Производство биоэнергии с помощью микроорганизмов

1. Методы и условия производства этанола.

2. Метаногенез. Метанобразующие бактерии.

Этанол – это экологически чистое топливо, которое при сгорании дает углекислый газ и воду, используется в технике, в двигателях внутреннего сгорания в чистом виде или в качестве добавки к бензину. Основной способ получения этанола – нефтехимический синтез.

1. Получение этанола путем сернокислотной гидротации этилена:

СН₂= СН₂+Н₂SO₄+Н₂О→С₂Н₅ОН+Н₂SO₄

получают продукт, содержащий 98% спирта. Отработанная Н₂SO₄ используется для производства с/х удобрений.

2. Прямая гидротация этилена:

	H3PO4

CH₂=CH₂+H₂O C₂H₅OH

и в том и в другом случаях в качетсве исходного сырья используется нефть.

Условия производства достаточно опасны, поэтому в настоящее время спирт получают биохимическим путем, используя крахмалсодержащее сырье (картофель,зерновые культуры) и целевые микроорганизмы. В основном применяются различные штаммы культурных дрожжей Sacсharоmyces cerevisiае. Производство не безодходное: на 1 л. спирта образуется 12-14 л сточных вод, содежащих различные опасные вещества. Недостатки: дрожжи - факультативные анаэробы, часть питательного субстрата теряется из-за процесса дыхания, поэтому разрабатываются продуценты, не содержащие митохондрий. Кроме того, дрожжи чувствительны к спирту (8-13%), необходима селекция новых культур, а также необходима предварительная обработка сырья для перевода углеводов в сбраживаемые сахара.

3. Метаногенез - это превращение органических веществ в энергию. Биогаз, который образуется в ходе этого процесса содержит 65% метана, 30% СО₂, 1% Н₂S и незначительное количество O₂, H₂ и СО₂.

Метан образуется при анаэробном разложении органических соединений в 3 этапа:

1. Образование кислот: органические соединения растворяются и гидролизуются до масляной, молочной, пропионовой кислот.

2. Ацидогенез –под действием ацетогенных бактерий образуются ацетат, формиат, СО₂, Н₂. Эти соединения служат питательным субстратом для метанообразующих бактерий. Бактерии, синтезирующие метан, различаются по форме. Это могут быть палочки: Methanobacterium, Methanocoсcus, Methanosarcinа, Methanospirillum. Все они строго анаэробны, отличаются от других бактерий строением клеточной стенки и метаболизмом. Находятся в симбиозе с бактериями, вырабатывающими Н₂, так как способны ассимилировать его, осуществляя окисление. Это автотрофы, осуществляющие карбонатное дыхание. Используются при переработке сточных вод. Реактор метантенк должен быть герметичен, объемом до нескольких кубометров, с рубашкой для обогрева и перемешивающим устройством. Метентенк оборудован газоотделителем с противо пламенным устройством. Работает в периодическом режиме, загружаются органические отходы или сточные воды, постоянно отбирается биогаз и выгружается твердый осадок по мере завершения процесса. Вместе с осадком удаляется часть имеющихся в метантеке микроорганизмов. Практически биогаз получают в водонепроницаемых цилиндрических цистернах - дайджестерах. У него имеется боковое отверстие, через которое вводится ферментируемый материал. Над дайджестером нависает стальной циллиндрический контейнер для сбора газа в виде купола, одновременно он предотвращает доступ воздуха. Обычно перерабатывают отходы с содержанием 8 – 11% сухого вещества.

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД

1. Сточные воды. Санитарно-биологическая оценка качества воды.

2. Аэробные методы очистки сточных вод

3. Принципиальная схема очистки сточных вод.

4. Биоценоз активного ила.

В зависимости от характера примесей различают: бытовые, производственные и дождевые сточные воды.

Бытовые – загрязнены физиологическими выделениями людей, животных и хозяйственными отходами. Могут содержать болезнетворные бактерии, которые вызывают желудочно-кишечные заболевания (Holero vibrio, Salmonella, Shigella, Escherichia сoli, Proteus vulgaris). Хозяйственные отходы представляют собой тряпье, остатки картона, бумаги, ПАВ (мыла), органическая часть представлена белками, углеводами, жирами и продуктами их разложения. Кроме того, бытовые сточные воды могут содержать неорганическую часть (песок, глина, соли).

