3365

концентрациях. Для глубокой очистки концентрированных сточных вод анаэробную обработку следует использовать в комбинации с последующей аэробной стадией. Выбор технологии и особенности обработки сточных вод определяется содержанием органических загрязнений в них.

Вопросы для самоконтроля

1.Дайте характеристику аэробной биологической очистке сточных вод.

2.Дайте характеристику анааэробной биологической очистке сточных вод.

Тема 3. Биологическая очистка и дезодорация газовоздушных выбросов

Дезодорация газовоздушных выбросов проводится для устранения запаха газовых потоков, содержащих примеси органических и неорганических веществ. Концентрация этих примесей в большинстве случаев ниже предельно допустимых значений, т.е. выбросы, являются «чистыми» с точки зрения санитарных норм. Однако наличие запаха не позволяет выбрасывать такие отходящие газы в атмосферу без дополнительной обработки.

В зависимости от свойств неприятно пахнущих веществ, физикохимических параметров, концентрации их в газах и воздействия на человека и окружающую среду применяются различные методы дезодорации газов.

Метод биологической очистки основан на улавливании и ассимиляции влажной массой или водной суспензией, содержащей микроорганизмы. Газофазная обработка включает облучение газов ультрафиолетовыми лучами, введение в газ озона или специальных веществ, способных отражать, маскировать, блокировать восприятие неприятного запаха. Биохимические методы газоочистки основаны на способности микроорганизмов разрушать и преобразовывать различные соединения. Разложение веществ происходит под действием ферментов, вырабатываемых микроорганизмами под влиянием отдельных соединений или группы веществ, присутствующих в очищаемых газах.

Биохимические методы газоочистки более всего применимы для очистки отходящих газов постоянного состава. При частом изменении состава газа микроорганизмы не успевают адаптироваться к новым веществам и вырабатывают недостаточное количество ферментов для их разложения, в результате чего биологическая система будет обладать слабой разрушающей способностью по отношению к вредным компонентам газов.

Микроорганизмы утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, сероводород и диметилсульфоксид. Образуемые сульфаты утилизируются другими микробными видами. Есть данные об эффективном окислении

аэробными карбоксидобактериями моноокиси углерода, являющейся одним из наиболее опасных воздушных загрязнителей. Представители рода Nocardia эффективно разрушают стерины и ксилол; Hyphomicrobium –

дихлорэтан; Xanthobacterium – этан и дихлорэтан; Mycobacterium –

винилхлорид.

Наиболее широким спектром катаболических путей характеризуются почвенные микроорганизмы. Так, только представители рода Pseudomonas способны использовать в качестве единственного источника углерода, серы или азота свыше 100 соединений – загрязнителей биосферы. Используя методы традиционной селекции и новейшие достижения клеточной и генной инженерии, создают суперштаммы – деструкторы трудноразлагаемых соединений.

Подавляющее число токсических загрязнителей атмосферы может быть разрушено монокультурами микроорганизмов, но более эффективно применение смешанных культур, имеющих больший каталитический потенциал. Для разрушения трудно утилизируемых соединений в ряде случаев микроорганизмы целесообразно адаптировать к таким субстратам и только после этого вводить их в рабочее тело действующих установок.

При биологической очистке газов также стоит строго следить за температурой, влажностью, кислотностью среды. Нужно учитывать и то, что биохимические системы более всего пригодны для очистки газов постоянного состава, так как при его изменении микроорганизмы не успевают приспособиться и эффективность очистки падает.

Биохимическую газоочистку проводят либо в биофильтрах, либо в биоскрубберах.

Кнедостаткам биохимических методов следует отнести:

низкую скорость биохимических реакций, что увеличивает габариты оборудования;

специфичность (высокую избирательность) штаммов микроорганизмов, что затрудняет переработку многокомпонентных смесей;

трудоемкость переработки смесей переменного состава;

подбор консорциумов микроорганизмов осуществляется в зависимости от состава очищаемых смесей;

в качестве носителя фильтрующего слоя используют природные органические материалы, такие как компост, торф, почва, кора деревьев и т. д. Эти материалы содержат в своем составе различные вещества, необходимые для развития микроорганизмов. Поэтому в биофильтры не вносят каких-либо минеральных добавок;

