ПӘннің ОҚУ Әдістемелік комплексі «экологиялық биотехнология»

«ЭКОЛОГИЯЛЫҚ БИОТЕХНОЛОГИЯ»

Семей, 2010

1. 
   Глоссарий
   

2. 
   Дәрістер
   

3. 
   Практикалық сабақтар
   

4. 
   Студенттің өздік жұмысы
   

1. 
   Глоссарий
   

1. 
   Экологиялық биотехнология пәні мен міндеті.
   
2. 
   Ағын сулардың негізгі сипаттамасы.
   

Қоршаған ортаны қорғау туралы мәселе мәдениетті қоғам пайда болғаннан белгілі. Адамның өндірістік, ауыл шаруашылықтық және тұрмыстық әрекеті нәтижесінде қоршаған ортаның биологиялық, химиялық, сондай – ақ физикалық құрамы үнемі өзгеріске ұшырап және де бұл өзгерістердің басым көпшілігі қоршаған орта үшін жағымсыз болып табылады. Қоршаған ортаны қорғауда және оның жағдайын бақылауда биотехнологияның тигізетін әсері алуан түрлі болатындығына үміттенеміз. Бұл бағытқа қарапайым мысал, қалдықтарды қайтадан өңдеудің жаңа, тым жетілген әдістерін енгізу, бірақ қазіргі уақытта биотехнология тек бұл әдспен шектеліп қоймайды. Себебі оның химиялық өндірісте және ауыл шаруашылығындағы көптеген мәселелерді шешуде маңызы зор.

Бұл пәнде біз, қалдықтарды қайтадан өңдеу мәселелерімен қатар, биотехнологияның қазіргі уақытта және келешекте маңызды рөлі туралы қарастырамыз.

Сондай – ақ жақында пайда болған, қоршаған ортаға қауіп төндіретін – мұнайлы ластану және ксенобиотиктердің таралу жолдарымен күресуде биотехнологияның маңызына тоқталамыз.

Қазіргі уақытта өндірісте микроорганизмдердің тіршілік әрекетін пайдаланып жабық жүйелер құру, ағын сулардың ластануын бақылау, альтернативті энергоресустарды және химиялық ішкі заттарды қолдану сияқты түрлі салалары дамуда; бұл процестердің барлығы ауыл шаруашылығында кеңінен қолданыс табуда.

Осындай әрекеттердің бірі дамушы елдерде «Мақсатты технология» деген атпен белгілі, ол миллиондаған адамның өмір сүру деңгейін, сапасын едәуір мөлшерде жоғарлатуға негізделген. Бұл жаңа биотехнологиялық процестердің масштабы мен олардың қоршаған ортаны қорғауда түрлі мәселелерді шешуде қолдану таңқаларлық болуы мүмкін. Мысалы: қалдықтарды қайталап өңдеу үшін сыйымдылығы 4000 – 5000м³ болатын үлкен биореакторлар салынды. Мұндай реакторларда бактерия клнцентрациясы 1мл - ға 103 – 109 клетка болуы мүмкін. Сондықтан биотехнологтар өз құзырына «биотехнологиялық энергияның» қуатты көзін жеткілікті мөлшерде ала алады.

Қалдықтарды биологиялық жолмен өңдеу бірқатар пәндермен – биохимия, генетика, химия, микробиология, химиялық технология және есептеу технологиямысен байланысты. Жоғарыда аталған пәндердің күші 3 негізгі бағытқа топтастырылған:

1. 
   Органикалық және бейорганикалық токсинді қалдықтардың деградациясы;
   
2. 
   Көмірсу, азот, фосфор және күкірт айналымына қажетті шикізат мөлшерінің өсуі;
   
3. 
   Органикалық отынның құнды түрлерін алу.
   

Ағынды сулардың ластануы табиғат пен оларды ластайтын шикізаттың қайнар көзіне байланысты. Ағынды сулар өндірістік және тұрмыстық деп бөлінеді. Тұрмыстық ағынды сулар көше қалдықтарымен, жуғыш құралдармен, сондай – ақ экскременттармен ластанған. Суда олар суспензиялы қатты және ұшқыш зат күйінде кездеседі. Суспензиялы қатты заттардың басым көпшілігі целлюлоза тектес, ластағыш органикалық компоненттерден, май қышқылынан, көмірсудан, ақуыздан тұрады. Ағынды суларда соңғы аталған өнімдердің ырырауы нәтижесінде жағымсыз иіс пайда болады. Мұндай сулардың микрофлорасы әр алуан. Бұлардың ішіне ішек және топырақ микроорганизмдерінің бірқатар түрі енеді: аэробты, облигатты және факультативті анаэробты. Олар ашытқы бактериялар, саңырақұлақтар, зеңдер мен вирустар қатарына жатады.

1. 
   Ауыл шаруашылығының қандай салаларында экологиялық биотехнология әдістері қолданылады ?
   
2. 
   Қандай қатты қалдықтарды білесің ?
   
3. 
   тұрмыстық ағынды сулардың негізгі сипаттамасы ?
   
4. 
   Өндірістік ағынды сулардың негізгі сипаттамасы?
   

Ұсынылған әдебиеттер:

1. 
   Экологиялық биотехнология: ағылшыннан аударма/ К.Ф. Фостер, Д.А. Дж. Вейз. – Л.: Химия, 1990. – 348 бет.
   
2. 
   Биотехнология: принциптері мен қолданысы/ И. Хиггинс: ағылшыннан аударма. М.: Мир, 1988.
   

1. 
   БПК және ХПК бойынша ағынды сулардың негігі сипаттамасы.
   
2. 
   Ағынды суларды тазалау жұмыстарының жүрілу схемасы.
   
3. 
   Ағынды суларды тазалау процестерінің типі.
   

