Тысячелетиями отходы деятельности человека перерабатыва­лись естественным путем, при участии соответствующих микро­организмов. В наиболее широко распространенных установках для очистки сточных вод выполняются четыре основные опе­рации (рис. 6.1).

1. При первичной обработке удаляются твердые частицы, которые либо отбрасываются, либо направляются в реактор.
2. На втором этапе происходит разрушение растворенных органических веществ при участии природных аэробных микро­организмов. Образующийся ил, состоящий главным образом из микробных клеток, либо удаляется, либо перекачивается в ре­актор. По технологии, использующей активный ил, часть его возвращается в аэрационный тэнк.
3. На третьем этапе (необязательном) производится хими­ческое осаждение и разделение фосфора и азота.
4. Для переработки ила, образующегося на первом и вто­ром этапах, обычно используется процесс анаэробного разло­жения. При этом уменьшается объем осадка и количество па­тогенов, устраняется запах, а кроме того, образуется ценное органическое топливо — метан.

Сходные процессы применяют при переработке промышлен­ных сточных вод, особенно в химической, пищевой, целлюлоз­но-бумажной промышленности. Поэтому совершенно очевидно, что любые биотехнологические усовершенствования этих про­цессов найдут немедленное применение в промышленности. Та­кие усовершенствования могут быть направлены на увеличение мощности перерабатывающих установок, повышение выхода полезных побочных продуктов, на замену обычно применяемых синтетических химических добавок, устранение запаха и удаление металлов, а также не поддающихся переработке со­единений.

Рис. 6.1. Стадии переработки отходов путем анаэробного разложения.

• 6.2.1. Аэробная переработка отходов (см. также гл. 9)

Аэробная переработка стоков — это самая обширная область контролируемого использования микроорганизмов в биотехно­логии. Она включает следующие стадии: 1) адсорбция субстра­та на клеточной поверхности; 2) расщепление адсорбированно­го субстрата внеклеточными ферментами; 3) поглощение рас­творенных веществ клетками; 4) рост и эндогенное дыхание; 5) высвобождение экскретируемых продуктов; 6) «выедание» первичной популяции организмов вторичными потребителями. В идеале это должно приводить к полной минерализации от­ходов до простых солей, газов и воды. Эффективность пере­работки пропорциональна количеству биомассы и времени контактирования ее с отходами.

Системы аэробной переработки можно разделить на систе­мы с перколяционными фильтрами и системы с использовани­ем активного ила.

Перколяционные фильтры

Перколяционный фильтр был самой первой системой, приме­ненной для биологической переработки отходов, причем его конструкция фактически не изменилась со временени создания в 1890 г. Эта система используется в 70% очистных сооруже­ний Европы и Америки и обладает рядом преимуществ, кото­рые состоят в простоте, надежности, малых эксплуатационных расходах, образовании небольших излишков биомассы и воз­можности длительного использования установки (в течение 30—50 лет).

Основной недостаток перколяционного фильтра — избыточ­ный рост на нем микроорганизмов; это ухудшает вентиляцию, ограничивает протекание жидкости и приводит в конечном сче­те к засорению фильтра и выходу его из строя. Одна из недав­них модификаций установки состоит в использовании чередую­щегося двойного фильтрования (ЧДФ), когда фильтры, на которые сначала поступает поток жидкости, периодически ме^ няют местами с другими фильтрами. ЧДФ особенно ценно при очистке промышленных стоков. Для разрушения слоев грязи в толще фильтров используют также обратную циркуляцию и пульсирующую подачу. Это улучшает величину биохимической потребности в кислороде (ВПК), но снижает нитрифицирую­щую активность. Другие модификации в конструкции и работе установок с перколяционными фильтрами состоят в уменьше­нии скорости поступления жидкости для более равномерного распределения биомассы, а также в использовании прямой двойной фильтрации с большим объемом среды, когда на первый фильтр поступает больший объем среды и тем самым: увеличивается его загрузка.

