МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФедеральное государственное образовательное учреждение высшего пРофессионального образования российский государственный аграрный университет – МСха имени К.А. Тимирязева (ФГОУ ВПО ргау - МСХА имени К.А. Тимирязева) |
Факультет Агрономический
Кафедра Микробиологии и иммунологии
Дисциплина Микробиология
Реферат на тему:
Работу проверила :
Емцев В.Т.
Москва 2011г.
Введение
Современная биотехнология – это направление, призванное изыскивать пути промышленного применения биологических агентов и процессов. Это комплексная многопрофильная область, включающая микробиологический синтез, генетическую, белковую и клеточную инженерию, инженерную энзимологию.
Биотехнология в основном опирается на использование микроорганизмов. Поэтому знания, накопленные микробиологией о многообразии мира, о строении, генетике, физиологии, изменчивости, экологии микробов создают научную основу для развития многих биотехнологических производств. Традиционное сырьё для различных отраслей химической и перерабатывающей промышленности (нефть и газ) истощается, а это приведёт к тому, что всё более широко будут использоваться ресурсы биомассы.
Бродильное производство и технология на основе ферментов будут основными источниками моторного топлива 21 века.
Помимо новых способов получения химических веществ из биомассы, биотехнология даёт нам также более эффективные и производственные катализаторы для осуществления химических взаимопревращений.
Для переработки отходов сельскохозяйственного производства используются биотехнологические процессы с помощью анаэробных и аэробных, термофильных бактерий. Созданы новые бактериальные удобрения. Прежде всего, биотехнология перспективна с экологической точки зрения.
Биотехнология активно применяется в целях очистки всех компонентов биосферы (воды, почвы, воздуха и др.) от загрязняющих веществ. Кроме того, существенным является не только сам процесс очистки, но и возможность использования выделенных отходов в качестве вторичного сырья.[5]
Типы отходов
Интенсивный рост промышленности и городов привели к увеличению загрязнения окружающей среды. Результатом деятельности промышленных предприятий является образование отходов. Виды отходов самые разнообразные, и, соответственно, методы их обработки и переработки многочисленны. Органические отходы в соответствии с источником подразделяются на бытовые, промышленные и сельскохозяйственные, а по физическому состоянию – на жидкие, полужидкие текучие и твёрдые. Типы органических отходов и методы их биологической обработки представлены в таблице №1.[3]
Типы органических отходов и методы их биологической обработки.
Таблица №1.
| Физическое состояние | Типы отходов | ХПК, мг/л | Вид обработки | Преимущество |
| Жидкое (сточные воды) | Городские Промышлен- ные Навозные стоки при гидросмывн- ной уборке | 200-500 300 – 50000 1000 – 3000 | Аэробная То же Анаэробная Аэробная Выдерживание в отстойниках Анаэробная | Глубокая очистка То же Отсутствие избыточного ила Очистка воды Дешевизна, удобрение Удобрение |
| Полужидкое (текучее) | Осадки сточных вод Навоз при самотечной уборке | 4000 – 6000 2000 – 7000 | Анаэробная То же | Метан, отсутствие запаха Метан, удобрение, отсутствие запаха |
| Твёрдое | Твёрдые бытовые (ТБО) Органическая часть ТБО Подстилоч-ный навоз | Анаэробная То же Компостиро-вание Анаэробная Компостиро-вание | Метан Метан, удобрение Удобрение Метан, удобрение Дешёвое, качествен ное удобрение |
Компостирование – это экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности. В процессе биодеградации органический субстрат претерпевает физические и химические превращения с образованием стабильного гумифицированного конечного продукта. Этот продукт представляет ценность для сельского хозяйства и как органическое удобрение, и как средство, улучшающее структуру почвы.
Отходы, поддающиеся компостированию, варьируют от городского мусора, представляющего собой смесь органических и неорганических компонентов, до более гомогенных субстратов, таких как навоз, отходы растениеводства, сырой активный ил и нечистоты. В процессе компостирования удовлетворяется в основном потребность в кислороде, органические вещества переходят в более стабильную форму, выделяются диоксид углерода и вода и возрастает температура. В естественных условиях процесс биодеградации протекает медленно, на поверхности земли, при температуре окружающей среды и в основном в анаэробных условиях. Естественный процесс разложения может быть ускорен, если перерабатываемый субстрат собрать в кучи, что позволит сохранить часть теплоты, выделяющейся при ферментации, и достигнуть более высокой скорости реакции. Этот ускоренный процесс и есть процесс компостирования.
