Кузнецов А.Е., Градова Н.Б., Лушников С.В. и др. Прикладная экобиотехнология. Учебное пособие. В 2-х томах

Широко применяется биокомпостирование осадков с различными добавками (см. разд. 3.2.3). Осадки смешивают с твердыми наполнителями (растительными отходами, древесными опилками, щепой, корой, торфом, мусором, твердыми бытовыми отходами), навозом, пометом. Органические наполнители не только создают условия для эффективного компостирования и обеззараживания осадков, но и уменьшают газообразные потери азота, содержание тяжелых металлов и других вредных веществ в получаемом компосте, улучшают физические свойства компоста, что важно для его равномерного внесения в почву. Для связывания тяжелых металлов и перевода их в нерастворимую форму осадки обрабатывают известью.

Тяжелые металлы можно удалять биовыщелачиванием осадков, например тионовыми и железобактериями. Схема одного из вариантов такой обработки представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Технологическая схема процесса реагентно-биологического кондиционирования сброженных осадков городских сточных вод с удалением тяжелых металлов (по данным МосводоканалНИИпроект): 1 – метантенк; 2 – биореакторвыщелачиватель тяжелых металлов (ТМ); 3 – фильтр-пресс; 4 – смеситель; 5 – сборный резервуар фильтрата; 6 – блок очистки фильтрата от ТМ; 7 – аппарат механического обезвоживания

Сброженный осадок поступает в аэробный биореактор-выщелачиватель. В среду биореактора добавляются соли железа, инициирующие развитие железобактерий. В процессе своей жизнедеятельности железобактерии с помощью кислорода воздуха переводят Fe2+ в Fe3+. Ионы Fe3+ при взаимодействии с сульфидами других металлов, содержащимися в сброженном осадке, окисляют сульфиды в сульфаты, металлы переходят в раствор, в его составе отфильтровываются от ила и удаляются в блоке очистки фильтрата.

Неутилизированные осадки сточных вод и биомассу избыточного активного ила можно термически высушивать и сжигать.

Сжигание осадков используется для получения энергии и распространено в США, Японии, Западной Европе. Установки по сжиганию занимают малую площадь, независимы от погодных условий, сокращают транспортные расходы, при этом количество остаточного зольного продукта незначительное, затраты

на его депонирование невелики, его можно безопасно использовать в дорожном строительстве. Для сжигания осадков применяют циклонные, барабанные, вихревые и многоярусные (подовые) печи или котлы, печи с кипящим слоем.

Циклонные топки применяются для сжигания осадков на станциях аэрации средней производительности.

Барабанные печи используются в основном для сжигания токсичных осадков, в частности осадков химических производств.

Подовые печи применяются при сжигании осадка в качестве добавки к основному топливу, например, при сжигании твердых бытовых отходов.

В печах с кипящим слоем в качестве инертного носителя часто используется песок. Механически обезвоженный осадок подается непосредственно в слой песка, смешивается с ним потоком нагретого воздуха, налипает на его частицы и удерживается до высыхания и частичного сгорания.

Сжигать осадки сточных вод экономически выгодно при влажности не более 65%, теплоте сгорания ила выше 12000 кДж/кг, поэтому сжигают только предварительно обезвоженные осадки. Теплота сгорания осадков, обезвоженных фильтрованием, составляет 11000–25000 кДж/кг. Сырые осадки имеют боqльшую теплоту сгорания, чем сброженные. По составу горючей массы и теплоте сгорания обезвоженные осадки городских сточных вод близки к торфу.

Капитальные затраты при сжигании осадков высокие, требуется большой расход энергии на удаление влаги, органическое вещество осадков, которое можно утилизировать в качестве ценных продуктов, теряется, выбросы газов в атмосферу значительны, в них могут содержаться диоксины и другие высокотоксичные вещества, поэтому необходимы сложные и надежные системы газоочистки. По этим причинам сжигание осадков в России практически не используется, а за рубежом в последние годы часть установок для сжигания осадков демонтируется и заменяется на более экономически целесообразные системы, в частности компостирование, термосушку или пиролиз осадков.

Для уменьшения затрат на удаление влаги и сжигание многие страны применяют совместное сжигание твердых бытовых отходов и осадков сточных вод. В этом случае бытовые отходы предварительно сортируются и подготавливаются для использования в качестве основного топлива. При таком способе содержание твердых веществ в осадках должно быть не ниже 40%, а суммарная влажность не более 60%. Такая совместная утилизация позволяет получить дополнительную тепловую и электрическую энергию, строительное сырье на основе золошлаковых отходов и брикетированное топливо.

