50 % Свободного объема. Скорость очищаемого потока стоков обычно низ-

ка, и биомасса удерживается в свободном пространстве насадки. Предель-

ная нагрузка по ХПК для таких систем составляет до 10 кг/м3⋅сут., с умерен-

ным количеством органики она обычно близка к 5 кг/м3. Эффективность

223

очистки составляет около 70 %. Эти сооружения, однако, не нашли пока

широкого применения вследствие достаточно высокой стоимости насадки и

необходимости периодической промывки материала фильтрующего слоя.

В целом анаэробные процессы очистки стоков, обладая рядом несо-

мненных достоинств, не находят пока такого широкого применения, как

аэробные системы биоочистки. Однако в последние годы, вследствие

более строгих требований к предварительной очистке промышленных

Вход

Углекислый газ

Биогаз

Радиальная опорная балка

Емкость из полимерной пленки

Изолирующая панель

Стальная сетка

Арматура

Теплообменник

Изолирующая пленка

Бетонный кольцевой

фундамент

Выход жидкости

Выход теплоносителя

Вход жидкости

Выход

К теплообменнику

Газ

А

Б

В

Рис. 7.5. Типы установок для очистки сточных вод пищевой промышленности.

А – анаэробный биофильтр, Б – установка с винтовым насосом для перемешивания,

В – высокоскоростной реактор Коулзерда (по Дж. Бесту и др., 1988).

224

стоков перед сбросом их в канализацию, интерес к анаэробным процес-

сам возрастает.

7.2. Утилизация твердых отходов

В области переработки и ликвидации твердых отходов биотехнологи-

ческие методы наиболее широко применяются для утилизации комму-

нальных отходов и ила из систем биоочистки стоков.

Традиционно твердые отходы складируются на городских свалках. Все

возрастающие объемы отходов на душу населения приводят к возникно-

вению огромного количества свалок, увеличению их площадей, а также к

неуправляемому попаданию отходов в окружающую среду из-за рассыпа-

ния их при транспортировке. Так, по данным 1984 г. во Франции, Греции

и Ирландии по ходу транспортировки отходов на свалки было рассыпано,

соответственно, 10.3, 17.5 и 35 % от общего количества ликвидированных

отходов. Несмотря на все возрастающий интерес к повторному использо-

ванию сырья, очевидно, что простая ликвидация отходов на свалках суще-

ственно дешевле любого другого способа их переработки. После того, как

стало ясно, что при анаэробной переработке отходов в больших количест-

вах образуется ценный энергетический носитель – биогаз, основные уси-

лия стали направляться на соответствующую организацию свалок и полу-

чение на месте их переработки метана.

Несмотря на огромное разнообразие отходов, вывозимых на городские

свалки, в целом состав твердых отходов в развитых странах становится

все более однотипным, при этом четко просматривается тенденция увели-

чения объема бумаги и пластмасс на фоне снижения доли органических и

растительных материалов. Это удлиняет время стабилизации отходов на

свалках. Исследования химического состава содержимого свалок показа-

ли, что фракция, поддающаяся биодеградации, составляет до 70 % от об-

щего количества твердых отходов.

Поведение отходов на свалке носит чрезвычайно сложный характер,

так как постоянно происходит наслаивание нового материала через раз-

личные временные промежутки. В результате этого процесс подвержен

действию градиентов температуры, рН, потоков жидкости, ферментатив-

ной активности и пр. В общей массе материала свалок присутствует слож-

ная ассоциация микроорганизмов, которые развиваются на поверхности

твердых частиц, являющихся для них источником биогенных элементов.

Внутри ассоциации складываются разнообразные взаимосвязи и взаимо-

действия. В целом состояние и биокаталитический потенциал микробного

сообщества зависит от спектра химических веществ материала свалок,

степени доступности этих веществ, наличия градиентов концентраций

различных субстратов, в особенности градиентов концентраций доноров и

акцепторов электронов и водорода.

225

На типичной европейской свалке, где отходы размещены по отсекам,

система переработки отходов является, по существу, совокупностью реак-

торов периодического действия, в которых субстрат (отходы) находится

на разных стадиях биодеградации.