1. Әр түрлі өнімдерді пайдалану және оларды көп мөлшерде өндіру адамның әрекеті қатысында жүреді, бірақ нәтижесінде бұл әрекеттен түрлі органикалық және бейорганикалық, соның ішінде токсинді қосылыстармен ластанған ағынды сулар пайда болады. Ағынды судың құрамындағы физико – химиялық көрсеткішті өндіріс профилі бойынша өңделетін шикізат түріне байланысты, сондай – ақ өндірістің орналасқан орналасқан жерінің эколого – географиялық жағдайына байланысты анықтайды. Су қоймаларына келіп құйылған ағынды сулар судың сапасына, биологиялық тепе – теңдігіне, су ағысына, судың өз арнасынан шығуына әсер етеді. Судың құрамындағы еріген оттегіге, оның рН - на, мөлдірлігіне және түсіне т.б. көрсеткіштерге тазаланбаған ағынды су кері әсерін тигізеді. Бұл кері әсерлер судың экожүйесіндегі компоненттер күйіне әсер етіп, өнімділік пен судың өзін - өз тазалау әрекетін төмендетеді. Қазір арнайы «су айдынын ластанған ағын суларынан қорғау» ережелері бар. Бұл ереже су қоймалары мен ағынды судың араласқан нәтижесінде пайда болған көрсеткіштерді нормаға келтіреді. Ең маңызды көрсеткіштерге: 4мг/л кем емес араластырудан кейінгі судың құрамындағы еріген оттегі мөлшері, құрамындағы өлшенген бөлшектердің мөлшері ағын суды құйғаннан кейін 0,25 – 0,75 мг/л – ға артық көрсеткішке өспеуі қажет; құрамында шамамен 1000 мг/л минералды тұнба болуы қажет; судың иісі мен дәмі болмауы, рН-6,5 – 8,5 аралығында; судың беткі қабатында жұқа қабық пен жүзіп жүрген дақтар болмауы; құрамында адам мен жануарға жеткілікті қонцентрция шамасында (ЖКШ) ғана улы заттар болуы сияқты көрсеткіштер жатады. Радиоактивті заттарды суға төгуге тыйым салынады. Судық қоймалар өзін - өзі тазалау қабілеттілігіне байланысты суға түскен органикалық заттар СО₂ мен Н₂О - ға дейін тотығады. Мұндай процестерге қатысқан оттегі мөлшерін, су құрамындағы қоспаның концентрациясы мен спектрі бойынша анықтайды. БПК5 (5 күндік), БПК20 (20 күндік) және БПК толық деп бөлінеді. БПК толық дегеніміз – су құрамындағы ағынды заттардың толығымен соңғы өнім түзілгенге дейін кеткен тотығу уақыты ағынды сулар БПК - сы 200-ден 3000 м – ге О²/л жететін комплексті күрделі жүйе болып табылады. Су қоймалары мен ластанған ағынды сулардың араласуы нәтижесінде оттегі қоры толығымен жұмсалады. Сондықтан су қоймаға ағынды суларды құйғанда БПК құйғаннан кейін оны санитарлық норма дәрежесінде тазарту қажет.

2. Ағынды суларды тазарту – құрамындағы заттарды, сондай – ақ патогенді микроорганизмдерді жоюға немесе ажыратуға әкелетін әдістер жүйесі. Су қоймаларының өз - өзін табиғи жолмен тазарту барысында ағын сумен бірге түскен затарды да бұзылуға ұшырауы мүмкін. Бұл процесс барысында заттар концентрациясы, құрылымы және құрымы уақыт пен кеңістік бойынша өзгеріске ұшырайды. Сондықтан су қоймаларда табиғи тазарту қондырмалардың маңызы зор. Ағын суларды тазарту схемасын жасау көптеген факторларға байланысты. Бұл схема тазартылған судың қанша мөлшері өндірісті сумен жабдықтауға және қанша мөлшері суқоймаларына құйылатындығын есептеу үшін қолданылады. Ағын суларды тазартуда бірнеше қондырғы типтері пайдаланылады:

1. 
   Локальды (цехтік)
   
2. 
   Жалпы (зауыттық)
   
3. 
   Аудандық (қалалық)
   

1. 
   Бірінші (механикалық)
   
2. 
   Екіншілік (биологиялық)
   
3. 
   Үшіншілік (тазалауға дейінгі)
   

Биологиялық тазалау әдісі микроорганизмдердің ағынды сулардағы түрлі қосылыстарды өздерінің субстраты ретінде пайдалану әрекетіне негізделген. Бұл әдістің құндылығы оның ағын су құрамындағы органикалық және бейорганикалық кең спектрлі заттарды жоюында жатыр. Алайда бұл әдістің ойдағыдай жүруі үшін тазалау қондырғыларының құрылысына көп мөлшерде қаржы бөлу қажет. Тазарту процесі барасында тазалаудың технологиялық режимін қатаң сақтау және микроорганизмдердің ластанудың жоғары концентрациясына өте сезімтал келетінін ескеру қажет. Сондықтан биологиялық тазарту жүргізбестен бұрын, ағын суларды сұйылту қажет.

4. 
   Ағын суларды биологиялық жолмен тазарту процестерінің 2 әдісі бар:
   

1. 
   Аэробты – микроорганизмдер заттарды тотықтыру үшін оттегі пайдаланады.
   
2. 
   Анаэробты – микроорганизмдер бос күйіндегі еріген оттегімен де, сондай – ақ нитратиондарыны электрондарының артық акцепторларымен баййланысқа түсе алады.
   

Анаэробты процестер аэробты процестерге қарағанда жүру жылдамдығы баяу. Бірқатар артықшылығы бар:

1. 
   Активті түзілген тұнба массасы аэробты процесс кезінде түзілген массадан төмен.
   
2. 
   Араластыруға кететін энергия шығыны төмен.
   
3. 
   Қосымша энергия тасушы биогаз түзіледі.
   

1. 
   БПК дегеніміз не?
   
2. 
   ХПК дегеніміз не?
   
3. 
   Ағынды суларды тазартудың аудандық және зауыттық жүйелері.
   

Ұсынылған әдебиеттер:

1. 
   Экологиялық биотехнология: ағылшыннан аударма/ К.Ф. Фостер, Д.А. Дж. Вейз. – Л.: Химия, 1990. – 348 бет.
   
2. 
   Биотехнология: принциптері мен қолданысы/ И. Хиггинс: ағылшыннан аударма. М.: Мир, 1988.
   

1. 
   Аэробы жолмен тазалау жүйесінің жұмыс істеу принипі.
   
2. 
   Активті тұнбаның сипаттамасы.
   

