Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

При гранулообразовании создаются селективные условия, при которых новообразованные гранулы удерживаются в реакторе, а более легкие рыхлые флокулы ила и свободные клетки вымываются из-за различий в скорости седиментации. Биомасса в более плотных флокулах, на биопленке и в гранулах получает селективное преимущество в процессе роста и накапливается в реакторе, причем эффективнее всего накапливается гранулированная биомасса, так как гранулы по сравнению с флокулами более массивные и меньше подвержены вымыванию. В этих условиях преимущество для роста получают микроорганизмы, способствующие образованию гранул.

При очистке модельных стоков пивоварения в периодическом циклическом режиме по варианту аэрация – седиментация – слив осветленной жидкости гранулы в своем развитии проходят ряд стадий.

1.В среде нарастает биомасса активного ила.

2.Свободная биомасса в среде агрегирует в белые или бурые хлопья ила (см. рис. 1.52). Часть ила адгезируется на стенках реактора с образованием биопленки. Продолжительность стадии зависит от уровня ХПК, степени аэрации, частоты обновления среды со сливом части надосадочной жидкости и удалением из среды части несфлокулированного и неосевшего ила и составляет от 1 до 3 недель.

3.Хлопья принимают округлую форму и уплотняются, образуя первые белые, черные или бурые гранулы.

4.Белые гранулы укрупняются и равномерно чернеют.

5.Начинается распад крупных гранул на части. Начало этой стадии может спровоцировать резкое изменение ХПК среды, рН, степени аэрации и добавление различных веществ в концентрациях, ингибирующих активность микроорганизмов. В среднем 5-я стадия наступает через 50–100 сут с момента образования первых гранул.

Гранулы ила образуются в наибольшем количестве и с наибольшей скоростью при достаточной аэрации среды, уровне ХПК в сточной воде от 1000 до 5000 мг/л и рН в диапазоне 7–8,5. При дефиците кислорода в среде новообразование гранул замедляется или они вовсе не образуются.

Впроточных условиях при очистке сточных вод пищевой промышленности

сХПК 2500 мг/л в реакторе с интенсивным перемешиванием гранулообразование наступает через неделю после начала процесса. При низком уровне ХПК и наличии в среде ингибирующих веществ гранулообразование начинается позднее, через 2–3 недели.

По мере формирования и роста гранулы и флокулы в очищаемой среде существуют параллельно в виде смеси, легко разделяемой седиментацией. Рост гранул, их укрупнение происходит в течение 2 месяцев. В равновесном состоянии гранулы имеют средний размер 2–3 мм при содержании 60 г гранул на 1 л очищаемой среды (ср. с содержанием активного ила 2–6 г/л в аэротенке). В течение некоторого времени, зависящего от равномерности подачи субстрата и прочих факторов, гранулы остаются стабильными. В дальнейшем поверхность гранулы постепенно разрыхляется и увеличивается, сами гранулы разрушаются. Это может происходить спустя 80–100 сут.

Состав микроорганизмов гранул в различные периоды развития меняется. Гранулы на первой стадии развития образованы в основном грибами. Эти гранулы малоустойчивы и разрушаются в течение нескольких дней из-за лизиса во внутренней части гранул. Однако в ходе развития грибных гранул-ко- лоний к ним присоединяются и на них закрепляются бактериальные колонии. Бактериальная часть гранулы быстро растет и к моменту разрушения грибной гранулы достаточно развита, чтобы не подвергнуться вымыванию. Вторичные гранулы почти полностью состоят из бактерий, среди которых преобладают гетеротрофные и нитрифицирующие бактерии.

Аэробную грануляцию можно рассматривать как частный случай реактора с биопленкой. Гранула – система, в которой взаимодействуют гетеротрофные бактерии, окисляющие сложные органические субстраты, нитрифицирующие и денитрифицирующие культуры.

