Микробиология и основы биотехнологии

В почве, содержащей нефть, обнаруживаются аспорогенные дрожжи родов Candida, Torulopsis, Rhodotorula, Cróptococcus, Trichosporon, Sporobolomóces [53, 56, 57].

Благодаря высокой активности обменных процессов у микроорганизмов, они способны усваивать большие количества углеводородов нефти в единицу времени. Кроме культур микроорганизмов для деструкции углеводородов в процессе биоремедиации применяют биопрепараты, микробные удобрения и биосорбенты.

10.2. Биологическая очистка пылегазовых выбросов

Для очистки пылегазовых выбросов от органических веществ, в том числе одорантов, применяются биологические методы. Одоранты — это химические вещества, обладающие запахом.

Запах — наиболее «заметная», воспринимаемая форма загрязнения воздуха, ощущаемая при помощи чувства обоняния [58].

Проблема выбросов пищевой, бумажной, химической, нефтехими- ческой промышленности и ряда других отраслей промышленности связана с присутствием в выбросах сильнопахнущих веществ [59].

Âпищевой промышленности запахи являются результатом образования сложной химической смеси альдегидов, кетонов, сульфидов и меркаптанов. Их воздействие может вызвать у человека головокружение, тошноту и другие физиологические реакции.

При сжигании садовых и пищевых отходов появляются резкие запахи, обусловленные присутствием аммиака и аминов.

Производство бумаги — сложный процесс, одной из технологиче- ских стадий которого является сульфатный крафт-процесс. При реализации процесса в составе выбросов в атмосферу содержатся газообразные вещества, в том числе дурнопахнущие соединения восстановленной серы (сероводород, метилмеркаптан, диметилсульфид и диметилдисульфид).

Âпроцессе обработки мясных и рыбных отходов образуются аммиак и этиленамины, обладающие резким и неприятным запахом.

Âоснове производства черной металлургии лежат высокотемпературные процессы выплавки чугуна и стали. В результате в воздух выделяются газы, которые могут содержать сульфиды, меркаптаны и другие химические вещества с неприятным запахом.

191

Âпроцессе очистки и переработки нефти-сырца в воздух выделяются сероводород, меркаптаны и фенол, удаляемые из легких сортов топлива (бензин, керосин, легкое дизельное топливо).

При складировании твердых бытовых и промышленных отходов (ТБО и ПО) на полигонах или свалках в результате биодеградации органических веществ образуется биогаз. Компоненты биогаза: аммиак, сероводород, меркаптаны, фенол — являются одорантами и вызывают химическое загрязнение атмосферного воздуха.

Âоснове методов биологической очистки пылегазовых выбросов лежит способность микроорганизмов к использованию компонентов газов

âкачестве источников энергии и веществ для поддержания жизнедеятельности.

Для эффективного и экономичного улавливания загрязнений необходимо знать состав выбросов, физико-химические свойства компонентов выбросов, их токсичность, поведение в атмосфере и системе улавливания.

Биологическая очистка газовых выбросов реализуется тремя способами: в биофильтрах, биоскрубберах и в биомембранах.

Принцип метода очистки газовых выбросов в биофильтрах заключа- ется в фильтровании очищаемого воздуха через насадку (загрузочные материалы), с закрепленными на ее поверхности микроорганизмами. Удаляемые примеси сорбируются на поверхности насадки, после чего окисляются или трансформируются бактериальными клетками. Сорбирующими свойствами обладает биопленка, формирующаяся на поверхности загрузочных материалов, и близкая по физическим свойствам к биопленке биофильтров, используемых в практике очистки сточных вод. В зависимости от очищаемых примесей формируется специфиче- ское сообщество микроорганизмов. В случаях, когда компонентный состав газов не отличается широким разнообразием или загрязняющие вещества относятся к одному классу химических веществ, для интенсификации процесса применяют чистые культуры микроорганизмов.

