1514

избыточном количестве выпадающих осадков или добавлять адсорбенты (солому, опил, стружку).

Оптимальная влажность компостируемой массы – не ниже 45 и не выше 60 % [10]. Она варьирует и зависит от природы и дисперсности материала. Различные материалы могут иметь разную влажность до тех пор, пока поддерживается соответствующий объем свободного газового пространства.

Втвёрдых бытовых отходах влагосодержание составляет 20–40 %, поэтому для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов уровень влажности при компостировании необходимо повышать. Для повышения влажности могут быть применены различные мероприятия, например, такие как применение добавок, улучшающих структуру материала и повышающих воздушный объем пор в компостируемой массе, увеличение частоты перемешивания с помощью специальных перемешивающих устройств, добавление шлама с очистных сооружений, удерживание протекающей воды в основании устройства или просто орошение водой.

Кислород необходим для жизнедеятельности аэробных микроорганизмов, являющихся принципиальной основой процесса компостирования. Поэтому аэрация является одним из важнейших факторов, влияющих на процесс компостирования. Потребность в кислороде не постоянна и меняется

втечение процесса компостирования: на начальной стадии процесса она низкая, при повышении температуры возрастает до максимума и падает во время остывания.

Вначальных фазах процесса компостирования наблюдается достаточное количество кислорода воздуха, содержащегося в самих отходах и пустотах между их частицами. По мере нарастания термобиологического процесса содержание кислорода в центре компостируемой массы резко снижается до величин, препятствующих процессам биологического разложения отходов. Это можно определить по приостановлению повышения температуры в компостируемой массе. Равномерное проникновение кислорода в компостируемую массу может быть обеспечено за счет ее перелопачивания (ворошения). В отдельных случаях это достигается за счет искусственной аэрации, когда естественный воздухообмен оказывается недостаточным.

На практике аэрация осуществляется за счет естественной диффузии в компостируемую массу благодаря перемешиванию компоста вручную, с помощью механизмов или принудительной аэрации. Аэрация имеет и другие функции

впроцессе компостирования. Поток воздуха удаляет диоксид углерода и воду, образующиеся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, а также отводит теплоту благодаря испарительному теплопереносу. Как свидетельствует практика, оптимальная скорость аэрации 6–19 мг О2/час на грамм летучей фракции

втвердом веществе компоста.

91

Перемешивание повышает скорость диффузии кислорода, диспергирует крупные фракции субстрата, что увеличивает удельную поверхность, необходимую для биодеградации. Чрезмерное перемешивание приводит к охлаждению и высыханию компостируемой массы, к разрывам в мицелии актиномицетов и грибов. При использовании установок для компостирования целесообразно чередовать периоды активногоперемешиванияспериодамибезперемешивания.

При усиленной аэрации (при ворошении или искусственной аэрации) компостируемой массы не только обеспечивается более равномерное снабжение всех ее участков кислородом и исключается образование бескислородных зон, но и удаляются токсичные газы, тормозящие протекание аэробных процессов.

При ворошении увеличиваются площадь и вероятность контакта микроорганизмов с питательными веществами, что приводит к быстрому приросту биомассы микробов, интенсификации микробиологических процессов.

Избыточная аэрация усиливает теплоотдачу и повышает испарение воды, что вызывает пересыхание, снижение температуры и отрицательно влияет на процессы компостирования.

При искусственной аэрации подача воздуха регулируется в зависимости от температуры и влажности компостируемой массы. Избыточная естественная аэрация может быть снижена при необходимости до нужных величин за счет обкладывания штабелей или куч сверху и с боков слоем готового компоста или землей толщиной 10–20 см.

Потребность в кислороде определена на уровне 7–12 %. В пересчете на 1 г твердого вещества количество потребляемого кислорода существенно зависит от температуры, влажности, доступности питательных веществ, фазы разрушения материала и самих свойств материала иможет колебатьсяот1 до 13,6 мг/ (г·час).

На практике достаточность аэрации можно контролировать по содержанию кислорода в выходящем из компостируемой массы воздухе посредством коэффициента дыхания, который показывает соотношение СО2 к О2, как приток и отток воздуха, и таким образом указывает на потребность компостируемой массы в кислороде. Однако самым простым и верным способом контроля достаточного содержания кислорода, как рекомендует C. Golueke, является использование обоняния. При помощи обоняния можно легко уловить гнилостные запахи, которые указывают на начало анаэробного процесса, то есть на недостаточную подачу кислорода [27].

