4.2.2.Воздействие грибов мягкой гнили

Грибы мягкой гнили вырабатывают ферменты, разрушающие все компоненты древесины. Деструкция лигнина грибом Chaetomium globosum до общей потери массы древесины 12% заключается в деметилировании. С увеличением потери массы происходит дальнейшее разложение лигнина. Исследования показали, что при этом не происходит накопление ароматических соединений, следовательно грибы мягкой гнили разрушают ароматические кольца и в самом лигнине и в продуктах.

4.2.3.Действие бактерий

Способность различных бактерий разрушать мономеры и предшественники лигнина показано в опытах с модельными соединениями. Однако, в силу морфологических особенностей бактерии не способны эффективно разлагать его полимерные формы.

Исследования по разрушению ПАУ почвенными бактериями показали, что псевдомонады являются наиболее эффективными деструкторами этих соединений. Исследования показали, что ПАУ эффективно разлагаются псевдомонадами в условиях глубинной и твердофазной ферментации, в ризосфере растений.

Исследования механизмов деструкции ПАУ (фенантрена) культурой Pseudomonas fluorescens показали, что окисление ПАУ бактериями происходит последовательно, то есть ферментная атака направлена только на одно кольцо.

Способность разрушать природные ароматические вещества натолкнула исследователей на мысль об использовании микроорганизмов для разрушения ароматических и полиароматических веществ- отходов химической индустрии. В 1990 году американские исследователи показали, что разрушающие лигнин грибы белой гнили Phanerohaete chrysosporium способны также разлагать полициклические ароматические углеводороды до СО₂. Была так же показана способность бактериальных штаммов разлагать ПАУ. В настоящее время работы по микробной деструкции ПАУ ведутся, практически, во всех развитых странах. Показано /40/, что деструкция ПАУ идет последовательно и начинается с гидроксилирования только одного ароматического кольца.

Таким образом простые ПАУ должны разлагаться микроорганизмами гораздо быстрее чем такие ПАУ как пирен, хризен, 3,4-бензпирен и другие. В соответствии с правилом последовательного окисления только одного ароматического кольца при деструкции смеси ПАУ должно происходить накопление полиядерных веществ, разрушение которых требует длительных сроков инкубации. Правило последовательного окисления действует для различных видов микроорганизмов.

Направленный поиск микромицетов-деструкторов ПАУ

Микробная деструкция экотоксикантов в последние десятилетия стала объектом интенсивных исследований практически во всех развитых странах мира. Эффективность этого процесса определяется в первую очередь активностью штамма-деструктора экотоксикантов. Необходимость интенсифицировать процессы биоремедиации побуждает исследователей как к проведению селекции коллекционных штаммов, так и к поиску новых деструкторов.

Проведенные эколого-таксономические исследования показали, что представители микрофлоры лесной подстилки (рода Alternaria, Cladosporium, Helmintosporium-подобные, Chaetomium и др.), а так же почвенной микрофлоры ( рода Aspergillus, Trichoderma, Penicillium и др.) способны разлагать лигниноцеллюлозу и разрушать ароматические ядра лигнина.

Фитопатогенные грибы так же способны разрушать природные аромитические вещества (Fusarium).

Обычно для выделения штаммов, разлагающих то или иное вещество, используют жидкие или агаризованные среды, содержащие это вещество как единственный источник углерода и энергии. Однако, эффективней для биоремедиации следует использовать микроорганизмы, сочетающие в геноме способность утилизировать как экотоксикант, так и целлюлозу, которая содержится в почве и является основным компонентом твердых отходов.

Происхождение микроорганизмов-деструкторов ПАУ

Интенсивное промышленное воздействие на окружающую среду началось сравнительно недавно - в XIX веке. Очевидно, что за столь короткий промежуток времени не могли эволюционировать ферментные системы, способные разрушать ПАУ. Однако литературные данные показывают, современные микроорганизмы такой способностью обладают, то есть в их геноме уже есть гены деструкции этих веществ.

Вероятнее всего, что появление первых микроорганизмов, разрушающих ПАУ следует отнести к эпохе появления первых сосудистых растений, содержащих лигнин в клеточной стенке - древовидных папоротников. Возраст самых древних папоротникообразных составляет около 380 млн. лет (конец Силурийского периода). Древесина современных растений содержит ряд веществ, имеющих в своем составе нафталиновое ядро. Под воздействием солнечного света и микроорганизмов (собственные данные), а также при горении биомассы, могут образовываться (в результате процессов конденсации) более сложные ПАУ. Таким образом на Земле были все условия для естественного отбора микроорганизмов-деструкторов ПАУ, естественным резервуаром являются почва и лесная подстилка. Логично предположить, что эти микроорганизмы, после интродукции могут приобрести способность разрушать полиароматические вещества и фенолы. В случае низкой субстратной специфичности ферментной системы микроорганизма возможно разрушение ароматических экотоксикантов-ксенобиотиков (нитротолуолы, нитрофенолы, хлорфенолы ит.д.).

Анализ возможности создания систем по утилизации твердых ПАУ-содержащих отходов

В связи с ухудшением экологической обстановки перед исследователями встала задача разработки методов утилизации вредных отходов производства и коммунального хозяйства.

Предложенные новейшие методы фотолитической предобработки техногенных, ПАУ содержащих субстратов, и их микробной деструкции позволяют создать производство по утилизации коммунальных отходов, содержащих ПАУ. Примером таких отходов является листовой опад крупных городов, загрязненнй как ПАУ, так и маслами, смолами и жидкими нефтепродуктами. Предобработку фотолизом можно осуществлять без особых затрат выдерживая субстраты на специальных площадках. Летом для качественной предобработки будет достаточно 4-5 солнечных дней. Далее субстраты перемещают в ферментационные ангары и вносят увлажняющую среду и посевной материал. Инкубацию ведут при температуре 20-30^ОС в течении 40-60-ти суток (в зависимости от ПДК экотоксикантов). Производственный процесс желательно вести в теплое время года (с мая по октябрь) так как в этот период не требуется расходовать энергию на обогрев ферментационных ангаров. В процессе ферментации образуется компост, который можно использовать как почвообразователь. Схема установки по переработке ПАУ содержащих отходов представлена на рисунке 9:

Анализ возможной реализации

Потенциальным потребителем идеи является промышленное производство- утилизация целлюлозного мусора. Проблема хранения и переработки изделий и конструкций из древесины, пропитанной целью консервации различными фунгицидными веществами, является одной из важнейших проблем утилизации отходов лигноцеллюлозного сырья. Подобные изделия в соответствии с жесткими требованиями экологической безопасности трудно утилизировать традиционными методами: сжиганием или захоронением в почве, так как это вызывает интенсивное загрязнение атмосферы или подпочвенных вод продуктами термического или химического разложения используемых фунгицидных добавок. Наиболее перспективными и экологически безопасными являются биотехнологические методы переработки данного вида отходов, основанные на ферментативной активности микроорганизмов

В настоящее время исследования процессов деградации ПАУ имеют большой интерес у ученых США, Японии, стран ЕЭС , России. Большинство работ финансируются химическими фирмами или фирмами, работающими в сфере защиты окружающей среды.

Позиционирование товара

Существуют несколько альтернативных подходов для решения данной проблемы - утилизации коммунальных (целлюлозных) отходов:

Вариант №1. Химическая .обработка-варка щепы- приготовление почвы или компоста.

Связан с использованием химических реагентов, вызывающих загрязнение объектов окружающей среды (кислоты, щелочи). Технологический процесс варки целлюлозы на заводах целлюлозно-бумажной промышленности предполагает большой расход технической воды и образование промышленных стоков. Образуются неутилизированные продукты- целлюлоза и лигнин

Вариант №2. Принудительное сжигание с избытком воздуха - зола - приготовление компостов.

Такой способ представляет экологическую опасность , связанную с образованием вторичных газообразных отходов, загрязняющих атмосферу. Метод будет требовать значительных расходов энергоносителей, дорогостоящего, оборудования по газоочистке продуктов термической обработки ПАУ.

Вариант №3. Измельчение до опилок - обработка - бактериями - органический субстрат - приготовление компостов

Данный метод относится к биотехнологическому и предполагает использование анаэробных бактерий Указанный процесс проходит только в отсутствии кислорода и требует определенных затрат на создание герметичного резервуара. Образуется значительное количество газов, таких как: метан, сероводород, углекислый газ. К отходящим газам будут добавляться продукты переработки ароматических углеводородов, что затрудняет использование метана в бытовых условиях качестве энергоносителя. Требуются затраты на очистку и разделение газов.

Предложенный нами метод переработки древоразрушающими грибами не требуют больших затрат энергоносителей, расхода химических реагентов. При проведении процесса отсутствует выделение токсичных газов, что снижает вопрос о создании систем газоочистки. Увеличивается скорость процесса и уменьшается число производственных стадий (выпадает стадия удаления ПАУ). Полученный продукт разложения после проверки на патогенность и токсичность для рыб и животных может быть направлен на приготовление почв и компостов.

На базе разработки нашей идеи существуют ряд проблем:

1.Технические: необходимо обеспечить надежную аэрацию, перемешивание, которое не оказывало бы сильного влияния на рост микроорганизмов. Необходимо обеспечить очистку отходящих от спор газов. Необходимо подобрать оптимальные температуру и влажность для роста микроорганизмов.

2.Социальные:так как производство вредное, необходимо разработать систему охраны труда.

Литература.

1

2

Лекция 9 Камбегова Т.

Лекция 10 Константинова

Биотехнология очистки вод от тяжелых и токсичных металлов

Еще В.И. Вернадский (1965) отмечал поразительную способность живых организмов концентрировать отдельные элементы из окружающей среды, которую он назвал концентрационной функцией. В частности, многие ионы металлов играют чрезвычайную важную роль во множестве самых разнообразных биологических процессов. Например, ионы калия, магния,марганца, железа, кобальта, меди, молибдена и цинка входят в состав ферментов, катализируемых такие реакции как перенос групп, окислительно-восстановительные или гидролитические процессы, причем в этих процессах участвуют не только металло-содержащие ферменты, но и другие белковые системы, осуществляющие накопление и контроль за концентрацией ионов металлов, а также транспортирующие их в соответствующий участок клетки для включения в нужную ферментную систему или систему макромолекулярной организации клетки.

В общем все металлы можно условно разделить на 2 группы - существенные и несущественные для организма. Для клетки необходимы все перечисленные металлы, они называются "элементами жизни", но когда организму их не хватает, их место занимают вредные для здоровья человека, вызывающие различные заболевания, так называемые тяжелые металлы.

Одним из источников загрязнения водоемов, приводящих к ухудшению качества воды и нарушающих условия обитания в них гидробионтов, являются сточные воды заводов, содержащие разбавленные растворы тяжелых металлов. Состав их чрезвычайно разнообразен, он изменяется в процессе появления новых производств и усовершенствования существующих. В сточных водах предприятий металлургической, машиностроительной, приборостроительной, автомобильной и других отраслей промышленности содержится значительное количество загрязняющих веществ, в состав которых входят ионы металлов: Cr(VI), Fe(III), Zn(II), Cu(II), Ni(II), Al(III)-, а также различные органические вещества - спирты, кислоты, поверхностно-активные вещества и нефтепродукты.

Тяжелые металлы в природных водах находятся в растворенном и адсорбированном состоянии. Попадая в воду в ионной форме, они накапливаются в осадках в виде гидрооксидов, карбонатов, сульфидов или фосфатов. Содержание различных металлов в водоемах варьирует в широких пределах. Высокие концентрации тяжелых металлов обнаруживаются в верхних слоях

воды.

По токсичности тяжелые металлы располагаются в следующей последовательности: ртуть, серебро, медь, кадмий, цинк, свинец, хром, никель, кобальт . Однако этот порядок может изменяться в зависимости от вида организма и от того, присутствуют ли эти элементы в растворе в виде свободного иона, недиссоциированной соли, либо входят в состав органических или неорганических комплексных соединений. Недиссоциированные соли и ионы, образующие комплексы, обычно менее токсичны, чем свободные ионы в тех же концентрациях. При оценке влияния металла на организмы важно учитывать также их валентность. Так, шестивалентный хром значительно токсичнее, чем трехвалентный .

В настоящее время ГОСТ 28.74-82 "Вода питьевая" предусматривает следующие предельно допустимые концентрации металлов (мг/л): сульфаты – 500; свинец- 0,05; стронций - 7,0; железо - 0,3;марганец – 0,1; медь - 1,0; алюминий – 0,5; молибден - 0,25; селен – 0,001; фтор – 1,5.

Имеется много исследований по очистке вод от различных вредных примесей. Достигнуты крупные успехи по разработке и внедрению способов биологической очистки бытовых и ряда других отходов. В то же время не- смотря на то, что микробиологическая трансформация и детоксикация отдельных металлов и их соединений уже достаточно полно изучена, биологическая очистка от них промышленных сточных вод находится на стадии разработки и становления.

Проводимая в настоящее время очистка стоков от тяжелых металлов химическими, физическими, электрохимическими способами дорога громоздка, причем не всегда обеспечивается высокая степень очистки. Следует отметить, что при традиционных методах обезвреживания и озоления отходов в целом затраты в 3 раза превышают стоимость биологического разложе-

ния, Расходы на строительство и эксплуатацию станций биологической очистки также ниже, чем для большинства предприятий по традиционной обработке отходов.

Перспективны микробиологические методы сорбции и осаждения ионов металлов. Для извлечения металлов из растворов могут быть использованы представители различных таксономических групп. Так, клетки Thiobacilus ferrooxidans извлекают из раствора ионы Cd(II), Co(II), Cu(II), Cr(VI), Fe(III), Ni(II), Ag+, Au(III); цианобактерии - Cd (II), Au(III); клетки хлореллы – Cd(II), Ni(II), Co(II), Zn(II), Sr(II), Mo(II); дрожжи Candida lipolytica, Candida utilis, Rhodotorula mucilaginosa – Cd(II), Co(II), Cu(II), Ni(II), Zn (II); мицеллиальные грибы рода Aspergillus – Co (II), Ra(II).

