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

расходуется около 1,5 кг O2/кг органического субстрата с выделением тепла около 14,2 МДж/кг О2 (около 21 МДж/кг органического вещества) при скорости тепловыделения 20–30 Вт/кг СВ. Тепла, выделяемого при окислении 1 кг органического вещества, хватает для испарения 5 кг влаги. Часть влаги удаляется за счет естественного испарения.

Предварительное измельчение увеличивает поверхность субстрата и скорость компостирования, однако требует энергетических затрат. Энергетические затраты на измельчение составляют: при измельчении до 50 мм – около 8 Вт·ч/кг; до 12,5 мм – около 20 Вт·ч/кг.

При полевом компостировании в штабелях (буртах) на открытых площадках приготовление компостов проводят при температуре наружного воздуха не ниже –5 °С. Площадки должны быть обвалованными, водонепроницаемыми, например, с асфальтовым или бетонным покрытием, рассчитываемым на нагрузку от применяемых механизмов и массы штабелей, с дренажными системами. Уровень залегания грунтовых вод не должен быть выше 1–1,5 м, чтобы компостируемые продукты не загрязняли грунтовые воды. Санитарная зона для мелких жилых массивов составляет 500 м.

Для приготовления компостной смеси, смешивания ее с наполнителями и перемешивания, уборки готового компоста могут применяться погрузчики, траки, тракторы, уборочные машины, бульдозеры.

Бурты укладываются в виде пирамиды, трехгранной призмы или трапеции в сечении (см. рис. 3.19, 3.20) на площадке с теплоизоляционной подушкой (например, из торфа) с углом естественного откоса боковых сторон бурта 35–45°. Компоненты укладывают слоями по 5–15 см, избегая уплотнения. При завершении бурта на его поверхность для снижения теплопотерь и предотвращения распространения запаха и мух наносят теплоизоляционный слой толщиной 5–20 см в летний период, а в зимний до 30–40 см. В качестве теплоизолирующего материала подходят готовый просеянный компост, солома, опилки, торф. Через каждые 2–4 недели бурты увлажняют. Процесс компостирования в хорошо укрытых буртах продолжается и в зимнее время. Общая продолжительность компостирования в буртах и штабелях обычно составляет от 1,5–2 до 3–6 месяцев в зависимости от климатических условий и времени года.

Перемешивание компостной массы и принудительная аэрация с помощью каналов или труб, расположенных под компостируемым материалом, уменьшают анаэробные зоны; периодическое рыхление диспергирует крупные фрагменты сырья, что увеличивает удельную поверхность, обеспечивает переработку большей части сырья в термофильных условиях и ускоряет созревание компоста. Смесь в буртах перемешивают на протяжении 30–45 сут несколько раз (через 6–8 сут). Чрезмерное перемешивание вызывает охлаждение и высыхание компостируемой массы, разрывы в мицелии актиномицетов и грибов или разрушение структуры сырья и превращение его во влажную гомогенную массу.

По окончании компостирования степень переработки органического вещества составляет 40–60%, влажность массы снижается до 25–50%, зольность повышается до 20–75% и существенно уменьшается ее объем.

Типичный состав компоста (% по сухой массе):

Необходимо контролировать уровень тяжелых металлов в компосте.

Компост можно вносить в почву в качестве удобрений каждые 3–4 года (если содержание тяжелых металлов в нем не превышает норму). Типичные нормы внесения компоста – 5–10 т/га по сухому веществу. Компост с содержанием тяжелых металлов, превышающим нормы для удобрений, может использоваться при планировочных работах, в садово-парковом, лесном и придорожном хозяйствах, а также рекультивации земель, отсыпке полигонов ТБО.

Питательные вещества выделяются из компоста медленнее, чем из легкорастворимых неорганических удобрений, поэтому действие компоста может длиться несколько лет.

Полевое компостирование в кучах, буртах требует больших площадей

идлится в зависимости от биодоступности субстрата, применяемой механизации для перемешивания и системы аэрации от 3 недель до 1,5 лет. В крупных масштабах этот метод невозможно применять вблизи населенных пунктов.

Компостирование можно проводить в закрытых вентилируемых помещениях. В этом случае уменьшается его зависимость от погодных условий, проще обеспечить аэрацию компостной массы, дезодорацию использованного воздуха

ивыделяемых газов. Складирование компоста может осуществляться за пределами помещения.

Ускорить компостирование можно, используя специализированные добавки химических веществ и/или микроорганизмов, предподготовку субстрата, направленное температурное воздействие или механизированные технологии

исистемы.

