Управление отходами. Захоронение твёрдых бытовых отходов
.pdfность процессов естественного самоочищения почвы считается отрицательным, если общая численность почвенных микроорганизмов основных физиологических групп (спорообразующие бактерии, грибы, актиномицеты и др.) уменьшилась бо лее чем на 50%, а ферментативная активность почвы (инвертазная, дегидрогеназная, нитрифицирующая и др.) более чем на 25% относительно аналогичных по казателей контрольной пробы, не содержащей этого ЭХВ [11]. Выраженные про цессы самоочищения почвы, идущие с достаточно высокой скоростью и интенсив ностью, позволяют почве освободиться от значительных количеств загрязнений. Вместе с тем, самоочищающая способность почвы имеет свои пределы, которые лимитируют допустимую нагрузку ЭХВ на почву. Превышение допустимой на грузки ЭХВ на почву может привести к срыву процессов естественного са моочищения.
Интенсивностью и скоростью процессов естественного самоочищения от ЭХВ можно управлять, изменяя температурный и влажностный режимы, аэрацию, используя иннокуляцию специальных видов микро- и макроорганизмов, внося биомассу растений - выращивание зеленой массы с последующим запахиванием (сидерация), изменяя структуру почвы в процессе ее механической обработки (рыхление, распашка, боронование, прикатка, уплотнение, укрытие теплоизоляци онными материалами и т.д.), внеся в почву биогены и микродобавки и т.д.
Учет процессов самоочищения почвы от ЭХВ и управление ими открывает большие возможности для использования их в практике.
4.Основные физико-химические, биологические
ибиохимические процессы, происходящие при депонировании ТБО на полигонах
4.1.Слеживаемостъ. Выделение отжимной воды (фильтрата)
Плотность ТБО зависит от морфологического состава, возраста, длительно сти нахождения в неподвижном состоянии, количества перегрузок, пересылок и других механических воздействий. По своим механическим свойствам и структуре ТБО не имеют аналогов и практически несравнимы с другими широко распростра ненными материалами типа песка, щебня, грунта, торфа, сена и т.д.
На плотность ТБО влияют многие факторы: влажность; процентное содержа ние бумаги; древесины; пищевых и других органических отходов; уличного и до мового смета; текстиля; проволоки; камней и др.
Разнообразие морфологического состава, наличие в ТБО волокнистых (тек стиль, проволока и др.) и армирующих (древесина, обрезки металлических труб, куски картона и др.) компонентов обусловливает особое свойство ТБО - механиче скую связность. Присутствие в ТБО большого количества липких компонентов усиливает такие негативные проявления связности при пересылках через бункерапитатели, решетки и другие устройства, как залипание, сводообразование, наруша ет сыпуч$стъ> текучесть и другие свойства, необходимые для нормальной работы этих устройств.
разуюшиеся при этом газы и водорастворенные компоненты, переходящие в состав фильтрата, и определяют загрязняющее влияние полигонов на объекты окружаю щей среды. Поэтому знание этих процессов и умение управлять ими позволяет ак тивно влиять на характер и уровни воздействия полигонов на окружающую среду.
В общем виде можно представить, что основная масса ТБО, депонированных на полигонах, вскоре после попадания в рабочее тело полигона становится ана эробной, т.к. находящийся в ТБО свободный кислород быстро расходуется, а из атмосферного воздуха новые порции, кислорода глубже чем на один метр в уплот ненные ТБО не проникают. Исключение составляют аэробные полигоны, где ве дется аэрация рабочего тела.
Органические материалы, входящие в состав ТБО, могут находиться в твер дом или растворенном виде. В присутствии влаги начинается растворение органи ческих материалов ТБО и их гидролиз. Основная часть органических материалов переходит в растворенную форму и становится доступной для воздействия фер ментов, выделяемых микробами. В результате этих ферментативных процессов идет преобразование сложных органических веществ через циклы органических кислот до СО2, Н2 и СНа. При определенных условиях СО2 и Н2могут также обра зовать СН4.
Упрощенно превращение сообществ в метан может быть представлено в виде метан генерирующей системы (рис. 4.1).