Механизм адаптации микроорганизмов к тяжелым металлам

Микроорганизмы по разному реагируют на тяжелые металлы. Ряд микроорганизмов способны осуществлять активный транспорт тяжелых металлов внутрь клеток. Проницаемость клеток служит ведущим фактором в проявлении токсичности металлов. В некоторых случаях возникает более толерантные к тяжелым металлам резистентные штаммы, т.е. такие, для воз-

действия на которые необходима более высокая концентрация токсического вещества, чем для воздействия на родительские штаммы. Часто эта резистентность определяется образованием белковых или ферментативных систем в клетке, что обусловлено генетическими изменениями, связанными с хромосомами и внехромосомными элементами генетического аппарата -

плазмидами и транспозонами. Плазмиды клеток микроорганизмов несут гены, которые определяют резистентность к различным тяжелым металлам. Иногда устойчивость обусловлена специфическим связыванием металла смежными остатками цистеина в молекуле металлотионинов, синтез которых может индуцироваться тяжелыми металлами либо стрессовыми факторами.

Металлотионины - это белки, специфические связывающие тяжелые металлы в живых организмах. Металлотионины I и II -низкомолекулярные, кодируемые генами, идентифицированы в клетках цианобактерий и грибов. Существуют еще фитохелатины, которые образуются в растительных клетках и образуют только ферментативным путем .Некоторые ионы металлов иммобилизируются клеточной оболочкой или связываются слоем слизи, покрывающем клетку.

Одной из форм резистентности является также осаждение ионов металлов в форме сульфидов и фосфатов. Такие, например, ионы как Cd (II) активно транспортируются в некоторые штаммы бактерий по Mn(II) и PО43- транспортной системе соответственно. Приобретая плазмиду резистентности клетка блокирует такое высоко аффинное поглощение токсичных ионов через эти энергозависимые транспортные каналы. В резистентных штаммах образуются целые комплексы белково-ферментных систем, обуславливающих связывание и редокс-превращение металла, а также АТФ-зависимые каналы, ответственные за "выкачивание" токсичных ионов из клетки.

Специфические, ферментативные окислительно-восстановительные превращения металлов достоверно известны только для нескольких переходных металлов и наиболее изученными являются марганец и железо. Эрлихом доказано, что бактериальное загрязнение марганца (II) при формировании железо-марганцовых конкреций катализируется конститутивными оксидазами в реакциях:

MnO₂ + 1/2 O₂ + Н₂О = MnO₂ + 2H⁺ ,

MnO + MnO₂ + 1/2 O₂ = 2MnO

а также в каталазной реакции:

Mn²⁺ + Н₂О₂ = MnO₂ + 2H⁺

Марганец и железо являются существенными для жизнедеятельности элементов и присутствие в микроорганизмах редокс-ферментов их превращения неудивительно. То же самое относится и к меди. В природных условиях встречается большое количество толерантных микроорганизмов, которые адсорбируют до 30-40% ионов металлов на своей поверхности.

В штаммах дрожжей Saccharomyces cerevisia (естественных и лабораторных) обнаружена резистентность к ионам меди, обусловленная закодированными в хромосомах зон металлотионинов, которые, связывая металл, препятствуют его токсическому действию. На кафедре клеточной физиологии и иммунологии биологического факультета МГУ им. Ломоносова группой исследователей обнаружен и выделен ванадийтионин из цианобактерий Anacysis nigulans. Показано, что он является цитоплазматическим белком с молекулярной массой 10 кДа, являющимся, видимо, металлотионином II, специфически связывающий ионы ванадия. Грибы-микромицеты способны удалять ионы тяжелых металлов благодаря аккумуляцией их клеткой. Причем наибольшей активностью обладают хитин и пигменты.

Микроорганизмы чрезвычайно чувствительны к водным растворам серебра, т.к. ионы серебра, связываясь с поверхностью клеток ингибируют дыхание и окислительное фосфорилирование. Резистентность микроорганизмов к серебру, как и у меди, определяется наличием специфических плазмид и эффективность выражается в виде уменьшения связывания ионов Ag+. По-видимому некоторые псевдомонады проявляют резистентность путем восстановления ионов серебра в токсичной концентрации до металлического состояния. Высокое сродство устойчивых бактерий к ионному серебру можно использовать для извлечения серебра из водных растворов.

Бактерии очень чувствительны к ионам ртути, который является сильнейшим сульфгидрильным ядом (вообще из всех ионов металлов наиболее токсичными являются Ag+ и Hg (II).Резистентные штаммы бактерий содержат уникальную ферментативную систему защиты от ртути и ее соединений. Известно, что в настоящее время естественный цикл биогенной трансформации ртути состоит из трех белковых систем, выполняющих следующие функции:

а) ферментативное восстановление двухвалентной ртути (II) до металлического состояния (Hg0)

б) деметилирование ртутьорганических соединений

в) метилирование Hg (II) до метил- и диметил-ртути.

По-видимому, следует ожидать обнаружение резистентных штаммов бактерий и грибов и к другим ионам металлов и их соединений.

Аккумуляция металлов микроорганизмами

Сорбция клеточными стенками и накопление внутри клеток микроорганизмов (бактерий, мицелиальных грибов, дрожжей, водорослей) позволяет удалить из разбавленных растворов до 100% Pb, Hg, Cu, Ni, Co, Mn, Cr, V; до 96-98% Au и Ag и до 93% Se.

При этом набор сорбируемых ионов чрезвычайно широк, сорбционная способность по большинству ионов также сравнительно высока, что позволяет рассматривать эти организмы как эффективные и дешевые сорбенты для очистки водной среды от загрязнений. Накопление металлов клетками микроорганизмов носит двухфазный характер:

а) начальная фаза не зависит от энергетического состояния клетки и обусловлена сорбцией металлов компонентами клеточной стенки, среди которых особенно активны как сорбенты хитин и хитозан.

б) последующая, более медленная фаза – энергозависимое внутриклеточное накопление, происходящее с участием мембранных переносчиков ионов.

Адсорбция положительно связанных металлов на поверхности клеток, как полагают, связана с присутствием отрицательно заряженных групп анионов: PО₄ ^3-, COO^-, HS^-, OH^-. Адсорбция происходит быстро, обратимо, не зависит от температуры и энергетического метаболизма. Грибы и дрожжи адсорбируют уран из сточных вод в таком количестве, что он может составлять 10-15% и 18,5% от веса сухой биомассы соответственно, что в 2 раза больше, чем поглощение урана ионнообменными смолами в промышленности.

В способе очистки сточных вод от металлов: ионов меди (II), серебра, хрома (III), присутствующих в концентрациях 3-60 мг/л, 40-195 мг/л и 10мг/л соответственно в сточную воду вводят 3-60 мг/л фильтр-картона с сорбированным штаммом дрожжей Sac. carlsbergensis. Параллельно ставят контрольный опыт с «чистым картоном», не использованным в производстве. Отходы производства пивоваренной промышленности, содержащие фильтркартон с сорбированным штаммом дрожжей Saccharomyces bergensis сорбируют, металлы со степенью очистки от ионов меди за 3-4 часа 99,8-100%, серебра за 2-4 часа контакта на 99-100%, ионов хрома за 94 часа контакта на 95%. Отходы производства значительно быстрее и полнее сорбировали ионы металлов, чем «чистый» картон.

В способе биологической очистки водных растворов от хрома сорбцией мицелием грибов Aspersillus flaeres при исходной концентрации хрома (VI) 11,4 г/л и хрома (III) 0,39 г/л, степень очистки составляет 72,8% .

В способе извлечения ванадия из раствора обработку ведут микроводорослями Chlorеlla vulgaris Larg 1 (адаптированного к ванадию) при соотношении ванадия-водоросли 2,0-2,2, рН=2,5-5,0. Динамика поглощения металла в процессе совместного культивирования бактерий и цианобактерий показывает, что в смешанной культуре может происходить более эффективная очистка ванадиевых стоков, чем в чистой культуре. При однократном добавлении металла, содержание ванадия в культуральной жидкости в ранних вариантах смешанно-раздельного культивирования снижается на вторые сутки в 1,5-2,0 раза, а на девятые сутки – в 2,6 раза.

Применение способа очистки воды от мышьяка с использованием штамма несовершенного гриба Scopulariopsis brevicaulis, относящегосяк pоду Penicillium, дает возможность извлечь мышьяк из раствора концентрацией 512 г/л, практически на 99,8%.Другим преимуществом использования гриба является его способность одновременно переводить мышьяк в газообразное состояние, что является неотъемлемой частью безотходной технологии получения мышьяковых соединений типа зеркала элементарного мышьяка путём пропускания газа через кварцевую трубку, нагретую до определённой температуры. Всё это делает возможность осуществления замкнутой системы очистки промышленных стоков, содержащих мышьяк, с одновременной утилизацией полученных его соединений.

На основе плодовых тел грибов,вызывающих гниение древесины, были получены адсорбенты, используемые затем для извлечения металлов, в частности Cu (II). Биосорбент из Ganodermna lucidum был использован в биореакторе для обработки стоков, содержащих редкоземельные элементы. Адсорбция металлов на данном биосорбенте является следствием химических взаимодействий с клеточной стенкой гриба, которая представляет собой набор биополимеров, в том числе и хитина. На поверхности клеточной стенки закреплены ионогенные различной природы и лиганды на основе гликанов, фосфогликанов и белков.

BNF Metaly Technology Centre и British Texstile Technology Group ведут с 1989 г. исследования по биосорбции металлов грибами. Показана перспективность использования биосорбентов, отличающихся определённой селективностью к радионуклидам и исключительно высокими сорбционными свойствами для ограничения круговорота радионуклидов и тяжелых металлов в природе. Предлагается организовать международную кооперацию для их промышленного производства с ориентацией на конвертируемые предприятия военно-промышленного комплекса. Эта инициатива поддержана рядом ученых России, Украины, Германии, Беларуссии. При ликвидации последствий аварий на объектах ядерной энергетики, связанных с выбросами больших количеств радионуклидов в окружающую среду, значительные трудности представляет концентрирование носителей радиоактивности в ограниченном объёме для последующего захоронения. Наиболее перспективными сорбентами с точки зрения ведущих специалистов-радиохимиков являются продукты из биологического возобновляемого сырья микробного (также и растительного) происхождения. В качестве сырья могут служить отходы микробиологических производств - отходы продукции гидролитических ферментов, антибиотиков.

В настоящее время в России разработано несколько технологий получения биосорбентов, проявляющих относительную селективность к различным радионуклидам и многим вредным в экологическом отношении элементам (берилий, ртуть, кадмий, свинец, медь, хром и т. д.) Сравнительные исследования, выполненные в РНЦ «Курчатовский институт» и в институте физики АН Беларуссии, показали, что по сорбции цезия (Cs-137), биосорбенты не уступают лучшему из известных молекулярных сит клиносорбу (ФРГ); по сорбции стронция (Sr-85) биосорбенты превосходят клиносорб в 1,4 раза, а активированный уголь – в 6,7 раз; по сорбции плутония (Pu-239) биосорбенты превосходят клиносорб в 4-5 раз, а активированный уголь - в 16,2 раза.

В конечном итоге процессы сорбции и десорбции лежат в основе действия любых видах сорбентов. При этом конкретные механизмы разделения веществ могут быть различнымый ионный обмен, молекулярно-ситовое, диффузия в гель, распределение между фазами и т. д.

Формально сорбционные характеристики сорбентов можно описать с помощью нескольких величин:

- относительной сорбцией (S отн);

- сорбцией или сорбционной ёмкостью (S);

- коэффициента распределения (К), характеризующего распределение

вещества между сорбентом и раствором

Указанные величины характеризуют любые виды сорбентов и позволяют проводить сравнительный анализ их сорбционных характеристик. Однако для практического использования сорбентов в экологических целях важным могут оказаться и другие факторы, такие как стоимость, доступность, сезонность и сроки годности при хранении; затраты на захоронения сорбентов; возможности использования вторичных материальных ресурсов – отходов микробиологических производств; технология получения сорбентов должна быть экологически чистой, т.е. не создавать новые отходы, для утилизации которых потребуется разрабатывать новые сорбент; технология получения сорбентов должна вписываться в существующие промышленные инфраструктуры и являться логическим продолжением этих производств, когда вторичные материальные ресурсы превращаются в целевой продукт, а весь процесс становится малоотходным, с замкнутым циклом производства; при производстве технических сорбентов целесообразно не использовать дорогие реактивы, сырьё, материалы и пищевые продукты; технология должна быть энерго-, материально- и ресурсосберегающей, что должно обеспечивать получение достаточно дешевых сорбентов одноразового пользования, т.е. чтобы возникли проблемы их регенерации; процесс утилизации использованных сорбентов должен быть прост, надежен, технологичен, желательно, чтобы используемый сорбент можно было сжечь с образованием минимального количества золы; сорбенты должны иметь относительную селективность с целью снижения расхода при использовании.

Авторы считают, что в связи с тяжелой ситуацией во многих странах мира целесообразно организовать международную кооперацию для промышленного производства биосорбентов и ведущую роль могли бы взять на себя конвертируемые предприятия ВПК. С целью объединения своих усилий был создан Международный институт экологии и здоровья человека (Югославия). В условиях взаимодополняющих друг друга коопераций возможна организация следующего производства:

а) технических сорбентов – для сорбции нуклидов, тяжелых металлов, диоксинов токсинов из техногенных растворов, промстоков, для использования в качестве защитного пояса на случай чрезвычайной ситуации, при захоронении особо опасных отходов;

б) сорбентов для пищевых производств (в первую очередь для очистки воды до питьевых кондиций);

в) сорбентов для медицины-радиопроекторов, перевязочные средства для больных.

Биосорбенты – живые и мёртвые клетки микроорганизмов, их компоненты и внеклеточные метаболиты – могут быть применены различными способами. Созданы биофильтры с живыми микроорганизмами, иммобилизованными на угле. Разработан биосорбент М, получаемый обработкой биомассы Penicillium chrisogenum мочевиноформальдегидным поликондесатом.

Биосорбент М изготавливают в виде зерен размером 0,3-0,8 мм и используют для извлечения урана, емкость сорбента составляет 5 мг в пересчете на 1 г биомассы.

Некоторое увеличение сорбции по сравнению с нативной биомассой даёт обработка кислым хлороформ-метанолом, при которой происходит полное удаление липидов и некоторого количества растворимых в метаноле углеводов и белков. Активация сорбции в этом случае связана с гибелью нативной структуры клеточной поверхности, вызванной действием растворилей. Вероятно, сорбция возрастает при удалении «защитного» слоя поверхностных липидов, которые обычно у грибов представлены предельными углеводородами. Значительной активации сорбции способствует полная пространственная «дезорганизация» биополимеров, связанная с обезжириванием компартментов клетки. Этим, возможно, объясняется известный факт, что «убитая» биомасса грибов сорбирует лучше, чем нативная.

