Прикладное использование экологической биотехнологии

12.09.201175820
Осознание мировым сообществом пагубности традиционного неустойчивого пути развития и, как следствие, его стремление привести к равновесию экономические интересы и экологические императивы, равно как и оптимизировать нерациональный рост использования природных ресурсов в интересах настоящего и будущих поколений, способствовало появлению на свет выдающихся прогрессивных достижений и инноваций в различных областях науки и техники. При этом одной из наиболее перспективных и бурно развивающихся сегодня является, без сомнений, междисциплинарная биотехнологическая отрасль, ставшая величайшим триумфом человеческого разума и гармонично сочетающая в себе химические, биологические, инженерные и другие направления научной мысли.



Вместе с тем, одним из наиболее важных ответвлений, в контексте прикладного применения, является экологическая биотехнология (экобиотехнология), специализирующаяся на решении природоохранных задач, таких как, например: восстановление озёрных экосистем, очистка загрязнённых сред от нефти и её производных продуктов, мониторинг окружающей среды и т.д.

При этом в экобиотехнологии успешно применяются на практике следующие базовые методы:
- биологическая очистка сточных вод;
- биологическая очистка и дезодорация газов;
- восстановление поверхностного слоя и свойств почв;
- рециклирование и утилизация (переработка) органических отходов.

Биологическая очистка сточных вод, основанная на возможности использовать микроорганизмами имеющиеся загрязнения в качестве пищевых источников, осуществляется с целью минимизации опасных соединений до регламентированных законом концентраций. В зависимости от масштабов, специфики и схемы работ, сточные воды могут очищаться с помощью городской, производственной или небольшой хозяйственной инфраструктуры естественными (на основе растительных, водных и почвенных экосистем) или искусственными (благодаря специально разработанным сооружениям) методами путём функционирования аэробных (основаны на микроорганизмах, требующих для своей жизнедеятельности наличие кислорода) или анаэробных (характеризуются присутствием микроорганизмов, живущих в условиях отсутствия кислорода) систем.

В частности, при искусственной аэробной очистке, в качестве биоценоза практикуется активный ил, биоплёнка, а также комбинированный вариант. Основными сооружениями, в случае применения активного ила являются: аэротенки, окситенки, фильтротенки, окислительные каналы, мембранные биореакторы, шахтные аппараты, аэроакселераторы. Если в роли биоценоза выступает биоплёнка, рекомендованы следующие сооружения аэробной биологической очистки: биофильтры, биодиски, биобарабаны, симбиотенки. Наконец, при комбинированном варианте биоценоза, необходимо использование: биотенков, биоадсорберов, реакторов со взвешенным слоем.

Сооружения анаэробной биологической очистки классифицируются в зависимости от типа биомассы. При взвешенно-седиментируемой биомассе может использоваться: в традиционном варианте – анаэробная лагуна, контактный реактор, септитенк, метантенк; в инновационном исполнении с гранулами ила – UASB-реактор с восходящим потоком жидкости через слой анаэробного ила (Upflow Anaerobic Sludge Blanket reactor) и его разновидность – EGSB-реактор (Expanded Granular Sludge Bed reactor), реактор с перегородками ABR (Anaerobic Baffled Reactor), IC-реактор с внутренней рециркуляцией (Internal Circulation reactor), реактор переменного действия с чередованием анаэробных условий SBR (Sequence Bath Reactor), мембранный биорекатор. При прикреплённой биомассе может использоваться: в традиционном варианте – анаэробный биофильтр с восходящим потоком; в инновационном исполнении – биофильтр с нисходящим потоком, реактор с псевдоожиженным слоем, гибридный реактор, вращающийся дисковый биофильтр, реактор с носителем биоплёнки и аэрофильтром, многофазный реактор с последовательным протеканием процессов.

Несмотря на высокие капиталовложения при возведении вышеописанных очистных систем, их чувствительность к изменениям окружающей среды, потребность в достаточно больших площадях и ряд других недостатков, в общем случае, в сравнении с аналогичными методами, биологическая очистка сточных вод нередко бывает предпочтительней, поскольку отличается простотой и универсальностью, а также более низкими финансовыми и трудовыми затратами с эксплуатационной точки зрения.

