9.6.Биотехнология утилизации твердых отходов.

Экологическая биотехнология основана на использова­нии живых организмов при переработке опасных отходов, и борьбе с загрязнением окружающей среды. Эти методы обеспечивают более эффективное, по сравнению с традиции онными подходами, обезвреживание, а также значительна снижают нашу зависимость от утилизации мусора путем!» сжигания и создания хранилищ токсичных отходов.

Использование биотехнологии для решения экологичен, ских проблем не новая идея. Уже более ста лет смешанные' бактериальные популяции применяют для очистки сточ­ных вод. Для поддержания жизни все живые организмы (животные, растения, бактерии и др.) поглощают и перева-* ривают питательные вещества и выделяют в окружающую; среду образующиеся при этом продукты жизнедеятельности.

9.6.1. Биотехнология утилизации твердых отходов

Твердые отходы, являющиеся продуктами жизнедеятелности человека, складируют на городских свалках. Их чис-1 л о в настоящее время огромно. Увеличиваются не только! площади свалок, но и неуправляемое попадание отходов щ окружающую среду, в частности за счет рассыпания npHj транспортировке.

Несмотря на все возрастающий интерес к повторному использованию сырья, очевидно, что простая ликвидация отходов на свалках существенно дешевле любого способа их' переработки. Когда же стало ясно, что при анаэробной пе­реработке отходов образуется в больших количествах цен­ный энергетический носитель — биогаз, основные усилия стали направляться на соответствующую организацию сва­лок и получение на месте их переработки метана (рис. 7.7.).

Рис.7.7. Схема гидродинамической очистки воды

Состав отходов, вывозимых на городские свалки, стано­вится все более однотипным: увеличивается объем бумаги и пластмасс на фоне снижения доли органических и расти­тельных отходов. Исследования химического состава содер­жимого свалок показали, что фракция, поддающаяся био­деградации, составляет до 70 % от общего количества твер­дых отходов.

На свалке постоянно происходит наслаивание нового материала через различные временные промежутки. В ре­зультате меняются температура, значения рН, потоки жид­кости, ферментативная активность микроорганизмов и т. п., что негативно сказывается на переработке отходов.

В общей массе материала свалок присутствует сложная ассоциация микроорганизмов, которые развиваются на по­верхности твердых частиц и служат для них источником биогенных элементов. Внутри ассоциации складываются разнообразные взаимосвязи и взаимодействия. Состояние и биокаталитический потенциал микробного сообщества за­висят от спектра химических веществ материала свалок, степени доступности этих веществ, наличия градиентов концентраций различных субстратов, в особенности гради­ентов концентраций доноров и акцепторов электронов и во­дорода. На типичной европейской свалке, где отходы раз­мещены по отсекам, система их переработки является, по существу, совокупностью реакторов периодического дейст­вия, в которых субстрат (отходы) находится на разных ста­диях биодеградации.

На начальной стадии биодеградации твердых отходов доминируют аэробные процессы, в ходе которых под воз­действием микроорганизмов (грибов, бактерий, актиноми-цетов), беспозвоночных (клещей, нематод и др.)

окисляются наиболее деградируемые компоненты. Затем деструкции подвергаются трудно и медленно окисляемые субстраты: лигнины, лигноцеллюлозы, меланины, танины.

Существуют различные методы оценки степени биодег­радации твердых отходов. Наиболее информативным при­нято считать метод, основанный на различиях в скоростях разложения целлюлозы и лигнина. В непереработанных от­ходах отношение содержания целлюлозы к лигнину состав­ляет около 4,0; в активно перерабатываемых — 0,9-1,2 и в полностью стабилизированных — 0,2.

В течение аэробной стадии температура среды может по­вышаться до 80 °С, что вызывает инактивацию и гибель па­тогенной микрофлоры, вирусов, личинок насекомых. По­вышение температуры увеличивает скорость протекания процессов деструкции органических веществ, но при этом снижается растворимость кислорода, что является лимити­рующим фактором. Исчерпание молекулярного кислорода in situ приводит к снижению тепловыделения и накопле­нию углекислоты. Это, в свою очередь, стимулирует разви­тие в микробной ассоциации сначала факультативных, а затем облигатных анаэробов.

В анаэробной минерализации, в отличие от аэробного процесса, участвуют разнообразные микроорганизмы, взаи­модействующие между собой. При этом виды, способные использовать более окисленные акцепторы электронов, получают термодинамические и кинетические преимущества. Происходит процесс гидролиза полимеров типа полисаха­ридов, липидов, белков; образованные при этом мономеры расщепляются с образованием водорода, диоксида углеро­да, а также спиртов и органических кислот; затем при участии метаногенов образуется метан (рис. 7.8).

В результате процессов, происходящих при биодеградации содержимого свалок, формируется два типа продуктов — фильтрующиеся в почву воды и биогазы. Фильтрующиеся воды, помимо микроорганизмов, содержат разнообразные вещества, включая аммонийный азот, летучие жирные кис­лоты, алифатические, ароматические и ациклические со-

единения, терпены, минеральные макро- и микроэлементы, металлы. Поэтому важным условием при выборе и органи­зации мест свалок является защита поверхности земли и грунтовых вод от загрязнений. Для борьбы с фильтрацией вод применяют малопроницаемые засыпки, создают непро­ницаемые оболочки вокруг свалки или специальные за­граждения.

При биодеградации материала свалок образуется биогаз — ценный энергоноситель, который также может вызывать негативные явления в окружающей среде (дурной запах, закисление грунтовых вод, снижение урожайности сельско­хозяйственных культур). Ограничить утечку биогаза помо­гают специальные приспособления (преграды; траншеи, на­полненные гравием; системы экстракции газа), а также со­здание над массивом свалок оболочек, препятствующих этому процессу.

В последние десятилетия существенно возрос интерес к извлечению метана в процессах переработки свалок. В США для этих целей построено 10 установок, в странах Евросо­юза — около 40. Сбор и последующее применение биогаза, образующегося на свалках в больших количествах, имеет огромные перспективы. Так, одна установка может дать до 40 тыс. м³ биогаза в день.

Теоретический выход метана может составлять 0,266 м³/кг сухих твердых отходов. Огромное влияние на процесс метаногенеза оказывают температура и рН среды, влажность, уровень аэрации, химический состав отходов, наличие в них токсических компонентов и др. Газ, образуе­мый на свалке, извлекается с помощью вертикальных или горизонтальных перфорированных труб из полиэтилена. Применение воздуходувок и насосов повышает степень его извлечения. Газ используют для обогрева теплиц, получе­ния пара, а после дополнительной очистки его можно пере­качивать по трубам к местам потребления.

Таким образом, проблема анаэробной переработки твер­дых отходов, помимо экологического, носит и экономиче­ский характер, так как использование образуемого на свал­ках биогаза снижает материальные затраты на борьбу с за­грязнениями, опасными и дурнопахнущими отходами.