МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
имени ШАКАРИМА г. СЕМЕЙ
Документ СМК 3 уровня
УМКД
УМКД 042-18-25.1.95/
УМКД
03-2014
Учебно-методические
Редакция № 1 от
материалы по дисциплине
11.09.2014 г.
«Экологические
биотехнологии»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ДИСЦИПЛИНЫ
«ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ»
для специальности 5В060800 – «Экология»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Семей
2014
Содержание
1
Лекции
2
Практические занятия
3
Самостоятельная работа студента
1 Конспект лекций
Лекция Экологическая биотехнология как новое научно-техническое направление
План
1. Общее представление об экобиотехнологии
2. Отрасли использования методов биотехнологии
3. Развитие представлений о роли биотехнологии в решении задач охраны окружающей
среды
1. Экобиотехнология – сравнительно новое направление науки и прикладной
биотехнологии – представляет собой область междисциплинарных знаний биологии, химии и
геохимии, экологии, почвоведения, гидробиологии, микробиологии, биохимии и физиологии,
популяционной генетики, инженерно-технологических дисциплин.
Биотехнология как направление науки и практики является пограничной областью
между биологией и техникой отраслей человеческой деятельности. Она представляет собой
совокупность методов и приемов получения полезных для человека продуктов, явлений и
эффектов с помощью микроорганизмов. История биотехнологии насчитывает тысячелетия
(производство хлебопечения, виноделие, сыроделие и т. д.).
Применительно к охране окружающей человека природной среды биотехнологию
можно рассматривать как разработку и создание технологических процессов, основанных на
продуктах жизнедеятельности биологических объектов, микробных культур, сообществ, их
метаболитов и препаратов, путем включения их в естественные круговороты веществ,
элементов, энергии и информации. Методами и приемами биотехнологии являются
фундаментальные и прикладные наработки микробиологии, биохимии, биофизики, клеточной и
генной инженерии, их сочетание.
Экологическая биотехнология – научно-техническое направление, включающее
применение биотехнологии для решения проблем окружающей среды (обработка сточных вод,
переработка твердых отходов, борьба с загрязнениями окружающей среды и др.).
Экологическая биотехнология подразумевает использование живых организмов для
переработки опасных отходов и борьбы с загрязнением окружающей среды. Например,
некоторые грибки применяются для нейтрализации токсичных побочных продуктов бумажной
промышленности. Другие микроорганизмы, населяющие свалки ядовитых отходов,
расщепляют такие соединения, как полихлорированные бифенилы, на безвредные соединения.
Биотехнологи изучают механизмы, с помощью которых населяющие устья рек микроорганизмы
могли бы очищать воду от химических загрязнений.
Экологическая биотехнология разрабатывает биологические системы деградации и
обезвреживания вредных химических веществ, загрязняющих почву, водоемы, атмосферу.
Например, уже получены штаммы микроорганизмов, утилизирующих нефть и нефтепродукты
на водных поверхностях, фенол – в сточных водах и т. д.
Учитывая важность биотехнологии на современном этапе существования человечества, в
ее развитие вкладываются огромные средства.
Методы экологической биотехнологии обеспечивают более эффективное по сравнению с
традиционными подходами обезвреживание разнообразных токсических отходов, а также
значительно снижают нашу зависимость от таких методов утилизации мусора, как сжигание и
создание хранилищ токсических отходов.
Использование биотехнологии для решения экологических проблем не является новой
идеей. Уже более ста лет смешанные бактериальные популяции используются для очистки
сточных вод. Все живые организмы (животные, растения, бактерии и др.) для поддержания
жизни поглощают и переваривают питательные вещества и выделяют в окружающую среду
образующиеся при этом продукты жизнедеятельности. Разным организмам для поддержания
жизни необходимы разные питательные вещества. Некоторые бактерии с удовольствием
поглощают химические соединения, содержащиеся в отходах, другие – питаются токсическими
химикатами, такими как метиленхлорид, детергенты и креозот.
Специалисты в области охраны окружающей среды пользуются двумя методами
биоремедиации (биовосстановления) загрязненных органическими отходами земель: вносят в
зараженную почву специализированные штаммы бактерий либо питательные вещества,
стимулирующие активность уже присутствующих там микроорганизмов. Бактерии поглощают
токсины и разлагают их до безвредных продуктов жизнедеятельности. После того, как весь
запас токсических соединений переработан, численность популяции бактерий-очистителей
возвращается к нормальному уровню, либо они умирают.
Цель экобиотехнологии – защита природных экосистем отантропогенных и
техногенных воздействий; основные способы –биовосстановление, биопереработка и
биодеградация.
Научной основой экобиотехнологии являются закономерности и
процессы,
протекающие в экосистемах, реакции экосистем на внешние воздействия. Их знание и
целенаправленное регулирование позволяют разрабатывать биометоды и биотехнологии
обеспечения защиты природных систем от антропогенных и техногенных воздействий или их
восстановления.
Одно из важнейших направлений экобиотехнологии – решение задач охраны
окружающей среды с использованием живых организмов и систем для переработки отходов,
очистки природных сред от техногенных
загрязнений, обезвреживания загрязненных
техногенных потоков, восстановления плодородия земель, выведенных из хозяйственного
пользования в
результате деятельности человека, замены химических препаратов
сельскохозяйственного назначения экологически чистыми биологическими, получения и
модификации «экологически дружественных» полимеров, ПАВ и других материалов и
соединений с полезными свойствами, а также предотвращение биокоррозии, биоповреждений
и биообрастаний.
Экобиотехнология связана с использованием таких традиционных процессов, как
биологическая очистка сточных вод, переработка органических отходов (приготовление
компостов и др.), а также сравнительно новых, применяемых для очистки газовоздушных
выбросов, загрязненных почв, водоемов, донного ила, осадков. Биотехнологические способы
очистки природных сред, в частности почв и грунта от загрязнений, обезвреживания токсичных
отходов в природных средах, называются методами биоремедиации.
2. Отрасли использования методов биотехнологии
– химическая промышленность: использование биокатализаторов для синтеза новых
соединений, уменьшения количества побочных продуктов и повышения степени очистки
продукции;
– производство пластмасс: снижение количества используемой для производства
пластмассы нефти за счет перехода на экологически чистую пластмассу, изготавливаемую из
сельскохозяйственного сырья: кукурузы или сои;
– бумажная промышленность: повышение эффективности производственного
процесса, в том числе за счет ферментов, снижающих количество токсичных побочных
продуктов;
– текстильная промышленность: снижение образования токсичных побочных
продуктов. Повышение качества фабричных детергентов за счет добавления ферментов;
– пищевая промышленность: улучшение процессов хлебопечения, использование
получаемых с помощью ферментации консервантов и методов анализа безопасности продуктов
питания;
– промышленное животноводство: использование ферментов для повышения
усвояемости питательных веществ и снижения выделения соединений фосфора в окружающую
среду;
– энергетическая промышленность: использование ферментов для создания
экологически чистого топлива из сельскохозяйственных отходов.
Некоторые промышленные приложения биотехнологии по отраслям
– биологические топливные элементы;
– химические продукты тонкого органического синтеза и массового производства;
– синтез хиральных соединений (молекулы которых несовместимы со своим зеркальным
отражением);
– синтетическое волокно для производства тканей;
– фармакологические препараты;
– пищевые ароматизаторы;
– биопластмассы;
– биоэтанол, биодизель, биоводород для транспортных средств;
– пищевые жиры;
– очистка масел и газов от сероводорода;
– обезжиривание кожи;
– биополимеры для изготовления упаковки;
– очистка вод угольных пластов от метана;
– обеззараживание химического и биологического оружия;
– отбеливание целлюлозы и бумаги;
– биопульпирование (размягчение древесины с помощью лигнин-разрушающих грибов) для
производства бумаги;
– обработка текстиля;
– ферментативная обработка продуктов питания;
– выщелачивание отвалов металлических руд;
– гальванопокрытие/очистка металлов;
– вискоза и другие синтетические волокна;
– очистка металлов от примесей;
– производство витаминов;
– производство подсластителей (кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы);
– обработка дорожного покрытия с целью меньшего накопления пыли;
– обезвоживание текстиля;
– рафинирование растительных масел.
3. В ряде документов, принятых на международных конференциях в 80-90-е гг. XX в.,
особо подчеркнута роль биотехнологии в решении задач охраны окружающей среды и
предотвращения образования и накопления загрязнений. Так, на конференции в Рио-деЖанейро в 1992 г. было отмечено значение биотехнологии в решении проблем охраны
окружающей
среды и рационального природопользования, для повышения качества пищевых продуктов,
кормов и пополнения запасов сырья, улучшения здоровья человека.
Проблема очистки окружающей среды от загрязнений возникла еще
5000 лет назад. Уже в Древнем Риме воды Тибра были непригодны для питья, поэтому
сооружались акведуки для снабжения населения свежей водой (знаменитый римский
водопровод был построен за 400 или 500 лет до н.э.), а нечистоты удаляли в море по сточным
каналам. Для Европы эта проблема стала актуальной в средние века.
К 70-м гг. XIX в. в промышленно развитых городах многие водоемы
представляли серьезную угрозу для здоровья людей. Стоки и загрязнения, попадающие в
питьевую воду, были причиной различных заболеваний населения и домашнего скота. В
городах с середины XIX в. началось строительство канализационных сетей.
Рост численности населения, развитие городов сопровождались изменением природных
условий и формированием специфических городских
ландшафтов. Уже к концу XVIII в. - началу XIX в. стали проявляться негативные последствия
экстенсивного ведения хозяйства - падение
урожайности, эрозия почвы, уменьшение
содержания гумуса в пахотных почвах.
Для поддержания плодородия почв требовалось регулярное внесение
органических удобрений. В XVIII-XIX вв. начались исследования способов
повышения плодородия почв. Так, профессор земледелия И. И. Комов 1750-1792) придавал
большое значение для питания растений органическому веществу почвы, опередив немецкого
ученого А. Тэера 1752-1828), разработавшего гумусовую теорию питания растений.
Отечественный агроном М.Г.Павлов A794-1840) считал, что почвы следует удобрять для
улучшения их физических свойств, устранения кислотности, ускорения разрушения
органических веществ, повышения плодородия.
По мере развития земледелия и отчуждения земель в результате роста городского
строительства все более интенсивным становилось
использование почв, нарушались
естественные процессы самоочищения и менялись роль и функции почв. В Европе уже к началу
XX в. девственные леса и почвы были в основном «окультурены».
Извлечение полезных руд и минералов, сведение лесов, распашка полей, строительство
дамб и каналов потребовало разработки методов восстановления почв и особенно их
поверхностного слоя (методы
рекультивации, реабилитации, мелиорации). Особенно
обострились эти проблемы в связи с резким увеличением количества загрязнений,
поступающих в окружающую среду, прежде всего вследствие производственных выбросов и
отходов. С расширением потребления органического топлива, развития железнодорожного и
автомобильного транспорта, увеличения масштабов промышленного производства увеличились
объемы вредных выбросов, выделяемых в атмосферу: газов (оксидов серы и азота, монооксида
углерода) и твердых частиц (сажи, пыли). К середине XX в. в крупных промышленных городах
загрязнение атмосферного воздуха этими вредными веществами достигло критического
уровня, что стимулировало развитие методов очистки газов и контроля газовоздушных
выбросов.
На рубеже XIX-XX вв. начали уделять большое внимание развитию городского
коммунального хозяйства и очистке сточных вод. Способы очистки сточных вод постепенно
совершенствовались. Первоначально их спускали в открытые канавы и затем подвергали
механической очистке в бассейнах-отстойниках (очистных прудах). Затем стали использовать
для обезвреживания сточных вод специально подготовленные поля (поля орошения). На полях
орошения и очистных прудах сточные воды очищаются в условиях, близких к естественным.
Эти способы применяют до сих пор для очистки промышленных и городских стоков.
В 1865 г. А. Мюллер предложил биологическую очистку сточных вод с использованием
микроорганизмов. Примерно в это же время для очистки воды от органических веществ стали
применять капельный фильтр (перко- ляционный слой). В 1914 г. была предложена система
аэробной биологической очистки с использованием активного ила и принудительной аэрации,
в результате чего заметно повысилась эффективность очистки сточных вод - время,
необходимое для окисления сточных вод, сокращалось от нескольких недель до нескольких
часов.
В начале XX в. стали применять в промышленных масштабах анаэробное сбраживание
сточных вод, осадков и твердых отходов, а также компостирование органических осадков и
твердых отходов. Дешевый компост применяли также в промышленных системах для
устранения запахов из воздуха и отработавших газов.
В 70-е годы XX в. локальные проблемы, связанные с ухудшением качества окружающей
среды, превратились в глобальные (деградация
озонового слоя, изменение климата,
загрязнение биосферы радионуклидами и токсичными химическими соединениями).
В последние десятилетия XX в. в промышленно развитых странах серьезной стала
проблема загрязнения почв и донных осадков. В связи с этим для улучшения качества почв,
повышения их плодородия начали разрабатывать процессы ремедиации (от англ. remediation излечивание, исправление, реабилитация) - удаления загрязнений и восстановление мультифункциональности природных сред способами, безопасными для экосистем и человека.
В настоящее время в сфере охраны окружающей среды биотехнология занимает
наиболее важное место в процессах очистки сточных вод, газовоздушных выбросов,
загрязненных почв и водоемов, к которым относятся биологическая очистка сточных вод в
аэротенках, на биофильтрах, анаэробное сбраживание органических отходов в метантенках и
реакторах других конструкций, биологическая дезодорация газов, биологическая ремедиация
почв. Биологические способы очистки загрязненных сред занимают приоритетное место в
природоохранных программах ведущих
экономически развитых стран. Разработаны
высокопроизводительные методы очистки и биореакторы, эффективные и селективные способы
разделения и удаления загрязненных компонентов.
Одно из основных направлений применения экобиотехнологии - охрана водных
ресурсов: внедрение более эффективных экологически чистых процессов производства;
переход на замкнутые циклы промышленного водоснабжения, где очищенные сточные воды не
сбрасываются, а многократно используются в технологических процессах. Большое внимание
уделяется водоочистке и водоподготовке для обеспечения качества питьевой воды.
Биологические способы эффективны для глубокой очистки воды, удаления избыточного
содержания таких биогенных элементов, как азот и фосфор, для предотвращения эвтрофикации
водоемов.
Для переработки и утилизации твердых, жидких, газообразных отходов применяют
способы их микробиологической трансформации в полезные продукты: силосование и
компостирование, обезвреживание активного ила, осадков сточных вод и водоемов,
вермикультивирование (использование дождевых червей).
Биотехнология переработки твердых отходов не только позволяет утилизировать биогаз
и снизить энергетический дефицит, но и в значительной степени уменьшить антропогенную
нагрузку на окружающую природную среду, в том числе уменьшить компоненты парникового
эффекта.
На основе иммобилизованных ферментов и микробных клеток разрабатываются
биокатализаторы для очистки и дезодорации отработанных газовоздушных потоков в
результате деструкции вредных и дурнопахнущих веществ (спиртов, меркаптанов, альдегидов,
кетонов, органических кислот и др.), проводятся работы по созданию биореакторов для очистки
воздуха.
Проблема очистки от загрязнений атмосферного воздуха важна как в связи с изменением
его химического состава, так и климата Земли. Немалую долю в общем балансе газов в
атмосфере составляют метан, образующийся на мусорных свалках, оксиды серы и азота,
выделяемые при сжигании топлива с повышенным содержанием серо- и азотсодержащих
соединений. Для уменьшения их поступления в атмосферу могут быть использованы
биотехнологические способы.
Биотехнологию все более активно используют для рекультивации, диверсификации
почв, реабилитации территорий, благоустройства ландшафтов, защиты от коррозии
строительных конструкций и инженерных
сооружений, озеленения территорий, защиты от эрозии почв, береговых линий, борьбы с
почвенным засолением и закислением, сохранения и восстановления малых рек и т.п.
За рубежом (Австрия, США, Франция, ФРГ и другие развитые страны)
популярно биологическое ведение сельского хозяйства, суть которого сводится к тому, чтобы
«кормить почву, а не растения». Цель этой технологии - максимально снизить негативные
последствия истощения и деградации земель.
Большое внимание уделяется биомониторингу и биотестированию: использованию
тест-систем для контроля очистки сточных вод, контроля загрязнения воздуха, почвы,
использованию биосенсоров и иммунодиагностикумов и др. Разработаны биологические тест-системы, позволяющие быстро и селективно
определять качество и количество загрязнений в природных средах, вплоть до следовых
количеств.
Еще одна сфера применения экобиотехнологии - борьба с микробиологической
коррозией и биоиовреждениями, биозащита, а также создание новых эффективных биоцидов.
Для решения экологических проблем способами биотехнологии используют главным
образом эволюционно сложившиеся функции микроорганизмов: их роль в биогеохимическом
круговороте веществ в природе, в процессах самоочищения экосистем, деградации техногенных
загрязнений, в образовании почвенного гумуса, минерализации ежегодно образующейся массы
органических веществ, природных биополимеров и др. Участие микроорганизмов в
минерализации органических соединений обусловлено их повсеместным присутствием в
окружающей среде и высоким потенциалом катаболизировать органические соединения,
попавшие в биосферу.
Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что большинство природных и
искусственных материалов подвергается биологической трансформации. Однако для
протекания биотрансформации с заметной скоростью необходимы оптимальные условия для
жизнедеятельности микроорганизмов. В настоящее время селекционированы микроорганизмы,
способные активно разлагать многие загрязнения, как природные биополимеры и их аналоги,
так и ксенобиотики (нефть и нефтепродукты, полимеры, хлорор- ганические соединения,
тринитротолуол и др.), которые считались ранее устойчивыми к биодеградации.
Большие возможности открывает генная инженерия микроорганизмов, создание
генетически модифицированных микроорганизмов, способных деградировать поллютанты,
которые природными штаммами не деградируются или деградируются крайне медленно. Ряд
биотехнологических фирм активно разрабатывает различные способы применения
биореакторов и генетически модифицированных бактерий для деградации опасных веществ.
Биологическая очистка, ремедиация или переработка отходов более
длительна, но эффективнее и экономичнее, чем физические и химические методы, и сокращает
образование вторичных отходов.
Использование природных механизмов, живых объектов - наиболее экологически
чистый способ. Биологический материал включается в трофические цепи питания, природный
круговорот веществ без образования отходов. В отличие от большинства физических или
химических методов (например, сжигания, остекловывания, экстракции) биологические
способы позволяют полностью минерализовать органические загрязнения, процессы протекают
в более мягких условиях и отличаются универсальностью или селективностью.
Рекомендуемая литература:
1.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 2008.
3.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
5.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
6.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 2002.
7.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 2003.
2.
3.
4.
5.
6.
Контрольные задания для СРС [1,4], [8, 13]
Опишите краткую историю науки экологическая биотехнология (доклад с презинтацией).
Дайте характеристику предмету современная экологическая биотехнология.
Укажите состояние современной биоэкологии
Приведите пример различных свойств живой системы и эмерджентности.
Укажите принципиальные параметры биологической системы.
Лекция Экосистемы природных сред и сооружений биологической очистки
План:
1. Основные характеристики сточных вод.
2. Бытовые, промышленные и сельскохозяйственные стоки, их состав и критерии оценки
качества.
3. Методы определения ХПК (химическое потребление кислорода) и БПК (биохимическое
потребление кислорода), их характеристическая и прогностическая значимость.
1. Использование и получение огромного количества продуктов в различных сферах
человеческой деятельности сопровождается образованием сточных вод, загрязненных
разнообразными органическими и неорганическими, в том числе токсичными, соединениями.
Физико-химические показатели состава сточных вод определяются профилем промышленного
предприятия, вида перерабатываемого сырья, эколого-географическими условиями места
размещения предприятия. Сбрасываемые в природные водоемы стоки существенным образом
влияют на качество воды, нарушают биологическое равновесие в водоемах, тем самым
затрудняют рациональное водопользование, а в отдельных случаях полностью выводят
водоемы из строя. Сброс неочищенных сточных вод отрицательно сказывается на содержании в
воде растворенного кислорода, ее рН, прозрачности и цветности и т.д. Все это отрицательно
влияет на состояние компонентов водной экосистемы, снижает продуктивность и способность
водоемов к самоочищению.
Существуют специальные «Правила охраны поверхностных вод от загрязнений
сточными водами». Данные правила нормируют показатели загрязнения в водоеме после
смешивания сточных вод с естественными водами. Важнейшими из них являются следующие
показатели: количество растворенного в воде кислорода после смешивания – не менее 4 мг/л;
содержание взвешенных частиц после спуска стоков не может возрасти более чем на 0.25–0.75
мг/л (для водоемов разной категории); минеральный осадок не более 1000 мг/л; вода не должна
иметь запахов и привкусов, рН – в пределах 6.5–8.5; на поверхности не должно быть пленок,
плавающих пятен; содержание ядовитых веществ – в пределах предельно допустимых
концентрациях (ПДК) для людей и животных. Запрещается сбрасывать в водоемы
радиоактивные вещества.
Органические вещества, попавшие в водоемы, окисляются до СО2 и Н2О в пределах
способности водоемов к самоочищению. Количество кислорода, расходуемое в этих процессах
(БПК), определяется концентрацией и спектром присутствующих в воде примесей. Различают
БПК5 (пятидневный), БПК20 (двадцатидневный) и БПКполн (полный). БПКполн обозначает время, в
течение которого все вещества стоков окисляются в водоеме полностью до конечных продуктов.
Сточные воды представляют сложные системы с комплексом веществ, их БПК составляет от 200
до 3000 мг О2/л. При сбросе в водоем таких сточных вод в неочищенном виде возможно полное
расходование запасов кислорода. Поэтому перед сбросом сточных вод в природные водоемы их
необходимо очищать до такой степени, при которой после сброса БПК остается в пределах
санитарных норм.
2. Очистка сточных вод – это система методов, вызывающих разрушение или удаление
из них присутствующих веществ, а также патогенных микроорганизмов. В процессах
естественного самоочищения водоемов в большинстве случаев поступающие со стоками
вещества подвергаются разрушению. В ходе этого процесса структура, свойства и
концентрации веществ изменяются во времени и пространстве. В результате вода приобретает
исходные свойства. Таким образом, водоемы в определенных пределах играют роль природного
очистного сооружения.
Схема проведения очистки сточных вод зависит от многих факторов. Она должна
предусматривать максимальное использование очищенных сточных вод в системах повторного
и оборотного водоснабжения предприятий и минимальный сброс сточных вод в естественные
водоемы. Для очистки стоков применяют несколько типов сооружений: локальные (цеховые),
общие (заводские) и районные (городские). Локальные очистные сооружения предназначены
для очистки стоков непосредственно после технологических процессов. На локальных
очистных сооружениях очищают воды перед направлением их в систему оборотного
водоснабжения или в общерайонные очистные сооружения. На таких установках обычно
применяют физико-химические методы очистки (отстаивание, ректификацию, экстракцию,
адсорбцию, ионный обмен, огневой метод).
Общие очистные сооружения включают несколько ступеней очистки: первичную
(механическую), вторичную (биологическую), третичную (доочистку). Районные или
общегородские сооружения очищают в основном бытовые стоки методами механической и
биологической очистки.
3. Биологический метод очистки основан на способности микроорганизмов использовать
в качестве ростовых субстратов различные соединения, входящие в состав сточных вод.
Достоинства данного метода заключаются в возможности удаления из стоков широкого спектра
органических и неорганических веществ, простоте аппаратурного оформления и протекания
процесса, относительно невысоких эксплуатационных расходах. Однако для успешной
реализации метода необходимы большие капитальные вложения для строительства очистных
сооружений. В ходе процесса очистки необходимо строго соблюдать технологий режим
очистки и учитывать чувствительность микроорганизмов к высоким концентрациям
загрязнителей. Поэтому перед биоочисткой стоки необходимо разбавлять.
Для биологической очистки сточных вод применяют два типа процессов: аэробные, в
которых микроорганизмы используют для окисления веществ кислород, и анаэробные, при
которых микроорганизмы не имеют доступа ни к свободному растворенному кислороду, ни к
предпочтительным акцепторам электронов типа нитрат-ионов. В этих процессах в качестве
акцептора электронов микроорганизмы могут использовать углерод органических веществ. При
выборе между аэробными и анаэробными процессами предпочтение обычно отдают первым.
Аэробные системы более надежны, стабильно функционируют; они также больше изучены.
Анаэробные процессы, существенно уступающие аэробным в скорости протекания процесса
очистки, имеют ряд преимуществ:
1) масса, образуемого в них активного ила практически на порядок ниже (0.1–0.2) по
сравнению с аэробными процессами (1.0–1.5 кг/кг удаленного БПК);
2) в них существенно ниже энергозатраты на перемешивание;
3) дополнительно образуется энергоноситель в виде биогаза. Вместе с тем, анаэробные
процессы очистки мало изучены, в силу низких скоростей протекания для них требуются
дорогостоящие очистные сооружения больших объемов.
Рекомендуемая литература:
1.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 2008.
3.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
5.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
6.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 2002.
7.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 2003.
1.
2.
3.
Контрольные задания для СРС
Биогеохимические принципы В.И.Вернадского.
Поток энергии в экосфере. «Правило 10%». «Правило 1%».
Биотический круговорот. Глобальный круговорот углерода, азота, кислорода и фосфора.
Лекция Биологическая очистка промышленных сточных вод
План:
1. Примеры по данным ХПК и БПК различных предприятий.
2. Характеристика методов очистки сточных вод, их преимущества и недостатки.
3. Достоинства и недостатки биохимических методов очистки сточных вод.
4. Виды операций в очистных сооружениях с использованием микроорганизмов.
5. Экстенсивные и интенсивные системы очистки сточных вод.
1. В аэробных процессах очистки часть окисляемых микроорганизмами органических
веществ используется в процессах биосинтеза, другая – превращается в безвредные продукты –
Н2О, СО2, NO2 и пр. Принцип действия аэробных систем биоочистки базируется на методах
проточного культивирования. Процесс удаления органических примесей складывается из
нескольких стадий: массопередачи органических веществ и кислорода из жидкости к клеточной
поверхности, диффузии веществ и кислорода внутрь клеток через мембрану и метаболизма, в
ходе которого происходит прирост микробной биомассы с выделением энергии и углекислоты.
Интенсивность и глубина биологической очистки определяется скоростью размножения
микроорганизмов. Когда в очищаемых сточных водах практически не остается органических
веществ, наступает второй этап очистки – нитрификация. В ходе этого процесса
азотсодержащие вещества стоков окисляются до нитритов и далее – до нитратов. Таким
образом, аэробная биологическая очистка складывается из двух этапов: минерализации –
окисления углеродсодержащей органики, и нитрификации. Появление в очищаемых стоках
нитратов и нитритов свидетельствует о глубокой степени очистки. Большинство биогенных
элементов, необходимых для развития микроорганизмов (углерод, кислород, сера,
микроэлементы), содержится в сточных водах. При дефиците отдельных элементов (азота,
калия, фосфора) их в виде солей добавляют в очищаемые стоки.
В процессах биологической очистки принимает участие сложная биологическая
ассоциация, состоящая не только из бактерий, но также включающая одноклеточные организмы
– водные грибы, простейшие организмы (амебы, жгутиковые и ресничные инфузории),
микроскопические животные (коловратки, круглые черви – нематоды, водные клещи) и др. Эта
биологическая ассоциация в процессе биологической очистки формируется в виде активного
ила или биопленки. Активный ил представляет собой буро-желтые хлопья размером 3–150 мкм,
Сточная
вода
Воздух
Очищенная
вода
Рис. 1. Схема биофильтра (по М. С. Мосичеву и др.,
1982).
взвешенные в воде, и образован колониями микроорганизмов, в том числе бактериями.
Последние образуют слизистые капсулы – зооглеи. Биопленка – это слизистое обрастание
материала фильтрующего слоя очистных сооружений живыми микроорганизмами, толщиной
1–3 мм.
2. Биологическая очистка стоков проводится в различных по конструкции сооружениях –
биофильтрах и аэротенках.
Капельный биофильтр – наиболее распространенный тип биореактора с неподвижной
биопленкой, применяемый для очистки стоков. По существу, это реактор с неподвижным слоем
и противотоком воздуха и жидкости. Биомасса растет на поверхности насадки в виде пленки.
Особенностью насадки или фильтрующего слоя является высокая удельная поверхность для
развития микроорганизмов и большая пористость. Последнее придает необходимые
газодинамические свойства слою и способствует прохождению воздуха и жидкости через него.
3. Биофильтры представляют собой прямоугольные или круглые сооружения со
сплошными стенками и двойным дном: верхним в виде колосниковой решетки и нижним, –
сплошным (рис. 1). Дренажное дно биофильтра состоит из железобетонных плит с площадью
отверстий не менее 5–7 % от общей площади поверхности фильтра. Фильтрующим материалом
обычно служит щебень, галька горных пород, керамзит, шлак. Нижний поддерживающий слой
во всех типах биофильтров должен содержать более крупные частицы фильтрующего
материала (размером 60–100 мм). Щебеночные биофильтры имеют высоту слоя 1.5 – 2.5 м и
могут быть круглыми с диаметром до 40 м или прямоугольными размером 754 м2. Входной
поток предварительно отстоянных сточных вод с помощью водораспределительного устройства
периодически равномерно орошает поверхность биофильтра. В ходе просачивания сточных вод
через материал фильтрующего слоя происходит ряд последовательных процессов: 1) контакт с
биопленкой, развивающейся на поверхности частиц фильтрующего материала; 2) сорбция
органических веществ поверхностью микробных клеток; 3) окисление веществ стоков в
процессах микробного метаболизма. Через нижнюю часть биофильтра противотоком жидкости
продувается воздух. Во время паузы между циклами орошения сорбирующая способность
биопленки восстанавливается. Биопленка, формирующаяся на поверхности фильтрующего слоя
биофильтра, представляет собой сложную экологическую систему (рис. 2).
Бактерии и грибы образуют нижний трофический уровень. Вместе с микроорганизмами
– окислителями углерода они развиваются в верхней части биофильтра. Нитрификаторы
находятся в нижней зоне фильтрующего слоя, где процессы конкуренции за питательный
субстрат и кислород менее выражены. Простейшие, коловратки и нематоды, питающиеся
бактериальной компонентой экосистемы биопленки, служат пищей высшим видам (личинкам
насекомых).
В биофильтре происходит непрерывный прирост и отмирание биопленки. Отмершая биопленка
смывается током очищаемой воды и выносится из биофильтра. Очищенная вода поступает в
отстойник, в котором освобождается от частиц биопленки, и долее сбрасывается в водоем.
4. Процесс окисления органических веществ сопровождается выделением тепла, поэтому
биофильтры обогреваются за счет собственного тепла. Крупные установки, снабженные слоем
теплоизоляционного материала, способны функционировать при отрицательных внешних
температурах. Однако, температура внутри фильтрующего слоя должна быть не ниже
6°.Основной режим работы щебеночных биофильтров – однократное прохождение стоков. При
этом нагрузка по органическому веществу на фильтр составляет 0.06–0.12 кг БПК/м3 в сутки.
Для повышения нагрузки
без увеличения площади биофильтра применяют режим очистки с рециркуляцией стоков или
режим двойного фильтрования.
Коэффициент рециркуляции для сточных вод, загрязненных трудно окисляемой
органикой, может составлять 1:1 – 1:2. Нагрузка по органическому веществу при этом может
достигать 0.09–0.15 кг БПК/ м3 в сутки. Переменное двойное фильтрование заключается в
использовании двух направлений фильтрования и двух вторичных отстойников.
Последовательность потоков меняется с интервалом в 1–2 недели. Это вызывает быстрый рост
биопленки и позволяет увеличить нагрузку до 0.15–0.26 кг БПК/м3 в сутки.
На смену минеральным материалам в биофильтрах с начала 80-х годов пришли
пластмассы, обеспечивающие при высоких значениях удельной поверхности фильтрующего
слоя большую пористость и лучшие гидродинамические свойства слоя (табл. 7.1). Это
позволило строить высокие, не занимающие много места биореакторы, и очищать
промышленные стоки с высокой концентрацией загрязняющих веществ. Удельная поверхность
пластмассовых насадок, используемых для быстрого фильтрования, выше, чем у щебеночных
биофильтров.
Щебеночные биофильтры, имея более низкую объемную плотность, могут достигать
высоты до 8–10 м. Этот тип биореактора при быстром режиме фильтрации стоков обеспечивает
степень удаления 50–60 % БПК. Для более высокой степени очистки применяют каскад
биофильтров.
Паразиты
Хищники
Растительноядные
Хищные мелкие беспозвоночные
Бактерии и мелкие беспозвоночные,
питающиеся грибами
Первичные потребители
Насадка фильтра
Рис. 2. Трофическая пирамида в биопленке капельного
биофильтра (по К. Форстеру и Д. Вейзу, 1990).
В 1973 г. в Великобритании был создан вращающийся биологический реактор,
представляющий собой вращающиеся диски – «соты» из пластиковых полос, попеременно
погружаемые в сточные воды и поднимаемые на поверхность. При этом площадь поверхности
контакта с биослоем существенно возрастает и улучшается аэрация.
Более совершенным типом биореактора с неподвижной биопленкой является реактор с
псевдоожиженным слоем, характеризующийся наличием носителя, покрытого микробной
пленкой, достаточного для создания псевдоожиженного а и устройство, обеспечивающее
практически горизонтальное распределение потока жидкости в слое носителя. В качестве
носителя в таких биореакторах может быть использован песок, через который пропускается
кислород (система «Окситрон»). Применяют также волокнистые пористые подушечки с
системой подачи кислорода в самом аппарате (установка «Кептор»).
Эксплуатация биофильтров – достаточно несложный процесс. Важным условием для
эффективной работы биофильтров является тщательная предварительная очистка стоков от
взвешенных частиц, способных засорить распределительное устройство. Неблагоприятным
моментом в эксплуатации биофильтров является вероятность заливания, размножение мух на
поверхности, дурной запах, как вследствие избыточного образования микробной биомассы.
В настоящее время около 70 % очистных сооружений Европы и Америки представляют
собой капельные биофильтры. Срок службы таких биореакторов исчисляется десятками лет (до
50). Основной недостаток конструкции – избыточный рост микробной биомассы. Это приводит
к засорению биофильтра и вызывает сбои в системе очистки. Предложенная недавно
модификация представляет собой установку с чередующимся двойным фильтрованием.
Система рециркуляции позволяют исключить негативные моменты, характерные для
биофильтров.
Аэротенк относится к гомогенным биореакторам. Типовая конструкция биореактора
представляет собой железобетонный герметичный сосуд прямоугольного сечения, связанный с
отстойником. Аэротенк разделяется продольными перегородками на несколько коридоров,
обычно 3–4. Конструкционные отличия различных типов аэротенков связаны, в основном, с
конфигурацией биореактора, методом подачи кислорода, величиной нагрузки. Типовые схемы
аэротенков представлены на рис. 7.3. Процесс биоочистки в аэротенке состоит из двух этапов.
Первый этап заключается во взаимодействии отстоявшихся сточных вод, содержащих около
150–200 мг/л взвешенных частиц и до 200–300 мг/л органических веществ, с воздухом и
частицами активного ила в аэротенке в течение некоторого времени (от 4 до 24 ч. и выше в
зависимости от типа стоков, требований к глубине очистки и пр.). На втором – происходит
разделение вод и частиц активного ила во вторичном отстойнике. Биохимическое окисление
органических веществ стоков в аэротенке на первом этапе реализуется в две стадии: на первой
микроорганизмы активного ила адсорбируют загрязняющие вещества стоков, на второй –
окисляют их и восстанавливают свою окислительную способность.
Таблица 1.
Свойства насадок, используемых в капельных биофильтрах
(по К. Форстеру и Д. Вейзу, 1990)
Тип насадки
Удельная
Пористость, %
2 3
поверхность, м /м
Минеральная:
Шлак
50–120
50
Гранит
24–110
–
Гравий
86–101
–
Полимерная:
Непластифицированный поли240
95
винилхлорид
Полипропилен
124
98
Подача воздуха в «коридоры» аэротенка осуществляется через пористые
железобетонные плиты или через систему пористых керамических труб. Обычно
воздухораспределительное устройство располагают не по центру, а около одной их стен
коридора. В результате этого в аэротенке происходит турбулизация потока, и сточные воды не
только продвигаются вдоль коридора, но и закручиваются по спирали внутри него. Это
улучшает режим аэрации и условия очистки. Процесс очистки в аэротенке представляет собой
непрерывную ферментацию.
Частицы активного ила, образованные бактериями и простейшими, являются
флокулирующей смесью. По сравнению с биопленкой, функционирующей в биофильтрах,
активный ил аэротенков представляет собой меньшее экологическое разнообразие видов.
Основными группами бактериальной компоненты активного ила являются окисляющие углерод
флокулирующие бактерии, окисляющие углерод нитчатые бактерии и бактериинитрификаторы. Первая группа бактерий не только принимает участие в деградации
органических компонентов стоков, но и формирует стабильные флокулы, быстро
осаждающиеся в отстойнике с образованием плотного ила. Нитрификаторы (Nitrosomonas и
Nitrobacter) превращают восстановленные формы азота в окисленные:
 NO2–,
NH3 + O2 Nitrosomonas