Основная масса микроорганизмов, участвующих в процессах компостирования, оптимальноразвиваетсяпризначенияхрН= 6,0…7,5 (бактерии) ирН= 3,5…5,5 (плесневыегрибы).

В начальных фазах компостирования основную роль играют бактерии, поэтому желательно иметь значения рН для отходов в пределах 6,0–7.5. По мере развития микробиологических процессов это значение рН сперва снижается из-за

92

образования жирных кислот, СО2 и протекания процесса нитрификации, а после изменения структуры бактерий снова медленно повышается в результате образования и выделения аммиака, что нейтрализует кислую реакцию среды отходов.

В случаях, когда ТБО, направляемые на компостирование, имеют выраженную кислую реакцию среды, желательно добавлять нейтрализующие материалы. Особенно это важно в начальных фазах процессов. В дальнейшем нейтрализация среды частично достигается за счет автопроцессов регуляции величины рН.

Температура является одним из основных факторов, влияющих на биологическую активность. Она определяется тепловой энергией, которую выделяют микроорганизмы в процессе своей жизнедеятельности, и во многом зависит от оптимального диапазона температур наружного воздуха при начальной фазе компостирования, который составляет 15–20 °С. Температура наружного воздуха является очень важным условием, от которого зависят продолжительность

иправильность проведения процесса компостирования. При положительных температурах до 10–15 °С интенсивность размножения почвенных микроорганизмов ниже, но не прекращается. При отрицательных температурах интенсивность процессов компостирования значительно снижается. Это говорит о явной зависимости температурного режима от сезонного хода температур.

Аэрация компостной массы путем ее ворошения (перелопачивания) обеспечивает более интенсивное окисление органических материалов: через 4–6 суток после ворошения температура компостной массы вновь повышается до 60–65 °С

иудерживается на этом уровне несколько суток.

При таком температурном режиме и влажности отходов 45–60 % обеспечиваются переработка ТБО в гумус и обезвреживание ТБО от бактерий кишеч- но-тифозной группы, гибель яиц и личинок мух, тараканов, сверчков и других переносчиков возбудителей заразных болезней.

Важно отметить, что при температурах выше 50 °С теряют всхожесть семена сорняков.

2.4. Микробиальные биотермические процессы (аэробные и анаэробные) при компостировании

Органическое вещество отходов в процессе компостирования подвергается биоконверсии под воздействием микробного сообщества, других микро- и макроорганизмов при определенных условиях.

В общем виде процессы биоконверсии могут протекать по-разному – в зависимости от присутствия кислорода в условиях аэробиоза или анаэробиоза.

При аэробном варианте конечными продуктами процесса конверсии органических веществ являются клеточные структуры микробных тел, а в окружающую среду выделяются СО2, NH3, H2O, SO2–2 и тепло.

93

При анаэробном процессе также образуются клеточные структуры новых микробных тел, но в окружающую среду выделяются кроме СО2, NH3 и H2O такие продукты конечного разложения, как H2S, CH4, H2, и существенно меньше тепла.

Взависимости от поставленных целей по получению конечных результатов в заданные сроки (уменьшение объема и массы органических веществ, выхода оптимального количества и заданного качества целевых продуктов, сокращение сроков протекания процессов, экономических и энергетических затрат, задалживание земельных территорий и др.) можно управлять процессами биоконверсии органических отходов в ходе реализации той или иной технологической схемы, меняя условия и оптимизируя их параметры, влияющие на процессы компостирования.

Для реализации задач управления процессами биоконверсии органических веществ отходов в процессе компостирования важно знать сущность этих процессов.

Вобщем виде биологическую трансформацию органического вещества отходов в аэробных условиях можно выразить в формализованном виде следующим образом:

+ SO2–2 + … + тепло

Трансформация органического вещества отходов в анаэробных условиях может быть представлена в формализованном виде следующим образом:

+ H2 + H2S + H2O + … + тепло

При поставленной задаче – сократить количество получаемых при биоконверсии резистентных органических веществ можно чередовать аэробные и ана-

94

эробные фазы, что позволяет более полно разрушить сложные органические соединения. При задаче – получить больший выход биомассы в виде гумусовых фракций предпочтительно вести процесс в аэробной фазе. Для получения метана и других биогазов ведут процесс в анаэробных условиях.

При биоконверсии органических веществ отходов одновременно протекают физико-химические, химические и биохимические процессы.