Важными параметрами являются соотношение углерода и азота и мультидисперсность субстрата, необходимая для нормальной аэрации. Навоз, сырой активный ил и многие растительные отходы имеют низкое отношение углерода к азоту, высокую влажность и плохо поддаются аэрации. Их необходимо смешивать с твёрдым материалом, собирающим влагу, который обеспечит дополнительный углерод и нужную для аэрации структуру смеси.
Компостирование представляет собой динамический процесс, протекающий благодаря активности сообщества живых организмов различных групп. Основные группы организмов, принимающих участие в компостировании:
В процессе компостирования принимает участие множество видов бактерий (более 2000) и не менее 50 видов грибов. Эти виды можно подразделить на группы по температурным интервалам, в которых каждая из них активна. Для психрофилов предпочтительна положительная температура ниже 20 °C, для мезофилов — 20–40 °C и термофилов — 40–50 °C. Микроорганизмы, которые преобладают на последней стадии компостирования, являются, как правило, мезофилами.
Хотя количество бактерий в компосте очень велико (108–109 м. к./г влажного компоста), из-за малых размеров они составляют менее половины общей микробной биомассы.
Актиномицеты растут гораздо медленнее, чем бактерии и грибы, и на ранних стадиях компостирования не составляют им конкуренции. Они более заметны на последующих стадиях процесса, когда их становится очень много, и налёт белого или серого цвета, типичный для актиномицетов, отчётливо виден на глубине 10 см от поверхности компостируемой массы. Их численность ниже численности бактерий и составляет порядка 105–108 клеток на грамм влажного компоста.
Грибы играют важную роль в деструкции целлюлозы, и состояние компостируемой массы должно регулироваться таким образом, чтобы оптимизировать активность этих микроорганизмов. Важным фактором является температура, так как грибы погибают, если она поднимается выше 55 °C. После понижения температуры они вновь распространяются из более холодных зон по всему объёму.
В процессе компостирования принимают активное участие не только бактерии, грибы, актиномицеты, но и беспозвоночные животные. Эти организмы сосуществуют с микроорганизмами и являются основой «здоровья» компостной кучи в дружной команде компостёров, это — муравьи, жуки, сороконожки, гусеницы озимой совки, ложные скорпионы, личинки фруктового жука, многоножки, клещи, нематоды, дождевые черви, уховёртки, мокрицы, ногохвостки, пауки, пауки-сенокосцы, энхитрииды (белые черви) и др.
После того, как достигается максимум температуры, компост, остывая, становится доступным для широкого ряда почвенных животных. Многие почвенные животные вносят большой вклад в переработку компостируемого материала посредством его физического дробления. Эти животные также способствуют перемешиванию разных компонентов компоста. В умеренном климате главную роль в заключительных стадиях процесса компостирования и дальнейшего включения органического вещества в почву играют земляные черви. Таким образом, компостирование — комплексный, многостадийный процесс. Каждая его стадия характеризуется различными консорциумами организмов.
turboreferat.ru
Рис. 1. Стадии компостирования
Фазы компостирования (рис. 1) состоят из:
Фаза 1 (lag phase) начинается сразу после внесения свежих отходов в компостную кучу. В течение этой фазы микроорганизмы адаптируются к типу отходов и условиям обитания в компостной куче. Распад отходов начинается уже на этой стадии, но общая численность популяции микробов ещё невелика, температура невысока.
Фаза 2 (mesophilic phase). На протяжении этой фазы процесс распада субстратов усиливается. Численность микробной популяции возрастает преимущественно за счёт мезофильных организмов, адаптирующихся к низким и умеренным температурам. Эти организмы быстро разлагают растворимые, легко деградируемые компоненты, такие как простые сахара и углеводы. Запасы этих веществ быстро истощаются, микробы начинают разлагать более сложные молекулы, такие как целлюлоза, гемицеллюлоза и белки. После потребления этих веществ микробы выделяют комплекс органических кислот, которые служат источником пищи для других микроорганизмов. Однако не все образовавшиеся органические кислоты поглощаются, что приводит к их избыточному накоплению и, как результат, к понижению pH среды. pH служит индикатором окончания второй стадии компостирования. Но это явление временное, поскольку избыток кислот ведёт к гибели микроорганизмов.
Фаза 3 (thermophilic phase). В результате микробного роста и метаболизма происходит повышение температуры. Когда температура повышается до 40 °C и выше, мезофильные микроорганизмы замещаются микробами, более устойчивыми к высоким температурам — теромофилами. При достижении температуры 55 °C большинство патогенов человека и растений погибает. Но если температура превысит 65 °C, погибнут и аэробные термофилы компостной кучи. Благодаря высокой температуре происходит ускоренный распад белков, жиров и сложных углеводов типа целлюлозы и гемицеллюлозы — основных структурных компонентов растений. В результате исчерпывания пищевых ресурсов обменные процессы идут на убыль, и температура постепенно снижается.