 NO3–.
NO2– + O2 Nitrobacter
Нитчатые бактерии, с одной стороны, образуют скелет, вокруг которого образуются
флокулы; с другой, – стимулируют неблагоприятные процессы (образование пены и плохое
осаждение). Простейшие потребляют бактерии и снижают мутность стоков, наибольшее
значение среди них имеют инфузории (Vorticella, Opercularia).
Активный ил является совокупностью микроорганизмов и простейших, обладающих
набором ферментов для удаления загрязнений из стоков. Активный ил имеет также поверхность
с сильной адсорбционной способностью. Концентрация активного ила в аэротенке обычно
составляет 1.5–5.0 г/л. Эта величина зависит от уровня загрязнений стоков, от возраста ила и
его продуктивности. Возраст ила вычисляют по уравнению:
активный
ил
иловая
смесь
очищаемая
вода
воздух
очищаемая
вода
очищенная
вода
избыточный
активный ил
воздух
очищаемая
вода
активный
ил
иловая
смесь
воздух
Рис. 3. Схемы аэротенков.
Сверху вниз: аэротенк вытеснения, аэротенк смешения,
аэротенк с рассредоточенной подачей сточной воды и регенерацией активного ила
(по Дж. Бесту и др., 1988).
T = MV/(my + Gсвых),
где: М – взвешенные частицы иловой смеси, кг/м3; V – объем аэротенка, м3; my –
количество удаляемого ила, кг/сут.; G – расход воды, м3/сут.; свых. – концентрация ила в
выходном стоке, кг/м3.
Например, для достижения нитрификации с участием медленно растущих
нитрификаторов используют ил большого возраста (12 суток), а для окисления органики –
возраст ила существенно ниже.
Рабочая концентрация растворенного кислорода вычисляется на основе расчетной
потребности установки. Для полной нитрификации составляет не менее 2 мг/л; для окисления
углерода и денитрификации – менее 1 мг/л. На практике в зависимости от типа аэрации
применяют несколько типов режимов очистки стоков: быструю, стандартную и продленную.
Быстрые процессы применяют при частичной очистке стоков. Наиболее распространенным
типом очистки является процесс, средний между стандартной и быстрой аэрацией. Степень
аэрации определяет допустимую нагрузку по органическому веществу во входных стоках и
качество очистки (табл. 7.2).
Следующим важным параметром для расчета процесса биоочистки в гомогенных
проточных биореакторах является режим перемешивания. Известны системы полного смешения
и идеального вытеснения. Первый тип обеспечивает мгновенное разбавление входного потока в
аэротенке. Это защищает микрофлору активного ила от ингибирующего воздействия
загрязнителей стоков. Активный ил в такой системе, однако, имеет худшую способность к
оседанию в отличие от систем идеального вытеснения. В последних активный ил поступает в
первый коридор, где в ходе аэрации восстанавливает свою окислительную способность. Сточные
воды поступают во второй коридор вместе с регенерированным активным илом. Концентрация
загрязняющих веществ снижается постепенно, по мере прохождения стоков по системе
коридоров аэротенка. В таких системах концентрация загрязняющих веществ во входном потоке
не должна превышать предельно допустимую для биологических компонентов, образующих
активный ил.
Опыт эксплуатации различных типов аэротенков показывает, что содержание
органических веществ в стоках, подаваемых на очистку, не должно превышать 1000 мг/л.
Оптимальная величина рН обычно лежит в диапазоне 6.5–8.5.
Количество биогенных элементов в очищаемых стоках корректируется добавками
необходимых солей. Так, при БПК около 0.5 кг О2/м3 содержание усвояемого азота в стоках
должно быть не ниже 10, фосфатов – 3 мг/л. Лучшие результаты очистки вод в аэротенках
получают при величине входного БПК до 0.2 кг О2 /м3. Если уровень аэрации при таком БПК
Таблица 2
Зависимость качества входного потока от типа аэрации (по К. Форстеру, 1990).
Тип
Нагрузка по
Качество выходного потока
аэрации
органическому
веществу на ил,
кг/кгсут.
Продленная
0.05–0.02
Высокое: БПК  10 мг/л,
полная нитрификация,
аммонийный азот  5 мг/л.
Стандартна
0.20–0.45
Различное: от полной
я
нитрификации
до ее отсутствия.
Быстрая
0.50–5.00
Высокая скорость удаления
БПК на единицу массы ила;
качество может быть выше в
20–30 раз при достаточном
уровне аэрации.
составляет до 5 м3/м2ч, БПК очищенной воды может упасть до 0.015 кг О2/м3.
Прирост биомассы активного ила в ходе очистки приводит к его «старению» и
снижению биокаталитической активности. Поэтому большая часть активного ила после
вторичного отстойника выводится из системы, и только часть ила возвращается в реактор.
Аэротенки технологически связаны с вторичными отстойниками, в которых происходит
осветление выходящих вод и отделение активного ила. Отстойники выполняют также функцию
контактных резервуаров. В них сточную воду хлорируют. Дезинфицирующая доза хлора после
биологической очистки в зависимости от качества очистки составляет 10–15 мг/л при
продолжительности контакта хлора с жидкостью не менее 30 минут.
Биологические (очистные) пруды используются в качестве самостоятельного очистного
сооружения или конечного пункта очистки стоков, прошедших стадию биоочистки в
биофильтре или аэротенке. Если очистные пруды функционируют как самостоятельные
системы водоочистки, сточные воды перед поступлением в них разбавляются трех-,
пятикратными объемами технической или хозяйственно-питьевой воды. Для отстоянных стоков
без разбавления нагрузка на пруды составляет до 250 м3/гасут.; для биологически очищенных
вод – до 500 м3/гасут. Средняя глубина прудов составляет от 0.5 до 1.0 м. Срок «созревания»
прудов в зонах умеренного климата – не менее одного месяца.
Методы аэробной биологической очистки сточных вод непрерывно совершенствуются.
В последние годы стали внедряться более эффективные системы биоочистки. Это процессы в
шахтных реакторах, процессы с использованием для аэрирования кислорода. Такие
биореакторы называют окситенками. Концентрация растворенного кислорода в окситенках
достигает 10–12 мг/л. Это в несколько раз превосходит уровень аэрации в аэротенках. В
результате повышенной аэрации стоков концентрация активного ила в них возрастает до 15 г/л
и их окислительная мощность в 4–5 раз превосходит аэротенки. Шахтные биореакторы
позволяют реализовать процесс очистки стоков аналогично протеканию его в окислительном
канале, но расположенном вертикально. Такие реакторы занимают небольшие площади и
большей частью заглублены в грунт. Высота шахтных аппаратов достигает 50–150 м при
диаметре 0.5–10.0 м. Внутри аппарата вмонтирован полый стержень или специальное
устройство, обеспечивающее образование зон восходящего и нисходящего потоков для
циркуляции потоков очищаемой воды. Направление циркуляции задается вдуванием воздуха в
секцию с восходящим потоком на относительно небольшой глубине. Аппараты компактны,
обеспечивают хороший массоперенос кислорода, (до 4.5 кг/м3 ч). При этом уровень нагрузки на
ил может достигать 0.9 кг БПК/кгсут. Основной проблемой, возникающей при эксплуатации
окситенков, является проблема отделения твердых частиц от иловой смеси. Микропузырьки
воздуха прилипают к твердым частицам и ухудшают осаждение. Для улучшения осаждения
применяют вакуумную дегазацию, флотацию, отдувку воздуха. После стадии дегазации иловая
смесь направляется в аэротенк, где после удаления микропузырьков происходит доокисление
оставшейся органики. Далее стоки поступают по обычной схеме в отстойник.
Рекомендуемая литература:
8.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
9.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 2008.
10.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
11.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
12.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
13.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 2002.
14.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 2003.
Контрольные задания для СРС [1,4], [8, 13]
1.
Каковы существенные особенности сочных вод.
2.
Объясните, в чем принципиальные отличия бытовых, промышленных и
сельскохозяйственных стоков, их состав и критерии оценки качества.
3.
Укажите надежность метода определения ХПК (химическое потребление кислорода) и
БПК (биохимическое потребление кислорода), их характеристическая и прогностическая
значимость.
Тема Биотехнологии очистки сточных вод от трудноразлагаемых соединений
План
1.
Анаэробные процессы очистки сточных вод, их характеристика.
2.
Реакторы, использующиеся для аэробной очистки сточных вод.
3.
Очистка сточных вод от трудноразлагаемых соединений.
Анаэробные процессы очистки сточных вод не получили достаточно широкого развития
в настоящее время. Эти процессы по сравнению с аэробными процессами очистки сточных вод
имеют ряд несомненных преимуществ. Главными являются высокий уровень превращения
углерода загрязняющих веществ при относительно небольших объемах прироста биомассы и
получение дополнительного ценного продукта – биогаза.
Анаэробные процессы для очистки стоков применяются в Европе около 100 лет.
Используемые для этих целей биореакторы – септиктенки, представляют собой отстойники, в
которых осевший ил подвергается анаэробной деградации. Септиктенки эксплуатируются
обычно при температуре 30–35°С. Время пребывания в них очищаемых стоков существенно
выше – около 20 суток. При проектировании биореакторов такого типа одним из основных
параметров является его вместимость в литрах (V), рассчитываемая с учетом количества
обслуживаемого населения P:
V = 180 P + 2000.
Половина объема в 180 л на душу населения отводится для жидкости, половина служит
для накопления ила. Объем тенка распределяется между двумя камерами, при этом первая
занимает 2/3 объема и имеет наклонное днище для удержания ила (рис. 4). Ил периодически
(примерно раз в год) удаляется, а небольшая его часть остается в биореакторе. Септиктенки
применяют в системе городских очистных сооружений. В них перерабатывают осадки,
удаляемые из первичных отстойников. При этом сброженный ил ликвидируют или закапывают.
При сбраживании уменьшается объем ила, снижается содержание в нем патогенных
микроорганизмов и дурной запах. Пути биодеградации загрязняющих веществ, протекающие в
септиктенках на основе сложной микробной ассоциации, включают гидролитические процессы
Рис. 4. Двухкамерный септиктенк (по К. Форстеру, 1990).
1 – регулятор, 2 – отражатель, 3 – напорный трубопровод, 4 –
уклон 1:4.
с участием ацидогенных, гетероацетогенных бактерий и процесс метаногенерации с участием
метаногенов. Анаэробные проточные сбраживатели такого типа применяют для анаэробной
биоочистки промышленных и сельскохозяйственных стоков.
Особенно эффективно применение сравнительно недорогих анаэробных систем для
сильно загрязненных стоков пищевой промышленности и отходов интенсивного
животноводства. Данные стоки имеют высокие уровни нагрузки по БПК и ХПК (химическая
потребность в кислороде), а навозные стоки – также высокое содержание нерастворимых
компонентов, не поддающихся биодеградации. Для их очистки применяют сбраживатели
полного смешения. Стоки свино- и птицекомплексов освобождаются в ходе анаэробной
биоочистки только на 50 % ХПК, а стоки ферм крупного рогатого скота – на 30 %. Высокие
концентрации органики и аммонийного азота (до 4000 мг/л) способны ингибировать процесс
деградации. Время удержания таких стоков в биореакторе объемом до 600–700 м3 удлиняется до
15–20 суток при норме суточной загрузки 20–30 м3. Биогаз, образуемый при этом, содержит до
70 % метана. Биореактор сравнительно небольшого объема очищает стоки средних ферм с
содержание 1200–1500 голов свиней.
Для очистки загрязненных стоков пищевой промышленности применяют специально
разработанные контактные анаэробные процессы (рис. 5).
В таких процессах в первичном тенке, входящем в состав установки, поступающие стоки
полностью перемешиваются за счет рециркуляции биогаза, ила или механического
перемешивания. Помимо перемешивания, фактором интенсификации процесса является
изменение температуры в биореакторе. Сброженные стоки направляются в осветлитель, где
происходит процесс осаждения ила и дополнительное образование биогаза.
Уплотнившийся ил возвращают в сбраживатель, куда поступают новые порции стоков. Если
величина концентрации биомассы в сбраживателе составляет 5–10 г/л, возможно достаточно
эффективная очистка стоков с содержанием ХПК до 20 кг/м3. При увеличении концентрации
биомассы до 20–30 г/л возможно использование неразбавленных стоков с ХПК до 80 кг/м3.
Реакторы с неподвижной биопленкой (анаэробные биофильтры) также находят применение для
анаэробной очистки стоков. Используемые для этих целей биореакторы в отличие от аэробных
капельных биофильтров имеют более крупную насадку для избежания процесса заиливания.
Применяемая для этих целей щебеночная насадка диаметром 25–65 мм имеет до 50 % свободного
объема. Скорость очищаемого потока стоков обычно низка, и биомасса удерживается в
свободном пространстве насадки. Предельная нагрузка по ХПК для таких систем составляет до
10 кг/м3сут., с умеренным количеством органики она обычно близка к 5 кг/м3. Эффективность
очистки составляет около 70 %. Эти сооружения, однако, не нашли пока широкого
применения вследствие достаточно высокой стоимости насадки и необходимости периодической
промывки материала фильтрующего слоя.
В целом анаэробные процессы очистки стоков, обладая рядом несомненных
достоинств, не находят пока такого широкого применения, как аэробные системы биоочистки.
Однако в последние годы, вследствие более строгих требований к предварительной очистке
промышленных стоков перед сбросом их в канализацию, интерес к анаэробным процессам
возрастает.
Рекомендуемая литература:
15.
Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
16.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 2008.
17.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
18.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
19.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
20.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 2002.
А
Газ
Выход
Б
К теплообменнику
Вход
В
Углекислый газ
Биогаз
Вход жидкости
Выход жидкости
Выход теплоносителя
Радиальная опорная балка
Емкость из полимерной пленки
Изолирующая панель
Стальная сетка
Арматура
Бетонный кольцевой
фундамент
Изолирующая пленка
Теплообменник
Рис. 7.5. Типы установок для очистки сточных вод пищевой промышленности.
А – анаэробный биофильтр, Б – установка с винтовым насосом для
перемешивания,
В – высокоскоростной реактор Коулзерда (по Дж. Бесту и др., 1988).
21.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 2003.
Контрольные задания для СРС [1, 4], [8, 11]
1.
Приведите примеры по данным ХПК и БПК различных предприятий.
2.
От чего зависит метод очистки сточных вод, их преимущества и недостатки?
3.
Укажите принципиальные различия биохимического и биотехнологиического методов
очистки сточных вод.
4.
Объясните, в чем разница видов операций в очистных сооружениях с использованием
микроорганизмов.
5.
Приведите примеры экстенсивных и интенсивных систем очистки сточных вод.
Тема Осадки сточных вод (ОСВ)
План
1. Понятие об ОСВ
2. Классификация ОСВ
3. Свойства, характеризующие природу осадков
1 . В настоящее время промышленность переходит от прямоточных систем
водоснабжения к оборотным и замкнутым системам водоиспользования. Это, в свою очередь,
обуславливает необходимость в глубокой очистке образующихся в процессе производства
отработанных вод.
Суспензии, выделяемые из отработанных и сточных вод в процессе их механической,
биологической и физико-химической очистки, и представляют собой осадки.
ОСВ – совокупность твердых частиц с заполняющими их поры сточными
водами, полученная в процессе разделения суспензии.
На сооружения для обработки осадков приходится до половины всех затрат на
строительство и эксплуатацию современных очистных сооружений промышленных
предприятий. Отсюда понятно, какое значение имеют правильный выбор и повышение
эффективности работы оборудования для обработки и утилизации осадков производственных
вод.
2. Существует несколько видов классификации осадков производственных сточных
вод в зависимости от типа сооружений, применяемых для очистки сточных вод, вида
обработки сточных вод и содержания в них гидрофильных коллоидов, которые играют
основную роль в поведении осадков в процессе их обезвоживания.
В зависимости от типа сооружений, применяемых для очистки сточных вод, осадки
бывают:

грубые, задерживаемые решётками;

тяжёлые (песок), оседающие в песколовках;

всплывающие (жиры и механические примеси), задерживаемые в отстойниках и
жироловках;

сырой осадок – в основном взвешенные вещества, оседающие в первичных
отстойниках;

активный ил – комплекс микроорганизмов коллоидного типа с адсорбированными
и частично окисленными загрязняющими веществами, выпадающими в осадок из первичных
отстойников при биологической очистке сточных вод.
В зависимости от вида обработки сточных вод осадки подразделяются на:

анаэробно-сброженные
в
осветлителях-перегнивателях,
двухъярусных
отстойниках или метантенках (анаэробному сбраживанию может подвергаться осадок из
первичных отстойников или его смесь с избыточным активным илом);

анаэробно-стабилизированные – активный ил или его смесь с осадком из
первичных отстойников;

уплотнённый активный ил, осадок или смеси из уплотнителей;

промытый уплотнённый сброженный осадок;

сгущённый активный ил из сепараторов;

сфлотированный активный ил или осадок;

обезвоженный осадок после аппаратов механического обезвоживания;

термически высушенный осадок и т.п.
В зависимости от содержания в осадках гидрофильных коллоидов, которые играют
основную роль в поведении осадков в процессе обработки, они подразделяются на:

гидрофильные органические образуются в процессе биологической очистки
сточной воды и содержат до 90% беззольного вещества от общего содержания сухого вещества
(например, сточная вода от пищевой промышленности, промышленности органической химии
и т.д.). В этих осадках могут присутствовать гидрофильные гидроксиды железа и алюминия,
образующиеся из неорганических коагулянтов, применяемых для обработки воды;

гидрофильные неорганические с содержанием гидроксидов металлов,
образующиеся в результате физико-химического процесса обработки воды, осаждения ионов
металлов, присутствующих в сырой воде (Аl, Fe, Zn, Cr) или благодаря использованию
неорганических коагулянтов (солей алюминия или железа);

маслосодержащие, характеризующиеся присутствием минеральных (или
животного происхождения) масел или жиров. Эти масла находятся в виде эмульсии или
адсорбированы на гидрофильных или гидрофобных частицах осадка;

гидрофобные неорганические с преобладающим содержанием веществ с
небольшим количеством или отсутствием связанной воды (песок, грязь, шлак, окалина
прокатных станов, кристаллизованные соли и т. п.);

волокнистые с содержанием волокон, которые легко обезводить, за исключением
тех случаев, когда интенсивная очистка от волокна делает их гидрофильными в результате
появления в них гидроксидов металла или активного ила, либо того и другого.
3. Суть комплексной оценки заключается в определении свойств осадков и путей их
регулирования с целью создания оптимальных условий их обезвоживания, утилизации и
складирования.
Поэтому свойства осадков целесообразно разделить на характеризующие их природу и
структуру, а также обуславливающие их поведение в процессе обезвоживания.
Содержание сухого вещества обычно выражается в граммах на 1 л или в процентах и
определяется сушкой при температуре 1050 С до постоянной массы. В жидких осадках оно
приблизительно близко к концентрации взвешенных веществ, определяемых фильтрованием
или центрифугированием.
Содержание беззольного вещества выражается в процентах по массе от содержания
сухого вещества. Определяется сжиганием при температуре 550-6000 С. В гидрофильных
органических осадках этот показатель часто близок к содержанию органических веществ и
характеризует содержание азотистых веществ.
Элементарный состав (особенно важен для органических осадков), в первую очередь
по
таким
показателям
как
содержание:
углерода и водорода для определения степени стабилизации или установления общей
кислотности; азота и фосфора для оценки удобрительной ценности осадка; тяжёлых металлов и
др.
Для неорганических осадков часто полезно определять содержание Fe, Mg, Al, Cr,
cолейCа (карбонатов и сульфатов) и Si.
Токсичность. Металлы, содержащиеся в осадках производственных сточных вод (медь,
хром, кадмий, никель, цинк, олово), токсичны; они обладают способностью вызывать в
организме человека различные виды биологических эффектов - общетоксичный, мутагенный и
эмбриотоксический. Степень токсичности и опасности различных металлов неодинакова и
может быть оценена по величинам среднелетальных доз (ЛД50) для лабораторных животных.
Результаты опытов показывают, что наиболее токсичными для животных являются хром и
кадмий.
Согласно принятым в настоящее время предельно-допустимым концентрациям,
учитывающим наряду с токсичностью и кумулятивные свойства веществ, наибольшую
опасность для здоровья населения представляют кадмий, хром, никель; менее опасными
являются
медь
и
цинк.
Осадки очистных сооружений гальванических производств, содержащих оксиды тяжёлых
металлов, относятся к четвёртому классу опасности, т.е. к малоопасным веществам.
4. Осадки сточных вод, скапливающиеся на очистных сооружениях, представляют собой
водные суспензии с объемной концентрацией полидисперсной твердой фазы от 0,5 до 10%.
Поэтому прежде чем направить осадки сточных вод на ликвидацию или утилизацию, их
подвергают предварительной обработке для получения шлама, свойства которого обеспечивают
возможность его утилизации или ликвидации с наименьшими затратами энергии и
загрязнениями окружающей среды.
Технологический цикл обработки осадков сточных вод, представленный на схеме,
включает в себя все виды обработки, ликвидации и утилизации.
Схема. Технологический цикл обработки осадков сточных вод
Уплотнение осадков сточных вод является первичной стадией их обработки. Наиболее
распространены гравитационный и флотационный методы уплотнения. Гравитационное
уплотнение осуществляется в отстойниках-уплотнителях; флотационное - в установках
напорной флотации. Применяется также центробежное уплотнение осадков в циклонах и
центрифугах. Перспективно вибрационное уплотнение путем фильтрования осадка сточных вод
через фильтрующие перегородки или с помощью погруженных в осадок вибраторов.
Стабилизация осадков используется для разрушения биологически разлагаемой части
органического вещества, что предотвращает загнивание осадков при длительном хранении на
открытом воздухе (сушка на иловых площадках, использование в качестве
сельскохозяйственных удобрений и т. п.).
Для стабилизации осадков промышленных сточных вод применяют в основном
аэробную стабилизацию – длительное аэрирование осадков в сооружениях типа аэротенков, в
результате чего происходит распад основной части биологически разлагаемых веществ,
подверженных гниению. Период аэробной стабилизации при температуре 20° С составляет 8-11
сут, расход кислорода для стабилизации 1 кг органического вещества активного ила - 0,7 кг.
Используется данный метод для обработки осадков с расходом до 4200 м3/ч.
Кондиционирование осадков проводят для разрушения коллоидной структуры осадка
органического происхождения и увеличения их водоотдачи при обезвоживании. В
промышленности применяют в основном реагентный метод кондиционирования с помощью
хлорного железа и извести. Стоимость такой обработки составляет до 40% стоимости всех
затрат при обработке осадка, поэтому ведется разработка и внедрение более экономичных
методов кондиционирования: тепловой обработки, замораживания и электрокоагуляции.
Обезвоживание осадков сточных вод предназначено для получения шлама с объемной
концентрацией полидисперсной твердой фазы до 80%. До недавнего времени обезвоживание
осуществлялось в основном сушкой осадков на иловых площадках. Однако низкая
эффективность такого процесса, дефицит земельных участков в промышленных районах и
загрязнение воздушной среды обусловили разработку и применение более эффективных
методов обезвоживания. Так, осадки промышленных сточных вод обезвоживаются вакуумфильтрованием, на фильтр-прессах, центрифугированием и вибрационным фильтрованием.
Обезвоживание термической сушкой применяется для осадков, содержащих сильно токсичные
вещества, которые перед ликвидацией и утилизацией необходимо обеззараживать. Широкое
внедрение процессов термической сушки ограничивается высокой стоимостью процесса:
очистки.
Ликвидация осадков сточных вод применяется з тех случаях, когда утилизация
оказывается невозможной или экономически нерентабельной. Выбор метода ликвидации
осадков определяется их составом, а также размещением и планировкой промышленного
предприятия. Сжигание - один из наиболее распространенных методов ликвидации осадков
сточных вод. Предварительно обезвоженные осадки органического происхождения имеют
теплотворную способность 16800-21000 кДж/кг, что позволяет поддерживать процесс горения
без использования дополнительных источников теплоты. Осадки сжигаются на станциях
очистки сточных вод в многоподовых, циклонных печах, а также печах кипящего слоя.
На рис. 1 представлена схема установки с использованием теплоты, получаемой от
сжигания твердых отходов, для термической сушки и сжигания осадков сточных вод. Дымовые
газы, образующиеся при сжигании твердых отходов в печи 1 с температурой 900-1000° С,
поступают в камеру 3 для сжигания осадка сточных вод, в которой навстречу потоку дымовых
газов с помощью насоса-дозатора 12, компрессора 13 и распылителя 2 подается осадок в
распыленном состоянии. В камере 3 капли осадка подогреваются, подхватываются потоком
дымовых газов, сгорают и поднимаются в верхнюю зону камеры. Температура дымовых газов в
верхней зоне камеры за счет испарения влаги, содержащейся в осадках сточных вод, снижается
до 750-800° С. В этой же зоне происходит дезодорация паров воды. Дымовые газы, содержащие
минеральные частицы осадка, золу и пары воды, поступают в теплообменник. Одновременно из
бака 4 в канал теплообменника 5 подается уплотненный осадок с влажностью 93-95%, который
подсушивается до 84-89% и поступает в бак 10, оборудованный шнеком 11 для размельчения и
подачи осадка к насосу-дозатору 12. Дымовые газы, охлажденные в теплообменнике до
температуры 300-350° С, поступают в фильтр 6, откуда отсасываются вентилятором 8 через
трубу 7 в окружающую среду. Твердые частицы, осаждающиеся на фильтре, поступают в
сборник 9, откуда они периодически удаляются.
Рис 1. Схема установки для сжигания ОСВ и твердых отходов
Установки такого типа не вызывают загрязнения окружающей среды, просты в
эксплуатации. Они позволяют обезвреживать органические отходы (масло-продукты,
растворители, краски, лаки и т. д.) с влажностью до 60% и объемным содержанием
механических примесей до 10%.
К временным мероприятиям по ликвидации осадков относятся: сброс жидких осадков в
накопители и закачка в земляные пустоты. Регенерация металлов - один из способов
утилизации осадков сточных вод машиностроительных предприятий, особенно в
гальванических, прокатных, штамповочных и термообрабатывающих цехах. Основными
методами регенерации металлов являются вакуумная кристаллизация и нейтрализация.
При проектировании технологического процесса обработки осадков сточных вод следует
иметь в виду не только проблемы их ликвидации и утилизации, но и уменьшение
безвозвратных потерь воды в осадках, так как эти потери значительно снижают процент
использования воды в оборотном цикле. Например, при очистке сточных вод от механических
примесей в напорных гидроциклонах до 7% воды безвозвратно теряется с осадком.
При проектировании и эксплуатации систем очистки сточных вод машиностроительных
предприятий следует рассматривать не только использование осадков сточных вод, но также и
других продуктов, выделяемых в процессе очистки. Так, например, при сбраживании осадков
сточных вод в метантенках выделяется большое количество газа, состоящего из метана (2/3 от
общего объема газа) и диоксида углерода. Выделяемый метан можно использовать для
подогрева метантенков (при этом ускоряется процесс сбраживания), для подогрева воды или
пара и т. п.
При очистке сточных вод от маслопримесей в отстойниках, гидроциклонах и т. п.
собирается большое количество маслопримесей, из которых после отстаивания их во
вторичных отстойниках утилизируется чистое масло, используемое в технологических
процессах.
Рекомендуемая литература:
1. Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2.
Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 2008.
3.
Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4.
Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. –
М., 1989.
5.
Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
6.
Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 2002.
7.
Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 2003.
Контрольные задания для СРС [1, 4], [8, 11]
1. Дайте определение понятию ОСВ
2. Классификация ОСВ
3. Опишите свойства, характеризующие природу осадков сточных вод
Тема Биологическая очистка воздуха
План
1. Общее представление о биологических методах очистки воздуха
2. Классификация установок биологической очистки воздуха
3. Анализ технологического решения различных установок биоочистки воздуха
1. Проблема борьбы с загрязнением воздушного бассейна в условиях возрастающей
техногенной деятельности приобретает все большую остроту. В воздухе больших
промышленных городов содержится огромное количество вредных веществ. При этом
концентрация многих токсикантов превышает допустимые уровни. Основной вклад в
загрязнение атмосферы вносят предприятия нефтеперерабатывающей, химической, пищевой и
перерабатывающей промышленности, а также большие сельскохозяйственные комплексы,
отстойники сточных вод, установки по обезвреживанию отходов. Среди этих веществ –
органические (ароматические и непредельные углеводороды, азот-, кислород-, серо- и
галогенсодержащие соединения) и неорганические вещества (сернистый газ, сероуглерод,
окислы углерода, аммиак, хлороводород, галогены). В воздушных бассейнах больших
промышленных городов присутствуют десятки различных соединений, в том числе
дурнопахнущие, способные даже в незначительных концентрациях представлять угрозу для
здоровья, а также вызывать у людей чувство дискомфорта.
Для очистки воздуха применяют различные методы – физические, химические и
биологические, однако уровень и масштабы их применения в настоящее время чрезвычайно
далеки от требуемых. Среди применяемых физических методов – абсорбция примесей на
активированном угле и других поглотителях, абсорбция жидкостями. Наиболее
распространенными химическими методами очистки воздуха являются озонирование,
прокаливание, каталитическое дожигание, хлорирование. Биологические методы очистки
газовоздушных выбросов начали применять сравнительно недавно, и пока в ограниченных
масштабах.
Биологические методы очистки воздуха базируются на способности микроорганизмов
разрушать в аэробных условиях широкий спектр веществ и соединений до конечных продуктов,
СО2 и Н2О. Широко известна способность микроорганизмов метаболизировать алифатические,
ароматические,
гетероциклические,
ациклические
и
различные
С 1-соединения.
Микроорганизмы утилизируют аммиак, окисляют сернистый газ, сероводород и
диметилсульфоксид. Образуемые сульфаты утилизируются другими микробными видами. Есть
данные об эффективном окислении аэробными карбоксидобактериями моноокиси углерода,
Классификация
установок
(по И. Б. Уткину и др., 1989).
Тип
Рабочее тело
Водный
установк
режим
и
Биофиль Фильтрующий слой – Циркуляция
тр
иммобилизованные воды
на
природных отсутствует
носителях микробные
клетки
Биоскруб Вода, активный ил
бер
Циркуляция
воды
Биореакт Иммобилизованные Циркуляция
ор
с на
искусственных воды
омываем носителях микробные
ым слоем клетки
биологической
очистки
Таблица 3.
воздуха
Основная
стадия Источник
удаления примесей минеральных
из воздуха
солей
1.Десорбция мате- Материал
риалом
фильтрующего
фильтрующего
слоя
слоя.
2.Деструкция
микробными
клетками.
1. Абсорбция в Минеральные
абсорбере водой.
соли вносят
2.Деструкция
в воду
аэротенке активным
илом.
1. Диффузия через Минеральные
водную пленку к соли вносят
микроорганизмам. воду
2. Деструкция в
биологическом
слое.
в
в
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. Большие возможности для повышения биосинтетического потенциала
микрорганизмов-деструкторов токсичных веществ имеются на вооружении у микробиологов и
генетиков, включая методы традиционной селекции и отбора, а также новейшие достижения
клеточной и генетической инженерии. Подавляющее число токсических загрязнителей
атмосферы может быть разрушено монокультурами микроорганизмов, но более эффективно
применение смешанных культур, имеющих больший каталитический потенциал и,
следовательно, деструктурирующую способность. 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.
2. Для биологической очистки воздуха применяют три типа установок: биофильтры,
биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем (табл. 3).
Принципиальная схема для биологической очистки воздуха была предложена в 1940 г.
Прюссом. Первый биофильтр в Европе был построен в ФРГ в 1980 г. Спустя три года, в 1984 г.
только в ФРГ функционировало и находилось в стадии запуска около 240 установок.
В качестве носителя для фильтрующего слоя используют природные материалы –
компост, торф и др. Эти материалы содержат в своем составе различные минеральные соли и
вещества, необходимые для развития микроорганизмов. Поэтому в биофильтры не вносят
каких-либо минеральных добавок. Воздух, подлежащий очистке, подается вентилятором в
систему, проходит через фильтрующий слой в любом направлении, снизу – вверх или –
наоборот. При этом воздух должен проходить через всю массу фильтрующего слоя равномерно.
Поэтому требуется однородность слоя и определенная степень влажности. Оптимальная для
очистки воздуха влажность фильтрующего слоя составляет 40–60 % от веса материала
носителя. При недостаточной влажности материала фильтрующего слоя в нем образуются
трещины, материал пересыхает. Это затрудняет прохождение воздуха и снижает
физиологическую активность микроорганизмов. Увлажнение материала обеспечивается
распылением воды на поверхности фильтрующего слоя. При избыточной влажности в толще
слоя происходит образование анаэробных зон с высоким аэродинамическим сопротивлением. В
результате снижается время контакта потока воздуха с поглотителем и падает эффективность
очистки. В толще фильтрующей массы не должно образовываться более плотных зон или
комков материала, что возможно при использовании компоста, так как при этом снижается
удельная площадь поверхности фильтрующего слоя. В материале не должно возникать
температурных градиентов, а также не должно происходить резких изменений рН среды.
Поэтому температурный режим в биофильтре поддерживается постоянным. Для этого воздух,
подаваемый в биофильтр, подогревается, установка в целом термостатируется.
Для обеспечения стабильной работы биофильтров следует соблюдать комплекс мер,
важнейшими из которых являются следующие. Воздух, подаваемый на очистку в биофильтр,
предварительно увлажняют в биоскруббере до относительной влажности в 95–100 %. При
заполнении фильтрующего слоя для снижения аэродинамического сопротивления в материал
добавляют гранулы (диаметром 3–10 мм) из синтетических полимерных материалов
(полиэтилена, полистирола), а также частицы автопокрышек, активированный уголь. Масса
добавок составляет от 30 до 70 % от массы фильтрующего материала.
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.
Эффективность работы биофильтра определяется газодинамическими параметрами
фильтрующего слоя, спектром и концентрацией присутствующих в воздухе веществ и
ферментативной активностью микрорганизмов-деструкторов. При этом скорость удаления
вредных примесей из воздуха в процессе биоочистки может лимитироваться как диффузией
веществ из газовой фазы в биокаталитический слой, так и скоростью протекания
биохимических реакций в микробных клетках. При высокой входной концентрации вредных
веществ в воздухе процесс их деструкции в ходе прохождения потока через фильтрующий слой
неравномерен. Сначала разрушаются легкодоступные вещества, и только в конце процесса
начинается разрушение труднодеградируемых соединений. Так, при присутствии в воздухе в
качестве вредных примесей комплекса соединений (бутанола, этилацетата, бутилацетата и
толуола) последний утилизируется микроорганизмами только после окисления всех остальных
веществ.
Стационарное состояние и наиболее высокая скорость биоочистки наступают спустя
некоторое время после запуска биофильтра. Требуется некоторый период для созревания и
адаптации микробиологического ценоза. Длительность периода адаптации зависит от
концентрации веществ в воздухе и микробного пейзажа в диффузионном слое и может
составлять от нескольких часов до нескольких недель. Концентрация микроорганизмов в ходе
очистки возрастает и может стать избыточной. Поэтому периодически материал фильтрующего
слоя приходится обновлять. Длительность циклов достаточно велика и составляет несколько
лет.
Принцип функционирования биоскрубберов отличается тем, что процесс очистки воздуха
реализуется в две стадии в двух различных установках. На первом этапе в абсорбере токсические
вещества, находящиеся в воздухе, а также кислород, растворяется в воде. В результате воздух
выходит очищенным, а загрязненная вода далее следует на очистку. Применяют различные типы
абсорберов (барботажные, насадочные, распылительные, форсуночные и т.д.). Цель
конструкционных усовершенствований заключается в увеличении площади поверхности раздела
фаз, газовой и жидкости. Это определяет эффективность абсорбции. На второй стадии
загрязненная вода поступает в аэротенк, где она регенерируется. Очищение воды в аэротенке
происходит по обычной схеме с участием кислорода. В ходе очистки сложные органические
вещества окисляются микроорганизмами, формирующими активный ил, до конечных продуктов
с образованием биомассы.
Биореактор с омываемым слоем: рабочим телом этой биосистемы являются
иммобилизованные микроорганизмы. Биослой реактора представляет собой гранулы с
иммобилизованными микробными клетками. Этот слой омывается водой, содержащей
необходимые для развития клеток минеральные вещества. Загрязненный воздух проходит через
него, при этом вещества, подлежащие деструкции, диффундируют в водную пленку,
покрывающую частицы биокатализатора, и далее окисляются микроорганизмами. Скорость
деструкции может лимитироваться скоростью диффузии веществ из газовой фазы в жидкую, а
также скоростью протекания реакций в микробных клетках. Скорость диффузии, в свою
очередь, зависит от природы токсических веществ и их концентраций. 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. Периодически, обычно раз в несколько месяцев,
биослой очищают от избытка биомассы и наполняют свежими гранулами.
Основные требования, предъявляемые к установкам биологической очистки газов,
заключаются в простоте и эксплуатационной надежности конструкции, высокой удельной
производительности и высокой степени очистки. Удельная производительность установки
измеряется отношением объема воздуха, прошедшего через нее за 1 ч., к общему объему
установки.
3. Масштабы промышленного применения методов биологической очистки воздуха в
настоящее время весьма незначительны. Наиболее распространенным типом установок
являются биофильтры. Они достаточно дешевы, малоэнергоемки, требуют незначительных
расходов воды. Однако производительность биофильтров сравнительно невысока, – от 5 до
400 м3 очищаемого воздуха на 1 м2 поперечного сечения фильтрующего слоя/ч. Главным
образом, это определяется низким содержанием микроорганизмов в единице объема материала
фильтрующего слоя. Высота биофильтров из-за требований однородности структуры и
газодинамических ограничений невелика (около 1 м), поэтому они занимают большие площади
(от 10 до 1600 м2). Степень очистки воздуха в биофильтрах – достаточно высока. Например,
используемые в сельском хозяйстве ФРГ биофильтры обеспечивают 90 % очистку воздуха от
дурнопахнущей органики. Повышение эффективности работы биофильтров связано с
созданием установок, в которых обеспечивается более равномерное прохождение воздуха через
рабочее тело установки. Так, в ФРГ фирмой «Гербург Вейз» разработан биофильтр, через
который сверху вниз противотоком к вводимому снизу воздуху проходит тонко измельченный
компост, полученный при переработке мусора и шлама. Компост выгружается на дно установки
и транспортером вновь подается в верхнюю часть установки. Такой движущийся биологически
активный компост обеспечивает равномерное прохождение через него очищаемого воздуха;
степень извлечения из воздуха n-алканов, толуола, сероводорода составляет 96.7–99.9 %.
Повышение эффективности работы биофильтров, безусловно, связано с повышением
энергозатрат на процесс биоочистки.
Биоскрубберы по сравнению с биофильтрами занимают меньшую площадь, так как
представляют собой башни высотой несколько метров. Эксплуатационные затраты при
использовании биоскрубберов выше, так как процесс биоочистки воды требует существенных
затрат. Применение биоскрубберов эффективно при наличии в воздухе хорошо растворимых
токсических веществ. Производительность биоскрубберов существенно выше по сравнению с
биофильтрами, при этом эффективность очистки также высока (табл. 4). Например, применение
биоскрубберов для очистки отходящих газов металлургических предприятий дает следующие
показатели: производительность 120 000 м3/ч, снижение интесивности запаха воздуха от 75 до
85 %, степень конверсии органических примесей – 50 %.
Наиболее перспективными для очистки воздуха являются биореакторы с омываемым
слоем. Эти установки, практически не уступая в степени очистки, характеризуются более
высокой удельной производительностью (несколько тысяч кубометров очищаемого воздуха в
час). 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 10 000 ч–1.
Описаны другие подходы для очистки воздуха, например, на основе растущей суспензии
микроорганизмов. Пропускание воздуха, насыщенного сероводородом, сернистым ангидридом
и парами серной кислоты, через интенсивную культуру микроводоросли Chlorella, имеющую
большую поверхность контакта суспензии с воздухом, обеспечивает 100 % очистку воздуха при
производительности установки до 1 млн. м3/ч.
Известны способы комплексной очистки стоков и загрязненного воздуха от
алифатических кислот, спиртов, альдегидов и углеводородов в аэротенке с активным илом.
Показана возможность эффективной очистки отходящего воздуха ряда фармацевтических
производств на основе иммобилизированных микробных клеток. Производительность