Химические добавки и направленное температурное воздействие активизируют жизнедеятельность микрофлоры, участвующей в окислении органического вещества компоста. Дополнительный прогрев субстрата с применением внешних источников тепла на начальной стадии компостирования ускоряет развитие микрофлоры компоста и может использоваться для доведения компоста до кондиционной влажности и его стерилизации.

Предподготовка субстрата, например, запариванием, механодеструкцией, химическим или ферментативным гидролизом целесообразна, если субстрат, такой как кора, лигноматериалы, трудно поддается компостированию.

Очень часто для ускорения компостирования в смесь добавляется готовый компост. Специализированные биологические добавки могут содержать ферменты (например, из каныжной биомассы желудка жвачных животных, коммерческие препараты целллюлолитических, гемоцеллюлолитических, пектинолитических ферментов, мультиэнзимные композиции), микроорганизмы, выделенные из компоста или специально селекционированные штаммы – деструкторы целлюлозы, лигнина, белков и других биополимеров (стартовые культуры на основе термофильных актиномицетов, бактерий, обитающих

врубце жвачных, иммобилизованных бактерий Bacillus subtilis, B. licheniformis,

грибов Pleurotus florida, P. ostreatus, Trichoderma viride и т. д.). Добавки на основе аборигенной компостной микрофлоры получают методом накопительной культуры на компостируемых субстратах, например, в аппаратах с принудительным перемешиванием и аэрацией. Полученную «закваску» вносят в основную компостную массу. Такой метод может использоваться для ускорения компостирования и обезвреживания материалов, загрязненных ксенобиотиками (пестицидами, нефтепродуктами и т. п.). Сокращение продолжительности компостирования возможно и при орошении компоста водным экстрактом из готового компоста. Рекомендуемые соотношения компоста и воды при получении экстракта 1 : 100. В буртах компост с добавлением экстракта созревает на 10–20 сут раньше. Добавление стартовых культур позволяет сократить сроки компостирования до 4–15 сут.

Механизированным компостированием на специализированных установках

вбиоконвекторах, биореакторах, ферментационных барабанах, силосах, биотуннелях, траншеях и т. п. достигается наиболее высокая производительность обработки, при этом продолжительность компостирования можно уменьшить до 2–3 недель и даже до 2–7 суток. Объемы биореакторов для компостирования достигают 100–500 м3, производительность – от 0,5 до 300 т компоста в сутки. В комплекты оборудования таких систем входят: контейнеровозы, погрузчики, транспортеры, прессы, барабанные грохоты, магнитные сепараторы, установки для измельчения отходов, смесители, биофильтры или компостные фильтры для очистки газов, устройства для рыхления и перемешивания компостной массы грейферного, лопастного, шнекового и других типов (рис. 3.22). Компостирование с использованием механизированных технологий проводится в два этапа: первый – ускоренное разложение органического материала в условиях контролируемых температуры, влажности, аэрации; второй – дозревание полученной компостной массы в течение 3–4 недель в буртах или штабелях на площадках или в реакторах, где она стабилизируется, обеззараживается и высушивается.

В вертикальных реакторах типа силосных башен с одноступенчатым и многоступенчатым (многоэтажным) циклом (рис. 3.23) компостирование проводится с перемешиванием материала внутри реактора либо без перемешивания при продолжительности от 3 до 21 сут в зависимости от типа реактора и технологического процесса. При этом обычно для ускорения процесса к компостируемому материалу добавляют часть (до 1/3) готового компоста. Компостируемая масса загружается сверху и выгружается снизу. Воздух для аэрации компримируется в нижнюю часть реакторов и откачивается из верхней части.

Затраты энергии на приготовление 1 т продукта составляют 20–200 кВт·ч. Цена высококачественного компоста – 30–50 долл. за 1 т сухой массы.

В механизированных системах компостирование можно проводить в течение всего года, но так как наибольшим спросом компост пользуется весной и осенью, то необходимы площадки и емкости для его хранения.

Для использования в частных домах разработаны малогабаритные установки – компостирующие туалеты. Мусор и нечистоты в них по мере аэробного разложения проходят через камеры и спустя 2–4 года поступают в последнюю камеру в виде готового гумуса, пригодного для удобрения садов и газонов.

3.2.4. Аэробная стабилизация

Вариантом аэробной окислительной деструкции, которая используется применительно к активному илу и осадкам сооружений биологической очистки, является аэробная стабилизация. С помощью нее уменьшаются масса твердой фазы осадков, содержание в них патогенной микрофлоры, улучшаются технологические свойства осадков и пригодность для складирования и хранения. В ходе аэробной стабилизации органическое вещество осадков окисляется микроорганизмами, для которых оно является питательным субстратом. Также происходит биологическое окисление запасов питательных веществ микроорганизмов в присутствии растворенного кислорода. Органические вещества самоокисляются или потребляются при эндогенном дыхании микроорганизмов на завершающей стадии их жизнедеятельности, при этом распадается до 50% органической части осадков, в основном в результате минерализации липидов и белков:

(NН3 биологически окисляется до NO3–)

Численность живых бактерий в конце минерализации резко снижается. Уменьшение численности бактерий происходит в результате их лизиса и потребления простейшими.