Нерешенная проблема применения аэробных реакторов с гранулами ила – нестабильность гранул, распад их через 2–3 мес с момента новообразования. Причины такой нестабильности пока еще не выяснены.

Для очистки промышленных стоков, содержащих узкую группу соединений

ввысокой концентрации, наиболее целесообразны локальные системы очистки (ЛОС). В ряде случаев локальная биологическая очистка резко снижает концентрацию загрязнений, уменьшает общий объем стоков и позволяет сбрасывать их на общегородские или общепроизводственные очистные сооружения либо возвращать воду в технологический цикл.

Локальные промстоки можно очищать с помощью культур микроорганиз- мов-деструкторов, селекционированных для каждого конкретного производства, используя высокоинтенсивные специализированные реакторы (с иммобилизованными микроорганизмами, мембранные реакторы, биосорберы и другие системы). В ряде случаев необходимо предотвращать выброс летучих веществ, а также части микрофлоры ила в атмосферу с выходящим аэрирующим воздухом. Для некоторых производств, например получения антибиотиков, из сточных вод

вокружающую среду могут попадать штаммы микроорганизмов, в том числе и ус- ловно-патогенные формы, приобретшие устойчивость к антибиотикам в результате процессов автоселекции на антибиотикорезистентность в экосистемах очистных сооружений. В таких случаях следует организовать локальную биологическую очистку стоков с использованием, в частности, закрытого ферментационного и вспомогательного оборудования. Ферментеры позволяют поддерживать оптимальные температурные и другие условия среды, что повышает скорость биохимических процессов, обеспечивает более полное извлечение органических веществ биоценозом микроорганизмов, позволяет очищать стоки с высокой концентрацией органических загрязнений: 10 000–20 000 мг ХПК/л при лучшей изоляции рабочего пространства от окружающей среды. В замкнутых системах становится возможным применение специализированных штаммов микроорганизмов, селекционированных для удаления определенных видов загрязнений. Однако при очистке больших потоков сточных вод и воды с небольшим содержанием органических загрязнений использование специализированного биотехнологического оборудования неоправданно из-за высоких энергозатрат и стоимости оборудования.

Во избежание разбавления локальных стоков с высоким содержанием биотоксичных веществ или при обезвреживании запасов органических ксенобиотиков биодеструкцию можно вести в режиме культивирования с подпиткой. Такой метод используется в технологии микробиологического синтеза и позволяет существенно увеличить содержание биомассы или другого целевого продукта

вферментационной среде. В этом случае процесс проводят в периодическом режиме с подпиткой концентрированным субстратом. Такой процесс называют высокоплотностным культивированием (fed batch cultivation). Концентрация биомассы в режиме высокоплотностного культивирования может достигать 100–150 г/л (т. е. практически плотной упаковки клеток в среде), а внеклеточного метаболита (например, аминокислот) – 100–200 г/л. Высокая производительность процесса обеспечивается повышенной концентрацией биомассы

вреакторе и интенсивным переносом кислорода воздуха в объем очищаемой среды. С экономической точки зрения преимущество этого способа заключается в повышении скорости биосинтеза, концентрации целевого продукта в постферментационной среде, уменьшении объема реактора, затрат на выделение продукта. Экологические преимущества метода заключаются в минимизации объемов сточных вод и количества избыточной биомассы, когда она не является целевым продуктом. Ограничениями метода высокоплотностного культивирования являются постепенное накопление метаболитов в среде культивирования, ингибирующих процессы роста и биосинтеза, а также более высокие требования к качеству используемых субстратов. Для использования метода высокоплотностного культивирования в целях аэробной биологической очистки и минерализации ксенобиотиков необходимо иметь биореакторы с достаточно высокими массообменными характеристиками, а также решить проблему накопления продуктов метаболизма и продуктов неполного окисления (трансформации) ксенобиотиков, ингибирующих биологическую активность микроорга- низмов-деструкторов.

