Сидоренко О. Д. Биологические т ехнологии утилизации отходов животноводства



страница6/8
Дата23.04.2016
Размер1.14 Mb.
ТипКнига
1   2   3   4   5   6   7   8

(Табл.15.) Оптимизация питательной среды для дрожжей из

жидких навозных стоков.

(Борисенко, 1990)



концентрация сухих веществ
%

содержание


выход

азота

фосфора

комплексного препарата

сырого протеина

г/л

3,5

0,095

0,340

16,5

5,60

4,0

0,100

0,400

23,6

7,20

4,5

0,106

0,460

23,8

6,90

5,0

0,111

0,530

29,7

6,50

5,5

0,116

0,600

33,1

6,00

В практике переработки отходов нередко создаются условия усложняющие ход процесса, особенно нестандартность исходного сырья. Жидкие навозные стоки, в зависимости от метода уборки экскрементов животных (гидросмыв, самосплав, комбинированные методы), по химическому составу могут чрезвычайно варьировать. Содержание сухих веществ обуславливает различную активность и продуктивность дрожжей, что связано с качеством кормов, системой уборки и хранения животноводческих отходов, применением различных химических антисептиков при кормлении и дезодорации животноводческих помещений.

Кроме того, навозные стоки могут передерживаться в коммуникациях и резервных емкостях животноводческих комплексов от нескольких часов до многих суток, что сопровождается развитием в таком материале специфический микрофлоры, способной изменить биохимические характеристики исходного сырья. Эти изменения могут оказывать отрицательное и положительное влияние на рост дрожжей, культивируемых на жидких навозных стоках. Должен быть процесс "созревания" отходов и pH 4,5-5,5.

Таким образом, доказана возможность комплексной переработки с помощью дрожжей, твердых отходов животноводства и жидких навозных стоков.

Наряду с получением препаратов, обогащенных микробным белком, достигаются сопутствующие положительные эффекты:


  • Нейтрализуются неблагоприятные примеси в исходном сырье;

  • Предотвращается загрязнение окружающей среды;

  • Обеспечивается большая стабильность экологического равновесия.

Из стоков извлекается до 90% органических загрязнений и содержащихся в них микроорганизмов. Предварительная обработка дрожжами способствует доведению животноводческих стоков до санитарных норм при последующей их переработке в сооружениях биологической очистки.
4.3. Очистка сточных вод микроскопическими

водорослями

Образование огромных масс малоконцентрированных жидких отходов в значительной степени обусловило интерес к микроводорослям, как к возможному фактору биотрансформации подобных отходов. Биомассу водорослей предполагается использовать не только как компонент кормов, но и как исходное сырье для производства пищевых продуктов, витаминов и других ценных веществ (Миллер, 1988).

Недостатком микроводорослей и большинства фотобактерий является их неспособность или весьма низкая способность потреблять такие полимеры как целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин, которые составляют основную массу сухого остатка сельскохозяйственных отходов. В этом плане особо выделяются микроскопические грибы, среди которых достаточно широко распространена способность гидролизовать и потреблять эти высокомолекулярные вещества. Они обладают мощными комплексами целлюлолитических и лигнолитических ферментов, синтезируют как полный набор целлюлаз, так и отдельные ферменты, например ксиланазы, разрушающие более доступную аморфную целлюлозу или гемицеллюлозу.

Производство микроводорослей — безотказный, экологически чистый, энерго- и ресурсосберегающий процесс. В качестве основного источника сырья используются минеральные формы углерода (СО2, карбонатов), запасы которых практически не ограничены. Наиболее перспективными являются зеленая водоросль хлорелла, сине-зеленая водоросль спирулина, а также микроводоросль дуналиелла. Биологическая и питательная ценность белков их составляет 48...62%. В 1 кг биомассы водорослей содержится до 30г р-каротина, 400 г глицерина и белок. По сравнению с традиционным растениеводством удельные затраты энергии на получение биомассы микроводорослей ниже в 3...4 раза. При производстве микроводорослей исключается загрязнение окружающей среды минеральными удобрениями и пестицидами.