Как известно, добавление к активному илу компонентов, адсорбирующих металлы, уменьшает вредное влияние поступающих в высоких концентрациях металлов. Павленко Н.И. (1991), проведены исследования по изучению сорбции живым и мёртвым илом ионов меди, свинца, в зависимости от времени контакта биомассы активного ила и концентрации металлов. Результаты показали, что при небольшой биомассе 1,45 мг/л, до 60% металлов сорбировалось в течение 1 часа. При увеличении биомассы до 2,7г/л основная часть металла сорбировалась в первые 20 минут. Существенно повысить биосорбционную способность ила, ускорить процесс сорбции металлов, можно, используя гранулированный либо термически обработанный ил.

Еще более удивительную картину представляет внутриклеточное поглощение металлов бактериями. Так, например, Ps. aеruginosa менее чем за 10 секунд поглощает из раствора 100 мг/л раствора урана. Ховрычев М.П.(1973) изучал поглощение ионов меди клетками Candida. Эта культура по своей устойчивости в ряду неблагоприятных факторов приближается к плесневым грибам. Исходя из того, что живые клетки за 10 мин. включали около 10% и только за 2 часа происходило полное насыщение клеток медью, можно сказать, что процесс включения меди клетками не является простой адсорбцией

клеточной поверхностью, т.к. известно, что в случае адсорбции включение большей части вещества происходит за 2-5 мин. Именно это происходит при поглощении меди убитыми клетками.

В способе золота из воды в сточные воды ювелирной фабрики прибавляли суспензии культур дрожжи pода Saccharomyces (или pода Candida, или pода Rodotorula), бактерии pода Escherichia. Способ позволяет извлекать из водных растворов высокодисперсное золото практически полностью (на 98-99%). Процессы адсорбции, гетерокоагуляции и перекристаллизации коллоидного золота в бактериальной суспензии связаны с редокс-превращениями мембранной дыхательной цепи и трансмембранным электрохимическим потенциалом цитоплазматической мембраны бактериальной клетки. Несмотря на многочисленные данные по селективному взаимодействию различных форм золота с микроорганизмами, остается непонятным биологический смысл этого явления. Что касается ионного золота, можно предположить, что его комплексы в некоторых случаях могут служить акцепторами электронов в анаэробных условиях. А.Е. Шиловым (1989) высказано предположение, что микроорганизмы могут использовать комплексы золота в качестве катализаторов в активации и окислении органического субстрата. Это обуславливает необходимость аккумуляции золота клетками.

Таким образом, методы защиты окружающей среды сорбционными способами, развиваются по следующим основным направлениям исследований в этой области:

а) технологии производства сорбентов для очистки сточных вод от вредных в экологическом отношении примесей, элементов (хрома, кадмия, ртути, цинка, меди и др.), радионуклидов (цезия, стронция, урана и др.) и различных химических веществ (нефти, нефтепродуктов, различных органических веществ);

б) способы очистки пресной воды с помощью сорбентов от металлов (кадмия, ртути, цинка, меди, бериллия, свинца);

в) технологии извлечения с помощью сорбентов редкоземельных элементов и цветных металлов;

г) технологии производства сорбентов из отходов микробиологической промышленности;

с) методы биоиндикации и выделения из воды тяжелых металлов на основе микроводорослей.

Применение биосорбентов имеет очень перспективную экологическую нишу. Возможно, эти сорбенты помогут сделать нашу 1/6 часть Земного шара чище и экологически безопаснее.

Микробиологические методы осаждения ионов металлов

из сточных вод

Роль сульфатвосстанавливающих бактерий в очистке

сточных вод

В результате деятельности сульфатвосстанавливающих бактерий из сточных вод осаждаются сульфиды кобальта, никеля, кадмия, железа, свинца, цинка и другие. Осаждать сульфиды металлов способны не только облигатные сульфатредукторы, но и микроорганизмы, использующие менее окисленные соединения серы в дыхательной цепи, селекционированные штаммы бактерий pода Pseudomonas, обладающие способностью к сульфатредукции. В результате их деятельности хорошо растворимые токсичные сульфаты восстанавливаются до практически нерастворимых, выпадающих в осадок форм.

Сульфатредукторы - одна из самых древних физиологических групп бактерий. В основу систематики этих бактерий положеная способность усваивать различные органические соединения, спорообразование и морфология клеток. Общими свойствами этих бактерий, объединяющими их в единую физиологическую группу, является строгий анаэробиоз и способность к диссимиляторному восстановлению сульфатов. Редуцирующие сульфат бактерии являются облигатными анаэробами.

В среде для выращивания этих микроорганизмов часто добавляют редуцирующие вещества (дитионин и др.). Обычно среды содержат также в значительном количестве сульфаты и железо(FeS), который выпадает в осадок. Это имеет значение для детоксикации сероводорода. Важными субстратами для питания сульфатвосстанавливающих бактерий являются лактат, пропионат, бутират, 2-метилбутират, глутамат, серин, аланин, аргинин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, и лизин. Конечным продуктом окисления лактата и пропината является ацетат.

В последнее время появляются сообщения о том, что некоторые представители сульфатредукторов, считавшиеся ранее совершенно обособленной группой облигатно-анаэробных бактерий, могут использовать в качестве акцептора электронов не только сульфаты, но также нитраты и нитриты с таким же выходом энергии или даже большим, чем при редукции сульфатов. Показано, что 7 штаммов Desulfovibrio способны к нитратредукции в присутствии в среде небольших количеств сульфатов. Дальнейшие исследования показали, что сульфатредукцию вызывают не только облигатные, но и факультативные анаэробы, а именно они находят применение в практике очистки промышленных сточных вод. Из шахтных вод выделены две культуры бактерий, отнесенные к Ps.stutzeri и P.mendocina они способны в анаэробных условиях восстанавливать сульфаты и нитраты. Обе культуры - подвижные грамоотрицательные палочки. В аэробных условиях в качестве источника азота они усваивают мочевину, пептон, аспарагин, а в качестве анаэробных - ассимилируют также азот из KNO₃ и (NH₄)₂SO ₄ и др.

В примерах технологического применения бактериальной сульфатредукции - образование нерастворимых сульфидов металлов при взаимодействии стоков с сероводородом, являющимся продуктом жизнедеятельности сульфатредуцирующих микроорганизмов - положен принцип стимуляции развития сульфатредуцирующих бактерий в анаэробных условиях обогащением среды доступным для них органическим веществом.

Биотехнологические способы очистки сточных вод

1. Окислительно-восстановительные процессы

1.1 Окисление железа и мышьяка

Суспензии, содержащие минеральные компоненты и ионы металлов, осаждают солями трехвалентного сульфата железа, которые получают окислением двухвалентного железа культурой Thiobacillus ferrooxidans . Известен патент Венгрии на получение в ферментерах раствора трехвалентного железа с высоким окислительно-восстановительным потенциалом. Процесс окисления осуществляется в одном или нескольких аэрируемых сосудах, причем во

втором случае количество бактерий возрастает в каждом последующем ферментере. Приведем пример реализации изобретения. Пять 20-литровых ферментеров располагались друг над другом так, чтобы раствор из верхнего ферментера через сливное устройство переливался в нижний. В верхний ферментер наливали 7 л раствора следующего состава, г/л: FeSO₄ * 7Н₂О -150; (NH₄)₂SO₄ - 0,8; К₂НРО₄ - 0,4; Н₂SO₂ - 2. В раствор вносили 1л суточной культуры Thiobacillus ferrooxiidans . Концентрация исходного раствора Fe(II) может варьировать в широких пределах – от 0,1 до 30,0 г/л . Через перфорированную стеклянную трубку в раствор вводили воздух ( 1л / 1л раствора / час). Через 36 час Fe (II) в питательном растворе практически окислялось, и тогда начинали непрерывную подачу раствора FeSO₄ (25г/л). Скорость подачи раствора двухвалентного железа – 1200 мг/час. pH раствора с помощью Н₂SO₄ поддерживали на уровне 2,5. Каждые 24 часа в первый ферментер вводили 12 г (NH₄)₂SO₄ и 8 г К₂РО₄. Примерно через неделю начался слив из последнего ферментера, после чего без ограничения времени могли непременно получать продукт со следующими характеристиками: количество – 600 мг/час, Fe (II) < 0,2 г/л; Fe (III) >24,5 г/л, pH ∼ 2,0, окислительно-восстановительный потенциал - 700мВ.

Описанный процесс прост и легко регулируется. После размножения бактерий нужно только поддерживать на определённом уровне подачу соли двухвалентного железа, источника азота и воздуха. Fe (II) окисляется очень быстро, при малых объёмах ферментеров окисление идёт с высокой производительностью. Скорость окисления на один – два порядка выше, чем для спонтанного процесса.

Для ускорения процесса окисления сульфата закиси железа культурой Thiobacillus ferrooxidans М. И. Агафонова (1969) предлагают раствор сульфата железа с бактериями предварительно обрабатывать магнитным полем напряжённостью 150 – 350Э с направлением магнитных силовых линий перпендикулярно движению жидкости. Отработанный раствор подают в пруд-регенератор, нагревают до 23оС и выдерживают в течение 4 суток при аэрировании в режиме 1 м3 воздуха / 1м3 раствора. Магнитное поле ускоряет регенерацию сульфата оксида железа на 30 – 40 %, что позволяет уменьшить объём утеплённого пруда-регенератора в 1,6 раза, сохранив его пропускную способность.

В целях повышения степени очистки и удешевления технологии предложено осаждать мышьяк трёхвалентным железом, образованным в результате окисления Fe (II) железобактериями, так как реагентные способы очистки от мышьяка имеют следствием вторичное загрязнение воды химическими веществами. В биопруд, загрязненный мышьяком, вводят металлическое железо, культуры Leptothrix ochraceae, Leptothrix crassa, Gallionella ferruginea, сульфатовосстанавливающие бактерии и органическое вещество углеродного происхождения, предпочтительно опилки или растительные остатки. Деятельность сульфатовосстанавливающих бактерий или введение сернистого натрия необходимы для снижения ОВП и продукции двухвалентного железа исходного вещества, обуславливающего начало окислительной работы железобактерий.

В лабораторных условиях процесс очистки ведут в условиях непрерывного культивирования. Исходный раствор содержит 4 мг/л мышьяка, время пребывания воды в трехсекционной модели – 4 суток. На выходе в воде содержится 0,05 мг/г мышьяка, т. е. эффективность очистки – 95%.

Для очистки сточных вод от мышьяка предлагается штамм Pseudomonas putida 18, способный окислять трехвалентный мышьяк в пятивалентный в присутствии малых количеств органического вещества в нейтральных или слабощелочных условиях при пониженной температуре. Последнее очень важно при использовании данной бактерии для очистки воды от мышьяка, так как перепады температуры не лимитирует процесс.

1.2 Очистка от соединений шестивалентного хрома

Биологическая технология очистки сточных вод от ионов шестивалентного хрома впервые была описана как способ Коренькова . Согласно этому способу, сточные воды обрабатываются активным илом, содержащим культуру Bacterium dechromaticans Romanenko. Пример использования способа: сточные воды, содержащие хромит калия в количестве 60 мг/л по

хрому и БПК5 = 100 мг/л, подают в неаэрируемую ёмкость, куда вводят 7 г/л по сухому веществу активного ила с микроорганизмами штамма Bacterium dechromaticans Romanenko. Без доступа кислорода воздуха и при поддержании активного ила во взвешенном состоянии данная культура восстанавливает шестивалентный хром до трёхвалентного с образованием гидроксида хро-

ма. Полное восстановление Cr (VI) в Cr (III) происходит за 7 час. Затем активный ил отделяют от жидкой фазы отстаиванием и используют для восстановления новых порций хроматов в сточных водах.

Недостатком вышеописанного способа является то, что источником углеродного питания хромвосстанавливающих бактерий служит растворенное органическое вещество хозфекальных сточных вод. Содержание органического вещества в этих водах лимитирует концентрацию Cr (VI), подаваемого на очистку. Количество легкоокисляющихся органических веществ БПК5 в

жидкой фракции комунальных стоков обычно не превышает 200 – 250 мг/л, следовательно, максимальная концентрация Cr (VI) в смеси не должна превышать 150 – 200 мг/л. В целях обеспечения очистки высококонцентрированных по содержанию Cr (V) стоков предлагается вести восстановление шестивалентного хрома активным илом, смешанным с осадком городских

сточных вод. Процесс идет в мезофильных условиях в метантенках при постоянном перемешивании с нагрузкой 0,2 – 10 г Cr (VI) на 1 л загружаемого сырого осадка не нарушается технология сбраживания, Cr (VI) полностью восстанавливается до Cr (III).

Процессы сбраживания осадков и очистки стоков от хрома нарушались при увеличении дозы Cr (VI) более 10 г/л загружаемого осадка, выделившийся газ не горит, что указывает на отсутствие метана.

Предлагаемый способ обеспечивает по сравнению с известными следующие преимущества: возможность одновременно сбраживать осадок сточных вод и восстанавливать высокие концентрации токсичного Cr (VI) (до 10 г/л) до безвредного Cr (III). В тех случаях, когда нет возможности использовать для восстановления шестивалентного хрома городские сточные, в качестве органического субстрата используют производственные сточные воды,

содержащие нефтепродукты парафинового ряда, - керосин, бензин, трансформаторное масло. При окисление нефтепродуктов микроорганизмами происходит более глубокая очистка от хрома, чем при использовании в качестве источника органического вещества хозяйственно-бытовых сточных вод, соответственно 1 и 22 мг/л Cr (III) в очищенной воде. Кроме того, за счет потребления нефтепродуктов микроорганизмами ХПК производственных сточных вод снижается на 20 – 50 %.

Разнообразие биохимических свойств хромовосстанавливающих бактерий, их способность окислять широкий набор углеводородсодержащих соединений позволяет использовать в качестве углеводородного субстрата природный или попутный газ при добыче нефти. По данному способу очистку вод от Cr (VI) проводят в герметичном ферментере-биовосстановителе объемом 1000 мл , содержащим накопительную культуру (500мл) хромовосстанавливающего ила. Накопительная культура проедставлена ассоциацией микроорганизмов, в которую входят Aeromonas dechromaticans, Rhodococcus, Micrococcus, Pseudomonas sp. В биовосстановитель вводят шестивалентный хром и природный газ. Перемешиванием содержимого биовосстановителя

осуществляет аэрацией углеродсодержащими газами. Отвод очищенных вод из ферментера производят после восстановления шестивалентного хрома, концентрация Cr (VI) через 8 часов практически нулевая.

