Криобиологические сосуды > Окружающая среда и биотехнология > Биологическая переработка промышленных отходов

Биологическая переработка промышленных отходов


Промышленные отходы можно в первом приближении разде­лить на две категории: 1) отходы производств, основанных на использовании биологических процессов (производство пище­вых продуктов, напитков, ферментация); 2) отходы химической промышленности. В первом случае отходы имеют различный состав и обычно перерабатываются путем биологического окисления, как это делалось традиционно в случае бытового мусора. Однако такой способ экономически невыгоден, и в на­стоящее время широко обсуждается вопрос о возможности уменьшения объема разбавленных сточных вод либо их непо­средственного использования — трансформации (для получения биомассы или других ценных продуктов) или же путем извле­чения из них ценных соединений.
В многочисленных и разнообразных отраслях химической промышленности образуется большое количество отходов, при­чем многие из них с трудом поддаются разрушению и длитель­ное время присутствуют в среде. Поэтому часто перед обыч­ной биологической переработкой отходов бывает необходимо провести их предварительную химическую или физическую об­работку. Использование специфических микроорганизмов для расщепления ксенобиотиков при переработке отходов еще не нашло широкого применения в промышленности, и тем не ме­нее подобный подход представляется весьма перспективным.
Это может быть:
1) деградация отдельных видов отходов in situ с помощью специализированных культур микроорганизмов-или их сообществ;
2) введение специально подобранных куль­тур в обычные системы переработки отходов;
3) ликвидация и Обезвреживание разливов нефти;
4) извлечение металлов;
5) биологическая очистка газов от пахучих и вредных соединений (меркаптанов, сероводорода, цианида, хлорзаме-щенных углеводородов и т. д.);
6) получение биомассы из от­ходов;
7) превращение отходов в метан.
В результате широкого применения человеком продукции химической промышленности в окружающую среду попадают различные типы ксенобиотиков: пластмассы (пластификаторы), взрывоопасные вещества, добавки, полимеры, красители, по­верхностно-активные вещества, пестициды и органические со­единения — производные нефти. Что касается бытового мусо­ри; то для его переработки созданы широко применяемые си­стемы, использующие активный ил и оросительные фильтры.. Сточные же воды химической промышленности, как правило,, не соответствуют возможностям подобных систем. Интенсив­ность переноса кислорода в ходе процессов, обычно протекаю­щих в таких системах, бывает недостаточна для поддержания: максимальной скорости окисления при участии микрофлоры. Эти процессы чувствительны также к колебаниям в загрузке-реактора, особенно если токсичные вещества и ингибиторы по­ступают в систему в высоких и непостоянных концентрациях.
Проблему недостатка кислорода, возникающую при перера­ботке отходов химической промышленности в обычно исполь­зуемых системах на основе активного ила, пытались решить несколькими способами. В двух случаях (распределитель с пробулькиванием и система «Анокс») для увеличения скоро­сти переноса газа использовали чистый кислород. В одной иэ новых систем переработки отходов — колонном эрлифтном фер­ментере, разработанном фирмой ICI, — пошли по пути уве­личения количества растворенного кислорода (рис. 6.2). В центральной части колонны имеется не доходящая до дна-вертикальная секция, в которую сверху поступают отходы ге повторно используемый активный ил; туда же вводится воз­дух. Когда смесь выходит из ферментера вверх по наружной; секции колонны, давление в системе падает, что вызывает про-булькивание пузырьков воздуха. Благодаря высокому содер­жанию растворенного кислорода и турбулентности биомасса поддерживается в высокоактивном состоянии и становится бо­лее устойчивой по отношению к перегрузкам, а также к умень­шению аэрации и времени нахождения отходов в ферментере,, особенно в случаях высоко концентрированных отходов. - Такие процессы с повышенной аэрацией устойчивы к резким перегрузкам отходами, не оказывающими токсического ,или лнгибирующего действия. В случае же токсичных отходов более пригодными оказываются системы, в которых использу­ются микроорганизмы, растущие в пленках. Такие популяции микробов не вымываются из системы, даже если на их рост и метаболизм оказывают неблагоприятное воздействие посту­пающие сточные воды. Кроме того, внутри пленки из-за огра­ничения диффузии создаются градиенты концентрации. Это приводит к понижению концентраций токсичных продуктов внутри пленки, а следовательно, к повышению скорости их усвоения и окисления. Пленка создает также экологическую ни­шу для организмов, рост которых в присутствии высоких концентраций отходов при перегрузках существенно за­медляется. Самая простая форма пленочной системы — это лерколяционный фильтр, однако подобного рода пленки разрушаются, если они становятся очень тонкими, при уменьшении концентрации субстрата на поверхности подлож­ки. В таком случае клетки погибают и пленка отпадает, за­соряя фильтры внутри системы переработки отходов. При слишком высоких концентрациях субстрата происходит быст­рый рост микроорганизмов, что приводит к образованию тол­стой пленки и к ее периодическому отслоению. Интенсивность подобных процессов можно снизить, разбавив поступающий раствор с питательными веществами осветленными сточными водами. Разработка новых методов сохранения толщины плен­ки представляет безусловный интерес. Так, при помощи мед­ленного вращения диска из полистирола внутри протекающих сточных вод толщина пленки поддерживается постоянной за счет гидродинамических сил и аэрации при выходе пленки из яоды. Такая эффективная и простая система была предложена для очистки стоков с низкой величиной ВПК. Еще один эффек­тивный метод переработки токсичных отходов in situ может быть основан на использовании реакторов с ожиженной под­ложкой, где микроорганизмы растут на поверхности неболь­ших инертных частиц (песок, стекло, антрацит), через слой ко­торых пропускают с контролируемой скоростью сточные воды и воздух.
Отходы, не содержащие азота или фосфора, не способны поддерживать рост микроорганизмов. В подобных случаях для окисления токсичных соединений до двуокиси углерода можно использовать покоящиеся клетки при условии, что активность «х гидролитических и окислительных ферментов не подавляет­ся. Поскольку среда при переработке отходов в колонных реак­торах периодически меняется, микроорганизмы оказываются в условиях голодания и в это время их рост прекращается. При поступлении источника углерода на короткое время включается несопряженный метаболизм, когда организмы дышат, но не растут. Это дает то преимущество, что уменьшается общий вы­ход биомассы (ила).
Рассмотрим методы биологической переработки промышлен­ных отходов на примерах молочной, бумажной промышленности я производства красителей.