В общем виде процесс разложения органических материалов ТБО может быть разбит на три стадии. На первой - твердые и растворенные вещества гидролизуют ся и под воздействием ферментов микробов расщепляются до промежуточных продуктов - жирных кислот, спиртов, водорода и диоксида углерода. На второй - ацетогеничные группы микробов превращают промежуточные продукты, полу ченные на первой стадии, в уксусную кислоту, водород и диоксид углерода. На третьей (заключительной) - образуется метан за счет воздействия метаногеничных групп микробов. При этом ацетофильные бактерии превращают уксусную кислоту в СОг и метан, а гидрогенофильные бактерии получают из Н2 водорода СО2 и ме тан.
Стехиометрически эти процессы могут быть выражены уравнением /46/
С„НаОь + (п- J - | ) Н 20 |
- 1 + |
-Ь) С 0 2 + ( \ + | |
- ~ ) СИ4 |
где n, а, Ь - стехиометрические коэффициенты. |
|
|
|
На процессы образования влияют абиотические факторы. |
|
||
Кислород. Метанообразующие |
бактерии |
очень чувствительны к кислороду |
|
и развиваются в анаэробной зоне. Присутствие |
кислорода в значащих концентра |
||
циях может тормозить процесс генерации метана (рис. 4.1). |
|
||
Водород. При низких концентрациях водорода (ниже 10‘5 |
атм) идет образо |
||
вание из СО2 и Н2 метана. При высоких концентрациях водорода из С02 и этано ла образуются масляная и пропионовая кислоты. При снижении давления водорода эти кислоты в конечном результате превращаются в метан.
pH и щелочность. Метангенерирующие бактерии эффективно работают при Н = 6 ...8 . При значении pH ниже 6 процессы метанообразования тормозятся и
зз
Рис. 4.1. Субстраты и главные микробиальные группы метангенерирующей экосистемы [45]
идет образование масляной и пропионовой кислот, которые затем при более бл; значениях PH вовлекаются в процессы преобразования с получением
•шячрнм* *)е3^ЛЬТаТС метанаНз всех абиотических факторов pH имеет наиболыш подавлен * К П*Ж КИСЛЬ1Х значениях pH процесс метанообразования может бьп
холимьГПп^а^лГ U микР?ЭЛементь1' Для эффективной генерации мегана неос
молибден селен КШШИ’ кальций, магнезия, железо,, цинк, медь, кобалы молибден, селен и другие микроэлементы.
Наиболее оптимальное соотношение углерода (органического): азота: фосфо ра 100 0,44 : 0,08. Нарушение этого соотношения, а также .недостаток или отсут ствие любого из органогенов или микроэлементов тормозит или приостанавливает образование метана.
Ингибиторы. Высокие концентрации многих летучих кислот, солей тяжелых металлов, сульфидов, специфических органических веществ могут оказывать ин гибирующее действие на процессы метаногенеза. Так, ингибирующий эффект явно выражен при концентрации кальция 8000 мг/л, магнезии и аммония 3000 мг/л.
Сильными ингибиторами являются хлороформ (20 мг/л), карбонтетрахлорид (2,2 мг/л), винилхлорид (5 - 10 мг/л), метиленхлорид (1,8 - 2,2 мг/л), 1-хлоропрен (7,6 мг/л), акролеин (11 мг/л), формальдегид (72 мг/л), нитробензен (12,3 мг/л) и
ДР-
Интересно отметить, что многие вещества в малых концентрациях являются стимуляторами метаногенеза, а в больших - ингибиторами. Это справедливо для углекислого калия, натрия, кальция, магнезии, аммония.
Температура. Подобно большинству микробиальных процессов скорость и глубина разрушения органических веществ ТБО в процессе метаногенеза зависит от температуры. Мезофильная группа метанообразующих бактерий активно рабо тает при температуре около 40° С, а термофильная - около 70° С. При повышении температуры от 20 до 30 - 40° С в лабораторных условиях было установлено, что скорость метаногенеза возрастает в 100 раз [47, 48, 49]. Рост температуры внутри рабочего тела полигона не связан с колебанием температуры наружного воздуха и примерно одинаков на глубине 2 - 4 м. Так, по данным J.F.Rees [50], при темпера турах наружного воздуха от 1 - 3° С зимой и 17 - 19° С летом в теле полигона на глубине 2 — 4 м температура в течение трех лет наблюдений постепенно нарастала от 30 до 40° С (рис.4.2).