1. Аэробты жолмен тазартуда микроорганизмдер көмегімен тотыққан органикалық заттардың жартысы биосинтез процесіне қатысса, екінші бөлігі зиянсыз өнімдерге – Н₂О, СО₂, NO₂ айналады. Аэробты биологиялық жолмен тазалау әрекеті ағынды культивирлеу әдісіне негізделген. Органикалық қоспаларды жою процесі бірнеше кезеңдерге жіктелген: клетка бетіне сұйықтықтағы органикалық заттар мен оттегінің берілуі, клетка ішіндегі мембрана арқылы заттар мен оттегінің диффузиясы, нәтижесінде микробты биомассаның өсуі байқалып, энергия мен оттегі бөлінеді. Биологиялық жолмен тазалаудың тереңдігі мен қарқындылығы микроорганизмдердің көбею жылдамдығына байланысты. Егер тазартылған ағынды суда органикалық заттар мүлдем қалмаса, онда тазартудың екінші этапы – нитрификация басталады. Бұл процесс барысында құрамында азоты бар заттар нитритке дейін, одан кейін нитратқа дейін тотығады. Осыған орай, аэробты биологиялық тазалау 2 этапқа жіктеледі: минирилизация – нитрификация мен құрамында көмірсу бар органикалық заттардың тотығуы. Егер тазартылған ағынды суда нитраттаржәне нитриттер пайда болса, онда тазалану деңгейі өте жоғары екендігін аңғартады. Ағынды суда кездесетін көптеген биогенді элементтер (көмірсу, оттегі, күкірт, микроэлемнеттер) микроорганизмдер тіршілігі үшін өте қажет. Ағын суда жекеленген элементтер (азот, калий, фосфор) тапшылығы орнаса, онда суға бұл элементердің тұзын қосады.

2. Биологиялық тазартуға тек бактериялар ғана емес, сондай – ақ бір клеткалы органнизмдерден – су саңырауқұлағынан, қарапайымдылардан (амеба, кірпікшелі және талшықты инфузориялар), микроскопиялық жануарлардан (жалпақ құрттар – нематодтар, су кенесі) және т.б. тұратын күрделі биологиялық ассоциация қатысады. Бұл биологиялық ассоциация биологиялық тазалау кезінде активті тұнба немесе биопленка түрінде түзіледі. Активті тұнба - өлшенген суда микроорганизмдердің, соның ішінде бактериялардың колониясын түзетін, мөлшері 3-150мкм болатын қоңыр сары түсті үлпек. Биопленкалар кілегейлі капсула – зооглея түзеді. Яғни биопленка дегеніміз – тірі микроорганизмдер көмегімен тазаланған қондырғының беткі сүзінді қабатында қалыңдығы 1-3мм болатын кілегейлі өсінділердің пайда болады.
Өзін тексеруге арналған сұрақтар:

1. 
   Аэробты жолмен тазалау жүйесінде қолданылатын микроорганизмдер.
   
2. 
   Трофикалық пирамида.
   
3. 
   Активті тұнба түрлері.
   

Ұсынылған әдебиеттер:

1. 
   Экологиялық биотехнология: ағылшыннан аударма/ К.Ф. Фостер, Д.А. Дж. Вейз. – Л.: Химия, 1990. – 348 бет.
   
2. 
   Биотехнология: принциптері мен қолданысы/ И. Хиггинс: ағылшыннан аударма. М.: Мир, 1988.
   

1. 
   Гомогенді реакторлар.
   
2. 
   Қозғалмайтын биопленкасы бар реакторлар.
   
3. 
   Биофильтрлерді пайдалану.
   
4. 
   Биологиялық тоғандар.
   

Тамшылы биофильтр – ағын суларды тазартуда кеңінен кеңінен қолданылатын қозғалмайтын биопленкасы бар биореактор. Шын мәнісінде бұл реактордың қозғалмайтын қабаты сұйық пен ауаны өткізбейді. Жұқа қабықтық бетінде биомасса өседі. Сүзгіш қабықтың ерекшелігі бетінде микроорганизмдер көбейеді және ұсақ тесікті болып келеді. Ұсақ тесіктер арқылы ауа мен сұйық зат өтеді және ол реакторға газодинамикалық қасиет береді.

Биофильтрлі қондырғылар тікбұрышты және шар пішіндес және қос түбі бар: жоғарғы – желтартқыш тор, төменгісі – тұтас. Биофильтрдің дренажды түбі ауданы жалпы фильтр ауданынан 5 – 7% кемірек темір бетонды плиталардан тұрады. Көп жағдайда фильтрлеуші материал ретінде ұсақталған тас, таулы ұсақ жұмыр тас, керамзит, шлак пайдаланылады. Барлық биофильтрлердің төменгі қабығы биофильтрлеуші материалдың ірі бөлшектерінен (60-100мм мөлшері) құралған. Ұсақ тасты биофильтрлердің қабықтарының биіктігі 1,5-2,5м және олар шеңбер түрінде диаметрі 40м-ге дейін, сондай-ақ тікбұрыш түрінде өлшемі 75*4м² болуы мүмкін. Егер тұнып қалған ағынды суды биофильтр бетіне жіберсек, су үлестіргіш қондырғы көмегімен бетін біркелкі суландырады. Фильтрлеуші қабатан ағынды су өткізуші бірқатар процестерден тұрады: 1) фильтреуші материалдың бетінде түзілген биопленкамен байланыс; 2) микробты клетканың бетіндегі органикалық заттың абсорбциясы; 3) микробты метаболизм кезінде ағын судағы заттардың тотығуы. Биофильтрдің төменгі бөлігінен ауа үрленіп отырады. Суландыру циклдарының арасындағы үзілісте биопленкалардың сорбциялау қасиеті қалпына келеді. Биофильтрдің беткі фильтрлеуші қабатындағы биопленка күрделі экологиялық жүйе болып табылады.

Бактериялар мен саңырауқұлақтар төменгі трофикалық деңгей түзеді. Көмірсуды тотықтыратын микроорганизмдермен бірге биофильтдің беткі бөлігінде түзіледі. Нитрофикаторлар қоректік орта мен оттегіге деген бәсекелестік аз байқалатын фильтрлеуші қабаттың төменгі зонасында жүреді. Жоғары түрлерге (жәндік дернәсілдері) қорек қызметін қарапайымдар, сорғыштар мен айналма құрттар, бактериальды компоненттер жүйесімен қоректенетін биопленкалар атқарады.

