Экологические проблемы промышленной биотехнологии

1.Общие показатели загрязненности сточных вод.

2.Аэробные процессы биохимической очистки сточных вод

3.Анаэробные процессы переработки отходов

Биотехнология, как всякое направление промышленной деятельности человека, создает определенные экологические проблемы. Однако тот факт, что период резкого расширения промышленного использования микроорганизмов совпал по времени с периодом пристального внимания человека к экологии и охране окружающей среды, а также ряд принципиальных особенностей промышленной биотехнологии, обсуждаемых ниже, позволяют отнести микробиологическую промышленность к одной из наиболее экологически безопасных отраслей народного хозяйства, которая, возможно, станет первым типом производств, действительно не имеющих отходов.

Экологические проблемы промышленной биотехнологии определяются тем, что эта область производства связана с использованием огромных масс технологической воды и воздуха, т. е. потенциально могла бы стать источником большого количества воздушных и водных выбросов. Экологическая опасность этих выбросов определяется, в первую очередь и почти исключительно, присутствием в них живых или убитых клеток микроорганизмов. Хотя в биотехнологии, дело имеют только с непатогенными формами микроорганизмов, но даже их попадание в окружающую среду может, в принципе, вызвать в ней нежелательные и неконтролируемые изменения.

Следствием выброса живых клеток продуцентов из аппаратов, где протекает микробиологический синтез или идет переработка его продуктов, может быть изменение структуры экологических ниш в окружающей заводы почве, воде и т. д. и как результат — нарушение состава сообществ микроорганизмов, взаимодействующих в этих нишах, а значит, и иная роль в круговороте веществ в природе.

При рассмотрении связанных с биотехнологией экологических проблем необходимо учитывать, что важной составной частью современной биотехнологии является очистка воды от загрязнений и утилизация всевозможных отходов агропромышленного комплекса. Несмотря на постоянное совершенствование методов химической очистки сточных вод, абсолютно исключена возможность слива в водоемы промышленных и сельскохозяйственных сточных вод без их предварительной биологической очистки. Методы такой очистки основаны на использовании специфических биологических сообществ, носящих общее название активного ила, для глубокой утилизации как органических, так и неорганических загрязнений, оставшихся в воде после осуществления всех других возможных вариантов ее очистки.

Необходимо подчеркнуть, что применение живого консорциума— активного ила — для удаления примесей из воды основано на уникальной способности микроорганизмов утилизировать не только те субстраты, которые для них оптимальны и таким образом привычны, но и огромное количество других веществ, в том числе, что особенно важно, синтетических, созданных человеком искусственно и поэтому отсутствовавших ранее в природе.

В технологической воде любого биотехнологического предприятия не содержится ничего, кроме клеток продуцента и продуктов метаболизма. Они легко утилизируются активным илом, поскольку в природе существует много видов одноклеточных, перерабатывающих подобные отходы.

Таким образом, создание метаболически замкнутых биотехнологических процессов в сочетании с полной очисткой газовых выбросов от биологического органического материала позволяет создать экологически чистые, действительно безотходные технологические процессы микробиологического синтеза.

Общие показатели загрязненности сточных вод.

Под качеством воды понимают совокупность ее характеристик и свойств, обусловленных природой и концентрацией содержащихся в ней примесей. В связи с невозможностью индивидуального аналитического определения всех присутствующих в сточной воде соединений прибегают к суммарной оценке их содержания. К общим показателям загрязненности сточных вод следует отнести те, которые характеризуют общие свойства воды — органолептические, физико-химические, содержание нерастворимых примесей (содержание взвешенных веществ или зольность), концентрацию растворенных веществ (общее содержание органических и неорганических примесей, «органический» углерод), перманганатную и дихроматную окисляемость (химическое потребление кислорода — ХПК), биохимическое потребление кислорода (БПК). Совокупность этих показателей позволяет оценить общее состояние сточных вод и предложить наиболее эффективный способ их очистки.

Часто в сточных водах могут присутствовать химические соединения, которые даже в незначительных количествах сильно влияют как на свойства- воды, так и на возможность очистки данного вида стоков. В таких случаях необходим более детальный анализ состава сточной воды с выяснением не только концентраций тех или иных соединений, но и более полное определение качественного и количественного состава загрязнений.

Определение таких показателей, как органолептические (цвет, вид, запах, прозрачность, мутность), оптическая плотность, цветность, рН, температура и т. д. не вызывает каких-либо трудностей экспериментального и методического характера. Значительно сложнее определить общее содержание органических веществ  в сточной воде, которое необходимо знать для контроля работы очистных сооружений, повторного использования сточных вод в технологических процессах, выбора метода очистки и доочистки, определения окончания процесса очистки, а также для оценки возможности сброса воды в водоемы.

Из большого числа способов, применяемых для определения содержания органических веществ, более подробно будут описаны два, наиболее широко используемые при проведении процессов биологической очистки.

Химическое потребление кислорода (ХПК) - Методика основана на окислении веществ, присутствующих в сточных водах, 0,25%-ным раствором дихромата калия при кипячении пробы в течение 2 ч в 50%-ном (по объему) растворе серной кислоты. Для полноты окисления органических веществ применяется катализатор — сульфат серебра. Многочисленные исследования показали, что большинство органических соединений в таких условиях окисляются до Н₂О и СО₂, однако ряд соединений (пиридин, бензол и его гомологи, нафталин) в этом режиме окисляется не полностью. Тем не менее, дихроматный способ имеет широкое применение из-за его простоты и возможности автоматизации при проведении эксперимента.

Биохимическое потребление кислорода (БПК). Измеряется количеством кислорода, которое расходуется микроорганизмами при аэробном биологическом разложении веществ, содержащихся в сточных водах при стандартных условиях за определенный интервал времени. Определение БПК требует применения специальной аппаратуры; при манометрических способах измеряется уменьшение давления в аппарате за счет потребления кислорода. Исследования проводят в аппарате Варбурга или в специально разработанном респирометре Измерения БПК выполняют следующим образом: в герметичный ферментер помещается определенное количество исследуемой сточной воды, которую засевают микроорганизмами; в процессе культивирования регистрируется изменение количества кислорода (или кислорода воздуха), пошедшего на окисление соединения, присутствующего в сточных водах..

Биохимические способы очистки относятся к процессам биотехнологии, они получили широкое распространение в тех отраслях промышленности, где в сточных водах содержится значительное количество разных загрязнений, каждое из которых присутствует в небольших концентрациях. Главным действующим началом биохимической очистки являются микроорганизмы, использующие в качестве питательных веществ и источников энергии органические и неорганические соединения, содержащиеся в сточных водах. Микроорганизмы разрушают эти соединения до диоксида углерода и воды и создают в процессе минерализации соли азотистой и азотной кислот.

Широкое использование биохимических способов очистки сточных вод обусловлено следующими достоинствами метода: а) возможностью удаления из сточной воды широкого спектра органических загрязнений; б) самоподстраиваемостью системы к изменению спектра и концентраций органических загрязнений; в) простотой аппаратурного оформления; г) относительно невысокими эксплуатационными затратами. К недостаткам следует отнести: а) высокие капитальные затраты, идущие на сооружение очистных систем; б) необходимость строгого соблюдения технологических режимов очистки; в) токсичность некоторых органических соединений для биоценоза активного ила; г) необходимость предварительного разбавления высококонцентрированных токсичных стоков, что приводит к увеличению потока сточной воды.

В зависимости от того, в каких условиях — аэробных или анаэробных — проводится обработка сточных вод, разработаны два принципиально различных способа.