Фаза 4 (final phase). Вследствие падения температуры до мезофильного диапазона в компостной куче начинают доминировать мезофильные микроорганизмы. Температура является наилучшим индикатором наступления стадии созревания. В данной фазе оставшиеся органические вещества образуют комплексы. Этот комплекс органических веществ устойчив к дальнейшему разложению и называется гуминовыми кислотами или гумусом.[2]
Биохимические принципы компостирования Компостирование – биохимический процесс, предназначенный для преобразования твердых органических отходов в стабильный, подобный гумусу продукт. Упрощенно компостированием называют биохимический распад органических составных частей органических отходов в контролируемых условиях. Применение контроля отличает компостирование от естественно протекающих процессов гниения или разложения. Процесс компостирования зависит от активности микроорганизмов, которые нуждаются в источнике углерода для получения энергии и биосинтеза клеточного матрикса, а также в источнике азота для синтеза клеточных белков. В меньшей степени микроорганизмы нуждаются в фосфоре, калии, кальции и других элементах. Углерод, который составляет около 50% общей массы микробных клеток, служит источником энергии и строительным материалом для клетки. Азот является жизненно важным элементом при синтезе клеткой белков, нуклеиновых кислот, аминокислот и ферментов, необходимых для построения клеточных структур, роста и функционирования. Потребность в углероде у микроорганизмов в 25 раз выше, чем в азоте. В большинстве процессов компостирования эти потребности удовлетворяются за счет исходного состава органических отходов, только отношение углерода к азоту (C:N) и, изредка, уровень фосфора могут нуждаться в корректировке. Свежие и зеленые субстраты богаты азотом (так называемые «зеленые» субстраты), а коричневые и сухие (так называемые «коричневые» субстраты) – углеродом (таблица 2). Для образования компоста огромное значение имеет углерод-азотный баланс (отношение C:N). Соотношение C:N представляет собой отношение веса углерода (но не числа атомов!) к весу азота. Количество необходимого углерода значительно превосходит количество азота. Контрольное значение этого соотношения при компостировании равняется 30:1 (30г углерода на 1г азота). Оптимальным считается соотношение C:N, равное 25:1. Чем больше углерод-азотный баланс отклоняется от оптимального, тем медленнее протекает процесс. Если твердые отходы содержат большое количество углерода в связанной форме, то допустимое углерод-азотное отношение может быть выше 25/1. Более высокое значение этого отношения приводит к окислению избыточного углерода. Если этот показатель значительно превышает указанное значение, доступность азота снижается, и микробный метаболизм постепенно затухает. Если соотношение меньше оптимального значения, как это бывает в активном иле или навозе, азот будет удаляться в виде аммиака, часто в больших количествах. Потеря азота за счет улетучивания аммиака может быть частично восполнена благодаря активности бактерий-азотфиксаторов, появляющихся, в основном, при мезофильных условиях на поздних стадиях биодеградации.
ТАБЛИЦА 2. СООТНОШЕНИЕ УГЛЕРОДА И АЗОТА В НЕКОТОРЫХ СУБСТРАТАХ.
Основным вредным эффектом слишком низкого отношения C/N является потеря азота в результате образования аммиака и его последующего улетучивания. Между тем, сохранение азота очень важно для образования компоста. Потеря аммиака становится наиболее ощутимой при высокоскоростных процессах компостирования, когда возрастает степень аэрации, создаются термофильные условия и рН достигает 8 и более. Такое значение рН благоприятствует образованию аммиака, а высокая температура ускоряет его улетучивание. Неопределенность величины потери азота делает сложным точное определение требуемого начального значения C:N, но на практике оно рекомендуется в пределах 25:1 – 30:1. При низких значениях этого соотношения потеря азота в форме аммиака может быть частично подавлена добавлением избыточных фосфатов (суперфосфат). В процессе компостирования происходит существенное снижение соотношения от 30:1 до 20:1 в конечном продукте. Соотношение C:N постоянно снижается, поскольку во время поглощения углерода микробами 2/3 его высвобождается в атмосферу в виде углекислого газа. Оставшиеся 1/3 совместно с азотом включаются в состав микробной биомассы. Поскольку при формировании компостной кучи не практикуется взвешивание субстрата, смесь готовится из равных частей «зеленого» и «коричневого» компонентов. Регулирование соотношения углерода и азота базируется на качестве и количестве того или иного вида отходов, которые используют при закладке кучи. Поэтому компостирование считается искусством и наукой одновременно. Вычисление отношения углерода к азоту (C:N)
Существует несколько способов вычисления отношения углерода к азоту. Мы приводим самый простой, взяв в качестве образца навоз. В органическом веществе полуперепревшего и перепревшего навоза содержится примерно 50% углерода (С). Зная это, а также зольность навоза и общее содержание в нем азота в пересчете на сухое вещество, можно определить отношение C:N по следующей формуле: C:N = ((100-A)*50)/(100*X) где А – зольность навоза, %; (100 – А) – содержание органического вещества, %; Х – содержание общего азота в расчете на абсолютно сухой вес навоза, %. Например, если зольность А = 30%, а содержание общего азота в навозе = 2%, тогда C:N = ((100-30)*50)/(100*2) = 17
