10.2. Биотехнологии охраны окружающей среды

Биотехнологии как направления науки и практики являются пограничной областью между биологией и техникой человече­ской деятельности. Они представляют собой совокупность мето­дов и способов получения полезных для человека продуктов, яв­лений и эффектов с помощью микроорганизмов.

История биотехнологии насчитывает тысячелетия (хлебопе­чение, виноделие, сыроделие и т.д.). Однако ежегодно возника­ют новые прикладные направления биотехнологии, общим под­ходом для которых выступает искусственное создание условий для эволюционных и биогеохимических процессов на Земле в виде биореакций, реализующихся с большими скоростями, оста­ваясь совместимыми с окружающей природной средой.

Принципиальная схема взаимодействия биогеотехнологии с геомикробиологией и биотехнологией представлена на рис. 6.

На протяжении тысячелетий человечество добывало металлы из богатых по содержанию и относительно однородных по хими­ческому составу руд. По мере истощения запасов таких руд стали использовать полиметаллические бедные руды. Традиционные способы добычи металлов сопровождались загрязнением окру­жающей среды различными отходами производства (например, шлаки и др.). При этом используется не более 2% общего объёма сырья [23] и, как правило, из руды извлекается только один эле­мент, а сопутствующие накапливаются в отвалах.

Существуют различные методы извлечения металлов из ру­ды. Наиболее совершенным является гидрометаллургический ме­тод. Он основан на использовании водных растворов. Одной из разновидностей этого метода является бактериально-химическое выщелачивание металлов из минералов при помощи тионовых бактерий. К таким минералам относят сульфиды железа, меди, никеля, цинка, кобальта, свинца, молибдена, серебра, мышьяка. При этом металлы переходят из нерастворимой сульфидной в растворимую сульфатную форму. Например, полученные кон­центрированные железосодержащие растворы отправляются на экстракцию и электрохимическую обработку (аналогичные опе­рации обработки применяют и для других цветных металлов).

Тионовые бактерии также находят применение для предва­рительного понижения содержания серы в рудном сырье.

Содержание серы в углях может достигать 10—12% [27], а сжигание их приводит к образованию сернистого ангидрида и в дальнейшем к выпадению кислотных дождей. Принципиально биотехнология снижения содержания серы в углях аналогична методу выщелачивания металлов. Попутно при этом выделяются содержащиеся в углях другие металлы, такие как германий, вольфрам, никель, бериллий, ванадий, золото, медь, кадмий,

свинец, цинк.

Реальную перспективную альтернативу механическому и фи­зико-химическому методам утилизации твёрдых бытовых отхо­дов представляют биотехнологические методы. Особую важность применения биотехнологии переработки отходов горных руд обусловливает исчерпаемость традиционных энергоносителей: угля, нефти, газа.

Биотехнология выщелачивания металлов может применять­ся как при непосредственной отработке руды в пласте дейст­вующих карьеров, так и в заброшенных карьерах и отвалах, что в целом решает задачи улучшения и охраны окружающей среды (в настоящее время более 5% металлов в мире добывается таким методом и в перспективе его применение возрастет).

Биотехнология переработки твёрдых отходов не только по­зволяет утилизировать биогаз и снизить энергетический дефи­цит, но и в значительной степени уменьшить антропогенную на­грузку на окружающую природную среду, например уменьшить компоненты парникового эффекта.

Общим подходом к применению биотехнологии утилизации отходов с энергетическими целями является их анаэробная де­струкция.

Анаэробное сбраживание представляет собой бескислород­ный ферментативный стадийный микробный процесс, осущест­вляемый в мезофильных условиях при температуре^от 30 до 33 °С с помощью различных групп микроорганизмов. При этом время контакта твёрдых отходов с микроорганизмами составляет от 5 до 30 сут в зависимости от вида сырья, влажности, интенсивно­сти его перемешивания.

В большинстве случаев при обработке отходов твёрдая фа­за имеет 3...5%-ю концентрацию полезных веществ, до 75% из

которых составляют органические компоненты, а примерно 50% их превращаются при сбраживании в биогаз, который состоит на 65...70% из метана, 25...29% — из углекислоты, а остальное со­ставляют водород, сероводород, аммиак. В этом случае при сжи­гании 1 м³ средняя теплота сгорания биогаза составляет 22...24 МДж.

Возможными путями утилизации биогаза являются исполь­зование его в котельных для нагрева теплоносителя, получение электроэнергии посредством газогенераторных установок, ис­пользование в качестве автомобильного топлива или бытового баллонного газа.

В США, Японии, Германии насчитываются сотни, а в Китае десятки тысяч ферментеров для получения электроэнергии с це­лью индивидуального пользования в жилом секторе и в сельско­хозяйственном производстве путём переработки собственных отходов с незначительным добавлением растительных. В нашей стране получение биогаза пока находится на стадиях опытно-промышленных исследований [17].