Доля органических веществ составляет: 45 – 58%. Методов, позволяющих определить отдельно эти компоненты, нет, поэтому их оценивают суммарно. К общим показателям, характеризующим загрязнение сточных вод относят те, которые характеризуют общие свойства воды.

1. органолептические

2. физико-химические показатели

3. содержание нерастворимых примесей

4. концентрация растворенных веществ

5. ХПК – химическое потребление кислорода (количество О₂, которое необходимо для окисления неограничекских веществ до СО₂, NH₃,H₂O)

6. БПК – биологическое потребление кислорода (количество О_2, потребляемое микроорганизмами для биохимического окисления при стандартных условиях в определенный промежуток времени).

Сточные воды, образующиеся при использовании воды в технологических процессах называются производственными.

Их делят по степени опасности на 3 категории:

1. отходы предприятий АПК без токсических веществ.

2. отходы, содержащие биохимически окисляемые примеси и токсические соединения (ПАВ, Cr, сульфиды).

3. стоки с кислородосодержащими солями, например, гальванических цехов, химических производств промышленности.

Важной характеристикой сточных вод является соотношение БПК и ХПК, кот. показывает, какая часть общего содержания органических примесей может быть окислена биохимическим путем. Считается, что биохимическая очистка целесообразна, если это соотношение белее чем 0,5.

Для бытовых сточных вод это соотношение 0,86 – 0,9, для производственных может сильно варьироваться. На городские очистные сооружения поступает смесь бытовых и производственных вод (городские сточные воды). Для них устанавливается ПДК – предельно допустимая концентрация токсических веществ. Как правило ПДК должна быть менее 500 мг на литр. Растворенные соли – менее 10г на литр, t=5-50°С, рН=6,5-8,5. Не допускается содержание нерастворимых масел, смол, мазутов.

Дождевые – формируются в результате выпадения осадков, таяния снега, льда, включают воду от поливки улиц, содержат много песка, глины, нефтепродуктов.

Санитарно-микробиологическая оценка включает показатели, которые характеризуют микробиологическую безопасность сточных вод.

Прежде всего это БГКП (бактерии группы кишечной палочки) – свидетельсьвуют о свежем фекальном загрязнении. Они являются косвенными показателями возможного присутствия патогенных микроорганизмов. Это бактерии, возбудители смешанного типа брожения, относятся к группе энтеробактерий, сюда относят палочки род Escherichia, Enterobacter. Важное значение имеет соотношение БГКП и кишечной палочки. Чем менее это соотношение тем более эпидемиологически опасна эта вода. Отрицательное влияние на здоровье человека модет оказывать и сапрофитная флора, поэтому оценивается общее микробное число (ОМЧ) – это количество колонии образующих единиц (КОЕ) в 1 см³. МАФАМ – количество мезофильно аэробных и фак. анаэробных микроорганизмов. Важно содержание в сточных водах яиц гельментов. Общее микробное число не должно превышать 10⁶ – 10⁸ КОЕ на см³. Исследование воды проводят по сезонам, при заборе Н₂О.

2. Водоемы способны самоочищаться. Самоочищение это сложный комплекс взаимосвязанных химических, физико-химических, биохимических процессов. Важную роль в самоочищении играет растворенный в воде кислород, солнечный свет (УФ-часть), гидробионты (простейшие), бактерии. Способность водоемов самоочищаться небезгранична. Особенно сильно снижается скорость окисления при содержании кослорода менее 0,5 мг/л.

Важную роль играют фотосинтезирующие бактерии и фитопланктон. Причем ряд бактерий проявляет антогонистические свойства к патогенной микрофлоре.

Человек на практике имеет 2 группы аэробных процессов очистки воды:

1. экстенсивные – не связаны непосредственно с управлением, культивированием микроорганизмов. Микроорганизмы, находящиеся в верхнем слое почвы образуют биоценозы, за счет деятельности которых происходит очищение воды. Поля орошения, фильтрации и т.д.