Недостатками способа с использованием нефтепродуктов в качестве органического субстрата для хромвосстанавливающих бактерий, являются длительность процесса очистки (24 час) и наличие в очищенной от хрома воде остаточных количеств нефтепродуктов, которые надо выводить дополнительно. В целях сокращения продолжительности очистки и повышения качества очищенной воды Н. С. Серпокрылов с сотр. в качестве субстрата предлагает использовать гранулы перлитмагносульфоната диаметром 1,0 – 2,5 мм, объёмной массой 0,3 – 0,9 кг/л. Материал получают термообработкой перлита, смешанного с сульфатно-дрожжевой бражкой и являющийся отходом целлюлозно-бумажной промышленности. В порах перлитмагносульфоната закрепляются хромвосстанавливающие бактерии, не вымывающиеся потоком очищенной воды.

Время биохимического восстановления Cr (VI) при использовании в качестве перлитмагносульфоната составляет 2,5 – 6,0 ч (исходная концентрация Cr (VI) – 16,60 – 52 – 50 мг/л). Время восстановления хром при внесении в среду нефтепродуктов (прототип) – 40 – 24 час при исходных концентрациях Cr (VI) 5,12 – 29,0 мг/л.

Хромвосстанавливающие бактерии хорошо иммобилизируется на керамзите, пенополиуретане, ершах из стекловолокна. Максимальную способность к закреплению бактерии проявляли в логарифмической фазе роста.

1.3 Очистка в результате деятельности сульфатредуцирующих бактерий

Имеется ряд технических решений по использованию сульфатредуцирующих бактерии для осаждения ионов металлов из промышленных сточных вод. В основу технологии положен принцип стимуляции развития сульфат-редуцирующих бактерий в анаэробных условиях обогащением среды доступным для них органическим. В этих целях предпочтительно использование дешёвых, характерных для данного производства органических соединений.

Для очистки воды от ионов вольфрама и молибдена готовят эмульсию из смеси олеиновой кислоты (40 – 200 мг/л), керосина (40 – 200 мг), терпениола (10 – 50 мг), затем смешивают её с водным раствором ксантогената натрия. Полученную эмульсию в качестве углеродного питания для сульфатредуцирующих бактерий вносят в ёмкость для культивирования микроорганизмов

объёмом 10 л. Процесс ведут 10 дней непрерывно в анаэробных условиях при постоянной циркуляции активного ила. Скорость потока жидкости – 0,5 г/л, температура 18 – 20о С, скорость перемешивания не более 96 об/мин. Анаэробиоз поддерживается продуванием газообразного азота через систему.

Эффективность очистки от ионов металлов – 94 – 98%, на 70 – 80% снижается концентрация сульфидов и на 50% - органического углерода.

Очистку стоков горнообогатительного комбината от висмута производят следующим способом. В качестве органического питания для развития сульфатредуцирующих бактерий в воду вносят обработанную смесь флотореагентов – продукты производства диоксана в виде одноатомных спиртов пиранового и диоксанового ряда и гликолий. Эффективность очистки от ио-

нов висмута заметно возрастает с введением в состав микробиоциноза активного ила метанообразующих железоокисляющих бактерий рода Leptothrix.

При переработке отходов фотодела, содержащих ионы серебра, для стимуляции деятельности сульфатредуцирующих бактерий в среду вносят желатин (250 мг/л). Бактерии активно продуцируют сероводород, осаждающие серебро в виде чёрного налёта на стенках биотенка. Эффективность очистки при концентрации As+ до 25 мг/л стопроцентная, с повышением концентрации в растворе она снижается.

Для защиты сульфатредуцирующих бактерий от токсического действия металлов при залповых сбросах. А.Н.Илялетдинов и др. (1986) рекомендуют разделить бактерии и ионы металлов полупроницаемой пленкой, чтобы осаждение металлов осуществлялось диффундирующим через пленку сероводородом. В одном случае бактерии культивирует в ёмкости из целлофана, опущенной в раствор, содержащий металл в другом сквозь целлофановую трубку протекает раствор с ионами металлов, а бактерии выращиваются с внешней стороны трубки в культиваторе.

Устройство для осаждения ионов тяжёлых металлов сероводородом биогенного происхождения состоит из двух соединённых трубопроводами сосудов, один из них предназначен для культивирования сульфатредуцирующих бактерий, а другой - для контактирования культуральной жидкости со сточной водой, проходящей через трубопровод. Во втором сосуде расположен трубопровод из полупроницаемой мембраны (целлофана).

Установка состоит из герметичной реакционной ёмкости, соединённой с ёмкостью для выращивания микроорганизмов трубопроводами. На трубопроводе монтируют датчики температуры, pH и окислительно-восстановительного потенциала. Внутри ёмкости помещён трубопровод из целлофана для пропускания очищаемой воды. Очищенная вода поступает в лоток-отстойник.

Устройство работает следующим образом. В ёмкость заливают воду, вносят избыток источника сульфатов, например гипса, добавляют органическое вещество как источник углерода для сульфат - восстанавливающих бактерий, вводят культуру микроорганизмов и культивируют в течение 7 – 10 дней для образования достаточной концентрации сероводорода в среде (300 – 800 мг/л). За оптимумом условий в культуральной среде следят по показаниям датчиков и при необходимости корректируют условия в ёмкости. Воду, содержащую ионы тяжелых металлов (ИТМ), прокачивают по трубопроводу, культуральную среду направляют из ёмкости через трубопровод в другую ёмкость, а из неё по трубопроводу – в ёмкость, т. е. культуральная жидкость циркулирует по замкнутому контуру.

Сероводород, продуцируемый микроорганизмами в ёмкости, проникает в трубопровод и осаждает ИТМ. Образовавшийся нерастворимый сульфид металла током воды выносится в лоток – отстойник. Используя зависимость образования сульфидов различных металлов от величины pH раствора, в потоке очищаемой воды создают нужное значение рН и селективно при более кислом значении рН осаждают металл в виде сульфида металла. С целью очистки воды, выходящей из лотка-отстойника, от другого иона металла, рН доводят щёлочью до требуемого для осаждения другого сульфидаметалла и вновь пропускают по трубопроводу через ёмкость.

2. Бактериальное окисление соединений железа

В некоторых водоемах с пресной водой, где в высоких концентрациях содержатся восстановленные формы железа, железобактерии образуют природные колонии, покрытые коркой окиси железа. Биологическое значение окисления железа различно для разных организмов. Thiobacillus ferrooxidans обладает литоавтотрофным обменом, окисляя двухвалентное железо в трехвалентное через цитохром с и цитохромоксидазу. Образующийся при этом АТФ служит для фиксации углекислого газа. Th. Ferrooxidans способен окислять пирит (FeS2 ) с образованием трехвалентнго железа и серной кислоты. Развиваясь в кислой среде организм не образует оформленных соединений железа, но при этом идет реакция

4 Fe²⁺ + 4 H⁺ + O₂ = 4 Fe³⁺ + 2 Н₂О

К собственно железобактериям относят организмы, образующие оформленные осадки железа. Наиболее типичными представителями являются нитчатые, заключенные в чехол бактерии группы Sphaerotius, а также представители родов Leptothrix, Toxothrix, Siderococcus. Их легко выращи-

вать в средах, содержащих органические вещества и железо. Такие организмы накапливают в чехлах окись железа, но их способность развиваться как хемоавтотрофы не доказана. Наиболее очевидна такая способность для железобактерии рода Gallionella. Это чрезвычайно мелкий организм, едва отличимый от частиц железистого осадка. Она растет на минеральной среде, содержащей в качестве минерального источника восстановленного железа осадок сульфида железа. Культура образует хлопьевидные колонии на стенках сосуда, которые состоят из окисла железа, а маленькие бобовидные клетки располагаются на разветвленных кончиках пропитанных гидроокисью железа стебельков.

3. Очистка воды от металлов путём адсорбции на микробной биомассе

Биомасса практически всех видов микроорганизмов, включая бактерии и грибы, способна адаптировать металл из раствора и тем самым снижать концентрацию или полностью удалять металл из водного раствора. В нашей стране разработана технология извлечения золота из оффинатных растворов ювелирного производства путём адсорбции на мицелии грибов.

Drobot (1981) предложил способ извлечения металлов из водной среды обработкой её грибным мицелием, причём для этих целей может быть использована биомасса широкого набора грибов: пенициллов, триходерм, кладоспориумов и других. Мицелий с иммобилизованным на его поверхности металлом в последствии отделяется от водной фазы, сжигается, и металл

концентрируется в золе. Мицелий отделяется от водной фазы фильтрованием или центрифугированием, последнее предпочтительно, так как фильтры легко забиваются грибными клетками. Срок контакта мицелия со сточной водой – 4 – 48 ч, в среднем 24, температура – от 5 до 50оС, чаще в пределах 20 – 40⁰С. Для предотвращения выпадения неблагородных металлов при осаждении на мицелий драгоценных металлов процесс осуществляется при рН раствора 1 – 3, в остальных случаях рН может колебаться в пределах 4 – 8.

Грибы выращиваются отдельно от сточной воды, затем выращенный мицелий вносится в раствор, содержащий металл. Если грибы адаптированы к имеющимся в растворе концентрациям металлов, их можно выращивать в сточной воде с добавлением питательных веществ. В качестве источника углерода в среду добавляются муравьиная и лимонная кислоты, а также азот в аммонийной, реже нитратной, форме. Карбонат кальция вносится как источник кальция и кислорода. Гриб можно выращивать на твердом носителе, а также для контакта со сточной водой мицелий можно фиксировать на губчатой пластинке или каучуке, и тогда движущаяся лента или вращающийся диск с мицелием адсорбируют металл из водной фазы. По выходе из водной среды твердый носитель освобождается от мицелия.

Сточные воды с ионами металлов по трубопроводу поступают в ёмкость для извлечения металлов, которая имеет водяную рубашку для поддержания температуры. Биомасса для иммобилизации или посевной материал для культивирования гриба подаются в ёмкость по трубопроводу в количестве 5% от объёма жидкости в ёмкости. Обработка осуществляется в

аэробных условиях перемешиванием или подачей воздуха и диоксида углерода при заданных рН и температуре. Исключение перемешивания может создать анаэробиоз, в этом случае внесение карбоната кальция частично компенсирует недостаток углерода. Питательные вещества и карбонат кальция подаются в ёмкость через трубопровод, а воздух и диоксид углерода - трубопровод и барботажное устройство. Содержимое ёмкости может приводиться в движение мешалкой.

По истечении времени контакта мицелия со сточной водой сточные воды из ёмкости подаются по трубопроводу в центрифугу, отдельная от биомассы жидкость удаляется через трубопровод. Из центрифуги биомасса гриба поступает в трубопровод, откуда часть по трубопроводам и может вернуться в ёмкость в качестве посевного материала или адсорбента металлов. Большая часть мицелия по трубопроводу попадает в сушилку и, далее, на сжигание. Зола, содержащая металл, идет на дальнейшую обработку и извлечение металлов известными методами.

Очень близкий к описанному способу прием разработан Л.Р.Сидоренко с сотр. (1985). Он касается очистки водных растворов от хрома сорбцией на мицелии гриба Aspergillus flavus. Гриб выращивают на хромосодержащей среде с добавлением источников углерода (сахароза) и азота. Оптимальный срок культивирования гриба – 10 суток. Выращенный мицелий гриба с адсорбированным хромом отделяют от воды фильтрацией, сушат при 50 – 70°С до постоянной массы, при 500 - 700°С в течение 2 – 3 ч проводят озоление мицелия, минеральный остаток оплавляют с двууглекислым натрием, растворяют в минеральной кислоте и определяют концентрацию извлеченного хрома.

Результаты лабораторного эксперимента по адсорбции ртути на микробной биомассе и активном иле были проверены нами в производственных условиях очистных сооружений ацетальдегидного производства. Очистка осуществлялась следующим образом. Сточные воды, пройдя узел отделения от песка, поступают в распределительный лоток первичных

отстойников, куда из иловой насосной подается активный ил в количестве до 500 м3 / ч из расчета 0,02 – 2,0 г влажного ила на 1,0 мг металла и далее – в первичный отсек первичного отстойника. Для лучшего контакта активного ила и воды, а также экстракции из нее металла в камеры подается воздух количестве 10 м³ / м³ воды. В двух первых камерах первичного отстойника сточная вода и ил перемешиваются в течение часа – это оптимальное время контакта биосорбента и воды. Из второй камеры первичного отстойника смесь воды и ила без подачи воздуха последовательно поступает в камеры для осаждения ила. За 1 – 1,5 часа происходит накопление ила в илоуплотни-

телях. Очищенная от металла вода поступает в аэротенки, где происходит очистка стоков от органических веществ. Из уплотнителей по мере уплотнения ил собирается в иловую галерею, где смыкается с трубопроводом, отводящим ил на иловые площадки для высушивания. Подсушенный ил (с остаточной влажностью 50 – 60 %) затаривается в барабаны и отправляется на регенерацию металла.

Технология очистки промышленных стоков от ионов ртути не должна допускать попадания ионов ртути в активный ил аэротенков. С этой целью контакт ила с ионами ртути осуществляется на стадии предшествующей биологической очистки в аэротенках, а именно в первичных отстойниках, с выводом биосорбента на иловые площадки и последующей его регенерацией.

Технология удаления ртути из стоков на ранних этапах очистки путем ее адсорбции на активном иле, искусственно внесенном в первичный отстойник очистных сооружений, обеспечивает оптимальную работу микрофлоры активного ила.

Биохимический метод очистки сточных вод с использованием активного ила в качестве главного технологического агента оправдал себя.

С развитием промышленного производства в стоки вносится неконтролируемое количество различных ксенобиотиков, что ведет к нарушению экологического равновесия в биоценозах. Однако положения и подходы, сформулированные в микробиологии очистки сточных вод требуют рациональной стратегии при совершенствовании технологии обезвреживания промышленных сточных вод. Возникает необходимость сознательного формирования пространственной сукцессии микроорганизмов с включением в нее отобранных из производственных стоков или специально селекционированных штаммов микроорганизмов-деструкторов доминирующих загрязнителей, наиболее токсичных для микрофлоры активного ила. Отбор должен быть целенаправленным, с учетом химической природы.

С развитием промышленного производства в стоки вносится неконтролируемое количество различных ксенобиотиков, что ведет к нарушению экологического равновесия в биоценозах. Однако положения и подходы, сформулированные в микробиологии очистки сточных вод требуют рациональной стратегии при совершенствовании технологии обезвреживания промышленных сточных вод. Возникает необходимость сознательного формирования пространственной сукцессии микроорганизмов с включением в нее отобранных из производственных стоков или специально селекционированных штаммов микроорганизмов-деструкторов доминирующих загрязнителей, наиболее токсичных для микрофлоры активного ила. Отбор должен быть целенаправленным, с учетом химической природы

Лекция 11.