Âбиоскруббере комбинируются известные методы: абсорбция —

очистка газовых выбросов и интенсивная биологическая очистка в аэробных условиях — очистка сточных вод. Сущность метода заклю- чается в том, что неочищенный газ барботируется через определенный объем воды. Абсорбированные в воде примеси окисляются с помощью микроорганизмов, содержащихся в воде. Остаточные концентрации при-

192

месей загрязняющих веществ вместе с микроорганизмами формируют поток сточных вод, доочищаемых традиционными способами.

Âбиомембране сочетаются процессы, происходящие в биофильтре

èбиоскруббере, т. е. газовые выбросы фильтруются через мембрану (например, силиконово-каучуковую), при этом крупные органические молекулы загрязняющих веществ задерживаются в ней, летучие компоненты, прошедшие через мембрану, абсорбируются в воду и в ней окисляются или трансформируются с участием микроорганизмов.

Необходимым условием использования биоскрубберов и биомембран является водорастворимость очищаемых примесей.

Âнастоящее время в зарубежной практике наибольшее практиче- ское применение нашли биофильтры.

На рекультивируемых европейских полигонах ТБО при отсутствии систем сбора биогаза и его утилизации, ввиду экономической неэффективности, очистку производят с помощью пассивных систем вентиляции

èбиофильтров [60]. Загрузочными материалами биофильтров служат чаще всего дешевые природные материалы: торф, опил, компост. Использование биофильтров предотвращает появление запахов, а во многих случаях способствует уменьшению количества метана, основного компонента биогаза, за счет присутствия в субстрате биофильтра метанокисляющих бактерий [60, 61]. Эффективность очистки биогаза в таких биофильтрах составляет 90 % при нагрузке 400 м3/ч [61]. Опыт использования биофильтров на полигонах ТБО России отсутствует.

Изучение процессов биодеградации в различных биофильтрах показывает, что необходимость дополнительной инокуляции субстратов чистыми культурами микроорганизмов (например, метанотрофными бактериями Methylosinus trichosporum H6 в случае окисления метана), отсутствует. Лучшие результаты достигаются при адаптации сложившегося микробиоценоза к удаляемым компонентам биогаза [61, 62]. Получены данные о биодеградации в биофильтрах толуолов, ксилолов, бутанола [63–65]; многие работы посвящены изучению вопросов применения биофильтров для удаления сероводорода [66, 67].

ÂРоссии одна из первых опытно-промышленных установок биоочи- стки вентиляционных выбросов с использованием монокультуры бактерий, прошедшая промышленные испытания, разработана в 1988–1989 гг. для очистки газовых выбросов мебельного производства. Основой биофильтра являются непатогенные и нетоксикогенные культуры бактерий

193

Pseudomonas fluorescens 101/2, Pseudomonas cariophylli 102/1, Pseudomonas aeruginosa 103/3, Pseudomonas oleovorans 104/2 [68]. С помощью биофильтров на Саратовской и Энгельсской мебельных фабриках очищают вентиляционные выбросы от ацетона, этанола, гексана, этилацетата, стирола, толуола, бутанола, ксилола с эффективностью от 85 до 100 % [68,69].

При выборе фильтрующего материала руководствуются рядом критериев, которые определяют эффективность процесса, экономические затраты на строительство и эксплуатацию биофильтра. К основным характеристикам фильтрующих материалов относятся:

•физические свойства: структура пор, объем пор, крупность зерен, содержание воды, адсорбционные и абсорбционные свойства, потеря давления в фильтре;

•химические свойства: показатель рН, наличие органических и неорганических веществ и микроэлементов, буферная емкость относительно рН-колебаний;

•микробиологические свойства: качественная и количественная характеристики микробиоценоза, окислительная способность микроорганизмов.

Высокая степень очистки достигается комбинированием различных материалов, например: компоста, полученного при компостировании отходов древесины; вереска и хвороста; коркового шрота и других корковых продуктов; торфа; инертных добавок или материалов подложки (стиропор, лава, керамзит).

Смесь различных материалов, особенно при применении более высоких нагрузок, имеет преимущества в отношении потери давления (рис. 10.1) [70, 71].

Размеры биофильтра зависят от очищаемого объема воздуха, биоразлагаемости компонентов очищаемых газовых выбросов и вида фильтрующего материала.

