Біотехнологія і переробка відходів виробництва

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти та науки України

Полтавська Державна Аграрна Академія

Доповідь

на тему: “ Біотехнологія і переробка відходів виробництва”

Виконав

Шейко А.С.

Полтава 2016

Зміст

Вступ

1. Екологічна біотехнологія

1.1 Проблема утилізації твердих побутових відходів

1.2 Біологічна переробка промислових відходів

1.3 Відходи молочної промисловості; сироватка

1.4 Переробка відходів після очищення води

1.5 Переробка мулу

1.6 Ліквідація мулу

2. Біодеградація твердих відходів

2.1 Біодеградація ксенобіотиків у навколишній середовищі

2.2 Ліквідація токсичних і найнебезпечніших відходів

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Сучасна біотехнологія - цей напрям, покликаний шукати шлях промислового застосування біологічних агентів і процесів. Це комплексна багатопрофільна область, куди входять мікробіологічний синтез, генетична, білкова і клітинна інженерія.

Біотехнологія переважно спирається на використання мікроорганізмів. Тому знання, накопичені мікробіологією про розмаїття світу, про будову, генетиці, фізіології, мінливості, екології мікробів створюють наукове підгрунтя у розвитоку багатьох біотехнологічних виробництв.

У сфері сільського господарства вирішуються питання створення повноцінних кормів тваринам з урахуванням білка одноклітинних. Для переробки відходів сільськогосподарського виробництва використовуються біотехнологічні процеси з допомогою анаеробних і аеробних, термофільних бактерій. Створено нові бактеріальні добрива. Насамперед, біотехнологія перспективна з екологічного погляду.

Основні завдання, які вирішує біотехнологія у справі охорони навколишнього середовища, такі:

>1. Деградація органічних і неорганічних токсичних відходів.

>2. Відновлення ресурсів для повернення речовин вуглецю, азоту, фосфору і сірки.

>3. Відбір цінних видів органічного палива.

Одне з найбільш важливих напрямів біотехнології - обробка стічних вод, твердих викидів, контролю над забрудненням довкілля та створення безвідхідних технологій.

Біотехнологія - це новий шлях людства до порятунку природи.

1. Екологічна біотехнологія

Біотехнологія активно застосовується у цілях очищення всіх компонентів біосфери (води, грунту, повітря та інших.) від забруднюючих речовин. З іншого боку, важливим є як процес очищення, а й зокрема можливість використання виділених відходів у ролі вторинної сировини.

Біологічне очищення стоків. Існують мікроорганізми, котрим забруднення, як у стічних водах, є поживою. На початку 20 століття відбулася революція в очищенні стічних вод з допомогою активного мулу - складної суміші мікроорганізмів.

Біологічне очищення газових викидів. Багато викидів у повітря містять шкідливі чи смердючі домішки. Для їх очищення застосовують біофільтри, заповнені насадкою, де закріплені спеціальні мікроорганізми. Шкідливі домішки збираються на насадці і далі споживаються і знешкоджуються мікроорганізмами.

1.1 Проблема утилізації твердих побутових відходів

У сфері переробки нафти і ліквідації твердих відходів біотехнологічні методи найширше застосовуються для утилізації комунальних відходів та мулу з систем біоочистки стоків.

Традиційно тверді відходи знаходяться на міських звалищах. Усі зростаючі обсяги відходів призводять до виникнення величезної кількості звалищ, збільшення їх площ, і навіть до некерованого потрапляння відходів у довкілля через розсипання їх при транспортуванні. Потому, як зрозуміли, що з анаеробної переробки відходів у великих кількостях утворюється цінний енергетичний носій - біогаз, свої головні зусилля стали спрямовуватися на відповідні організації звалищ й одержання їхньої переробки.

Поведінка відходів у смітнику носить надзвичайно складним характер, оскільки постійно відбувається нашарування нового матеріалу через різні тимчасові проміжки. Внаслідок цього процес піддається дії градієнтів температури, рН, потоків рідини, ферментативної активності тощо. У загальній масі матеріалу звалищ присутній складна асоціація мікроорганізмів, що розвиваються лежить на поверхні твердих частинок, є джерелом біогенних елементів. Усередині асоціації складаються різноманітні взаємозв'язоки харчування та взаємодії. Загалом стан і біокаталітичний потенціал мікробного співтовариства залежить від спектра хімічних речовин матеріалу звалищ, ступеня доступності цих речовин, наявності градієнтів концентрацій різних субстратів, особливо градієнтів концентрацій донорів і акцепторів електронів і водню.