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

В последние годы как в научно-технической литературе, так и в популярных изданиях появляются многочисленные публикации о нетрадиционных возобновляемых источниках энергии (НВИЭ). Оценки возможностей их широкого применения колеблются от восторженных до умеренно пессимистических. «Зеленые» призывают вообще заменить всю традиционную топливную и атомную энергетику на использование НВИЭ. Мнения специалистов гораздо более осторожны.

Энерговооруженность общества – основа его научно-технического прогресса, база развития производительных сил. Её соответствие общественным потребностям – важнейший фактор экономического роста. Развивающееся мировое хозяйство требует постоянного наращивания энерговооруженности производства. Она должна быть надежна и с расчетом на отдаленную перспективу. Энергетический кризис 1973-1974 гг. в капиталистических странах продемонстрировал, что этого трудно теперь достичь, основываясь лишь на традиционных источниках энергии (нефти, угле, газе). Необходимо не только изменить структуру их потребления, но и шире внедрять нетрадиционные, альтернативные источники энергии. К ним относят солнечную, геотермальную и ветровую энергию, а также энергию биомассы, океана и пр. Относят к ним обычно и атомную энергию. Однако на нынешнем этапе развития атомном энергетики это представляется условным.

В отличие от ископаемых топлив нетрадиционные формы энергии не ограничены геологически накопленными запасами. Это означает, что их использование и потребление не ведет к неизбежному исчерпанию запасов.

Основной фактор при оценке целесообразности использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии – стоимость производимой энергии в сравнении со стоимостью энергии, получаемой при использовании традиционных источников. Особое значение приобретают нетрадиционные источники для удовлетворения локальных потребителей энергии.

Рассмотренные в работе новые схемы преобразования энергии можно объединить единым терминов «экоэнергетика», под которым подразумеваются любые методы получения чистой энергии, не вызывающие загрязнения окружающей среды.

Солнечная энергия

Всего за три дня Солнце посылает на Землю столько энергии, сколько её содержится во всех разведанных запасах ископаемых топлив, а за 1 сек. – 170 млрд. Дж. Большую часть этой энергии рассеивает или поглощает атмосфера, особенно облака, и только треть её достигает земной поверхности. Вся энергия, испускаемая Солнцем, больше той её части, которую получает Земля, в 5 млрд. раз. Но даже такая «ничтожная» величина в 1600 раз больше энергии, которую дают все остальные источники, вместе взятые. Солнечная энергия, падающая на поверхность одного озера, эквивалентна мощности крупной электростанции.

Солнечная энергия - наиболее грандиозный, дешевый, но и, пожалуй, наименее используемый человеком источник энергии.

В последнее время интерес к проблеме использования солнечной энергии резко возрос. Потенциальные возможности энергетики, основанные на использовании непосредственного солнечного излучения, чрезвычайно велики.

Использование всего лишь 0,0125% энергии Солнца могло бы обеспечить все сегодняшние потребности мировой энергетики, а использование 0,5% полностью покрыть потребности на перспективу. К сожалению, вряд ли когда-нибудь эти громадные потенциальные ресурсы удастся реализовать в больших масштабах. Только очень небольшая часть этой энергии может быть практически использована. Едва ли не главная причина подобной ситуации – слабая плотность солнечной энергии. Простой расчет показывает, что если снимаемая с 1 м 2 освещенной солнцем поверхности мощность в среднем составляет 160 Вт, то для генерирования 100 тыс. кВт нужно снимать энергию с площади в 1,6 км 2. Ни один из известных в настоящее время способов преобразования энергии не может обеспечить экономическую эффективность такой трансформации.

Выше говорилось о средних величинах. Доказано, что в высоких широтах плотность солнечной энергии составляет 80 – 130 Вт/м2, в умеренном поясе – 130 – 210, а в пустынях тропического пояса 210 – 250 Вт /м 2. Это означает, что наиболее благоприятные условия для использования солнечной энергии существуют в развивающихся странах Африки, Южной Америки, в Японии, Израиле, Австралии, в отдельных районах США (Флорида, Калифорния). В СНГ в районах, благоприятных для этого, живет примерно 130 млн. человек, в том числе 60 млн. в сельской местности.

Однако даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения составляет не более 250 Вт /м 2. Поэтому, чтобы коллекторы солнечного излучения «собирали» за год энергию, необходимую для удовлетворения всех потребностей человечества, нужно разместить их на территории 130 000 км 2. Необходимость использовать коллекторы огромных размеров, кроме того, влечет за собой значительные материальные затраты, Простейший коллектор солнечного излучения представляет собой зачерненный металлический (как правило, алюминиевый) лист, внутри которого располагаются трубы с циркулирующей в ней жидкостью. Нагретая за счет солнечной энергии, поглощенной коллектором, жидкость поступает для непосредственного использования. Согласно расчетам изготовление коллекторов солнечного излучения площадью 1 км 2, требует примерно 10000 тонн алюминия. Доказанные же на сегодня мировые запасы этого металла оцениваются в 1170000 000 тонн.

Из вышеизложенного ясно, что существуют разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики.

Солнечная энергетика относится к наиболее материалоёмким видам производства энергии. Крупномасштабное использование солнечной энергии влечет за собой гигантское увеличение потребности в материалах, а, следовательно, и в трудовых ресурсах для добычи сырья, его обогащения, получения материалов, изготовление гелиостатов, коллекторов, другой аппаратуры, их перевозки. Пока ещё электрическая энергия, рожденная солнечными лучами, обходится намного дороже, чем получаемая традиционными способами. Ученые надеются, что эксперименты, которые они проводят на опытных установках и станциях, помогут решить не только технические, но и экономические проблемы.

Но, тем не менее, станции-преобразователи солнечной энергии строят, и они работают.

Солнечную радиацию при помощи гелиоустановок преобразуют в тепловую или электрическую энергию, удобную для практического применения. В южных районах нашей страны созданы десятки солнечных установок и систем. Они осуществляют горячее водоснабжение, отопление и кондиционирование воздуха жилых и общественных зданий, животноводческих ферм и теплиц, сушку сельскохозяйственной продукции, термообработку строительных конструкций, подъем и опреснение минерализованной воды и др.

С 1988 года на Керченском полуострове работает Крымская солнечная электростанция. Она невелика – мощность всего 5 МВт. Она работает без каких-либо выбросов в окружающую среду, что особо важно в курортной зоне, и без использования органического топлива. Работая 2000 часов в год, станция вырабатывает 6 млн. кВт электроэнергии.

С начала 50-х годов в нашей стране космические летательные аппараты используют в качестве основного источника энергопитания солнечные батареи, которые непосредственно преобразуют энергию солнечной радиации в электрическую. Они являются практически незаменимым источником электрического тока в ракетах, спутниках и автоматических межпланетных станциях.

Освоение космического пространства позволяет разрабатывать проекты солнечно-космических электростанций для энергоснабжения Земли. Эти станции, в отличие от земных, не только смогут получать более плотный поток теплового солнечного излучения, но и не зависят от погодных условий и смены дня и ночи. Ведь в космосе Солнце сияет с неизменной интенсивностью.

Продолжается изучение возможностей более широкого использования гелиоустановок: «солнечные» крыши на домах для энерго- и теплоснабжения, «солнечные» крыши на автомобилях для подзарядки аккумуляторов, «солнечные» фермы в сельских районах и т.д.

Ученые и энергетики продолжают вести работу по поиску новых более дешевых возможностей использования солнечной энергии. Возникают новые идеи, новые проекты.

Энергия ветра.

Человек использует энергию ветра с незапамятных времен. Но его парусники, тысячелетиями бороздившие просторы океанов, и ветряные мельницы использовали лишь ничтожную долю из тех 2,7 трлн. кВт энергии, которыми обладают ветры, дующие на Земле. Полагают, что технически возможно освоение 40 млрд. кВт, но даже это более чем в 10 раз превышает гидроэнергетический потенциал планеты.

Почему же столь обильный доступный и экологически чистый источник энергии так слабо используется? В наши дни двигатели, использующие ветер, покрывают всего одну тысячную мировых потребностей в энергии.

Ветровой энергетический потенциал Земли в 1989 году был оценен в 300 млрд. кВт * ч в год. Но для технического освоения из этого количества пригодно только 1,5%. Главное препятствие для него – рассеянность и непостоянство ветровой энергии. Непостоянство ветра требует сооружения аккумуляторов энергии, что значительно удорожает себестоимость электроэнергии. Из-за рассеянности при сооружении равных по мощности солнечных и ветровых электростанций для последних требуется в пять раз больше площади (впрочем, эти земли можно одновременно использовать и для сельскохозяйственных нужд). Но на Земле есть и такие районы, где ветры дуют с достаточным постоянством и силой. (Ветер, дующий со скоростью 5-8 м/сек., называется умеренным, 14-20 м/сек. – сильный, 20-25 м/сек. – штормовым, а свыше 30 м/сек. – ураганным). Примерами подобных районов могут служить побережья Северного, Балтийского, арктических морей.

Новейшие исследования направлены преимущественно на получение электрической энергии из энергии ветра. Стремление освоить производство ветроэнергетических машин привело к появлению на свет множества таких агрегатов. Некоторые из них достигают десятков метров в высоту, и, как полагают, со временем они могли бы образовать настоящую электрическую сеть. Малые ветроэлектрические агрегаты предназначены для снабжения электроэнергией отдельных домов.

Сооружаются ветроэлектрические станции преимущественно постоянного тока. Ветряное колесо приводит в движение динамо-машину – генератор электрического тока, который одновременно заряжает параллельно соединенные аккумуляторы.

Сегодня ветроэлектрические агрегаты надежно снабжают током нефтяников; они успешно работают в труднодоступных районах, на дальних островах, в Арктике, на тысячах сельскохозяйственных ферм, где нет поблизости крупных населенных пунктов и электростанций общего пользования.

Основное направление использования энергии ветра – получение электроэнергии для автономных потребителей, а также механической энергии для подъема воды в засушливых районах, на пастбищах, осушения болот и др. В местностях, имеющих подходящие ветровые режимы, ветроустановки в комплекте с аккумуляторами можно применять для питания автоматических метеостанций, сигнальных устройств, аппаратуры радиосвязи, катодной защиты от коррозии магистральных трубопроводов и др.

По оценкам специалистов, энергию ветра можно эффективно использовать там, где без существенного хозяйственного ущерба допустимы кратковременные перерывы в подаче энергии. Использование же ветроустановок с аккумулированием энергии позволяет применять их для снабжения энергией практически любых потребителей.

Мощные ветровые установки стоят обычно в районах с постоянно дующими ветрами (на морских побережьях, в мелководных прибрежных зонах и т.д.) Такие установки уже используют в России, США, Канаде, Франции и других странах.

Широкому применению ветроэлектрических агрегатов в обычных условиях пока препятствует их высокая себестоимость. Вряд ли требуется говорить, что за ветер платить не нужно, однако машины, нужные для того, чтобы запрячь его в работу, обходятся слишком дорого.

При использовании ветра возникает серьезная проблема: избыток энергии в ветреную погоду и недостаток её в периоды безветрия. Как же накапливать и сохранить впрок энергию ветра? Простейший способ состоит в том, что ветряное колесо движет насос, который накапливает воду в расположенный выше резервуар, а потом вода, стекая из него, приводит в действие водяную турбину и генератор постоянного или переменного тока. Существуют и другие способы и проекты: от обычных, хотя и маломощных аккумуляторных батарей до раскручивания гигантских маховиков или нагнетания сжатого воздуха в подземные пещеры и вплоть до производства водорода в качестве топлива. Особенно перспективным представляется последний способ. Электрический ток от ветроагрегата разлагает воду на кислород и водород, Водород можно хранить в сжиженном виде и сжигать в топках тепловых электростанций по мере надобности.

Геотермальная энергия

Издавна люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится – нет пока у людей возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это - проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через огнедышащие жерла вулканов.

Энергетика земли (геотермальная энергетика) базируется на использовании природной теплоты Земли. Недра Земли таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источник энергии. Ежегодное излучение внутреннего тепла на нашей планете составляет 2,8 * 1014 млрд. кВт * час. Оно постоянно компенсируется радиоактивным распадом некоторых изотопов в земной коре.

Источники геотермальной энергии могут быть двух типов. Первый тип – это подземные

бассейны естественных теплоносителей – горячей воды (гидротермальные источники), или пара (паротермальные источники), или пароводяной смеси. По существу, это непосредственно готовые к использованию «подземные котлы», откуда воду или пар можно добыть с помощью обычных буровых скважин. Второй тип – это тепло горячих горных пород. Закачивая в такие горизонты воду, можно также получить пар или перегретую воду для дальнейшего использования в энергетических целях.

Но в обоих вариантах использования главный недостаток заключается, пожалуй, в очень слабой концентрации геотермальной энергии. Впрочем, в местах образования своеобразных геотермических аномалий, где горячие источники или породы подходят сравнительно близко к поверхности и где при погружении вглубь на каждые 100 м температура повышается на 30-40°С, концентрации геотермальной энергии могут создавать условия и для хозяйственного её использования. В зависимости от температуры воды, пара или пароводяной смеси геотермальные источники подразделяются на низко- и среднетемпературные (с температурой до 130 – 150° С) и высокотемпературные (свыше 150°). От температуры во многом зависит характер их использования.

Можно утверждать, что геотермальная энергия имеет четыре выгодных отличительных черты.

Во-первых, её запасы практически неисчерпаемы. По оценкам конца 70-х годов до глубины 10 км они составляют такую величину, которая в 3,5 тысячи раз превышает запасы традиционных видов минерального топлива.

Во-вторых, геотермальная энергия довольно широко распространена. Концентрация её связана в основном с поясами активной сейсмической и вулканической деятельности, которые занимают 1/10 площади Земли. В пределах этих поясов можно выделить отдельные наиболее перспективные «геотермальные районы», примерами которых могут служить Калифорния в США, Новая Зеландия, Япония, Исландия, Камчатка, Северный Кавказ в России. Только в бывшем СССР к началу 90-х годов было открыто около 50 подземных бассейнов горячей воды и пара.

В-третьих, использование геотермальной энергии не требует больших издержек, т.к. в данном случае речь идет об уже «готовых к употреблению», созданных самой природой источниках энергии.

Наконец, в-четвертых, геотермальная энергия в экологическом отношении совершенно безвредна и не загрязняет окружающую среду.

