- •Тема 1.1. Основные положения и понятия в природопользовании
- •1.1. Основные положения и понятия в природопользовании
- •1.2. Природная среда
- •1.2.1. Образование биосферы и её строение
- •1.2.2. Круговорот веществ и энергии в природе
- •1.2.3. Роль и место человека в биосфере
- •1.3. Вода как составная часть биосферы
- •1.3.1. Основные качества воды в литосфере
- •1.3.2. Загрязнение воды и его последствия
- •1.4. Атмосфера земли
- •1.4.1. Значение и свойства атмосферы
- •1.4.2. Строение и состав атмосферы
- •1.4.3. Загрязнение атмосферы и его нормирование
- •1.5. Почвы
- •1.5.1. Значение почв, их состав и свойства
- •1.5.2. Разрушение и загрязнение почв
- •2.6. Качество окружающей среды и его нормирование
- •2.6.1. Оценка качества окружающей среды
- •2.6.2. Нормирование качества окружающей среды
- •2.6.3. Нормативы предельно допустимого уровня радиационного воздействия
- •2.6.4. Нормативы предельно допустимых уровней шума, вибрации, магнитных полей и иных вредных воздействий
- •2.6.5. Комплексные нормативы качества окружающей среды в природопользовании
- •2.7. Мониторинг загрязнения и методы контроля качества окружающей среды
- •2.7.1. Мониторинг загрязнения окружающей среды
- •2.7.2. Методы мониторинга окружающей среды
- •2.7.3. Методы почвенного мониторинга
- •2.7.4. Методы контроля за уровнем загрязнения вод
- •2.7.5. Методы контроля степени загрязнения атмосферы
- •3.8. Основные виды природопользования и их сущность
- •3.8.1. Виды и формы природопользования
- •3.8.2. Лицензирование права деятельности в природопользовании
- •3. 8.3. Лимитирование природопользования
- •3.9. Основы рационального природопользования
- •9.1. Природные ресурсы и их классификация
- •3.9.2. Планирование, управление и прогнозирование использования природных ресурсов
- •3.10. Природозащитные мероприятия
- •3.10.1. Классификация и основные направления природозащитных мероприятий
- •3.10.2. Биотехнологии охраны окружающей среды
- •3.10.3. Использование возобновляемых источников энергии в области защиты окружающей среды
- •3.10.4. Основные направления развития малоотходных и ресурсосберегающих технологий
- •3.11. Глобальные природные и техногенные катастрофы на рубеже хх-хм вв.
- •3.11.1. Чернобыльская катастрофа
- •3.11.2. Катаклизм на Саяно-Шушенской гэс
- •3.11.3. Техногенная катастрофа в Мексиканском заливе
- •3.11.4. Природный катаклизм в Исландия
- •3.12. Международное сотрудничество в области природопользования
- •3.12.1. Национальные и международные природные ресурсы
- •3.12.2. Глобальные экологические проблемы
3.10.2. 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].