В 1970 г. на смену клинкеру, камню или гравию в системах с перколяционными фильтрами пришли пластмассы. Это позво­лило применять такие системы для переработки некоторых про­мышленных стоков высокой концентрации. Другим важным преимуществом явилось то, что пластмассы — легкий материал, и это позволяет строить высокие, не занимающие много места очистные сооружения. Для создания оптимальной поверхност­ной площади, вентиляции и пористости пластмассы размалы­вают.

Основное изменение в конструкцию очистных сооружений в Англии было внесено в 1973 г., когда был создан вращаю­щийся биологический реактор. Он представляет собой враща­ющиеся «соты» из пластиковых полос, попеременно погружае­мые в сточные воды и поднимаемые на поверхность. При таком способе увеличивается площадь поверхности, с которой может контактировать биомасса, и улучшается аэрация (разд. 6.6).

Среда, в которой находится перколяционный фильтр, не является водной в прямом смысле, поскольку это всего лишь тонкая водная пленка над слоем биомассы. Определить, какие именно микроорганизмы присутствуют в среде, довольно труд­но из-за сложности и гетерогенности биомассы. По-видимому, основной активной группой бактерий, участвующих в перера­ботке сточных вод, служат Zoogloea, хотя определенную роль играет и ряд других бактерий. В очистных сооружениях отме­чается также активный рост некоторых видов нитчатых бакте­рий и грибов. Из водорослей чаще всего присутствуют сине-зе­леные (Cyanophyceae) и Chlorophyceae. Встречаются и много­численные Metazoa, в том числе земляные черви, насекомые и ракообразные. Мухи и черви очень важны для регуляции раз­вития пленок.

Активный ил

Переработка отходов с помощью активного ила, осуществляе­мая сложной смесью микроорганизмов, была предложена в 1914 г. Этот процесс более эффективен, чем фильтрация, и по­зволяет перерабатывать сточные воды в количестве, в десять раз превышающем объем реактора. Однако он обладает рядом недостатков: более высокими эксплуатационными расходами из-за необходимости перемешивания и аэрации; большими

трудностями в осуществлении и поддержании процесса; образо­ванием большого избытка биомассы. Несмотря на все это, процесс, использующий активный ил, остается наиболее рас­пространенным методом переработки сточных вод в густонасе­ленных районах, поскольку требует меньших площадей, чем эквивалентная фильтрационная система.

Как и в фильтрационные системы, в систему с активным илом были внесены некоторые изменения. Следующие из них связаны с аэрацией.

1. Градиентная аэрация, приводящая интенсивность аэрации в соответствие с потребностью в кислороде, которая на входе больше, чем на выходе.
2. Ступенчатая аэрация, при которой по всей длине тэнка сточные воды поступают с интервалами.
3. Констактная стабилизация, при которой повторно исполь­зуемый ил аэрируется, что способствует более полной утилиза­ции микроорганизмами любых доступных питательных компо­нентов. Это приводит к более полной ассимиляции отходов при возврате в основные рабочие тэнки. В результате объем ила на стадии аэробного разложения уменьшается, и поэтому в принципе это аналогично увеличению аэрации.
4. Использование чистого кислорода в закрытых тэнках, ко­торые поэтому могут работать при более высоких концентраци­ях биомассы; таким образом уменьшается время пребывания сточных вод в тэнке и, кроме того, решается проблема «разбу­хания» (избыточного роста нитчатых бактерий и грибов, пре­пятствующего оседанию ила).
5. Разработка колонного эрлифтного ферментера компани­ей ICI в 1974 г. (рис. 6.2). Он более экономичен, чем обыч­ный, благодаря уменьшению времени пребывания сточных вод в тэнке и снижению эксплуатационных расходов.

Активный ил — это истинно водная среда. Как и в перко­ляционных фильтрах, основная группа бактерий, участвующих ® процессе переработки, — это Zoogloea. Считается, что актив­но растет только небольшая часть флокуляционного ила. По сравнению с перколяционными фильтрами в активном иле на­блюдается меньшее экологическое разнообразие. Рост водорос­лей ограничивается недостатком света, а виды и разнообразие присутствующих в иле простейших определяются степенью пе­реработки отходов (рис. 6.3).

