CC BY
58
Некоторые аспекты безотходной технологии
Ю. И. Шишков, Г. Б. Травников, А. А. Плахов
ООО «ПАЭЛ» (Москва)
Питание — один из важнейших факторов, опосредующих связь человека с внешней средой и оказывающих влияние на здоровье, работоспособность, устойчивость нервной, психической и других жизненно важных систем организма к воздействию неблагоприятных экологических и социальных условий.
В целом современное состояние агропромышленного комплекса можно характеризовать как материалоемкую отрасль вследствие использования значительного количества природных сырьевых, топливно-энергетических и водных ресурсов. Так, к основным потребителям пресной воды относят сельское хозяйство, промышленность и энергетику. Соотношение потребляемой ими воды соответственно составляет (%) 70 : 20:10. Однако нужно учитывать, что значительное количество воды потребляет и коммунальное хозяйство. При этом большинство перерабатывающих предприятий в значительной степени небезопасны для природной среды. До 10 % сточных вод промышленных предприятий приходится на долю пищевых производств, которые занимают 14-е место среди отраслей промышленного цикла по уровню загрязнения окружающей среды. Например, спиртовой завод средней мощности (3000-6000 дал/ сут этанола) по своему воздействию на экологию соизмерим с городом, в котором живет 100 тыс. человек.
Оптимальным решением как социально-экономической, так и экологической проблем в агропромышленном комплексе является создание безотходной технологии. Поскольку среди наиболее многочисленной группы производств, для которых характерны высокие удельные расходы сырья и материалов при низкой экологич-ности выработки целевого продукта, выделяются спиртовые заводы, то эта отрасль промышленности была выбрана в качестве объекта исследований для разработки комплексной безотходной технологии.
Под комплексной безотходной технологией понимается такая технология, которая начинается с интенсификации технологии возделывания сельскохозяйственных культур и заканчивается получением на перерабатывающем предприятии биогаза, вырабатываемого биоконверсией органических загрязнителей сточных вод,
и возвратной технологической воды. При этом по желанию заказчика из сточной воды можно получить питьевую воду, аналогичную талой воде, т.е. имеющей биологическую активность, позитивно влияющую на организм человека и животных.
Поскольку большинство производств пищевой промышленности связано с живыми организмами, можно считать, что один из путей решения вопроса — усиление роли биотехнологической составляющей агропромышленного комплекса. Это может быть достигнуто за счет увеличения физиолого-биохимической активности клеток. Иначе говоря, за счет регулирования интенсивности их метаболических процессов. Одним из основных составляющих метаболизма, способствующих его интенсивности, безусловно, являются изменение количества внутриклеточных ферментов, условия контакта их с субстратом, а также тонкие вариации в структуре этих функциональных белков, от которых зависят их каталитические свойства.
Клеточный уровень осуществляется прежде всего за счет регуляции синтеза ферментов. К таким регуляторным механизмам относится индукция синтеза одного или нескольких ферментов компонентами субстрата либо модуляциями ими активности уже присутствующих в клетке молекул ферментов. При метаболизме биохимические реакции не только взаимосвязаны, но и имеет место корреляция скоростей их протекания. Поэтому одно из важнейших условий регуляции клеточного метаболизма — баланс между биосинтетическими реакциями и энергетическими процессами. Нарушение корреляции между этими обменами приводит к замедлению физиологических процессов и, следовательно, снижению продуктивности клеток.
В настоящее время предложено огромное число самых разных регуляторов метаболизма. В последнее время для регуляции клеточного метаболизма разработаны биогенетические предшественники активных центров окислительно-восстановительных и других внутриклеточных ферментов, именуемые в дальнейшем витацитами (вита — жизнь, цито — клетка). Поскольку витациты моделируют активные центры сложных ферментов, они синтезируются в виде координационных соединений с разнохарактерными (смешанными) лиганда-ми. Характерная особенность этих координационных соединений состоит в том, что во внутренней сфере их молекул имеет место совмещение различных биологически активных веществ: ионов металла, витаминов и их производных, аминокислот, фосфорсодержащих соединений, органических кислот и др. Представляет интерес координированные во внутренней сфере молекулы комплексного соединения молекул воды. Доказано, что они лабильны и легко замещаются на донорные атомы белка-переносчика, например азота, обеспечивая этим перенос молекулы комплекса в клетку по механизму активного трансмембранного переноса с затратой энергии, создаваемой на мембране градиентом электрохимического потенциала.
