. Біологічний спосіб переробки придатний для безлічі різних органічних і неорганічних сполук і усуває їхній шкідливий вплив на навколишнє середовище.

У ході вивчення біодеградації широкого кола органічних речовин були виділені мікроорганізми, здатні до руйнування дуже незвичайних сполук.

Принцип «псевдорозрідженого шару»

Дана технологія, введена у практику з 1980 р., є поєднанням систем перколяційних фільтрів і активного мулу. Вона дуже економічна завдяки використанню високих концентрацій мікроорганізмів і відсутності необхідності в осадженні кінцевих продуктів. Існують два основних типи установок.

1. Уловлювач Саймона Хартлі. Біомасу нарощують у порожнечах усередині прокладок з пористого поліефіру, що утримуються усередині реактора за допомогою сіток. Прокладки періодично видаляють з реактора, густу біомасу (до 15 кг на кожен кубометр обводненого носія) віджимають і порожні прокладки повертають у реактор.

2. Оксигенатор Дорра – Олівера. Тут як прокладка використовується пісок; його періодично випускають з реактора, очищають і використовують знову.

Небажаний наслідок інтенсифікації аеробної обробки – це зайве утворення мулу. Вартість його видалення може скласти до 50% витрат на переробку стічних вод. Альтернативне рішення у подальшому використанні цього мулу, чи в розмежуванні анаболічної і катаболічної активності для неповного перетворення субстрату в біомасу (цього можна досягти, створивши умови постійної недостачі мікроелементів або роблячи перерви у підживленні).