40-
2
20-
—*------------------— I-------------------- i--------
Январь Январь Январь
1978 |
1979 |
1980 |
Рис.4.2. Температура рабочего тела полигона ТБО (кр. 1,2 - глубина 4 и 2м) и наружного воздуха (кр.З) через два года после эксплуатации (Великобритания) [50]
Влажность, Многими исследованиями доказано увеличение выхода метанас повышением влажности ТБО. M.G.Buivid [47], J.F.Rees [51] установили экспери| ментально, что выход метана увеличивается при повышении влажности, от 20 до 60% (рис.4.3). Вода в субстрате ТБО выполняет функцию транспорта (леремеще ние питательных веществ), разбавляет ингибиторы и распределяет микрофлору между отдельными частицами отходов.
Обрзэовшниг е*зз,
ил/кг ТБО, день
При всей важности абиотических факторов наибольшую роль в разложении органической части ТБО играют биологические факторы, а из них - микробиаль ные. В связи с этим целесообразно более подробно рассмотреть микробиальные биотермические процессы, т.к. они определяют скорость и полноту разрушение органики, формирование состава и расход биогаза, качество фильтрата.
4.3. Микробиальные биотермические процессы (аэробные и анаэробные)
При складировании ТБО на полигонах процесс разложения их органической части зависит от условий аэрации - доступа кислорода воздуха.
В верхнем слое, на той его глубине, куда проникает атмосферный воздух идут аэробные процессы, а в более глубоких слоях, где отсутствует кислород - анаэробные процессы.
Аэробные процессы обычно протекают быстрее, сопровождаются болышш количеством выделяемого тепла, идут до образования конечных продуктов разло жения органических веществ - С 02, Н20, NH3, H2S. При этом обычно NH3 в ре зультате процессов нитрификации окисляется до солей азотистой и азотной ки слот, а сероводород - до солей сернистой и серной кислот. Анаэробные процессы протекают значительно медленнее, сопровождаются меньшим на порядок выделе-;
шем тепла наряду с конечными продуктами распада (СО2 , Н20, H2S, СН4, NH3) )бычно образуются сложные органические продукты, в том числе дурно пахнущие 1 асто реакция pH сдвигается в кислую сторону.
Ваэробных процессах участвуют большие группы различных микюорганизмов, в том числе бактерии, актиномицеты, плесени, грибы.
Вначале процесса принимают участие обычные виды микроорганизмов, жн ущие в почве при температурах до 25...30°С. Они представлены смесью бактерий, рибковой плесенью. Активную роль при этом играют и простейшие, нематоды, кя эта совокупность почвенной микрофлоры и простейших животных организмов достаточно полно разрушает легкорастворимые в воде вещества - крахмал, белок, ахар. Процесс разрушения связан со значительным выделением тепла. Масса от- ;одов разогревается до 40 50°С. При достижении этих температур создаются 'словия, неблагоприятные для почвенной мезофильной микрофлоры. Она уступает 1есто термофилам - бактериям и актиномицетам, которые эффективно разрушают
юлее стойкие вещества - целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин, а также жиры. При [альнейшем разогреве массы отходов свыше 70 75°С термофилы отмирают, (бедняется микрофлора и постепенно останавливается распад органических вецеств.
По мере остывания вновь оживляется деятельность мезофилов,которые завериают разложение органических веществ ТБО. Процессы разложения органических еществ в аэробных условиях на полигонах ТБО рассмотрим более подробно на [римерах окисления целлюлозы, жиров, углеводородов, азотсодержащих органиеских веществ, мочевины.
Окисление целлюлозы. Под воздействием ферментов микроорганизмов B.Cytophaga, B.Cellvibrio, Micromonospora, Streptomyces, Aspergillus и др.) начинатся гидролиз целлюлозы с превращением ее в дисахарид целлобиозу, а затем в люкозу. Глюкоза окисляется до С 02 и Н20. Цепочка превращений в упрощенном яде может быть представлена следующим образом: целлюлоза - целлюлаза - целюбиоза - целлобиаза - глюкоза - С 02 + Н20. Суммарно реакция распада целлюлозы юд воздействием микроорганизмов в аэробных условиях может быть ггредставле- [а в виде
(СбН120 б)п+6Ы(02) |
Микроорганизмы |
6N(C02) + 6N(H20) + N(6 8 8 |
ккал). Выделение тепла |
Окисление жиров. Жиры подвергаются гидролизу под влиянием ферментов липаза) микроорганизмов - пигментных бактерий, актиномицетов, плесневых гриюв родов Aspergillus и Penicillium в результате образуется глицерин и жирные килоты. Затем глицерин и жирные кислоты под воздействием микроорганизмов источаются в сложный биохимический процесс, который идет через стадии обраования ряда органических кислот, вступающих в цикл Кребса и в конечном итоге ^спадающихся до С 02 и Н20.