Критические факторы компостирования Процесс естественного разложения субстрата при компостировании может быть ускорен благодаря контролю не только за соотношением углерода и азота, но и за влажностью, температурой, уровнем кислорода, размером частиц, размером и формой компостной кучи, рН. 1.Питательные вещества и добавки Помимо вышеуказанных веществ, необходимых для роста и размножения микроорганизмов – основных деструкторов органических отходов, для увеличения скорости компостирования применяются различные химические, растительные и бактериальные добавки. За исключением возможной потребности в дополнительном азоте, большинство отходов содержит все необходимые питательные вещества и широкий спектр микроорганизмов, что делает их доступными для компостирования. Очевидно, что начало термофильной стадии можно ускорить возвращением некоторого количества готового компоста в систему. Носители (древесная щепа, солома, опилки и др.) обычно необходимы для поддержания структуры, обеспечивающей аэрацию при компостировании таких отходов, как сырой активный ил и навоз. 2. рН рН является наиболее важным показателем «здоровья» компотной кучи. Как правило, рН бытовых отходов во второй фазе компостирования достигает 5,5–6,0. Фактически эти значения рН являются индикатором того, что процесс компостирования начался, то есть вступил в лаг-фазу. Уровень рН определяется активностью кислотообразующих бактерий, которые разлагают сложные углеродсодержащие субстраты (полисахариды и целлюлозу) до более простых органических кислот. Значения рН поддерживаются также ростом грибов и актиномицетов, способных разлагать лигнин в аэробной среде. Бактерии и другие микроорганизмы (грибы и актиномицеты) в различной степени способны разлагать гемицеллюлозу и целлюлозу. Микроорганизмы, которые продуцируют кислоты, могут также утилизировать их в качестве единственного источника питания. Конечным результатом является рост рН до 7,5–9,0. Попытки контролировать рН соединениями серы неэффективны и нецелесообразны. Поэтому более важным является управление аэрацией посредством контроля анаэробных условий, узнаваемых по ферментации и гнилостному запаху. Роль рН в компостировании определяется тем, что многие микроорганизмы, как и беспозвоночные, не могут выживать в очень кислой среде. К счастью, рН, как правило, контролируется естественным путем (карбонатная буферная система). Следует иметь в виду, если вы решили корректировать рН посредством нейтрализации кислоты или щелочи, то это приведет к образованию соли, что может вызвать негативное воздействие на «здоровье» кучи. Компостирование легко протекает при значениях рН, равных 5,5–9,0, но наиболее эффективно – в диапазоне 6,5–9,0. Важным требованием ко всем компонентам, вовлекаемым в компостирование, является слабая кислотность или слабая щелочность в начальной стадии, но зрелый компост должен иметь рН в интервале, близком к нейтральным значениям рН (6,8–7,0). В случае, если система превращается в анаэробную, накопление кислоты может привести к резкому снижению рН до 4,5 и значительному ограничению микробной активности. В таких ситуациях аэрация становится тем спасительным кругом, который вернет рН до допустимых значений. Оптимальный диапазон рН для большинства бактерий находится в пределах 6-7,5, а для грибов он может быть между 5,5 и 8. 3. Аэрация При нормальных условиях компостирование представляет собой аэробный процесс. Это означает, что для метаболизма и дыхания микробов необходимо присутствие кислорода. В переводе с греческого aero означает воздух, а bios – жизнь. Микробы используют кислород чаще других окисляющих агентов, поскольку с его участием реакции протекают в 19 раз энергичнее. Идеальной считается концентрация кислорода, равная 16 – 18,5%. В начале компостирования концентрация кислорода в порах составляет 15-20%, что равноценно его содержанию в атмосферном воздухе. Концентрация углекислого газа варьирует в диапазоне 0,5-5,0%. В процессе компостирования концентрация кислорода снижается, а углекислого газа – возрастает. Если концентрация кислорода падает ниже 5%, возникают анаэробные условия. Контроль содержания кислорода в выходящем воздухе полезен для регулировки режима компостирования. Самый простой способ такого контроля – обоняние, так как запахи разложения указывают на начало анаэробного процесса. Поскольку анаэробная активность характеризуется дурными запахами, то допускаются небольшие концентрации дурно пахнущих веществ. Компостная куча действует как биофильтр, улавливающий и обезвреживающий зловонные компоненты. Некоторые компостные системы способны пассивно поддерживать адекватную концентрацию кислорода посредством природной диффузии и конвекции. Другие системы нуждаются в активной аэрации, обеспечиваемой продуванием воздуха или переворачиванием и смешиванием компостируемых субстратов. При компостировании таких отходов, как сырой активный ил и навоз, для поддержания структуры, обеспечивающей аэрацию, обычно используются носители (древесная щепа, солома, опилки и др.). Аэрация может осуществляться естественной диффузией кислорода в компостируемую массу посредством