Кфизическим процессам относятся уплотнение, сжатие, уменьшение размера частиц, адсорбция, ионный обмен и др. Увеличение плотности и уменьшение размера частиц способствуют адсорбции воды, повышению влажности отходов и ускоряют их разложение [28, 29].

Кхимическим процессам можно отнести окислительно-восстановительные

ифотохимические реакции, гидролиз, деполимеризацию, образование труднорас-

творимых и комплексных соединений, зависящие от содержания кислорода в компостируемом субстрате, величины рН, окислительно-восстановительного потенциала различных фракций отходов и др.

Превалирующую роль при разложении отходов играют биохимические процессы, протекающие в аэробных и анаэробных условиях [28, 29].

Независимо от характера протекания процессов (аэробного или анаэробного) важной является роль микроорганизмов по подготовке органических веществ отходов к биодеградации. Путем выделения экзоферментов (энзимов) гидролизные бактерии перестраивают высокомолекулярные органические вещества (белки, жиры, сложные углеводы типа целлюлозы и др.) в низкомолекулярные соединения – аминокислоты, жирные кислоты, сахара и воду.

Экзоферменты выделяются бактериями за пределы микробной клетки и располагаются на внешней стороне ее оболочки и непосредственно контактируют со сложными органическими веществами отходов, превращая их из полимеров в мономеры – до отдельных молекул. Экзоферменты специализируются по разрушению конкретных полимеров и называются соответственно – липаза, амилаза, протеаза, целлюлаза и др.

Подготовленные к дальнейшему расщеплению гидролизованные остатки полимеров в виде отдельных молекул всасываются (проникают) в силу разницы осмотического давления во внутрь микробной клетки, где они разлагаются до более простых соединений эндоферментами – внутриклеточными энзимами. Полученные продукты внутриклеточного расщепления используются для энергетических нужд и создания клеточных структур, строения новых клеток в процессе их размножения. Продукты метаболизма органических веществ ассимилируются микробными клетками и формируют новую биомассу, отличную от исходных органических веществ отходов, а побочные продукты метаболизма выделяются за пределы клеток в виде растворенных в воде веществ, газов.

95

Аэробные процессы обычно протекают быстрее, сопровождаются большим количеством выделяемого тепла, идут до образования конечных продуктов разложения органических веществ: СО2, Н2О, NH3, H2S. При этом обычно NH3 в результате процессов нитрификации окисляется до солей азотистой и азотной кислот, а сероводород – до солей сернистой и серной кислот. Анаэробные процессы протекают значительно медленнее, сопровождаются меньшим на порядок выделением тепла. Наряду с конечными продуктами распада (СО2, Н2О, H2S, CH4, NH3) обычно образуются сложные органические продукты, в том числе дурнопахнушие. Часто реакция рН сдвигается в кислую сторону.

Ваэробных процессах участвуют большие группы различных микроорганизмов, в том числе бактерии, актиномицеты, плесени, грибы.

Вначале процесса принимают участие обычные виды микроорганизмов, живущие в почве при температурах до 25–30 °С. Они представлены смесью бактерий, грибковой плесенью. Активную роль при этом играют и простейшие, нематоды. Вся эта совокупность почвенной микрофлоры и простейших животных организмов достаточно полно разрушает легкорастворимые в воде вещества: крахмал, белок, сахар. Процесс разрушения связан со значительным выделением тепла. Масса отходов разогревается до 40–50 °С. При достижении этих температур создаются условия, неблагоприятные для почвенной мезофильной микрофлоры. Она уступает место термофилам – бактериям и актиномицетам, которые эффективно разрушают более стойкие вещества: целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин, а также жиры. При дальнейшем разогреве массы отходов (свыше 70–75 °С) термофилы отмирают, обедняется микрофлора и постепенно останавливается распад органических веществ.

По мере остывания вновь оживляется деятельность мезофилов, которые завершают разложение органических веществ отходов. Среди процессов разложения органических веществ в аэробных условиях основной удельный вес принадлежит окислению целлюлозы, жиров, углеводородов, азотсодержащих органических веществ, мочевины.

Разложение органических веществ отходов в анаэробных условиях существенно отличается от разложения в аэробных условиях.

Общим направлением анаэробных биохимических процессов является брожение. Разложение органических веществ в анаэробных условиях, как правило, идет не до конечных продуктов. Процесс разложения, в котором принимают участие различные виды микроорганизмов, протекает ступенчато. Это заметно удлиняет время распада вещества.