Человек издавна использует энергию внутреннего тепла Земли (вспомним хотя бы знаменитые Римские бани), но её коммерческое использование началось только в 20-х годах нашего века со строительством первых геоЭС в Италии, а затем и в других странах. К началу 80-х годов в мире действовало около 20 таких станций общей мощностью 1,5 млн. кВт. Самая крупная из них – станция Гейзерс в США (500 тыс. кВт).

Геотермальную энергию используют для выработки электроэнергии, обогрева жилья, теплиц и т.п. В качестве теплоносителя используют сухой пар, перегретую воду или какой-либо теплоноситель с низкой температурой кипения (аммиак, фреон и т.п.).

Энергия мирового океана

Резкое увеличение цен на топливо, трудности с его получением, истощение топливных ресурсов – все эти видимые признаки энергетического кризиса вызывали в последние годы во многих странах значительный интерес к новым источникам энергии, в том числе к энергии Мирового океана.

Известно, что запасы энергии в Мировом океане колоссальны, ведь две трети земной поверхности (361 млн. кв. км) занимают моря и океаны: акватория Тихого океана составляет 180 млн. кв. км, Атлантического – 93 млн. кв. км, Индийского – 75 млн. кв. км. Так, тепловая энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, скажем, на 20 градусов, имеет величину порядка 1026 Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 1018 Дж. Однако пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной.

Энергия океана давно привлекает к себе внимание человека. В середине 80-х годов уже действовали первые промышленные установки, а также велись разработки по следующим основным направлениям: использование энергии приливов, прибоя, волн, разности температур воды поверхностных и глубинных слоев океана, течений и т.д.

Веками люди размышляли над причиной морских приливов и отливов. Сегодня мы достоверно знаем, что могучее природное явление – ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца. Приливные волны таят в себе огромный энергетический потенциал – 3 млрд. кВт.

Растет интерес специалистов к приливным колебаниям уровня океана у побережий материков. Энергию приливов на протяжении веков человек использовал для приведения в действие мельниц и лесопилок. Но с появлением парового двигателя она была предана забвению до середины 60-х годов, когда были пущены первые ПЭС во Франции и СССР.

Приливная энергия постоянна. Благодаря этому, количество вырабатываемой на приливных электростанциях (ПЭС) электроэнергии всегда может быть заранее известно, в отличие от обычных ГЭС, на которых количество получаемой энергии зависит от режима реки, связанного не только с климатическими особенностями территории, по которой она протекает, но и с погодными условиями.

Тем не менее ученые считают, что технически возможно и экономически выгодно использовать лишь очень небольшую часть приливного потенциала Мирового океана – по некоторым оценкам только 2%.При определении технических возможностей большую роль играют такие факторы, как характер береговой линии, форма и рельеф дна, глубина воды, морские течения и ветер. Опыт показывает, что для эффективной работы ПЭС высота приливной волны должна быть не менее 5 м. Чаще всего такие условия возникают в мелких и узких заливах или устьях рек, впадающих в моря и океаны. Но подобных мест на всём земном шаре не так уж много: по разным источникам 25, 30 или 40.

При оценке экономических выгод строительства ПЭС также нужно учитывать, что наибольшие амплитуды приливов-отливов характерны для окраинных морей умеренного пояса. Многие из этих побережий расположены в необжитых местах, на большом удалении от главных районов расселения и экономической активности, следовательно, и потребления электроэнергии. Нужно учитывать также и то, что рентабельность ПЭС резко возрастает по мере увеличения их мощности до 3-5 и тем более 10-15 млн. кВт. Но сооружение таких станций-гигантов, к тому же в отдаленных районах, требует особенно больших затрат, не говоря уже и о сложнейших технических проблемах.

Считается, что наибольшими запасами приливной энергии обладает Атлантический океан. В его северо-западной части, на границе США и Канады, находится залив Фанди, представляющий собой внутреннюю суженную часть более открытого залива Мен. Длина его 300 км при ширине 90 км, глубина у входа более 200 м. Этот залив знаменит самыми высокими в мире приливами, достигающими 18 м. Очень высоки приливы и у берегов Канадского арктического архипелага. Например, у побережья Баффиновой земли они поднимаются на 15,6 м. В северо-восточной части Атлантики примерно такие же приливы наблюдаются в проливе Ла-Манш у берегов Франции, в Бристольском заливе и Ирландском море у берегов Англии и Ирландии.

Велики также запасы приливной энергии в Тихом океане. В его северо-западной части особенно выделяется Охотское море, где в Тугурском и Пенжинском заливах высота приливной волны составляет 9-13 м. Значительные приливы наблюдаются и у побережий Китая и Корейского полуострова. На восточном побережье Тихого океана благоприятные условия для использования приливной энергии имеются у берегов Канады, Чилийского архипелага на юге Чили, в узком и длинном Калифорнийском заливе Мексики.

В пределах Северного Ледовитого океана по запасам приливной энергии выделяются Белое море, в Мезенской губе которого приливы имеют высоту до 10 м, и Баренцево море у берегов Кольского полуострова (до 7 м). В Индийском океане запасы такой энергии значительно меньше. В качестве перспективных для строительства ПЭС здесь обычно называются залив Кач Аравийского моря (Индия) и северо-западное побережье Австралии.

Несмотря на такие, казалось бы весьма благоприятные, природные предпосылки, строительство ПЭС пока имеет довольно ограниченные масштабы. По существу реально можно говорить лишь о более или менее крупной промышленной ПЭС «Ранс» во Франции, об опытной Кислогубской ПЭС на Кольском полуострове(Россия) и канадско-американской ПЭС в заливе Фанди.

При сооружении ПЭС необходимо всесторонне оценивать их экологическое воздействие на окружающую среду. Оно довольно велико. В районах сооружения крупных ПЭС существенно изменяется высота приливов, нарушается водный баланс в акватории станции, что может серьёзно сказаться на рыбном хозяйстве, разведении устриц, мидий и пр.

К числу энергетических ресурсов Мирового океана относят также энергию волн и температурного градиента. Энергия ветровых волн суммарно оценивается в 2,7 млрд. кВт в год. Опыты показали, что ее следует использовать не у берега, куда волны приходят ослабленными, а в открытом море или в прибрежной зоне шельфа. В некоторых шельфовых акваториях волновая энергия достигает значительной концентрации: в США и Японии – около 40 кВт на метр волнового фронта, а на западном побережье Великобритании – даже 80 кВт на 1 метр. Использование этой энергии, хотя и в местных масштабах, уже начато в Великобритании и Японии. Британские острова имеют очень длинную береговую линию, во многих местах море остается бурным в течение длительного времени. По оценкам ученых, за счет энергии морских волн в английских территориальных водах можно было бы получить мощность до 120 ГВт, что вдвое превышает мощность всех электростанций, принадлежащих Британскому центральному электроэнергетическому управлению.

Впервые идею использования энергии разности температур поверхностных и глубинных слоев воды Мирового океана предложил французский ученый д'Арсонвиль в 1881 году, но первые разработки начались лишь в 1973 году. Энергию разности температур различных слоев Мирового океана оценивают в 20-40 трлн. кВт. Из них практически могут быть использованы лишь 4 трлн. кВт.

Принцип действия этих станций заключается в следующем: теплую морскую воду (24-32° С) направляют в теплообменник, где жидкий аммиак или фреон превращаются в пар, который вращает турбину, а затем поступает в следующий теплообменник для охлаждения и конденсации водой с температурой 5-6 °С, поступающей с глубины 200-500 метров. Получаемую электроэнергию передают на берег по подводному кабелю, но ее можно использовать и на месте (для обеспечения добычи минерального сырья со дна или его выделения из морской воды). Достоинство подобных установок – возможность их доставки в любой район Мирового океана. К тому же, разность температур различных слоев океанической воды – более стабильный источник энергии, чем, скажем, ветер, Солнце, морские волны или прибой. Первая такая установка была пущена в 1981 году на острове Науру. Единственный недостаток таких станций – их географическая привязанность к тропическим широтам. Для практического использования температурного градиента наиболее пригодны те районы Мирового океана, которые расположены между 20° с.ш. и 29° ю.ш., где температура воды у поверхности океана достигает, как правило, 27-28° С, а на глубине 1 километр имеет всего 4-5° С.

В океане, который составляет 72% поверхности планеты, потенциально имеются различные виды энергии – энергия волн и приливов; энергия химических связей газов, солей и других минералов; энергия течений, спокойно и нескончаемо движущихся в различных частях океана; энергия температурного градиента и др., и их можно преобразовывать в стандартные виды топлива. Такие количества энергии, многообразие её форм гарантируют, что в будущем человечество не будет испытывать в ней недостатка.

Океан наполнен внеземной энергией, которая поступает в него из космоса. Она доступна и безопасна, и не затрагивает окружающую среду, неиссякаема и свободна. Из космоса поступает энергия Солнца. Она нагревает воздух, образуя ветры, вызывающие волны. Она нагревает океан, который накапливает тепловую энергию. Она приводит в движение течения, которые в тоже время меняют свое направление под воздействие вращения Земли. Из космоса же поступает энергия солнечного и лунного притяжения. Она является движущей силой системой Земля-Луна и вызывают приливы и отливы. Океан – это не плоское, безжизненное водное пространство, а огромная кладовая беспокойной энергии.

Энергия биомассы

Понятие «биомасса» относят к веществам растительного или животного происхождения, а также отходам, получаемым в результате их переработки. В энергетических целях энергию биомассы используют двояко: путем непосредственного сжигания или путем переработки в топливо (спирт или биогаз). Есть два основных направления получения топлива из биомассы: с помощью термохимических процессов или путем биотехнологической переработки. Опыт показывает, что наиболее перспективна биотехнологическая переработка органического вещества. В середине 80-х годов в разных странах действовали промышленные установки по производству топлива из биомассы. Наиболее широкое распространение получило производство спирта.

Одно из наиболее перспективных направлений энергетического использования биомассы – производство из неё биогаза, состоящего на 50-80% из метана и на 20-50% из углекислоты. Его теплотворная способность – 5-6 тыс. ккал/м3 .

Наиболее эффективно производство биогаза из навоза. Из одной тонны его можно получить 10-12 куб. м метана. А, например, переработка 100 млн. тонн такого отхода полеводства, как солома злаковых культур, может дать около 20 млрд. куб. м метана. В хлопкосеющих районах ежегодно остается 8-9 млн. тонн стеблей хлопчатника, из которых можно получить до 2 млрд. куб. м метана. Для тех же целей возможна утилизация ботвы культурных растений , трав и др.

Биогаз можно конвертировать в тепловую и электрическую энергию, использовать в двигателях внутреннего сгорания для получения синтезгаза и искусственного бензина.

Производство биогаза из органических отходов дает возможность решать одновременно три задачи: энергетическую, агрохимическую (получение удобрений типа нитрофоски) и экологическую.

Установки по производству биогаза размещают, как правило, в районе крупных городов, центров переработки сельскохозяйственного сырья.

Неоспоримая роль энергии в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область человеческой деятельности, которая не требовала бы, прямо или косвенно, большей энергии, чем могут дать мускулы человека.

Потребление энергии – важный показатель жизненного уровня. В те времена, когда человек добывал пищу, собирая лесные плоды и охотясь на животных, ему требовалось в сутки около 8 МДж энергии. После овладения огнем эта величина возросла до 16 МДж; в примитивном сельскохозяйственном обществе она составляла 50 МДж, а в более развитом – 100 МДж.

За время существования нашей цивилизации много раз происходила смена традиционных источников энергии на новые, более совершенные. И не потому, что старый источник бал исчерпан.

Сейчас, в начале 21-го века, начинается новый значительный этап земной энергетики. Появилась энергетика «щадящая», построенная так, чтобы человек не рубил сук, на котором он сидит, заботился об охране уже сильно поврежденной биосферы.

На пути широкого внедрения альтернативных источников энергии стоят трудно разрешимые экономические и социальные проблемы. Прежде всего это высокая капиталоемкость, вызванная необходимостью создания новой техники и технологии. Во-вторых, высокая материалоемкость : создание мощных ПЭС требует, к примеру, огромных количеств металла, бетона и т.д, В-третьих, под некоторые станции требуется значительное отчуждение земли или морской акватории. Кроме того, развитие использования альтернативных источников энергии сдерживается также нехваткой специалистов. Решение этих проблем требует комплексного подхода на национальном и международном уровне, что позволит ускорить их реализацию.

Малые гидроэлектростанции

Технически возможный гидроэнергетический потенциал составляет примерно 10% от полных запасов разведанного органического топлива. В настоящее время выработка на гидроэлектростанциях (ГЭС) РФ составляет 6% от общего производства электроэнергии. Опыт строительства гидроэлектростанций в бывшем СССР показал, что сооружение крупных ГЭС возможно только в экономически развитых странах из-за огромных затрат как на строительство, так и на природоохранные мероприятия. Кроме того, необходимы крупные капиталовложения на поддержку в работоспособном состоянии всего комплекса гидротехнических сооружений.

Поэтому использование гидроэнергетического потенциала на современном этапе возможно лишь на основе широкого применения гидроустановок (ГЭУ) малой мощности. В Российской Федерации находятся в эксплуатации малые ГЭС (МГЭС) суммарной мощностью 545 МВт. Они вырабатывают 1940 млн. кВтЧч электроэнергии в год. Практически все эти МГЭС расположены на Европейской территории РФ, При этом, основные суммарные мощности МГЭС (более 2/3) приходятся на районы Северо-Запада и Северного Кавказа.

Для увеличения мощности ГЭС, использующей энергию свободного потока, необходимо увеличивать скорость воды за счет применения сопл на входе и выходе установки.

Ветроэнергетические установки

В мировой практике широко используются ветроэнергетические установки (ВЭУ).

ВЭУ применяются для привода насосных станций, опреснения минерализованных вод, мелиорации земельных угодий. В настоящее время применяют ВЭУ двух конструктивных типов:

-с горизонтальной осью вращения, параллельной воздушному потоку;

- с вертикальной осью вращения, перпендикулярной воздушному потоку.

Для ВЭУ первого типа применяют двухлопастное ветроколесо, которое обеспечивает более высокую энергоемкость, чем многолопастное.

Ветродвигатели с вертикальной осью вращения имеет несколько важных преимуществ по сравнению с крыльчатыми ВЭУ с горизонтальной осью:

-отпадает необходимость в устройствах для ориентации на направление ветра;

- упрощается конструкция и монтаж, более удобным становится расположение генератора и редуктора;

-снижаются дополнительные механические напряжения в лопастях, системе передач, вызванные гироскопическими нагрузками.