при заполнении фильтрующего слоя для снижения аэродинамического сопротивления (предотвращения слѐживания материала) в материал добавляют гранулы (диаметром 3–10 мм) из синтетических полимерных материалов (полиэтилена, полистирола);

для предотвращения резкого закисления материала фильтрующего слоя в ходе трансформации органики в него добавляют известняк или карбонат кальция в количестве 2–40 % от веса носителя. С целью избежания ситуаций,

когда микроорганизмы, входящие в состав рабочего тела биофильтра, могут ингибироваться токсическими веществами в результате, например, залповых выбросов, в материал вносят активированный уголь, до 250 кг/м3;

концентрация микроорганизмов в ходе очистки возрастает и может стать избыточной. Поэтому периодически материал фильтрующего слоя приходится обновлять;

входящий газовый поток, должен быть предварительно очищен при запылѐнности более 5-10 мг/м3 во избежание засорения биофильтра и увлажнѐн до относительной влажности в 95–100 %, при температуре менее 15°С производится его нагрев, при температуре более 40°С — охлаждение.

Установка в целом термостатируется. Оптимальное значение температуры около 28 0С;

в настоящее время биофильтры используют для очистки отходящих газов от аммиака, фенола, крезола, формальдегида, органических растворителей, сероводорода, метилмеркаптана и других сероорганических соединений, а также для дезодорации дурнопахнущих газовых потоков. Области применения в основном охватывают газовые потоки с невысокими концентрациями загрязняющих веществ со станций очистки сточных вод, химической, нефтяной, лакокрасочной, деревообрабатывающей, табачной, пищевой, парфюмерной, фармацевтической промышленности, сельского хозяйства и.т.д;

эффективность биофильтров примерно 90 %. Производительность невелика 5

—400 м3/м2·ч.

Внастоящее время биофильтры используют для очистки отходящих газов от аммиака, фенола, крезола, формальдегида, органических растворителей покрасочных и сушильных линий, сероводорода, метилмеркаптана и других сероорганических соединений.

Преимущества и недостатки биофильтров

«+» - Простота;

- Низкие капзатраты;

- Низкие текущие расходы;

- Малая энергоѐмкость;

- Требуют незначительных расходов воды;

- Разложение слабо растворимых в воде веществ;

- Подходят для устранения запахов;

«−» - Низкая объемная скорость потока;

- Высота биофильтров из-за требований однородности структуры и

газодинамических ограничений невелика (около 1 м), поэтому они занимают большие площади (от 10 до 1600 м2);

- Обработка потоков с низкими концентрациями устраняемых компонентов;

- Невозможен контроль процесса;

- Каналообразование в фильтрующем слое;

- Ограниченный срок службы фильтрующего слоя;

- Избыток биомассы не удаляется;

- Требуется некоторый период для созревания и адаптации микробиологического ценоза (от нескольких часов до нескольких недель

Капельный биофильтр (рис.1) отличается от обычного биофильтра только тем, что биопленка образуется на поверхности синтетической загрузки, которая не способна обеспечить микроорганизмы требуемыми питательными веществами, поэтому они должны подаваться с водой, которая постоянно циркулирует через реактор при прямоили противоточном течении относительно газового потока. При этом избыточная биомасса удаляется с поверхности загрузки, что предотвращает еѐ засорение и увеличивает срок службы.

Рисунок 1. Капельный биофильтр

Загрязняющие вещества абсорбируются водной фазой и затем диффундируют в плѐнку жидкости на поверхности биокатализатора, где разлагаются микроорганизмами. Переход из газовой фазы в жидкую может легко становиться лимитирующим фактором в таких системах, особенно для соединений с высокой константой Генри. Обычно соединения считаются подходящими для биодеградации в капельном фильтре, если константа Генри ниже 0,01-0,05. Существует ряд путей для увеличения массообмена из газа в жидкость, простейший – большая скорость рециркуляции жидкой среды через реактор, но это приводит к увеличению энергозатрат. Поэтому недавно было предложено циркулировать жидкость периодически. Идея проводит к тому, что всѐ время только очень тонкий слой жидкости присутствует на поверхности слоя биомассы, таким образом, сокращается расстояние, которое газы должны пройти из газовой фазы к поверхности биослоя.

