Утилизация отходов биотехнологических производств

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего образования

«Московская государственная академия ветеринарной медицины

и биотехнологии имени К.И.Скрябина»

Кафедра иммунологии и биотехнологии

РЕФЕРАТИВНАЯ РАБОТА

На тему:

«УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ»

Выполнила: Студентка 4 курса 16 группы

Факультета ветеринарной медицины Магомедова Динара

Работу проверил: Кандидат ветеринарных наук

Доцент кафедры иммунологии и биотехнологии Заболоцкая Т.В

Содержание

Введение

Экологическая биотехнология

Типы бытовых отходов

Биологическая переработка промышленных отходов

Переработка отходов после очистки воды

Переработка ила

Ликвидация ила

Биодеградация отходов

Биодеградация нефтяных загрязнений

Пестициды

Ликвидация токсичных и опасных отходов

Компостирование органических отходов

Заключение

Список используемой литературы

отходы биотехнология очистка компостирование

Введение

Благодаря антропогенной деятельности человека (промышленной, сельскохозяйственной, бытовой и т.д.) постоянно происходит изменение физических, химических и биологических свойств окружающей среды.

Одно из наиболее важных направлений биотехнологии - обработка сточных вод, твёрдых выбросов, контроль за загрязнением окружающей среды и создание безотходных технологий.

Сегодня быстро развиваются разнообразные отрасли промышленности, в которых процессы жизнедеятельности микроорганизмов используются для создания замкнутых систем, для контроля за загрязнением сточных вод, биотестирования, для использования альтернативных энергоресурсов и химического сырья, как в промышленности, так и в сельском хозяйстве.

Основные задачи, которые решает биотехнология в деле охраны окружающей среды, следующие:

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.

В последнее время резко увеличилось количество и усложнился качественный состав веществ, загрязняющих среду. Наиболее опасно загрязнение окружающей среды вредными для здоровья человека ядовитыми, канцерогенными и мутагенными веществами.

Остро стоит проблема очистки сточных вод, а вместе с ней и - дефицит чистой воды. По подсчётам некоторых учёных человечество может остаться без пресной воды в 21 веке. Особенно большие надежды в решении этих проблем учёные возлагают на развитие биотехнологии.

Экологическая биотехнология

Биотехнология активно применяется в целях очистки всех компонентов биосферы (воды, почвы, воздуха и др.) от загрязняющих веществ. Кроме того, существенным является не только сам процесс очистки, но и возможность использования выделенных отходов в качестве вторичного сырья.

Биологическая очистка стоков.

Существуют микроорганизмы, для которых загрязнения, содержащиеся в сточных водах, являются питательными веществами. В начале 20 века произошла революция в очистки сточных вод с помощью активного ила - сложной смеси микроорганизмов. Хотя при этом требуется перемешивать жидкость и непрерывно аэрировать её воздухом, такой способ позволяет перерабатывать большие объёмы стоков с самыми разнообразными загрязнениями - от хозяйственно-бытовых до промышленных.

Биологическая очистка газовых выбросов.

Многие выбросы в атмосферу содержат вредные или дурно пахнущие примеси. Для их очистки применяют биофильтры, заполненные насадкой, на которой закреплены специальные микроорганизмы. Вредные примеси сорбируются на насадке и затем потребляются и обезвреживаются микроорганизмами.

Биокомпостирование твёрдых отходов.

Аналогом аэробной очистки стоков является аэробное биокомпостирование твёрдых отходов. Твёрдые отходы смешиваются с микроорганизмами, разлагающими вредные загрязнения, и балластным материалом типа торфа, который обеспечивает доступ кислорода к микроорганизмам. Это позволяет превратить отходы в удобрение или просто использовать их в качестве подсыпки для дорог, в строительстве и в других случаях.

Метановое сбраживание твёрдых отходов.

Ещё в 1776 году Вольта обнаружил, что в болотном газе содержится метан. С 1901 года успешно применяют анаэробное сбраживание осадка избыточного активного ила, образующегося при работе установок биологической очистки сточных вод. Сброженный осадок, если только он не содержит повышенных концентраций тяжёлых металлов, успешно используют как удобрение. Он лучше исходного осадка по составу, и в нём почти полностью отсутствуют болезнетворные микроорганизмы.