На крупных предприятиях по переработке осадков сточных вод одна часть высушенных и обезвреженных осадков может использоваться в качестве удобрения, а другая часть сжигаться. Зимой, когда потребность в теплоте возрастает, а в удобрениях сокращается, термически высушенные осадки сточных вод можно сжигать совместно с твердыми бытовыми отходами, а в остальное время использовать в качестве удобрения.

Воздушное и тепловое высушивание проводят для обработки осадков с высоким содержанием органического вещества. При мягком режиме обработки органические вещества сохраняются почти полностью, однако они не обезза-

раживаются. Осадки, термически высушенные при повышенной температуре, безвредны в санитарном отношении, не загнивают, удобны при транспортировке, хранении и внесении в почву как удобрение.

Уменьшить расход тепла на удаление влаги из осадков можно, применяя технологию сушки с помощью нагретых металлических шариков. Нагретые шарики смешиваются с влажным осадком, затем отделяются от высушенного материала и повторно нагреваются. Расход энергии при сушке металлическими шариками составляет всего 20–30% от расхода энергии при использовании классической сушки. При сушке этим способом извлеченных донных осадков с предварительным отделением песка на гидроциклонах стоимость сушки составляет около 14 евро/м3 при содержании песка 30% и около 9 евро при содержании песка 70%. Изъятые осадки в дальнейшем спекают при температуре 1000 °С или сплавляют при более высокой температуре. Второй вариант более затратный. При таком варианте обработки органические загрязнения сжигаются, неорганические (тяжелые металлы) включаются в кристаллическую структуру и становятся неподвижными.

Высушенные осадки могут быть использованы в качестве исходного сырья для получения углеродного сорбента методом пиролиза (рис. 3.2), жидкого топлива («сырой нефти»), горючего газа, других ценных продуктов при сухой перегонке осадков или их окислительно-гидролитической деструкции. Низкотемпературный пиролиз проводят при температуре 250–600 °С в бедной кислородом среде. Возможен совместный пиролиз твердых бытовых отходов и механически обезвоженных осадков сточных вод, при этом образуется значительно меньшее количество золы, чем при обычном процессе сжигания отходов и осадков.

Рис. 3.2. Получение углеродного сорбента на основе активного ила

При переработке в сорбент методом пиролиза ил предварительно гранулируют, например, в сушилке с кипящим слоем, затем карбонизируют (коксуют) в печи и активируют водяным перегретым паром. Полученный сорбент может использоваться непосредственно на очистных сооружениях для снижения цветности и остаточного содержания органических веществ. Переработке осадков сточных вод методом пиролиза мешает большое содержание азота в них. Удаление соединений азота из состава получаемых продуктов, в частности «сырой нефти», является сложной задачей.

Активный ил находит применение в дорожном строительстве, в качестве сырья для производства строительных материалов, добавок к цементу, наполнителей бетона, клинкерного кирпича, керамических изделий, пластмасс, картона, волокнистых плит, что улучшает их свойства, экономит основные материалы. По одному из вариантов осадки обрабатывают негашеной известью. В результате саморазогрева смеси или при дополнительной термообработке осадки и известь спекаются в зерна, размер и качество которых зависят от соотношения осадка и извести. Полученный зернистый материал используется в дорожном строительстве. По другому варианту сточную воду и осадки обрабатывают хлоридом или сульфатом железа (III) и известью. Добавление 1–2% осадка в смесь при приготовлении бетона приводит к его упрочнению по сравнению с бетоном, производимым по обычной технологии.

Осадки и шламы после соответствующей обработки могут утилизироваться в качестве реагентов для коагуляции и флокуляции осадков городских сточных вод, для получения технических жиров, технических моющих средств. В некоторых случаях, например при производстве сульфатной целлюлозы, активный ил можно возвращать в процесс после его дополнительной обработки: продукты гидролиза активного ила повышают выход целлюлозы и улучшают ее механические показатели.

Масштабы таких способов утилизации осадков, как пиролиз с получением адсорбентов, добавление к строительным материалам, использование в качестве кормовых добавок, источника получения витаминов и аминокислот или различных реагентов, незначительны в связи с относительной сложностью технологий и высокой себестоимостью. Все эти методы требуют существенных капиталовложений (30–40% от стоимости очистных сооружений) и больших эксплуатационных затрат (20–50% себестоимости очистки).