перемешивания компоста вручную, с помощью механизмов или принудительной аэрации. Аэрация имеет и другие функции в процессе компостирования. Поток воздуха удаляет диоксид углерода и воду, образующиеся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, а также отводит теплоту благодаря испарительному теплопереносу. Потребность в кислороде меняется в течение процесса: она низка в мезофильной стадии, возрастает до максимума в термофильной стадии и падает до нуля во время стадии остывания и созревания. При естественной аэрации центральные участки компостируемой массы могут оказаться в условиях анаэробиоза, поскольку скорость диффузии кислорода слишком низка для протекающих метаболических процессов. Если материал, образующий компост, имеет анаэробные зоны, то могут возникнуть масляная, уксусная и пропионовая кислоты. Однако кислоты вскоре используются бактериями в качестве субстрата, и с образованием аммиака начинает подниматься уровень рН. В таких случаях перемешивание вручную или механическое позволяет воздуху проникнуть в анаэробные участки. Перемешивание способствует также диспергированию крупных фрагментов сырья, что увеличивает удельную поверхность, необходимую для биодеградации. Управление процессом перемешивания обеспечивает переработку большей части сырья в термофильных условиях. Чрезмерное перемешивание приводит к охлаждению и высыханию компостируемой массы, к разрывам в мицелии актиномицетов и грибов. Перемешивание компоста в кучах может быть слишком затратным с точки зрения использования машин и ручного труда, и поэтому частота перемешивания представляет собой компромисс между экономичностью и потребностями процесса. При использовании установок для компостирования рекомендуется чередовать периоды активного перемешивания с периодами без перемешивания. 4. Влажность Компостные микробы нуждаются в воде. Разложение осуществляется гораздо быстрее в тонких жидких пленках, образованных на поверхностях органических частиц. 50–60% влаги считается оптимальным содержанием для осуществления процесса компостирования, но при использовании носителей возможны и большие значения. Оптимальная влажность варьирует и зависит от природы и размера частиц. Содержание влаги менее 30% подавляет бактериальную активность. При влажности менее 30% от общей массы скорость биологических процессов резко падает, а при влажности 20% они могут вовсе прекратиться. Влажность более 65% препятствует диффузии воздуха в кучу, что значительно снижает деградацию и сопровождается зловонием. При слишком большой влажности пустоты в структуре компоста заполняются водой, которая ограничивает доступ кислорода к микроорганизмам. Наличие влаги определяется на ощупь при нажатии на комочек компоста. Если при нажатии выделяется 1-2 капли воды, то влажность компоста достаточная. Материалы типа соломы устойчивы к высокой влажности. Вода образуется в ходе компостирования за счет жизнедеятельности микроорганизмов и теряется за счет испарения. В случае применения принудительной аэрации потери воды могут быть значительными, и возникает необходимость в дополнительном внесении воды в компост. Это может быть достигнуто поливом водой или добавлением активного ила и других жидких отходов. 5. Температура Температура служит хорошим показателем процесса компостирования. Температура в компостной куче начинает подниматься через несколько часов с момента закладки субстрата и меняется в зависимости от стадий компостирования: мезофильной, термофильной, остывание, созревание. В начале процесса отходы находятся при температуре окружающей среды, рН в них слабокислое. В начальной, мезофильной, стадии микроорганизмы, присутствующие в отходах, начинают быстро размножаться, температура повышается до 42 градусов Цельсия, и среда подкисляется за счет образования органических кислот. При увеличении температуры выше 40 градусов Цельсия происходит гибель исходных мезофиллов, им на смену приходят термофилы. Это поднимает температуру до 60 градусов Цельсия, при которой грибы теряют свою активность. После 62 градусов Цельсия процесс продолжают спорообразующие бактерии и актиномицеты, рН становится щелочным за счет выделения аммиака при распаде белков. В течение термофильной фазы легко разлагаемые субстраты – сахара, крахмал, жиры, белки – быстро потребляются, и скорость реакции начинает падать после того, как в нее вовлекаются более устойчивые субстраты. При этом скорость тепловыделения становится равной скорости теплопотери, что соответствует достижению температурного максимума. Затем компост вступает в стадию остывания. В некоторых случаях (часто при компостировании старых отходов) имеет место несколько температурных максимумов. В этой точке куча компоста достигает стабильного состояния. Легко усваиваемые соединения уже распались, основная потребность в кислороде удовлетворена, компостируемый материал перестает привлекать мух и паразитов и дурно пахнуть, так как легко доступные азот и сера связаны новыми микроорганизмами. В течение стадии остывания, которая следует за температурным максимумом, рН медленно падает, но остается щелочным. Термофильные грибы из более холодных зон вновь захватывают весь объем и вместе с актиномицетами потребляют полисахариды, гемицеллюлозу и целлюлозу, разрушая их до моносахаридов, которые впоследствии