2. интенсивные методы – человек непосредственно управляет процессом роста и развития микроорганизмов. В основе лежит деятельность активного ила, биопленки или биофильтра. Эти биоценозы формируются на каждом конкретном производстве в зависимости от состава сточных вод.

Активный ил – это темно-коричневые хлопья размером до нескольких сотен мкм. Это своего рода иммобилизованные[1] клетки микроорганизмов: 40% микробов, 30% твёрдый носитель. Живые организмы вместе с неорганическим носителем образуют зооглей (симбиоз популяций микроорганизмов), покрытый общей слизистой оболочкой. Соотношение капсульных и безкапсульных форм клеток в активном иле называется коэффициентом зооглейности (Z).

Активный ил может содержать: актиномицеты, артробактерии, бациллы, бактерии, микрококки, псевдомонады и др.

На формирование ценоза влияют температура, содержание кислорода, наличие минеральных веществ, присутствие простейших организмов, которые сами не участвуют в потреблении органических веществ, но регулируют видовой и возрастной состав микрофлоры.

Качественный активный ил на 1 млн. бактериальных клеток должен содержать 10-15 единиц простейших. Этот коэффициент называется коэффициентом протозойности. Скорость биохимического окисления органических веществ возрастает с его возрастанием. В активном иле микроорганизмы и простейшие биоценоза распределяются равномерно по всей системе очистки.

БИОФИЛЬТРЫ

Биоценоз бактериальных фильтров отличается от биоценоза активного ила. На разных уровнях биофильтра создаются свои ценозы микроорганизмов, которые количественно и качественно отличаются друг от друга, так как при прохождении сточной воды через биофильтр меняется характеристика загрязняющих веществ. Сначала потребляются более простые соединения и развивается микрофлора, которая их потребляет. Сточная вода обогащается продуктами жизнедеятельности микроорганизмов 1го слоя. По мере прохождения воды через фильтр происходит потребление, утилизация все более сложных соединений и развиваются микроорганизмы, которые способны их усваивать. В нижней части биофильтра скапливаются простейшие организмы. Подобный биоценоз позволяет полностью извлечь из воды все органические соединения. Химические вещества (ионы тяжелых металлов, фенолы) подавляют жизнедеятельность микрофлоры.

Аэробные методы очистки воды применяются для малоконцентрированных субстратов, для которых БПК=500-1000 мг/л.

Анаэробные процессы переработки отходов применяются для сбраживания высококонцентрированных стоков и осадков, содержащих большое количество органических веществ. Осуществляется в метантенках, биоценоз которых беднее, чем в аэробных условиях. Применение биологических методов очистки требует регулирования температуры, рН, концентрации растворенного кислорода, уровня перемешивания. Важно учитывать концентрацию и возраст активного ила, присутствие токсических примесей.

3. Современные очистные сооружения состоят из 4х блоков:

1. механической очистки

2. биологической очистки

3. обеззараживания воды

4. обработки осадка

1. В блоке механической очистки задерживаются крупные примеси, в песколовках – остатки песка. На последней стадии механической очистки выделяется часть взвешенных веществ, которые в результате седиментации образуют сырой осадок. Сырой осадок и крупные примеси на 90-95% состоят из органических веществ; их передают на сооружения обработки осадка для обезвреживания и стабилизации.

2. Основан на способности микроорганизмов использовать компоненты очищаемых вод в качестве источника энергии и материалов для конструктивного обмена Возможно применение аэробных и анаэробных методов.

Концентрация сточных городских вод по БПК составляет 200-400 мг/л, поэтому их очищают в аэробных условиях. Блок биологической очистки включает биофильтр, а также вторичный отстойник. Изыток биомассы постепенно удаляют из бионосителя и передают на сооружения очистки.

Сырой осадок и избыточный ил, которые образуются в результате очистки более концентрированных сточных вод, подвергают анаэробным методам очистки.

[1] Это те у которых полностью или частично ограничено перемещение в пространстве.