Новый, мало разработанный метод – обработка стоков с совмещением по времени и месту биологической очистки и деструктивной с использованием сильных окислителей, например, таких как пероксид водорода, реактив Фентона (см. разд. 4.3.1.6), озон, кислород в синглетном состоянии, мягкое ультра-

фиолетовое излучение, TiO2, УФ-излучение и ионизирующая радиация. Физи- ко-химическая обработка реактивом Фентона и его модификациями, а также другие варианты обработки с дополнительным подводом энергии сильных окислителей используются в промышленности как самостоятельные методы очистки сточных вод – каталитическая очистка сточных вод, технология активированного (усиленного или развитого) химического и фотокаталитического окисления, очистка фотолизом и радиолизом. Такая обработка может быть использована как на стадии предобработки сточных вод, так и для «кондиционирования» выходных потоков. Над технологией активированного окисления

с использованием H2O2 в настоящее время работают ведущие мировые производители пероксида водорода.

При непосредственном совмещении методов химического окисления с биологическими воздействие окислительных абиотических агентов может активи-

ровать соединения, трудно поддающиеся биологической деградации, повысить их биодоступность. Образующиеся продукты окисления и фрагменты молекул микроорганизмы могут затем использовать как источник питания и энергии, завершая таким образом минерализацию загрязнений.

Одновременное совмещение химических, фотохимических и биологических процессов в едином объеме можно рассматривать как своеобразный гибридный процесс, в котором до некоторой степени воспроизводятся процессы самоочищения, наблюдаемые в природных средах, таких, например, как непроточные водоемы. Совместное действие, воспроизводя природные механизмы самоочищения, может привести к уменьшению количества вторичных отходов

иостаточных загрязнений, повысить качество очистки, снизить затраты на разложение опасного поллютанта только химическими или фотохимическими методами. Такие сопряженные процессы могут оказаться весьма перспективными для совершенствования технологий очистки различных сред.

Вприродных средах одновременные абиотические и биотические процессы трансформации веществ протекают повсеместно. Например, одновременно протекают фотохимические и биологические процессы на освещенных солнечным светом поверхностях, в неглубоких водоемах, реках и прудах, а также в прибрежных зонах морей, озер и водохранилищ, процессы химического гидролиза и биодеструкции соединений, химического и биологического окисления в водных

ипочвенных средах, включения остатков соединений в природные полимеры в результате химического и биологического катализа, деструкции полимерных материалов в результате автокаталитических реакций с кислородом и пероксидом водорода и воздействия ферментов грибов, функционируют хемокаталитические и биокаталитические циклы окисления и трансформации соединений. В абиотической трансформации участвуют свободные радикалы и другие реакционноспособные частицы, ионы металлов (прежде всего Fe, Mn, Cu) с переменной валентностью. Ионы металлов могут выступать как прямые окислители или восстановители загрязняющих веществ и как катализаторы окислитель- но-восстановительных процессов, генерировать образование гидроксильных радикалов и других активных частиц кислорода, что способствует деградации. Деградацию может ускорить присутствие в среде гуминовых веществ, ряда неорганических компонентов, глинистых минералов.

Важную роль в трансформации органических веществ, деструкции природных полимеров, в процессах полимеризации остатков этих соединений выполняют окислительные абиотические процессы с участием пероксида водорода, который образуется в естественных условиях в результате абиотических

ибиотических реакций (подробнее см., в частности, А. Е. Кузнецов, Н. Б. Гра-

дова, 2006). В круговороте кислорода H2O2 занимает промежуточное положение между молекулярным кислородом и водой и является неотъемле-

мым компонентом природной водной среды. Концентрация H2O2 определяет, окислительный или восстановительный характер имеет среда данного водоема.