Применяются более сложные конструкции ветроагрегатов с вертикальной осью вращения. К ним относятся:

-ветроагрегат с двухъярусными вертикальными лопастями на общем валу

- ветроагрегат с двумя лопастями, расположенными на тележках (ВЛ-2)

-многолопастной ветроагрегат, с лопастями расположенными на тележках

Средняя единичная мощность эксплуатируемых в мире ВЭУ составляет ~ 140 кВт. Примерно до середины 80-х годов ветроэлектростанции создавались на базе ВЭУ единичной мощностью менее 100 кВт. Переход в настоящее время к ВЭУ предельной мощности (3…4 МВт) оценивается в мире как преждевременный

Таким образом, к настоящему времени мировая ветроэнергетика превратилась в отрасль, вносящую в отдельных странах ощутимую долю в производстве электроэнергии.

Наиболее перспективные зоны для использования ветровой энергии в России находятся на прибрежной полосе шириной 50…100 км вдоль морей Северного Ледовитого океана, в отдельных прибрежных районах Дальнего Востока, в районах Балтийского, Черного и Каспийского морей. В этих районах среднегодовая скорость ветра равна 5…6 м/с и более.

Практическое освоение ветроэнергетики в РФ только начинается.

Вредные воздействия ветроустановок на окружающую среду выражаются в следующем:

- ВЭУ искажают естественный пейзаж;

-создают шум, в том числе могут возбуждать инфразвуковые колебания, неблагоприятно влияющие на обитателей биосферы вблизи ВЭУ;

- генерируют электромагнитные помехи.

Основным недостатком ВЭУ является неравномерность ветровой картины, поэтому их применение возможно только в комплексе с накопителями электрической энергии.

Солнечные электростанции

Солнце является основным источником всех видов получаемой на нашей планете энергии. В настоящее время пристальное внимание уделяется прямому использованию солнечной энергии. Основное направление утилизации солнечной теплоты базируется на использовании схем с концентрированием солнечной энергии посредством зеркал или линз. Существует много способов преобразования солнечной энергии в электрическую. Эффективным для большой энергетики является паротурбинный способ, аналогичный применяемому на обычных ТЭС. При этом используются два типа солнечных электростанций (СЭС): башенные СЭС и СЭС с солнечными прудами.

Солнечные электростанции башенного типа. В районах с большим числом солнечных дней в году целесообразно сооружение солнечных электростанций (СЭС) башенного типа.

Прерывистый характер солнечной радиации приводит к тому, что она не может использоваться как гарантированный источник электроэнергии. Для повышения надежности электроснабжения в технологическую схему СЭС включают аккумулятор энергии. Как правило, осуществляется аккумулирование теплоты. При этом используется две схемы накопления тепловой энергии: последовательная; параллельная.

Потери при преобразовании энергии солнечного излучения в ЭЭ складываются из геотермических потерь, зависящих от угла падения и затенения, потерь на отражение и поглощение, тепловых потерь в приемнике и теплоаккумуляторе.

Солнечные пруды. Другой способ использования солнечной энергии основан на том, что в водоем на различных уровнях вводится разное количество солей. При этом создаются слои (страты) солевого раствора с неодинаковой концентрацией и плотностью. Нижние слои, имеющие более высокую концентрацию и плотность, нагреваются под действием солнечной радиации более интенсивно. Технологическая схема использования возникающего температурного градиента проста: горячая вода (60-90 °С) из нижних слоев подается в теплообменник и используется для испарения жидкости с низкой температурой кипения (фреон, пропан, аммиак). Пары этой жидкости приводят во вращение турбоагрегат.

Фотоэлектрические электростанции. В фотоэлектрических станциях используется явление фотоэффекта, который подразделяется на три вида:

-внешний фотоэффект, представляющий собой вырывание электронов из поверхности металла под действием светового потока;

-внутренний фотоэффект - изменение электропроводности полупроводников и диэлектриков под действием света;

-фотоэффект запирающего слоя .

Для энергетических целей применим последний вид фотоэффекта. Устройства, реализующие данный вид фотоэффекта, называются фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП).

Для снижения стоимости ФЭП и повышения их общей эффективности используются различные системы концентрирования солнечного излучения: полимерные оптические линзы; линзы Френеля с точечной фокусировкой.

Космические солнечные системы. Огромное количество солнечной энергии, приходящей на Землю (приблизительно 0,15 МВтЧч на 1 м2 поверхности в год), затруднительно использовать из-за низкой плотности солнечной радиации и зависимости ее интенсивности от облачности и времени года. В настоящее время имеются технические возможности для создания СЭС, размещаемых на искуственных спутниках Земли с геостационарной орбитой. В этом случае солнечная энергия будет аккумулироваться непрерывно. Передача энергии на Землю должна осуществляться по сверхвысокочастотному (СВЧ) каналу с длиной волны 10 см (частота 2,4 ГГц).

Космические солнечные электростанции могут быть спроектированы на полезную электрическую мощность 3…20 ГВт. При использовании указанных ФЭП общая масса КСЭС мощностью 5 ГВт составит более 12000 тонн. Следует отметить, что кремниевые преобразователи достаточно дороги, так как производство монокристаллов высокой чистоты очень трудоемко. Галлиевые преобразователи имеют более высокий КПД, однако их применение ограничивается низким уровнем запасов галлия в природе, а также трудностью его добычи и переработки.

Недостаточно проработаны в настоящее время экологические аспекты строительства и эксплуатации КСЭС. Например, возможны неблагоприятные изменения картины распределения заряженных частиц в атмосфере из-за воздействия СВЧ - пучка, что приведет к возникновению помех в радиосвязи. Кроме того, СВЧ - излучение интенсивно поглощается молекулами воды и кислорода, что может вызывать локальный нагрев воздуха.

Приливные электростанции

Приливные электростанции (ПЭС) выгодно отличаются от речных ГЭС тем, что их работа определяется космическими явлениями и не зависит от природных условий, определяемых целым рядом случайных факторов. Ритмично, со строгой закономерностью, в одних местах каждые 12 ч 25 мин, а в других через 24 ч 50 мин могучая волна океанского прилива наступает на берег. Вызванный взаимодействием космических сил системы Земля-Луна-Солнце прилив плавно поднимает уровень моря у берега в зависимости от положения на планете, формы русла и береговой линии от нескольких сантиметров до многих метров. Мировой энергопотенциал морского прилива оценивается в 1 млрд. кВт, что в 2,5 раза больше, чем мощность всех существующих ГЭС на планете.

Главный недостаток ПЭС - неравномерный график работы. Неравномерность приливной энергии в течение лунных суток и месяца, отличных от солнечных, не позволяет систематически использовать эту энергию. Прилив в зависимости от видимости лунного диска от полнолуния к новолунию в течение 14,2 суток уменьшается в 3 раза. В момент , когда напор, определяемый разностью уровней воды в заливе и море, достигнет значения технического минимума, открываются затворы и турбины начинают работать. Так будет продолжаться до момента, когда напор вновь достигнет минимального значения . После выравнивания уровней в бассейне и море (момент ) затворы турбин закрываются. Поэтому уровень воды в заливе будет сохраняться неизменным, а в море в результате прилива повышаться. Этот процесс будет продолжаться до момента , когда снова возникает необходимый напор и турбины смогут начать работу.

В условиях современной энергетики, когда в энергосистемах имеются большие возможности маневрирования генерирующим оборудованием, от приливной электростанции не требуется непрерывная работа. Гораздо важнее получить от нее мощность в часы наибольшего потребления, что позволит обеспечить более равномерную работу нуждающихся в этом тепловых и атомных электростанций. При этом реализуется очень ценное качество приливной энергии, заключающееся в неизменности ее среднемесячного значения в любой сезон.

Другим серьезным препятствием для широкомасштабного сооружения ПЭС является дороговизна их строительства вследствие необходимости возведения сооружений на значительных глубинах при воздействии морской стихии. Для преодоления этого недостатка применяют при строительстве ПЭС наплавной способ, позволяющий построить здание ПЭС в благоприятных условиях приморского промышленного центра и в готовом виде со смонтированным оборудованием доставить его водным путем в труднодоступный с суши створ.

Природные условия России позволяют построить ПЭС с суммарной установленной мощностью около 150 тыс. МВт. Многолетние научные исследования привели к выводу о том, что возможно строительство нескольких ПЭС:

-Лумбовской в Баренцевом море мощность 320 МВт (в другом варианте 672 МВт);

-Мезенской в Белом море мощностью 15200 МВт и выработкой электроэнергии 42000 ГВт ч в год;

- Тугурской мощностьк 6800 МВт и выработкой электроэнергии 16200 ГВт* ч в год;

-Пенжинской мощность 21400 МВт (в другом варианте 87400 МВт) в Охотском море.

За рубежом работают три приливных станции:

-ПЭС Ранс мощностью 240 МВт во Франции (построена в 1967 г. и имеет 24 агрегата):

-ПЭС Цзянсян мощностью 32 МВт в Китае (пуск шести агрегатов осуществлен в период 1980…1985 гг.).

-ПЭС Аннаполис мощностью 196 МВт в Канаде (построена в 1984 г., имеет 1 агрегат).

Кроме того, в Китае построены десятки микро и мини ПЭС, являющихся элементами комплексов для осуществлении проектов обводнения, осушения, судоходства и т.д.

Большое количество агрегатов на ПЭС - серьезное препятствие для их сооружения, так как для создания такого числа агрегатов необходимо задействовать всю энергетическую промышленность страны.

Серьезное препятствие для создания описанных ПЭС - их исключительно большая установленная мощность, не имеющая аналогов в мире, и связанный с нею значительный объем капиталовложений.

Геотермальные электростанции

На геотермальных электростанциях (ГеоТЭС) в качестве источника энергии используется теплота земных недр. Источником геотермальной теплоты является горячая магма, которая проникает из недр Земли и в некоторых местах близко подходит к поверхности. Источники глубинной теплоты размещаются, как правило, вблизи границ литосферных плит и в районах повышенной геологической активности. Месторождения геотермальной энергии разделяются на шесть видов:

-гидротермальные системы (парогидротермы), залегающие на глубине до 3 км

-месторождения низкотемпературной геотермальной теплоты (100…200 °С);

-системы аномально высокого давления (глубина до 10 км);

-сухие горячие горные породы (глубина до 10 км);

-магма (на глубине до 10 км).

В настоящее время широкое применение находят месторождения первого типа.

При освоении геотермальных месторождений возникают сложные проблемы, препятствующие широкомасштабному использованию этого вида энергии.

Имеют место и значительные экологические проблемы:

-вероятность стимулирования землетрясений в результате гидравлического разрыва пласта;

-просадка почвы вследствие отбора воды;

-сильный шум, создаваемый из-за того, что при выходе на поверхность происходит резкое падение давления геотермального флюида;

- выброс вредных газов (двуокиси углерода СО₂ и сероводорода );

-трудности с ликвидацией отработанного рассола.

ГеоТЭС достигли в настоящее время уровня достаточной конкурентоспособности и широко используются в ряде стран, обладающих ресурсами геотермальной энергии Около 40% вынужденных аварийных остановов турбин на ГеоТЭС происходит из-за заноса солями первых двух ступеней сопловой решетки турбины и коррозионно-эрозионного разрушения последней ступени турбиныРоссия располагает большими потенциальными запасами геотермальной энергии в виде парогидротерм вулканических районов и энергетических термальных вод с температурой 60…200 °С в платформенных и предгорных районах. До последнего времени из за дешевизны органического топлива использование этих запасов было незначительным По мере приближения цен на топливо к мировым рентабельность геотермальной энергетики повышается и появляется возможность строительства мощных ГеоТЭС.

В настоящее время применяются два основных способа использования геотермальной энергии:

- ГеоТЭС на парогидротермах.

- Двухконтурные ГеоТЭС, использующие низкотемпературное (100-200 °С) тепло термальных вод.

Уже в ближайшие годы по мере роста потребления электроэнергии и повышения стоимости топлива геотермальные станции могут составить конкуренцию традиционным электростанциям.

Наша страна - пионер в создании энергоустановок на низкокипящих рабочих телах (РТ). Первая в мире опытная ГеоТЭС мощностью 600 кВт на хладоне R-12 была построена на Паратунском месторождении термальных вод на Камчатке еще в 1967 г.

.В настоящее время в России начато строительство двух коммерческих ГеоТЭС: Мутновской на Камчатке суммарной мощностью 200 МВт и Океанской в Сахалинской обл. суммарной мощностью 30 МВт.

Океанические электростанции

Волновые энергетические установки. Энергия Мирового океана объединяет энергию ветровых волн, океанических течений, приливов, прибоев, градиентов солёности и теплоты и.т.д

Наиболее перспективными для электроэнергетики считаются следующие ресурсы:

энергия волн; термоградиенты; энергия течений.

До 1980 г. в 20 странах мира было зарегистрировано около 1000 различных предложений по использованию энергии волн. Целесообразность использования энергии волн определяется ее высокой удельной мощностью. Технически можно использовать энергию волн лишь в прибрежных зонах, где удельная мощность не превышает 80 кВт/м.

Создание мощных волновых электростанций (ВлЭС) встречает определенные трудности, связанные с креплением их на больших расстояниях от берега, защитой от коррозии в агрессивной морской среде, обеспечением надежности работы установок в штормовых условиях.

Имеется большое число различных схем использования волновой энергии, воплощенных в проекты, модели и действующие электростанции разных масштабов и типов.

Наиболее распространенными волновыми установками являются поплавковые установки.

Широкое использование энергии ветровых волн пока затруднено. Во-первых, эта энергия имеет случайный характер и непостоянна во времени, во-вторых, мощность волновой установки зависит от размера волн и не может изменяться в соответствии с необходимым режимом потребления, вследствие чего необходимо использовать аккумуляторы. Кроме того, еще не полностью решены такие технические проблемы, как крепление установок в море, противокоррозионная защита и долговечность оборудования, передача энергии (особенно на большие расстояния и при больших глубинах) и др.

Океанические тепловые электростанции. Принцип действия океанических тепловых электростанций (ОТЭС), опирающийся на основные законы термодинамики, весьма прост. Теплая морская вода из верхних слоев используется для испарения жидкости, точка кипения которой не превышает 25…30 °С (фреон, пропан, аммиак). Пар этой жидкости подается в турбогенератор и приводит его во вращение. Отработавший после выхода из турбины пар охлаждается более холодной водой, поступающей из глубинных слоев, конденсируется и вновь используется в цикле. Таким образом, поддерживается перепад давления пара на входе в турбину и выходе из нее, необходимый для вращения ее вала.