При расчете размера биофильтра используют три параметра, определяющих нагрузку фильтра:

•нагрузку на единицу площади фильтра — объемный расход отходящего газа относительно площади фильтра в м3/(ì2·ч). Обычно нагрузка находится в диапазоне 20–500 м3/(ì2·÷);

•объемную нагрузку фильтра — объемный расход отходящего газа относительно объема фильтра в м3/(ì3·ч). Эта величина является необходимой при использовании фильтров с высотой около 1 м;

194

Рис. 10.1. Потеря давления в биофильтре с различными фильтрующими материалами (высота подстилающего слоя — 1 м): 1 — фильтрующий компост; 2 — компост, смешанный с древесной корой

• удельную нагрузку фильтра — общую массу загрязняющих веществ, содержащихся в очищаемых выбросах, приходящуюся на единицу объема фильтра в единицу времени в г/(м3·÷).

При расчете суммарной окисляющей способности биофильтра пользуются известными или полученными экспериментально данными об окислительной способности микроорганизмов по отношению к отдельным компонентам отходящего газа. В зависимости от компонентного состава очищаемых газовых выбросов окисляющая способность биофильтров находится в диапазоне 20–200 в г/(м3·÷).

Известен способ рекультивации полигонов ТБО, с применением биофильтров для дегазации отходящих газов [72].

Тело полигона перекрывается изолирующим экраном, состоящим из изолирующего (суглинок или полиэтиленовая пленка) и укрывного (поч- вогрунт) слоев (рис. 10.2). Для отвода свалочного газа в экране установлены биофильтры.

Размеры биофильтра и площадь изолирующего экрана рассчитываются исходя из объема образования биогаза и поглотительной способности биофильтра.

Биологически активный фильтрующий слой для сорбции биогаза высотой 0,5–0,75 м представляет собой комбинацию сорбционных материалов: щепы, опила, скопа и коры в объемном соотношении 1:1:2:1.

195

Рис. 10.2. Конструкция перекрытия тела полигона ТБО с использованием биофильтров

По результатам экспериментальных исследований эффективность поглощения загрязняющих дурнопахнущих веществ на таком биофильтре составляет: метан — 96,6 %, сероводород — 98 %, аммиак — 96 %, фенол — 85 %, меркаптан — 71 %.

Как правило, дешевые сорбционные материалы, используемые в процессах биологической фильтрации, регенерации не подлежат. Срок их использования определяется механической стойкостью к истиранию, повышенным температурам и влажности, и ориентировочно составляет 5–6 лет, после чего вся фильтрующая загрузка подлежит замене. Материалы после замены могут быть использованы в качестве субстратов для рекультивации нарушенных земель или, при соблюдении санитарно-ги- гиенических нормативов, использоваться в качестве удобрения.

К преимуществам использования биологических методов очистки газовых выбросов относятся: широкий спектр извлекаемых загрязняющих веществ; дешевизна и доступность загрузочных материалов биофильтров и абсорбирующих жидкостей; избирательное извлечение специфических компонентов в присутствии других загрязняющих веществ.

196

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Нетрусов А. И. Микробиология: учеб. для студентов высших учебных заведений / А. И. Нетрусов, И. Б. Котова.— М.: Академия, 2006.— 352 с.

2.Бейли Дж. Основы биохимической инженерии / Дж. Бейли, Д. Оллис.— М.: Мир, 1989.— Ч. 1.— 691 с.

3.Бейли Дж. Основы биохимической инженерии / Дж. Бейли, Д. Оллис.— М.: Мир, 1989.— Ч. 2.— 590 с.

4.Общая микробиология / Г. Шлегель.— М.: Мир, 1972.— 476 с.

5.Молекулярные основы биологии вирусов / отв. ред. В. И. Товарницкий.— М.: Наука, 1966.— 409 с.

6.Кутафьева Н. П. Морфология грибов: учеб. пособие / Н. П. Кутафьева.— 2-е изд., испр. и доп.— Новосибирск: Изд-во Сиб. ун-та, 2003.— 215 с.