Биофильтрде биопленканың үздіксіз өсуі мен өлуі бірдей жүреді. өлген биопленка тазаланған су тоғымен шайылып, биофильтден шығады. Тазаланған су тұндырғышқа түсіп, онда биопленканың бөлігі бөлінеді де, су ары қарай суқоймасына түседі.

Органикалық заттардың тотығуы барсында, ортағы жылу бөлінеді, сондықтан биофильтр өз-өзін жылумен қамтамасыз етеді.

Жылу изоляциялық қабатпен қапталған ірі қондырғылар сыртқы температураның кері әсеріне де қарамай жұмыс атқарады. Алайда ішкі фильтрлеуші қабаттағы температура көрсеткіші 6⁰С-тан төмен болмауы қажет. Ұсақ тас биофильтрінің негізгі жұмыс істеу режимі – ол ағынды суды 1рет өткізеді. Соған қарамастан филтрге түскен органикалық заттардың жүктемесі тәулігіне 0,06-0,12кг БПКм³ құрайды. Биофильтр көлемін кеңейтпей-ақ жүктеме мөлшерін жоғарылату үшін қос фильтрлеу режимі қолданылады.

80 жылардың басында биофильтрлерді минералды материалдардың орнына қабаттық гидродинамикалық қасиетін жақсартатын және ұсақ тесіктердің көп болуын қамтамасыз ететін пластмассалармен алмастырылады. Бұл ластанғыш - концентрациясы жоғары өндірістік ағын суларды тазарту үшін қолданылатын, көп орын алмайтын, ұзын биореакторларды алуға мүмкіндік береді.

Ұсақ тас биофильтрдің көлемдік жиілігі төмен болғанымен де, олардың ұзындығы 8-10м – ге дейін жетуі мүмкін. Бұл биореакторлар көмегімен тез фильтрациялаубарысында БПК-ның 50-60% жоюға мүмкіндік береді. Тазалау деңгейін жоғарлату үшін көп биофильтрлер қолданылады. 1973жылы Ұлыбританияда айналмалы биологиялық реакторлар жасалды. Олар үнемі айналып тұратын дисктерден тұрады. Бұл дисктер кезек-кезек суға батырылып немесе көтеріліп отырылады. Бұл кезде ауданның аэрациясы жоғарылап жақсарады.

2. Реакторда оттегімен қамтамасыз ету және ағынды сұйықтықтың тасымалдағыштың бетінде біркелкі көлденеңінен жайылуын қамтамасыз ететін жүйелер бар. Мұнда тасымалдағыш ретінде оттегіні жібере алатын құмды пайдаланады («Окситрон» жүйесі). Сондай – ақ оттегімен қамтамасыз ететін жүйесі аппарат ішінде орналасқан талшықты саңыраулы жастықшаларды қолданылады («Кептор» қондырғысы).

3. 
   Биофилтрлерді пайдалану соншалықты күрделі жүйе емес. Биофилтрлердің жұмысы нәтижелі болуы үшін қойылатын негізгі талап, қондырғыны ластанудан сақтау үшін алдын ала ағынды суды тазалау қажет. Биофильтрлерді қолданған уақытта, жағымсыз кезеңдер болады; яғни фильтрдің бетінде шыбын-шіркейлер көбейеді, жаман иіс, микробты массаның артық мөлшерде түзілуі.
   

ІІ-ші этап ІІ-шілік тұндырғышта су мен активті тұнба бөлшектерінің ажырауы жүреді. І этапта органикалық заттардың биохимиялық тотығуға түсуі 2 кезең бойынша жүреді: бірінші стадияда активті тұнбадағы микроорганизмдер ағын судағы ластушы заттарды адсорбциялайды. 2 стадияда – сол микроорганизмдер оларды отықтырып, өзінің тотықтыру қасиетін қалпына келтіреді. Аэротенк «дәліздеріне» ауа темір бетонды плиталардағы саңылаулар арқылы немесе керамикалық трубадағы саңылаулы тесіктер арқылы беріледі. Келген ауаны тарататын қондырғылар қабырғаларында орналасқан. Нәтижесінде аэротенкте су турбулизациясы жүреді де су тек дәліз қабырғаларымен ғана емес, биореактор ішінде спираль түзіп қозғалады. Бұл процесс аэрация режимі мен тазарту деңгейін жоғарылатады. Аэротенкте жүретін тазарту процесі үздіксіз ферментация түрінде жүреді.

Бактериялар мен қарапайымдылардан түзілген активті тұнба бөліктері флокулярлық қоспа түзеді. Биофильтрлерде түзілетін биопленкалармен салыстырғанда аэротенктерде түзілген активті тұнбада түрлердің экологиялық алуан түрлілігі аз. Активті тұнбаның негізгі негізгі бактериалды компонентті тобына келесі микроорганизмдер кіреді: көмірсуды тотықтыратын жіп тәрізді бактериялар; көмірсуды тотықтыратын флокулярлы бактериялар және нитрофикатор-бактериялары. Бактериялардың алғашқы тобы ағын судағы органикалық заттарды деградациялауға қатысып қана қоймай, тұрақты флокулалар түзеді. Бұл флокулалар тұндырғышта тығыз тұнба түзуге қатысады. Нитрофикаторлар (Nitrosomonas және Nitrobacter) азоттың түзілген формасын тотыққан формаға айналдырады. Жіптәрізді бактериялар бір жағынан қаңқа түзеді, осы қаңқаның маңайында флокула түзіледі, екінші жағынан жағымсыз процестердің түзілуін алдын алады. Қарапайымдылар ағында судағы бактерияларды қорек ретінде пайдаланып, оның лайлану мөлшерін төмендетеді.

Активті тұнба ағын судағы ластануды жою үшін қажетті ферменттер жиынтығымен қамтылған микроорганизмдер мен қарапайымдардан құралған жүйе. Активті тұнбаның сондай-ақ адсорбциялау қабілетке ие беттік қабаты болады. Аэротенктегі активті тұнбаның концентрациясы 1,5-5,0г/л тең. Бұл көрсеткіш ағынды судың ластану деңгейіне, тұнба шамасына және өнімдеріне байланысты. Тұнбаның шамасын мына теңдік бойынша есептейді:

мұнда: М – тұнба қоспасының өлшенген бөлігі кг/м³, V – аэротенк көлемі; my – жойылған тұнба мөлшері, кг/тәулік; G – су шығымы, м³/тәулік; cвых – шығымды ағын судағы тұнба концентрациясы, кг/м³.