. Насос подает теплую воду, взятую с поверхностного слоя моря, в теплообменник, где рабочая жидкость превращается в пар. Пар под давлением поступает в турбину и приводит в движение ее вал, который соединен с валом генератора. После прохождения через турбину пар поступает в конденсатор, где под воздействием холодной воды, подаваемой насосом, вновь превращается в рабочую жидкость, которая насосом вновь подается в теплообменник, и цикл повторяется.

Указанные источники энергии имеют как положительные, так и отрицательные свойства. К положительным относятся повсеместная распространенность большинства их видов, экологическая чистота. Эксплуатационные затраты по использованию нетрадиционных источников не содержат топливной составляющей, так как энергия этих источников как бы бесплатная.

Отрицательные качества - это малая плотность потока (удельная мощность) и изменчивость во времени большинства НВИЭ. Первое обстоятельство заставляет создавать большие площади энергоустановок, «перехватывающие» поток используемой энергии (приемные поверхности солнечных установок, площадь ветроколеса, протяженные плотины приливных электростанций и т.п.). Это приводит к большой материалоемкости подобных устройств, а, следовательно, к увеличению удельных капиталовложений по сравнению с традиционными энергоустановками. Правда, повышенные капиталовложения впоследствии окупаются за счет низких эксплуатационных затрат, но на начальной стадии они чувствительно «бьют по карману» тех, кто хочет использовать НВИЭ.

Больше неприятностей доставляет изменчивость во времени таких источников энергии, как солнечное излучение, ветер, приливы, сток малых рек, тепло окружающей среды. Если, например, изменение энергии приливов строго циклично, то процесс поступления солнечной энергии, хотя в целом и закономерен, содержит, тем не менее, значительный элемент случайности, связанный с погодными условиями. Еще более изменчива и непредсказуема энергия ветра. Зато геотермальные установки при неизменном дебите геотермального флюида в скважинах гарантируют постоянную выработку энергии (электрической или тепловой). Кроме того, стабильное производство энергии могут обеспечить установки, использующие биомассу, если они снабжаются требуемым количеством этого «энергетического сырья».

Говоря о производстве электроэнергии, следует заметить, что она представляет собой весьма специфический вид продукции, который должен быть потреблен в тот же момент, что и произведен. Ее нельзя отправить «на склад», как уголь, нефть или любой другой продукт или товар, поскольку фундаментальная научно-техническая проблема аккумулирования электроэнергии в больших количествах пока не решена, и нет оснований полагать, что она будет решена в обозримом будущем.

Для малых автономных ветровых и солнечных энергоустановок возможно и целесообразно применение электрохимических аккумуляторов, но при производстве электроэнергии за счет этих нерегулируемых источников в промышленных масштабах возникают трудности, связанные с невозможностью постоянного сопряжения производства электроэнергии с ее потреблением (с графиком нагрузки). Достаточно мощная энергосистема, включающая также ветроэлектрические установки (ВЭУ) или ветроэлектростанции (ВЭС) и солнечные электростанции (СЭС), может компенсировать изменения мощности этих станций. Однако при этом, во избежание изменений параметров энергосистемы (прежде всего частоты), доля нерегулируемых электростанций не должна превышать, по предварительной оценке, 10-15% (по мощности).

Что же касается «бесплатности» большинства видов НВИЭ, то этот фактор нивелируется значительными расходами на приобретение соответствующего оборудования. В результате возникает некоторый парадокс, состоящий в том, что бесплатную энергию способны использовать, главным образом, богатые страны. В то же время наиболее заинтересованы в эксплуатации НВИЭ развивающиеся государства, не имеющие современной энергетической инфраструктуры, то есть развитой сети централизованного энергоснабжения. Для них создание автономного энергообеспечения путем применения нетрадиционных источников могло бы стать решением проблемы, но в силу своей бедности они не имеют средств на закупку в достаточном количестве соответствующего оборудования. Богатые же страны энергетического голода не испытывают и проявляют интерес к альтернативной энергетике в основном по соображениям экологии, энергосбережения и диверсификации источников энергии.

Мы намеренно столь подробно останавливаемся на технических и экономических трудностях при использовании НВИЭ, чтобы показать, насколько сложно организовать их крупномасштабное применение. Эта проблема требует системного подхода, который и проявляется во многих странах, и в значительной мере - через уже упомянутую законодательную базу.

Лекция 12

«Использование отходов производства для получения хозяйственно полезной продукции»

Введение…………………………………………………………………………..3

1. Общие сведения о биологической переработке промышленных отходов…………………………………………………………………………….3

2. Утилизации сахаров и целлюлозосодержащего сырья…………………..7

2.1 Химизм спиртового брожения……………………………………………….7

2.2 Получение этилового спирта………………………………………………...9

3. Утилизация отходов молочной промышленности………………………10

4. Заключение…………………………………………………………………...11

Введение.

С момента возникновения цивилизованного общества перед ним все время стояла проблема охраны окружающей среды. Из-за промышленной, сельскохозяйственной и бытовой деятель­ности человека постоянно происходили изменения физических, химических и биологических свойств окружающей среды, при­чем многие из этих изменений были весьма неблагоприятны. Ожидается, что биотехнология будет оказывать многообраз­ное и все возрастающее влияние на способы контроля окружающей среды и на ее состояние. Хорошим примером та­кого рода служит внедрение новых, более совершенных методов переработки отходов.

Биологическая переработка отходов опирается на целый ряд дисциплин — биохимию, генетику, химию, микробиологию, химическую технологию и вычислительную технику. Усилия всех этих дисциплин концентрируются на трех основных на­правлениях: 1) деградация органических и неорганических ток­сичных отходов; 2) возобновление ресурсов для возврата в круговорот веществ углерода, азота, фосфора и серы; 3) по­лучение ценных видов органического топлива.

Общие сведения о биологической переработке 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, хлорзамещенных углеводородов и т. д.); б) 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 мусо­ра, 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 на новой системе переработки отходов — колонном эрлифтном фер­ментере, разработанном фирмой ICI, — пошли по пути уве­личения количества растворенного кислорода. В центральной части колонны имеется не доходящая до дна вертикальная секция, в которую сверху поступают отходы и повторно используемый активный ил; туда же вводится воз­дух. Когда смесь выходит из ферментера вверх по наружной секции колонны, давление в системе падает, что вызывает пробулькивание 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 ингибирующего 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 создаст также экологическую ни­шу для организмов, рост которых в присутствии высоких концентраций отходов при перегрузках существенно за­медляется. Самая простая форма пленочной системы — это перколяциоиный 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 воды. Такая эффективная и простая система была предложена для очистки стоков с низкой величиной БПК. 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 их 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 утилизации сахаров и целлюлозосодержащего сырья, отходов молочной промышленности и производства красителей [1].

Утилизации сахаров и целлюлозосодержащего сырья.

Химизм спиртового брожения.

Большую часть этилового спирта (53%) в нашей стране ис­пользуют для технических нужд — в производстве синтетическо­го каучука, для синтеза различных веществ, как растворитель, а 47% — на изготовление напитков и медицинские нужды.

Спиртовое брожение — один из самых изученных биохимиче­ских процессов. Спиртовое брожение вызывают чаще всего дрожжи, реже некоторые бактерии (Sarcina) и плесневые грибы (Mucor). В промышленности дрожжи обычно разделяют на верховые и низовые. Верховые дрожжи интенсивно ведут броже­ние и труднее осаждаются. К ним принадлежат спиртовые и хлебопекарные дрожжи Saccharomyces cerevisiae, а также винные дрожжи из вида Sacch. elipsoideus. К низовым дрож­жам относятся виды, используемые в пивоваренной промышлен­ности. Уже Л. Пастер выяснил, что брожение есть жизнь без кислорода. Действительно, в природе не всегда доступен кисло­род, в присутствии которого из углеводов можно получить го­раздо больше энергии, чем в процессе спиртового брожения. По­этому, приспособившись к условиям жизни без кислорода, опре­деленные культуры выработали сравнительно трудный путь по­лучения энергии. В основе брожения лежит разрушение углево­дов до этилового спирта, СО₂ и Н₂О по следующему суммарному уравнению:

Начало катаболизма глюкозы идет по схеме гликолиза, в ре­зультате образуется пировиноградная кислота. При декарбоксилировании пировиноградной кислоты образуется ацетальдегид, в результате гидрогенизации которого образуется этиловый спирт:

На начальном этапе спиртового брожения ацетальдегид не является акцептором водорода. В этот период — период индук­ции — водород соединяется с глицеральдегидом, восстанавливая его до глицерина. В это время в среде накапливается глицерин, ацетальдегид и СО₂.

Когда в среде накапливается определенное количество ацетальдегида, ход реакций меняется и процесс переходит в фазу стационарного брожения, где акцептором водорода становится ацетальдегид и образуется этиловый спирт.

Если к питательной среде добавить сульфиты, которые свя­зывают ацетальдегид, при брожении можно получить значитель­ное количество глицерина, что и применяется в промышленности. В этом случае суммарное уравнение брожения сахара следую­щее:

В процессе спиртового брожения в среде могут накапливать­ся различные высшие спирты, которые в практике называют си­вушными маслами.

В состав сивушных масел входят изоамиловый, амиловый и изобутиловый спирты. Существует мнение, что сивушные масла образуются из аминокислот, азот которых дрожжи используют по следующему уравнению:

Однако в последнее время это мнение подвергают критике и считают, что сивушные масла образуются из продукта гликолиза — пировиноградной кислоты путем аминирования ее до аланина, который в свою очередь переаминируется в соответствую­щую кетокислоту. В условиях спиртового брожения кетокислоты, восстанавливаясь, образуют высшие спирты.

Схема спиртового брожения:

Получение этилового спирта.

Ранее спирт получали из крах­мала содержащих пищевых продуктов. В настоящее время разра­ботана технология получения этилового спирта из сахарсодержащего и целлюлозусодержащего сырья.

При получении спирта из крахмалсодержащего сырья клейстеризованный крахмал осахаривают при помощи зеленого соло­да и ферментных препаратов, содержащих α-амилазу, β-амилазу, глюкоамилазу.

α-Амилаза расщепляет амилозу и амилопектин до декстри­нов, их в свою очередь расщепляет до мальтозы β-амилаза, а до глюкозы — глюкоамилаза. При ферментативном гидролизе в клейстеризованном крахмале остается 20—30% промежуточных продуктов, которые гидролизуются в ходе брожения, поэтому не­обходимо сохранить ферменты до конца процесса брожения. Обычно в спирт сбраживают затор с 16—18%-ной концентраци­ей растворимых веществ (13—15% сахаров) и получают 8—9% спирта. Температура брожения 29—32°С, рН 4,2—5,2. Клетки дрожжей вначале размножаются, затем при достижении 5%-ной концентрации спирта размножение прекращается.

В производстве процесс брожения ведут 2—3 сут. Спирт-сырец далее подвергают ректификации и получают спирт-ректификат высшей степени очистки с содержанием спир­та 96,2%.

При получении спирта из древесины перед гидролизом древе­сину размельчают до стружек следующих размеров: толщина 3 мм, ширина 10—70 мм и длина 25 мм. Гидролиз идет в боль­ших (7,7—50 м³) гидролизных аппаратах, которые наполняют стружкой, добавляют 0,5%-ный раствор H₂SO₄ и вводят пар давлением 1—1,2 МПа (10—12 кгс/см²). Варка идет 40—50 мин. Выход сахара 45— 48% от сухой массы древеси­ны. Реакция среды полученно­го гидролизата кислая, рН 1,8—2,2, поэтому гидролизат нейтрализуют известковым мо­локом, в котором содержится 1,1—1,2 кг/л извести; в гидролизате сравнительно мало азо­та и фосфора, поэтому предварительно к каждому кубичес­кому метру гидролизата до­бавляют 0,3 кг суперфосфата и 0,15 кг сульфата аммония. При температуре 85°С через гидро­лизат продувают воздух, рН устанавливают в пределах 5— 6. Гипс осаждают, а прозрач­ную часть гидролизата после охлаждения используют для сбраживания.

Спирт получают и из мелас­сы. Предварительная подго­товка питательной среды очень проста — мелассу разбавляют и добавляют питательные соли.

Для приготовления напитков используют спирт, полученный только из пищевого сырья [2].

Утилизация отходов молочной промышленности.

Сыворотка является побочным продуктом сыроварения. Ее со­став зависит от типа используемого молока и вырабатываемо­го сыра. В высушенном или концентрированном виде сыворот­ка применялась в качестве корма для животных; однако ее не­достатком является то, что она несбалансирована с точки зрения содержания питательных веществ: в ней слишком высока концентрация минеральных веществ и лактозы. Разработаны способы извлечения из сыворотки белков путем ультрафильтра­ции, осаждения или выделения с помощью ионного обмена. Из таких белков можно получать белковые гидролизаты, исполь­зуя для этого ферментеры. После извлечения белков получают большие объемы фильтратов с высокими концентрациями лак­тозы (35—50 г/л), минеральных веществ, витаминов и молочной кислоты, и встает проблема дальнейшего их использования. Если превратить лактозу в молочную кислоту при участии мо­лочнокислых бактерий, то мы получим источник углерода, ко­торый может сбраживаться дрожжами (например, смешанными культурами Lactobacillus bulgaricus и Candida krusei). Возмож­но и прямое сбраживание лактозы дрожжами Kluyveromyces fragilis или Candida intermedia. После подобного сбраживания не обязательно отделять микроорганизмы от среды, объем кото­рой можно уменьшить и получить обогащенную белком сыво­ротку.

Из сыворотки получают не только белковые продукты, но и — путем ферментации — сырье для химической промышлен­ности (например, этанол). Путем химического гидролиза лак­тозы с последующим удалением глюкозы из раствора с по­мощью ферментации можно получать галактозу. Альтернатив­ный биологический путь — использование мутантных дрожжей, лишенных β-галактозидазы. Такие мутанты сохраняют способ­ность к гидролизу лактозы и используют образующуюся глю­козу в качестве источника углерода. В результате гидролиза лактозы фильтрат становится более сладким; на опытных ус­тановках такой гидролиз осуществляют с помощью иммобили­зованной β-галактозидазы. Гидролизованный фильтрат не только находит применение в пищевой промышленности, но может оказаться полезным и при решении проблем, связанных с недостатком ферментов у некоторых животных и с непереносимостью лактозы у человека. Из сыворотки полу­чают и другие химические соединения: лактозу, лактулозу, лактитол и лактобионовую кислоту [1].