На первой ступени биохимической конверсии органическое вещество под воздействием экзоферментов гидролизных бактерий разрушается до мономеров. Так, углеводы, жиры, целлюлоза, пектиновые вещества на первой ступени распада (кислое или водородное брожение) образуют органические кислоты,

96

спирты, глицерин. Эта ступень имеет медленное течение, зависит от наличия благоприятных условий для размножения гидролизных бактерий, концентраций внеклеточных энзимов, уровня рН (желательно 4,5–6,0).

На второй ступени (метановое брожение) мономеры разлагаются до конечных продуктов распада – СО2, Н2, СН4. При этом СО2 может восстанавливаться до СН4.

В анаэробном разложении органических веществ отходов принимают участие большие группы различных микроорганизмов, деятельность которых напрямую зависит от многих факторов окружающей среды, качества субстрата отходов, условий протекания процесса.

При компостировании оба процесса – аэробный и анаэробный приводят к разложению органической части ТБО, образованию СО2, биомассы и выделению тепла. Различие между ними заключается в том, что при аэробном процессе тепла выделяется на порядок больше, но не образуется метан, а при анаэробном процессе тепла выделяется меньше, но образующийся метан может служить источником утилизируемого тепла.

При аэробном процессе больше выход целевой биомассы, но высоки энергетические траты, не образуются энергетические ценные биогазы.

При анаэробном процессе меньше выход биомассы, но получаются значительные количества биогаза, которые могут быть использованы.

Так, при метановом брожении высокий КПД (до 80–90 %) превращения энергии органического вещества в биогаз.

Как свидетельствует сложившаяся практика, при компостировании ТБО и иных подобных им муниципальных отходов предпочтение отдается методам аэробного компостирования с получением материалов типа компостов, почвогрунтов и технических грунтов.

2.5. Основные технологические схемы компостирования органических отходов и принципы их функционирования

Все разнообразие технологий получения компоста из органических отходов можно классифицировать по четырем основным параметрам: способу ведения процесса – в буртах (штабелях), биотуннелях, индивидуальных компостерных устройствах, компостных ямах или в механических устройствах (биобарабанах, реакторах); использованию кислорода – аэробные или анаэробные процессы; использованию температуры – мезофильные или термофильные процессы, использованию воды – сухое или мокрое компостирование.

Для всех технологий компостирования, в основе которых лежит микробиальный биохимический процесс, общим является соблюдение следующих принципов:

97

1)необходимость микробной популяции, содержащей все члены микробной сукцессии;

2)эффективностьпроцесса, обусловленнаяфункциеймикробнойдеятельности;

3)производительность процесса, определяемая размером и характером популяции микробов;

4)наличие и приемлемое качество органического субстрата, подвергающегося компостированию;

5)наличие факторов окружающей среды, достаточных для обеспечения процесса.

Выполнение первого принципа возможно только при наличии определенных видов микроорганизмов, обеспечивающих возможность последовательного разрушения сложных органических веществ до простейших, доступных более широкому кругу организмов. При этом первые члены микробной сукцессии готовят вещества для вторых членов и т.д. Отсутствие обязательных членов сукцессии (по видовому составу и количеству) может затормозить или приостановить процесс компостирования.

Второй принцип свидетельствует о том, что скорость протекания процессов компостирования определяется только скоростью протекания метаболических процессов в микроорганизмах, скоростью отмирания и размножения этих микроорганизмов в конкретных условиях окружающей среды. Следовательно, любое конструктивное и аппаратное оформление не может ускорить процесс разрушения органических материалов, так как это обусловлено только природой микробных организмов.

Технические решения не могут увеличить скорость деструкции органических веществ, но за счет создания для жизнедеятельности микроорганизмов оптимальных условий могут повысить производительность работы технологических установок и устройств.

Этот же принцип остается справедливым и для применения инокулятов. Поддержание условий окружающей среды (питательные вещества, темпера-

тура, кислород, влажность, крупность частиц субстрата, количество микробов) сверх оптимального уровня является напрасной тратой усилий, так как природный потенциал организмов не может быть превзойден [15].

Третий принцип свидетельствует о том, что превышение допустимой нагрузки на определенную популяцию микроорганизмов приведет только к подавлению (полному или частичному) процесса переработки отходов.

При несоблюдении четвертого принципа процесс компостирования как микробный биохимический процесс невозможен.

