Экологические аспекты современной биотехнологии (стр. 6 из 10)

Более эффективны аэротенки с большой высотой столба жидкости: колонные, башенные или шахтные. Высота шахтных аэротенков 50 м и более; в них имеется внутренняя система циркуляции субстрата, например, по внутренним трубам субстрат падает сверху вниз, а по межтрубному пространству при помощи сжатого воздуха — поднимается вверх. Стоки, имеющие ВПК 2100 мг/л, очищаются на 85 %, при этом производительность составляет 25 м³/ч; концентрация ила 6,5 г/л; эффективность аэрации 3—4 кг О₂ на 1 кВт.

Таблица 7. Система аэробной очистки городских стоков

Оборудование	Количество	Общий объем, м	Примечание
Резервуары для предварительной обработки стоков Аэротенки с керамической воздухораспределительной системой Дображиватели-отстойники	4 27 9	35000 39000 94000	Диаметр 63 мРазмеры аэротенка 8Х X 45X4,3 м; подача воздуха 75 000 м3/ч Диаметр 53 м

Недавно российскими и зарубежными учёными разработан аэротенк со щелевыми эжекторами из пластмассы, обеспечивающими эффективное насыщение субстрата кислородом. Аэротенк выполнен в виде четырех параллельно работающих колонн высотой 30 м. В каждой колонне установлены 72 эжектора. Производительность установки 90000 м³/сут. При необходимости, если отработанный воздух содержит вредную микрофлору или вещества, а также имеет неприятный запах, газовую среду обрабатывают в печах с инфракрасным обогревом.

На практике при аэробной очистке разбавленных стоков широко применяют аэробные фильтры, или триклеры. Это вертикальные цилиндры, заполненные щебнем, камнем, углем размером 5—10 см. Высота фильтров может быть 2—3 м. Сверху на наполнитель обычно с помощью вращающегося разбрызгивателя подают очищаемые стоки. Жидкость стекает и покрывает частицы пленкой, в которой затем развивается аэробная микрофлора (в основном гетеротрофные бактерии). В присутствии кислорода происходит окисление органических веществ стоков, стекающая жидкость поступает в осадительные бассейны. Ил не рециркулирует. Аэробные фильтры обеспечивают производительность 1—3 м³/(м²-сут).

Для очистки разбавленных стоков используют также вращающиеся биологические контакторы. Эти аэробные очистительные устройства представляют собой цилиндры, в которых на горизонтальной оси по всей длине цилиндра установлены диски из пластмассы или шифера. На 35—45 % диаметра диски погружены в жидкий субстрат. При вращении оси с частотой 2—5 об/мин субстрат прилипает к поверхности диска и в виде пленки поднимается в воздушное пространство, где обогащается кислородом. Микрофлора преимущественно фиксируется (иммобилизуется) на поверхности дисков. Вращающиеся контакторы успешно применяют для переработки стоков с ВПК 130—200 мг/л и обеспечивают его снижение на 80—85 %.

Таким образом, современные аэротенки фактически являются ферментаторами различной мощности, в которых выращивается активный ил. Как правило, в аэротенках реализуется только непрерывный процесс, чаще всего с рециркуляцией активного ила.

Аэробную очистку стоков можно интенсифицировать путем создания псевдоожиженного слоя с применением в качестве

носителя ила инертных частиц, например песка, размером 0,3— O,9 мм. Другой путь интенсификации — повышение концентрации растворенного кислорода до 12 мг/л путем подачи технического кислорода.

Анаэробные системы очистки стоков

Для очистки сточных вод в народном хозяйстве при утилизации отходов животноводческих ферм, производстве кормового витамина B₁₂ и в других случаях используют метановое брожение. Этот процесс широко распространен в природе (разложение органических веществ в болотах, водоемах, в почве, у животных в рубце и т.д.). Метановое брожение — строго анаэробный процесс, осуществляется, как правило, в особых аппаратах — метантенках.

Биодеградация органических веществ при метановом брожении в метантенках протекает в три последовательные фазы (табл. 8).

В первой, гидролитической фазе около 76 % органических веществ переходит в высшие жирные кислоты, до 20 % — в ацетат и 4 % — в водород. Первую фазу можно разбить, в свою очередь, на фазы гидролиза и ацидогенеза (кислотообразования). Во второй фазе главными являются процессы образования из высших жирных кислот ацетата (52 %) и водорода (24%). В третьей фазе (брожение) метаногенные бактерии образуют из ацетата 72 % метана, и СОз — 28 % метана. Соотношение промежуточных и конечных продуктов в процессе метанового брожения зависит от состава среды, условий ферментации и присутствующей микрофлоры.