7.Маргелис Л. Роль симбиоза в эволюции клетки / Л. Маргелис.— М.: Мир, 1983.— 352 с.

8.Мюллер Э. Микология: пер. с нем. / Э. Мюллер, В. Леффер.— М.: Мир, 1995.— 343 с.

9.Мудрецова-Висс К. А. Микробиология: учеб. для товаровед. и технол. фак-тов торг. вузов / К. А. Мудрецова-Висс.— М.: Экономика, 1978.— 240 с.

10. Лемеза Н. А. Малый практикум по низшим растениям: учеб. пособие /

Í.А. Лемеза, А. С. Шуканов.— Минск: Унiверсiтэцкае, 1994.— 288 с.

11.Гаевская Н. С. Простейшие (Protozoa). Жизнь пресных вод СССР. Вып. 2, гл. 16.— М.; Л.: Èçä-âî ÀÍ ÑÑÑÐ, 1957.

12.Заварзин Г. А. Введение в природоведческую микробиологию: учеб. пособие / Г. А. Заварзин, Н. Н. Колотилова.— М.: Университет, 2001.— 256 с.

13.Определитель бактерий Берджи: в 2-х т.: пер. с англ. / под. ред Дж. Хоула,

Í.Крита, П. Снеба, Дж. Стейли, С. Уильямса.— М.: Мир, 1997.— 423 с.

14.Большой практикум по микробиологии / Т. В. Аристовская [и др.].— М.: Высшая школа, 1962.— 465 с.

15.Живая клетка: пер. с англ. / под ред. Г. М. Франка.— М.: Мир, 1966.— 236 с.

16.Заварзин Г. А. Литотрофные микроорганизмы / Г. А. Заварзин.— М.: Наука, 1972.— 321 с.

17.Готтшалк Г. Метаболизм бактерий / Г. Готтшалк.— М.: Мир, 1982.— 310 с.

198

18.Збарский Б. И. Биологическая химия / Б. И. Збарский, И. И. Иванов, С. Р. Мардашев.— Л.: Медицина, 1965.— 515 с.

19.Бирюков В. В. Основы промышленной биотехнологии: учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений / В. В. Бирюков.— М.: КолосС, 2004.— 296 с.

20.Егорова Т. А. Основы биотехнологии / Т. А. Егорова, С. М. Клунова, Е. А. Живухина.— М.: Академия, 2005.— 208 с.

21.Экологическая биотехнология: пер. с англ. / под. ред. К. Ф. Форстера, Дж. Вейза.— Л.: Химия, 1990.— 384 с.

22. Ввозная Н. Ф. Химия воды и микробиология: учеб. пособие для вузов / Н. Ф. Ввозная.— М.: Высшая школа, 1979.— 340 с.

23. Очистка производственных сточных вод в аэротенках / Я. А. Карелин [и др.].— М.: Высшая школа, 1979.— 340 с.

24.Поруцкий Г. В. Биохимическая очистка сточных вод органических производств / Г. В. Поруцкий.— М.: Химия, 1975.— 449 с.

25.Êester A. Mannual on Disposal of Refineró Wastes / A. Êester.— 1963.— Vol. 4.— Part A.— P. 150–159.

26.Никитина О. Г. Типы хлопьев активного ила / О. Г. Никитина // Новые направления в технологии, автоматизации и проектировании водоснабжения и водоотведения.— М.: Мосводоканал НИИ проект, 1991.— С. 40–45.

27.Терентьев В. И. Биотехнология очистки воды: в 2 ч. / В. И. Терентьев, Н. М. Павловец.— СПб: Гуманистика, 2003.— 272 с.

28.Голубовская Э. К. Микробиологические очистные сооружения / Э. К. Голубовская.— Л.: ЛИСИ, 1985.— 74 с.

29.Голубовская Э. К. Биологические основы очистки воды / Э. К. Голубовская.— М.: Высшая школа, 1978.— 268 с.

30.Чурбанова И. Н. Микробиология / И. Н. Чурбанова.— М.: Высшая школа, 1987.— 239 с.