Мысалы: баяу өсетін нитрофикаторлар көмегімен нитрификация процесіне жету үшін көп мөлшерді активті тұнба пайдаланылады, ал органикалық тотықтыру барысында активті тұнба аз мөлшерде қажет.

Тазалау барысында активті тұнба биомассасының өсуі, тұнбаның ескіруіне және ондағы биокаталиттік активтіліктің төмендеуіне әкеледі. Сондықтан активті тұнбаның жартысы ІІ-лік тұндыру кезінде жүйеден сыртқа шығарылады да, ал екінші бөлігі реакторда қалады. Ағынды суды жарықтандыру және активті тұнбаның бөлінуі жүретін ІІ-лік тұндырғышпен аэротенк технологиялық жағынан байланысты. Тұндырғыш сондай-ақ байланыстырғыш резервуар қызметін атқарады. Мұнда ағын сулар хлорланады. Хлор мен сұйықтың арасындағы байланысу ұзақтығы кем дегенде 30 минутқа созылса, хлордың дезенфекцияға кеткен мөлшері 10-15мг/л.

4.Биологиялық тоғандар биофильтр мен аэротанктің биологиялық тазалауынан толығымен өткен жекеленген тазалағыш қондырғы ретінде пайдаланылады. Егер тазартылған тоғанда су тазалағыш жүйелер қызметін атқарса, онда ағын сулар бұл жүйеге түспес бұрын 3-5 есе техникалық және ауыз су көлеміне дейін сұйылтылады. Тоғанға жүктеме қоспағандағы тұрып қалған ағын су мөлшері 250м³/га, тәу, ал биологиялық жолмен тазаланған ағын сулардың мөлшері – 500м³/га тәу. Тоғанның орташа тереңдігі 0,5-тен 1,0м тең. Қоңыржай климат зонасында тоған сулардың ескіру мерзімі - 1 айдан кем емес.

Ағын суларды аэробты биологиялық жолмен тазалау үздіксіз қолданылады. Соңғы жылдары биологиялық тазалаудың эффективті жүйелері ұсынылды. Бұл процесс шахталық реакторларда аэроциясы үшін қолданылады. Мұндай реакторларды окситенк деп атайды. Окситенктардағы еріген оттегі концентрациясы 10-12м/г-ға тең. Бұл аэротенктердегі аэрациядан басым болып табылады. Ағын сулардағы аэрацияның жоғарылауы нәтижесінде активті тұнба концентрциясы 15 г/л-дей өседі және олардың тотықтыру қуаты 4-5 есеге дейін жоғарылап, аэротенктерден басымдылығын көрсетеді. Шахталық биореакторлар тотықтырғыш каналдарда тазартылған ағын сулардың ағуын қамтамасыз етеді. Мұндай реакторлар жерге еніп тұратын, үлкен емес реакторлар болып табылады. Шахталық аппараттардың биіктігі 50-150м, ал диаметрі 0,5-10,0м-ге тең. Аппараттың ішінде тазаланған суды циркуляциялау үшін қолданылатын зоналары бар қуыс стержені орналасқан. Серженнің жұмысы ауаны үздіксіз үрлеу арқылы жүзеге асады. Бұл аппараттың көмегімен оттегіні тасымалдау өте ыңғайлы (4,5 кг/м³ дейін). Сонда тұнбаға түскен жүктеме деңгейі 0,9кг БПК/кг тәуілікке дейін жетеді. Окситенкте тұнбалы қоспадан қатты бөлшектерді бөліп алу эксплуатация кезінде түзілетін негізгі мәселе. Ауаның микрокөпіршіктері қатты бөлшектерге жабысып, тұндыруды төмендетеді. Тұндыруды жақсарту үшін вакумды дегазация, флотация, ауаны кеулеу әдістері қолданылады. Дегазация кезеңінен кейін тұнба қоспасы аэротенкке жіберіледі, онда микрокөпіршіктер бөліп алғаннан кейін органикалық заттардың тотықтыруға дейінгі процесі жүреді. Одан әрі ағын су тұндырғышқа түседі.

1. 
   Аэротенктердің құрылысы.
   
2. 
   Аэробты микроорганизмдерге сипаттама.
   
3. 
   Биологиялық тоғандарды қолдану.
   

Ұсынылған әдебиеттер:

1. 
   Экологиялық биотехнология: ағылшыннан аударма/ К.Ф. Фостер, Д.А. Дж. Вейз. – Л.: Химия, 1990. – 348 бет.
   
2. 
   Биотехнология: принциптері мен қолданысы/ И. Хиггинс: ағылшыннан аударма. М.: Мир, 1988.
   

1. 
   Септиктенктарға сипаттама.
   
2. 
   Толық араластыруды қажет ететін ашытқы қондырғылары.
   
3. 
   Байланыстырғыш анаэробты жүйе.
   

1) Қазіргі уақытта ағын суларды анаэробты жолмен тазарту кеңінен дамымаған. Ағын суды тазартуда қолданылатын анаэробты процестерді аэробы процестермен салыстырғанда біршама артықшылығы бар. Негізгісі, биомасса көлемінің өсуі барысында ластаушы заттардан көмірсудың түзілу деңгейі жоғары және қосымша құнды өнім – биогаз алынады.

Европада 100 жыл бойы ағын суларды анаэробты жолмен тазартуда. Бұл процесте қолданылатын биореакторларды септиктенктер деп атайды, олар тұнып тұрған тұнбаны анаэробты деградацияға ұшырататын тұндырғыш қондырғыларынан тұрады. Септиктенктер 30-35⁰С температурада жұмыс атқарады. Мұнда тазаланатын ағынды су 20 тәулікке дейін болады. Биоректорды құрастырған уақыттта оның көп көңіл бөлетін негізгі параметрі сыйымдылығы (V), ол халық санымен есептеледі P:

180л көлемнің жартысы халыққа сұйық ретінде берілсе, екніші жартысы тұнба түрінде жиналады. Тенк көлемі екі камераға ажырайды, бірінде көлемі 2/3 құрайды және мұнда тұнба жинақталады. Тұнба толығымен жойылады, тек оның азғантай бөлігі ғана биореакторда қалады. Қалалық тазалау қондырғылар жүйесінде септиктенктер қолданылады. Мұнда біріншілік тұндырғыштардан бөлінген шөгінділер қайта өңделеді.Нәтижесінде ашытылған тұнба ликвидацияланады. Ашыту кезінде тұнбаның көлемі азаяды, оның құрамындағыпатогенді микроорганизмдер мен жағымсыз иісі жойылады. Күрделі ассоциация барысында септиктенктада жүретін ластаушы заттардың биодеградациясы бірнеше жолдар арқылы жүзеге асады: ацидогенді және гетероацетогенді бактериялардың қасытуымен жүретін гидролитикалық процесс және метаногендердің қатысуымен жүретін метаногенерация процестері. Анаэробты ағынды ашытударды өндірістік және ауыл шаруашылықтық ағын суларды анаэробты жолмен тазалауда қолданылады.