Для успешной переработки бытовых и промышленных отхо­дов необходимо точно знать состав и концентрацию стоков. Это служит «руководством к действию»: зная качественные и количественные характеристики среды, можно сразу устано­вить, какой микробный посевной материал необходим для ини­циации работы системы. Часто бывает трудно показать, что именно те микроорганизмы, которых выделяют из систем био­логической переработки отходов, осуществляют окисление при­сутствующих соединений.

Рис. 6.2. Колонный эрлифтный ферментер

Рис. 6.3. Микроорганизмы, присутствующие в активном иле. Микрофотографии получены с помощью сканирующего электронного микроскопа и любезно пре­доставлены Дж. Моррисом. A. Epistylis (×1000). Б. Стебельчатые бактерии (X16 000). В. Жгутиковые бактерии (×5000). Г. Vaginocolidae (×750). Д. Ко­лония Epistylis sp. (×350). Е. Vorticella sp. (×1000).

Микробиологическое изучение любой системы, использую­щей активный ил, включает: 1) идентификацию микроорганиз­мов и определение их численности; 2) оценку микробиологиче­ской активности как популяции в целом, так и отдельных ви­дов; 3) оценку соотношения между (1) и (2), с одной сторо­ны, и количеством вводимых питательных веществ и продуктов переработки — с другой.

Микробиологическую активность активных илов можно оценивать по приросту биомассы или по интенсивности общего метаболизма; последний включает изменения, происходящие в среде. Измерения могут проводиться и для какой-то отдель­ной популяции микроорганизмов. Можно показать, что актив­ность ила связана с определенными бактериями, точно подсчи­тать их число и определить метаболическую активность. Далее можно выяснить, в какой мере та или иная специфическая ак­тивность ила определяется конкретными видами бактерий с из­вестными свойствами, и установить, какое влияние оказывают на них неблагоприятные условия, в которых они оказываются из-за поступления в среду тех или иных питательных веществ или продуктов метаболизма других микроорганизмов. Для сточных вод, поступающих в емкость с активным илом, харак­терны высокие концентрации органических соединений и, сле­довательно, наличие больших количеств хемоорганотрофных видов, например Achromobacter, Flavobacterium, Pseudomonas и Moraxella, а также многих других бактерий. При высоких концентрациях неорганических соединений в стоках обнаружива­ются бактерии Thiobacillus, Nitrosomonas, Nitrobacter и Ferro- bacillus spp. окисляющие соответственно серу, аммиак и желе­зо. Эти организмы были выделены'из систем для переработки отходов и идентифицированы с помощью методов селективных культур. В ходе этих работ важно установить, играют ли ка­кие-либо виды главенствующую роль в тех процессах, которые протекают в активном иле. Этот аспект часто недооценивает­ся, особенно небиологами. Нередко бывает трудно однозначно установить роль того или иного микроорганизма. Например, ес­ли из системы по переработке отходов выделены Tbiobacillus, окисляющие соединения серы, то это еще не означает, что вся активность такого рода определяется именно этими микроорга­низмами: частичное окисление ряда соединений серы осущест­вляют и виды Pseudomonas.

Взаимосвязи между организмами, участвующими в катабо­лизме органических и неорганических субстратов, имеют важ­ное значение для регуляции процессов, происходящих в актив­ном иле. Промежуточные продукты метаболизма у одного вида бактерий способы оказывать влияние на процессы деградации у другого. Например, известно, что фенол подавляет активность организмов, окисляющих аммиак: он может ингибировать этот окислительный процесс даже при столь малых концентрациях, как 3—4 м. д.