Выращивают водоросли в автотрофных и гетеротрофных условиях открытых водоемов, отстойников, на сточных водах или на установках непрерывного действия. В разных странах мира культивирование сине-зеленых и зеленых микроводорослей находится на разных уровнях: в Европе (Чехия, Германия) — на стадии теоретических разработок и небольших экспериментов, в Японии, Индии и на Тайване оно приобрело промышленный характер.

Водоросли имеют значение там, где в водоемы проникает достаточно солнечного света. Водоросли почти не растут в очень мутной воде, например в установках с активным илом и в аэрируемых лагунах, куда солнечный свет не проникает или где жидкость имеет темную окраску. Конструкция окислительных прудов и их эксплуатация рассчитываются на равновесие между водорослями и бактериями. Первые используют двуокись углерода, соли аммония или нитраты и фосфаты и при фотосинтезе освобождают молекулярный кислород, который используется бактериями в процессе обменного преобразования имеющихся органических веществ. При отсутствии солнечного света фотосинтез прекращается, а эндогенное дыхание водорослей продолжается таким же образом, как и у бактерий. Следовательно, водорослям требуется дополнительное количество кислорода в тех сооружениях, где они имеются.



Водный гиацинт (эйхорния) способен расти в сильнозагрязненных водоемах, поглощая разнообразные водорастворимые органические и минеральные отходы, в больших концентрациях. Это полная противоположность водорослям, карантинный сорняк тропической зоны. Мощная корневая система растения совместно с большим разнообразием микроорганизмов ризосферы и ризопланы, сорбированных в слизи корней, принимают активное участие в трансформации и утилизации загрязнений водных стоков. С помощью водного гиацинта можно создать энергосберегающий эстетичный биологический фильтр для сбросных систем.
4.4. Конверсия отходов метанобразующими микроорганизмами

Превращение органического вещества в биогаз — спонтанный природный процесс, протекающий в плохо аэрируемых болотах, илистых грунтах, хранилищах навоза и мусора, а также в пищеварительном тракте животных. Производство биогаза — многоступенчатый процесс, осуществляемый микроорганизмами (схема).

В первой фазе соединения органического сырья (целлюлоза, белки, жиры) в результате гидролиза составляющие компоненты становятся растворимыми, т. е. образуются олигосахариды, пептиды и жирные кислоты. Во второй фазе (кислотной) эти соединения разрушаются до органических кислот (уксусной, муравьиной, молочной, масляной, пропионовой и др.), спиртов

Упрощенная схема получения метана с помощью

микроорганизмов
1 фаза 2 фаза 3 Фаза


Липолитические

бактерии Р О

(разрушают жиры) а с К б р

с о и а г

Протеолитические т е с к а к Метановые

бактерии в д л т н и бактерии

(разрушают белок) о и о е и с (СН4 + СО2)

р н т р ч л

Целлюлозоразру- и е н и е о

шающие бактерии м н ы и с т

(разрушают клетчатку) ы и е к ы

е я и

е

Анаэробное гниение

С6Н12О6 + 3СН4 + 3СО2

+ + 20 ккал


(этилового, пропилового и др.), газов (диоксида углерода, водорода, сероводорода, аммиака), аминокислот, глицерина и др. Процесс осуществляют обычные сапротрофные анаэробные микроорганизмы (масляно-кислые, молочно-кислые, пропионовокислые бактерии и дрожжи) при рН среды 4,5...7.

На третьей фазе (щелочной) происходит дальнейшее разложение веществ, образовавшихся во второй фазе, с получением газа, состоящего из метана, углекислоты, азота и водорода. Процесс осуществляется метанобразующими бактериями — строгими анаэробами.

Метанобразующие бактерии относятся к семейству Methanobacteriaceae (Роды Methanosarcina, Methanobacterium и др.). Оптимальной температурой для них является 35...40° или 65...70°С при рН 6...8. В природе существуют ассоциации между водородовыделяющими и метанобразующими микроорганизмами. Это естественная ассоциация микроорганизмов в рубце жвачных животных.

