10.1.2. Биологическая обработка твердых отходов

С ростом населения Земли количество твердых отходов, подлежащих обработке, постоянно возрастает. В настоящее время количество городских твердых бытовых отходов (ТБО) превышает 500 млн т в год. Часть из них представлена инертными материалами, стеклом, металлом, пластиками, однако более половины ТБО составляют органические материалы, в основном это пищевые отходы (до 25 %) и бумага (до 40 %). Твердые органические отходы образуются также при очистке сточных вод и в сельском хозяйстве. В сельской местности и небольших хозяйствах традиционно большинство твердых органических отходов компостируется и органика возвращается в почву в качестве навозных удобрений. Однако количество и качество твердых отходов, образующихся в городах, породило проблему свалок и полигонов захоронения ТБО и промышленных отходов.

Компостирование. Компостирование, аэробный процесс окисления органических веществ биомассы микроорганизмами, сопровождается выделением большого количества тепла. Оно традиционно широко используется для получения удобрений на сельскохозяйственных предприятиях и в индивидуальных крестьянских и садоводческих хозяйствах. Обработке подлежат навоз животных, растительные остатки, кухонные и туалетные отходы. В результате из органических отходов получается гумусоподобный продукт – компост, который используется как почвенное удобрение. Экстенсивный процесс компостирования происходит в компостных кучах и длится несколько месяцев. Интенсивное компостирование происходит в буртах и штабелях с аэрацией, которая осуществляется с помощью перфорированных труб и/или вентиляторов. При этом длительность процесса сокращается до 3 – 4 недель.

В реакторах разной конструкции компостирование может происходить всего за несколько дней. В компостируемой массе благодаря жизнедеятельности бактерий и грибов температура поднимается до 65 – 70 °С и даже до 76 – 78 ^оС, что ингибирует процесс биодеградации отходов. Переворачивание или принудительная аэрация компоста, а также опрыскивание водой способствуют поддержанию оптимальной температуры 52 – 63 °С. В процессе компостирования происходит чередование преобладающих микроорганизмов, участвующих в деградации органических соединений. На начальной стадии компостирования важную роль играют мезофильные грибы и бактерии. По мере повышения температуры до 50 – 60 °С, которое происходит в компостных кучах всего за несколько дней, начинают преобладать термофильные бактерии родов Thermoactinomyces, Micropolyspora, Thermomonospora, Bacillus и грибы Geotrichium candidum, Aspergillus fumigatus, Mucorpusilis, Chaetomium thermophile, Theroascus auranticus, Torula thermophila и др. При более высокой температуре развиваются Bacillus subtilis, В. stearothermophilus, В. licheniformis, Clostridium thermocellum, представители рода Thennus.

Нагрев до высокой температуры способствует гибели патогенных бактерий и грибов, простейших, паразитов, яиц глистов и семян сорняков. При всех типах компостирования вслед за термофильным процессом следует мезофильная стадия, в которой активны выжившие мезофильные микроорганизмы и во время которой происходит «дозревание» компоста. Конечный продукт является высококачественным обеззараженным удобрением.

В последнее время компостирование все чаще применяется для обработки органической фракции городских бытовых отходов. Полученный компост используют в основном в парковом хозяйстве, в декоративном оформлении дорог, промышленных зон и т. п.

Твердофазная анаэробная ферментация. Для переработки органической фракции ТБО и подстилочного навоза иногда используется анаэробная обработка с получением метана в специальных реакторах. В сельском хозяйстве используют обычно периодический процесс. Каждая порция навоза сначала проходит часть процесса компостирования. Когда температура повышается до 40 – 50 °С, компостная куча накрывается колпаком или загружается в емкость. Образующийся метан используется для обогрева реактора и хозяйственных нужд.

Свалки и полигоны твердых бытовых отходов (ТБО). Самым простым и распространенным методом утилизации твердых бытовых и промышленных отходов является их захоронение, для чего используются овраги, карьеры и другие понижения рельефа. До недавнего времени практиковалось почти бесконтрольное сваливание городского бытового, промышленного и строительного мусора, который затем засыпали слоем грунта. Захоронение на полигонах ТБО предусматривает уплотнение дна полигона глиной и регулярное уплотнение и пересыпание слоев мусора грунтом. Размеры свалок и полигонов различны и варьируют от нескольких сотен квадратных метров до десятков гектаров. Толщина мусорных отложений также различна. Для большинства свалок Московской области она составляет порядка 20 м. В европейских странах с высокой плотностью населения и недостатком свободных земель насыпаются мусорные холмы, высота которых ограничена законом до 40 м. В погребенных отходах осуществляется анаэробная деградация органических соединений микроорганизмами, привнесенными с отходами и проникающими из почвы и грунта. Разложение отходов происходит медленно. В закрытых (запечатанных) мусорных отложениях образование метана начинается через несколько месяцев (до года) и продолжается 30 – 50 лет, при этом разлагается около 30 % захороненной органики.

Основными факторами, ограничивающими скорость деградации, являются низкая влажность и необходимость развития высокой плотности микроорганизмов, способных разлагать различные органические соединения, в том числе ксенобиотики. В анаэробной зоне свалочного тела с высоким содержанием органики в период активного метаногенеза поддерживается достаточно высокая температура – обычно 30 – 35 °С, в отдельных местах она достигает 50 – 55 °С. В свалочных отложениях присутствуют все анаэробные микроорганизмы, необходимые для разложения сложных полимерных соединений до метана и углекислоты. В верхней аэрируемой части свалки активны аэробные микроорганизмы. Плотность популяции, активность и разнообразие метанокисляющих бактерий не имеют аналогов в природных экосистемах. Эти бактерии формируют микробный биофильтр, существенно снижающий эмиссию образующегося в анаэробной зоне метана. Свалочный биогаз состоит в основном из метана (до 60 %) и углекислоты (до 40 %). В ней содержится также большое количество микропримесей, в том числе токсичных, таких, как сероводород, углеводороды, меркаптаны, ртуть- и галогенсодержащие соединения и множество неидентифицированных газов и летучих продуктов. Свалки и полигоны ТБО вносят существенный вклад в тепличный эффект, производя по средним оценкам не менее 7 % атмосферного метана. Однако это один из немногих источников тепличных газов, который можно контролировать и регулировать. Во многих странах на крупных полигонах ТБО организована добыча газа, который используется как топливо или преобразуется в электроэнергию. Современные полигоны захоронения ТБО в развитых странах представляют собой анаэробные реакторы геологического масштаба. В них обеспечены: герметизация от окружающего грунта, поверхностных и грунтовых вод; сбор и очистка промывных (дождевых) вод; экстракция биогаза.