Промежуточные продукты расщепления бензойной кислоты до катехола, сукцината и ацетата ингибируют образование ферментов, участвующих в начальных этапах расщепления. Ка­техол и сукцинат подавляют синтез ферментов, разрушающих бензоилформиат и бензальдегид, по механизму обратной связи, а ацетат действует как катаболитный репрессор: наличие про­стого органического соединения подавляет расщепление более сложных молекул до тех пор, пока это более простое соедине­ние не будет использовано. Когда ингибирование снимается, синтезируются новые ферменты, ответственные за расщепление более сложных ароматических структур. На практике при на­личии в отходах гомологичных рядов каких-либо соединений необходимо образование ферментов, способных справиться с расщеплением самой сложной молекулы данного ряда. Полное расщепление таких соединений должно происходить в течение определенного минимального времени удержания (нахожде­ния отходов в реакторе) в процессе переработки. Следователь­но, можно предсказать, какая обработка потребуется для окисления фенольных соединений; например, чем сложнее бо­ковая цепь молекулы, тем больше времени необходимо для ферментативного разрушения этого вещества.

Эффективность данного процесса можно повысить, изучив механизмы регуляции метаболизма в микрофлоре систем с ак­тивным илом. Регуляция биодеградации — это сложная зада­ча. Однако, зная биохимию соответствующих процессов, мы,, по-видимому, сможем вмешиваться и в их регуляцию. Напри­мер, добавление к илу промежуточных продуктов цикла три­карбоновых кислот в низких концентрациях (2—5 мг/л), глю­козы, аминокислот и витаминов (в частности, аланина и нико­тиновой кислоты) приводит к ускорению окисления ряда соединений. Введение этих промежуточных продуктов в состав биомассы увеличивает энергетические потребности системы,, стимулирует синтез ATP за счет усиленного окисления неорга­нических веществ типа серы или аммиака. Понимание биохи­мии подобных процессов, видимо, даст возможность вмеши­ваться в процессы регуляции метаболизма.

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

Акт о защите среды от загрязнений от 1974 г. по мере прет­ворения его в жизнь будет оказывать все возрастающее влия­ние на технологию очистки сточных вод. Термин «биодеграда­ция» используется сейчас очень широко, но имеет множество: толкований. Иногда под биодеградацией понимают полную ми­нерализацию какого-либо соединения микроорганизмами с об­разованием углекислого газа, сульфата, нитрата и воды; это одна крайность. Другая крайность состоит в том, что данный термин используют применительно к незначительным измене­ниям соединений, приводящим к утрате некоторых характер­ных их свойств. Стандартные методы оценки деградации по­зволяют определить термин «биодеградация» следующим обра­зом: 1) первичная деградация, при которой характерные свой­ства исходного соединения утрачиваются и перестают выяв­ляться специфическими химическими тестами; 2) допустимая для окружающей среды биодеградация, при которой происхо­дит минимальное изменение исходного соединения, необходимое для утраты его свойств (оба этих определения основаны на произвольных критериях и поэтому неточны); 3) окончательная биодеградация, включающая полное превращение исходного соединения в неорганические конечные продукты и связанная с нормальными процессами метаболизма микробов.

В ходе изучения деградации широкого круга органических веществ были выделены микроорганизмы, способные к разру­шению весьма необычных соединений (рис. 6.4 и 6.5).

Принцип «псевдоожиженного слоя»

Данная технология, введенная в практику в 1980 г., во многих отношениях представляет собой сочетание систем перколяци­онных фильтров и активного ила. Она весьма экономична бла­годаря использованию высоких концентраций микроорганиз­мов и отсутствию необходимости в осаждении конечных про­дуктов. Существуют два основных типа установок.

1. Уловитель Саймона Хартли. Он был разработан на ос­новании исследований, проведенных в научно-техническом ин­ституте Манчестерского университета. Биомассу наращивают в пустотах внутри прокладок из пористого полиэфира, которые удерживаются внутри реактора с помощью сеток. Прокладки периодически удаляют из реактора, густую биомассу (до 15 кг на каждый кубометр обводненного носителя) отжимают и пу­стые прокладки возвращают в реактор.
2. Оксигенатор Дорра — Оливера. Здесь в качестве подлож­ки используется песок; его периодически выпускают из реакто­ра, очищают и используют снова.