В упрощенном виде окисление жиров можно представить следующим обра-
ом:
жиры + Н20 |
Микроорганизмы ^ |
глицерин + жирные кислоты, |
|
|
гидролиз |
|
|
глицерин + 0 2 |
Микроорганизмы^ |
С 02 + н 20, |
|
жирные КИСЛОТЫ + 0 2 Микроорганизмы |
С 02+ Н20. |
||
Окислениеуглеводородов. Углеводороды с различной длиной углеродной це пи (от метана до сложных углеводородов нефти) разлагаются под воздействием специфических видов микроорганизмов (метанокисляющих, фенолокисляющих нефтеразрушающих и др.). Наиболее активно сложные углеводороды окисляют В Pseudomonas, микобактерии, актиномицеты.
Окисление углеводородов можно в упрощенном виде представить следующим образом:
углеводород + 0 2 Микроорганизмы |
спирт, |
|
|
Микроорганизмы ^ альдегид + 0 2 |
Микроорганизмы ^ |
||
карбоновая кислота + 0 2 |
Микроорганюмы |
С02 + Н20. |
|
Окисление азотсодержащих органических веществ. К азотсодержащим ор ганическим веществам относятся белки. Они не усваиваются непосредсренно микроорганизмами, т. к. из-за большой молекулярной массы и размера щлскуш не могут проникать через оболочку внутрь микробной клетки.
Существует большая группа специфических микроорганизмов, способам выделять протеолитические экзоферменты, которые гидролизуют белки с расщеп лением их на более мелкие соединения - полипептиды, способные проникаты микробную клетку. Полипептиды под воздействием эндоферментов расщепляюта до аминокислот, которые затем окисляются с выделением аммиака, С02 и Н20.
Этот процесс разложения продуктов гидролиза белка микроорганизмами с образованием аммиака называется аммонификацией, а микроорганизмы - аммонификаторами. При наличии в белковых соединениях серы в качестве промежуточ ных продуктов разложения образуются тиоспирты (меркаптаны), а в качестве ко нечного продукта - сероводород. Разложение белковых соединений ведется боль шой группой различных микроорганизмов, включающих Bacillus Subtilis, Bacillus mykoides, Bacterium fluorescens, а также многие виды актиномицет, грибов. В об щем виде окисление белковых соединений можно представить следукнцим обра зом:
белки + Н20 Микроорганизмы^ полипептиды 4* Н20 Микроорганизмы^ аминокислоты
Аминокислоты могут разлагаться до конечных продуктов - NH4, С02 и Н20 • прямым, окислительным или восстановительным дезаминированием.
Окисление мочевины. Мочевина (карбамид) является продуктом белкового обмена человека и животных.
Карбамид под воздействием фермента уреазы, выделяемого уробактериями, гидролизуется с образованием NH3, С02 и Н2О. В общем виде окисление мочевины может быть представлено в следующем виде:
МОЧевина + Н2О Микроорганизмы^ NH3 + СО2 + Н2О (NH^COj
Разложение органических веществ - компонентов ТБО - в анаэробных услови ях существенно отличается от разложения в аэробных условиях.
Общим направлением биохимических процессов является брожение. Разло жение органических веществ в анаэробных условиях, как правило, идет не до ко нечных продуктов. Процесс разложения, в котором принимают участие различные виды микроорганизмов, протекает ступенчато. Это заметно удлиняет время распа да вещества.
Углеводороды, жиры* целлюлоза, пектиновые вещества на первой ступени распада (кислое или водородное брожение) образуют органические кислоты, спир ты, глицерин, которые на второй ступени метановое брожение) разлагаются до С02и СН4. При этом также СО2 может восстанавливаться до СН4.