Биологическая очистка и дезодорация газов не менее важны, чем очистка сточных вод, и их роль в обеспечении устойчивого развития сложно переоценить, ибо, как широко известно, человек может прожить несколько недель без еды, несколько дней без воды и лишь несколько минут без воздуха. Хорошей иллюстрацией важности сохранения качества газовой массы на высоком уровне является ситуация со смоговым занавесом, опустившимся на Москву и иные населённые пункты России летом 2010 года – тогда, из-за резкого ухудшения характеристик атмосферного воздуха по причине торфяных пожаров, резко возросло количество смертей среди населения. Здесь же, в качестве примера, можно упомянуть одну из главных проблем современного человека, живущего в экологически неблагополучной среде (особенно, в мегаполисах), – кислородное голодание (гипоксия), способствующее развитию многих заболеваний (сердечно-сосудистой системы, органов дыхания, желудочно-кишечного тракта и др.).

Нужно отметить, что в проблематике загрязнения атмосферы антропогенный фактор, мягко говоря, стоит далеко не на последнем месте. Промышленные предприятия, животноводческие фермы, мусороперерабатывающие заводы, полигоны твёрдых бытовых отходов – вот лишь неполный список рукотворных деструктивных источников, оказывающих непосредственное влияние на химические, физические и биологические факторы, определяющие качество воздуха.

Принимая во внимание объективно сложившуюся ситуацию, когда во многих регионах мира экологичес¬кая обстановка такова, что вредные выбросы во много раз превышают предельно-допустимые концентрации, представляется крайне актуальной не только химическая (хемосорбция, нейтрализация, каталитическая очистка, окисление в коронном электрическом разряде и т. п.) и физическая (абсорбция, адсорбция, компримирование, мембранная сепарация и т. п.), но и биологическая очистка газовоздушных выбросов — процесс биологического окисления растворимых в воде загрязнителей воздуха, разлагающихся на микробиологическом уровне, протекающий благодаря способности некоторых микроорганизмов воздействовать на спирты, кетоны, альдегиды, эфиры, органические кислоты, а также ароматические, азото- и серосодержащие соединения.

Что касается микробилогических методов дезодорации газов, то: при твёрдой фазе используются биофильтры с почвенной основой, либо различными носителями (неорганическими, синтетическими, природными органическими); при жидкой фазе применяются биоабсорбционные установки или биосорберы с диспергированием газа (барботирование) или жидкости (биоскруббер). При этом биологическая дезодорация, по сравнению с традиционными физическими и химическими методами, доступнее в реализации и более эффективна.

Вопросы восстановления поверхностного слоя и свойств почв занимают особое место в экобиотехнологической отрасли, поскольку очистка и восстановление природных сред (в том числе, почв, грунтов, донных осадков), в рамках доктрины устойчивого развития, являются, без преувеличения, одними из насущных потребностей человечества. При этом нельзя не констатировать тот факт, что в последние годы достигнуты большие успехи в области использования биотехнологии в целях решения вышеобозначенной проблематики. В связи с этим, наряду с небиологическими методами (механическими, химическими, физико-химическими), в настоящее время, активно развивается биоремедиацонное направление, позволяющее при малых финансовых вливаниях безопасно и эффективно очищать природные среды за счёт способности живых организмов концентрировать и расщеплять загрязнения. Среди способов биоремедиации можно выделить следующие: самоочищение, биостимулирование in situ (осуществляется на месте загрязнения), биоремедиация ex situ (с транспортировкой загрязнённого материала к месту проведения очистных мероприятий), биоаугментация (введение в нужном количестве специально подобранного биоматериала в загрязнённую среду), биоконцентрирование (локализация загрязняющих веществ в единую биомассу в результате жизнедеятельности микроорганизмов путём иммобилизации, адсорбции, образования связанных остатков), биомобилизация (активизация веществ-загрязнителей; при этом наиболее значимым процессом, повышающим подвижность химических элементов, является биовыщелачивание), реакционно-активные биобарьеры (устанавливаются на пути миграции загрязнений), фиторемедиация (в качестве инструмента очистки природных сред используются зелёные растения).