Возможное нежелательное последствие интенсификации аэробной обработки — это излишнее образование ила. Стои­мость его удаления может составить до 50% расходов на пере­работку сточных вод. Альтернативные решения состоят или в последующем использовании этого ила (разд. 6.5), или в разобщении анаболической и катаболической активности для неполного превращения субстрата в биомассу (этого можно достичь, создав условия постоянной нехватки микроэлементов или делая перерывы в подпитке).

Рис. 6.4. Основные группы соединений, которые обнаруживаются в отходах производства лекарственных препаратов, синтетических гербицидов и других нефтехимических продуктов и подвержены биодеградации.

Рис. 6.5. Промежуточный метаболизм аналога тиофена в одном из видов Fla- VObacterium.

• 1.1.2.   Анаэробное разложение (см. также гл. 2 и 9)

Все возрастающая стоимость переработки отходов с помо­щью аэробного разложения и энергетический кризис, с одной стороны, и новые достижения микробиологии и технологии — с другой, возродили интерес к анаэробной переработке. Самая распространенная технология анаэробной переработки — разло­жение ила сточных вод. Эта хорошо разработанная технология; с успехом используется с 1901 г. Однако здесь существует ряд. проблем, обусловленных малой скоростью роста облигатных анаэробных метанобразующих бактерий, которые использу­ются в данной системе. К ним относятся также чувствитель­ность к различным воздействиям и неприспособленность к из­менениям нагрузки. Конверсия субстрата также происходит довольно медленно и поэтому обходится дорого. Некоторые проблемы связаны с неудачными инженерными решениями. Тем; не менее этот подход представляется перспективным с точки зрения биотехнологии; например, можно добавить к отходам, ферменты для повышения эффективности процесса или попы­таться усилить контроль за переработкой путем изменения тех или иных биологических параметров (разд. 6.3).

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

При выращивании сообщества различных бактерий на смеси органических соединений происходят сложные биохимические- реакции (рис. 6.6) Метанобразующие бактерии способны к син­тезу энергоносителя непосредственно из водорода и углекисло­го газа. Микроорганизмы, расщепляющие целлюлозу, синтези­руют жирные кислоты, которые могут подвергаться восстанови­тельному расщеплению до метана и углекислого газа; некото­рые бактерии способны даже образовывать молекулярный водород. Описано сложное, взаимозависимое микробное сообще­ство, в котором можно выделить три группы бактерий: бакте­рии, осуществляющие гидролиз и брожение, бактерии, образую­щие водород и уксусную кислоту, а также водородотрофные,. метанобразующие бактерии. Метанобразующие бактерии рас­тут медленно и очень чувствительны к резким изменениям за­грузки реактора и накоплению водорода. Можно надеяться,, что усовершенствование конструкции реактора и контроль за. процессом помогут уменьшить колебания загрузки реактора н позволят контролировать ее, определяя содержание водорода «промежуточных продуктов типа пропионовой и масляной кис­лот. Проблемы перегрузки, особенно существенные в случае промышленных стоков, можно обойти, увеличивая скорости оборота и применяя в качестве буферных систем сточные воды химических предприятий и бытовые сточные воды. Для увели­чения метаногенной активности бактерий можно использовать обычные методы отбора или методы генетической инженерии. Оценить возможность использования данного процесса при пе­реработке смешанных отходов, а также охарактеризовать по­требности в питательных веществах и усовершенствовать на­чальный этап процесса за счет уменьшения количества необ­ходимого микробного посевного материала поможет дальнейшее изучение физиологии и экологии участвующих в процессе микроорганизмов.

Рис. 6.6. Биохимическое расщепление отдельных соединений до метана и угле­вислого газа при анаэробном разложении отходов.

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

К культурам, выращиваемым специально в целях конверсии энергии в газообразное топливо, относится кассава; конечными продуктами служат метанол или этанол. Некоторые страны, например Бразилия, Австралия и Новая Зеландия, намерены к 2000-му году использовать подобные вещества, получаемые биологическим путем, в качестве основного источника топлива. Сходные проекты обсуждаются и в некоторых европейских странах, например в Финляндии, Швеции и Ирландии.