Донные ил и осадки. По своему составу и свойствам илы и донные отложения каналов, прудов и специальных водоемов наиболее близки к осадкам, образующимся при биологической очистке сточных вод. В соответствии с экологогигиеническими требованиями складирование донных илов и осадков возможно при строгом контроле содержания в них вредных веществ. Для биологической переработки предложены биоремедиация, биовыщелачивание, фиторемедиация и другие методы (см. разд. 4.4, 5.4).

Твердые бытовые отходы (ТБО). Для городов проблема захоронения и переработки ТБО – одна из наиболее приоритетных. В России ежегодный объем отходов составляет 32 млн т, т. е. около 230 кг на человека в год. В структуре ТБО от 70 до 80% приходится на материалы, которые способны подвергаться биологической деградации: макулатуру, пищевые отходы, древесину и листву, текстиль. В Москве доля твердых бытовых отходов составляет 17–18% общего количества отходов (табл. 3.9). В составе ТБО преобладают макулатура и пищевые отходы (табл. 3.10).

В настоящее время широко применяют обезвреживание твердых бытовых отходов на свалках и полигонах. В России до 96–98% их складируют на полигонах. Свалки и полигоны занимают значительные территории, которые приходится рекультивировать. В Москве около 2,5 млн т ежегодно образующихся

бытовых отходов размещаются в Подмосковье на 46 санкционированных полигонах и более 200 свалках. Ежегодно для складирования ТБО Москвы отчуждается 12 га близлежащих территорий Московской области.

Таблица 3.10.

Состав твердых бытовых отходов (на примере Москвы)

Наиболее современным экономически и экологически рациональным вариантом переработки ТБО является их предварительная сепарация и сортировка с выделением: полезных рециркулируемых материалов (черных и цветных металлов, пластиков, стройматериалов, боя стекла и стеклопосуды и др.); опасных материалов, содержащих соединения хлора и брома (таких как химические источники тока, поливинилхлорид) и являющихся источником образования диоксинов и дибензофуранов в случае сжигания отходов при низкой температуре (700–1000 °С); органической части, подлежащей компостированию; фракций, сжигаемых при высокой температуре (при t > 1200–1400 °С) с последующей утилизацией или захоронением золы и шлаков. Из 100 000 м3 ТБО можно получить 10 000–15 000 т компоста или почвогрунта, около 2000 т стеклоизделий, 2000 т железа и железных изделий, 7 000 т пластических масс и изделий из них способом экструзии или литья. Глубокое фракционное разделение ТБО позволяет получать раздельно и цветные металлы: Sn, Al, Pb, Cu и др.

Переработка сортированных твердых бытовых отходов получила широкое распространение в США, Западной Европе, Японии, где население непосредственно участвует в предварительной сортировке ТБО. Затраты на сортировку, переработку ТБО методами сжигания и компостирования в этих странах составляют 350–1600 долл/м3. Высокое содержание в отходах органического вещества позволяет использовать их как низкокалорийное топливо. Сжигание отходов сопровождается образованием вредных летучих примесей, золы, поэтому мусоросжигающие заводы оборудуются надежной системой их улавливания. Применение сортировки, сжигания, других способов обезвреживания и утилизации твердых бытовых отходов: компостирования, анаэробной ферментации обходится в 2–3 раза дороже, чем захоронение, и в России не получило широкого распространения.

Промышленные отходы: строительные материалы, черные и цветные металлы, стекло и керамика, резино-технические изделия, пластики, гальванические шламы, нефтезагрязненные материалы и т. д. Из них особую категорию составляют отходы с высоким содержанием радионуклидов и тяжелых металлов.

По объему промышленные отходы превышают ТБО. Большая доля их может быть переработана физическими, физико-химическими и биологическими методами и повторно использована для получения различных продуктов. Материалы с добавлением рециклизуемых отходов дешевле, при их производстве снижаются энергозатраты и одновременно уменьшается количество вновь образованных отходов.

Для переработки промышленных отходов биотехнологическими методами можно применять: биовыщелачивание – для удаления тяжелых металлов (гальваношламы, доменные шлаки, строительные материалы и др.); биодеструкцию органических материалов (например, для перевода радионуклидов или тяжелых металлов в растворимую форму и дальнейшей их обработки физическими и химическими методами); биомодификацию – для улучшения характеристик строительных материалов (бетона, цемента и др.) при добавлении в качестве связующих компонентов микробной биомассы, для повышения прочности пластиков, резино-технических изделий, древесных материалов и других отходов при их вторичной переработке. Так, сотрудниками Института биохимии РАН разработан способ применения биологической обработки стружки неспорулирующими грибами белой гнили в производстве древесно-стружечных плит с последующим горячим прессованием вместо карбамидо- и фенолформальдегидных связующих. В США подобный процесс предложен для перереботки изношенных шин и других резинотехнических изделий. Шины измельчают, крошку обрабатывают тиобактериями, активирующими сульфидные и дисульфидные связи, и повторно вулканизируют.