Данные, представленные в табл. 1 [1], поясняют способ формирования молекул, моделирующих активные центры ферментов, участвующих во второй стадии спиртового брожения и входящих в состав мультиэнзимной системы.
С большой вероятностью можно утверждать, что синтез белков, протекающий с участием витацитов, сопровождается электронно-конформационными изменениями у ферментов, что придает им новые кинетические свойства. Межмолекулярные силы, определяющие взаимодействие молекул, несмотря на их различную классификацию, по своей природе являются электростатическими и определяются внешними электронными облаками. Анализ функций белков свидетельствует, что свойства и биологические эффекты этих макромолекул однозначно определяются их пространственно-временной (динамической) электронной структурой. Оптимизация состава молекул витацитов сопровождается формированием у них сте-реоэлектронной структуры, свойственной для каждой молекулы. Взаимодействие
Таблица 1
Фермент Модели активных центров внутриклеточных ферментов
Металл Первый лиганд Второй лиганд Молекула
Пируватдекарбоксилаза Mg В1 hpo42- [Mg(Bl)(HPO4)(H2O)n]2+
Кофактор А Mn В3 Цистеин [Mn(B3)(Cys)(H2O)n]z+
Липоилдегидрогеназа Mg N Лизин [Mg(N)(Lys)(H2O)nP
Примечание. Витамин В1 — тиамин; витамин В3 — пантотеновая кислота; провитамин N — липоевая кислота. Аминокислоты: Cys — цистеин , Lys — лизин.
электронных облаков молекул белков и витацитов приводит к формированию ферментов с новой стереоэлектронной структурой, которая обусловливает значительные конформационные изменения как у белковой их части, так и в активных центрах, включающих смешанно-лиганд-ные (разнохарактерные) комплексные соединения, что имеет большое значение для биологической активности фермента. Возможно, один из факторов, вызывающих изменение в структуре белка, обусловлен изменением расстояния между спиральными цепями белка при взаимодействии этой макромолекулы с молекулой витацита. Доказательством правомерности этой точки зрения может служить то, что сближение спиральных цепей делает молекулу белка более жесткой, обеспечивая стабилизирующее действие против субстратов, вызывающих денатурацию фермента вследствие раздвижения спиральных цепей и возможности восстановления активности при обращении денатурации.
Это обстоятельство характеризует значение вторичной и третичной структуры белка для построения активного центра фермента. Однако, судя по тому, какая динамичность обнаруживается в структурно-функциональной организации сложных ферментов, можно надеяться, что, хотя строение активного центра в целом непосредственно связано со вторичной и с третичной структурой белковой молекулы, все же ее взаимодействие с витацитом приводит к конформационным изменениям молекулы фермента, определяющим активность этого функционального белка.
Ни одно перемещение электрона, ни одно образование даже слабой (водородной или гидрофобной) связи не происходит бесследно, эти слабые связи меняют внутримолекулярные частотные, электростатические, электромагнитные и другие характеристики. Физиологическая (биохимическая) активность вещества зависит от свойств, состояния молекулы, а она, в свою очередь, связана с физическими, химическими свойствами и с ее формой. Следовательно, при взаимодействии ви-тацита с белком можно говорить о формировании вещества с новой структурно-функциональной организацией молекулы, определяющей ее функциональную активность [2].
Высказанная точка зрения подтверждается экспериментальными фактами. Принципиальное значение наблюдаемых результатов сравнительных экспериментов по выявлению эффективности действия витацитов на дрожжи Saccha-romyces cerevisiae состоит в том, что они четко указывают на одновременное существование двух действующих факторов, связанных с количественным содержанием ферментов и уровнем их активности. При этом уровень активности ферментов является определяющим. Одновременно
с этим была зафиксирована прямая корреляция между повышением активности окислительно-восстановительных и других внутриклеточных ферментов, вызываемых действием витацитов на клетки, и увеличением объемно-метрических показателей митохондрий, а следовательно, ростом их энергизации, коррелирующей, в свою очередь, с интенсивностью физиологических процессов по фазам роста клеток.
