Учебно-методический комплекс дисциплины «Экологические биотехнологии» для специальности 5в060800 — «Экология» Учебно-методические материалы (стр. 10 )

Рис.1 – Схематическое изображение процесса образования биогаза

На первой стадиипод влиянием экстрацеллюлярных ферментов ферментативному гидролизу подвергаются сложные многоуглеродные соединения — белки, липиды и полисахариды. Вместе с гидролитическими бактериями функционируют и микроорганизмы — бродильщики, которые ферментируют моносахариды, органические кислоты.

На второй стадии (ацидогенез) в процессе ферментации участвуют две группы микроорганизмов: ацетогенные и гомоацетатные. Ацетогенные Н2-продуцирующие микроорганизмы ферментируют моносахариды, спирты и органические кислоты с образованием Н2, СО2, низших жирных кислот, в основном ацетата, спиртов и некоторых других низкомолекулярных соединений. Гомоацетатные микроорганизмы усваивают Н2 и СО2, а также некоторые одноуглеродные соединения через стадию образования ацетил-КоА и превращения его в низкомолекулярные кислоты, в основном в ацетат.

На заключительной третьей стадиианаэробного разложения отходов образуется метан. Он может синтезироваться через стадию восстановления СО2 молекулярным водородом, а также из метильной группы ацетата. Некоторые метановые бактерии способны использовать в качестве субстрата формиат, СО2, метанол, метиламин и ароматические соединения.

В зависимости от температуры протекания процесса метановые бактерии разделяют на мезо - и термофильные. Оптимальная температура для мезофильных бактерий от 30 до 40°С, а для термофильных – от 50 до 60 °С. В целом термофильный процесс метаногенеза идет интенсивнее мезофильного, притом в этих условиях анаэробной переработки отходов субстрат обеззараживается от патогенной микрофлоры и гельминтов. При анаэробной переработке отходов животноводческих ферм микрофлора метантенков (анаэробных ферментеров) формируется преимущественно из микрофлоры желудочно-кишечного тракта данного вида животных и микрофлоры окружающей среды. Из наиболее часто встречающихся культур следует отметить Lactobacillusacidophilus, Butyrivibriofibrisolvens, Peptostreptococcusproductus, Bacteroidesuniformis, Eubacteriumaerofa-ciens. К числу целлюлозоразлагающих бактерий микрофлоры жвачных относятся Bacteroidessuccinoqenesи Ruminococcusflavefaciens. Из рубца и навоза жвачных были изолированы такие метанообразующие бактерии, как Methanobacteriummobile, Methanobrevibacterruminantiumи Methanosarcinassp. После определенного срока работы метантенка при установленном температурном режиме и на постоянном субстрате образуется сравнительно стабильный консорциум микроорганизмов. Первую стадию разрушения сложных органических полимеров осуществляют бактерии из родов Clostridium, Bacteroides, Ruminococcus, Butyrivibro. Главные продукты ферментации — ацетат, пропионат, сукцинат, Н2 и СО2. Конечными продуктами ферментации целлюлозы и гемицеллюлозы под действием бактерий, выделенных из рубца жвачных и кишечника свиней, являются различные летучие жирные кислоты.

Бактерии второй, или ацетогенной, фазы, относящиеся к родам Syntrophobacter, Syntrophomonasи Desulfovibrio, вызывают разложение пропионата, бутирата, лактата и пирувата до ацетата, Н2 и СО2 — предшественников метана. Ряд микроорганизмов способны синтезировать ацетат из СО2 в термофильных условиях, к их числу принадлежат Clostridiumformicoaceticum, Acetobacteriumwoodii, метановые бактерии из родов Methanothrix, Methanosarcina, Methanococcus, Methanogeniumи Methanospirillum.

Для получения биогаза можно использовать отходы сельского хозяйства, испорченные продукты, стоки крахмал перерабатывающих предприятий, жидкие отходы сахарных заводов, бытовые отходы, сточные воды молочноперерабатывающих и спиртовых заводов. Процесс ведется при температуре 30—60°С и рН 6 — 8. Этот способ получения биогаза широко применяют в Индии, Китае, Японии. В настоящее время для производства биогаза чаще используют вторичные отходы (отходы животноводства и сточные воды городов), чем первичные (отходы зерноводства, полеводства, хлопководства, пищевой, легкой, микробиологической, лесной и других отраслей), обладающие сравнительно низкой реакционной способностью и нуждающиеся в предварительной обработке.

Основное преимущество биогаза состоит в том, что он является возобновляемым источником энергии. Его производство будет так же длительно, как существование жизни на Земле.

3. Биоудобрения. При использовании же биогазовой установки биотходыперебраживают и переброженная масса может использоваться каквысоко эффективное биоудобрение. Переброженная масса – это готовые экологически чистые жидкие и твердые биоудобрения. При использовании таких сбалансированных биоудобрений урожайность повышается на 30-50%.

Электроэнергия. Из 1 м3 биогаза в генераторе можно выработать 2 кВт электроэнергии стоимостью 0,01 $ за кВт. В 2005 году в странах Европейского союза 4% энергии получали, используя биотопливо. Лидерами в этом были Финляндия и Швеция: 16 и 20% энергии соответственно.

Тепло. Тепло от охлаждения генератора или от сжигания биогаза можно использовать для обогрева предприятия, технологических целей, получения пара. Например, можно отапливать 2 га теплиц только от одного охлаждения электрогенератора, т. е. не сжигая газ специально для получения тепла. В себестоимости тепличных огурцов, помидоров, цветов 90% затрат – это тепло и удобрения. Возле биогазовой установки теплица может работать с 300-500 % рентабельностью.