На стадії біодеградації твердих відходів домінують аеробні процеси, у ході під впливом мікроорганізмів (грибів, бактерій, актиноміцетів) і безхребетних (кліщів, нематод та інших.) окисляються найбільш деградуючі компоненти. Є різноманітні методи оцінки ступеня біодеградації твердих відходів. Найбільш інформативним прийнято вважати метод оцінки, заснований на швидкому розкладанні целюлози і лігніну. У неперероблених відходах вміст целюлози становить близько 4,0; в активно перероблюваних - 0,9-1,2 й у повністю стабілізованих відходах - 0,2. Збільшення температури підвищує швидкість перебіг процесів деструкції органічних речовин, та заодно знижується розчинність кисню.

Через війну комплексу процесів, що відбуваються при біодеградації вмісту звалищ, утворюються два типи продуктів - фільтрування у грунт води та гази.

1.2 Біологічна переробка промислових відходів

Невід'ємною рисою будь-якого цивілізованого суспільства є освіта як рідких, так і твердих відходів. Пошук безпечних для здоров'я населення способів їх ліквідації являє собою одну з першорядних завдань. В області переробки і ліквідації твердих відходів біотехнологічними методами найбільш значне місце, як за вартісними, так і по об'ємним показниками займає утилізація мулу стічних вод і твердих комунальних відходів.

Промислові відходи можна в першому наближенні розділити на дві категорії: 1) відходи виробництв, заснованих на використанні біологічних процесів (виробництво харчових продуктів, напоїв, ферментація); 2) відходи хімічної промисловості. У першому випадку відходи мають різний склад і зазвичай переробляються шляхом біологічного окислення, як це робилося традиційно в разі побутового сміття. Однак такий спосіб економічно невигідний, і в даний час широко обговорюється питання про можливість зменшення обсягу розведених стічних вод або їх безпосереднього використання - трансформації (для отримання біомаси або інших цінних продуктів), або ж шляхом вилучення з них цінних сполук.

У численних і багатьох галузях хімічної промисловості утворюється велика кількість відходів, причому чимало їх погано піддаються руйнації й тривалий час є у середовищі. Тому часто перед звичайною біологічною переробкою відходів буває необхідно здійснити їхню попередню хімічну чи фізичну обробку.

У довкілля потрапляють різні типи ксенобіотиків: пластмаси (пластифікатори), вибухонебезпечні речовини, добавки, полімери, барвники, поверхнево-активні речовини пестициди і органічні сполуки - похідні нафти. Що ж до побутового сміття, то тут для її переробки створено широко застосовувані системи, використовують активний мул і зрошувальні фільтри. Стічні ж води хімічної промисловості, зазвичай, відповідають можливостям подібних систем. Інтенсивність перенесення кисню під час процесів, зазвичай що протікають в системах, буває недостатня підтримки максимальної швидкості окислення з участю мікрофлори. Ці процеси чутливі також до коливань у завантаженні реактора, якщо токсичні речовини і інгібітори вступають у систему у зависоких і непостійних концентраціях.

Проблема нестачі кисню, виникає при переробці відходів в хімічній промисловості, у зазвичай використовуваних системах з урахуванням активного мулу. У випадках збільшення швидкості перенесення газу використовували чистий кисень. Завдяки високому змісту розчиненої кисню і турбулентності біомаса підтримується й стає більш стійкою стосовно перевантажень. утилізація ксенобіотик токсичний забруднюючий

У разі токсичних відходів більш придатними виявляються системи, у яких використовуються мікроорганізми, які ростуть у плівках. Такі популяції мікробів не вимиваються із системи, навіть якби їх зростання і метаболізм надають несприятливий вплив. З іншого боку, всередині плівки через обмеження дифузії створюються градієнти концентрації. Це спричиняє зниженню концентрацій токсичних продуктів всередині плівки, отже, до підвищення швидкості їх засвоєння і окислення. Плівка створює також екологічну нішу для організмів, зростання у присутності високих концентрацій відходів при перевантаженнях істотно сповільнюється; Найпростіша форма плівковій системи - цеперколяціонний фільтр, проте такого роду плівки руйнуються, якщо вони стають дуже тонкими, при зменшенні концентрації субстрату лежить на поверхні підкладки. У разі клітини гинуть, і плівка відпадає, засмічуючи фільтри всередині системи переробки відходів. При зависоких концентраціях субстрату відбувається швидке зростання мікроорганізмів, що зумовлює освіті товстої плівки і до її періодичному відшарування. Розробка методів збереження товщини плівки представляє безумовний інтерес. Так, з допомогою повільного обертання диска з полістиролу всередині, товщина плівки підтримується постійно з допомогою гідродинамічних зусиль. Така ефективна просте систему було запропонована очищення стоків з низькою величиною БГЖ . Ще один ефективний метод переробки токсичних відходів insitu.