В Англии работа по биоконверсии энергии проводится в рамках Программы по использованию солнечной энергии (ми­нистерства энергетики); за счет этой программы финансиру­ются и проекты ЕЭС по получению энергии биологическими способами. В США используется множество подходов; так, од­но очистное сооружение за счет биологической конверсии бы­тового мусора позволяет получить газ в количестве, достаточ­ном для обеспечения им 12 тыс. домов. Основные микробиоло­гические и технологические проблемы этой технологии и пер­спективы ее применения в развивающихся странах были рас­смотрены на Первой международной конференции по анаэроб­ному разложению, состоявшейся в Кардиффе в 1979 г. Анаэроб­ные ферментеры могут применяться также в целях получения промежуточных продуктов для химической промышленности (например, уксусной, молочной и акриловой кислот в качестве химического сырья, идущего на переработку; гл. 4).

Однако широкое использование анаэробных реакторов в целях получения газообразного топлива сдерживается рядом причин. Традиционно в конструкцию реакторов входили тэнки с мешалками, рассчитанные на длительное пребывание перера­батываемого материала. В целях сокращения этого времени были созданы реакторы, в которых переработанные отходы от­деляются от биомассы, используемой повторно. Чтобы процесс был экономически выгодным, должны быть разработаны не­дорогие конструкции, которые не засоряются и включают про­стые в эксплуатации устройства для отвода тепла. Основные усилия в области анаэробной ферментации должны быть на­правлены на изучение этапов, лимитирующих скорость процес­са. На первом из них происходит гидролиз целлюлозы и крах­мала с образованием растворимых органических кислот и спир­та. Вторым лимитирующим этапом может быть образование метана из этих жирных кислот с короткой цепью. Моделирова­ние процесса разложения осложняется тем, что трудно ска­зать, какие микроорганизмы доминируют на том или ином этапе, и установить, какие именно этапы лимитируют скорость процесса. Возможно, в условиях реактора лимитирующими окажутся другие стадии. Крайне важно определить количество образуемых микроорганизмами газов, особенно водорода, углекислого газа и сероводорода, который ингибирует активность метанобразующих бактерий. Недавно было проведено исследо­вание анаэробного превращения ряда субстратов культурами известных микроорганизмов. 

Рис. 6.7. Три типа установок, использующихся при очистке сточных вод пище­вой промышленности. А. Анаэробный фильтр. Б. Упрощенная схема установки, в которой используется перемешивание с помощью винтового насоса и вытяж­ной трубы. Образование пены контролируется диспергированием содержимого реактора над поверхностью. В. Высокоскоростной реактор Коулзэрда. Это очень сложный процесс; из  природных систем было выделено много новых участвующие в нем типов бактерий.
Промышленное применение систем анаэробного разложения неуклонно возрастает; они используются при переработке отходов животноводческих ферм и промышленных, в том числе1 пищевых, отходов, а также для переработки культур, специально выращиваемых для получения энергии.

Анаэробный реактор с перегородками (дефлекторами)

Реактор со слоем ила и потоком, направленым вверх

Рис. 6.8. Типы реакторов для переработки отходов животноводческих ферм (Л) и различных стоков (5).

На рис. 6.7, 6.8 и 6.9 схематически представлены некоторые из имеющихся в продаже установок. Конструкция реакторов была существенно усовершенствована, что увеличило их эффективность на 300%.Многие новые модели еще не вышли из стен лабораторий или находятся на стадии производственных испытаний, однако некоторые полномасштабные системы уже работают и имеются в про­даже.

Получение энергии из отходов представляет несомненный интерес для развивающихся стран, поскольку эту энергию мож­но извлекать и из природных продуктов. Сотрудничество меж­ду развитыми и развивающимися странами постоянно возрас­тает. В развивающихся странах созданы учерждения для практического использования технологий, разработанных глав­ным образом в Европе и Америке. Некоторые развивающиеся страны ведут самостоятельные исследования в этой сфере и сегодня лидируют в области фундаментальных разработок по возобновляемым источникам энергии.

Рис. 6.9. Анаэробное разложение ила, образовавшегося в сточных водах (А), и отходов животноводческих ферм (5).