установки по ацетону достигает 164 г углерода/м3ч; 57 г/м3ч по смеси этанол + пропанол и 15
г/м3ч по дихлорэтану. Для детоксикации цианида в промышленных выбросах предложены
биологические методы, включая применение различных биологических агентов, от активного
ила до специфических ферментов, разрушающих цианиды. Так, раданаза, обнаруженная у
Bacillus stearothermophilus, катализирует превращение цианида в тиоцианат, а
иммобилизированная цианидгидратаза гидролизует цианид до формамида.
Таблица 4
Параметры установок биоочистки воздуха
на объектах интенсивного животноводства ФРГ (по B. Brauer, 1984)
Рабочий
Удельная
Степень Потери Расход Удельный
Установка
объем, производительность, очистки, % давле- воды, расход воды в
м3
ч–1
ния, л/сут.
сутки
Н/м2
Биофильтр с
компостом
228
88
92
1700
510
1.8 10–3
Биофильтр с
волокнистым
торфом
19.5
564
66–90
55
48
2.5 10–3
Биоскруббер
44.4
900
97.5–99.7 1200 9600
0.2
Биореактор с
омываваемым
слоем
1.5
5000
60–90
170 48000
23
Образующиеся во многих производственных процессах восстановленные соединения серы
(тиосульфат, сероводород, метилмеркаптаны, диметилсульфид) могут служить источником
энергии для многих микроорганизмов:
Thiobacillus
 H2SO4.
H2S + O2 
Hyphomicrobium
(CH3)2S + 5O2  2CO2 + H2SO4 + 2H2O.
Один из методов очистки от сероводорода состоит в пропускании воздуха через солевой
раствор меди. Образуемый в результате этого нерастворимый сульфид металла далее может быть
окислен при участии микроорганизмов. Возможно создание системы биоочистки воздуха от
сероводорода, а также органических соединений серы с использованием тиобацилл; при
анаэробных условиях десульфурирование сопряжено с денитрификацией:
5 H2S + 8 NaNO3  4 Na2SO4 + H2SO4 + 4 H2O + 4 N2.
(CH3)2S + 4 NaNO3  2 CO2 + Na2SO4 +2 NaOH + 2 H2O + 2 N2.
Таким образом, в настоящее время в промышленных масштабах применяются
достаточно эффективные биологические процессы для очистки газовоздушных выбросов.
Существуют реальные научные основы для разработки и внедрения новых методов биоочистки.
Рекомендуемая литература:
1. Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации процесса
биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2. Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 2008.
3. Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских сточных
вод в метанотенках. – М., 1986.
4. Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных вод. – М.,
1989.
5. Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
6. Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 2002.
7. Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –London,
2003.
Контрольные задания для СРС [1, 4], [8, 11]
1. Дайте общее представление о биологических методах очистки воздуха
2. Расскажите о классификации установок биологической очистки воздуха
3. Проанализируйте технологические решения различных установок биоочистки
воздуха.
Лекция Биотехнология получения экологически чистого топлива
План
1. Классификация биотоплива. Биогаз и его свойства
2. Получение биогаза. Стадии процесса
3. Использование биогаза
1. В зависимости от агрегатного состояния, поколения, способа получения и сфер
применения выделяют несколько видов биотоплива. По агрегатному состоянию выделяют
твердое, жидкое и газообразное биотопливо.
Виды биотоплива:
1 Твердое биотопливо
1.1Топливные гранулы
2 Жидкое биотопливо
2.1 Биоэтанол
2.2 Биометанол
2.3 Биобутанол
2.4 Диметиловый эфир
2.5 Биодизель
2.6 Биотоплива второго поколения
3 Газообразное топливо
3.1 Биогаз
3.2 Биоводород
Классификация биотоплива
Биогаз (канализационный газ или болотный газ, газ-метан) – это газ, состоящий
примерно из 50-70% метана (CH4) 50-30% углекислого газа (CO2). Различные виды
микроорганизмов метаболизируют углерод из органических субстратов в бескислородных
условиях (анаэробно). Этот процесс, называемый гниением или бескислородным брожением,
следует за цепью питания. В процессе брожения из биоотходов вырабатывается биогаз.
Анаэробное разложение отходов – используется с 1901 г. и очень перспективно для
экономичного получения газообразного топлива при умеренных температурах (30-35оС).Этот
газ может использоваться как обычный природный газ для технологических целей, обогрева,
выработки электроэнергии. Его можно накапливать, перекачивать, использовать для заправки
автомобиля.
Переработка отходов на биогазовой установке даетследующие основные выгоды:
1. электричество
2. тепло
3. топливо для автомобилей
4. экологическая очистка
5. биоудобрения.
Стоимость газа от биогазовой установки менее 30 Евро за 1000м3. Для заправки
автомобилей устанавливается дополнительная система очистки. После такой системы очистки
полученный газ - полный аналог природного газа (90% метана (CH4) и 10% углекислого газа
(CO2)). Вторым продуктом очистки биогаза является CO2 . Его использовать как сухой лед, для
газировки или технических целей.
Ежегодный объём неиспользуемых стеблей и соломы от зерновых культур только в
США примерно 180 миллионов тонн в год. Если бы все это было бы переработано в этанол, то
можно было бы произвести около 20 миллиардов галлонов в год (1 галлон=3,8-4,6
л).Теплотворная способность одного кубометра биогаза составляет в зависимости от
содержания метана 20-25 МДж/ м3, что эквивалентно сгоранию 0,6 - 0,8 литра бензина, 1.3 - 1.7
кг дров или использованию 5 - 7 кВт электроэнергии.
Энергия, заключенная в 28 м3 биогаза, эквивалентна энергии: 16,8 м3 природного газа;
20,8 л нефти; 18,4 л дизельного топлива.
Виды сырья, используемого для переработки в биогаз
Тип сырья
Выход газа,м3 на тонну сырья
Навоз коровий
60
Навоз свиной
65
Помет птичий
80-140
Отходы бойни
300
Жир
1300
Барда после спиртовая
50-70
Зерно
500-600
Силос, ботва, трава, водоросли
200-300
Молочная сыворотка
50
Свекольный и фруктовый жом
60-70
Глицерин технический
500
Дробина пивная
150-180
2. В основе получения биогаза лежит процесс метанового брожения, или биометаногенез
— процесс превращения биомассы в энергию.Микробиологическому анаэробному разложению
поддаются практически все соединения природного происхождения, а также значительная
часть ксенобиотиков органической природы. В анаэробном процессе биометаногенеза
выделяют три последовательные стадии, в которых участвуют свыше 190 различных
микроорганизмов.
Рис.1 – Схематическое изображение процесса образования биогаза
На первой стадиипод влиянием экстрацеллюлярных ферментов ферментативному
гидролизу подвергаются сложные многоуглеродные соединения — белки, липиды и
полисахариды. Вместе с гидролитическими бактериями функционируют и микроорганизмы —
бродильщики, которые ферментируют моносахариды, органические кислоты.
На второй стадии (ацидогенез) в процессе ферментации участвуют две группы
микроорганизмов: ацетогенные и гомоацетатные. Ацетогенные Н2-продуцирующие
микроорганизмы ферментируют моносахариды, спирты и органические кислоты с
образованием Н2, СО2, низших жирных кислот, в основном ацетата, спиртов и некоторых
других низкомолекулярных соединений. Гомоацетатные микроорганизмы усваивают Н2 и
СО2, а также некоторые одноуглеродные соединения через стадию образования ацетил-КоА и
превращения его в низкомолекулярные кислоты, в основном в ацетат.
На заключительной третьей стадиианаэробного разложения отходов образуется
метан. Он может синтезироваться через стадию восстановления СО2 молекулярным
водородом, а также из метильной группы ацетата. Некоторые метановые бактерии способны
использовать в качестве субстрата формиат, СО2, метанол, метиламин и ароматические
соединения.
В зависимости от температуры протекания процесса метановые бактерии разделяют на
мезо- и термофильные. Оптимальная температура для мезофильных бактерий от 30 до 40°С, а
для термофильных – от 50 до 60 °С. В целом термофильный процесс метаногенеза идет
интенсивнее мезофильного, притом в этих условиях анаэробной переработки отходов субстрат
обеззараживается от патогенной микрофлоры и гельминтов. При анаэробной переработке
отходов животноводческих ферм микрофлора метантенков (анаэробных ферментеров)
формируется преимущественно из микрофлоры желудочно-кишечного тракта данного вида
животных и микрофлоры окружающей среды. Из наиболее часто встречающихся культур
следует отметить Lactobacillusacidophilus, Butyrivibriofibrisolvens, Peptostreptococcusproductus,
Bacteroidesuniformis, Eubacteriumaerofa-ciens. К числу целлюлозоразлагающих бактерий
микрофлоры жвачных относятся Bacteroidessuccinoqenesи Ruminococcusflavefaciens. Из рубца и
навоза
жвачных
были
изолированы
такие
метанообразующие
бактерии,
как
Methanobacteriummobile,
Methanobrevibacterruminantiumи
Methanosarcinassp.
После
определенного срока работы метантенка при установленном температурном режиме и на
постоянном субстрате образуется сравнительно стабильный консорциум микроорганизмов.
Первую стадию разрушения сложных органических полимеров осуществляют бактерии из
родов Clostridium, Bacteroides, Ruminococcus, Butyrivibro. Главные продукты ферментации —
ацетат, пропионат, сукцинат, Н2 и СО2. Конечными продуктами ферментации целлюлозы и
гемицеллюлозы под действием бактерий, выделенных из рубца жвачных и кишечника свиней,
являются различные летучие жирные кислоты.
Бактерии второй, или ацетогенной, фазы, относящиеся к родам Syntrophobacter,
Syntrophomonasи Desulfovibrio, вызывают разложение пропионата, бутирата, лактата и пирувата
до ацетата, Н2 и СО2 — предшественников метана. Ряд микроорганизмов способны
синтезировать ацетат из СО2 в термофильных условиях, к их числу принадлежат
Clostridiumformicoaceticum, Acetobacteriumwoodii, метановые бактерии из родов Methanothrix,
Methanosarcina, Methanococcus, Methanogeniumи Methanospirillum.
Для получения биогаза можно использовать отходы сельского хозяйства, испорченные
продукты, стоки крахмал перерабатывающих предприятий, жидкие отходы сахарных заводов,
бытовые отходы, сточные воды молочноперерабатывающих и спиртовых заводов. Процесс
ведется при температуре 30—60°С и рН 6 — 8. Этот способ получения биогаза широко
применяют в Индии, Китае, Японии. В настоящее время для производства биогаза чаще
используют вторичные отходы (отходы животноводства и сточные воды городов), чем
первичные (отходы зерноводства, полеводства, хлопководства, пищевой, легкой,
микробиологической, лесной и других отраслей), обладающие сравнительно низкой
реакционной способностью и нуждающиеся в предварительной обработке.
Основное преимущество биогаза состоит в том, что он является возобновляемым
источником энергии. Его производство будет так же длительно, как существование жизни на
Земле.
3. Биоудобрения. При использовании же биогазовой установки биотходыперебраживают
и переброженная масса может использоваться каквысоко эффективное биоудобрение.
Переброженная масса – это готовые экологически чистые жидкие и твердые биоудобрения. При
использовании таких сбалансированных биоудобрений урожайность повышается на 30-50%.
Электроэнергия. Из 1 м3 биогаза в генераторе можно выработать 2 кВт электроэнергии
стоимостью 0,01 $ за кВт.В 2005 году в странах Европейского союза 4% энергии получали,
используя биотопливо. Лидерами в этом были Финляндия и Швеция: 16 и 20% энергии
соответственно.
Тепло. Тепло от охлаждения генератора или от сжигания биогаза можно использовать
для обогрева предприятия, технологических целей, получения пара.Например, можно
отапливать 2 га теплиц только от одного охлаждения электрогенератора, т.е. не сжигая газ
специально для получения тепла. В себестоимости тепличных огурцов, помидоров, цветов 90%
затрат – это тепло и удобрения. Возле биогазовой установки теплица может работать с 300-500
% рентабельностью.
Топливо для автомобилей. После доочистки биогаза получается биометан (90-95%
метана, остальное СО2). Биометан ничем не отличается от природного газа по составу или
свойствам. Отличие только в происхождении. Таким метаном можно и стоит заправлять
технику. Сегодня уже существует огромная сеть заправочных метановых станций.
Рекомендуемая литература:
1. Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации
процесса биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2. Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 2008.
3. Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4. Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных
вод. – М., 1989.
5. Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
6. Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 2002.
7. Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 2003.
Контрольные задания для СРС [1, 4], [8, 11]
1.
Опишите классификации биотоплива
2.
Биогаз и его свойства
2. Расскажите о способах получения биогаза и стадиях данного процесса
3. Какие возможности использования биогаза существуют?
Тема Переработка твердых отходов путем компостирования
План
1.
Пути биотехнологического усовершенствования интенсивных методов переработки
бытовых и производственных отходов.
2.
Интенсификация процессов очистки методом пространственного разделения
различных микробных консорциумов, преимущества и недостатки этого метода.
3.
Использование рекомбинантных штаммов для утилизации трудноокисляемых,
высокотоксичных или ароматических веществ.
В области переработки и ликвидации твердых отходов биотехнологические методы
наиболее широко применяются для утилизации коммунальных отходов и ила из систем
биоочистки стоков.
Традиционно твердые отходы складируются на городских свалках. Все возрастающие
объемы отходов на душу населения приводят к возникновению огромного количества свалок,
увеличению их площадей, а также к неуправляемому попаданию отходов в окружающую среду
из-за рассыпания их при транспортировке. Так, по данным 1984 г. во Франции, Греции и
Ирландии по ходу транспортировки отходов на свалки было рассыпано, соответственно, 10.3,
17.5 и 35 % от общего количества ликвидированных отходов. Несмотря на все возрастающий
интерес к повторному использованию сырья, очевидно, что простая ликвидация отходов на
свалках существенно дешевле любого другого способа их переработки. После того, как стало
ясно, что при анаэробной переработке отходов в больших количествах образуется ценный
энергетический носитель – биогаз, основные усилия стали направляться на соответствующую
организацию свалок и получение на месте их переработки метана.
Несмотря на огромное разнообразие отходов, вывозимых на городские свалки, в целом
состав твердых отходов в развитых странах становится все более однотипным, при этом четко
просматривается тенденция увеличения объема бумаги и пластмасс на фоне снижения доли
органических и растительных материалов. Это удлиняет время стабилизации отходов на
свалках. Исследования химического состава содержимого свалок показали, что фракция,
поддающаяся биодеградации, составляет до 70 % от общего количества твердых отходов.
Поведение отходов на свалке носит чрезвычайно сложный характер, так как постоянно
происходит наслаивание нового материала через различные временные промежутки. В
результате этого процесс подвержен действию градиентов температуры, рН, потоков жидкости,
ферментативной активности и пр. В общей массе материала свалок присутствует сложная
ассоциация микроорганизмов, которые развиваются на поверхности твердых частиц,
являющихся для них источником биогенных элементов. Внутри ассоциации складываются
разнообразные взаимосвязи и взаимодействия. В целом состояние и биокаталитический
потенциал микробного сообщества зависит от спектра химических веществ материала свалок,
степени доступности этих веществ, наличия градиентов концентраций различных субстратов, в
особенности градиентов концентраций доноров и акцепторов электронов и водорода.
На типичной европейской свалке, где отходы размещены по отсекам, система
переработки отходов является, по существу, совокупностью реакторов периодического
действия, в которых субстрат (отходы) находится на разных стадиях биодеградации.
На начальной стадии биодеградации твердых отходов доминируют аэробные процессы,
в ходе которых под воздействием микроорганизмов (грибов, бактерий, актиномицетов) и также
беспозвоночночных (клещей, нематод и др.) окисляются наиболее деградируемые компоненты.
Затем деструкции подвергаются трудно и медленно окисляемые субстраты – лигнин,
лигноцеллюлозы, меланины, танины. Существуют различные методы оценки степени
биодеградации твердых отходов. Наиболее информативным принято считать метод оценки,
основанный на различиях в скоростях разложения целлюлозы и лигнина. В непереработанных
отходах отношение содержания целлюлозы к лигнину составляет около 4.0; в активно
перерабатываемых – 0.9–1.2 и в полностью стабилизированных отходах – 0.2. В течение
аэробной стадии температура среды может повышаться до 80°С, что вызывает инактивацию и
гибель патогенной микрофлоры, вирусов, личинок насекомых. Температура может служить
показателем состояния свалки. Увеличение температуры повышает скорость протекание
процессов деструкции органических веществ, но при этом снижается растворимость кислорода,
что является лимитирующим фактором. Исчерпание молекулярного кислорода in situ приводит
к снижению тепловыделения и накоплению углекислоты. Это, в свою очередь, стимулирует
развитие в микробной ассоциации сначала факультативных, а затем облигатных анаэробов. При
анаэробной минерализации в отличие от аэробного процесса участвуют разнообразные,
взаимодействующие между собой микроорганизмы. При этом виды, способные использовать
более окисленные акцепторы электронов, получают термодинамические и кинетические
преимущества. Происходит последовательно процесс гидролиза полимеров типа
полисахаридов, липидов, белков; образованные при этом мономеры далее расщепляются с
Н2
2SO4
II
I
СО2
Сульфидная
(пиритная)
сера
2SO4 (лим.)
+
Ацетат
+
Н2
NH3
N2
III
Пропионат
+
СО2
+
Ацетат
IV
Н2
V
+
Ацетат
СО
Метанол
VI
Метиламины
СО2
VII
Метан
Рис. 6. Взаимодействие микроорганизмов в анаэробных условиях
заключительной стадии катаболизма (по К. Форстеру и Е. Сениору, 1990).
Бактерии, потребляющие: I – нитраты, II – сульфаты; бактерии, образующие: III –
пропионат, IV – ацетат, V – метан; бактерии, катаболирующие: VI – аминокислоты,
VII – метилированные металлоорганические комплексы.
образованием водорода, диоксида углерода, а также спиртов и органических кислот. Далее при
участии метаногенов происходит процесс образования метана (рис.7.6).
В результате комплекса процессов, происходящих при биодеградации содержимого
свалок, образуются два типа продуктов – фильтрующиеся в почву воды и газы. Фильтрующиеся
воды, помимо микроорганизмов, содержат комплекс разнообразных веществ, включая
аммонийный азот, летучие жирные кислоты, алифатические, ароматические и ациклические
соединения, терпены, минеральные макро- и микроэлементы, металлы. Поэтому важным
моментом при выборе и организации мест свалок является защита поверхности земли и
грунтовых вод от загрязнений. Для борьбы с фильтрацией вод применяют малопроницаемые
засыпки или создают непроницаемые оболочки вокруг свалки или специальные заграждения.
Возможно, что наиболее эффективным способом может стать организация сбора
фильтрующихся вод свалок и управляемая анаэробная переработка с применением капельных
биофильтров, аэротенков или аэрационных прудов. В системе аэрационных прудов в течение
нескольких месяцев можно удалить из вод до 70 % БПК; в капельных биофильтрах или
системах с активным илом – до 92 % БПК с одновременным извлечением в результате
биосорбции свыше 90 % металлов (железа, марганца, цинка). Анаэробная биоочистка позволяет
удалить 80–90 % ХПК в течение 40–50 дней при 25°С ( при 10°С величина удаления ХПК
снижается до 50 %).
Биогаз, образуемый при биодеградации материала свалок, является ценным
энергоносителем, но также может вызывать негативные явления в окружающей среде (дурной
запах, закисление грунтовых вод, снижение урожайности сельскохозяйственных культур),
поэтому следует ограничивать утечки газа. Это возможно при помощи специальных
приспособлений (преграды, траншеи, наполненные гравием, системы экстракции газа),
позволяющих управлять перемещением газа, а также созданием над массивом свалок оболочек,
препятствующих его утечке.
Интерес к извлечению метана в процессах переработки свалок существенно возрос в
последние десять лет. В США для этих целей построено 10 установок, в странах Общего рынка
– около 40. Создание таких установок планируется в Великобритании, Японии, Канаде,
Швейцарии и др. Сбор и последующее применение биогаза, образуемого на свалках в больших
количествах, имеет огромные перспективы. Так, установка в Россмане в летние месяцы дает до
40000 м3 газа в день. Объемы таких установок значительны, до 10–20.106 м3.
Теоретический выход метана может составлять 0.266 м3/кг сухих твердых отходов.
Реальные экспериментальные выходы биогаза, полученные на различных лабораторных,
пилотных установках и контролируемых свалках, дают существенный разброс данных, от
десятков до сотен л/кг в год. Огромное влияние на процесс метаногенеза оказывают многие
факторы, – температура и рН среды, влажность, уровень аэрации, химический состав отходов,
наличие в них токсических компонентов и др. Газ, образуемый на свалке, извлекается с
помощью вертикальных или горизонтальных перфорированных труб из полиэтилена.
Применение воздуходувок и насосов может повысить степень извлечения газа. Газ используют
для обогрева теплиц, получения пара, а после дополнительной очистки его можно перекачивать
по трубам к местам потребления.
Таким образом, помимо экологической, проблема носит экономический характер, так
как использование образуемого на свалках биогаза, снижает материальные затраты на борьбу с
загрязнениями, опасными и дурнопахнущими отходами.
Рекомендуемая литература:
1. Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации
процесса биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2. Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 2008.
3. Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4. Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных
вод. – М., 1989.
5. Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
6. Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 2002.
7. Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 2003.
Контрольные задания для СРС [1, 4], [2, 8]
1.
В чем заключается сущность биотехнологического усовершенствования интенсивных
методов переработки ТБО.
2.
Оцените надежность интенсификации процессов очистки методом пространственного
разделения различных микробных консорциумов, преимущества и недостатки этого метода.
3.
Каковы существенные особенности использования рекомбинантных штаммов для
утилизации ТБО?
Тема Биодеградация ксенобиотиков
План лекции
1. Общая характеристика класса ксенобиотиков
2. Деградация ксенобиотиков
3. Конструирование микробиологических консорциумов для деградации ксенобиотиков
Ксенобиотики – чужеродные для организмов соединения (пестициды, ПАВ, красители,
лекарственные вещества и пр.), которые практически не включаются в элементные циклы
углерода, азота, серы или фосфора. Ксенобиотики временно или постоянно накапливаются в
окружающей среде и вредно влияют на все живое. Широкое и повсеместное применение
пестицидов, в том числе неразлагаемых, накопление различных отходов в огромных
количествах привело к широкому распространению загрязнения окружающей среды – недр,
воды, воздуха. Накопление ксенобиотиков представляет огромную опасность для человека,
употребляющего в пищу крупную рыбу и высших животных.
Судьба химических соединений, попадающих в окружающую среду, определяется
комплексом физических, химических и, особенно, биологических факторов. Деградация
ксенобиотиков может происходить в результате физических и химических процессов и
существенно зависит от типа почвы, ее структуры, влажности, температуры и пр.
Биологическая трансформация соединений, попавших в окружающую среду, может протекать
в различных направлениях, приводя к минерализации, накоплению или полимеризации.
Так, примерные значения коэффициента увеличения концентрации ДДТ
(дихлордифенилтрихлорэтана) таковы:
Водная среда