Дрожжи, выращенные на среде с вита-цитами, можно характеризовать как организмы со строгой сбалансированностью процессов анаболизма и катаболизма. Это заслуживает внимания, поскольку только сопряженность энергетических и синтетических реакций обеспечивает наиболее эффективное использование энергии, идущей на осуществление конструктивного обмена и размножение клеток.
Существенный интерес представляют экспериментальные результаты исследований влияния кремнийорганического соединения на физиолого-биохимическую активность дрожжей. Его действие на клетки подобно влиянию на них витацитов. Напитки брожения, приготовленные с применением витацитов и кремнийорганического соединения, имели лучшие органолептические характеристики, чем контроль. При этом интенсивность брожения субстрата, обогащенного этими соединениями, была также выше, чем в контроле.
Интенсивность технологических операций может быть увеличена за счет улучшения биотехнологических свойств клеток, участвующих в процессах биоконверсии растительного сырья в продукты питания.
Обобщая накопленный экспериментальный материал по усилению физио-лого-биохимической активности клеток в ходе технологического процесса производства продукта, можно констатировать, что именно в результате повышения у них этого показателя обеспечивается необходимый уровень биотехнологической составляющей агропромышленного комплекса, позволяющей осуществить безотходную технологию. Эта технология должна быть комплексной, т. е должна сочетать интенсивную технологию возделывания сельскохозяйственных культур со смежными по виду перерабатываемого сырья производства, которые одновременно обеспечивают очистку сточных вод с образованием биогаза и технологической воды, снова возвращаемой в технологический цикл, или питьевой воды.
С позиции развиваемых нами представлений о комплексной безотходной технологии важное значение приобретает показатель эффективности использования исходного многокомпонентного сырья. Примером могут служить технология производства зерна злаковых культур повышенной биологической ценности и его глубокая переработка, при которой спирт становится одним из вырабатываемых
Таблица 2
Отходы Количество
Спиртовая барда, м3/т спирта Эфироальдегидная фракция, кг/т зерна Сивушное масло, кг/т зерна 16,25 1,14 0,94
продуктов. Зерно — многокомпонентное сырье, содержащее крахмал различного качества, белки (клейковину), жиры, клетчатку и др. При получении спирта из зерна практически используются только его крахмалистая часть и биологически активные соединения. При этом размер крахмальных зерен (крахмал А — 20-50 мкм), служащий основным критерием качества крахмала, как готового продукта, в получении спирта не является критичным [3]. Каждый из компонентов зерна может быть использован по своему назначению для производства различных пищевых и кормовых продуктов, в том числе функционального назначения. Многокомпо-нентность жидких отходов производства этанола, с одной стороны, усложняет процесс очистки и обезвреживания сточных вод, с другой — открывает огромные перспективы по созданию производств, выпускающих большой ассортимент продукции.
Микробилогическое производство этилового спирта — материалоемкое производство, где в зависимости от вида используемого сырья, принятой схемы производства и технической оснащенности практический выход спирта на предприятих отрасли колеблется от 59,1 до 66,7 дал и составляет 82,1-92,6 % от теоретического. Остальное переходит в технологические отходы и составляет вторичные сырьевые ресурсы. В табл. 2 представлены данные по количеству основных жидких отходов при производстве этанола из зерна [4].
Основной жидкий отход производства этанола — спиртовая (или послеспир-товая) барда, частично применяемая как жидкая кормовая добавка, ценность которой как белково-углеводного кормо-продукта обусловлена содержанием протеина 26-35 % и низкомолекулярных углеводов — 25-30 % на абс. СВ. По составу аминокислот и витаминов сухую барду можно отнести к белково-витамин-ным продуктам со средней биологической ценностью. Однако вследствие больших затрат на сушку и транспортировку реализация барды в натуральном виде ограничена. Поэтому в ряде случаев заводы вынуждены вывозить барду на поля фильтрации или сбрасывать в водоемы, загрязняя окружающую среду. Анализ результатов ранее проведенных исследований [1, 2, 5-7] позволяет констатировать, что наиболее рациональный способ утилизации барды — придание ей свойств продуктов функционального назначения, достига-
емое путем ее обогащения витацитами, что обеспечивает ей конкурентоспособность на рынке кормов.