Преимущества и недостатки капельного биофильтра:

«+» - Простота;

-Низкие капзатраты;

-Низкие текущие расходы;

-Разложение слабо растворимых в воде веществ;

-Избыток биомассы удаляется;

-Возможность автоматизации процесса;

-Лучшая производительность – высокая площадь поверхности и высокая доля пустот синтетической загрузки приводит к: высокой скорости газа, минимальному времени пребывания газа в биофильтре, равномерному распределению газа и воды внутри слоя загрузки, быстрому ответу на острые отклонения в нагрузке по загрязнителям, способности очищать более высокие концентрации одорантов;

-Компактный размер – благодаря высокой скорости, с которой газ течѐт через синтетическую загрузку, площадь слоя загрузки минимизируется, в следствии уменьшается и общий размер оборудования.

-Стационарный режим биореактора с омываемым слоем после его запуска наступает через 5–10 дней. При использовании заранее адаптированных к очищаемым веществам микроорганизмов этот срок может быть сокращен до нескольких часов;

-Нет засорения загрузки;

-Больший срок службы загрузки.

«−» - Требуются более значительные расходы воды; - Большие энегрозатраты (на рециркуляцию воды), по сравнению с обычным биофильтром.

Биореакторы с омываемым слоем являются наиболее перспективными для очистки воздуха. Такие малогабаритные установки очень эффективны для очистки воздуха предприятий интенсивного животноводства. Степень очистки воздуха в реакторе с иммобилизованными на активированном угле микроорганизмами от ацетона, бутанола, пропионового альдегида,

этилацетата достигает 90 % при удельной производительности установки

10000 ч–1.

Капельный биофильтр весьма эффективен при очистке от Н2S и других основных источников эмиссий от сточных вод, включая NH3, меркаптаны, амины и восстановленные соединения серы. Эта система устраняет 99,9 % одорантов процесса кондиционирования ила без использования дорогостоящих химикатов или адсорбционной загрузки. Капельный биофильтр также эффективен при очистке от одорантов при компостировании ила, которое выделяет различные эмиссии, включая соединения серы, летучие жирные кислоты, кетоны, аммиак и другие азот содержащие соединения.

Биоскрубберы отличаются от биофильтров тем, что представляют собой систему из двух аппаратов. Первый аппарат представляет собой скруббер (абсорбционную колонну), где загрязняющие вещества абсорбируется в водной фазе и второй – это биореактор, обычно блок

очистки с активным илом, где соединения деградируют. Для повышения эффективности улавливания в воду могут вводиться специальные абсорбционные добавки.

Для обеспечения активной жизнедеятельности микроорганизмов в растворе поддерживается определенная минимальная концентрация биогенных веществ: азота и фосфора. Очищенный абсорбент вновь подается на орошение в абсорбер. Установка имеет замкнутый цикл циркуляции абсорбента и не имеет стоков (рис.2).

Рисунок 2. Биоскруббер.

1 – вентилятор; 2 – абсорбер (скруббер); 3 – массообменная решетка; 4 – биореактор; 5 – насос; А – абсорбент; В– вентиляционный воздух; АД – абсорбционные добавки; БД – биогенные добавки; СВ – сжатый воздух.

Биоскрубберы особенно хорошо подходят для очистки отходящих потоков с высокой концентрацией загрязняющих веществ, так как массообмен и деградация происходят в разных местах. Таким образом, промывная колонна и биореактор могут быть оптимизированы отдельно. Биоскрубберы особенно хорошо подходят для удаления соединений с относительно низким коэффициентом разделения (Н<0,01-0,05). Биоскрубберы предназначены для мокрой очистки вентиляционного воздуха от вредных органических веществ в литейных, покрасочных, деревообрабатывающих, мебельных, химических и других производствах.

Производительность биоскрубберов существенно выше по сравнению с биофильтрами, при этом эффективность очистки также довольно высока. Например, применение биоскрубберов для очистки отходящих газов металлургических предприятий дает следующие показатели: производительность 120 000 м3/ч, снижение интенсивности запаха воздуха от 75 до 85 %, степень конверсии органических примесей – 50 %.