Стационарное содержание H2O2 в природных водных средах определяется многими факторами и обычно колеблется в пределах 10–6–10–5 М и достигает 10–4

М.Атмосферная влага также содержит пероксид водорода. К образованию H2O2

вприродных средах приводят каталитические процессы окисления с участием O2, фотохимические процессы, протекающие в гомогенной среде с участием растворенных органических и неорганических веществ, и биохимические процессы.

Вестественных концентрациях H2O2 способен окислять многие амины, фенолы и другие соединения. Окисление их протекает более эффективно в присутствии катализаторов – солей железа (II) или железа (III), марганца, меди. Пероксид водорода участвует во многих биотических процессах трансформации соединений и, возможно, в регуляции метаболизма у различных организмов. Многие окислительные реакции, катализируемые ферментами микроорганизмов (пероксидазами, каталазами, оксидоредуктазами, глюкозооксидазами, супероксиддисмутазами), протекают с участием пероксида водорода. Промежуточными продуктами биодеструкции устойчивых соединений с ароматическими кольцами являются фенолы.

Пероксид водорода играет важную роль в деструкции многих природных биополимеров, осуществляемой, главным образом, грибами. Наибольшей активностью в разложении таких устойчивых полимеров, как лигноцеллюлозы и лигнин, обладают грибы – возбудители белой гнили. В процессе деструкции лигноцеллюлозы грибами белой гнили участвуют более десяти ферментов, главные из которых лигниназа (лигнинпероксидаза), Mn-зависимая пероксидаза (марганцевая пероксидаза), лакказа (внеклеточная оксидаза, фенолоксидаза). Эти ферменты непосредственно атакуют макромолекулярные структуры (лигнин и гуминовые кислоты) с образованием радикалов и реакционных частиц – посредников разру-

шения. В качестве окислительных агентов они используют H2O2 (пероксидазы), O2 (оксидазы) и окисленные формы Mn (марганцевая пероксидаза). Лигнолитические микроорганизмы и их внеклеточные ферменты относят к числу одних из наиболее перспективных в отношении деструкции ксенобиотиков. Процесс биодеструкции, катализируемый этими ферментами, назван «энзиматическим сжиганием».

Вклетках млекопитающих содержание внутриклеточного H2O2 составляет 10–7–10–6 М. При этом наибольшее содержание пероксида водорода и активность пероксидаз и каталаз наблюдается в пероксисомах, которые выполняют главную роль в защите клетки от кислорода и, возможно, обеспечивают «дожигание» образующихся в клетке «шлаков». В повышенных концентрациях

H2O2 продуцируется также клетками-фагоцитами. Концентрация H2O2 наряду с потоком восстановительных эквивалентов в виде NADH, NADPH и FADH определяет редокс-состояние внутриклеточной среды. Разбалансировка внутриклеточных редокс-процессов может приводить и к разбалансировке других функциональных систем клетки.

Кроме функций окислителя, кофактора и регулятора внутриклеточных процессов пероксид водорода активирует системы ответа на окислительный стресс

у различных организмов. Стрессовые воздействия, вызываемые H2O2, во многих отношениях подобны действию УФ-излучения ближнего диапазона или ионизирующего излучения, которые вызывают радиолиз молекул воды в клетках,

врезультате чего образуются активные формы кислорода, свободные радикалы

иперекисные соединения. Все эти воздействия сходны и индуцируют в клетках

системы репарации ДНК. Бактерии, устойчивые к ионизирующему излучению, резистентны и к УФ, и к пероксиду водорода.