Процессы анаэробного разложения рассмотрим на примерах брожения цел люлозы, углеводородов, жиров, белков.
Целлюлоза при анаэробных процессах разлагается мезофильными и термо фильными бактериями рода Clostridium. В зависимости от вида бактерий образу ются различные продукты. Мезофильные бактерии типа Clostridium Omelianskii образуют молочную и муравьиную кислоты, бактерии Clostridium dissolvens - мас ляную, уксусную и молочную кислоты, этиловый спирт, С02, Н2. При термофиль ном брожении бактериями Closstridium termocellum образуется уксусная, мо лочная, муравьиная кислоты, этиловый спирт, С02, Н2. В этом случае разложение идет более полно и быстрее.
При анаэробных процессах разложения целлюлозы углерод, входящий в ее состав, окисляется только на 50% до С02, остальные 50% восстанавливаются до СН4 (метана). Это можно проиллюстрировать следующей цепочкой превращений целлюлозы при анаэробном распаде: целлюлоза - глюкоза - этанол - уксусная ки слота - СН4 + С02.
Суммарная реакция:
(СбН120 б)п Микроорганизмы ^ Зп (02) + Зп (СН4) + п (57 ккал).
Длительность многоступенчатого распада целлюлозы с участием различных видов микроорганизмов больше длительности ее аэробного распада. Соответст венно выделяется и меньше тепла (57 ккал/моль глюкозы при анаэробном распаде, 688 ккал/моль при аэробном). В качестве иллюстрации длительности брожения целлюлозы в анаэробных условиях на свалках можно провести наблюдение R.Stone, который сообщает, что ему приходилось видеть газеты, изъятые из ана эробных санитарных свалок (земляных засыпок) спустя сорок лет после захороне ния, которые еще можно было читать [5].
Разложение жиров в анаэробных условиях идет по схеме: жиры — ►глицерин + жирные кислоты СН4+СО2 . В разложении жиров принимаютуча стие Clostriduim perfringens, Clostridium Sporogenes и многие другие.
Высшие жирные кислоты в процессе сбраживания в результате разрыва угле родной цепи образуют низшие кислоты. Глицерин сначала образует пировиноградную кислоту, которая затем разрушается до конечных продуктов.
Белковые соединения разлагаются в анаэробных условиях споро образующими (Bacillus putrificus, Bacillus Sporogenes), а также факультативные анаэробами (Proteus Vulgaris, Bacteria Coli). На первой ступени распада образую^ промежуточные продукты - амины, аминокислоты ароматического ряда, меркапта ны, сероводород. На второй ступени промежуточные продукты включаются в био химические процессы восстановительного дезаминирования, при этом образует аммиак и органические кислоты, которые затем разлагаются с образованием С021 СН4. Сера, входящая в состав белка, переходит в тиоспирты, тиоэфиры, сероводо род.
Нитраты могут восстанавливаться до свободного азота за счет воздействие микробов - денитрификаторов (Bacterium denitrificans, Pseudomonas flourescens 1
ДР-).
Особого внимания заслуживает метановое брожение, в котором принимаю; участие несколько групп микроорганизмов: Methanococcus Vannielii (восстанови?' ние СО2 водородом); Methanobacterium Omelianskii (сбраживание спиртов; Methanococcus mazei, Methanosarcina methanica, Methanobacterium Sohngenii (сбра живание солей органических кислот) и многие другие.
Основные биохимические процессы метанового брожения, несмотря на и разнообразие в зависимости от химического состава разлагающихся веществ! групп микробов, принимающих участие в разложении, могут быть сведены ктри типам:
1) разложение органических кислот:
4НСООН ---- ►СН4 + ЗС02+ Н20,
(муравьиная кислота)
СНзСООН------+ СН4 + С02,
(уксусная кислота)
2СН3(СН2)2 СООН + С02 + 2Н20 ---- ► СЕ, + 4СН3СООН;
(масляная кислота)
2) разложение спиртов:
4СН3О Н -----► ЗСН4 + С 02 + 2Н20, (метанол)
2С2Н5ОН + С 02 -----^ СН, + 2СН3СООН, (этанол)
4(СН3)2 СИОН + С 02 |
-----►4(СН3) 2 СО + 2Н20 + СН4; |
(пропанол) |
(ацетон) |