Відходи, які містять азот чи фосфор, неспроможні підтримувати зростання мікроорганізмів. У разі для окислення токсичних сполук до двоокису вуглецю можна використовувати спочиваючі клітини за умови, що активність їх гідролитичних і окисних ферментів не придушується. Оскільки середовище при переробці відходів відклонних реакторах періодично змінюється, мікроорганізми опиняються у умовах голодування і тоді час їхнього зростання припиняється.

1.3 Відходи молочної промисловості; сироватка

Сироватка є побічним продуктом сироваріння. Її склад залежить від типу використовуваного молока і продукованого сиру. У висушеному чи концентрованому вигляді сироватка застосовувалася тваринам. Недоліком є те, що вона незбалансована з погляду змісту поживних речовин: занадто висока концентрація мінеральних речовин і лактози. Розроблено засоби видобутку з сироватки білків шляхом ультрафільтрації, осадження чи виділення з допомогою іонного обміну. З таких білків можна одержувати білкові гідролізати, використовуючи при цьому ферментери. Після вилучення білків отримують більше об'ємів фільтратів з високими концентраціями лактози (35 - 50 г/л), мінеральних речовин, вітамінів і молочної кислоти, і постає проблема подальшого їх використання.

З сироватки отримують як білкові продукти, та й (шляхом ферментації) сировину для хімічної промисловості (наприклад, етанол). Шляхом хімічного гідролізу лактози з наступним видаленням глюкози з розчину з допомогою ферментації можна одержувати галактозу. Альтернативний біологічний шлях - використання мутантних дріжджів, позбавлених-галактозидази. Такі мутанти зберігають спроможність дигідролізу лактози й використовують глюкозу як джерело вуглецю.

1.4 Переробка відходів після очищення води

Традиційні фізико-хімічні методи переробки стічних чи каналізаційних вод призводить до утворення значної кількості твердих відходів. Деяка частина їх накопичується вже в первинній стадії осадження, інші ж обумовлені приростом біомаси за рахунок біологічного окислення вуглецевмісних компонентів в стічних водах. Тверді відходи спочатку перебувають у вигляді різних суспензий із вмістом твердих компонентів від 1 до 10%. Через це процесам виділення, переробки нафти і ліквідації мулу стоків слід приділяти особливу увагу під час проектування і експлуатації будь-якого підприємства з переробки стічних вод.

У найзагальніших рисах його, технічні методи обробки мулу зводяться до досягнення певного ступеня зневоднення. Вибір процесу чи послідовності процесів у будь-якому технологічному ланцюжку утилізації мулу визначається способом про його ліквідацію, найпридатнішою конкретної виду мулу і слабким місця її переробки. Кожен тип мулу має різні властивості в процесах, як, наприклад, перекачування, хімічна обробка чи фільтрування. Тому "вибір способу переробки визначається переважно економічними показниками процесу, залежними від типу мулу.

1.5 Переробка мулу

До сучасних теорій утилізації мулу, здебільшого необхідно забезпечування певного ступіня зневоднення ще на початок основних процесів переробки. Однією з найпростіших способів досягнення цього є тривале осадження під впливом сили тяжкості - відстоювання. Розрізняють первинне і вторинне відстоювання. Первинне застосовується одразу після скидання стічних вод. Вторинне відстоювання застосовується для мулу, минулого стадію анаеробного зброджування. Складнощі зазвичай пов'язані з наявністю мікропузирьки біогазу, які виникають під час процесу зброджування. Тому перед вторинним відстоюванням зазвичай передбачають операції видалення газу.

Модификация мулу. Зневоднення більшості типів мулу, отриманих у ході різних операцій із переробці стоків - складний процес. Необхідною стадією є попередня обробка мулу з метою поліпшення фільтрації. Це і модифікація його властивостей. Як таких реагентів можна використовувати неорганічні солі (вапно, хлорид заліза, сульфат заліза,хлоргидрат алюмінію) або спеціально підібрані органічні полімери з різноманітною молекулярної масою і іонною спорідненістю.