Использование пероксида водорода в технологиях окислительной очистки сточных вод имеет определенные преимущества по сравнению с другими окислителями. Молекулы H2O2 стабильны при хранении в виде пергидроля (30–50% H2O2), при его использовании отсутствуют вторичные продукты деструкции и окисления органических загрязнений, возможна обработка воды в широком диапазоне температур и рН, сравнительная простота аппаратурного оформления процесса введения H2O2 в воду. Эти преимущества используются на практике прежде всего при дезинфекции сточных вод, прошедших полную биологическую очистку, поскольку при обработке больших масс воды и неочищенных сточных вод требуются слишком большие количества дезинфектанта. В технологии очистки необработанных сточных вод H2O2 используется для окисления соединений серы, в частности сероводорода и растворимых сульфидов, формальдегида, ПАВ, красителей, цианидов, нитритов, нитрилов и ряда других соединений азота, для очистки сточных вод процессов вулканизации резины, нитрования, тепловой обработки металлов от нитритов, для удаления соединений тяжелых металлов, в частности серебра. В России широкому применению H2O2 в технологии очистки промышленных сточных вод препятствуют сравнительно высокая его стоимость и дефицитность.

В больших дозах активные абиотические окислители, такие как H2O2, являются агрессивными по отношению к живым организмам агентами, угнетают их развитие и вызывают гибель. Поэтому для реализации гибридного процесса необходимо решить проблему совместимости биодеструкции с активным абиотическим воздействием. Для решения проблемы агрессивности среды микроорганизмы должны быть до некоторой степени устойчивы к повышенным концентрациям активных реагентов. Возможности микробной адаптации и метаболизма позволяют считать такую устойчивость вполне реализуемой. Показано, что комбинированное воздействие H2O2 или мягкого ультрафиолета (УФА- и УФБ-поддиапазонов спектра с длиной волны 320–400 нм) и микроорганизмов, адаптированных к присутствию повышенных концентраций H2O2 (до 1000 мг/л и выше) или воздействию повышенных доз мягкого ультрафиолета, позволяет повысить эффективность разложения нефтепродуктов, фенолов, BTEX-соединений, ПАУ, некоторых пестицидов, ПАВ, хлорорганических соединений. В присутствии относительно небольших концентраций пероксида и при использовании активного ила, адаптированного к H2O2, улучшаются показатели очистки сточных вод с уменьшением остаточного содержания загрязнений, как индивидуальных, так и суммарного количества (по ХПК). При биоокислении такого токсичного субстрата, как фенол, внесение небольших доз H2O2 и использование микроорганизмов, адаптированных к окислительному стрессу, позволяет достичь высоких скоростей разложения фенола в режиме с подпиткой субстратом без накопления продуктов, ингибирующих активность микроорганизмов. Этот метод позволяет не только интенсифицировать биодеструкцию, но и минимизировать количество вторичных отходов и остаточного загрязнения, поступающих в окружающую среду со стадии биологической очистки.

Многие методы интенсификации процессов культивирования микроорганизмов и биосинтеза апробированы и в технологиях биологической очистки сточных вод. Среди них:

внесение экзоферментов для интенсификации биоокисления. Метод малоэффективен и требует большого расхода ферментов, поскольку в проточных системах рецикл их в очистные сооружения затруднен;

внесение различных биологически активных добавок (например, стероидов), факторов роста (витаминов, аминокислот), защитных и других веществ, стимулирующих развитие микроорганизмов ценозов очистных сооружений и их окислительную активность. Так, добавление к илу промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот в низких концентрациях (2–5 мг/л), глюкозы, аминокислот и витаминов (аланина и никотиновой кислоты) приводит к ускорению окисления ряда соединений;

внесение добавок-субстратов (косубстратов), которые индуцируют необходимую биохимическую активность микробных деструкторов и вовлекают биологически стойкие загрязнения в процессы кометаболизма. Такой метод особенно эффективен при разложении галогенорганических соединений и пестицидов;

использование методов, повышающих биодоступность загрязнений — добавление ПАВ, специальных сорбентов, обработка ультразвуком, предобработка химическими окислителями (O2, O3, H2O2), ультрафиолетом, ионизирующей радиацией, электролизом, фотокаталитическое, кавитационное воздействие;

искусственное воздействие мутагенных факторов. Установлено, что обработка химическими мутагенами приводит к изменению деструктивной активности популяции, приросту ила и повышает интенсивность окисления загрязнений в промышленных сточных водах;

проведение биологической очистки в режиме разобщения процессов роста и окисления субстратов, например, путем ограничения содержания микроэлементов в очищаемой среде или с перерывами в подаче сточной воды, что позволяет уменьшить количество избыточного активного ила.