Ниже дана характеристика микроорганизмов, осуществляющих анаэробное сбраживание органических остатков (метаногенов) по Берджи (1977).

Строгие анаэробы, хемоавтотрофы или хемогетеротрофы всегда образуют метан как продукт катаболизма. Источником углерода и энергии служат Н2 + СО2, формиат, ацетат, соединения, содержащие метильную группу, — метанол, метиламины, метилсульфиды, метанол + Н2, либо спирты + СО2. Многие штаммы — облигатные или факультативные автотрофы. Источником азота служит аммиак, хотя некоторые штаммы могут также использовать аминокислоты или фиксировать молекулярный азот.

Свободноживущие организмы используют как основной акцептор электронов СО2 и восстанавливают при этом СО2 до метана, расщепляя ацетат на СН4 и СО2.

Метаногены делят на три таксономические подгруппы:

Подгруппа 1. Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanothermus и др., использующие Н2 + СО2, формиат или Н2 + метанол.

Подгруппа 2. Mettanococcus, Methanogenium, Methanocorpusculum и др., использующие Н2 + СО2, формиат или спирты + СО2.

Подгруппа 3. Methanococcoides, Methanolobus, Methanosarcina и др., использующие триметиламин или ацетат.

Однако австралийские ученые Барнес и Фитцджеральд (1990) предложили эти бактерии разделить на три обширные группы: первая включает гидролитические бактерии, обычно называемые ацидогенными, — они обеспечивают начальный гидролиз субстрата до низкомолекулярных кислот; вторая — гетероацетогенные бактерии, которые продуцируют уксусную кислоту и водород, третья — это метаногенные бактерии, которые продуцируют метан. Последняя группа подразделяется на потребителей водорода (литотрофы) и уксусной кислоты (ацетотрофы).

Метанобразующие микроорганизмы — высокоспециализированная группа бактерий, получающих энергию для своей жизнедеятельности в процессе образования метана. В реакции образования метана участвуют АТФ и витамин В12 (для переноса водорода). В процессе метанового брожения 90% сброженных органических веществ превращается в метан и углекислый газ. Качественный состав газов брожения в значительной степени зависит от состава сбраживаемого материала. При сбраживании жиров и белков больше образуется метана, а распад углеводов дает газ с высоким содержанием углекислоты —диоксида углерода (табл. 14).

(Табл.14.) Продукты распада органических субстратов при метановом брожении (по И. М. Грачевой и др., 1992)


Уравнение

распада


Удель-ный

Выход


газа,

л/г


Состав газа,

%


Плотность газа (кг/м3) при температуре, ºС

Степень распада веществ, %

СН4

СО2

0

20

Углеводы + Н2О → 3СО2 + 3СН4

0,790

50

50

1,38

1,25

64

Жиры + Н2О → 2СН4 + СО2

1,250

68

32

1,13

1,05

70

Белки + Н2О →

2СН4 + Н2 + NН3 + СО2



0,704

71

29

1,08

1,01

47

При анаэробной переработке отходов из 1 кг субстрата образуется до 0,6 м3 биогаза (0,4 л жидкого топлива) и 0,1 кг ила.

Процесс брожения начинается с гидролиза клетчатки и дальнейшего сбраживания продуктов ее гидролиза.

Микроорганизмы осуществляют метановое брожение по схеме:


С6Н12О6 + 2Н2О → 2СН3СООН + 4Н2 + 2СО2

2 + 2СО2 → СН4 +СО2 + 2Н2О

2СН3СООН → 2СН4 + 2СО2

С6Н120 → 3СН4 + 3СО2


Существуют две фазы: кислотогенная, при которой выделяется водород, и метаногенная. В первую фазу микроорганизмы потребляют кислород и другие окислители (NaNO3) и создают строго анаэробные условия, затем начинается гидролиз и разложение целлюлозы.