Подтверждением высказанной точки зрения служит ранее наблюдаемый нами позитивный клинический эффект, достигаемый за счет скармливания витацитов животным с токсическим гепатитом, который воспроизводился введением в их организм сублетальной дозы тетрахлор-метана (ТХМ), метаболизм которого сопровождается образованием свободных радикалов, оказывающих повреждающее действие на гепатоциты. В этом эксперименте опытных, контрольных и интактных мышей содержали на гранулированном корме и только опытным животным в корм добавляли витациты в дозе, соответствующей ежесуточной потребности организма человека в витаминах, но пересчитанных на массу тела животных [5]. Курс приема витацитов составлял 28 сут.
Прием витацитов привел к росту содержания в сыворотке крови больных животных эндогенного лизоцима, что свидетельствует о повышении роли местного иммунитета (в кишечнике).
Витациты, повышая локальный иммунный статус организма животных, улучшая функцию печени и кишечника, способствуют регенерации его микробиоценоза у больных животных, т.е. они устраняли дисбиотические сдвиги, вызванные токсическим действием ТХМ.
Интенсивность развития процесса перекисного окисления липидов (ПОЛ), обычно протекающих в организме на низком стационарном уровне, значительно возрастает после воздействия на него неблагоприятных факторов любой природы. Под влиянием витацитов увеличивается активность ферментов антиоксидантно-го ряда, уменьшающих кумулятивный эффект от окислительного повреждения, вызванного ТХМ. Увеличение антиок-сидантного статуса больных животных свидетельствует о снижении активности процессов липидной пероксидации, обусловленной действием ТХМ.
Таким образом, витациты при использовании в кормовых рационах положительно влияют на физиологические функции и биохимические реакции организма путем вмешательства в метаболическую активность клеток его тканей и систем через усиленный синтез ферментов с повышенным уровнем каталитического действия, т.е. через направленное изменение обмена веществ клеток они корректируют гомеостаз целого организма.
Основные системы организма животных и человека, контролирующие и регулирующие гомеостаз, — эндокринные и иммунные системы, состояние которых в большей степени определяют процесс старения, чем возраст организма. В модельных экспериментах на здоровых мышах обнаружено, что витациты через ре-
гуляцию гомеостаза замедляют процессы старения животных [5].
Назначение витацитов добровольцам способствовало коррекции ключевых функций, составляющих системы жизнеобеспечения организма человека. Установлен факт увеличения скорости клеточного обновления внутренних органов в патологических очагах при употреблении пациентами повседневных продуктов питания с витацитами, используемых в качестве модулятора биологических эффектов.
Пищевые и кормовые рационы, обогащенные витацитами, можно отнести к разряду продуктов функционального назначения с выраженной биологической активностью (терапевтическими и профилактическими, снижающими риск различных заболеваний). По мнению автора [1, 2, 5-7], использование витацитов в продуктах питания и кормовых рационах позволяет достигнуть существенного прогресса в практической реализации формирующегося нового направления в пищевой комбинаторике — биостимулирующей терапии, основные цели которой — ранняя профилактика патологических состояний и максимально эффективное и безопасное лечение. Рассматриваемые модуляторы биологических эффектов можно отнести к системному продукту здоровья, поскольку они, не являясь медикаментозным средством, придают продукту питания лечебно-профилактические свойства, оказывая многоплановое воздействие на организм и в конечном счете корректируя его гоме-остаз, что позволяет использовать их в гериатрической практике.
Биологическую ценность перерабатываемого сырья можно повысить путем подкормки возделываемой сельскохозяйственной культуры микроудобрениями, в качестве которых используются витаци-ты. Апробирование витацитов в полевых условиях в качестве микроудобрений показало, что их применение является важной составной частью организации эффективной системы сбалансированного питания растений полным комплексом элементов и биологически активных веществ, необходимых при использовании интенсивных технологий возделывания сельскохозяйственных культур [8]. Применение витацитов в качестве микроудобрений обусловливает не только получение по сравнению с контролем повышенных урожаев (на 20-30 %) сельхозпродуктов с более высокой биологической ценностью (на 15-25 %), но и более высокие темпы созревания (на 2-3 недели) сельскохозяйственных культур.