2) Қатты ластанған тағам өндірісінің ағындары мен мал шаруашылығының қалдықтарын тазалауда қымбат емес анаэробты жүйелер қолданылады. Жоғарыда айтылған ағын түрлерінің БПК және ХПК бойынша жүктеме деңгейлері жоғары, ал көңдік ағындар да құрамында биодеградацияға түспейтін, ерімейтін компоненттер бар. Мұндай ағындарды тазалау үшін толығымен араластырғыш ашытқылар қолданылады. Шошқа және құс фермаларынан анаэробты биологиялық тазалау барысында тек ХПК – ның 50% ғана босап шығады. Ал ірі қара мал фермаларынан тек 30% қана. Деградация процесінің ингибиторы болып жоғары концентрациялы органиктер мен азот аммонийі табылады.

Көлемі 600-700м³ тең биореакторларда ағын суларды 15-20 тәулік бойы ұстап тұрауға болады. Бұл процесс барысында түзілген биогаз құрамында 70% метан болады. 1200-1500 жуық шошқасы бар фермалардағы ағын суларды тазарту үшін көлемі үлкен емес биореакторлар қолданылады.

3) Тағам өндірісінің ластанған ағын суларын тазарту үшін арнайы өндірілген анаэробты процестер қолданылады. Мұнда түскен ағынды сулар биогаз, тұнба рециркуляциясы және механикалық араластыру арқылы толығымен айналысқа түседі. Интенсификация процесінің факторы – ол биореакторлардағы температура өзгерісі. Ашыған ағындар жарықтандырғыш құралына қарай бағытталады, онда тұнба тұну процесімен қосымша биогаз түзіледі.

Тығыздалған тұнба қайтадан ашытқышқа түседі. Ашытқышта биомасса концентрациясы 5-10г/л болса, онда құрамында ХПК бар ағын суларда 20кг/м³ дейін тазартуға болады. Биомасса концентрациясы 20-30г/л көтерілсе, ерімеген ағынды пайдаланады. Қозғалмайтын биопленкасы бар реакторларды анаэробты жолмен тазалау әдісінде де қолданылады. Бұл мақсатта қолданылатын биореакторлардың аэробты тамшылы биореакторлардан айырмашылығы, олардың лайланудан қорғайтын ірі саптамалары болады. Осы мақсатта қолданылатын ұсақ тасты саптамалардың диаметрі 25-65мм, 50% жуық бос көлемі бар. Ағынның тазалану жылдамдығы төмен және саптаманың бос кеңістігінде биомасса болады. Жүйеде ХПК бойынша жүктеме шегі 10кг/м³ тәу, органиканың біркелкі мөлшерінде ол 5кг/м² тең. Тазалаудың эффективтілігі 70%. Бұл қондырғылар көп қолданылмайды., себебі қондырғыға қажетті саптама қымбат және қондырғының фильтрлеуші қабатын қайта – қайта тазалау қажет.

Жалпы алғанда анаэробты процестер біршама артықшылығы болғаымен, олар аэробты процестер сияқты кеңінен қолданылмайды. Алайда соңғы жылдары өндірістік ағын суларды канализацияға жібермес бұрын, оны қайтадан тазарту қажет деген қатаң талап қойылғандықтан, анаэробты процестерге деген қызығушылық артуда.
Өзін тексеруге арналған сұрақтар:

1. 
   Ағын суларды анаэробты жолмен тазалауда қолданылатын реакторлардың құрылымы және жұмыс істеу принципі?
   
2. 
   Анаэробы жолмен тазартудың артықшылықтары мен кемшіліктері?
   

Ұсынылған әдебиеттер:

1. 
   Экологиялық биотехнология: ағылшыннан аударма/ К.Ф. Фостер, Д.А. Дж. Вейз. – Л.: Химия, 1990. – 384 бет.
   
2. 
   Биотехнология: принциптері мен қолданысы/ И. Хиггинс: ағылшыннан аударма. М.: Мир, 1988.
   

1. 
   Қатты қалдықтарды пайдалаундың биологиялық әдісі.
   
2. 
   Қатты қалдықтардың биодеградациясы.
   

1)Қатты қалдықтарды қайта өңдеу мен ликвидациялау кезінде қолданылатын биотехнологиялық әдістер ағын суларды биологиялық тазарту кезінде бөлінген тұнба мен кумуналды қалдықтарды қайта өңдеуде де қолданылады. Қалалық қоқыс тастайтын жерлерде дәстүрлі қатты қалдықтар кездеседі. Қалдық көлемінің өсуі қоқыс орындарының көбеюіне, оларды көлемдерінің ұлғаюына және тасымалдау барысында бұл қалдықтардың қоршаған ортаға таралуына әкеледі. Берілген деректер бойынша 2001 жылы Францияда, Грецияда және Ирландияда қалдықтарды қоқыс орндарына тасымалдау кезінде жалпы қалдық заттардың 10,3; 17,5 және 35% қоршаған ортаға таралған екен. Шикізаттарды қайтадан пайдалануға деген қызығушылықтың артқанмен, қалдықтарды жою және қайта өңдеу басқа процестерге қарағанда біршама арзан екені белгілі. Қалдықтарды анаэробты жолмен өңдеу кезінде құнды энергетикалық зат – биогаз түзіледі, ендігі уақытта қалдық мөлшерін көбейту арқылы метан алу көзделініп отыр. Қалдықтар әр алуан, бірақ дамыған елдерде қатты қалдықтар біртипті болып келеді, сондықтан органикалық және өсімді материал мөлшерін азайта отырып, қағаз бен пластмасс көлемін ұлғайту қажет. Бұл әдіс қоқыс орындарында қалдықтарды тұрақтандыру мезгілін ұзартады. Қоқыс орындарына химиялық зерттеу жүргізгенде алынған нәтиже бойынша қатты қалдықтың құрамында биодеградацияға оңай түсетін фракциялар мөлшері 70% құрайды екен.