Получение биогаза основано на анаэробном разложении навоза. Во время сбраживания органической массы накапливается водород и органические кислоты: молочная, пропионовая, уксусная — спирты, альдегиды и др. Далее водород трансформируется в метан и воду водородными бактериями; полученную в большом количестве уксусную кислоту метанобактерии превращают в метан по схеме:

2СН3СООН → 2СН4 + 2СО2

Лучшим источником азота для метановых бактерий является минеральный азот (углекислый и хлористый аммоний). Оптимальное соотношение в среде азота и углерода должно быть от 1:12 до 1:20. Брожение в метантенках наиболее активно проходит при рН 6,4...7,2 до 7,8. Оптимальная температура для мезофильных бактерий 32...33°С, для термофильных — 52...53°С. Изменение температуры на 3...4°С может тормозить брожение.

Продолжительность сбраживания органических веществ в термофильных условиях меньше, чем в мезофильных, что позволяет сократить полезный объем метантенков. Кроме того, при термофильном процессе происходит более глубокое сбраживание органических веществ и производительность метантенков вдвое выше работающих в мезофильном режиме. Недостатком термофильного процесса сбраживания является большой расход теплоты на подогрев среды, большая чувствительность термофильной микрофлоры к колебаниям температуры, а осадок сброженной массы с трудом поддается обезвоживанию.

Перемешивание сбраживаемой массы обеспечивает хороший контакт микрофлоры с питательной средой, равномерное распределение микроорганизмов в объеме, устранение токсических и ингибирующих продуктов метаболизма. Кроме того, перемешивание предотвращает образование осадка на дне метантенка и корки на поверхности, улучшает газообразование, интенсифицирует процесс сбраживания органических веществ.

Тяжелые металлы допустимы в следующих предельных концентрациях, мг/л: хром — 690, медь — 150—500, свинец — 900, цинк — 690, никель — 73. Поверхностно-активные вещества отрицательно влияют на метановое брожение, что проявляется в уменьшении газовыделения, снижении и разложении органических веществ; они ингибируют действие гидролитических ферментов и обменные процессы бактерий.

Положительно влияет на количество микрофлоры наличие в метантенке твердой фазы.

При образовании метана из целлюлозы субстрат претерпевает ряд изменений: целлюлоза под действием гидролитических ферментов расщепляется до глюкозы, которая сбраживается до органических кислот и газообразных продуктов — Н2 и СО2. Образование метана из водорода и диоксида углерода протекает с большей скоростью, чем из органических кислот. Таким образом, органические кислоты являются фактором, лимитирующим скорость метаногенеза. Устранение их из культуральной среды повышает скорость метаногенеза и увеличивает выход СН4. Увеличение СО2 приводит к уменьшению скорости образования метана и, наоборот, его резкое уменьшение увеличивает образование метана.

Сокращение образования метана сопровождается накоплением в среде до 4 г/л уксусной кислоты, тогда как концентрация пропионовой и масляной кислот мало изменяется и составляет соответственно 0,6 и 0,2 г/л. Причем независимо от состава газовой атмосферы бактерии полностью используют глюкозу. Высокое парциальное давление метана не подавляет метаногенез.

Эффективность скорости выхода СН4 при ускоренном разложении зависит или от циркуляции СО2, или от эффективного механического перемешивания среды в метантенке. С целью повышения содержания в биогазе метана разработаны методы очистки его от примесей моноэтаноламином (США) и концентрация метана повышается до 95%.

В качестве косубстрата при анаэробной ферментации свиного навоза в биогаз целесообразно вносить целлюлозосодержащие материалы (солому). Оптимальная концентрация целлюлозы в составе субстрата (навоз с содержанием сухих веществ 2,8...3%) 40 г/л, выход биогаза 0,6 л на 1 г целлюлозы. Общий выход биогаза — 34,6 л на 1 л реакционной смеси: 25 л/л за счет ферментации целлюлозы и 9,6 л/л за счет навоза.

Используют также бытовые отходы и торф. Например, при анаэробном сбраживании смеси, состоящей из 5 частей жидких отходов животноводства с содержанием 4,38% органического вещества, 2 частей городских отходов с 5% органического вещества, 1 части бытовых отходов с содержанием 21% органического вещества, получают 412 л газа из 1 кг органического вещества.

