Микробиология твердых отходов

Переработка отходов на свалках. Независимо от метода переработки отходов твердые остатки традиционно ликвидируются с помощью свалок. В настоящее время свалки расположены во множестве мест и, несмотря на возрастающий объем отходов на душу населения, это положение сохраняется. Основная сложность связана с увеличением расстояния от свалки до источника отходов, что приводит к возрастанию неуправляемого попадания отходов в окружающую среду из-за их потерь при транспортировке.

По мерс исчерпания не возобновляемых ресурсов больший упор делается на исследования в области повторного использования отходов. Однако ясно, что даже при современных технологиях простая ликвидация отходов на свалках как минимум на 65% дешевле любого другого способа их переработки, и в силу этого данный способ ликвидации отходов в настоящее время наиболее распространен. Более того, после того как стало ясно что из отходов образуется в больших количествах ценный источник энергии — СН₄, основные усилия были направлены на извлечение этого газа и на соответствующее преобразование свалок.

Какой бы тип очистки ни рассматривался, будь то окончательная ликвидация отходов или анаэробные фильтры, или сбраживатели для получения СН₄, полное управление биорсактором нс будет достигнуто без более глубокого понимания основ микробиологии и биохимии процесса разложения отходов. К сожалению, количество фундаментальных исследований в этой области чрезвычайно мало.

Состав твердых отходов и стратегия их размещения. Состав твердых отходов варьирует в зависимости от страны, типа хозяйства, а также времени года. Однако, несмотря на то что в развитых странах состав твердых отходов становится все более однотипным, существенные различия встречаются даже на относительно небольших расстояниях.

Исследования химического состава отходов показали, что фракция, подвергающаяся биодеградации, увеличиваясь с течением времени, к настоящему моменту достигла 70% от общего количества твердых отходов. Современные тенденции использования пластмасс и бумаги в пищевой промышленности таковы, что состав их будет все в большей степени подвергаться изменениям. С точки зрения элементарного состава это приведет к тому, что из-за лимитирования по азоту и/или фосфору удлинится время стабилизацици отходов на свалках.

Локализация отходов. Первоочередной заботой при выборе места для свалки должна быть защита поверхности земли и грунтовых вод. Одним из способов достижения этой цели является ограждение отходов герметичной оболочкой. Для этого используются: глина, мелкозернистая почва, смесь земли с цементом, бетон, асфальт и полимерные пленки. Исследование процесса переноса вымываемых веществ через слой глины трех разных сортов (каолинит, монтмориллонит и иллит) показало, что наиболее важные для подвижности ионов металлов факторы — значение pH, ионный состав и ионнообменная емкость глины. Однако проверку подвижности надо все же проводить в реальных условиях. Например, пропускающая способность облицовки из глины может быть в 10—1000 раз выше, чем значения, полученные в лаборатории для неразрушенных и уплотненных образцов. Кроме того, было обнаружено, что слой глины толщиной в несколько десятков сантиметров не может в течение длительного времени препятствовать распространению отходов. Таким образом, без специальной их обработки этот метод захоронения отходов может нанести больший вред здоровью людей, чем захоронение радиоактивных отходов эквивалентной токсичности.

Альтернативным локализации отходов способом защиты водоносных горизонтов является демпфирование за счет медленного просачивания загрязненной воды, например через слой песка.

Стратегия размещения твердых отходов значительно различается в разных странах. В Великобритании наиболее распространснным способом является помещение отходов в конце рабочего дня в специальный отсек. Аналогия между захоронением отходов в отсеках и использованием обычных ферментеров не очевидна.

