4.4 Процессы биологического разложения твердых бытовых отходов

Одна из основных причин, по которым цивилизованные страны Европы с 2010 г. прекращают прием твердых бытовых отходов на полигонное захоронение, состоит в том, что при полигонном захоронении происходит биохимическая ферментация твердых бытовых отходов (ТБО) с выделением в атмосферу биогаза. Свалки твердых бытовых отходов постоянно генерируют всевозможные канцерогены и горючий газ метан, образующиеся в процессе разложения органических соединений. Как известно, газовые выделения из тела захоронения ТБО состоят в основном из метана (30-50 %) и углекислого газа (70-50 %) пожароопасны и являются так же одним из факторов влияющих на усиление "парникового эффекта" земли. И то, и другое относят к опасным антропогенным экологическим воздействиям. Они выделяются даже спустя многие десятилетия после закрытия свалки, представляя собой большую опасность для здоровья человека.

Разложение органической составляющей твердых бытовых отходов в условиях полигона приводит к образованию метана. Метан является мощным газом, ведущим к парниковому эффекту (в 30 или около того раз более мощным, нежели диоксид углерода). Кроме того, метан может накапливаться в полостях и приводить к взрывам.

Процесс разложения отходов путем ферментации можно разделить на две стадии.

Первая стадия заключается в быстром разложении, вызванном, в основном, аэробным процессом. Эта стадия является, обычно, весьма короткой, так как ее длительность ограничена количеством кислорода в толще отходов, а также высокой БПК отходов. Данная стадия является экзотермической с получением большого количества теплоты и с поддержанием температуры гораздо более высокой, чем температура окружающей среды. Длительность данной стадии, как правило, не превышает нескольких недель. В результате образуются диоксид углерода, вода, нитраты, нитриты, азот и органические остатки. Фильтрат, образующийся в ходе этой стадии, может оказаться способным растворять легко растворимые соли такие, как хлорид натрия и др. За исключением этого краткого периода во время размещения отходов, микробиологическое разложение стремится к тому, чтобы стать анаэробным процессом. Это вызвано тем, что поступление кислорода в толщу отходов оказывается недостаточным для удовлетворения условиям аэробного процесса.

Вторая стадия заключается в медленном анаэробном разложении, в течение которого температура падает. Образуется газ, в состав которого входят диоксид углерода CO₂, азот N₂, водород H₂, метан CH₄, аммиак NH₃ и сероводород H₂S. Другими продуктами разложения являются вода, органические кислоты, соли металлов, плохо разлагаемые органические вещества.

Эта вторая стадия может быть представлена в виде нескольких этапов: неметанообразующая фаза или собственно стадия II; метанообразующая фаза, которая может быть, в свою очередь, квалифицирована как стабильный этап или стадия III; нестабильный этап или стадия IV.

В ходе неметанообразующей фазы осуществляется образование летучих жирных кислот, воды, аммиака, водорода и большого количества диоксида углерода. Кроме того, при этом начинается процесс образования метана. Жирные кислоты понижают водородный показатель среды рН до уровня, колеблющегося между 4 и 5. Низкая величина рН позволяет повышать способность к растворению минеральных веществ, которые, имея большие концентрации летучих кислот, приводят к высокой концентрации ионов. Значительные концентрации летучих кислот способствует также высокой ХПК, часто наблюдаемой в ходе этой фазы. Окислительно-восстановительный потенциал процесса очень близок к 0 mV.

«Метанобразующие» бактерии являются строго анаэробными и требуют нейтральной величины водородного показателя среды - от 6,6 до 7,3. Летучие кислоты, производимые факультативными анаэробами, а также другие органические вещества превращаются в метан и диоксид углерода. Таким образом, концентрация летучих кислот понижается до более низкого уровня и состав газа представляет собой смесь диоксида углерода и метана.

«Метанообразующие бактерии» участвуют в процессе разложения на протяжении метанообразующей фазы и получают энергию за счет двух реакций: восстановления диоксида углерода путем присоединения водорода с получением метана и воды, а также реакции декарбоксилирования уксусной кислоты с получением метана и диоксида углерода. Уровень содержания полученного метана является постоянным и составляет от 40 до 60 % от общего объема газа, производимого в ходе данной фазы. Во время этой стадии также могут высвобождаться газы азот и сероводород. Величина водородного показателя среды возрастает, что способствует образованию метана. При приближении к нейтральному значению рН количество растворенных минеральных веществ уменьшается, что приводит к снижению проводимости.

Теоретически анаэробные биохимические реакции, протекающие в теле полигона твердых бытовых отходов при отсутствии кислорода, можно представить в следующем виде.

На первой стадии путем биохимического расщепления (гидролиза) высокомолекулярные соединения разлагаются на низкомолекулярные:

(С₆Н₁₀О₅ )_n + n Н₂О → n С₆Н₁₂О₆

Целлюлоза микроорганизмы глюкоза

Сбраживание без доступа кислорода приводит к образованию этанола и диоксида углерода с выделением небольшого количества тепла (в 12 раз меньше, чем при аэробном процессе). Поэтому в отличие от быстрого обеззараживания при аэробном процессе процесс обеззараживания ТБО при анаэробном сбраживании довольно медленный и требует больших затрат времени:

n С₆Н₁₂О₆ → 2n СН₃СH₂ОН + 2n СО₂ + 239 кДж.

глюкоза микроорганизмы этанол

На третьей стадии при участии анаэробных микроорганизмов происходит дальнейшее разложение органики с получением органических кислот и их солей, а также небольшого количества метана. В реальных условиях разложения рядовых ТБО в небольших количествах также образуются: сероводород, аммиак, водород и другие микрогазы:

2n СН₃СН₂ОН + n СО₂ → 2n СН₃СООН + n СН₄

этанол микроорганизмы уксусная кислота метан

Четвертая стадия имеет название метанового брожения, при котором органика преобразуется в метан и диоксид углерода, а из свободных диоксида углерода и водорода также образуется метан:

2n СН₃СООН → 2n CH₄ + 2n СО₂

уксусная кислота метановые бактерии метан

Метанообразующие бактерии могут существовать только в анаэробных условиях, для их воспроизводства необходимо больше времени, чем для кислотообразующих бактерий.

Биологическое разложение рассматривается как процесс биологического окисления органических веществ, т.е. как разложение органических веществ под действием огромного количества микроорганизмов.

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите основные компоненты почвы. Какую роль они играют в процессе массообмена химическими элементами?

2. Какие физико-химические процессы, протекающие в почве, определяют изменение ее химического состава?

3. Что такое почвенный поглощающий комплекс?

4. Назовите причины загрязнения почв.

5. Трансформация и миграция тяжелых металлов в почве.

6. Какие физические процессы характеризуют поведение пестицидов в почве?

7. Какие физические и химические процессы протекают в почве при загрязнении ее нефтью?

8. Какие стадии проходит разложение бытовых отходов на свалках?