Хоч би які типи реагентів ні вживалися (неорганічні чи органічні), практично важливо не перевищувати деякою оптимальної дозування. Надлишкова кількість яка веде до марнотратства і збільшення витрат, а часом викликає і погіршення фільтрації.

Аеробну переробка стоків - це найбільш велика область контрольованого використання мікроорганізмів у біотехнології. Вона містить такі стадії:

1) адсорбція субстрату на клітинній поверхні:

2) розщеплення адсорбованого субстрату в не клітковими ферментами;

3) поглинання розчинених речовин клітинами;

4) "виїдання" первинної популяції організмів вторинними споживачами.

У ідеалі це має спричинить від повної мінералізації відходів до простих солей, газів та води. Ефективність переробки пропорційний кількості біомаси і часу контактування її з відходами.

Активний мул.

Переробка відходів з допомогою активного мулу, здійснювана складної сумішшю мікроорганізмів, було запропоновано в 1914 р. Цей процес відбувається ефективніше, ніж фільтрація, і дозволяє переробляти стічні води у кількості, вдесятеро перевищуючи обсяг реактора. Але він має низку недоліків: вищими експлуатаційними видатками через необхідність перемішування; великими труднощами у виконанні і підтримці процесу; освітою великого надлишку біомаси. Попри усе це, процес, активний мул, залишається найпоширенішим методом переробки стічні води в густонаселених районах, адже потребує менших площ, ніж еквівалентна фільтраційна система.

Як і фільтраційні системи, до системи з активним мулом було внесено певні зміни.

1.Градиентная аерація, яка веде інтенсивність аерації у відповідність із потреби у кисні, а її вході більше, ніж виході.

2.Ступінчатая аерація, коли він у всій довжині стічні води надходять із інтервалами.

3. Контактна стабілізація, коли він повторно використовуваний муларизуется, що сприяє повнішої утилізації мікроорганізмами будь-яких доступних поживних компонентів. Це спричиняє повнішої асиміляції відходів при повернення в основні робочі танки.

4. Використання чистого кисню.

1.6 Ліквідація мулу

Захоронення у грунті. У країнах ЄЕС щорічно виходить близько 6 Мг/т мулу, причому до 30% застосовується у ролі добрива в сільському господарстві. Таке використання мулу дуже вигідно, як з погляду зростання врожайності, і у плані поліпшення грунту. Сброженний мул, зазвичай, у вигляді пульпи, містить азоту 5,1; фосфору 1,6 і калію 0,4 %. Доступність цього азоту для сільськогосподарських культур становить 50-85%, а фосфору 20-100%. Отже, рідкий сброженний мул за цих елементів не поступається гною.

Такий спосіб ліквідації ускладнюється двома обставинами: присутністю в мулі патогенних організмів і токсичних елементів. Вважають, що його привид занепокоєння дають два патогенних організму: сальмонельоз і бичачий ціп'як. Однак у мулі можуть бути присутні та інші патогенні види, зокрема паразитичні. Боротьба хворобами полягає в стабілізації мулу. Як альтернативу можливо поховання мулу нижче рівня грунту. Також ще ж поховання у морі та спалювання.

2. Біодеградація твердих відходів

Перед транспортуванням твердих відходів на смітник є підстави піддані обробці, тобто. подрібненню, перемеленню і дробленню. Ця попередня обробка може проводити катаболічні процеси в твердих відходах. На типовому звалищі, де відходи розміщуються по відсікам, вся система загалом працює як група реакторів періодичної дії, у яких відходи перебувають у різних стадіях біодеградації піддаються випадковим впливам, наприклад, потрапляння води, що містить розчинний кисень або різні ксенобіотики. І тут можна застосувати просту модель періодичних култивувань, які у тій послідовності, як і відбувається завантаження. Для традиційного типу звалища можна використовувати модель періодичного культивування з повторним внесенням посівного матеріалу мікроорганізмів і безхребетних.

У стадії катаболізму твердих відходів, супроводжуваного фізичними і хімічними процесами, переважають аеробні процеси, найбільш лабільні молекули швидко руйнуються поруч з безхребетними і мікроорганізмами.