Топливо для автомобилей. После доочистки биогаза получается биометан (90-95% метана, остальное СО2). Биометан ничем не отличается от природного газа по составу или свойствам. Отличие только в происхождении. Таким метаном можно и стоит заправлять технику. Сегодня уже существует огромная сеть заправочных метановых станций.

Рекомендуемая литература:

, , Методы интенсификации процесса биологической очистки сточных вод. – М., 1987. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 2008. , Сбраживание осадков городских сточных вод в метанотенках. – М., 1986. , Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. – М., 1989. Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990. , Биологические фильтры. – М., 2002. Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –London, 2003.

Контрольные задания для СРС [1, 4], [8, 11]

Опишите классификации биотоплива Биогаз и его свойства

2. Расскажите о способах получения биогаза и стадиях данного процесса

3. Какие возможности использования биогаза существуют?

Тема Переработка твердых отходов путем компостирования

План

Пути биотехнологического усовершенствования интенсивных методов переработки бытовых и производственных отходов. Интенсификация процессов очистки методом пространственного разделения различных микробных консорциумов, преимущества и недостатки этого метода. Использование рекомбинантных штаммов для утилизации трудноокисляемых, высокотоксичных или ароматических веществ.

В области переработки и ликвидации твердых отходов биотехнологические методы наиболее широко применяются для утилизации коммунальных отходов и ила из систем биоочистки стоков.

Традиционно твердые отходы складируются на городских свалках. Все возрастающие объемы отходов на душу населения приводят к возникновению огромного количества свалок, увеличению их площадей, а также к неуправляемому попаданию отходов в окружающую среду из-за рассыпания их при транспортировке. Так, по данным 1984 г. во Франции, Греции и Ирландии по ходу транспортировки отходов на свалки было рассыпано, соответственно, 10.3, 17.5 и 35 % от общего количества ликвидированных отходов. Несмотря на все возрастающий интерес к повторному использованию сырья, очевидно, что простая ликвидация отходов на свалках существенно дешевле любого другого способа их переработки. После того, как стало ясно, что при анаэробной переработке отходов в больших количествах образуется ценный энергетический носитель – биогаз, основные усилия стали направляться на соответствующую организацию свалок и получение на месте их переработки метана.

Несмотря на огромное разнообразие отходов, вывозимых на городские свалки, в целом состав твердых отходов в развитых странах становится все более однотипным, при этом четко просматривается тенденция увеличения объема бумаги и пластмасс на фоне снижения доли органических и растительных материалов. Это удлиняет время стабилизации отходов на свалках. Исследования химического состава содержимого свалок показали, что фракция, поддающаяся биодеградации, составляет до 70 % от общего количества твердых отходов.

Поведение отходов на свалке носит чрезвычайно сложный характер, так как постоянно происходит наслаивание нового материала через различные временные промежутки. В результате этого процесс подвержен действию градиентов температуры, рН, потоков жидкости, ферментативной активности и пр. В общей массе материала свалок присутствует сложная ассоциация микроорганизмов, которые развиваются на поверхности твердых частиц, являющихся для них источником биогенных элементов. Внутри ассоциации складываются разнообразные взаимосвязи и взаимодействия. В целом состояние и биокаталитический потенциал микробного сообщества зависит от спектра химических веществ материала свалок, степени доступности этих веществ, наличия градиентов концентраций различных субстратов, в особенности градиентов концентраций доноров и акцепторов электронов и водорода.

На типичной европейской свалке, где отходы размещены по отсекам, система переработки отходов является, по существу, совокупностью реакторов периодического действия, в которых субстрат (отходы) находится на разных стадиях биодеградации.

На начальной стадии биодеградации твердых отходов доминируют аэробные процессы, в ходе которых под воздействием микроорганизмов (грибов, бактерий, актиномицетов) и также беспозвоночночных (клещей, нематод и др.) окисляются наиболее деградируемые компоненты. Затем деструкции подвергаются трудно и медленно окисляемые субстраты – лигнин, лигноцеллюлозы, меланины, танины. Существуют различные методы оценки степени биодеградации твердых отходов. Наиболее информативным принято считать метод оценки, основанный на различиях в скоростях разложения целлюлозы и лигнина. В непереработанных отходах отношение содержания целлюлозы к лигнину составляет около 4.0; в активно перерабатываемых – 0.9–1.2 и в полностью стабилизированных отходах – 0.2. В течение аэробной стадии температура среды может повышаться до 80°С, что вызывает инактивацию и гибель патогенной микрофлоры, вирусов, личинок насекомых. Температура может служить показателем состояния свалки. Увеличение температуры повышает скорость протекание процессов деструкции органических веществ, но при этом снижается растворимость кислорода, что является лимитирующим фактором. Исчерпание молекулярного кислорода in situ приводит к снижению тепловыделения и накоплению углекислоты. Это, в свою очередь, стимулирует развитие в микробной ассоциации сначала факультативных, а затем облигатных анаэробов. При анаэробной минерализации в отличие от аэробного процесса участвуют разнообразные, взаимодействующие между собой микроорганизмы. При этом виды, способные использовать более окисленные акцепторы электронов, получают термодинамические и кинетические преимущества. Происходит последовательно процесс гидролиза полимеров типа полисахаридов, липидов, белков; образованные при этом мономеры далее расщепляются с образованием водорода, диоксида углерода, а также спиртов и органических кислот. Далее при участии метаногенов происходит процесс образования метана (рис.7.6).