Переработка органических отходов, занимающих немалые земельные площади, наряду с другими рассмотренными прикладными направлениями экологической биотехнологии, чрезвычайно важна в плоскости усилий мирового сообщества в деле восстановления до приемлемого уровня безопасности окружающей среды и её сохранения в состоянии, позволяющем комфортное существование и высокоуровневое развитие цивилизации.

Стоит сказать, что хотя биологическая переработка отходов не лишена недостатков и более длительна, чем физические и химические методы, но, вместе с тем, она более экологична, экономична и эффективна, а также, что немаловажно, позволяет минимизировать образование вторичных отходов.

Целесообразность применения конкретных биотехнологических способов обезвреживания и переработки отходов напрямую зависит от характера последних.

Так, если имеют место растительные отходы, то корректно оперировать такими способами, как: компостирование, вермикомпостирование, метаногенерация, силосование, генерация тепла, обработка в биореакторах, биомодификация, получение белка одноклеточных организмов и биотоплива, выращивание грибов, делигнификация.

При отходах, богатых растворённой органикой, биотехнология предлагает: получение продуктов микробиологической и ферментативной переработки, анаэробное сбраживание, метаногенерацию, обработку в биореакторах.

Для биотехнологической переработки твёрдых белок- и жиросодержащих отходов, а также осадочных дрожжей, целесообразно следующее: получение пищевых и кормовых добавок, компонентов биологического происхождения, биологически активных веществ, продуктов микробиологической переработки, метаногенерация, переработка в органо-минеральные удобрения, обработка в биореакторах.

Если в роли отходов выступают навоз, птичий помёт и подстилка, то в этом случае подойдут такие биотехнологические способы: компостирование, вермикомпостирование, сбраживание, метаногенерация, получение органо-минеральных удобрений, переработка в кормовые добавки, обработка в биореакторах.

Осадки и активный ил очистных сооружений хорошо поддаются манипулированию при использовании методов: анаэробное сбраживание в метантенках и септитенках, компостирование, вермикомпостирование, аэробная стабилизация, переработка на иловых площадках, получение органо-минеральных удобрений.

Донные осадки подвержены воздействию ряда биотехнологических процессов, а именно: биоремедиация, биовыщелачивание, биорекультивация, фиторемедиация, фитоэкстракция, фитостабилизация.

Для обработки твёрдых бытовых отходов (ТБО) эффективны такие методы, как: компостирование, вермикомпостирование и метаногенерация.

Минеральные взвеси, илистые наносы, поступающие с поверхностными смывами и ливневыми стоками, хорошо поддаются переработке при использовании следующих биотехнологических способов: агротехнические приёмы, планировка ландшафтов, озеленение, заградительные биобарьеры, биоплато, фитостабилизация, фитомелиорация, биофлокуляция.

При отходах в виде резинотехнических изделий, возможны следующие биотехнологические варианты переработки: биологическая девулканизация, активирование вулканизации, биомодификация.

Если требуется переработать минеральные и древесные строительные материалы и пластики, наиболее предпочтительным способом является биомодификация.

Для качественной переработки пластиков приемлемы перечисленные далее биотехнологические способы: биодеструкция и биодеградация, получение биопластиков и биоразлагаемых полимерных материалов.

Если отходами, которые нуждаются в переработке, являются радиоактивные материалы, то в таком случае адекватными способами с точки зрения биотехнологии, являются: биодеструкция, биовыщелачивание, биосорбция.

Таким образом, как было показано выше, прикладное использование экологической биотехнологии, призванной защищать природные экосистемы от негативных воздействий, открывает широкие возможности по очистке сточных вод и газовоздушных выбросов, восстановлению природных сред, рециклированию и утилизации органических отходов, а значит, представляет собой исключительно важный инструментарий для успешной реализации концепции устойчивого развития.

Пайлеванян Б.С. для журнала «Коммерческая биотехнология»

Данные автора:


Бениамин Спиридонович Пайлеванян,
кандидат технических наук
контакты: http://paylevan.tel/

Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей