Биотехнология переработки отходов

Не отрицая важности для окружающей природной среды (ОПС) большого опыта и разнообразия механических и физи­ко-химических методов утилизации твердых бытовых отходив реальную перспективную альтернативу им представляют био­технологические методы. Особую важность биотехнологии по обработки отходов обуславливает уже не долговременная исчерпаемость традиционных энергоносителей: угля, нефти, га­за, а также далеко нe бесспорные экологические характеристики атомных электростанций.

Биотехнология переработки твердых отходов не только позволяет утилизировать биогаз и снизить энергетиче­ский дефицит, но и в значительной степени уменьшить антропогенную нагрузку на ОПС, в т. ч. уменьшить компоненты пар­никового эффекта.

Общим подходом к биотехнологии утилизации отходов с энергетическими целями является их анаэробная деструкция. Анаэробное сбраживание представляет собой кислородный ферментативный стадийный микробный процесс, осуществляе­мый в мезофильных (t==30-33°C) условиях с помощью различных групп микроорганизмов. При этом время контакта твердых от­ходов с микроорганизмами составляет 5-30 суток в зависимости от сырья, влажности, перемешивания.

В большинстве случаев при обработке твердая фаза имеет 3- 5% концентрацию веществ, до 75% из которых — органические компоненты, примерно 50% их превращаются при сбраживании в биогаз. Газ состоит на 65-70% из метана, 25-29% — углеки­слоты, а остальное составляют водород, сероводород, аммиак. Средняя производительность по газу составляет 1 л на 1 кг био­логически окисляемых веществ. Средняя теплота сгорания био­газа 22-24 МДж/м. Возможными путями утилизации биогаза являются: использование в котельных для обогрева; получение электроэнергии посредством газогенераторных установок, сжи­жение и использование в качестве автомобильного топлива или бытового баллонного газа.

В США, Японии, Германии насчитываются сотни, а в Ки­тае имеются десятки тысяч фсрмснгеров для получения элек­троэнергии индивидуального пользования в жилом секторе и сельскохозяйственных фермах путем переработки собственных и с незначительным добавлением растительных отходов. В на­шей стране получение биогаза не вышло из стадии опытно-про­мышленных исследований, но перспектива применения биотех­нологии в этом направлении, особенно для сельских регионов, очевидна.

Несколько иной механизм биодеструкции, но также с получением биогаза, наблюдается при переработке твердых быто­вых отходов (ТБО) на полигонах. На первой стадии катаболиз­ма ТБО преобладают аэробные микробные процессы в сочета­нии с физическими и химическими, по существу представляю­щие биокомпостированис. После исчерпания кислорода снижа­ется температура ТБО, происходит развитие микроаэрофилов, факультативных анаэробов, участвующих в образовании мета­на. В теплый период года наблюдается наиболее интенсивное метанообразование (от 3,1 до 371 л/кг ТБО в год). Уменьшение размера частиц ТБО до 10-20 мм увеличивает газоинтенсив­ность метановыделепия в 4 раза. Положительное воздействие оказывает на мстаногенез внесение в ТБО твердой фазы сточных вод станции аэрации, особенно после анаэробной биодеструкции в качестве посевного биоматериала (инокулянта). В основе био­газа от ТБО практикой идентифицировано до 46 компонентов, доминантным из которых является метан (50-60%).

Биогаз, образующийся на свалках, может быть извлечен при помощи вертикальных или горизонтальных перфорированных труб из полиэтилена. После удаления конденсата и пыли его те­плота сгорания составляет 17-20 МДж/м³, а при дальнейшей очистке может достигнуть 34-37 МДж/м³.

3. БИОТЕХНОЛОГИЯ ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ

Молекулы, служащие источником дурно пахнущего загряз­нения воздуха, образуются в результате множества различных процессов. Эти молекулы часто являются органическими и могут быть подвергнуты микробной деградации. Пороговые концентрации дурного запаха весьма незначительные. Например:

валериановая кислота — 0,6%; тиофенол — 0,06%; диамилсульфид — 0,14%; масляная кислота — 1,0%; метилмеркантан — 1,104%; скатол — 1,2%; этилмеркантан — 0,19%.

Дурно пахнущие запахи могут удаляться биотехнологичсски в «сухих» или «мокрых» биореакторах.

«Мокрый» реактор или биоскруббер работает как реактор с насадкой с иммобилизированной биомассой и противотоком жидкости. Дурно пахнущие газы при этом переносятся из газовой фазы в жидкую, как в обычном скруббере, а затем окисляются закрепленной биомассой. Основные преимущества этого процес­са:

— большая эффективность поглощения, биоокислсние практически до нуля снижает дурно пахнущие загрязнения, резко уменьшается объем поглощающей жидкой фазы;

— параллельно решается проблема удаления сточных вод.

«Сухой» биореактор загружается насадкой из биоактивного сорбирующего материала (компост, торф), через который продуваются загрязненные газы. Сорбированные соединения активно окисляются микробными сообществами, развивающимися па поверхности насадки, одновременно регенерируя ее. По такой биотехнологии, например, производится очистка воздуха в сви­нарниках. Перспективным направлением биотехнологии очист­ки газов является создание биологически активных сорбентов и оптимизация микробного сообщества (включая генетические методы), окисляющих широкий спектр субстратов (воздухоочи­стителей).

4. БИОТЕХНОЛОГИЯ ОХРАНЫ ЗЕМЕЛЬ

Загрязненность почв неорганическими ионами и нехватка по­лезных органических, избыток пестицидов и других вредных минеральных добавок приводят к снижению урожайности и каче­ства сельскохозяйственных культур, а также эрозии и дефляции почвы. При этом традиционные удобрения и методы внесения их в почву являются весьма затратными. (По мнению специалистов США, на производство стакана молока необходимо расходовать в настоящее время стакан дизтоплива).

Вместе с тем имеются безграничные, возобновляемые ресур­сы удобрений, содержащие необходимые питательные элементы для сельхозкультур и близкие, а иногда и превышающие по ка­честву органические удобрения (например: осадки сточных вод станций аэрации). Широкому применению их в сельском хозяй­стве препятствует бактериальная зараженность и содержание тяжелых металлов. Если первое препятствие (технически и ор­ганизационно) в целом разрешимо, то второе — требует новых подходов, основанных на биотехнологических приемах.

В настоящее время в России и за рубежом проводится боль­шая работа по селекции и получению методами генетической ин­женерии микроорганизмов, способных при внесении их в почву вместе с осадками продуцировать полимеры, переводящие тяжелые металлы в неподвижные формы, и осуществляющие одно­временно процесс азотфиксации (усвоение атмосферного азота).

Уже не одно десятилетие насчитывает опыт применения красного калифорнийского червя для получения биологически ценного удобрения (биогумуса) из клетчаткосодержащих и широкого спектра органических отходов, а также для улучшения структуры почв, аэрирования. Прошедший через червя гумус обогащен всеми необходимыми аминокислотами, микроэлементами.

Одним из наиболее распространенных и стойких загрязненений является нефть. Естественная микрофлора, адаптируясь способна, разрушить загрязнения такого типа. Смешение загрязненней нефтью почвы с измельченной сосновой корой ускоряет на порядок скорость разрушения нефти за счет способности микро­организмов, существующих на поверхности коры, к росту сложных углеводородов, входящих в состав сосновой смолы, а так­же адсорбции нефтепродуктов корой. Такой биотехнологическпй прием получил название «микробное восстановление загрязнен­ной нефтью почвы».

Не менее перспективным и эффективным является бактериальный препарат «Путидойл», промышленный выпуск которого освоен в г. Бердске Свердловской области. Препарат представляет собой лиофилизированную (высушенную при низких температурах под вакуумом) и дезинтегрированную клеточную массу бактерий рода Pseudomonas. Конкретные параметры и технология выращивания клеточной массы бактерий являются коммерческим секретом, ноу-хау авторов, но эффект огромный. Внесение путидойла на загрязненные места (территории) с неф­тью и нефтепродуктами позволяет через 1-3 суток полностью разрушить загрязнения до конечных продуктов (воды и углеки­слоты) и восстановить естественные свойства почв.

5. БИОТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ ВОД

Биологическая очистка природных и сточных вод в насто­ящее время является достаточно изученным и широко приме­няемым методом, значение и роль которого со временем будет только возрастать в связи с требованиями экологичности и эко- номичности современных видов производств.

Однако такой способ в его настоящем применении позволяет разрушить только относительно простые органические и аммо­нийные соединения, так называемые «биологические мягкие». Неорганически восстановленные (сульфиды, сульфиты, нитриты и др.) соединения, токсины, комплексные соединения и сложные органические молекулы, удаляемые лишь частично при такой технологии, относятся к «биологическим жестким» органи­ческим и аммонийным соединениям. Присутствие таких веществ как в очищенных сточных водах, так и в осадках и илах предста­вляет угрозу для окружающей природной среды. Поэтому раз­работка методов детоксикации таких загрязнений — текущая и перспективная задача биотехнологии очистки вод. Загрязнение биосферы вследствие выброса ксенобиотиков и других вредных соединений, почти не включаемых в циклы углерода, азота, фос­фора и серы, приводит к необратимым измене­ниям в генофонде.

Среди ксенобиотиков наибольшее распространение имеют гербициды и пестициды, представляющие галогеносодержащие соединения и попадающие в водоемы из почвы и атмосферы. Если нe применять специальные адсорбционные мембранные технологии или озонирование, то существующие станции очист­ки природных вод для хозяйственных целей не обеспечат удале­ния ксенобиотиков. Это обстоятельство ставит проблему пред­варительной очистки природных вод от ксенобиотиков, которая может быть решена путем экологизации или прекращения вы­пуска соответствующих препаратов, или способами биотехноло­гии.

Для обеспечения стандартов качества очищенных вод, соот­ветствующих нормативам ВОЗ, современными приемами био­технологии являются:

— селекция и конструирование искусственных микробных ассоциаций;

— совершенствование иммобилизационных комплексов;

— ферментативный катализ;

— физико-химические воздействия;

— генно-инжснерииговые комбинации.

Селекция и конструирование искусственных микробных ассоциаций заключается в поиске, выделении активных культур, Штампов, исходя из их способности использовать те или иные ксенобиотики по прямому метаболизму или в условиях соокисления (кометаболизма) с последующим внесением их в каче­стве посевного материала в биореакторах. Иммобилизация — это процесс, при котором клетки (ферменты) прикрепляются к какой-либо поверхности так, чтобы их гидродинамические характеристики отличались oт показателей среды обитания. При этом достигаются следующие положительные эффекты:

— сохранение практически постоянной биомассы в биореак­торе за счет отсутствия выноса ее с потоком очищаемой жидко­сти;

—создание пространственной сукцессии (распределения) ми­кроорганизмов по ходу движения жидкости с четким регулиро­ванием процесса;

— рост производительности, что уменьшает объем биореак­торов;

— повышение устойчивости системы к неравномерности по­ступления сточных вод;

— регулирование процесса но составу носителей. Ферментативный катализ заключается в воспроизводстве определенного вида ферментов или их препаратов для биодеструкции конкретного ксенобиотика и проведения процесса и биореакторах. При этом скорость возрастает на 2-3 порядка, что позволяет уменьшить объем биореактора. К физико-химическим воздействиям относится интенсификация процесса биодеструкции загрязнения путем мутации штампов за счет физических воздействий (ультразвука, ультрафиолетовых излучений, ради­ационное воздействие, высокочастотное электромагнитное облу­чение, омагничивание) или химических воздействий (нитрозамины, сильные окислители и пр.). За счет мутации штампов эффект очистки сточных вод повышается на 50-70%. Однако требуется периодическая обработка биомассы, т. к. мутированные признаки со временем снижаются.