Из общих моментов, характеризующих улучшение качества сырья с использованием витацитов в виде микроудобрений, следует отметить, что этим не только повышается устойчивость сырьевой базы и урожайность зернокультур, пригодных для их переработки в этанол, но и увеличивается
количество в сбраживаемой среде биологически активных соединений (аминокислоты и их амиды, витамины и микроэлементы), что, в свою очередь, способствует стимулированию спиртового брожения. Увеличение содержания в сырье биологически активных веществ, влияющих на интенсивность процессов брожения, приводит к повышению количества субстрата, превращаемого микробиологическим синтезом в этанол и, следовательно, некоторому увеличению его выхода. Повышение биологической ценности сырья может быть альтернативным способом решения экологической проблемы, поскольку снижает содержание в стоках остатков растительного происхождения, плохо фильтрующихся и быстро загнивающих, выделяющих неприятные запахи.
Поскольку перевод спиртовой барды в кормовые рационы повышенной биологической ценности напрямую зависит от ее количества, то первым этапом ее утилизации при небольших количествах может быть технологический путь, обусловленный биологической очисткой сточных вод. Для очистки концентрированных сточных вод в пищевой промышленности широко используют двухстадийную технологию, представляющую собой анаэробно-аэробную биологическую очистку, в которой анаэробная очистка (метановое брожение) — предварительная стадия, а аэробная очистка — окончательная очистка. После аэробной очистки стоки обеззараживаются с использованием ультрафиолета и сбрасываются в городскую канализацию. Метановое брожение служит эффективным средством защиты окружающей среды от загрязнения, а также способом получения биотоплива.
Биоконверсия органических веществ (полисахара, протеины, жиры и др.), содержащихся в концентрированных сточных водах, в биогаз осуществляется на анаэробной стадии (метаногенезе) и представляет собой многоступенчатый процесс, в котором углерод-водородные связи постепенно разрушаются под воздействием различных физиологических групп анаэробных бактерий.
По современным воззрениям, анаэробное превращение практически любого сложного органического вещества (ОВ) в биогаз проходит четыре последовательные стадии: стадия гидролиза (расщепления) сложных биополимерных молекул (белков, липидов, полисахаров и др.) на более простые олиго- и мономеры: аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.; стадия ферментации (брожения) образовавшихся мономеров до еще более простых веществ — низших кислот и спиртов, при этом образуются также диоксид углерода и водород; ацетогенная стадия, в которой образуются непосредственные предшественники метана: ацетат, водород, диоксид углерода; собственно метаногенная
стадия, которая ведет к конечному продукту расщепления сложных ОВ — метану.
Между стадиями гидролиза и брожения нет четкой границы, так как обычно микроорганизмы, обладающие гидролитической активностью, используют продукты гидролиза расщепляемых ими соединений для своего роста.
Этот сложный комплекс превращений осуществляет большое количество микроорганизмов (до нескольких сотен), среди которых преобладают бактерии. Количественный и качественный состав микрофлоры зависит от состава сбраживаемых органических веществ и условий, которые создаются в анаэробном биореакторе. Преобладающие группы микроорганизмов — гидролитические, бродильные, синтрофные и метановые, последовательно осуществляющие вышеперечисленные стадии анаэробного брожения. Деятельность сообщества микроорганизмов можно рассматривать как единое целое, регуляция в котором имеет аналоги в многоклеточных организмах.
Метановое брожение концентрированных сточных вод биохимических производств может начаться без специальной микробной инокуляции при создании анаэробных условий за счет микрофлоры, присутствующей в окружающей среде, и в аэробном активном иле коммунальных очистных сооружений, задаваемом в биореактор. При запуске анаэробных биореакторов для ускорения их выхода на проектный режим они могут быть инокулированы адаптированным активным анаэробным илом для интенсификации запуска. После определенного срока работы биореактора с более или менее постоянным составом сточных вод в нем путем автоселекции образуется стабильный консорциум анаэробных бактерий. Выход анаэробного биореактора на проектную мощность работы — весьма длительный процесс, составляющий 9 мес и более. Для сокращения сроков до 2-3 мес выхода его на проектную мощность в биореактор вносят витациты.