Также существуют и многие другие способы биотехнологического воздействия на окружающую среду: биодеградация химических пестицидов и инсектицидов, борьба с накоплением метана в шахтах, обессеривание нефти и каменного угля, обогащение воздуха кислородом и другие.

Типы бытовых отходов

Интенсивный рост промышленности и городов привели к увеличению загрязнения окружающей среды. Результатом деятельности промышленных предприятий является образование отходов. Виды отходов самые разнообразные, и, соответственно, методы их обработки и переработки многочисленны. Органические отходы в соответствии с источником подразделяются на бытовые, промышленные и сельскохозяйственные, а по физическому состоянию - на жидкие, полужидкие текучие и твёрдые.

Типы органических отходов и методы их биологической обработки представлены в таблице:

Биологическая переработка промышленных отходов

В области переработки и ликвидации твёрдых отходов биотехнологическими методами наиболее значительное место, как по стоимостным, так и по объёмным показателям занимает утилизация ила сточных вод и твёрдых коммунальных отходов.

Промышленные отходы можно 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. Это может быть:

1) деградация отдельных видов отходов 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.);

6) 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. Сточные же воды химической промышленности, как правило, не соответствуют возможностям подобных систем.

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).

Переработка отходов после очистки воды

Традиционные физико-химические методы переработки сточных или канализационных вод приводит к образованию значительного количества твёрдых отходов. Некоторая их часть накапливается уже на первичной стадии осаждения, а остальные обусловлены приростом биомассы за счёт биологического окисления углеродсодержащих компонентов в сточных водах. Твёрдые отходы изначально существуют в виде различных суспензий с содержанием твёрдых компонентов от 1 до 10%. По этой причине процессам выделения, переработки и ликвидации ила стоков следует уделять особое внимание при проектировании и эксплуатации любого предприятия по переработке сточных вод.

В общих чертах, технические методы обработки ила сводятся к достижению определённой степени обезвоженности. Выбор процесса или последовательности процессов в любой технологической цепочке утилизации ила определяется способом его ликвидации, наиболее подходящим для конкретного вида ила и места его переработки. Каждый тип ила обладает различными свойствами в таких процессах, как, например, перекачка, химическая обработка или фильтрование. Поэтому выбор способа переработки определяется главным образом экономическими показателями процесса, зависящими от типа ила.

Переработка ила

Концентрирование. Различные типы сырых осадков сточных вод первоначально не отличаются высокой концентрацией твёрдых компонентов. Поэтому, согласно современным теориям утилизации ила, в большинстве случаев необходимо обеспечивать определённую степень обезвоживания ещё до начала основных процессов переработки. Одним из наиболее простых способов достижения этой цели является длительное осаждение под действием силы тяжести - отстаивание. Различают первичное и вторичное отстаивание. Первичное применяется непосредственно после сброса сточных вод. Вторичное отстаивание применяется для ила, прошедшего стадию анаэробного сбраживания. Сложности при этом обычно связаны с наличием микропузырьков биогаза, образующихся во время процесса сбраживания. Поэтому перед вторичным отстаиванием обычно предусматривают операции удаления газа.

Концентрировать ил также можно и с помощью центрифугирования и флотации.

Фильтрование. Ил может быть обезвожен до более высокой степени фильтрованием. В Великобритании подобные процессы чаще всего проводят на фильтр-прессах. Установка состоит из набора плит, подвешенных на боковых брусьях или верхней балке. На плитах сделаны углубления таким образом, чтобы между ними образовывались камеры, на каждую плиту натягивается фильтровальная ткань, и вся конструкция фиксируется либо болтами, либо с помощью гидравлического давления. Далее насосами фильтр заполняется илом и обеспечивается давление для создания движущей силы фильтрования. В конце цикла, после прекращения стока воды, давление снимается, плиты разделяют, а твёрдый осадок удаляют.

Модификация ила. Обезвоживание большинства типов ила, полученных в ходе различных операций по переработке стоков, - сложный процесс. Необходимой стадией является предварительная обработка ила с целью улучшения фильтруемости. Это и есть модификация его свойств. Как правило, этот процесс заключается в добавлении химикатов, действующих как коагулянты или флокулянты. В качестве таких реагентов могут быть использованы неорганические соли (известь, хлорид железа, сульфат железа, хлоргидрат алюминия) или специально подобранные органические полимеры с различной молекулярной массой и ионным сродством.