Аэробную стабилизацию активного ила обычно проводят в непрерывном режиме в аэротенках, в циркуляционных окислительных каналах, окситенках или в специальных резервуарах горизонтального или вертикального типа, прямоугольной или круглой в плане формы, оборудованных мелкопузырчатыми или механическими аэраторами, при длительной аэрации (от 2 до 15 сут в зависимости от вида и степени уплотнения осадка, температуры стабилизации) и без подачи сточных вод.

Аэробной стабилизации может быть подвергнут как неуплотненный активный ил (концентрация ила 15–25 г/л), так и уплотненный после отстаивания (концентрация ила 30–45 г/л). Содержание растворенного кислорода в аэробном стабилизаторе поддерживается выше 1,0 мг/л при среднем расходе воздуха 1–2 м3/(м3·ч). Уплотненный ил и осадок первичных отстойников аэриру-

ются дольше, чем неуплотненный активный ил с вторичных отстойников. Чем больше возраст ила, тем короче период стабилизации, и наоборот. При снижении температуры с 20 до 8 °С продолжительность стабилизации увеличивается в 2–2,5 раза.

Стабилизация возможна в мезофильном режиме при 10–42 °С, и в термофильном при 42–70 °С. В последнем случае стабилизацию проводят в реакторе закрытого типа с теплоизоляцией. Тепло, выделяющееся в результате биологического окисления, может быть использовано для разогрева стабилизируемого ила. Иловая вода из уплотнителей направляется в аэротенки.

Аэробно стабилизированный ил не загнивает, не имеет неприятного запаха, хорошо фильтруется и высушивается на иловых площадках. По сравнению с нестабилизированным илом численность патогенной микрофлоры в нем резко падает (в зависимости от продолжительности аэрации и режима работы стабилизаторов снижение содержания бактерий Е. coli составляет 70–99%), наблюдается инактивация вирусов, при этом при термофильной стабилизации степень обеззараживания выше. Однако яйца гельминтов не погибают, поэтому использование стабилизированных осадков как удобрения или для других целей возможно только после их дегельминтизации термическими или химическими методами. Другие недостатки аэробной стабилизации – повышенные затраты на аэрацию и малая скорость процесса, снижение эффективности процесса в зимнее время, поэтому требуются большие объемы аэрационных сооружений. При обработке осадков с очистных сооружений с большим расходом воды этот метод не применяется.

Для повышения фильтрационных характеристик и степени обезвреживания ила, а также уменьшения его объема предложено использовать предварительный кислотный гидролиз ила с последующим выращиванием вторичной микрофлоры. Фильтрующая способность полученного ила в 200 раз больше, чем нативного. Недостаток такого метода – высокая энергоемкость и необходимость использования кислот для гидролиза.

3.2.5. Анаэробное сбраживание и метаногенерация

Анаэробное сбраживание и метаногенерацию применяют для переработки, обезвреживания и уменьшения объемов биомассы различного происхождения, отходов животноводческих и птицеферм, осадков очистных сооружений, бытовых отходов, целлюлозо-, белок-, жиросодержащих и других материалов с большой долей органических веществ. Органическое вещество минерализуется в процессе метаногенерации с образованием биогаза. Биогаз может быть утилизирован на энергетические и тепловые нужды (см. разд. 1.5).

При переработке 1 кг ТБО образуется до 20 л биогаза в сутки, а ТБО города с населением 150 000 человек – до 2 млн м3 биогаза в год.

При метаногенной переработке навоза используется понятие «животной единицы», чтобы иметь возможность сравнивать количество биогаза, производимого из навоза разных животных. Одной животной единице условно соот-

ветствуют: 1 взрослая корова, или 5 телят, или 6 свиней или 250 куриц. Одна животная единица способна производить в сутки до 2,5 м3 биогаза. Из 1 т сухого вещества навоза при оптимальных условиях можно получить 350 м3 биогаза или,

впересчете на 1 голову КРС, 2,5 м3 в сутки, а в течение года – около 900 м3 биогаза, что эквивалентно по теплотворной способности 600–700 л бензина. При переработке отходов хозяйств с 550 000 голов крупного рогатого скота можно получить

всутки 2 480 000 м3 биогаза, а с 400 000 голов свиней – 900 000 м3 биогаза.