Для предварительной очистки стоков разработан высокопроизводительный, ремонтопригодный анаэробный биореактор, что весьма важно, поскольку во время работы в местах выхода потока воды биореакторы забиваются трудно растворимым осадком, и их практически в раз год приходиться разбирать и очищать. Чистка с использованием химических реагентов даже одного биореактора без разборки — дорогостоящее мероприятие и продолжительное по времени (13±25 сут).
На примере работы действующего ме-лассно-спиртового завода производительностью 9000 дал/ сут и с количеством послеспиртовой барды до 1100 м3/сут рассмотрим технологию очистки его сточной воды, имеющей следующие физико-химические показатели до очистки и после предварительной очистки (табл. 3).
Итак, согласно разработанной технологии стоки с высокой концентрацией органических загрязнителей подаются в насо-сную-усреднитель объемом 60 м3/ч, где они подвергаются 3,4-кратному разбавлению хозяйственно-бытовой водой. На выходе из усреднителя сток, имеющий ХПК 19 000-21000 мг О2/л, рН 6,8-7,1, направляется в анаэробный биореактор, где сточная вода подвергается предварительной очистке с помощью метанового брожения, осуществляемого в мезофильном режиме (33± 1 °С). Одновременно в биореактор объемом 0,1 м3 дозировочным насосом в количестве 0,2 л/ сут подается раствор витацитов. Для очистки указанного количества стоков потребовалось восемь биореакторов емкостью 550 м3. Процесс брожения проводили в непрерывном режиме с ежесуточной заменой 35 % сброженной среды на свежую сточную воду, что обеспечивает полное обновление объема среды в анаэробном биореакторе в течение 3 сут.
Из анализа данных табл. 3 следует, что процессы анаэробного сбраживания и образования биогаза ускоряются при воздействии витацитов на консорциум анаэробных бактерий, включая метанобра-зующие бактерии. Повышение физиолого-биохимической активности клеток под влиянием витацитов увеличивает интенсивность процессов метанового бражения, выразившееся в большем (на 15-20 %) образовании биогаза.
По сравнению с природным газом био-газ содержит меньшее количество метана (до 80 % против 95 %), диоксида углерода (до 20 % против 1,0 %). Азота и кислорода в биогазе нет, а в природном соответственно до 6 и 0,3 % ; водорода в природном нет, в биогазе до 0,7 %; сероводорода в биогазе 0,6 %, в природном — 3 %; аммиака в природном не имеется, в биогазе до 150 мг/ м3. В отличие от природного газа биогаз насыщен влагой. Теплотворная способность биогаза около 5133 кал/ м3, природного газа — 8000 кал/ м3.
Как правило, очистка стоков с помощью метанового брожения — это предварительная ступень перед аэробной (окончательной) очисткой, в основе которой лежат процессы, обусловленные жизнедеятельностью микроорганизмов активного ила, представляющего собой смешанную культуру различных систематических групп — бактерий, актиномицетов, грибов, водорослей и членистоногих. Основу составляют бактерии. Следует отметить, что 1 г сухой биомассы равен « 100 м2, что обеспечивает быструю биохимическую очистку стоков. После аэробной стадии до-очистки сток имеет выходные характеристики: ХПК — 250-350мг О2/л, БПК5 < < 10 мг О2/л, общий азот — 70-90 мг/л, в том числе аммонийный азот < 10 мг/л.
После аэробной очистки сточной воды мелассно-спиртового завода в ней находились трудноокисляемые органические
Таблица 3
Значение
Показатель до после
очистки очистки
рН 4,29 7,2-7,6
ХПК, мг О2/л 80 000 3000-5000
БПКп, мг О2/л 66 000 —
Взвешенные 450 410
вещества, мг/л
Сухой остаток, мг/л 86 000 Не определялся
Фосфор, мг/л 140 То же
Общий азот, мг/л 3900 1200-1400
Аммонийный азот, 900-1200
мг/л
Хлориды, мг/л 1540 Не определялись
Летучие жирные кислоты (ЛЖК), мг/л — 2500-3000
Температура, °С 100 33±1
Средний выход биогаза с 1 м3 барды, м3/ч — 57
В эквиваленте
на природный газ, м3/ч 46
соединения, что обусловило отправление стока на поля фильтрации, где через 21 сут при наличии кислорода воздуха происходит их окисление до фоновых показателей окружающей среды.