могут быть утилизированы широким спектром микроорганизмов. Скорость тепловыделения становится очень низкой, и температура падает до значений таковой окружающей среды. Первые три стадии компостирования протекают относительно быстро (за дни или недели) в зависимости от типа используемой системы компостирования. Заключительная стадия компостирования – созревание, в течение которой потери массы и тепловыделения малы, – длится несколько месяцев. В этой стадии происходят сложные реакции между остатками лигнина из отходов и белками погибших микроорганизмов, приводящие к образованию гуминовых кислот. Компост не разогревается, в нем не происходят анаэробные процессы при хранении, он не отнимает азот у почвы при внесении в нее (процесс иммобилизации азота микроорганизмами). Конечное значение рН – слабощелочное. Высокая температура часто считается необходимым условием успешного компостирования. На самом деле при слишком высокой температуре процесс биодеградации подавляется из-за ингибирования роста микроорганизмов, очень немногие виды сохраняют активность при температуре свыше 70 градусов Цельсия. Порогом, после которого наступает подавление, служит температура около 60 градусов Цельсия, и поэтому высокие температуры в течение длительного периода должны быть исключены при быстром компостировании. Однако температура порядка 60 градусов Цельсия полезна для борьбы с термочувствительными патогенными микроорганизмами. Поэтому необходимо поддерживать условия, при которых, с одной стороны, будет гибнуть патогенная микрофлора, а с другой – развиваться микроорганизмы, ответственные за деградацию. Для этих целей рекомендуемым оптимумом является температура 55 градусов Цельсия. Управление температурой может быть достигнуто с помощью принудительной вентиляции в ходе компостирования. Отвод тепла осуществляется с помощью системы испарительного охлаждения. Основными факторами в разрушении патогенных организмов в процессе образования компоста являются тепло и антибиотики, продуцируемые микроорганизмами-деструкторами. Высокая температура держится в течение времени, достаточного для гибели патогенов. Наилучшими условиями для образования компоста являются мезофильный и термофильный температурные пределы. Благодаря многим группам организмов, принимающим участие в процессе образования компоста, диапазон оптимальных температур для этого процесса в целом является очень широким – 35-55 градусов Цельсия. 6. Дисперсность частиц Основная микробная активность проявляется на поверхности органических частиц. Следовательно, уменьшение размера частицы ведет к увеличению площади поверхности, а это, в свою очередь, казалось бы, должно сопровождаться ростом микробной активности и скорости разложения. Однако, когда частицы слишком малы, они плотно слипаются друг с другом, ухудшая циркуляцию воздуха в куче. Это уменьшает поступление кислорода и существенно понижает микробную активность. Размер частиц влияет также на доступность углерода и азота. Допустимый размер частиц находится в диапазоне 0,3–5 см, но варьирует в зависимости от характера сырья, размера кучи и погодных условий. Необходим оптимум в размере частиц. Для механизированных установок с перемешиванием и принудительной аэрацией частицы могут иметь размер после измельчения 12,5 мм. Для неподвижных куч с естественной аэрацией наилучшим является размер частиц порядка 50 мм. Желательно также, чтобы сырье для компостирования содержало максимум органического материала и минимум неорганических остатков (стекло, металл, пластмасса и др.). 7. Размер и форма компостной кучи Различные органические соединения, присутствующие в компостируемой массе, имеют различную теплоту сгорания. Белки, углеводы и липиды имеют теплоту сгорания в пределах 9-40 кДж. Количество выделяющейся при компостировании теплоты весьма значительно, так что при компостировании больших масс могут достигаться температуры порядка 80-90 градусов Цельсия. Эти температуры намного превосходят оптимальную, равную 55 градусов Цельсия, и в таких случаях может понадобиться испарительное охлаждение посредством испарительной аэрации. Малые количества компостируемого материала имеют высокое отношение поверхности к объему. Компостная куча должна иметь достаточный размер для предотвращения быстрой потери тепла и влаги и обеспечения эффективной аэрации во всем объеме. При компостировании материала в кучах в условиях естественной аэрации их не следует складывать больше 1,5 м в высоту и 2,5 м в ширину, в противном случае диффузия кислорода к центру кучи будет затруднена. При этом куча может быть вытянута в компостный ряд любой длины. Минимальный размер кучи – около одного метра кубического. Максимально приемлемый размер кучи – 1,5м х 1,5м при любой длине. Штабель может быть любой длины, но его высота имеет определенное значение. Если штабель уложен слишком высоко, то материал будет сжат собственной массой, в смеси не будет пор, и начнется анаэробный процесс. Низкий компостный штабель слишком быстро теряет тепло, и в нем нельзя поддерживать температуру, оптимальную для термофильных организмов. Кроме того, из-за большой потери влаги замедляется степень образования компоста. Опытным путем установлены наиболее приемлемые высоты компостных штабелей для любых видов отходов. Равномерное разложение обеспечивается перемешиванием наружных краев к центру компостного штабеля. При этом любые личинки насекомых, патогенные микробы или яйца насекомых подвергаются воздействию гибельной для них температуры внутри компостного штабеля. При избыточном количестве влаги рекомендуется частое перемешивание. 