2) Қоқыс орындарындағы қалдықтың сипаты өте күрделі, себебі мұнда әр түрлі уақыт аралығында жаңа материалдар келіп түседі. Нәтижесінде бұл процесс температура градиентіне, рН, сұйық ағынына, ферментация активтілігіне және т.б. тәуелді. Қалдық материалдарында күрделі микроорганизмдер ассоциациясы болады, олар қатты бөлшектердің бетінде дамып, олар үшін биогеді элементтер көзі болып табылады.

Ассициация ішінде әр алуан өзара байланыс пен өзара әрекеттестік байқалады. Жалпы микробты ассоциацияның жағдайы мен биокаталитикалық потенциалы ортаның химиялық құрамына, мөлшеріне, субстарт концентрациясына тәуелді. Европалық қоқыс орындарында қалдықтар белгілі бір бөліктерге бөлініп орналасқан, оларды өңдеген уақытта периодты әрекетте жұмыс атқаратын реакторларды пайдаланады. Мұндай реаеторларда қалдықтар биодеградацияның әр түрлі кезеңдерінде болады.

Қатты қалдықтарды биодеградациялаудың алғашқы сатысында микроорганизмдер (бактерия, актиномицеттер, саңырауқұлақтар) мен омыртқасыздар (нематод, кене) әсерімен деградацияланатын компоненттердің тотығуы жүретін аэробты процесс басым болады. Содан кейін деструкция процесі қиын жүреді және лигнин, лигноцеллюзоза, меланин, танин субстарттары баяу тотығады. Қатты заттарды биодеградациялардың деңгейін бағалаудың бірнеше әдістері бар. Мұндай бағалау әдістерінің бірі, целлюлоза мен лигниннің ажырау жылдамдығына негізделген. Өңделмеген қатты қалдықтар құрамында целлюлозаның лигнинге қатынасы 4.0 құраса, өңделмегенде – 0.9-1.2, ал тұрақты қалдықтарда олар 0.2 тең. Аэробты кезеңде ортаның температурасы 80⁰С дейін көтерілуі мүмкін, нәтижесінде жәндіктер дернәсілдері, вирустар, патогенді микроорганизмдер өліп, инактивация жүреді. Температура бұл ортаның жағдайын көрсететін негіззі көрсеткіш болып табылады. Температура мөлшерінің ұлғаюы органикалық заттардың деструкциялық процестерінің жүру жылдамдығын жоғарлатады, бірақ лимиттеу факторы болып табылатын оттегінің ерігіштік қасиетін төмендетеді. in situ молекулалық оттегінің таусылуы нәтижесінде жылу шығымы мен көмір қышқылының жиналуы төмендейді. Бұл жағдай өз кезегінде алдымен факультативті, кейін облигатты анаэробты микроорганизмдердің өсуін ретейді. Анаэробты минерализацияны аэробты процеспен салыстыратын болса, мұнда әр түрлі бір – бірімен әрекеттесетін микроорганизмдер қатысады. Мұндай организмдер электрон акцепторының тотыққан түрін пайдалануға қабілетті, нәтижесінде олар термодинамикалық және кинетикалық артықшылыққа ие болады. Соңынан полимерлердің (полисахарид, липид, ақуыз) гидролизі жүреді., бұлардан түзілген мономер сутегі, көміртек диоксидіне, спиртке және органикалық заттарға ажырайды. Одан кейін метаногендер көмегімен метан түзу процесі жүреді.

Жоғарыда аталған процестер нәтижесінде қоқыс қалдықтарынан екі өнім түзіледі: топыраққа сүзілетін су және газ. Сүзілген су құрамында микроорганизмдерден басқа аммонийлы азот, ұшқыш май қышқылы, алифаттық, ароматтық және ацикликалық қосылыстар, терпендер, минералдар (макро және микроэлементтер), металдар сияқты әр түрлі комплексті заттардан тұрады.

Сондықтан қоқыс орнын таңдаған уақытта оның қоршаған ортаға зиянын тигізбейтіндігіне көңіл бөлуіміз қажет. Су сүзгіштігімен күресу жолы ретінде қоқыс маңайындағы су өткізбейтін қабықпен қаптайды. Суды фильтрация жасау үшін және анаэробты өңдеуді бақылау үшін тамшылы биофильтр, аэротанк немесе аэроционды тоғандар пайдаланылады. Аэроционды жүйеде бірнеше ай ішінде судан 70% БПК бөліп алуға, тамшылы биофильтрлерде 92% жуық БПК алуға болады.

Анаэробты биологиялық тазалу 40-50 күн аралығында 25⁰С температура шамасында ХПК 80-90% жоюға мүмкіндік береді. Биогаз құнды энергия тасығыш болғанымен, оның қоршаған ортаға тигізетін кері әсерлері (жағымсыз исі, жер суларының қышқылдануы, ауыл шаруашылығында культуралардың түсімділігін төмендету) көп, сондықтан мүмкіндігінше газ кемуін тоқтату. Ол үшін газдың ауысуын бақылайтын арнайы қоршаулар, траншея (ұзын, терең ор) жасау. Қалдықтарды қайтадан өңдеу арқылы метанды бөліп алуға деген қызығушылық соңғы он жылда арта түсті. АҚШ – та осы мақсатта 10 қондырғы, жалпы нарықтық мемлекеттерде қырық қондырғы салынды. Ендігі уақытта мұндай қондырғыларды салу Ұлыбритания, Жапония, Канада, Швейцария елдері көздеп отыр. Қалдықтардан көп мөлшерде түзілген биогаздардың да өз артықшылығы бар. Россман қондырғылары жаз айларында 1 күнде 40000мг дейін газ береді. Мұндай қондырғылар көлемі 10-20.106м³ құрайды.