Всего по России за счет переработки органических отходов биоконверсией

вбиогаз можно было бы получить до 75 млн т усл. топл. в год. Однако для этого необходимы биоэнергетические установки с общим объемом реакторов 50–60 млн м3, или 50–60 тыс. установок с реакторами объемом 1000 м3.

Часть вещества, не поддающаяся биологическому разрушению (несброженный твердый осадок), может быть в дальнейшем захоронена или утилизирована. Осадок, образующийся, например, при сбраживании навоза или активного ила, содержит большое количество азота и фосфора, не содержит условно-патоген- ной микрофлоры и жизнеспособных семян сорняков (при термофильном сбраживании), он пригоден для аэробного компостирования или непосредственного использования в качестве удобрения в сельском хозяйстве, а в ряде случаев –

вкачестве источника кормового витамина B12. В последнее время анаэробное сбраживание применяют и для разложения токсичных ксенобиотиков в загрязненном ими материале.

ВКитае, Индии, Корее, Тайване, Таиланде, США, Канаде, Японии, Дании и других странах анаэробное сбраживание отходов в биогаз широко используется. Семейные биогазовые реакторы, большие и средние биогазовые электростанции перерабатывают органические отходы городов, отходы животноводства и птицеводства, винных заводов с получением электроэнергии. Биогазовая продукция

вКитае оценивается в 33 · 1015 Дж. В Дании в эксплуатации находится несколько десятков централизованных биогазовых заводов, способных ежегодно обрабатывать более 1,5 млн т биомассы (75% отходов животноводства и 25% других органических отходов) с получением более 50 млн м3 биогаза.

ВРоссии из различных вариантов метаногенной переработки отходов наиболее распространено анаэробное сбраживание осадков сточных вод в метантенках: активного ила вторичных отстойников или отстойников-илоуплотнителей без обезвоживания и с предварительным обезвоживанием на центрифугах, вакуум-фильтрах, фильтр-прессах; осадка первичных отстойников, с решеток после измельчения; биопленки с биофильтров. Сбраживание смеси осадка первичных отстойников и уплотненного избыточного ила в термофильных условиях в течение ряда лет применяется на Курьяновской и Люберецкой станциях аэрации в Москве (см. рис 1.102). Типичная схема установки для переработки активного ила приведена на рис. 3.25. Выход биогаза в зависимости от состава сбраживаемой смеси осадка составляет 5–22 м3/м3 смеси при влажности осадка 94–97,5% или 0,4–0,6 м3/кг беззольного вещества осадков.

Как и при анаэробной очистке сточных вод (см. разд. 1.5), сбраживание твердых отходов может проводиться как при пониженных, так и при повышенных температурах, но наиболее распространено мезофильное сбраживание.

Переработка в метантенках осадков сточных вод и навоза в мезофильном режиме длится около 30 сут, в термофильном – около 5–10 сут при нагрузке по сбраживаемому сырью от 0,5 кг/(м3·сут) до 5–6 кг/(м3·сут). Сбраживание соломы с влажностью около 60% при температуре 35 °С происходит на 90% за 120–200 сут, при 55 °С – за 60–90 сут. Лигногуминовая составляющая растительной биомассы сбраживается, но образует намного меньше биогаза.

Рис. 3.25. Схема установки для метаногенного сбраживания ила, получаемого с очистных сооружений городских стоков: 1 – отстойник; 2 – метантенк; 3 – теплообменник; 4 – устройства для очистки биогаза; 5 – парогенераторы

Для очистки 54 м3/сут навозных стоков, поступающих со свинофермы на 1000 голов свиней, с содержанием 5–6% твердых частиц требуется биореактор объемом 570 м3 при нагрузке 3,5 кг/(м3·сут) и времени пребывания 10 сут. Содержание метана в биогазе 69%. Концентрация органического вещества в поступающем в реактор сырье должна составлять не менее 2%. При меньших концентрациях содержание бактериальных клеток резко падает, и процесс практически останавливается.

Ферма КРС на 1000 голов при нормальном кормлении и добавлении в подстилку не менее 4 кг соломы в сутки/голову производит 30–50 т отходов влажностью ~85%. Для переработки этого количества отходов методом твердофазной ферментации требуется реактор общим объемом 1200 м3, или методом жидкофазной ферментации – 2400 м3. В сутки образуется ~2000 м3 горючего газа, из которых ~600 м3 потребляетсянанужды установки и ~1400 м3 может использоваться для удовлетворения потребности в энергии 1000 домохозяйств по 4 человека в каждом.

Эффективность анаэробной переработки отходов может быть повышена предварительным концентрированием жидких отходов (например, активного ила) перед сбраживанием, добавками различных компонентов в исходный субстрат (например, соломы к куриному помету), измельчением сырья, предобра-