Недостатки классической анаэробно-аэробной биологической очистки сточной воды: образование вторичных продуктов отходов (избыточного ила, остаточных количеств вторичных продуктов метаболизма бактерий); утилизация или захоронение которых, с одной стороны, также является экологической проблемой, с другой — снижение эффективности очистки стоков из-за выпадения их в виде осадка на внутренней поверхности трубопроводов и анаэробного биореактора; высокие энергозатраты на аэрацию сточных вод (до 70-80 % совокупных энергозатрат на очистку). Кроме того, в стоках могут находиться трудноокисляемые органические соединения, что позволяет после двухста-дийной биологической очистки сбрасывать сточную воду на поля фильтрации.
Вода — уникальное вещество, обладающее ни с чем не сравнимыми физико-химическими и биологическими свойствами. Феномен воды состоит в том, что, прежде всего, будучи первоосновой жизни, она являет собой исключительно подвижную и легко «ранимую» систему с выраженным набором аномальных свойств в зависимости от рода действия на нее окружающей среды.
В химически чистом виде воды в природе не бывает. К воде слово «исключительно» можно применять бесчисленное число раз. Например, она — исключительный растворитель. В ней растворяются практически любые вещества и соединения в любом агрегатном состоянии: жидком,
твердом, газообразном. Для всего живого это и хорошо и плохо. Естественно плохо, когда в ней растворены вещества, угнетающие или убивающие живые организмы. В настоящее время вода, окружающая нас, не только заражена радионуклидами, моющими средствами, нефтепродуктами, пестицидами и т.д., она также поражена негативными невидимыми действиями различных техногенных и биосенсорных полей, создаваемых людьми в их враждебном отношении друг к другу. Их влияние на воду приводит к изменению молекулярной структуры воды, след которой остается даже после удаления их из воды. Этот след, оставленный в структурной памяти воды, в конечном счете может привести к «мертвой» воде, как известно, несущей всему живому ускорение старения, болезни и преждевременную смерть. Вот почему уже сейчас крайне актуально осуществлять трансформацию потерявшей биологическую ценность воды в питьевую воду с биологической активностью.
Сегодня существует большое количество устройств и установок, позволяющих очищать воду до уровня кристально чистой. Однако от постоянного употребления такой воды живые организмы погибают. Таким образом, существующие в настоящее время очистные сооружения и технологии водоподготовки не справляются со своими задачами — получением чистой питьевой воды, укрепляющей, а не разрушающей здоровье людей. Высказанная точка зрения подтверждается данными работы [9]. По мнению авторов, биологическая активность чистой питьевой воды, имеющей значение окислительно-восстановительного потенциала меньше нуля, обусловлена тем, что она находится в восстановительном состоянии, указывающем на ее антиоксидантные свойства. Антиоксидантное действие этой питьевой воды многократно сильнее обычных антиоксидантов, поскольку молекулярная масса воды существенно меньше, чем у других антиоксидантов, и поэтому общее количество молекулярных единиц восстановительного (электродонорного) действия в объеме воды намного больше обычных антиоксидантов.
Физическими методами воздействия на реологические свойства растворов можно удалить не только растворенные в ней вещества, но также и порочный след в структурной памяти воды, придав при этом ей биологическую активность, благотворно влияющую на все живое: человека, животных и растения. С этой целью были разработаны электроплазменные технологии — принципиально новые методы обеззараживания, обессоливания и очистки водных потоков. Эти технологии имеют значительные экономические, экологические и прочие преимущества перед существующими традиционными методами. Электроплазменные технологии — сугубо
физические методы, в которых используют электрические и магнитные поля. Для технического обеспечения этих технологий разработан аппарат, состоящий из трех функциональных блоков: импульсного электромагнитного генератора; электро-гидроионного стабилизатора; электроги-дроимпульсного реактора, формирующего холодную плазму. В результате действия на водный поток как отдельных факторов, так и синергетических эффектов, формируемых в аппарате, вода обеззараживается, очищается от загрязнителей. Но этот процесс идет с образованием твердого шлама [10,11].
Сточную воду, очищенную с помощью электроплазменных технологий, можно по-
Таблица4
Показатель Значение
ХПК, мг О2/л 10
БПК77, мг О2/л Менее 2
Взвешенные вещества, % 0,01
Сухой остаток, % 0,05
Растворенные вещества, % 0,04
вторно использовать в технологическом цикле, что подтверждается данными табл. 4.