Какие бы типы реагентов ни употреблялись (неорганические или органические), на практике важно не превышать некоторой оптимальной дозировки. Избыточное количество не только ведёт к расточительству и увеличению расходов, но иногда вызывает и ухудшение фильтруемости.

Аэробная переработка отходов

Аэробная переработка стоков - это самая обширная область контролируемого использования микроорганизмов в биотехнологии. Она включает следующие стадии:

1) адсорбция субстрата на клеточной поверхности:

2) расщепление адсорбированного субстрата внеклеточными ферментами;

3) поглощение растворенных веществ клетками;

4) рост и эндогенное дыхание;

5) высвобождение экскретируемых продуктов;

6) "выедание" первичной популяции организмов вторичными потребителями.

В идеале это должно приводить к полной минерализации отходов до простых солей, газов и воды. Эффективность переработки пропорциональна количеству биомассы и времени контактирования ее с отходами. Системы аэробной переработки можно разделить на системы с перколяционными фильтрами и системы с использованием активного ила.

Активный ил.

Переработка отходов с помощью активного ила, осуществляемая сложной смесью микроорганизмов, была предложена в 1914 г. Этот процесс более эффективен, чем фильтрация, и позволяет перерабатывать сточные воды в количестве, в десять раз превышающем объем реактора. Однако он обладает рядом недостатков: более высокими эксплуатационными расходами из-за необходимости перемешивания и аэрации; большими трудностями в осуществлении и поддержании процесса; образованием большого избытка биомассы. Несмотря на все это, процесс, использующий активный ил, остается наиболее распространенным методом переработки сточных вод в густонаселенных районах, поскольку требует меньших площадей, чем эквивалентная фильтрационная система.

Задача микробиолога-биотехнолога при разработке методов очистки сточных вод состоит в более полном изучении и учете взаимосвязи между активностью микроорганизмов, образованием хлопьев ила и производительностью установки по переработке отходов. В этом смысле превращения в системе активного ила следует рассматривать в основном как окислительные процессы во влажной среде, сопровождающиеся увеличением объема ила, которое можно расценивать как вредное или полезное (последнее - когда ил используется повторно). Совершенно очевидно, что биологический способ переработки пригоден для множества различных органических и неорганических соединений и устраняет их вредное воздействие на окружающую среду.

Анаэробное разложение

Все возрастающая стоимость переработки отходов с помощью аэробного разложения и энергетический кризис, с одной стороны, и новые достижения микробиологии и технологии - с другой, возродили интерес к анаэробной переработке. Самая распространенная технология анаэробной переработки - разложение ила сточных вод. Эта хорошо разработанная технология с успехом используется с 1901 г. Однако здесь существует ряд проблем, обусловленных малой скоростью роста облигатных анаэробных метанобразующих бактерий, которые используются в данной системе. К ним относятся также чувствительность к различным воздействиям и неприспособленность к изменениям нагрузки. Конверсия субстрата также происходит довольно медленно, и поэтому обходится дорого. Некоторые проблемы связаны с неудачными инженерными решениями. Тем не менее, этот подход представляется перспективным с точки зрения биотехнологии; например, можно добавить к отходам ферменты для повышения эффективности процесса или попытаться усилить контроль за переработкой путем изменения тех или иных биологических параметров.

Анаэробная ферментация отходов или растительных культур, специально выращиваемых для получения энергии, очень перспективна для экономичного получения газообразного топлива при умеренных температурах (30 - 35°С). Эта новая отрасль биотехнологии была развита микробиологами в сотрудничестве с инженерами-химиками и механиками, работниками сельского хозяйства и экономистами.

Для получения энергии и полезных побочных продуктов можно использовать самые разнообразные отходы и сырье.

Ликвидация ила

1.Захоронение в почве. Такое использование ила весьма выгодно как с точки зрения роста урожайности, так и в плане улучшения почвы. Сброженный ил, обычно в виде пульпы, содержит азота 5,1; фосфора 1,6 и калия 0,4%. Доступность этого азота для сельскохозяйственных культур составляет 50-85%, а фосфора 20-100%. Таким образом, жидкий сброженный ил по содержанию этих элементов не уступает навозу.