На начальной стадии биодеградации твердых отходов доминируют

аэробные процессы, в ходе которых под воздействием микроорганизмов

(грибов, бактерий, актиномицетов) и также беспозвоночночных (клещей,

нематод и др.) окисляются наиболее деградируемые компоненты. Затем

деструкции подвергаются трудно и медленно окисляемые субстраты –

лигнин, лигноцеллюлозы, меланины, танины. Существуют различные ме-

тоды оценки степени биодеградации твердых отходов. Наиболее инфор-

мативным принято считать метод оценки, основанный на различиях в ско-

ростях разложения целлюлозы и лигнина. В непереработанных отходах

отношение содержания целлюлозы к лигнину составляет около 4.0; в ак-

тивно перерабатываемых – 0.9–1.2 и в полностью стабилизированных от-

ходах – 0.2. В течение аэробной стадии температура среды может повы-

шаться до 80°С, что вызывает инактивацию и гибель патогенной микро-

флоры, вирусов, личинок насекомых. Температура может служить показа-

телем состояния свалки. Увеличение температуры повышает скорость

протекание процессов деструкции органических веществ, но при этом

снижается растворимость кислорода, что является лимитирующим факто-

ром. Исчерпание молекулярного кислорода in situ приводит к снижению

тепловыделения и накоплению углекислоты. Это, в свою очередь, стиму-

лирует развитие в микробной ассоциации сначала факультативных, а за-

тем облигатных анаэробов. При анаэробной минерализации в отличие от

аэробного процесса участвуют разнообразные, взаимодействующие меж-

ду собой микроорганизмы. При этом виды, способные использовать более

окисленные акцепторы электронов, получают термодинамические и кине-

тические преимущества. Происходит последовательно процесс гидролиза

полимеров типа полисахаридов, липидов, белков; образованные при этом

мономеры далее расщепляются с образованием водорода, диоксида угле-

рода, а также спиртов и органических кислот. Далее при участии метано-

генов происходит процесс образования метана (рис.7.6).

В результате комплекса процессов, происходящих при биодеградации

содержимого свалок, образуются два типа продуктов – фильтрующиеся в

почву воды и газы. Фильтрующиеся воды, помимо микроорганизмов, со-

держат комплекс разнообразных веществ, включая аммонийный азот, ле-

тучие жирные кислоты, алифатические, ароматические и ациклические

соединения, терпены, минеральные макро- и микроэлементы, металлы.

Поэтому важным моментом при выборе и организации мест свалок явля-

ется защита поверхности земли и грунтовых вод от загрязнений. Для борь-

бы с фильтрацией вод применяют малопроницаемые засыпки или создают

непроницаемые оболочки вокруг свалки или специальные заграждения.

226

Возможно, что наиболее эффективным способом может стать организация

сбора фильтрующихся вод свалок и управляемая анаэробная переработка

с применением капельных биофильтров, аэротенков или аэрационных

прудов. В системе аэрационных прудов в течение нескольких месяцев

можно удалить из вод до 70 % БПК; в капельных биофильтрах или систе-

мах с активным илом – до 92 % БПК с одновременным извлечением в ре-

зультате биосорбции свыше 90 % металлов (железа, марганца, цинка).

Анаэробная биоочистка позволяет удалить 80–90 % ХПК в течение 40–50

дней при 25°С ( при 10°С величина удаления ХПК снижается до 50 %).

Биогаз, образуемый при биодеградации материала свалок, является

ценным энергоносителем, но также может вызывать негативные явления в

окружающей среде (дурной запах, закисление грунтовых вод, снижение

урожайности сельскохозяйственных культур), поэтому следует ограничи-

вать утечки газа. Это возможно при помощи специальных приспособле-

ний (преграды, траншеи, наполненные гравием, системы экстракции газа),

позволяющих управлять перемещением газа, а также созданием над мас-

сивом свалок оболочек, препятствующих его утечке.

Интерес к извлечению метана в процессах переработки свалок сущест-

венно возрос в последние десять лет. В США для этих целей построено 10

установок, в странах Общего рынка – около 40. Создание таких установок

V

IV

I II III

VI

VII

Пропионат

+

СО

+

Ацетат

2

СО2

СО2

N2

NH3

Н2

Н2

Сульфидная

(пиритная)

сера

Аце+тат

СО

Метанол

Метиламины

Метан

SO (лим.)

+

Ацетат

+

Н

4

2-

2

SO4

2-

Рис. 7.6. Взаимодействие микроорганизмов в анаэробных условиях

заключительной стадии катаболизма (по К. Форстеру и Е. Сениору, 1990).

Бактерии, потребляющие: I – нитраты, II – сульфаты; бактерии, образующие: III – пропионат,

IV – ацетат, V – метан; бактерии, катаболирующие: VI – аминокислоты,

VII – метилированные металлоорганические комплексы.

227

планируется в Великобритании, Японии, Канаде, Швейцарии и др. Сбор и

последующее применение биогаза, образуемого на свалках в больших ко-

личествах, имеет огромные перспективы. Так, установка в Россмане в лет-

ние месяцы дает до 40000 м3 газа в день. Объемы таких установок значи-

тельны, до 10–20.106 м3.

Теоретический выход метана может составлять 0.266 м3/кг сухих твер-

дых отходов. Реальные экспериментальные выходы биогаза, полученные

на различных лабораторных, пилотных установках и контролируемых

свалках, дают существенный разброс данных, от десятков до сотен л/кг в

год. Огромное влияние на процесс метаногенеза оказывают многие факто-

ры, – температура и рН среды, влажность, уровень аэрации, химический

состав отходов, наличие в них токсических компонентов и др. Газ, обра-

зуемый на свалке, извлекается с помощью вертикальных или горизон-

тальных перфорированных труб из полиэтилена. Применение воздуходу-

вок и насосов может повысить степень извлечения газа. Газ используют

для обогрева теплиц, получения пара, а после дополнительной очистки его

можно перекачивать по трубам к местам потребления.

Таким образом, помимо экологической, проблема носит экономиче-

ский характер, так как использование образуемого на свалках биогаза,

снижает материальные затраты на борьбу с загрязнениями, опасными и

дурнопахнущими отходами.