Более эффективный и перспективный метод очистки вод с заданными деструктивными свойствами является геноинжениринговый. Он заключается в использовании методов рекомбинатной ДНК: соединений определенных катаболических после­довательностей специфических генов, ответственных за деструк­цию какого-либо звена молекулы ксенобиотика, обеспечивающе­го его устойчивость. Введение в гены быстрорастущих штамбов позволяет получить эффективные культуры, которые после по­мещения в биореакторы обеспечивают эффективную детоксикацию вод.

 

6. БИОТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ РАСТИТЕЛЬНОСТИ

Отходы растительности — это не подлежащие утилизации по экономическим, экологическим и санитар но-гигиеническим

 

соображениям клетчаткосодержащие остатки: спад листьев;

ботва свеклы, моркови, картофеля; листья капусты; очистки картофеля; образующиеся в больших количествах стебли зерновых.

Локально, в небольших объемах эти 'отходы утилизируют, ч 'пример, ботва свеклы и рубленая солома идут на корм скоту. Солома после ее химической обработки служит сырьем для производства дрожжей, из которых получают белковые корма. В сельском хозяйстве частично солому используют как подстилку скоту. Однако в больших количествах отходы растительности сжигают или вывозят па свалку, загрязняя тем самым ОПС. Наиболее рациональный и сравнительно дешевый способ переработки отходов растительности — это компостирование. Компостирование позволяет получить ценный продукт для «несения в почву в качестве удобрения. Одновременно компости­рование является процессом очистки, делающим низкоактивные отходы более безвредными для ОПС. Гуммифицированные про­дукты после внесения в почву быстро приходят в равновесие с экосистемой, не вызывая серьезных нарушений в ней.

Помимо остатков растительности компостированию могут быть подвергнуты городской мусор, сырой осадок и активный ил станций аэрации, измельченные автомобильные покрышки и г. п.

Важными параметрами процесса компостирования являют­ся: соотношение углерода, азота и фосфора, влажность, дисперс­ность, рН, аэрация, размер бурта.

Исходное сырье для компостирования должно быть освобо­ждено от металла, стекла, пластмассы. Дисперсность частиц для компостирования не должна препятствовать аэрации и отво­ду углекислоты. Соотношение углерода к азоту в оптимальных условиях составляет 25:1-30:1, а фосфора — около 1:2. В каче­стве добавок, увеличивающих скорость процесса компостирова­ния, применяют активный ил, компост, древесную щепу, опил­ки, солому. Оптимальная влажность 50-60%, температура 55°С. Парциальная составляющая газовой среды должна быть не менee 30%. Аэрация снабжает микроорганизмы кислородом, отво­дит воду, теплоту, углекислоту. Перемешивание предотвращает образование анаэробных зон, слежи- ваемость и рекомендуется 3-4 раза за весь процесс. Время компостирования 4-20 суток в автоматизированных установках (вращающихся) и до 3 месяцев - в стационарных (буртах). При компостирования высота бурта не должна превышать 1,5 м, ширина бурта — 2,5 м, длина не ограничена.

Состав готового компоста варьирует в зависимости от исходного сырья и усредненно содержит следующие компоненты: органическое вещество 75-80%; углерод 8-50; азот 0,4-3,5; фос­фор 0,1-1,6; калий 0,4-1,6; кальций (в виде СаО) — 0,7-1,5. Важ­ным результатом является практически полная непатогенность компоста, внесение которого рекомендуется, в зависимости от климатических условий, осуществлять 1 раз в 3-4 года из рас­чета 8-15 т/га.