Поведение отходов на свалке носит гораздо более сложный характер, так как все время происходит наслаивание нового материала через неравные промежутки времени. Следовательно, этот процесс подвержен действию градиентов температуры, концентрации газа, жидкости, ?/?, pH, ферментной активности и потоков жидкости. Более сложные факторы — это молекулярные свойства отходов: водорастворимость, коэффициент распределения липиды/вода, летучесть, размеры молекул и их заряд, диффузия через границу раздела окисленной и восстановленной фаз, конформация и функциональные группы, способность сорбироваться микроорганизмами, а также межвидовое взаимодействие различных микроорганизмов; перекрывание экологических ниш и ареалов различных видов микроорганизмов.

Характерной чертой свалок является наличие сложной, взаимозависимой системы микроорганизмов, которые существуют как ассоциации клеток различных видов, прикрепленные к поверхности твердых частиц, являющихся источником питательных веществ. Эти ассоциации сильно зависят от концентрационных градиентов, в особенности от градиентов концентраций доноров и акцепторов электронов и водорода.

Биодеградация твердых отходов микроорганизмами. Твердые отходы перед транспортировкой на свалку могут быть подвергнуты обработке, т. е. измельчению, перемалыванию и дроблению. Такая предварительная обработка может сильно влиять на катаболические процессы в твердых отходах. На типичной свалке, где отходы размещаются по отсекам, вся система в целом работает как группа реакторов периодического действия, в которых отходы находятся на разных стадиях биодеградации и подвергаются случайным воздействиям, например попаданию воды, содержащей растворенный 0₂ или различные ксенобиотики. В этом случае можно применить простую модель периодических культивирований, действующих в той последовательности, в какой происходит загрузка. Для более традиционного типа свалки (постепенная загрузка без ежедневного закрывания ячеек) можно использовать модель периодического культивирования с повторным внесением посевного материала микроорганизмов и беспозвоночных.

В начальной стадии катаболизма твердых отходов, сопровождаемого физическими и химическими процессами, преобладают аэробные процессы, в ходе которых наиболее лабильные молекулы быстро разрушаются рядом беспозвоночных (клещи, нематоды и др.) и микроорганизмов (грибы, бактерии, актином и петы). Утилизация этих субстратов затем сменяется последующим катаболизмом макромолекул, таких как лигноцеллюлозы, лигнины, таннины и меланины, которые подвергаются лишь медленной биодеградации, приводящей к тому, что кислород перестает быть лимитирующим субстратом. Продолжительность этого периода сильно варьирует и частично зависит от предобработки, которая может менять степень доступности 0₂. Наиболее удачный метод оценки степени биодеградации основан на различиях в скорости разложения целлюлозы и лигнина. Отношение содержания целлюлозы к лигнину составляет 4,0; 0,9—1,2 и 0,2 соответственно для непереработанных твердых отходов, активно перерабатываемых или частично стабилизированных отходов на свалке и полностью стабилизированных отходов, так как лигнин постепенно все хуже поддается переработке. Ксенобиотики подвергаются разложению аналогичным образом, их биодеградация более вероятна в аэробных условиях и включает такие процессы, как: функционирование конститутивных или индуцибельных ферментов; кометаболизм; перенос плазмид; мутагенез и другие процессы. связанные с переносом генетической информации.

В органической фракции может быть достигнуто соотношение С: N > 55: I. Возможно, достижение этой величины лимитирует процесс аэробного разложения.

В течение этой стадии рост температуры до 80 °C и присутствие антимикробных соединений абиотического происхождения приводят к гибели или инактивации таких патогенов, как Salmonella sp. и вирусов, личинок насекомых и семян растений. Температура используется как индикатор работы свалки. Хотя возрастание ее оказывает положительное влияние, увеличивая активность и скорость роста микроорганизмов, она отрицательно влияет на растворимость 0₂, который является лимитирующим фактором. С0₂, в свою очередь, может влиять на скорость метаболизма, снижая pH, хотя это снижение ускоряет гидролиз полимеров. И наконец, значительное образование воды в ходе микробного метаболизма существенно изменяет ее баланс в системе.