Предварительная очистка стоков с помощью метанового брожения и последующая доочистка сточной воды с применением электроплазменных технологий могут быть использованы в системе оборотного водоснабжения. Объем оборотной воды отражает экономию забора свежей воды в результате применения указанных технологий в системах. Электроплазменная установка полностью обеспечивается электроэнергией, вырабатываемой с применением биогаза, так как энергозатраты на очистку стоков с использованием электроплазменной установки составляют 0,4-2 кВт-ч энергии на 1 м3 воды в зависимости от загрязненности водного потока, в то время как этот показатель затрат у аэробного биореактора почти на порядок больше.
С помощью электроплазменной установки промышленный сток можно доочи-щать до уровня физико-химических показателей, соответствующих этим показателям чистой питьевой воды, обладающей биологической активностью. Это весьма важно для водопроводной воды, поскольку в настоящее время ее обрабатывают хлором и озоном, вступающими в реакцию с находящимися в ней органическими соединениями с образованием продуктов неопределенного состава, которые могут отрицательно влиять на здоровье человека.
Таким образом, комплексная безотходная технология приготовления этанола представляет интересную альтернативу обычной технологии и с экономической точки зрения. В зависимости от существующих цен на энергоносители амортизационный период очистных сооружений
из-за биотрансформации органических загрязнителей стоков в биогаз может составить от 1,5 до 2,5 лет. Экономический потенциал на последующие годы можно оценить выше, учитывая возрастающие цены на энергоносители. Дополнительную прибыль можно получить за счет продажи кормовой добавки функционального назначения, приготовленной на основе технологических отходов, имеющих кормовую ценность, а также клейковины и крупной фракции крахмала, получаемых при переработке зерна по известной технологии.
Предлагаемая комплексная безотходная технология для агропромышленного комплекса представляет интересную возможность получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур с повышенной биологической ценностью, снижения нагрузки на окружающую среду с одновременным уменьшением производительных затрат перерабатывающих предприятий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шишков Ю. И. Аквахелат, способ получения аквахелата, способ модулирования характеристики культуры клеток, культуры ткани, одноклеточного организма или многоклеточного организма и транспортная система. Патент РФ № 2115657.
2. Шишков Ю. И. Дрожжи, брожение и обмен веществ/Напитки. № 5. С. 78-82.
3. Поляков В. А. Биотехнология переработки зернового сырья в производстве солода, пива, алкогольных и безалкогольных напитков. — М.: Пищепромиздат, 2002. С. 122-143.
4. КухаренкоА.А., ВинаровА.Ю. Безотходная биотехнология этилового спирта. — М.: Энерго-атомиздат, 2001. С. 87-93, 113-125.
5. ШишковЮ.И., ЛазаревВ.Н. Регулирование ключевых функций, составляющих системы жизнеобеспечения животных, предшественниками активной части ферментов//Медицина экстремальных ситуаций. 2000. № 2 (5). С. 70-76.
6. Шишков Ю. И. Биоконверсия пивной дробины с целью получения кормовой добавки//Сб. «XI Международный симпозиум по проблеме пивоварения». Юбилейный X международный профессиональный конкурс «Лучшее пиво, безалкогольный напиток и минеральная вода». — М., 2006. С. 18-23.
7. Шишков Ю. И. Позитивные действия модуляторов биологических эффектов//Пиво и напитки. 2004. № 2. С. 46-50.
8. Шишков Ю. И. Способ повышения жизнедеятельности растений. Патент РФ № 2041629.
9. Хараев Г. И., Терпугов Г. В., Мынин В. Н., Петров В. В., Терпугов Д. Г., Мынин А. В. Антиокси-дантные свойства питьевой воды//Пиво и напитки. 2007. № 4. С. 40-41.
10. Захаров П. П. и др. Устройство для очистки природных и сточных вод. А. с. № 137961.
11. Захаров П. П., Ганов Л.А., Агарков Н. В. Установка для очистки водных потоков «ЭПО и ОС» (реферативный сборник «Автоматизация химических производств». — М.: НИИТЭХИМ, 1989. Вып. 4. &