Качество субстрата играет решающую роль. Кроме наличия в субстрате органических биоразлагаемых органических веществ, в том числе основных органогенов и микроэлементов (желательно в сбалансированных соотноше-

98

ниях), важным является отсутствие или содержание в приемлемых концентрациях ингибиторов, токсикантов, балластных веществ и других примесей к органическому субстрату, препятствующих или затрудняющих процесс компостирования.

Пятый принцип определяет необходимость учета достаточности факторов окружающей среды. Процесс подавляется пропорционально степени недостаточности того или иного фактора. Так, например, если при оптимальном наличии кислорода, влажности, температуры содержание азота меньше, чем это необходимо, то повысить эффективность процесса можно только добавкой азота.

Реализация этих принципов в современных условиях управления движением отходов с учетом сложившихся социально-экономических факторов, переходом к устойчивому развитию, новых подходов к энерго- и ресурсосбережению становится возможной при обязательном учете особенностей функционирования системы обращения с отходами, управление которой основано на принципах интеграции, учета жизненного цикла отходов, максимального использования их энергетического и материального ресурса, минимизации размещения неутилизируемых остатков отходов в окружающей среде при обеспечении приемлемых уровней экологических рисков.

В связи этим компостирование органической фракции муниципальных отходов необходимо рассматривать как элемент интегрированной системы обращения с отходами. Это определяет современные методические подходы к выбору отходов, направляемых на компостирование, выбор технологий компостирования, требований к качеству получаемых целевых продуктов, управлению рисками, возникающими в процессах компостирования.

С учетом этого на основе методологии анализа жизненного цикла все технологические процессы компостирования органических отходов могут быть разбиты на четыре основных этапа: прием и сортировка; биотермическое компостирование; заключительная обработка и складирование компоста; выделение и утилизация (уничтожение) некомпостируемых фракций.

Реализация этих основных этапов определяет необходимость наличия определенных структурных элементов на объектах по компостированию, а именно:

–прием, сортировка (при необходимости), накопление технологической партииотходов, достаточной длярегламентной загрузки оборудования;

–предварительная подготовка отходов;

–биотермическое компостирование;

–заключительная обработка (созревание);

–формирование финишных партий компоста и их хранение в условиях отложенного или неравномерного спроса.

99

Все основные виды систем компостирования – от индивидуального до широкомасштабного высокомеханизированного по способу ведения процессов компостирования можно сгруппировать в виде трех основных типов: открытые системы с естественной аэрацией; открытые системы с принудительной аэрацией (под вакуумом или напором); закрытые системы.

По производительности, характеру компостируемых отходов и целевым установкам все объекты (предприятия) по компостированию условно можно разделить на следующие три вида: объекты индивидуального компостирования для одной или нескольких семей, небольших фермерских хозяйств, группового компостирования (например, небольших садовых кооперативов), когда продукты компостирования используются для внутреннего потребления или только в исключительных случаях частично становятся коммерческим товаром; коммерческое промышленное компостирование, ориентированное на рециклинг материального ресурса отходов путем производства целевых продуктов полностью на реализацию внешним потребителям; промышленное компостирование собственных органических отходов (например, на сельскохозяйственных предприятиях) с целью их рециклинга и получения целевых продуктов для полного или частичного использования для собственных нужд и реализации избыточных объемов целевых продуктов внешним потребителям.

По производительности объекты компостирования принято делить на три группы: малые – производительностью менее 50 т/год; средние – соответственно менее 2000 т/год и крупные – более 5000 т/год.

На первом этапе технологического процесса компостирования – прием и сортировка отходов – формируется поток отходов, направляемых на последующие этапы компостирования.

С целью исключения балластных материалов, а также веществ, мешающих регламентному протеканию процессов компостирования (ингибиторов, коррозионно активных, травмоопасных и др.), токсичных и других экзогенных химических веществ в недопустимо высоких концентрациях обязательно проводится входной контроль.

Поток отходов, прошедших входной контроль, направляется сразу на дальнейшие этапы компостирования, либо при недостаточном или избыточном для полной загрузки оборудования количестве размещается в накопи- тельно-регулирующих ёмкостях. Эти емкости обычно выполняются в виде поверхностных плоских или заглубленных (глубоких) бункеров с выполнением при необходимости в зависимости от местных климатических условий защиты от осадков (водонепроницаемые покрытия, дренаж для отвода избыточной фильтрационной или отжимной воды), промерзания и тому подобных неблагоприятных климатических факторов.

100