Фитопланктон

Зоопланктон

Мелкая рыба

Крупная рыба

Хищные птицы
100

106

108
Ксенобиотики, которые подвергаются полной деградации, то есть минерализуются до
диоксида углерода, воды, аммиака, сульфатов и фосфатов, используются микроорганизмами в
качестве основных ростовых субстратов и проходят полный метаболический цикл. Частичная
трансформация соединений происходит, как правило, в процессах кометаболизма или
соокисления и не связана с включением образуемых продуктов в метаболический цикл
микроорганизмами. Наконец, некоторые ароматические углеводороды и синтетические
полимеры вообще не поддаются биологической трансформации:
Ксенобиотик
Биологическая
трансформация
Минерализация
Накопление
Полимеризация
Поведение ксенобиотика в природе зависит от многих взаимосвязанных факторов:
структуры и свойств самого соединения, физико-химических условий среды и ее
биокаталитического потенциала, определяемого микробным пейзажем. Все эти факторы в
совокупности определяют скорость и глубину трансформации ксенобиотика. Нельзя забывать о
том, что биологическая деградация ксенобиотиков оправдана только тогда, когда происходит
их полная минерализация, разрушение и детоксикация. Это может быть достигнуто в
результате всего одной модификации структуры соединения. Однако часто в ходе деградации
происходит серия последовательных модификаций исходного соединения с участием
нескольких микробных видов. Важную роль в удалении ксенобиотиков из окружающей среды
играют разнообразные типы микробного метаболизма. В природных условиях на ксенобиотики
воздействую микробные сообщества. В них проявляются различные типы взаимодействия:
кооперация, комменсализм, взаимопомощь. Именно благодаря гетерогенности природных
микробных сообществ ксенобиотики в принципе могут подвергаться биодеградации, а наличие
в микробных сообществах взаимосвязанных метаболических путей разрушения токсинов
является основой для борьбы с загрязнением окружающей среды. Есть два пути для борьбы с
загрязнением биосферы ксенобиотиками: сбор и детоксикация ксенобиотиков до момента
попадания в окружающую среду и трансформация или удаление ксенобиотиков, попавших в
среду.
Возможности микробных сообществ в отношении деградации многих токсичных
соединений значительны. Доказано, что при повторном попадании в среду многих химических
соединений время до начала их трансформации (так называемый адаптационный период
микроорганизмов по отношению к данному субстрату) значительно короче, по сравнению с
первым попаданием этого соединения. В течение этого периода микроорганизмы в ходе
адаптации к токсическому соединению, как субстрату, селектируются по способности
деградировать данный субстрат. В результате естественным путем возникают микробные
популяции, которые, как оказалось, могут сохраняться в почве в течение нескольких месяцев
после полной деградации токсиканта. Поэтому к моменту нового поступления этого соединения
в почву в ней уже присутствуют адаптированные микроорганизмы, способные атаковать
токсикант. Таким образом, после попадания ксенобиотиков в окружающую среду из почвы
можно выделить микробные виды, способные деградировать конкретные ксенобиотики и далее
среди них вести селекцию на увеличение скорости деградации. Это возможно различными
путями: отбором конститутивных мутантов, отбором на генную дупликацию и на основе
механизма переноса генов. Повышение деградирующей способности возможно также в
результате стимуляции естественной почвенной микрофлоры, уже адаптированной к
токсикантам.
При попадании новых веществ в окружающую среду может происходить природное
генетическое конструирование, в результате которого возникают микробные формы с новыми
катаболическими функциями. Огромная роль в процессах межорганизменного переноса
генетической информации, приводящих к биохимической изменчивости популяций,
принадлежит плазмидам – внехромосомным генетическим элементам. Катаболические, или
деградативные плазмиды, кодирующие реакции минерализации или трасформации
ксенобиотиков, придают микроорганизмам способность перераспределять между собой пул
деградативных генов.
В настоящее время описаны разнообразные природные катаболические плазмиды,
встречающиеся у различных представителей почвенной микрофлоры (табл. 7.5). Особенно
часто они идентифицируются среди рода Pseudomonas. Информация, которую несут плазмиды,
может расширить круг субстратов хозяина за счет объединения двух метаболических путей,
либо полным кодированием нового пути, либо дополнением существующих метаболических
путей. Внутри- и межплазмидные рекомбинации приводят к перетасовке генов на плазмидах и
возникновению новых метаболических путей.
Известны также случаи перераспределения генетического материала между плазмидами
и хромосомой хозяина, приводящие к появлению совершенно новых генов. Пластичность
катаболических плазмид обеспечивает перераспределение генетического материала, что может
привести к возникновению в природе нового организма, эффективно деградирующего новый
субстрат.
Таким образом, природные генетические механизмы обмена информации позволяют
получать эффективные штаммы-деструкторы ксенобиотиков. Это тем более важно, так как
общепринятые методы работы с рекомбинантными ДНК, применяемые для клонирования
чужеродной ДНК с небольшим числом генов, имеют существенные ограничения при
клонировании метаболических путей деградации ксенобиотиков, кодируемых десятками генов.
Ограничения также обусловлены недостатком знаний о механизмах деградации и структуре
метаболических путей, а также возможностями риска, связанного с попаданием
сконструированных организмов в среду. Методы генетической инженерии могут быть
полезными для усовершенствования уже существующих деградативных способностей
микробных клеток.
Большинство пестицидов, попадающих в окружающую среду в результате
использования их для обработки сельскохозяйственных культур, расщепляются бактериями и
грибами. Превращение исходного пестицида в менее сложное соединение достаточно
эффективно происходит под воздействием микробных сообществ. Доказана возможность
полной минерализации ДДТ в ходе сопряженного метаболизма. Высокая токсичность ряда
пестицидов может утрачиваться уже на первой стадии микробной трасформации. Это позволяет
разрабатывать относительно простые микробиологические методы для борьбы с
ксенобиотиками. Описаны опыты успешного применения ферментов (гидролаз, эстераз,
ациламидаз и фосфоэстераз) для проведения первичного гидролиза пестицидов и увеличения
степени их последующей биодеградации. Например, с помощью паратионгидролазы из
Pseudomonas sp. можно достаточно эффективно удалять остаточный паратион из контейнеров с
данным пестицидом, а забуференные растворы данного фермента применяют для уничтожения
разливов паратиона на почвах. На основе иммобилизованных ферментов возможно удаление
пестицидов из сточных вод; ферменты применяют также в виде аэрозолей для удаления
пестицидов с промышленных установок.
Большую опасность для окружающей среды представляют полиароматические
углеводороды. Так, полихлорбифенилы (ПХБ) являются очень устойчивыми соединениями,
долго присутствующими в окружающей среде в результате прочной адсорбции биологическими
и осадочными породами и плохой миграции. Микроорганизмы не способны глубоко
деградировать эти соединения, тем не менее, модифицируют их. Установлена способность
микробных сообществ деградировать промышленные ПХБ с образованием новых типов
углеводородов, при этом молекулы с низкой степенью хлорирования расщепляются.
Устойчивое полиароматическое соединение бензапирен не минерализуется в системах
активного ила, хотя описано несколько микробных видов, способных частично его
метаболизировать. В ходе деградации бензапирена образуются канцерогенные соединения
(гидрокси- и эпоксипроизводные). Также устойчив к деградации полистирол, хотя описано
Таблица 7.5.
Природные катаболические плазмиды (по Д. Хардмену, 1990).
Плазмида
pJP1
pUU220
CAM
SAL
NAH
OCT
XYL
TOL
NIC
pAC25
pWW17
pUU204
Субстрат
2,4-Дихлорфеноуксусная кислота и
галогенсодержащие пестициды
Галогеналкилы
Никотин
D-Камфора
Салицилат
Нафталин
Октан
Ксилол
Толуол, м-ксилол, п-ксилол
Никотин,
3,5-Ксиленол
3-Хлорбензол
n-Крезол
Фенилацетат
Галогеналкилы
Хозяин
Alcaligenes paradoxus
Alcaligenes sp.
Arthrobacter oxidans
Pseudomonas putida
P. sp.
P. putida
P. oleovorans
P. arvila
P. putida
P. convexa
P. putida
P. putida
P. putida
P. sp.
P. sp.
несколько случаев частичной деградации измельченных автомобильных шин, изготовленных из
стирол-бутадиеновой резины. Есть сообщения о росте микробного сообщества на стироле, в
ходе которого разрушается ингибитор полимеризации 4-трет-бутилкатехол, далее происходит
свободнорадикальная полимеризация стирола с осаждением образующегося полистирола. Этот
полимер впоследствии под воздействием микробного сообщества исчезает из почвы.
Одной из крупнейших групп загрязнителей природы являются галогенсодержащие
ксенобиотики, которые характеризуются высокой токсичностью и плохой деградируемостью.
Причина токсичности и устойчивости этих соединений определяется наличием в них трудно
расщепляемой галоген-углеродной связи. Однако, как оказалось, ряд галогенсодержащих
соединений являются природными образованиями и представляют собой метаболиты бактерий,
грибов, водорослей. Это определило судьбу отдельных галогенсодержащих соединений в
природе. Наличия данной природной предпосылки для полной деградации ксенобиотика,
однако, недостаточно. Для эффективной трансформации родственного ксенобиотического
соединения необходима адаптация микроорганизма, включая его генетическую изменчивость.
Длительные исследования путей деградации галогенсодержащих ксенобиотиков показали, что
для получения суперштамма, эффективно разлагающего данные ксенобиотики, нужно
модифицировать существующий катаболический механизм деградации ароматических
соединений. Идея конструирования катаболических путей принадлежит Рейнеке и Кнакмуссу,
создавшим штамм Pseudomonas, способный деградировать 4-хлорбензоат. В эксперименте по
скрещиванию Pseudomonas putida PaW1, обладающего TOL-плазмидой pWWO с Pseudomonas sp.
B13 (pWR1), утилизирующим 3-хлорбензоат, они получили трансконьюгат, способный
использовать 4-хлорбензоат в результате переноса гена толуол-1,2-диоксигеназы
(контролируемого плазмидой pWWO), в штамм Pseudomonas sp. B13. Аналогичный результат
был получен при совместном культивировании в хемостате двух культур – P. aeruginosa,
содержащей плазмиду pAC25, и культуры, содержащую TOL. Первая плазмида, связанная с
катаболизмом галогенированных органических соединений (2,4-дихлорфеноксиуксусной
кислоты), была обнаружена у Alcaligenes paradoxus, затем у других микроорганизмов. Позже
появилась серия публикаций о деградации 2,4-Д, однако сообщения по разрушению 2,4,5трихлорукусной кислоты были крайне редки. Впоследствии при совместном культивировании в
хемостате в течение 8–10 месяцев микробных культур, содержащих несколько катаболических
плазмид, при постепенном увеличении концентрации 2,4,5-Т получили штамм, способный к
деградации 2,4,5-Т и трихлорфенола.
Рекомендуемая литература:
1. Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации
процесса биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2. Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 2008.
3. Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4. Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных
вод. – М., 1989.
5. Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
6. Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 2002.
7. Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 2003.
Контрольные задания для СРС
1.
Чем вызвана необходимость биологической утилизации класса ксенобиотиков
2.
Объясните в чем разница биологической деградации ксенобиотиков и биологической
утилизации твердых отходов.
3.
Приведите пример микробиологических консорциумов для деградации ксенобиотиков
1.
2.
3.
Тема Биоремедиация нефтезагрязненных территорий с помощью микроорганизмов
План лекции
Генетическое конструирование «супермикробов»
Принципиальные отличия химических показателей в составе нефтяных загрязнений
Меры реализации современных методов утилизации нефтяных загрязнений
Биологические методы также применимы для очистки природной среды от нефтяных
загрязнений, представляющих собой как сточные воды нефтяной промышленности, так и
непосредственное загрязнение в результате разлива нефти. Сточные воды нефтяной
промышленности очищают биологическими методами после удаления большей части смеси
различных углеводородов физическими методами. Для этого применяют аэрируемые системы
биоочистки с активным илом, содержащим адаптированное к компонентам нефти сообщество.
Скорость деградации зависит от качественного состава и концентрации углеводородов, а также
температуры и степени аэрации среды. Наиболее эффективно биодеградация осуществляется,
когда нефть эмульгирована в воде. Особую проблему представляют выбросы и аварийные
разливы нефти на поверхность почвы. Это приводит не только к загрязнению пахотных земель,
но также и источников питьевой воды. В почве содержится много микробных видов, способных
деградировать углеводороды, но их активность часто низка, в том числе и в результате
дефицита отдельных биогенных элементов. В таких случаях эффективным является внесение в
почву так называемых «олеофильных удобрений», в состав которых входят соединения азота,
фосфаты и другие минеральные элементы, концентрации которых в почве достаточно низки и
лимитируют рост микроорганизмов. После внесения этих соединений в почву концентрация
микроорганизмов-деструкторов существенно возрастает, и возрастает скорость деградации
нефти.
С помощью генетического конструирования создан «супермикроб», способный
утилизировать большинство основных углеводородов нефти (рис. 7). Многие природные
штаммы Pseudomonas putida несут катаболические плазмиды, каждая из которых кодирует
фермент для расщепления одного класса углеводородов – плазмида OCT обуславливает
расщепление октана, гексана, декана; XYL – ксилола и толуола; CAM – камфары, NAH –
нафталина. Плазмиды CAM и NAH сами способствуют своему переносу, стимулируя
спаривание бактерий.
В результате последовательных скрещиваний был получен «суперштамм», несущий
плазмиды XYL и NAH и гибридную плазмиду, содержащую части плазмид OCT и CAM. Такая
мультиплазмидная бактерия растет, утилизируя неочищенную нефть. Однако возможность
эффективного
применения
такого
организма
в
естественных
условиях
требует доказательства.
Рис. 7. Суперштамм, полученный на основе
Штамм 1
Штамм 2
Штамм 3
Штамм 3
последовательных
скрещиваний
САМ
ОСТ
XYL
NAH
четырех штаммов Pseudomonas putida (по Д.
Хопвуду, 1984).
Хромосома
Плазмида
Скрещивание
и рекомбинация
плазмид
Скрещивание
XYL
САМ/OCT
NAH
Скрещивание
Супербацилла
САМ/OCT
XYL
NAH
Использование методов генетического конструирования микробных штаммовдеструкторов ксенобиотиков для практического применения находится на ранней стадии. Одна
из основных проблем при конструировании микроорганизмов на основе природных
катаболических плазмид – стабильность. Стабильность систем «хозяин-вектор» особенно важна
при интродукции штаммов в естественную среду. При возвращении микроорганизма с новой
катаболической функцией в исходную природную среду ему приходится конкурировать с
хорошо адаптированной к данным условиям среды естественной микрофлорой, сталкиваться с
огромным разнообразием источников углерода, в том числе высокотоксичных. При этом
совершенно неясны перспективы сохранения стабильности новой катаболической функции и,
следовательно, самого штамма.
Пока существует большой разрыв между достижениями, полученными в
конструировании микроорганизмов, и возможностями их практического применения. Вероятно,
в будущем наиболее перспективными для детоксикации ксенобиотиков будут биологические
системы, состоящие из микробиологической консорции индивидуальных организмов и
микробных сообществ, полученных методами клеточной и генетической инженерии.
Рекомендуемая литература:
1. Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации
процесса биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2. Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 2008.
3. Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4. Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных
вод. – М., 1989.
5. Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
6. Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 2002.
7. Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 2003.
Контрольные задания для СРС [1,4], [2, 3]
1.
2.
3.
Чем вызвана необходимость генетического конструирования «супермикробов»
Принципиальные отличия химических показателей в составе нефтяных загрязнений
Меры реализации современных методов утилизации нефтяных загрязнений
Практические занятия
Практическая работа №1
Тема: Исторические факты развития экологической биотехнологии
Одной из характерных особенностей роста микроорганизмов являются часто
наблюдаемые эффекты его ингибирования избытком субстрата. Удельная скорость
роста культур микроорганизмов на начальном участке зависимости растет с
увеличением концентрации субстрата, выходит на насыщение, а затем при высоких
концентрациях субстрата начинает уменьшаться. В силу этого активный рост популяции
становится возможным лишь в узком диапазоне концентраций субстрата.
При анализе экспериментальных данных, если есть основания считать, что процесс
может ингибироваться избытком субстрата необходимо исследовать зависимость
накопления клеток или продуктов реакции в экспоненциальной фазе при различных
начальных концентрациях субстрата с определением удельной скорости роста μ. Если
зависимость μ от S0 обнаружит экстремальный характер, это будет однозначно
свидетельствовать в пользу процесса с ингибированием избытком субстрата.
Кроме того, информацию о том, что рост микроорганизма связан с ингибированием
избытком субстрата, можно получить из анализа одной кинетической кривой роста.
Если использовать линеаризацию экспериментальных данных в координатах уравнений

ln  M

 N0      M  N0

  Mm
(4.1)
или
M

ln  i

 M j      Mi  M j
i   j
  Mm
(4.2)
до степени конверсии 0,4-0,6, то можно определить значения μ и Φ. В том случае, если
найденное Φ отрицательно, можно с уверенностью говорить, что процесс протекает с
ингибированием избытком субстрата.
Цель работы:
микроорганизмов.
Изучить
влияние
концентрации
субстрата
на
рост
З а д а ч и:
1)
приготовить питательную среду с известной концентрацией субстрата S0,
2)
приготовить посевной материал с известным титром клеток,
3)
произвести засев питательной среды,
4)
рассчитать количество клеток N0 в единице объема среды,
5)
производить подсчет количества клеток в культуральной жидкости каждые 30
минут,
6)
произвести окончательный подсчет количества клеток через 24 часа после
начала процесса культивирования,
7)
рассчитать удельную скорость роста μ,
8)
на основании своих данных и данных полученными другими группами
построить график зависимости μ от S0,
9)
на основании своих данных с использованием уравнений 4.1 и 4.2 определить
параметр Ф,
10)
сделать соответствующие выводы.
М а т е р и а л ы и о б о р у д о в а н и е: дрожжи прессованные, сахар, сульфат
аммония, фосфорнокислый калий одно- или двухзамещенный, камера Горяева, колбы
конические на 250 см3, пробки ватно-марлевые.
Х о д р а б о т ы:
1) Каждая группа готовит питательную среду с определенной концентрацией сахара
по заданию преподавателя в количестве не менее 150 см3.
2) В среду вносятся минеральные источники азота и фосфора. Сульфат аммония –
1% и фосфорнокислый калий – 0,5% от массы среды.
3) Готовится посевной материал на все группы. В 100 см3 теплой воды разводится 5 г
прессованных дрожжей и в камере Горяева подсчитывается титр дрожжевых клеток.
4) В питательную среду вносится посевной материал в количестве 5% об.
5) Засеянная питательная среда разливается в 3 конические колбы по 50 см 3. Колбы
закрываются пробками и ставятся на качалку.
6) Через каждые 30 минут из колб с культуральной жидкостью отбираются пробы
для подсчета титра клеток.
7) Культивирование прекращают через 24 часа после начала процесса.
8) В дальнейшем выполняют пункты 7, 8, 9, 10 задач лабораторной работы.
1)
2)
3)
4)
5)
Вопросы на защиту лабораторной работы:
Сделайте вывод интегрального уравнения Моно.
Как можно выявить механизм ингибирования роста микроорганизмов?
В каких случаях используются уравнения 4.1 и 4.2?
Раскройте сущность параметра Ф.
В каких случаях используются параметры Ф и φ?
Рекомендуемая литература:
1. М.Н.,Марквичев Н.С.,Орлова Л.М. и тд. «Микобиологическое производство
биологически активных веществ и препаратов"».-Москва.- «Высшая школа».1987.
2. Дебабов В.Г., Лившец В.А. «Современные методы создания промышленных
штаммов микроорганизмов».- Москва.- «Высшая школа».-1988.
3. Быков В.А., Манакова М.Н., Панфилов В.И. и тд. «Производство белковых
веществ».- Москва.- «Высшая школа».-1987.
4. Maehara N., Komatsu H., Shimoda K. et al. Enhance of production of virusinhibiting factor (interferon) in human diploid cells by ultraviolet irradiation and
temperature shift-down after stimulation with Newcastle disease virus // Microbiol.
Immunol. – 1980. – Vol. 24. – P.907-914.
5. Schleicher J.B., Multisurface tacked plate propagation //Tissue culture: Methods and
applications. – New York, Acad. Press, 1973. – P.333.
Практическая работа №2
Тема. Определение скорости разбавления
Порядок выполнения работы:
При непрерывном культивировании микроорганизмов в режиме хемостата одним из
основных параметров процесса является скорость разбавления D. При достижении в
хемостате стационарного состояния удельная скорость роста микроорганизмов равна
скорости разбавления (μ=D).
Скорость разбавления можно определить как отношение объемной скорости
истечения среды из ферментера к ее объему (5.1)
(5.1)
Dv ,
V
где v – объемная скорость (см3/мин), V- объем среды (см3).
Так же скорость разбавления можно определить по скорости вымывания
определенного вещества. Скорость вымывания вещества А можно выразить
следующим образом
dA
 k  A ,
dt
(5.2)
где А – концентрация вещества, k – удельная скорость вымывания вещества. Знак « « говорит о том, что концентрация вещества со временем убывает.
Приведя уравнение 5.2 к разделяющимся переменным получим
dA
  k  dt .
A
(5.3)
Интегрируя 5.3 с учетом того, что при t=0 A=A0 получаем
ln
A
 k  t
A0
(5.4)
где А0 – начальная концентрация вещества.
Построив график зависимости lnA/A0 от времени t по тангенсу угла наклона
линейной зависимости мы можем определить удельную скорость вымывания k или
скорость разбавления D.
Цель работы: определить скорость разбавления в проточном реакторе полного
смешения.
Задачи:
1) определить скорость разбавления по скорости вымывания вещества;
2) определить скорость разбавления по объемной скорости истечения жидкости.
Материалы и оборудование: вода, краситель метиленовый синий,
фотоэлектроколориметр, модель проточного реактора полного смешения.
Ход работы:
1)
В сосуд 3 заливается вода чуть выше уровня трубки 4 при закрытом зажиме 5.
2)
Сосуд устанавливается на магнитную мешалку 6.
3)
В сосуд 3 с водой добавляют несколько капель красителя и включают
мешалку.
4)
После полного перемешивания красителя с водой открывают зажим 5 и
излишек подкрашенной воды самотеком сливается в стакан 7.
5)
В
полученной
пробе
измеряется
оптическая
плотность
на
фотоэлектроколориметре (А0).
6)
К сосуду 3 присоединяется сосуд 1 как показано на рис. 5.1.
7)
Открывается зажим 2 таким образом, чтобы вода из сосуда 1 поступала в сосуд
3 по каплям.
8)
Затем каждые 5 минут производится отбор пробы жидкости вытекающей из
сосуда 3, пробы колориметрируются и результаты записываются.
9)
10)
11)
12)
13)
14)
15)
Отбор проб проводится до тех пор, пока показания колориметра не станут
одинаковыми.
По полученным данным строят график зависимости логарифма отношения
оптической плотности в начальный момент времени к оптической плотности в
момент времени t от времени t.
По тангенсу угла наклона линейной зависимости находят скорость вымывания
(скорость разбавления)
При помощи мерного цилиндра определяется объемная скорость истечения
жидкости v из сосуда 3 (см3/мин).
Зажим 2 закрывается и сосуд 1 отсоединяется от сосуда 3.
При помощи мерного цилиндра измеряется объем жидкости V в сосуде 3.
По формуле 5.1 вычисляется скорость разбавления.
Вопросы на защиту:
1) Способы определения скорости разбавления.
2) Сравните экспериментальные значения скорости разбавления, полученные
различными способами. Какой из них, по вашему мнению, является более
точным?
3) Напишите уравнения, описывающие стационарное состояние в хемостате.
4) Дайте определение величины Dк.
5) Что будет происходить в хемостате при μ< Dк и при μ> Dк?
Рекомендуемая литература:
1. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия 8 класс. «Просвещение» . Москва.: 1995,
С. 33-42.
2. Валиханова Г.Ж. Биотехнология растений. -Алматы : Конжык -1996, -264 с
3. Бутенко Р.Г. Культура изолированных тканей и физиология морфогенеза
растений.-М.:Наука, -1964, -272 с
4. Бутенко Р.Г., Гусев М.В., Киркин А.Ф., Корженевская Т.Т., Маркова Е.Н.
Клеточная инженерия. -М.: Высшая школа, -1987, -127 с.
Практическая работа № 3: Приобретение навыков приготовления и расчетов
концентраций растворов.
Цель: Усвоить основные принципы расчетов и приготовления питательных сред для
культивирования биологических объектов.
План:
1.
2.
3.
4.
Определение молярности раствора.
Вычисление массовой доли раствора.
Определение концентрации раствора.
Чему равна молярная концентрация?
Каждую химическую реакцию мы рассматриваем с качественной стороны, т.е.
определяем какие вещества вступают в реакцию, и с количественной стороны, т.е. в каких
массовых отношениях реагируют эти вещества без остатка. Рассматривая химическую реакцию
с количественной точки зрения, нас интересуют не только массовые отношения, но и
отношение числа частиц (атомов, молекул), вступивших в данную реакцию.
Если какую-либо химическую реакцию рассматривают с точки зрения числа частиц , то
применяют физическую величину «количество вещества». Единицей количества вещества
является моль.
Моль – это количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержит
атом углерода в 0,012 кг углерода.
Моль – это количество вещества, содержащее 6,02х1023 молекул, атомов или других
частиц.
Молярная масса М вещества равна отношению массы m вещества к соответствующему
количеству вещества  (читается «ню»):
М= m/
Ход работы:
Задание 1. Приготовить раствор 500 см3 содержащий 0,6 М NaOH.
Пример расчета:
Если известна молярная концентрация раствора, то можно расчитать количество
вещества в растворе по формуле: (NaOH) =с (NaOH) х V(раствора) = 0,6 х 0,5 = 0,3 моль (Vизмеряется в литрах). Тогда масса NaOH в растворе составит m (NaOH) =  (NaOH) х М (NaOH)
= 0,3 х 40 = 12 грамм.
Задание 2. Приготовить раствора 50 см3
используется для растворения фитогормонов.
содержащий 0,1 М NaOH. Этот раствор
Задание 3. При растворении кристаллогидрата CaCl2 x 6H2O массой 219 грамм в 1000
граммах воды образуется раствор. Какова массовая доля (%) хлорида кальция.
Пример расчета:
Даже при раствории в воде кристаллогидрата – соли, в полученном растворе
кристаллогидрата нет. Массовую долю расчитывают для безводного хлорида кальция по
формуле  (CaCl2) = m (CaCl2) / m (раствора);
Предварительно расчитывая массу раствора и массу раствора, и массу безводного
хлорида кальция в кристаллогидрате: m (раствора) = m(Н2О) + m(CaCl2 х 6Н2О) = 1000 + 219 =
1219 грамм;
( CaCl2 х 6Н2О) = ( CaCl2 ) = 1 моль;
m CaCl2 = 111г. Следовательно массовая доля CaCl2 = 111/1219 = 0,091 (или 9,1%)
Задание 4. Для приготовления раствора с массовой долей NaCl 6% к 200 граммам
раствора с массовой долей NaCl 30% - сколько необходимо прилить воды?
Контрольные вопросы:
1. Какое вы можете сделать заключение о составе молекул природной воды и воды,
полученной в химической лаборатории?
2. Какое практическое значение имеет закон постоянства состава вещества?
3. Как вычислять массовые доли элементов?
Рекомендуемая литература:
5. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия 8 класс. «Просвещение» . Москва.: 1995, С. 3342.
6. Валиханова Г.Ж. Биотехнология растений. -Алматы : Конжык -1996, -264 с
7. Бутенко Р.Г. Культура изолированных тканей и физиология морфогенеза растений.М.:Наука, -1964, -272 с
8. Бутенко Р.Г., Гусев М.В., Киркин А.Ф., Корженевская Т.Т., Маркова Е.Н. Клеточная
инженерия. -М.: Высшая школа, -1987, -127 с.
Практическая работа № 4: Микроорганизмы в биотехнологическом производстве.
Цель. Раскрыть технический аспект получения рекомбинантных ДНК. Объяснить, что с
помощью микробов можно получить большое количество чужеродной ДНК, чтобы исследовать
ее. Если в бактериальной клетке происходит экспрессия генов такой ДНК, это позволяет
микробиологическим путем получить, например, гормоны и ферменты.
План:
1. Создание микроорганизмов-продуцентов.
2. Генно-инженерное получение микроорганизмов-продуцентов.
В настоящее время микроорганизмы продуцируют десятки видов соединений – это
аминокислоты, антибиотики, белки, витамины, липиды, нуклеиновые кислоты, полисахариды,
пигменты, сахара, ферменты, гормоны и т.д.
Микробиологическая промышленность предъявляет к продуцентам жесткие требования,
которые важны для технологии производства: высокая скорость роста, использование для
жизнедеятельности дешевых субстратов и устойчивость к заражению посторонней
микрофлорой.
1. Природные микроорганизмы, как правило, обладают низкой продуктивностью тех
веществ, производство которых необходимо. Для биотехнологии нужны высокопродуктивные
штаммы микроорганизмов. Их создают методами селекции и использования достижений
генной инженерии. В результате производительность продуцентов удается увеличить в сотни тысячи раз.
2. В середине 70-х гг возникла новая экспериментальная технология - генетическая
инженерия, которая основана на конструировании рекомбинантной ДНК вне клетки (in vitro) и
ее размножении в клетках микроорганизмов. В результате использования этой технологии
стало возможным выделять индивидуальные гены, модифицировать, соединять друг с другом,
получая "слитые гены", продуцирующие белки с совершенно новыми свойствами (белковая
инженерия). Появляется новый способ получения индивидуального гена - клонирование
(получение множества копий одного гена).
Арсенал генно-инженерных штаммов-продуцентов позволил наряду с продуктами
природных штаммов (их называют биопродуктами первого поколения) начать производство на
базе генно-инженерных штаммов рекомбинантные белки - биопродукция второго поколения.
Биопродукция третьего поколения будет искусственно синтезировать соединения, полностью
имитирующие биологические функции природных белков, но не являющиеся ими..
Генно-инженерные методы (технология рекомбинантных ДНК) широко используется в
биотехнологическом производстве, прежде всего белков и пептидов (белковых молекул,
состоящих из небольшого числа аминокислот), которые синтезируются в организме человека и
используются как медикаменты (Рис.1).
Рисунок 1. Принципиальная схема манипуляций генной
инженерии
- Фрагмент ДНК.
- Вектор плазмидная ДНК.
- Расщепление ДНК рестректирующими эндонклеазами.
- Рекомбинантная ДНК.
- Клетка хозяина и
рекомбинантная ДНК
Практическая работа №5 Получение белков человека и животных.
Цель: Освоить основные принципы конструирования рекомбинантных ДНК с целью получения
штаммов-продуцентов биологически активных веществ (белков, ферментов, витаминов).
План
1. Объяснить метод получения рекоминантных ДНК.
2. Назовите основные отрасли для использования белков человека и животных.
3. При синтезе интерферона используется генетическая инструкция, заключенная в
структурном гене, поясните механизм ее работы (в основе механизма гипотеза
Жакоба-Моно).
Для объяснения гипотезы Жакоба и Моно необходимо вспомнить механизм
гомеостатического регулирования внутренней сред. Гомеостатической механизм, имеет
некоторую свободу колебания, что активизирует систему управления и возвращает переменную
к оптимальным значениям. Подобные системы основаны на принципе обратной связи. Системы
с обратной связью имеют «выход» который может служить и «входом».
Для осуществления обратной связи необходимо, что бы результат работы данной
системы сравнивался с заданным значением («установкой»), являющимся оптимальным
значением регулируемого параметра (переменной), а в случае отклонения от него,
соответствующим образом изменялся.
вход
регулятор
эффектор
выход
Основные компоненты систем управления.
По тории Жакоба и Моно, в ДНК, кроме структурных генов, несущих информацию о
процессе биосинтеза белка (интерферона), есть гены-операторы и гены регуляторы. Гены
регуляторы – кодируют синтез специфического вещества – репрессора, который
присоединяется к гену – оператору и может регулировать работу структурного гена,
отвечающего за синтез белков, вплоть до прекращения процесса синтеза. Но, если в клетку
попадает вещество, называемое индуктором, то репрессор соединяется с ним, освобождая генопрератор. Начинается синтез информационной РНК, которая служит матрицей для
производства белка. После того как вектор индуктор израсходуется, репрессор, непрерывно
производимый геном-регулятором, связывается вновь с геном-опрератором – и цикл
повторяется. Так работает обратная связь на молекулярном уровне.
Контрольные вопросы:
1. Как работает биологическая система по принципу обратной связи?
2. Как получают белки человека и животных?
3. Поясните на примерах процедуру получения белков человека.
Рекомендуемая литература:
1. Валиханова Г.Ж. Биотехнология растений. -Алматы : Конжык -1996, -264 с
2. Елинов Н. П. Основы биотехнологии. СПб.: Наука, 1995.
3. Бекер М. Е., Лиепиньш Г. К., Райнулис Е. П. Биотехнология. М.: Агропромиздат, 1990.
4. Серия “биотехнология”: В 8 т./ Под ред. Н. С. Егорова и В. Д. Самуилова. М.: Высш.
шк., 1987–1988.
5. Сассон А. Биотехнология: свершения и надежды. М.: Мир. 1987.
6. Сельскохозяйственная
биотехнология:
векторные
системы
молекулярного
клонирования. М.: Агропромиздат, 1991.
Практическая работа № 6: Синтез и получение микробного белка.
Цель: Изложить наиболее важные сведения о выделении и селекции микроорганизмов –
продуцентов биологически активных веществ. Раскрыть принципиальные подходы к
улучшению штаммов промышленных микроорганизмов. Промышленные ферменты,
продуцируемые микроорганизмами.
План:
1. Производство кормовых дрожжей из углеводородов нефти.
2. Производство белка с использованием субстрата растительного происхождения, т.е.
смеси моносахаридов.
3. Получение продуктов питания на основе микробного синтеза.
Одно из крупномасштабных направлений биотехнологии - микробиологическое
производство белка одноклеточных. Все используемые в производстве кормовых дрожжей
субстраты можно разделить на:
 отходы переработки растительного сырья, которые нуждаются в предварительном
гидролизе, т.к. содержат много целлюлозы;
 продукты переработки нефти;
 отходы животноводства;
 отходы переработки плодов и овощей.
1. Производство кормовых дрожжей из углеводородов нефти имеет значительный
удельный вес в объеме производимых в нашей стране кормовых дрожжей. Однако нефть
относится к не возобновляемым ресурсам, поэтому не может быть основным сырьем для
микробиологического синтеза на дальнюю перспективу. Наряду с углеводородами для синтеза
белка перспективны метан, водород и низкомолекулярные спирты (метанол, этанол). Белок
дрожжей содержит все жизненно необходимые аминокислоты и усваивается лучше, чем белок
концентрированных кормов растительного происхождения. По своей биологической ценности
он приближается к белку рыбной муки, выгодно отличаясь от нее тем, что не придает мясу
специфического запаха и более охотно поедается животными. Кормовые дрожжи содержат в 5
раз больше сырого белка, чем ячмень или овес. Их ценность обусловлена и наличием
витаминов группы В, ферментов и гормонов.
Опыт передовых животноводческих хозяйств показывает, что использование кормового
белка повышает надои молока, увеличивает привесы скота, ускоряет развитие пушных зверей,
улучшает качество мяса, молока, повышает сортность меха.
Наибольший эффект достигается при скармливании дрожжей молодым животным, у
которых повышается жизнеспособность, ускоряется рост и улучшается развитие костяка. При
выпаивании телят 1 т дрожжей заменяет до 8,4 т цельного молока.
Производство белков одноклеточных имеет многие преимущества перед производством
белка в животноводстве и растениеводстве. 500 кг дрожжей дают за сутки 80 кг белков, а у
быка того же веса суточный привес составляет в лучшем случае 500 г белка.
2. Особый интерес в качестве субстрата для культивирования дрожжей представляют
углеводы растительного происхождения, т.е. смеси моносахаридов, образующиеся в результате
деполимеризации природных полисахаридов - целлюлозы, гемицеллюлоз, крахмала и т.п.
Растительное сырье - возобновляемое. Кроме того, несмотря на доказанную безвредность всех
используемых сегодня типов белка одноклеточных, именно дрожжи, культивируемые на
углеводах растительного происхождения, вызывают наименьшее возражение потребителей в
силу многовековой привычки людей к использованию растительных источников пищевых
продуктов и лекарственных средств. В России существует развитая промышленность кормовых
гидролизных дрожжей.
При создании экологически чистых технологий для отраслей АПК, перерабатывающих
растительное сырье, ориентируются прежде всего на малоотходное производство и
комплексную переработку растительного сырья. Существует много вариантов подхода к
решению этой проблемы. Обогащение малоценных углеводсодержащих отходов (соломы,
свекловичного жома, виноградных выжимок и пр.) микробным белком - один из возможных
путей снижения дефицита кормового белка в рационах сельскохозяйственных животных.
Другой вариант решения проблемы - выращивание сельскохозяйственных культур для
последующей переработки их методами биотехнологии в углеводно-белковые продукты
кормового назначения.
3. Одно из направлений биотехнологии - производство продуктов пищевого назначения
(пиво, сыр, кисло-молочные продукты и пр.). В нашей стране разрешено применять как
пищевую добавку мицелий высших грибов.
Контрольные вопросы:
1.
Назовите основные требования, предъявляемые к биологическому объекту, как
источнику синтеза белка?
2.
Какие группы микроорганизмов могут быть использованы для микробного синтеза?
3.
Расскажите о перспективе развития метода микробного синтез белка.
Рекомендуемая литература:
6. М.Н.,Марквичев Н.С.,Орлова Л.М. и тд. «Микобиологическое производство
биологически активных веществ и препаратов"».-Москва.- «Высшая школа».-1987.
7. Дебабов В.Г., Лившец В.А. «Современные методы создания промышленных штаммов
микроорганизмов».- Москва.- «Высшая школа».-1988.
8. Быков В.А., Манакова М.Н., Панфилов В.И. и тд. «Производство белковых веществ».Москва.- «Высшая школа».-1987.
9. Maehara N., Komatsu H., Shimoda K. et al. Enhance of production of virus- inhibiting factor
(interferon) in human diploid cells by ultraviolet irradiation and temperature shift-down after
stimulation with Newcastle disease virus // Microbiol. Immunol. – 1980. – Vol. 24. – P.907914.
10. Schleicher J.B., Multisurface tacked plate propagation //Tissue culture: Methods and
applications. – New York, Acad. Press, 1973. – P.333.
Практическая работа № 7 Микробный синтез
Цель: Закрепить основные знания о выделении и селекции микроорганизмов – продуцентов
биологически активных веществ. Освоить принципиальные подходы к улучшению штаммов
промышленных микроорганизмов. Повторить основные группы промышленных ферментов,
продуцируемых микроорганизмами.
1.
2.
3.