2.1 Біодеградація ксенобіотиків у навколишній середовищі

Якщо ж біохімічна модифікація сполук призводить до підвищення їх токсичності чи збільшує час перебування у середовищі, вона стає лише недоцільною, і навіть шкідливою. Детоксикацію екологічно брудних речовин можна досягти шляхом лише однієї модифікації структури. Доля ксенобіотика залежить від створення низки складним чином взаємозалежних чинників як внутрішнього характеру (стійкістьксенобиотика до різним впливам, розчинність їх у воді, величину і заряд молекули, летючість), і зовнішнього (рН,фотоокисление, вивітрювання). Усі ці фактори визначатимуть швидкість та глибину його перетворення. Швидкість біодеградації ксенобиотика даним співтовариством мікроорганізмів залежить від його здатності проникати у клітини, і навіть від структурної подібності цього синтетичного продукту і природної сполуки, яка піддається біодеградації. У видаленні ксенобіотиків із довкілля важливе значення мають різні механізми метаболізму.

Найчастіше для дослідження біодеградації використовувався традиційний підхід, заснований на виділенні і аналізі властивостей чистих ізоляторів із довкілля. З іншого боку, через гетерогенності середовища у ній формуються місцеперебування для безлічі різних мікроорганізмів з різними метаболічними властивостями. Ці місцеперебування мусять бути взаємопов'язаними один з одним. Ксенобіотики піддаються дії змішаних популяцій мікроорганізмів, тобто. співтовариств, котрим характерні відносини кооперації і взаємодопомоги.

2.2 Ліквідація токсичних і найнебезпечніших відходів

Ліквідація токсичних і найнебезпечніших відходів смітнику, окремо чи разом із твердими відходами, вимагає ретельного вибору місця звалища і матеріалу для огорожі. Часто токсичні і небезпечні рідкі відходи і мули піддаються стабілізації чи відторгненню перед ліквідацією смітнику.

Ліквідація токсичних і найнебезпечніших твердих відходів із звичайними вимагає обліку наступних чинників: типу відходів, сумісності видів мікроорганізмів, навантаження, випаровування, швидкості вимивання, характеристик твердих відходів, температури і водного балансу у цьому місці.

Механізм ослаблення шкідливих впливів може бути як мікробіологічними, і фізико-хімічним. Так, при ліквідації відходів, містять солі барію, засвідчили, що основну роль грають фізико-хімічні механізми, переважно адсорбція. Мікроорганізми побічно беруть участь у цьому процесі, оскільки відбувається осадження барію як карбонату який виділяється мікроорганізмами діоксиду вуглецю, а присутність жирних кислот серйозно впливає на рухливість барію. Радіоактивні відходи також можуть бути піддані мікробної трансформації.

Висновок

Науково-технічний прогрес в промисловості і зменшення природної сировини можуть змінити існуючу оцінку та роль відходів, і раніше непридатні для подальшого виробництва вони повинні стати економічно вигідною сировиною. Тому треба знати основні методи визначення класу небезпечності відходів та оцінки ефективності переробки промислових відходів. Вже тепер реальною є необхідність отримання синтетичного газу та нафти з органічних відходів, які спалюються і забруднюють повітря.

Список використаної літератури

1. Екологічна біотехнологія: Пер. зангл./Под ред. К.Ф.Форстера,Д.А. Дж.Вейза. - Л.: Хімія, 1990. - Пер. вид.: Великобританія, 1987. - 384 з.: мул. ISBN 5 - 7245 - 0418 - 9

2. Бірюков В.В. Основи промислової біотехнології. - М.:КолосС, 2004. - 296 з.: мул. - (Підручники і навчальні посібники для студентіввисш.учеб. закладів).

3. Екологія мікроорганізмів:Учеб. длястуд. вузів / А.І.Нетрусов,Е.А.Бонч-Осмоловская, В.М. Горленка та інших.; Під ред. А.І.Нетрусова. - М.: Видавничий центр «Академія», 2004. - 272 з.

4. Біотехнологія / Т.Г.Волова. - Новосибірськ: Вид-во Сибірського відділення Російської академії наук, 1999. - 252 з.

5.Свергузова С.В., Тарасова Г.І. Основи мікробіології і біотехнології: Навчальний посібник. - Бєлгород: Вид-воБелГТАСМ, 1999. -Ч.2. -96с.

6. Основи мікробіології і біотехнології: методичні вказівки до виконання курсової роботи з студентів спеціальності 280201 - Охорона навколишнього середовища проживання і раціональне використання природних ресурсів /сост. Є. М. Гончарова. - Бєлгород: Вид-воБГТУ, 2009. - 28 з.

Размещено на Allbest.ru