Среди отходов техногенного происхождения одними из самых опасных и трудноперерабатываемых являются отходы, содержащие радионуклиды. Основное количество таких отходов образуется в ядерно-топливном цикле, из них существенную часть составляют жидкие и твердые отработанные низкорадиоактивные материалы, используемые в технологическом процессе. Радиоактивные отходы компактизируют и захоранивают, используя такие методы, как прокали-

вание, сжигание, пиролиз, фиксирование и стабилизация (цементированием, битуминированием), инкапсулирование. Биотехнологическая и в первую очередь микробная деструкция может найти применение для сокращения общего объема твердой составляющей отходов (компактизации): целлюлозосодержащих, ионообменных и др.; биовыщелачивание и биосорбция – для извлечения радионуклидов из загрязненных материалов. Экономическая целесообразность практического использования методов биодеградации возможна в том случае, если будет решен вопрос компактизации этих отходов без включения в технологическую схему дорогостоящего оборудования, материалов и при снижении энергетических затрат.

Ниже приведены обобщенные данные о возможных биотехнологических способах обезвреживания и переработки отходов рассмотренных групп.

3.2.Микробиологическая переработка органических отходов

Из различных биологических методов переработки отходов наиболее широко используются микробиологические. Способность микроорганизмов и их ферментов потреблять органические вещества различного строения, разлагать или трансформировать природные биополимеры лежит в основе получения многих полезных продуктов микробиологического синтеза и переработки отходов. Методы экобиотехнологии применяют для переработки углевод-, белок- и жиросодержащих жидких отходов, растительной биомассы, твердых бытовых отходов, активного ила и др.

Возможные варианты переработки растительного сырья и целлюлозосодержащих отходов представлены на рис. 3.3.

Наиболее крупномасштабные промышленные микробиологические процессы переработки органических отходов:

получение кормовых продуктов, обогащенных микробным белком, или в общем случае – белком одноклеточных организмов (БОО),

силосование,

компостирование,

анаэробное сбраживание, биоконверсия в топливо (в этанол, получение биогаза – метаногенерация, прямая конверсия в тепло).

3.2.1. Обогащение кормовым белком

Обогащение кормовым белком – один из вариантов переработки биомассы растений и различных органических отходов, в основном углевод- и целлюлозосодержащих.

Растительная биомасса является основным источником кормов для сельскохозяйственных животных. Однако кормовая ценность большинства растений низкая из-за невысокого содержания белка и кормовой несбалансированности. Поэтому используют белковые добавки, которые позволяют балансировать ра-

отходов органических Переработка

Рис. 3.3. Биоконверсия растительного сырья в полезные продукты

319

ционы необходимыми кормовыми компонентами. В этих целях в животноводстве обычно используются рыбная и мясокостная мука, зернобобовые культуры, соя, люцерна, клевер, подсолнечник, рапс и др. Извлекая и концентрируя белок из этих растений, получают еще более высокопитательный корм. Мировые цены на кормовые препараты устанавливаются по количеству протеина: ~8 долл. США за 1% протеина в 1 т корма.

Во многих странах в качестве основной белковой добавки используют соевую муку, 80–90% мирового экспорта которой приходится на США. Почвенноклиматические условия России не являются благоприятными для культивирования сои, а потребность в кормовых добавках не обеспечивается за счет других источников.

Таблица 3.11.

Количество белка, которое может быть получено с 1 га сельхозугодий при культивировании и переработке различных сельскохозяйственных растений и их отходов

В бывшем СССР для удовлетворения потребностей животноводства было налажено крупнотоннажное микробиологическое производство по выпуску белка одноклеточных организмов, который по полноценности не уступает белку животного происхождения и соевому. Считалось, что поскольку для получения растительного белка требуются большие площади посевов (табл. 3.11), а конверсия растительного сырья в микробный белок в несколько раз выше по сравнению с таковой в белок птицы, свиней или крупного рогатого скота (табл. 3.12), производство кормового микробного белка на относительно дешевых по тому времени органических субстратах (древесина, продукты нефтепереработки, спирты, природный газ) обеспечит потребность страны в кормовом белке при значительной экономии в площадях посевов и удешевлении кормов (табл. 3.13).