10.1. Биологическая обработка органических отходов

В настоящее время разработаны и развиваются современные технологии по очистке бытовых, промышленных и сельскохозяй­ственных отходов. Наибольший интерес представляют (и имеют перспективу) естественные и самые дешевые биологические методы очистки, представляющие собой интенсификацию природных процессов разложения органических соединений микроорганизмами в аэробных или анаэробных условиях. Наряду с ними развиваются физико-химические методы фильтрации, осаждения, флотации, электрокоагуляции и др., которые применяются для очистки стоков различных видов промышленности с извлечением по возможности из них полезных продуктов.

Ниже рассмотрены современные технологии обработки бытовых, промышленных и сельскохозяйственных отходов.

Характеристика отходов. Органические отходы в соответствии с источником подразделяются на бытовые, промышленные и сельскохозяйственные, а по физическому состоянию – на жидкие (сточные воды), полужидкие текучие (осадки сточных вод и полужидки навоз) и твердые (бытовой мусор, подстилочный навоз). Для характеристики отходов используются специальные определения:

Абсолютно сухая масса (АСМ) – для твердых и полужидких отходов (%), или общие взвешенные вещества (ОВВ) – для сточных вод (г/кг, мг/л) – масса сухих веществ (органических и не­органических) в отходах, определенная при высушивании образца до постоянной массы при 110 °С.

Летучие вещества (ЛВ) (г/кг, мг/л) – часть загрязнений, удаляемых сжиганием при 600 – 650 °С; представлены в основном органическими веществами и включают микробную биомассу.

Зольность (г/кг, мг/л) – оставшаяся после сжигания часть – зола (минеральные соли). В сумме зольность и ЛВ дают АСМ.

Химическое потребление кислорода (ХПК) (мг/л) – количество кислородных эквивалентов, необходимое для полного химического окисления органических и неорганических загрязнений до CO₂, например бихроматом калия в концентрированной сер­ий кислоте при 160 °С. Если загрязнения в сточной воде представлены органическими веществами, то концентрация их близка , значению ХПК.

Биологическое потребление кислорода (БПК) (мг/л) – количество кислородных эквивалентов, необходимое для окисления органических и неорганических загрязнений до СО₂ микроорга­низмами активного ила при 25 °С , за определенное время, обычно 5 (БПК₅) или 20 дней (БПК_полное).

В большинстве развитых стран мира стоимость очистки или сброса сточных вод промышленных предприятий и бытовых в центральную канализацию или водоем определяется величинами ХПК и БПК в стоках. Содержание и характер загрязнений в сточных водах промышленных предприятий сильно варьируют в зависимости от происхождения стоков. Даже для одного типа промышленных производств стоки могут различаться по концентрации загрязнений в зависимости от технологий, применяемых на предприятиях. В целом российские промышленные предприятия производят в 3 – 10 раз более разбавленные стоки, чем аналогичные производства Западной Европы. Традиционно в быту и на предприятиях нашей страны используется большое количество чистой воды. С увеличением дефицита чистой воды и резким повышением цен на воду промышленные предприятия вынуждены менять технологические схемы. Это означает, что они будут производить более концентрированные стоки.

Принципы биологической обработки отходов. Обработка отходов подразумевает биологическое разложение органических соединений. В случае очистки сточных вод содержащиеся в них загрязнения должны быть практически полностью удалены. По существующим нормам содержание органических веществ в очищенной воде не должно превышать 10 мг/л.

Деградация органических веществ осуществляется микроорганизмами как в аэробных, так и в анаэробных условиях, с разными энергетическими балансами суммарных реакций.

Аэробный процесс При аэробном биоокислении глюкозы 59 % энергии, содержащейся в ней, расходуется на прирост биомассы и 41 % составляют тепловые потери:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ —> 6СО₂ + 6Н₂О + микробная биомасса + теплота.

Аэробное микробное сообщество представлено разнообразными микроорганизмами, в основном бактериями, окисляющими различные органические вещества в большинстве случаев независимо друг от друга, хотя окисление некоторых веществ осуществляется путем соокисления (кометаболизм).

Преимущество аэробного процесса состоит в высокой скорости использовании веществ в низких концентрациях, недостаток – в образовании большого количества микробной биомассы. Аэробный процесс используется при очистке бытовых, некоторых промышленных и свиноводческих сточных вод с ХПК не выше 2000 мг/л. Компостирование твердых отходов также является аэробным процессом.

Анаэробный процесс При анаэробной деградации глюкозы с образованием метана лишь 8 % энергии расходуется на прирост биомассы, 3 % составляют тепловые потери, 89 % переходит в метан:

С₆Н₁₂О₆ —> 3СН₄ + 3СО₂ + микробная био­масса + теплота.

Анаэробная деградация органических веществ при метаногенезе осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором необходимо участие по меньшей мере четырех групп микроорганизмов: гидролитиков, бродилыциков, ацетогенов и метаногенов. В анаэробном сообществе между микроорганизмами существуют тесные и сложные взаимосвязи, имеющие аналогии в многоклеточных организмах, поскольку ввиду субстратной специфичности метаногенов их развитие невозможно без трофической связи с бактериями предыдущих стадий. В свою очередь, метаногены, используя вещества, образуемые первичными анаэробами, определяют скорость реакций, осуществляемых этими бактериями.

Преимущество анаэробного процесса заключается в относительно незначительном образовании микробной биомассы, возможности обработки концентрированных стоков, а также в образовании энергоносителя – метана. К недостаткам следует отнести невозможности удаления органических загрязнений в низких концентрациях, и для глубокой очистки анаэробную обработку следует использовать в комбинации с последующей аэробной стадией.

Выбор технологии и особенности обработки отходов определяются их физическим состоянием и содержанием органических загрязнений.