31.Технические записки по проблеме воды (справочн. изд.). Фирма «Дегремон»: в 2 т.: [пер. с англ.] — М.: Стройиздат, 1983.— Т. 1.— 608 с.— Т. 2.— 609 с.

32.Яковлев С. В. Биохимические процессы в очистке сточных вод / С. В. Яковлев, Т. А. Карюхина.— М.: Стройиздат, 1980.— 200 с.

33.Вербина Н. М. Гидробиология с основами микробиологии / Н. М. Вербина.— М.: Пищевая промышленность, 1980.— 288 с.

34.Роговская Ц. И. Биохимический метод очистки производственных сточных вод / Ц. И. Роговская.— М.: Стройиздат, 1967.— 138 с.

35.Роговская Ц. И. Рекомендации по методам производства анализов на сооружениях биохимической очистки сточных вод / Ц. И. Роговская.— М.: Стройиздат, 1970.— 103 с.

199

36.Роговская Ц. И. Влияние повышенных температур на биохимический процесс очистки производственных сточных вод / Ц. И. Роговская, И. Ф. Лазаре-

ва, Л. М. Костина // Проектирование водоснабжения и канализации. Сер. IV.— М.: Союзводоканалпроект, 1969.— С. 219.

37.Варфоломеев С. Д. Биотехнология: Кинетические основы микробиологиче- ских процессов: учеб. пособие для биол. и хим. спец. вузов / С. Д. Варфоломеев, С. В. Калюжный.— М.: Высшая школа, 1990.— 296 с.

38.Фауна аэротенков: атлас.— Л.: Наука, 1984.— 264 с.

39.Кузнецов А. Е. Научные основы экобиологии: учеб. пособие для студентов / А. Е. Кузнецов, Н. Б. Градова.— М.: Èçä-âî ÌÃÓ, 2006.— 506 ñ.

40.Красина Н. Н. Физиология бактерий, разлагающих муравьиную кислоту с образованием газа / Н. Н. Красина // Микробиология. Т. 5.— М.: Изд-во Академии Наук СССР, 1936.—С. 25–31.

41.Химическая энциклопедия: в 5 т.— М.: Большая Российская энциклопедия, 1992.— Т. 3.— 639 с.

42.Химия нефти и газа: учеб. пособие для вузов / Богомолов А. И. [и др.].— 2-е изд.— Л.: Химия, 1989.— 424 с.

43.Вредные химические вещества. Природные органические соединения: справ.— СПб.: Химия, 1998.— Т. 7.— 498 с.

44. Киреева Н. А. Диагностические критерии самоочищения почвы от нефти / Н. А. Киреева, Е. И. Новоселова, Г. Ф. Ямалетдинова // Экология и промышленность России.— 2001.— ¹ 12.— С. 34–35

45.Бурдынь Т. А. Химия нефти, газа и пластовых вод: учеб. / Т. А. Бурдынь, Ю. Б. Закс.— М.: Недра, 1978.— 277 с.

46.Киреева Н. А. Микробиологическая индикация нефтезагрязненных почв / Н. А. Киреева // Защита от коррозии и охрана окружающей среды.— 1997.— ¹ 6.— С. 11–13.

47.Андерсон Р. К. Использование биологического метода для очистки и рекуль-

тивации нефтезагрязненных почв / Р. К. Андерсон // Защита от коррозии

и охрана окружающей среды.— 1994.— ¹ 1.— С. 2–6.

48.Экология микроорганизмов: учеб. для студентов вузов / Е. А. Нетрусова-Ос- моловская [и др.].— М.: Академия, 2005.— 208 с.

49.Булатов А. И. Охрана окружающей среды в нефтегазовой промышленности / А. И. Булатов, П. П. Макаренко, В. Ю. Шеметов.— М.: Недра, 1997.— 483 с.

50.Бурлак В. А. Способ восстановления плодородия земель, эагрязненных нефтью / В. А. Бурлак, М. Ю. Шинкевич // Экология и промышленность России.— 2003.— ¹ 6.— С. 13–41.

200