8. Свободный объем Компостируемую массу упрощенно можно рассматривать как трехфазную систему, в которую входят твердая, жидкая и газовая фазы. Структура компоста представляет собой сеть твердых частиц, в которую заключены пустоты различного размера. Пустоты между частицами заполнены газом (преимущественно кислородом, азотом, диоксидом углерода), водой или газожидкостной смесью. Если пустоты целиком заполнены водой, то это сильно затрудняет перенос кислорода. Порозность компоста определяют как отношение свободного объема к общему объему, а свободное газовое пространство – как отношение газового объема к общему объему. Минимальное свободное газовое пространство должно быть порядка 30%. Оптимальная влажность компостируемой массы варьирует и зависит от природы и дисперсности материала. Различные материалы могут иметь разную влажность до тех пор, пока поддерживается соответствующий объем свободного газового пространства. 9. Время созревания компоста Время, необходимое для созревания компоста, зависит от перечисленных выше факторов. Более короткий период созревания связан с оптимальным содержанием влаги, соотношением C:N и частотой аэрации. Процесс замедляется при недостаточной влажности субстрата, низких температурах, высоком значении соотношения C:N, больших размерах частиц субстрата, высоком содержании древесных материалов и неадекватной аэрации. Процесс компостирования сырья протекает гораздо быстрее, если соблюдаются все условия, необходимые для роста микроорганизмов. Оптимальные условия процесса компостирования представлены в таблице 2. ТАБЛИЦА 3. ОПТИМАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА КОМПОСТИРОВАНИЯ.
Задача состоит в том, чтобы реализовать набор этих параметров в виде недорогих, но надежных систем компостирования. Необходимая продолжительность процесса образования компоста зависит и от условий окружающей среды. В литературе можно встретить различные значения длительности компостирования: от нескольких недель до 1-2 лет. Это время колеблется от 10-11 суток (образование компоста из огородных отходов) до 21 суток (отходы с высоким отношением C/N – 78:1). С помощью специального оборудования продолжительность этого процесса сокращается до 3-х суток. При активном компостировании длительность процесса составляет 2–9 месяцев (в зависимости от методов компостирования и природы субстрата), но возможен и более короткий период: 1–4 месяца. В ходе компостирования физическая структура материала подвергается изменению. Он приобретает темный цвет, ассоциируемый с компостом. Заслуживает внимания изменение запаха компостируемого материала от зловонного до «запаха земли», обусловленного геосмином и 2-метилизоборнеолом – продуктами жизнедеятельности актиномицетов. Конечным результатом этапа образования компоста является стабилизация органических веществ. Степень стабилизации относительна, поскольку окончательная стабилизация органического вещества связана с образованием СО2, Н2О и минеральной золы. Желательная степень стабильности – та, при которой не возникает проблем при хранении продукта даже во влажном состоянии. Сложность заключается в том, чтобы определить этот момент. Темный цвет, типичный для компоста, может появиться задолго до достижения нужной степени стабилизации. То же можно сказать о «запахе почвы». Кроме внешнего вида и запаха параметрами стабильности являются: окончательное падение температуры, степень самонагревания, количество разложившегося и стабильного вещества, повышение окислительно-восстановительного потенциала, поглощение кислорода, рост нитевидных грибов, крахмальная проба. Пока не разработаны однозначные критерии для оценки приемлемых уровней стабильности и «зрелости» компоста. Компостирующий потенциал можно определить путем оценки темпов конверсии органических соединений в почвенные составляющие и гумус, повышающие плодородие почв. Образование гумуса (гумификация) – некая совокупность всех процессов, вовлеченных в преобразование свежего органического вещества в гумус. Определение темпов этой конверсии является сложной задачей и, в свою очередь, – важным инструментом для научного исследования процесса компостирования. Из ряда работ, выполненных различными исследователями в этой области, становится очевидным, что параметры, которые могут использоваться в качестве показателей темпов гумификации, «зрелости» и стабильности компостов, составляют две категории. Показатели первой категории – pH, общее количество органического углерода (TOC), показатель гумификации (HI) и отношение углерода к азоту (C/N) – за время периода компостирования снижаются. Другие химические показатели и параметры гумификации – содержание общего азота (TON), общее содержание экстрагируемого углерода (TEC) и гуминовых кислот (HA), отношение гуминовых кислот к фульвокислотам (HA:PhA), степень гумификации (DH), скорость гумификации (HR), показатель зрелости (MI), показатель гумификации (IHP) – с течением времени увеличиваются, и качество компостов стабилизируется.[6].