Преимущества и недостатки биоскруббера:

«+» - Возможность контроля и моделирования процесса;

-Высокий коэффициент массопередачи;

-Обработка потоков с высокими концентрациями загрязнителей;

-Высокая стабильность в работе;

-Занимают меньшую по сравнению с биофильтрами площадь;

-Производительность существенно выше;

-Не образуют стоков.

«−» - Высокие капзатраты;

-Высокие текущие расходы;

-Образование избыточной биомассы;

-Эффективны только для удаления хорошо растворимых токсических веществ.

Загрязнители с относительно низкой растворимостью в воде могут также быть эффективно удалены при помощи мембранного реактора (рис.3). В нѐм газовый поток отделяется от жидкости с питательными элементами микропористой мембраной, которая избирательно проницаема для загрязняющих веществ.

Рисунок 3. Мембранный биореактор .

Богатая питанием жидкая среда инокулируется микроорганизмами, способными разрушать токсиканты. Органические соединения так же как кислород переносятся из газовой фазы к мембране. После прохождения через неѐ, соединения разлагаются микроорганизмами, которые либо иммобилизованы на мембране, либо присутствуют в массе жидкости. Жидкая фаза поддерживается в резервуаре, куда постоянно доставляются кислород и питательные элементы, поддерживаются постоянные температура и рН. Мембраны могут быть как гидрофобными, так и гидрофильными.

Вопросы для самоконтроля

2.Дайте характеристику очистки газовоздушных выбросов с помощью биофильтров.

3.Когда рекомендуется применять биоскрубберы?

Тема 4. Компостирование и биодеградация растительных отходов

Многие современные экологические проблемы возникают из-за локального накопления органических отходов, количество которых слишком велико для естественного потенциала биодеградации. Если возможно, эти отходы утилизируют, например, ботва сахарной свеклы и рубленая солома используются как корм для скота. Некоторое количество таких отходов идет на приготовление питательного субстрата для выращивания культур грибов (шампиньонов, вешенок, шиитаке, зимних опят и др.), высококачественного компоста для садов и огородов. Из небольшой части твердых растительных отходов получают топливо.

Компостирование, с одной стороны, позволяет получить ценный продукт, а с другой—является процессом очистки, делающим низкоактивные отходы более экологичными для биоценозов. Гумифицированные продукты быстро приходят в равновесие с экосистемой, в которую их внесли, и не вызывают серьезных нарушений в ней, как это бывает при внесении непереработанных твердых отходов.

Компостирование — это экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности. В процессе биодеградации органический субстрат претерпевает физические и химические превращения с образованием стабильного гумифицированного конечного продукта. Этот продукт представляет ценность для сельского хозяйства и как органическое удобрение, и как средство, улучшающее структуру почвы. Отходы, поддающиеся компостированию, варьируют от городского мусора, представляющего собой смесь органических и неорганических компонентов, до более гомогенных субстратов, таких как навоз, отходы растениеводства, сырой активный ил и нечистоты. В естественных условиях процесс биодеградации протекает медленно, на поверхности земли при температуре окружающей среды и в основном в анаэробных условиях. Естественный процесс разложения может быть ускорен, если перерабатываемый субстрат собрать в кучи, что позволяет сохранить часть теплоты, выделяющейся при ферментации, и достигнуть более высокой скорости реакции.

Компостирование представляет собой динамический микробный процесс, в котором принимают участие более 2000 видов бактерий и 50 видов грибов. Обычно в начале процесса компостирования преобладают мезофильные микроорганизмы, которые начинают активно размножаться, потребляя легко усвояемый субстрат. Постепенно температура повышается,

происходит гибель мезофильных бактерий и грибов и наблюдается рост термофильных бактерий. В течение термофильной фазы наиболее легко разлагаемые субстраты (полисахариды, крахмал, жиры, белки) быстро потребляются, и скорость реакции начинает падать после того, как в нее вовлекаются более устойчивые субстраты. На последующих стадиях численность термофильных бактерий снижается и увеличивается доля актиномицетов. По мере остывания компоста возрастает количество целлюлолитических и лигнинолитических грибов. Компост, остывая, становится доступным для широкого ряда простейших и микрофауны.

Первые три стадии компостирования(мезофильная, термофильная и остывания) протекают очень быстро — за дни или недели. Заключительная стадия — созревание, в течение которой потери массы и тепловыделение малы, длится несколько месяцев. В течение этой стадии происходят сложные реакции между остатками лигнина из отходов и белками погибших микроорганизмов, приводящие к образованию гуминовых кислот.

Периодическое механическое перемешивание способствует аэрации, диспергированию крупных фрагментов субстрата, что увеличивает удельную поверхность, необходимую для биодеградации. Однако чрезмерное перемешивание приводит к охлаждению и высыханию компостируемой массы, разрывам мицелия актиномицетов и грибов.

Смешение низкоактивных отходов типа соломы с отходами жизнедеятельности животных позволяет решать проблему гигиенического удаления последних. При компостировании достигаются температуры, при которых погибают патогенные микроорганизмы, сорняки и их семена.

Компост представляет собой в первую очередь средство для улучшения структуры почвы и в некоторой степени удобрение. Некоторые отходы растениеводства служат для образования силоса. Сущность силосования заключается в том, что в свежей растительной массе, плотно уложенной в непроницаемые для воздуха силосные сооружения, в результате биохимических процессов постепенно накапливаются органические кислоты, преимущественно молочная, которые служат консервирующим средством, предохраняя, при определенной концентрации, растительную массу от дальнейшего разложения и порчи. Для приготовления силоса используют специально выращиваемые растения, а также ботву корнеплодов, картофеля и бахчевых культур, остатки технических производств (свекловичный жом, хлебная и картофельная барда, картофельная мезга, виноградные выжимки). Микробиота силоса развивается, как правило, из эпифитных микроорганизмов, которые уже присутствуют на поверхности растения. Основными микроорганизмами, участвующими в силосовании, являются молочнокислые бактерии Lactobacillus иStreptococcus. Таким образом, силосование позволяет получить питательный корм для животных, а также избежать значительного поступления растительных отходов в окружающую среду.

В результате компостирования создаются такие конечные продукты (% от исходящего объѐма отходов): компост (40-50% по массе); газы (40-50% по

массе); остаточные материалы(10% по массе). К остаточным продуктам относятся пластмасса и другие материалы, которые не разлагаются, а также не компостные органические материалы, какие, возможно, необходимо вернуть в процесс компостирования.

Вопросы для самоконтроля

1.Что представляет собой компост?

2.Какие факторы влияют на его формирование?

3.Какие микроорганизмы участвуют в процессе компостирования?

4.Перечислите основные стадии компостирования.

Тема 5. Биоремидиация водных и почвенных систем

Нефть, попадая в почву, вызывает в ней значительные, а порой необратимые изменения: образование битуминозных солончаков, гудронизацию и т.д Особую нагрузку при этом испытывает почва, что проявляется в ухудшении еѐ морфологических и физико-химических свойств, угнетении самоочищающей способности и негативных изменениях развития и функциональной активности организмов почвенного биоценоза. Аварийные и хронические разливы нефти приводят к быстрой потере продуктивности земель или полной деградации ландшафтов. Ограниченность земельных ресурсов ставит неотложную задачу возврата в хозяйственное использование всех нарушенных и деградированных почв.

Также нефть и нефтепродукты оказывают негативное влияние на живые организмы и, в первую очередь, на сосудистые растения, которые вследствие прикрепления к субстратам (почве) постоянно подвергаются воздействию как глобального, так и локального загрязнения, и могут поглощать разнообразные загрязнители. Растения являются основой любого биогеоценоза, и поэтому отклонения биохимических, физиологических реакций растений, весьма чувствительных к изменению условий среды, могут служить индикатором ее состояния.

В процессе своей жизнедеятельности растения входят в сложные взаимоотношения с микроорганизмами, населяющими почву. В естественных условиях обитания микроорганизмы, окружающие растения, влияют на их рост и развитие.

Загрязнение природной среды вызывает ответные реакции во всех компонентах экосистемы, в том числе и в растительно-микробных комплексах, нарушая сложившиеся тысячелетиями механизмы их взаимодействия.

Несмотря на то, что технология добычи и транспортировки нефти постоянно совершенствуется с учетом защиты окружающей среды (ОС), актуальность проблемы не снижается. Такая экологическая проблема