Вариантом снижения количества загрязнений в стоках является так называемая метаболически замкнутая система, которая может использоваться на биотехнологических предприятиях. В метаболически замкнутом производстве технологическая вода, отделяемая после культивирования одного типа микроорганизмов, может служить основой питательной среды в каком-либо другом процессе, продуцент которого не ингибируется, и, возможно, даже активируется метаболитами предыдущей стадии. В этом случае культивирование второго продуцента на жидком стоке первой ферментации приводит к утилизации образовавшихся метаболитов (ингибиторов) и получению бесклеточной культуральной жидкости (после отделения биомассы), не содержащей ингибиторов первого продуцента. Правильный подбор каждого продуцента позволяет реализовать «метаболически замкнутый» технологический процесс. В частности, такая возможность была показана для производства биомассы с замкнутым циклом водопользования при культивировании дрожжей р. Candida и гриба р. Fusarium.

1.5.Анаэробная биологическая очистка

Анаэробную очистку используют для удаления загрязнений из сточных вод,

вкачестве первой ступени очистки сточных вод с высокой концентрацией ор-

ганических загрязнений (БПКп > 4–5 г/л), а также для переработки активного ила, других осадков и твердых отходов (см. разд. 3.2.5). Многие твердые отходы содержат целлюлозу, легче поддающуюся анаэробному разложению с образованием биогаза, чем аэробному окислению.

Входе метаногенерации (метаногенеза) – анаэробного процесса с образованием метана – органические загрязнения конвертируются в биогаз, содержащий

восновном CH4 и CO2. Его можно использовать в качестве топлива. Количество выделяемого биогаза достаточно не только для компенсации энергетических затрат на анаэробное разложение, но и для использования сторонними потребителями – в котельных или нагревателях для получения пара и горячей воды,

встационарных газогенераторах для получения электроэнергии с рекуперацией тепла, в технологических процессах термосушки и сжигания осадков

идр. Биогаз может быть трансформирован в электрическую энергию с к.п.д.

33%, в тепловую – с к.п.д. 50%. После удаления CO2 и H2S его можно использовать в двигателях внутреннего сгорания или в дизельных двигателях. В средней полосе России биогаз, выделяемый метантенком при переработке навоза одной коровы, способен обогреть дом семьи из 4 человек и стойло коровы.

ВКитае и Индии для утилизации отходов домашнего хозяйства эксплуатируется несколько млн биогазовых установок относительно несложной конструкции объемом 8–10 м3 каждая, несколько десятков тыс. установок с реакторами большого объема и несколько десятков млн печей и водонагревателей на биогазе. В развитых странах построено множество крупных биогазовых установок для очистки стоков промышленных предприятий, переработки отходов ферм, городского твердого мусора (см. также разд. 3.2.5).

Промышленное применение систем анаэробного разложения неуклонно расширяется в связи с возрастанием требований к энергоэкономичности процессов, особенно при очистке сильно загрязненных стоков, с возможностью получения альтернативного топлива – биогаза, непригодностью других способов очистки некоторых сточных вод и появлением высокоэффективных анаэробных реакторов нового поколения.

1.5.1.Биоценозы и биохимические процессы при анаэробной очистке

Анаэробные биоценозы при очистке сточных вод могут представлять собой флокулы, биопленки и гранулы ила. Они развиваются в экосистемах с доминированием аноксигенных и анаэробных условий, в которых протекают процессы брожения, аноксигенного окисления (анаэробного дыхания) и метанообразования. Такие условия наблюдаются в анаэробных биореакторах при очистке сточных вод и сбраживании органических отходов, в центральных зонах крупных флокул,