turboreferat.ru
Проблему недостатка кислорода, возникающую при переработке отходов химической промышленности в обычно используемых системах на основе активного ила, пытались решить несколькими способами. В двух случаях (распределитель с пробулькиванием и система "Анокс") для увеличения скорости переноса газа использовали чистый кислород. В одной из новых систем переработки отходов - колонном эрлифтном ферментере, разработанном фирмой ICI - пошли по пути увеличения количества растворенного кислорода. В центральной части колонны имеется не доходящая до дна вертикальная секция, в которую сверху поступают отходы и повторно используемый активный ил; туда же вводится воздух. Когда смесь выходит из ферментера вверх по наружной секции колонны, давление в системе падает, что вызывает пробулькивание пузырьков воздуха. Благодаря высокому содержанию растворенного кислорода и турбулентности биомасса поддерживается в высокоактивном состоянии и становится более устойчивой по отношению к перегрузкам, а также к уменьшению аэрации и времени нахождения отходов в ферментере, особенно в случаях высококонцентрированных отходов.
Такие процессы с повышенной аэрацией устойчивы к резким перегрузкам отходами, не оказывающими токсического или ингибирующего действия. В случае же токсичных отходов более пригодными оказываются системы, в которых используются микроорганизмы, растущие в пленках. Такие популяции микробов не вымываются из системы, даже если на их рост и метаболизм оказывают неблагоприятное воздействие поступающие сточные воды. Кроме того, внутри пленки из-за ограничения диффузии создаются градиенты концентрации. Это приводит к понижению концентраций токсичных продуктов внутри пленки, а следовательно, к повышению скорости их усвоения и окисления. Пленка создает также экологическую нишу для организмов, рост которых в присутствии высоких концентраций отходов при перегрузках существенно замедляется; Самая простая форма пленочной системы - это перколяционный фильтр, однако подобного рода пленки разрушаются, если они становятся очень тонкими, при уменьшении концентрации субстрата на поверхности подложки. В таком случае клетки погибают, и пленка отпадает, засоряя фильтры внутри системы переработки отходов. При слишком высоких концентрациях субстрата происходит быстрый рост микроорганизмов, что приводит к образованию толстой пленки и к ее периодическому отслоению. Интенсивность подобных процессов можно снизить, разбавив поступающий раствор с питательными веществами, осветленными сточными водами. Разработка новых методов сохранения толщины пленки представляет безусловный интерес. Так, при помощи медленного вращения диска из полистирола внутри протекающих сточных вод толщина пленки поддерживается постоянной за счет гидродинамических сил и аэрации при выходе пленки из воды. Такая эффективная и простая система была предложена для очистки стоков с низкой величиной БГЖ. Еще один эффективный метод переработки токсичных отходов in situ может быть основан на использовании реакторов с ожиженной подложкой, где микроорганизмы растут на поверхности небольших инертных частиц (песок, стекло, антрацит), через слой которых пропускают с контролируемой скоростью сточные воды и воздух.
Отходы, не содержащие азота или фосфора, не способны поддерживать рост микроорганизмов. В подобных случаях для окисления токсичных соединений до двуокиси углерода можно использовать покоящиеся клетки при условии, что активность их гидролитических и окислительных ферментов не подавляется. Поскольку среда при переработке отходов в колонных реакторах периодически меняется, микроорганизмы оказываются в условиях голодания и в это время их рост прекращается. При поступлении источника углерода на короткое время включается несопряженный метаболизм, когда организмы дышат, но не растут. Это дает то преимущество, что уменьшается общий выход биомассы (ила).
.
freepapers.ru