В нашей стране метановое брожение навоза для получения биогаза и удобрений в небольших масштабах применяли уже в 60-е годы путем метанового сбраживания отходов животноводства и растениеводства.


4.5. Получение органического удобрения
Общеизвестно доминирование природоемких отраслей промышленности, ресурсоемких и энергоемких технологий.

Мировая практика показывает, что экономически эффективным и даже прибыльным может быть такое управление отходами, при котором обеспечивается их селективность. Бумажные и хлопковые отходы являются наиболее "чистыми" отходами. Однако их химический состав не позволяет обоснованно определить круг процессов (термических, физико-химических, механических, биологических, биотехнологических и др.) переработки, методы и средства хранения и транспортирования. Для правильного выбора методов управления отходами необходимы знания их физико-химических свойств, список токсичных соединений (в Российском временном классификаторе их более 130) и индекс токсичности.

Широко обсуждается ряд схем ферментативного гидролиза целлюлозы и превращение хлопкового линта и бумажного скопа в полезное сырье. Интерес к подобным исследованиям обусловлен сугубо научными и прикладными задачами. Специалистов прикладной биохимии и биотехнологии интересуют возможности новых технологий и разработок в получении пищевых продуктов из нетрадиционного сырья, биоконверсии энергии, органических удобрений, бактериальных препаратов и т.д. Одним из первых этапов подобных технологий является изучение закономерностей ферментативной деградации полимерных субстратов с различной реализационной способностью. Известно, что целлюлоза представляет собой биополимер, который может существовать в нескольких полимерных модификациях. Как природная, так и регенерированная целлюлоза является структурно неоднородной, что может направленно изменяться в широких пределах, определяя реакционную способность целлюлозы. В зависимости от физического состояния исходного субстрата, продукты гидролиза целлюлозы, могут представлять собой частично деструктурированную нерастворимую целлюлозу с относительно низкой степенью полимеризации (СП) по сравнению с исходным нерастворимым субстратом. По мере уменьшения СП субстрата скорость ферментативного превращения полимера прогрессивно уменьшается, что часто приводит к фактическому прекращению реакции. При этом глубокая деградация биополимеров происходит, как правило, под действием не отдельных ферментов, а полиферментных систем. По-видимому, не существует такого “универсального” фермента, который способен был бы достаточно быстро деградировать полимер до соответствующего мономера, действуя эффективно на всех этапах реакции. Совместное же действие ферментов, образующих полиферментную систему, приведет к более эффективной реакции - деградации исходного субстрата, или образованию конечного продукта - по сравнению с действием отдельных ферментов на исходный субстрат. Подобное действие полиферментных ансамблей, заключенных в микробных ассоциациях, представляет собой самую характерную особенность предлагаемой нами биотехнологии (Сидоренко, 2003).

Бумажный скоп подвергается воздействию целлюлаз микроорганизмов компоста высокого нагрева (КВН), целлюлозного комплекса бактериального препарата, созданного на основе микроорганизмов выделенных из почв тропиков (Сидоренко, 2003). Ферментативная деградация скопа изменяет его качество и придает определенные особенности удобрительной смеси. Целлюлазный комплекс микроорганизмов проводит глубокие биохимические изменения скопа. Исходное сырье целлюлозно-бумажного комбината характеризовалось повышенной кислотностью (рН=5,5), низкой реакционной способностью и биологической активностью, а также бедным видовым составом микроорганизмов.

За 6 дней эксперимента сформировался новый состав микробного ценоза, существенно изменилась скорость гидролиза скопа, глубина реакций и, соответственно, продукты метаболизма микроорганизмов. Гомогенизированный продукт переработки скопа приобрел 60-65%-ную влажность, темный цвет, многообразие и высокий титр микроорганизмов и запах земли. Биотермокатализ скопа позволяет получать высокоактивное органическое удобрение, и может быть рекомендовано для биоремедиации загрязненных почв и повышения их плодородия.

Подобраны также режимы биоконверсии бумажного скопа при внесении целлюлолитических микробных ассоциаций компоста высокого нагрева, полученного методом термической переработки птичьего помета и навоза крупного рогатого скота (Сидоренко, 2001).



Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал