Утилизация техногенных ресурсов с использованием микробной биоконверсии

Утилизация техногенных ресурсов с использованием микробной

биоконверсии

И.А. Занина, М.Д. Молев, Е.И. Костромина, О.В. Рожкова Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону

Аннотация: Статья посвящена актуальной проблеме переработки отходов производства на стадиях строительства, эксплуатации и ликвидации угольных шахт России. В работе обоснованы технологии переработки отходов, в том числе для получения энергоресурсов на основе моделирования. Показана возможность реализации инновационной методики переработки углеотходов с использованием биоценоза. Достаточно подробно изложены вопросы трансформации техногенных отходов в энергоресурсы путем анаэробной биоконверсии. В рамках изложения предлагаемой методики представлены результаты натурных экспериментов и программа практических действий переработки материалов на стадии промышленной эксплуатации. В частности обоснована оптимизация технологии переработки на основе выбора наиболее активного биоценоза микроорганизмов.

Ключевые слова: переработка, утилизация, техногенные ресурсы, углеотходы, биотехнология, биотрансформация, биоценоз.

Строительство, эксплуатация и ликвидация угольных шахт связаны с необходимостью хранения и переработки углесодержащих отходов, что требует существенных затрат и приводит к долговременному отрицательному влиянию на экологию угледобывающих регионов [1]. Одним из перспективных направлений переработки углематериалов является использование биотехнологических процессов.

Говоря о всевозрастающем биотехнологическом потенциале консорциумов микроорганизмов в различных отраслях экономики, Г.А. Заварзин отмечал: «Самые осторожные оценки приводят к выводу, что производства, основанные на применении микробных сообществ, в десятки раз превосходят по экономической значимости производства, основанные на чистых культурах» [2].

Авторами статьи были изучены и опубликованы результаты исследований о возможности использования микроорганизмов для утилизации углеотходов [3]. В данной работе приводятся исследования, направленные на формирование консорциума микроорганизмов для

биотрансформации углеотходов в целевые продукты (биогаз и органо-минеральные удобрения).

В процессе угледобычипроисходит спонтанное развитие других форм микрофлоры, приводящее к некоторому химическому и структурному преобразованию [4,5]. Интенсифицикация таких процессов с целью биотрансформации угля возможна путем развития активных по отношению к углю форм микрофлоры. Анаэробный метаногенный консорциум смешанных культур микроорганизмов наиболее приемлем для деструкции органического вещества угля.

В ходе изучения процесса биоконверсии был обоснован выбор биоценозов и смешанных анаэробных метаногенных ассоциаций, которые наиболее эффективно осуществляют биотрансформацию углеотходов в биогаз. Таковыми явились культуры: Clostridium themocellum + Methanobacterium thermoformiclum; Ps.aeruginosa + B.megaterium + M. Omelianskii + Ms. Methanica, а также анаэробный консорциум. При утилизации антрацита путем использования данных культур и анаэробного консорциума метантенка максимальная концентрация метана достигала 25%. Предварительная аэробная трансформация угля культурой гриба Asp.niger с дальнейшей метанизацией вышеуказанной группой культур позволила поднять выход метана до 65% при биоконверсии бурого угля и до 30% при утилизации антрацита, производительность по метану при этом

3 3

составила 0,337 м /т сут; для антрацита - 0,586 м /т сут. Степень конверсии органической составляющей углеотходов варьирует в пределах 3,27-10.22% (при биоутилизации антрацита) и 4,89-12,2% (в случае бурого угля) [6].

Как известно, анаэробная биоконверсия сложных органических субстратов протекает в три стадии: гидролиза, ацидогенеза и метанообразования. За каждую стадию ответственна определенная группа микроорганизмов. Первая группа включает гидролитические бактерии,

которые обеспечивают первоначальный гидролиз сложных субстратов до низкомолекулярных органических соединений. Вторая группа представлена ацидогенными бактериями (Clostridium, Pseudomonas, Baccilus), продуцирующими уксусную кислоту и водород [7,8].

Собственно стадия метангенерации осуществляется семейством Methanobacteriaceae. При недостаточной активности метаногенов-хемолитотрофов и при избытке органического субстрата возрастает число ионов водорода, что ингибирует деятельность ацидогенов. Целесообразность разделения стадий процесса для членов анаэробного сообщества микроорганизмов подтвердилась в опытах [5]. После фильтрации через предварительно обработанный раствором NaOH антрацит вновь возвращался в первый сосуд. Концентрация метана достигала 35,25%, культивирование происходило 20 суток.

Изучение воздействия химических реагентов на угольный субстрат [9], дало положительные результаты в случае обработки растворами NaOH и температурного гидролиза в растворе КОН. Наилучшие результаты были достигнуты при использовании 5% раствора NaOH (таблица 1).

Таблица 1

Результаты микробной трансформации угля

Субстрат Конечная величина pH Концентрация метана Объем метана, см3

Уголь + 1% ИШэ 7,2 3,28 0,098

Уголь + 5% ИШэ 7,15 2,21 0,06

Уголь + 1% ШОИ 7,7 3,93 0,09

Уголь + 5% ШОИ 7,92 35,25 3,525

Уголь + 1% КОИ 7,6 2,5 0,095

Уголь + 5% 7,63 2,13 0,074

Уголь + 20 мл питательной среды - 0,81 0,029

Антрацит без обработки 7,2 3,03 0,114

С переходом от малых объемов к промышленным скорость и интенсивность биохимических реакций может претерпевать значительные изменения. Поэтому были проведены натурные эксперименты для создания технологий переработки угольных отходов с использованием принципов моделирования и методики системного анализа [10-12]. Исследования проводились с двумя группами культур Ps.aeruginosa + B.megaterium + M. Omelianskii + Ms. Methanica и метаногенного консорциума метантенка.

Эксперимент осуществлялся с применением приема разделения стадий и без него. Раздельному культивированию подвергались члены метаногенной ассоциации: Ps.aeruginosa + B.megaterium + M. Omelianskii + Ms. Methanica.

Натурные исследования проводились в реакторе объемом 3 м , при разделении стадий объем первого реактора составил 2м3, второго 3м3. В первом случае утилизации подвергалось 675 кг антрацитового штыба, во втором -320 кг. В технологическом цикле промышленной биопереработки использовался инокулят с содержанием сырой биомассы 0,04 г/л. Исходная водоугольная смесь формируется из следующих компонентов: твердая фаза( уголь определенной фракции) до 40%, жидкая фаза - 60%, из них инокулят адаптированных микроорганизмов в виде водоугольной суспензии до 30%, остальное вода и корректирующие добавки минеральных соединений.

При разделении стадий процесса основные технологические параметры следующие: отношение Т:Ж - 1:6,5, начальная концентрация микроорганизмов 0,015 г/л, при этом средняя концентрация метана составила 20%, производительность по метану 0,204 м /т сут. При проведении без раздельного культивирования кислотообразующей и метаногенной микрофлоры средняя концентрация метана достигала 12% при использовании группы культур Ps.aeruginosa + B.megaterium + M. Omelianskii + Ms. Methanica и 17%, когда биогазификация осуществлялась

консорциумом метантенка, производительность по метану составила

3 3

соответственно 0,138 м /т сут и 0,155 м /т сут.

Таким образом, в результате выполненных исследований были подтверждены следующие теоретические разработки: моделирование процесса биоконверсии отходов с разделением стадий и оптимизация технологии переработки на основе выбора наиболее активного биоценоза микроорганизмов.

Литература

1. Голик В.И., Масленников С.А., Прокопов А.Ю., Базавова О.В. Обеспечение экологической безопасности техногенных отходов // Научное обозрение. 2014. №9. С. 726-729.

2. Заварзин Г.А. Перспективы использования в промышленности анаэробных микроорганизмов // Биотехнология. 1985. №2. С. 122-127.

3. Занина И.А., Похлебин А.В. Биоконверсия углей высокой стадии метаморфизма //Глобальные и локальные экологические проблемы угледобывающей промышленности: Сборник научных статей. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Новочеркасск, 2001. С. 66-69.

4. Голик В.И., Комащенко В.И., Масленников С.А., Страданченко С.Г. Повышение полноты использования недр путем глубокой утилизации отходов обогащения угля // Горный журнал. 2012. №9. С. 91-95.

5. Golik V.I. Experimental Study Of Non-Waste Recycling Tailings Ferruginous Quartzite /V.I. Golik, S.G. Stradanchenko, S.A. Maslennikov // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Volume 10, № 15. pp. 35410-35416.

6. Занина И.А. Биоутилизация углеотходов в энергоносители путем микробной конверсии //Экологические проблемы биодеградации

промышленных, строительных материалов и отходов производств: Сборник научных статей. Материалы III Всероссийской научно-практической конференции. Пенза, 2001 С. 124-126.

7. Buivid G., D. Wise D., Roder A. Feasibility of peat biogasification process // Energy recovery from lignin, peat and lower rank coal. 1989. V. 12. pp. 1-22.

8. Ackerson M., Jonson N. Biosolubization and liquid fuel production from coal /M. Ackerson, N. Jonson// Appl. Biochem And Biotechnol. 1990. V. 24-25. pp. 913-928.

9. Molev M.D., Stradanchenko S.G. and Maslennikov S.A. Theoretical and еxperimental substantiation of construction regional security monitoring systems technospheric // ARPN Journal of Engineer and Applied Sciences. 2015. V. 10, N. 16. pp. 6787 - 6792.

10. Кузнецов К.К. Имитационное моделирование взаимосвязи инициаторов высокотехнологичных инноваций // Инженерный вестник Дона, 2009, №1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2009/250/.

11. Hecker, R.L., Liang S.Y. Predictive modeling of surface roughness in grinding // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2003. V. 43, Iss. 8. pp. 755-761.

12. Молев М.Д., Занина И.А., Стуженко Н.И. Синтез прогнозной информации в практике оценки эколого-экономического развития региона //Инженерный вестник Дона, 2013, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/N4y2013/1993/.

References

1. Golik V.I., Maslennikov S.A., Prokopov A.Yu., Bazavova O.V. Nauchnoe obozrenie. 2014. №9. pp. 726-729.

2. Zavarzin G.A. Biotekhnologiya. 1985. №2. pp. 122-127.

3. Zanina I.A., Pokhlebin A.V. Biokonversiya ugley vysokoy stadii metamorfizma. Materialy Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Novocherkassk, 2001. pp. 66-69.

4. Golik V.I., Komashchenko V.I., Maslennikov S.A., Stradanchenko S.G. Gornyy zhurnal. 2012. №9. pp. 91-95.

5. Golik V.I., Stradanchenko S.G., Maslennikov S.A. International Journal of Applied Engineering Research. 2015. V. 10, № 15. pp. 35410-35416.

6. Zanina I.A. Ekologicheskie problemy biodegradatsii promyshlennykh, stroitel'nykh materialov i otkhodov proizvodstv: Sbornik nauchnykh statey. Materialy III Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Penza, 2001. pp. 124-126.

7. Buivid G., D. Wise D., Roder A. Energy recovery from lignin, peat and lower rank coal. 1989. V. 12. pp. 1-22.

8. Ackerson M., Jonson N. Appl. Biochem And Biotechnol. 1990. V. 24-25. pp. 913-928.

9. Molev M.D., Stradanchenko S.G. and Maslennikov S.A. ARPN Journal of Engineer and Applied Sciences. 2015. V. 10, N. 16. p. p. 6787 - 6792.

10. Kuznetsov K.K. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2009, №1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2009/250/.

11. Hecker, R.L., Liang S.Y. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2003. V. 43, Iss. 8. pp. 755-761.

12. Molev M.D., Zanina I.A., Stuzhenko N.I. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2013, №1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/.