Этот способ ликвидации осложняется двумя обстоятельствами: присутствием в иле патогенных организмов и токсичных элементов. Распространение патогенных организмов может быть пресечено рядом мер по дезинфекции ила перед его внесением в почву.

Принято считать, что основной повод для беспокойства дают два патогенных организма: Salmonella spp. и бычий цепень. Однако в иле могут присутствовать и другие патогенные виды, в частности паразитические, например Brucella abortus и Ascaris suum. Борьба с болезнями основывается на стабилизации ила.

Основными стабилизирующими ил процессами являются сбраживание, складывание в кучи или обработка известью. В качестве альтернативы возможно захоронение ила ниже уровня почвы.

2. Захоронение в море.

3. Сжигание.

Биодеградация твёрдых отходов

Перед транспортировкой твёрдых отходов на свалку они могут быть подвергнуты обработке, т.е. измельчению, перемалыванию и дроблению. Эта предварительная обработка может сильно влиять на катаболические процессы в твёрдых отходах. На типичной свалке, где отходы размещаются по отсекам, вся система в целом работает как группа реакторов периодического действия, в которых отходы находятся на разных стадиях биодеградации и подвергаются случайным воздействиям, например, попаданию воды, содержащей растворённый кислород или различные ксенобиотики. В этом случае можно применить простую модель периодических культивирований, действующих в той последовательности, в какой происходит загрузка. Для более традиционного типа свалки можно использовать модель периодического культивирования с повторным внесением посевного материала микроорганизмов и беспозвоночных.

Биодеградация нефтяных загрязнений

Рассмотрим процессы биодеградации сложных смесей углеводородов и их производных в средах, загрязненных нефтью. Речь пойдет как о сточных водах нефтяной промышленности, так и о загрязнении нефтью окружающей среды. Источники таких загрязнений могут быть самые разнообразные: промывка корабельных бункеров для горючего, аварии на танкерах в открытом море (основная причина нефтяных загрязнений окружающей среды), утечки в нефтехранилищах и сброс отработанных нефтепродуктов.

Сточные воды нефтяной промышленности обычно очищают биологическим способом после удаления большей части нефти физическими способами или с помощью коагулянтов. Токсическое воздействие компонентов таких сточных вод на системы активного ила можно свести к минимуму путем постепенной «акклиматизации» очистной системы к повышенной скорости поступления стоков и последующего поддержания скорости потока и его состава на одном уровне. Однако загрузка этих систем может значительно варьировать и, видимо, лучше использовать более совершенные технологии, например системы с илом, аэрированным чистым кислородом, или же колонные биореакторы.

Особую проблему представляют выбросы или случайные разливы нефти на поверхности почвы, поскольку они могут привести к загрязнению почвенных вод и источников питьевой воды. В почве содержится очень много микроорганизмов, способных разрушать углеводороды. Однако даже их активность не всегда достаточна, если образуются растворимые производные или поверхностно-активные соединения, увеличивающие распространение остаточной нефти.

Пестициды

Слив отходов производства пестицидов сегодня строго контролируется; технология очистки сточных вод или их детоксикации хорошо разработана, хотя остается сложной и многообразной. Она включает сначала экстракцию пестицидов растворителями, а затем обычную биологическую обработку. Для ликвидации непредусмотренных выбросов, происходящих при утечках или при промывке и замене контейнеров с пестицидами, подходящая технология пока отсутствует. Пестициды попадают в окружающую среду и в результате использования их для обработки сельскохозяйственных культур. Большинство пестицидов расщепляются бактериями и грибами. Превращение исходного пестицида в менее сложные соединения нередко осуществляется при участии сообществ микроорганизмов. Чрезвычайно высокая токсичность пестицидов зачастую утрачивается на первой же стадии их модификации. Это позволяет разработать относительно несложные микробиологические способы их детоксикации. В ряде случаев в качестве биологического агента детоксикации была испробована паратионгидролаза, выделенная из Pseudomonas spр. С её помощью удалось удалить 94 - 98% остаточного паратиона (около 75г) из контейнера с пестицидом за 16 ч при концентрации субстрата 1% (по весу). Забуференные растворы (паратионгидролазы) использовали также для детоксикации паратиона в разливах на почве, где его концентрация, по-видимому, была весьма высока. Как показали лабораторные эксперименты, еще одна возможная сфера применения иммобилизованных ферментов -- это очистка сточных вод. В будущем подобные системы смогут применять при промывке промышленных химических установок и реакторов, ферменты в виде аэрозолей - для удаления пестицидов с поверхностей, а ферменты в сочетании с пестицидами - для быстрого разрушения пестицидов после их использования.

Ликвидация токсичных и опасных отходов

Ликвидация токсичных и опасных отходов на свалке, отдельно или вместе с твёрдыми отходами, требует тщательного выбора места свалки и материала для ограждения. Часто токсичные и опасные жидкие отходы и илы подвергаются стабилизации или отверждению перед их ликвидацией на свалке.

Ликвидация токсичных и опасных твёрдых отходов вместе с обычными требует учёта следующих факторов: типа отходов (твёрдые, ил, жидкие), совместимости видов микроорганизмов, нагрузки, испарения, скорости вымывания, характеристик твёрдых отходов, температуры и водного баланса в данном месте.

Механизм ослабления вредных воздействий может быть как микробиологическим, так и физико-химическим. Так, при ликвидации отходов, содержащих соли бария, было показано, что основную роль играют физико-химические механизмы, в основном адсорбция. Микроорганизмы косвенно участвуют в этом процессе, так как происходит осаждение бария в виде карбоната за счёт выделяемого микроорганизмами диоксида углерода, а присутствие жирных кислот существенно влияет на подвижность бария за счёт образования комплексов.

Радиоактивные отходы также могут быть подвергнуты микробной трансформации.

Компостирование органических 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.

В процессе компостирования удовлетворяется в основном потребность в кислороде, органические вещества переходят в более стабильную форму, выделяются диоксид углерода и вода и возрастает температура. 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 позволит сохранить часть теплоты, выделяющейся при ферментации, и достигнуть более высокой скорости реакции. Этот ускоренный процесс и есть процесс компостирования.

Важными параметрами являются соотношение углерода и азота и мультидисперсность субстрата, необходимая для нормальной аэрации. Навоз, сырой активный ил и многие растительные отходы имеют низкое отношение углерода к азоту, высокую влажность и плохо поддаются аэрации. Их необходимо смешивать с твёрдым материалом, собирающим влагу, который обеспечит дополнительный углерод и нужную для аэрации структуру смеси.

В процессе компостирования принимает участие множество видов бактерий - более 2000 и не менее 50 видов грибов. Эти виды можно подразделить на группы по температурным интервалам, в которых каждая из них активна. Микроорганизмы, которые преобладают на последней стадии компостирования, являются, как правило, мезофилами.

Заключение

Развитие всех современных направление биотехнологии, включая экологическую биотехнологию, происходит в настоящее время настолько быстро, что точные прогнозные оценки в этой области весьма затруднительны.

Расширение сферы внедрения биотехнологии изменяет соотношение в системе «человек - производство - природа», повышает производительность труда, принципиально изменят его качество. В настоящее время последствия антропогенной деятельности достигли такой грани, когда дальнейшая некоординируемая деятельность может привести к необратимым изменениям в биосфере в целом. Это может привести к тому, что биосфера станет непригодной для обитания человека.

Один из основных путей решения данной проблемы - дальнейшее развитие биологии и расширение сферы применения биотехнологии. Внедрение биотехнологии ведет к созданию экологически чистых технологий в различных сферах человеческой деятельности, включая более рациональное использование природных ресурсов и создание замкнутых производственных циклов.

Список используемой литературы

1. Экологическая биотехнология. Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж. Вейза. Л.: Химия, 1990. Пер. изд.: Великобритания, 1987.

2. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. М.: Колос, 2004.

3. Экология микроорганизмов: Учеб. для студ. вузов / А.И. Нетрусов, Е.А. Бонч-Осмоловская, В.М. Горленко и др.; Под ред. А.И. Нетрусова. М.: Издательский центр «Академия», 2004.

4. Биотехнология / Т.Г. Волова. Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской Академии наук, 1999.

5. Свергузова С.В., Тарасова Г.И. Основы микробиологии и биотехнологии: Учебное пособие. 1999. Ч.2.

6. Основы микробиологии и биотехнологии: методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальности. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов / сост. Е. Н. Гончарова. Белгород: Изд-во БГТУ, 2009.

Размещено на Allbest.ru