4.
План :
Основные характеристики микроорганизмов использующихся для микробного синтеза
белка.
Создание базы для получения кормовых белков методом микробного синтеза.
Основные стадии микробиологического производства:
приготовление питательных сред и выращивание посевной культуры;
ферментация (глубинное выращивание микроорганизмов в ферментере);
сепарирование биомассы;
инактивация и сушка;
очистка сточных вод и воздушных выбросов.
Производство микробиологического кормового белка – получение высокобелковых
добавок из отходов растениеводства и переработки леса.
Контрольные вопросы:
4.
Назовите основные требования, предъявляемые к биологическому объекту, как
источнику синтеза белка?
5.
Какие группы микроорганизмов могут быть использованы для микробного синтеза?
6.
Расскажите о перспективе развития метода микробного синтез белка.
Рекомендуемая литература:
11. М.Н.,Марквичев Н.С.,Орлова Л.М. и тд. «Микобиологическое производство
биологически активных веществ и препаратов"».-Москва.- «Высшая школа».-1987.
12. Дебабов В.Г., Лившец В.А. «Современные методы создания промышленных штаммов
микроорганизмов».- Москва.- «Высшая школа».-1988.
13. Быков В.А., Манакова М.Н., Панфилов В.И. и тд. «Производство белковых веществ».Москва.- «Высшая школа».-1987.
14. Maehara N., Komatsu H., Shimoda K. et al. Enhance of production of virus- inhibiting factor
(interferon) in human diploid cells by ultraviolet irradiation and temperature shift-down after
stimulation with Newcastle disease virus // Microbiol. Immunol. – 1980. – Vol. 24. – P.907914.
15. Schleicher J.B., Multisurface tacked plate propagation //Tissue culture: Methods and
applications. – New York, Acad. Press, 1973. – P.333.
Практическая работа № 8: Биоэнерготехнология
Цель: Ознакомить студентов с методом образования биогаза, основной частью которого
является метан.
План:
1. Получение газообразных топливных веществ.
2. Получение биогаза.
3. Технология получения метана.
4. Получение молекулярного водорода.
1. Обычно сухую биомассу превращают в энергию в процессе сгорания, но наиболее
эффективный способ превращения с помощью микроорганизмов сырой биомассы в энергию получение углеводородов и биогаза (метана).
2. Биогаз, образованный в результате брожения, представляет собой смесь, главные
компоненты которой метан (65%), углеводород (30%) и сероводород (1%). Для получения
биогаза используют смеси органических веществ (навоз, солому, помет, водоросли,
целлюлозную биомассу), что требует для метанообразования многокомпонентных микробных
ассоциаций. Его получение - эффективный способ утилизации отходов сельского хозяйства
(Рис 1-2).
Рисунок 1. Схема получения биогаза.
3. Ведущее место в мире по производству биогаза занимает Китай. В индии засевают
специальные "энергетические" плантации, использующие солнечную энергию для ускоренного
роста трав, водорослей, водяного гиацинта. Собранную с плантации растительную массу
измельчают и подают в биогазовые камеры для сбраживания и получения метана.
Перспективность утилизации сельскохозяйственных отходов состоит в том, что навоз
сельскохозяйственных животных и птиц - возобновляемый энергоноситель. В нашей стране
первые работы по сбраживанию навоза проведены еще в 50-е гг. Анаэробное сбраживание
птичьего помета проводила Истринская птицефабрика в Подмосковье. Экспериментальная
установка перерабатывала 10 т помета в сутки, вырабатывая 1000 м3 биогаза.
Рисунок 2. Схема получения биогаза в Лахольме (Германия).
Контрольные вопросы:
1. В какой области хозяйственной деятельности человека возможно использовать биогаз?
2. Какие вы знаете альтернативные способы получения энергии?
3. Прокомментируйте схему производства метана и молекулярного
биотехнологическим методом.
4. Практическое значение метанообразующих бактерий
водорода
Рекомендуемая литература:
Газарян К.Г., Тарантул В.З. Биотехнология за рубежом. - М.: Знание, 1990.
Биотехнология. Принципы и применение. - М.: Мир, 1988.
Биотехнология. Курс лекций. - Пущино, 1989.
Биотехнология и ее применение в отраслях народного хозяйства. - М., 1988.
Драгавцев В. Будущность генетико-селекционных технологий.//Экономист. - 1998. №1, с.22-24.
6. Сироткин О. Технологический облик России на рубеже XXI века.// Экономист. - 1998.
- №4, с.3-9
7. Садовникова Е.А., Шакир И.В. Биотехнология - что это такое?//Химия в школе. - 1994.
- №2, с. 3-5
1.
2.
3.
4.
5.
Самостоятельная работа студента
Занятие 1
Тема 1. Исторические факты развития экологической биотехнологии
Для занятия необходимы знания о предмете и задачах экологической биотехнологии, ее
значение в современном обществе
План занятия
1.
Предмет и задачи экологической биотехнологии
2.
Значение экологической биотехнологии в современном обществе.
Рекомендуемая литература
1. Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации
процесса биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2. Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 2008.
3. Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4. Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных
вод. – М., 1989.
5. Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
6. Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 2002.
7. Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 2003.
Контрольные задания для СРС [1, 2, 7]
1. Решение задач на cложность структуры системы [4, №№ 1, 2, 11, 16]
2. Решение задач на разнообразие состава или взаимосвязей в системе [4, №№ 29, 34, 66]
3. Оценка относительной организации системы.
4. Парциальное давление газов.
5. Относительная плотность газов.
Занятие 2
Тема 2: Основные характеристики сточных вод.
Для занятия необходимо знание методов определения ХПК и БПК.
План занятия
1. Бытовые, промышленные и сельскохозяйственные стоки, их состав и критерии оценки
качества.
2. Методы определения ХПК (химическое потребление кислорода), их характеристическая
и прогностическая значимость.
3. Методы определения БПК (биохимическое потребление кислорода), их
характеристическая и прогностическая значимость.
4. Промежуточный контроль (расчетные задачи на ХПК и БПК).
5. Примеры решения задач на ХПК и БПК.
6. Индивидуальная работа по заданию преподавателя
7. Проверочная работа (текущий контроль)
Рекомендуемая литература
1. Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации
процесса биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2. Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 2008.
3. Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4. Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных
вод. – М., 1989.
5. Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
6. Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 2002.
7. Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 2003.
Контрольные задания для СРС [1, 2, 7]
1. Решение задач на ХПК и БПК [4, №№ 41, 43, 44]
2. Определение молекулярной массы ХПК и БПК.
3. Вывод молекулярных формул ХПК и БПК.
Занятие 3
Тема 3. Характеристика методов очистки сточных вод, их преимущества и недостатки.
Виды операций в очистных сооружениях с использованием микроорганизмов.
Для занятия необходимо знать достоинства и недостатки биохимических методов очистки
сточных вод.
План занятия
1. Промежуточный контроль (Примеры по данным ХПК и БПК различных предприятий)
2. Примеры решения задач на экстенсивные и интенсивные системы очистки сточных вод.
3. Индивидуальная работа по заданию преподавателя
4. Проверочная работа (текущий контроль)
Схемы аэротенков.
Сверху вниз: аэротенк вытеснения, аэротенк смешения,
аэротенк с рассредоточенной подачей сточной воды и регенерацией активного ила
(по Дж. Бесту и др., 1988).
Практическое задание. Ответьте в письменной форме на следующие вопросы.
1. Укажите конструктивные узлы различных видов аэротенков на рисунке
представленном выше.
2. Конструкционные отличия различных типов аэротенков.
3. Процесс биоочистки в аэротенке состоит из двух этапов, опишите их.
4. Биохимическое окисление органических веществ стоков в аэротенке на первом этапе
реализуется в две стадии, опишите их.
5. При очистки воздуха промышленного предприятия на второй стадии очистка
осуществляется в аэротенке по обычной схеме с участием кислорода, опишите её.
Задача 1.
Титаномагниевый комплекс в г.Усть-Каменогорск использует для очистки сточных вод
гомогенный биореактор. Определите возраст активного ила в аэротенке на 11 сут, если объем
реактора 500 м3, количество взвешенных частиц иловой смеси 315,6 кг/м3, количество
удаляемого ила 112,7 кг/сут, расход воды 1500 м3/сут, концентрация ила в выходном стоке 12,3
кг/м3.
В чем заключается сущность и значение параметра возраста активного ила в аэротенке?
Задача 2.
При проектировании септиктенков одним из основных параметров является его
вместимость в литрах (V), рассчитайте V с учетом количества обслуживаемого населения (1134
человек).
Объясните, в чем разница между аэротенком и септитенком?
Теоретический контроль знаний:
3. Составьте перечень предприятий оказывающих основной вклад в загрязнения атмосферы
планеты Земля
A.
машиностроение и строительство
B.
радиотехника и электронная промышленность
C.
нефтеперерабатывающая и химическая промышленность
D.
кораблестроительство и судопроизводство
E.
здравоохранение и образование
4. Какие загрязняющие вещества в атмосфере имеют органическую природу?
A.
хлороводород, галагены
B.
окись углерода и аммиак
C.
ароматические и непредельные углеводороды
D.
сернистый газ и сероуглерод
E.
окись углерода
5. Какие загрязняющие вещества в атмосфере имеют неорганическую природу?
A.
хлороводород, галагены
B.
этанол и фенол
C.
ароматические и непредельные углеводороды
D.
ацетон и толуол
E.
хлороформ и ксилол
6. Каковы существенные особенности биологических очистных сооружений воздуха:
биофильтры, биоскрубберы и биореакторы с омываемым слоем
A.
в данных аппаратах в первичном тенке, входящем в состав установки, поступающие
стоки полностью перемешиваются за счет рециркуляции биогаза, ила или механического
перемешивания
Классификация установок биологической очистки воздуха
(по И. Б. Уткину и др., 1989).
Тип
Рабочее тело
Водный
Основная
стадия Источник
установк
режим
удаления примесей минеральных
и
из воздуха
солей
Биофиль Фильтрующий слой – Циркуляция
1.Десорбция мате- Материал
тр
иммобилизованные воды
риалом
фильтрующего
на
природных отсутствует
фильтрующего
слоя
носителях микробные
слоя.
клетки
2.Деструкция
микробными
клетками.
Биоскруб Вода, активный ил
Циркуляция
1. Абсорбция в Минеральные
бер
воды
абсорбере водой.
соли вносят
2.Деструкция
в воду
аэротенке активным
илом.
Биореакт Иммобилизованные Циркуляция
1. Диффузия через Минеральные
ор
с на
искусственных воды
водную пленку к соли вносят
омываем носителях микробные
микроорганизмам. воду
ым слоем клетки
2. Деструкция в
биологическом
слое.
в
в
B.
главными являются высокий уровень превращения углерода загрязняющих веществ при
относительно небольших объемах прироста биомассы и получение дополнительного ценного
продукта – биогаза.
C.
Очистные сооружения технологически связаны с вторичными отстойниками, в которых
происходит осветление выходящих вод и отделение активного ила. Отстойники выполняют
также функцию контактных резервуаров
D.
основным элементом очистного аппарата, как и водоочистного биофильтра, является
фильтрующий слой, который сорбирует токсические вещества. Далее эти вещества в
растворенном виде диффундируют к микробным клеткам, включаются в них и подвергаются
деструкции.
E.
все ответы верны
7. Пользуясь таблицей определите, какую функцию в очистной система воздуха выполняет
«рабочее тело»?
A.
тип аэрации
B.
нагрузка по органическому веществу на ил
C.
качество выходного протока
D.
иммобилизованные микроорганизмы
E.
дезинфицирующий отстойник
8. Для обеспечения стабильной работы биофильтров следует соблюдать комплекс мер,
важнейшими из которых являются следующие:
A.
воздух, подаваемый на очистку в биофильтр, предварительно увлажняют в биоскруббере
до относительной влажности в 95–100 %
B.
тщательная предварительная очистка воздуха от взвешенных частиц, способных
засорить распределительное устройство
C.
обеспечение практически горизонтального распределения потока воздуха в слое
носителя
D.
слоя
E.
обеспечение при высоких значениях загрязнений удельной поверхности фильтрующего
биофильтры способны функционировать при отрицательных внешних температурах.
9. Каковы существенные особенности функционирования биоскрубберов?
A.
процесс очистки воздуха реализуется в две стадии в двух различных установках
B.
применяют различные типы абсорберов
C.
в увеличении площади поверхности раздела фаз, газовой и жидкости
D.
на второй стадии загрязненная вода поступает в аэротенк, где она регенерируется
E.
все ответы верны.
10. Приведите пример основных требований, предъявляемых к установкам биологической
очистки газов
A.
простота в эксплуатации
B.
эксплуатационная надежность конструкции
C.
высокой удельной производительности
D.
высокой степени очистки
E.
все ответы верны
11. Каковы существенные отличия биоскруббера по сравнению с биофильтрами?
A.
занимают меньшую площадь
B.
занимают большую площадь
C.
эксплуатационные затраты ниже
D.
очистка эффективнее при наличии в воздухе плохо растворимых токсических веществ
E.
производительность ниже, эффективность выше.
12. Пользуясь таблицей определите, какая из представленных установок наиболее энергоемкая?
Параметры установок биоочистки воздуха
на объектах интенсивного животноводства ФРГ (по B. Brauer, 1984)
Рабочий
Удельная
Степень Потери Расход Удельный
Установка
объем, производительность, очистки, % давле- воды, расход воды в
м3
ч–1
ния, л/сут.
сутки
2
Н/м
Биофильтр с
компостом
228
88
92
1700
510
1.8 10–3
Биофильтр с
волокнистым
торфом
19.5
564
66–90
55
48
2.5 10–3
Биоскруббер
44.4
900
97.5–99.7 1200 9600
0.2
Биореактор с
омываваемым
слоем
1.5
5000
60–90
170 48000
23
A.
B.
C.
D.
E.
Биофильтр с компостом
Биофильтр с волокнистым торфом
Биоскруббер
Биореактор с омываваемым слоем
Все представленные конструкции энергоемкие.
Рекомендуемая литература [4, c.20-29]
1. Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации
процесса биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2. Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 2008.
3. Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4. Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных
вод. – М., 1989.
5. Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
6. Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 2002.
7. Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 2003.
Контрольные задания для СРС
1. Решение задач на примеры по данным ХПК и БПК различных предприятий
2. Классификация и номенклатура ХПК и БПК
3.Повторение предыдущих тем
Занятие 4
Тема 4. Пути биотехнологического усовершенствования интенсивных методов переработки
бытовых и производственных сточных вод.
Интенсификация процессов очистки методом пространственного разделения различных
микробных консорциумов, преимущества и недостатки этого метода. Использование
рекомбинантных штаммов для утилизации трудноокисляемых, высокотоксичных или
ароматических веществ.
Для занятия необходимо знать пути биотехнологического усовершенствования
интенсивных методов переработки бытовых и производственных сточных вод
План занятия
1. Промежуточный контроль (методы пространственного разделения различных микробных
консорциумов)
2. Индивидуальная работа по заданию преподавателя
3. Контрольная работа №1 (рубежный контроль)
Рекомендуемая литература
1. Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации
процесса биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2. Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 2008.
3. Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4. Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных
вод. – М., 1989.
5. Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
6. Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 2002.
7. Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 2003.
Контрольные задания для СРС
1. В чем заключается сущность биотехнологического усовершенствования интенсивных
методов переработки бытовых и производственных сточных вод.
2. Оцените надежность интенсификации процессов очистки методом пространственного
разделения различных микробных консорциумов, преимущества и недостатки этого метода.
3. Каковы существенные особенности использования рекомбинантных штаммов для
утилизации трудноокисляемых, высокотоксичных или ароматических веществ.
Занятие 5 Анаэробные процессы очистки сточных вод
План занятия
1. Пути биотехнологического усовершенствования интенсивных методов переработки
бытовых и производственных сточных вод.
2. Интенсификация процессов очистки методом пространственного разделения различных
микробных консорциумов, преимущества и недостатки этого метода.
3. Использование рекомбинантных штаммов для утилизации трудноокисляемых,
высокотоксичных или ароматических веществ.
4. Аэробные и анаэробные процессы очистки сточных вод, их характеристика.
5. Реакторы, использующиеся для аэробной очистки сточных вод. Схема работы
гомогенных реакторов.
6. Популяционные проблемы «активного ила». Формирование ценозов «активного ила».
Микроорганизмы «активного ила», их соотношение и значимость отдельных
консорциумов. Формирование зооглей – симбиоза популяций микроорганизмов, покрытых
общей слизистой оболочкой.
7. Роль простейших в эффективности работы «активного ила». Показатель НОВ (нагрузка
на ил по органическому веществу – важнейший параметр при проектировании станций
аэрации.
8. Управление работой вторичного отстойника. Реакторы с неподвижной биопленкой –
биофильтры, процессы, которые в них происходят.
9. Технологическая схема процессов, протекающих с использованием биофильтров.
10.
Классификация биофильтров в зависимости от способа очистки, вида
загрузочного материала и режима подачи жидкости.
11.
Заиливание
биофильтров.
Использование
иммобилизованных
клеток
микроорганизмов в аэротенках
Тестовый контроль
Тема: Биологические методы очистки стоков
A.
B.
C.
D.
E.
1. Дайте определение понятию - «сточные воды».
стоки с разнообразными органическими и неорганическими загрязнениями;
стоки с разнообразными токсическими соединениями;
стоки промышленных предприятий;
все ответ верны;
все ответы ошибочны.
A.
B.
C.
D.
E.
2. От чего зависит рН, прозрачность и цветность сточной воды?
зависит от количественных объемов сточных вод;
зависит от метода очистки сточных вод;
зависит от содержания растворенного кислорода;
все ответ верны;
все ответы ошибочны.
A.
B.
C.
D.
E.
3. Приведите пример отрицательного влияния сточных вод на естественные водоемы
экосистемы.
наблюдаются изменения в компонентном составе естественных водоемов;
наблюдается снижение продуктивности естественных водоемов;
прекращается способность водоемов к самоочищению;
все ответ верны;
все ответы ошибочны.
A.
B.
C.
D.
E.
4. Каково назначение документа «Правила охраны поверхностных вод от загрязнений
сточными водами»?
документ регламентирует правила санитарного состояния сточных вод;
документ указывает метрологические параметры для очистки сточных вод;
документ позволяет нормировать показатели загрязнения в естественном водоеме;
все ответы верны;
все ответы ошибочны.
5. Объясните необходимость учета концентрации загрязнения в водоеме после
смешивания сточных вод с естественными водами?
A.
учет значений загрязнения водоема позволит определить уровень предельно допустимых
концентраций ядовитых веществ;
B.
учет значений загрязнения водоема позволит определить уровень биохимическое
потребление кислорода;
C.
учет значений загрязнения водоема позволит определить уровень химическое
потребление кислорода;
D.
все ответы верны;
E.
все ответы ошибочны.
A.
B.
C.
D.
E.
6. Объясните, в чем разница между БПК и ХПК?
разница в средних значениях количественных показателей;
разница в методе определения потребленного кислорода в сточных водах;
разница в прогностической значимости рассматриваемых методов;
все ответы верны;
все ответы ошибочны.
A.
B.
C.
D.
E.
7. Как называется показатель позволяющий определить количество кислорода в
водоеме, расходуемое в процессе биохимического потребления кислорода?
ХПК;
БПК;
ПДК;
СРС;
ОБХС.
A.
B.
C.
D.
E.
8. Обоснуйте необходимость учитывать метод очистки сточных вод?
метод очистки сточных вод зависит от планов дальнейшего ее использования;
метод очистки сточных вод зависит от уровня химического загрязнения;
метод очистки сточных вод зависит от концентрации ядовитых и токсических веществ;
все ответы верны;
все ответы ошибочны.
A.
B.
C.
D.
E.
9. Приведите пример механической очистки сточных вод.
экстракция;
синтез;
фильтрация;
выпаривание;
сублимация.
A.
B.
C.
10. Приведите пример биологической очистки сточных вод.
фильтрация;
создание микробиологических консорциумов;
выпаривание;
D.
E.
A.
B.
C.
D.
E.
культивирование;
экстракция.
11. Приведите пример третей ступени очистки сточных вод.
ультрафильтрация;
микроскопия;
экстракция;
сушка;
все ответы верны.
12. Укажите принципиальные различия между биологическим и химическим методом
очистки сточных вод.
A.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
различных концентрациях реактивов;
B.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
использовании ультрафиолетового излучения;
C.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
различных значениях физических параметров;
D.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
использовании живых консорциумов;
E.
различия между биологическим и химическим методом очистки сточных вод в
эксплуатации энергосберегающих технологиях.
A.
B.
C.
D.
E.
13. Приведите пример факторов, от которых зависит очистка сточных вод.
рН сточных вод;
микробиологический уровень загрязнения сточных вод;
химический состав сточных вод;
географическое расположение водоема со сточными водами
все ответы верны.
A.
B.
C.
D.
E.
14. Приведите примеры типов сооружений для очистки сточных вод.
локальные, общие, районные;
общие, частные, единичные;
малые, средние, большие;
все ответы верны;
все ответы ошибочны.
15. Объясните, чем представлена локальная очистная система сточных вод?
A.
очистная система предназначена для очистки стоков физико-химическими методами;
B.
очистная система состоит из нескольких ступеней очистки;
C.
очистная система предназначена для очистки стоков непосредственно после
технологических процессов;
D.
очистная система предназначена для очистки стоков на первой ступени – механическим
методом;
E.
очистная система предназначена для очистки стоков на второй ступени – биологическим
методом.
16. Объясните, чем представлены общие очистные сооружения сточных вод?
A.
очистная система предназначена для очистки стоков на третьей ступени- доочистку;
B.
очистная система предназначена для очистки стоков на первой ступени – механическим
методом;
C.
очистная система предназначена для очистки стоков на второй ступени – биологическим
методом.
D.
все ответы верны;
E.
все ответы ошибочны.
17. Объясните, чем представлена биологическая очистная система сточных вод?
A.
очистная система предназначена для очистки стоков физико-химическими методами;
B.
очистная система предназначена для очистки стоков состоит из нескольких ступеней
очистки;
C.
очистная система использует способность микроорганизмов использовать в качестве
ростовых субстратов различные химические соединения;
D.
очистная система предназначена для очистки стоков на первой ступени – механическим
методом;
E.
очистная система предназначена для очистки стоков на второй ступени – биологическим
методом.
18. Дайте обоснование достоинств биологического метода очистки сточных вод.
A.
биологический метод очистки сточных вод удаляет из стоков только фенольные
соединения;
B.
биологический метод очистки сточных вод удаляет из стоков только органические
соединения;
C.
для биологического метода очистки сточных вод используют простое аппаратурное
оформление и протекания процесса;
D.
биологический метод очистки сточных вод не требует больших финансовых затрат;
E.
биологический метод очистки сточных вод имеет очень высокие эксплуатационные
расходы.
19. Дайте характеристику аэробному процессу биологической очистки сточных вод;
A.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерно использование
биомассой акцептора электронов нитрат-ион;
B.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен для биообъектов
доступ к свободному кислороду;
C.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерно использование
биомассой акцептора электронов кислород;
D.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен длительный
процесс ферментации;
E.
аэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен длительный
подготовительный период.
20. Дайте характеристику анаэробному процессу биологической очистки сточных вод;
A.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерно использование
биомассой акцептора электронов нитрат-ион;
B.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен для биообъектов
доступ к свободному кислороду;
C.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерно использование
биомассой акцептора электронов кислород;
D.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен длительный
процесс ферментации;
E.
анаэробному процессу биологической очистки сточных вод характерен длительный
подготовительный период.
Рекомендуемая литература
1. Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации
процесса биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2. Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 2008.
3. Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4. Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных
вод. – М., 1989.
5. Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
6. Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 2002.
7. Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 2003.
1.
2.
3.
4.
5.
Контрольные задания для СРС
Приведите примеры по данным ХПК и БПК различных предприятий.
От чего зависит метод очистки сточных вод, их преимущества и недостатки?
Укажите принципиальные различия биохимического и биотехнологиического методов
очистки сточных вод.
Объясните, в чем разница видов операций в очистных сооружениях с использованием
микроорганизмов.
Приведите примеры экстенсивных и интенсивных систем очистки сточных вод.
Занятие 6. Утилизация твердых отходов
1.
2.
3.
4.
План занятия
1. Пути биотехнологического усовершенствования интенсивных методов переработки
бытовых и производственных отходов.
2. Интенсификация процессов очистки методом пространственного разделения различных
микробных консорциумов, преимущества и недостатки этого метода.
3. Использование рекомбинантных штаммов для утилизации трудноокисляемых,
высокотоксичных или ароматических веществ.
Промежуточный контроль
Примеры использования методов
Индивидуальная работа по заданию преподавателя
Проверочная работа (текущий контроль)
Рекомендуемая литература
1. Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации
процесса биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2. Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 975.
3. Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4. Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных
вод. – М., 1989.
5. Евилевич М. А., Брагинский Л. Н. Оптимизация биохимической очистки сточных
вод. –Л., 1979.
6. Кузьменкова А. М. Использование компостов из твердых бытовых отходов. – М.,
1976.
7. Мельдер Х. А., Пааль Л. Л. Малогабаритные канализационные очистные установки. –
М., 1987.
8. Очистка производственных сточных вод. / С. Л. Яковлев, Я. А. Карелин, Ю. М.
Ласков, Ю. В. Воронов. – М., 1979.
9. Ротмистров М. Н., Гвоздяк П. И., Ставская С. С. Микробиологическая очистка воды.
– Киев, 1978.
10. Тавартниладзе И. М., Клепикова В. В. Очистка сточных вод на биофильтрах. – Киев,
1983.
11. Туровский И. С. Обработка осадков сточных вод. – М., 1988.
12. Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
13. Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 1982.
14. Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 1983.
Контрольные задания для СРС
Приведите примеры по данным ХПК и БПК различных предприятий.
От чего зависит метод очистки сточных вод, их преимущества и недостатки?
Укажите принципиальные различия биохимического и биотехнологиического методов
очистки сточных вод.
9.
Объясните, в чем разница видов операций в очистных сооружениях с использованием
микроорганизмов.
10. Приведите примеры экстенсивных и интенсивных систем очистки сточных вод.
6.
7.
8.
Тема 7. Биодеградация ксенобиотиков
План занятия
1. Общая характеристика класса ксенобиотиков
2. Деградация ксенобиотиков
3. Конструирование микробиологических консорциумов для деградации ксенобиотиков
5. Промежуточный контроль
Тема: Деградация ксенобиотиков
1.
Дайте определение понятию ксенобиотики.
A.
естественным путем возникшие микробные популяции, которые, могут сохраняться в
почве в течение нескольких месяцев после полной деградации токсиканта
B.
внехромосомные генетические элементы
C.
чужеродные для организмов соединения (пестициды, ПАВ, красители, лекарственные
вещества и пр.), которые практически не включаются в элементные циклы углерода, азота, серы
или фосфора
D.
очень устойчивые соединения, долго присутствующие в окружающей среде в результате
прочной адсорбции биологическими и осадочными породами и плохой миграции
E.
мультиплазмидная бактерия растет, утилизируя неочищенную нефть.
A.
B.
C.
D.
E.
2.
Перечислите виды загрязнений окружающей среды группы ксенобиотиков
дихлордифенилтрихлорэтан
нефть
ионы тяжелых металлов
гептил
угарный газ
3.
Дайте определение понятию антибиотики.
A.
растения с выраженными антимикробными свойствами
B.
чужеродные для организмов соединения (пестициды, химические удобрения)
C.
высокомолекулярные природные соединения (белки, нуклеиновые кислоты и.т.д)
D.
органические вещества, образуемые микроорганизмами и обладающие способностью
убивать микробы
E.
все ответы ошибочны.
4.
Пользуясь схемой, определите максимальные значения коэффициента увеличения
концентрации ДДТ (дихлордифенилтрихлорэтана) в различных группах живых
организмов
Водная среда