В первой фазе брожения принимают участие микроорганизмы, обладающие целлюлолитической, протеолитической, липолитической, сульфатвосстанавливающей, денитрифицирующей и другими видами активности. Состав доминирующей микрофлоры данной фазы зависит от состава микрофлоры поступающего в ме-тантенки субстрата, а также от химической природы деградиру-емых органических веществ. Количество аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов в первой фазе брожения достигает 10⁶ кл/мл, содержание облигатных анаэробов на 2—3 порядка выше. Целлюлозоразрушающие анаэробные бактерии в метантенках могут накапливаться в количестве до 10⁶ кл/мл. Среди бактерий, разрушающих гемицеллюлозу, обнаружены штаммы Bacterioidesruminicola, Butyrivibriofibriosolvens и др.

Протеолитические бактерии, используемые в промышленности относятся к роду Clostridium(28 штаммов из 43 выделенных), Peptococcusanaerobis (8 штаммов), к родам Bacterioides и Eubacterium (3 штамма), а также к родам, близким к Bifidobacterium. Общее количество микроорганизмов, обладающих протеолитической активностью, в метантенках достигает 10⁵ кл/мл. Отмечается, что до 50 % выделенных бактерий, участвующих в метановом брожении, образуют споры. Влияние микробиологического состава поступившего в ме-тантенк субстрата на микрофлору метанового брожения хорошо видно на примере анаэробного сбраживания стоков свиноферм, в культуральной жидкости которых обнаружено до 50 % энтеробактерий Е. coli и анаэробных стрептококков. В этом опыте первыми развивались бактерии, обладающие амилолитической активностью, а позднее — обладающие целлюлолитической и протеолитической активностями.

Существенная роль в процессах метанового брожения принадлежит ацетогенными и водородпродуцирующим бактериям. Эти бактерии, например Syntrophobacterwolinii, превращают пропионат в ацетат, СО2, если в среде одновременно присутствуют водородпотребляющие бактерии. Водород образуется при окислении NADH₂ с образованием NAD. Содержание водорода в среде зависит не только от ацетогенных бактерий, но и от водородпотребляющих метаногенов. Метаногенная система будет работать эффективно тогда, когда парциальное давление водорода будет низким. При этом условии углеродные соединения конвертируются в ацетат, СО2 и будут плохо накапливаться различные жирные кислоты. В условиях загрузки биореактора легкодеградируемым субстратом концентрация СО2 может увеличиваться и в среде будут накапливаться пропионовая, масляная и другие органические кислоты.

В третьей фазе — метаногенной — участвуют метанобразующие бактерии. Эта группа анаэробных бактерий принадлежит к древнейшему царству живых существ — архибактериям. Строение и метаболизм метанобразующих бактерий сильно отличаются от прокариот. Так, у метаногенов маленький геном — около '/з генома кишечной палочки. Исследования последних лет показали, что последовательность нуклеотидов в РНК у метаногенов и у обычных бактерий существенно различаются. Энергию для роста эти бактерии получают при восстановлении наиболее окисленного соединения СО₂ до наиболее восстановленного СН₄. Предполагаемый путь автотрофной ассимиляции СО2 у Methanobacteriumthermoautotrophicum показан на рис. 3.

Таблица 8. Фазы метанового брожения

Группы бактерий, участвующие в процессе

Исходные вещества

Продукты

Биогидролизполимеров и ацидогенез

Гидролитические ацетогенные

Комплекс оргашче- Высшие жирные кис-
ских веществлоты

Ацетогенези дегидрогенизацияВодородпродуцирующие бактерии Высшие жирные кис- На, СО₂, СН₃СООН

Метанобразующие бактерии

Метаногенез

На, СО₂, СНзСООН

СН₄, СО₂

Галактозо-КН_г

|Аспартат{

Оксал о ацетат

I

Малат Фумарат

Фактор

Сукцинат

ATPI

Сукцинил-СоА

(С0₂) 1 ^факт°Р 420_ВОСС а-кетоглутарат

Гексозофосфат

Триоэофосфат

АТР

Фосфоенолпирув ат

Пентоэофосфат

Рис. 3.

Предполагаемая схема автотрофной ассимиляции СО₂ у бактерий Methanobacteriumthermoautotrophicum

После создания Хангейтом Р. Э. в 1985 г. упрощенной техники культивирования метанобразующих бактерий удалось выделить 30 видов метаногенов, принадлежащих к 14 родам и 6 семействам. Некоторые представители метанобразующих бактерий приведены в табл. 11.9. По форме клеток метаногены являются кокками или палочками различных размеров и подвижности. Некоторые представители Methanobacterium и особенно Methanothrix могут образовывать даже нитеобразные клетки. Строение клеточной стенки у метаногенов отличается от таковой у обычных бактерий.