Теориялық тұрғыдан алсақ құрғақ қатты заттардан 0,266м³/кг метан бөлінеді. Биогаздың бөлінуіне байланысты жүргізілген лабораториялық эксперименттер бойынша жылына 100л/кг жуық газ бөлінеді екен. Метаногенез процесіне үлкен әсер ететін факторлар – ортаның Рн, температурасы, ылғалдылық, аэрация деңгейі, қалдықтардың химиялық құрамы, токсиндік компоненттер және т.б. қалдықтар арасынан түзілген газды тігінен және көлденең орналасқан полиэтиленді трубалар арқылы ажыратып аламыз. Насос немесе ауа үрлегіш құралдарының көмегімен газды бөліп алуды жылдамдатуға болады. Газды теплицаларды жылытуда, бу алуға қолданады, қосымша өңдегеннен кейін оларды қолданысқа жіберуге болады.

Сондықтан экологиялық мәселелерден басқа ол экономикалық сипатқа ие, яғни қалдықтардан өңделген биогаз, қауіпті жағымсыз қалдықтармен сондай – ақ ластануменкүресте материалды шығымды азайтады.

1. 
   Қатты қалдықтарға сипаттама.
   
2. 
   Қатты қалдықтардың аэробты биодеградациясы.
   
3. 
   Қатты қалдықтардың анаэробты биодеградациясы.
   

Ұсынылған әдебиеттер:

1. 
   Экологиялық биотехнология: ағылшыннан аударма/ К.Ф. Фостер, Д.А. Дж. Вейз. – Л.: Химия, 1990. – 384 бет.
   
2. 
   Биотехнология: принциптері мен қолданысы/ И. Хиггинс: ағылшыннан аударма. М.: Мир, 1988.
   

1. 
   Тұнба ликвидациясының әдістері.
   
2. 
   Тұнбаны құрғату.
   

Мұндай ликвидация әдісі (жою) екі жағдаймен, яғни тұнбаның құрамында патогенді организмдер мен токсинді элементтер болуымен күрделене түседі. Тұнбаны тұрақтандырудағы негізгі әдістерге ашыту, әктен өңдеу, үйінді жасау процестері жатады. Патогенді микроорганизмдер мен ауыл шаруашылық культураларының арасындағы байланысты болдырмау үшін тұнбаны топырақ деңгейінен төмен көму қажет. Бұл әдіс жағымсыз иістерді алдын алуға жәрдемдеседі.

Мұндай абыржуға себепші болатын екі негізгі патогенді организмдер: Salmonella және сиыр цепені бар. Алайда тұнба құрамында бұдан басқа патогенді түрлер, соның ішінде паразитті тіршілік етушілер, мысалы бруцелла абортус және Аскарис суум кездеседі.

Тұнба құрамындағы ауыр металл иондары, олардың қоршаған ортаға тигізетін зияны жайлы қиындықтарды ЕЭС келісім шарттарында көрсетілген.

Топырақ құрамындағы кез келген токсинді элементтердің концентрациясын бақылау қажет, егер концентрация мөлшері өссе, онда топырақ жарамсыз және сезімтал болып қалады. Топырақта екі түрлі токсинді әсерлер байқалады: фитотоксиндік – егістіктің сапасы мен санын төмендетсе, зоотоксиндік – металдар өсімдіктердің тамырларына жиналып, оларды пайдаланған уақытта токсиндік әсер көрсетеді. Әр түрлі елдерде көптеген токсинді заттар қатарына түрлі металдар жатады. Олардың концентрация шегі әр түрлі. Мысалы, ФРГ – да кадмий концентарциясы 20мг/кг аспауы қажет, ал Данияда оның мөлшері 8 мг/кгқұрайды. Ұлыбританияда түрлі элементтердің концентрация шегі топырақ типіне байланысты.

Топыраққа көп жиналатын металл – кадмий. АҚШ – та белгіленген норматив бойынша оның анықтамасына назар аударады. Кадмий көп жағдайда зоотоксинді әсер көрсететді. Сондай – ақ сынап, цинк және никель металдарына да көп көңіл бөлуде. Бұл элементтер фитотоксинді әсер көрсетеді және бұл металдар бір – бірін толықтырушылар болғандықтан, оларды бір тұтас жүйе ретінде қарастырады. Соңғы жылдары көптеген елдерде, соның ішінде ҚР – да мырыштың эквивалентті концепциясын пайдаланады. Бұл концепцияда 3 элементтің (мырыш, сынап, никель) салыстырмалы токсиндік әсері 1:2:8 теңдігімен негізделген.

2. Пастерлеу. Бұл әдісті Швейцария және Германия елдерінде егістікке тұнбаны шығарған уақытта сальмонелланың таралуын алдын алу үшін қолданады. Пастерлеу кезінде тұнбаны 70⁰С температурада 30 минут қыздырады. Пастеризация процесіне қолданылатын биореакторларға жылу алмастырғыштар жатады, олар периодты және үзіліссіз режимдер бойынша жұмыс атқарады. Пастерлеуден кейінгі ауытқу процестерінде осы жылу алмастырғыштарда жүреді. Мұнда тұнба анаэробты ашыту температурасына дейін суытылады. Пастеризациядан кейін ашыту процесін қолдану, ондағы энтеробактерияларының қайта өсуін қамтамасыз етеді. Швейцарияда жүргізілген тәжірибе бойынша пастериязациядан кейін энтеробактериялар 100 клетка құрайды екен. Сондай – ақ тәжірибе барысында гельминт жұмыртқаларының тіршілік ету әрекетін жоғалтқандығы байқалды.

Радиациялық өңдеу. Радиациялық өңдеуді стирилизация ретінде қолданудың ешқандай ерекшелігі жоқ. Радиациялық өңдеу кезінде құрамында патогенді және паразиттік микроорганизмдер мөлшері төмен тұнба алынады. Өндірістік көзқарас бойынша радиациялық өңдеу кезінде радиоизотоп пен электрон үдеткіштерін пайдаланамыз.

Өзін тексеруге арналған сұрақтар:

1. 
   Тұнбаны күйдіру әдістері.
   
2. 
   Тұнбаны құрғату әдістері.
   

Ұсынылған әдебиеттер:

1. 
   Экологиялық биотехнология: ағылшыннан аударма/ К.Ф. Фостер, Д.А. Дж. Вейз. – Л.: Химия, 1990. – 384 бет.
   
2. 
   Биотехнология: принциптері мен қолданысы/ И. Хиггинс: ағылшыннан аударма. М.: Мир, 1988.