Фитопланктон

Зоопланктон

Мелкая рыба

Крупная рыба

Хищные птицы
A.
B.
C.
D.
E.
F.
100

106

108
0
10
1010
106
108
1012
A.
B.
C.
D.
E.
5.
Приведите пример живых организмов которые подвергают полной деградации
ксенобиотики, то есть минерализуют их до диоксида углерода, воды, аммиака,
сульфатов и фосфатов.
водоросли
грибы и водоросли
коловратки и круглые черви
нематоды и микроорганизмы
микроорганизмы
A.
B.
C.
D.
E.
6.
От чего зависит поведение ксенобиотика в природе
структуры самого соединения
физико-химических условий среды
биокаталитического потенциала,
микробным пейзажем
все ответы верны
A.
B.
C.
D.
E.
7.
Перечислите факторы в совокупности определяющие скорость и глубину
трансформации ксенобиотика.
структура самого соединения
физико-химических условий среды
биокаталитического потенциала,
микробный пейзаж
все ответы верны
A.
B.
C.
8.
В чем заключается сущность биологической деградации ксенобиотиков
измельчение субстрата, перемешивание с биомассой, брожение
полная минерализация, разрушение и детоксикация
концентрирование, детоксикация, утилизация
D.
E.
брожение, детоксикация, минерализация
все ответы верны
A.
B.
C.
D.
E.
9.
Укажите принципиальные различия между путями для борьбы с загрязнением
биосферы ксенобиотиками и загрязнением гидросферы ксенобиотиками
сбор ксенобиотиков до момента попадания в окружающую среду
детоксикация ксенобиотиков до момента попадания в окружающую среду
трансформация ксенобиотиков попавших в среду
удаление ксенобиотиков, попавших в среду
все ответы верны
10.
Каковы существенные различия деградации ксенобиотиков в почве от
деградации ксенобиотиков биосфере
A.
сбор ксенобиотиков и далее среди них вести селекцию на увеличение скорости
деградации
B.
выделить микробные виды, способные деградировать конкретные ксенобиотики и далее
среди них вести селекцию на увеличение скорости деградации
C.
детоксикация ксенобиотиков
D.
трансформация ксенобиотиков
E.
удаление ксенобиотиков
11.
В чем заключается сущность селективной работы с микроорганизмами
деградирующими ксенобиотики?
A.
отбор физиологических мутантов, отбором на генную рекомбинацию и на основе
механизма переноса плазмид
B.
отбором конститутивных мутантов, отбором на генную дупликацию и на основе
механизма переноса генов
C.
отбором биохимических мутантов, транформация с получением генной дупликации
D.
отбором генетических мутантов, и основе механизма кроссинговера генов
E.
все ответы верны
6. Примеры использования методов
7. Индивидуальная работа по заданию преподавателя
8. Проверочная работа (текущий контроль)
Рекомендуемая литература
1. Варежкин Ю. М., Михайлова А. И., Терентьев А. М. Методы интенсификации
процесса биологической очистки сточных вод. – М., 1987.
2. Голубовская Э. К. Микроорганизмы очистных сооружений. – Л., 2008.
3. Гюнтер Л. И., Аграноник Р. Я., Гольдфарб Л. Л. Сбраживание осадков городских
сточных вод в метанотенках. – М., 1986.
4. Данилович Д. Л., Монгайт А. И. Анаэробная очистка концентрированных сточных
вод. – М., 1989.
5. Экологическая биотехнология. / под ред. К. Ферстера и Д. Вейза. –Л., 1990.
6. Яковлев С. В., Воронов Ю. В. Биологические фильтры. – М., 2002.
7. Bellmany W. D. The use of microbiological agents in upgrading waste for feed and food. –
London, 2003.
Вопросы для самоконтроля
1.
Опишите краткую историю науки экологическая биотехнология (доклад с презинтацией).
2.
Дайте характеристику предмету современная экологическая биотехнология.
3.
Укажите состояние современной биоэкологии
4.
Приведите пример различных свойств живой системы и эмерджентности.
5.
Укажите принципиальные параметры биологической системы.
6.
Биогеохимические принципы В.И.Вернадского.
7.
Поток энергии в экосфере. «Правило 10%». «Правило 1%».
8.
Биотический круговорот. Глобальный круговорот углерода, азота, кислорода и
фосфора.
9.
Каковы существенные особенности сочных вод.
10.
Объясните, в чем принципиальные отличия бытовых, промышленных и
сельскохозяйственных стоков, их состав и критерии оценки качества.
11.
Укажите надежность метода определения ХПК (химическое потребление
кислорода) и БПК (биохимическое потребление кислорода), их характеристическая и
прогностическая значимость.
12.
В чем заключается сущность биотехнологического усовершенствования
интенсивных методов переработки бытовых и производственных сточных вод.
13.
Оцените
надежность
интенсификации
процессов
очистки
методом
пространственного разделения различных микробных консорциумов, преимущества и
недостатки этого метода.
14.
Каковы существенные особенности использования рекомбинантных штаммов для
утилизации трудноокисляемых, высокотоксичных или ароматических веществ.
15.
Объясните, в чем разница между газовоздушными и водо- загрязняющими
веществами
16.
Каковы существенные особенности биологических методов очистки воздуха
17.
Чем вызвана необходимость разработки принципиальной схемы для биологической
очистки воздуха
18.
Укажите принципиальные принципы функционирования биоскрубберов
19.
Укажите принципиальные технологические характеристики биоскруббера с
биофильтрами
20.
Объясните, в чем разница между газовоздушными и водо- загрязняющими
веществами
21.
Каковы существенные особенности биологических методов очистки воздуха
22.
Чем вызвана необходимость разработки принципиальной схемы для биологической
очистки воздуха
23.
Укажите принципиальные принципы функционирования биоскрубберов
24.
Укажите принципиальные технологические характеристики биоскруббера с
биофильтрами