Исчерпание молекулярного 0₂ in situ приводит к замедлению тепловыделения, поступление 0₂ за счет конвекции также существенно снижается. Одновременно накопление С0₂ в течение стадии компостирования создает микроаэрофильные условия, которые приводят к увеличению числа сначала факультативных, а затем и облигатных анаэробов.

В отличие от аэробного метаболизма, при котором минерализация отходов часто достигается с помощью одного вида бактерий, анаэробная биодеградация требует совместного метаболизма микроорганизмов разных видов, входящих в состав смешанной популяции.

Эта популяция взаимодействующих друг с другом микроорганизмов способна использовать различные неорганические акцепторы электронов, часть — в последовательности, соответствующей выделению энергии при этой реакции. Поскольку большинство бактерий нуждается в определенных акцепторах электронов, эта последовательность приводит к существенным изменениям в составе микробной популяции.

Виды, способные использовать более окисленные акцепторы, получают термодинамические и, следовательно, кинетические преимущества.

Во время гидролиза и ферментации бактерии, не нуждающиеся во внешнем акцепторе электронов и потому не зависящие от концентрационных градиентов этих акцепторов, гидролизуют полимеры, такие как полисахариды, липиды, белки и нуклеиновые кислоты, и сбраживают образовавшиеся мономеры до водорода и С0₂, линейных и разветвленных жирных кислот этанола, молочной и янтарной кислот. Распределение отдельных продуктов может значительно варьировать и зависит от ?//, скорости роста микроорганизмов, строения субстратов и концентрации Н₂.

Была обнаружена весьма тесная связь между сбраживающими мономеры бактериями и теми бактериями, которые катаболизируют продукты их жизнедеятельности, так как реакции сбраживания термодинамически возможны обычно только при очень низких концентрациях Н₂. Даже в отсутствие ингибирования концентрация Н₂ часто влияет на реакцию. Например, при низких концентрациях Н₂ равновесие сдвигается в сторону более окисленных продуктов (в основном СН₃СООН) и больше энергии запасается в виде АТФ; этот эффект также имеет место при поддержании низких концентраций лактата. Как сульфатвосстанавливающие бактерии, так и метаногенные организмы, восстанавливая конечный продукт, обеспечивают этим в то же время поступление необходимых факторов роста.

В процессе образования ацетата участвуют два типа апетогенных бактерий: водородобразующие ацетогенные бактерии, которые получают энергию для роста при совместной конверсии спиртов и органических кислот в СН₃СООН и Н₂ (и иногда С0₂), и гомоацетоген ные бактерии, которые катаболизируют углеводы, водород и С0₂ в СН3СООН. Основное различие между этими двумя типами ацетогенных бактерий состоит в том, что водородобразующие бактерии должны расти в совместной культуре с бактериями, облигатно снижающими концентрацию Н₂, такими как нитрати сульфатвосстанавливающие или метаногенные бактерии, для поддержания низкого парциального давления Н₂. В противном случае происходит накопление жирных кислот, являющихся ингибиторами. При метаногенезе возможны два типа лимитирования роста метаногенов, потребляюших С0₂. Во-первых, на свалках часто высока концентрация акцепторов электронов — нитратов и сульфатов. Во-вторых, гомоацетогенные бактерии также могут потреблять С0₂, восстанавливая его до СН3СООН и конкурируя таким образом с метаногенными бактериями за водород.

В настоящее время известны восемь различных субстратов метаногенных организмов, четыре из них были обнаружены на свалках: смесь С0₂ и Н₂; СН₃СООН; СН₃ОН; триэтиламин.

Соединения, используемые как доноры и акцепторы электронов, в поступающем сырье оказываются в месте взаимодействия микроорганизмов, относящихся к группам с рахтичным типом метаболизма. Ситуация усложняется еще и тем, что, за исключением С0₂, эти вещества используются последовательно, и эта последовательность может ограничивать протекание различных реакций и взаимодействий.

Например, снижение высоких концентраций сульфата сульфатвосстанавливающими бактериями и превращение его в H₂S подавляет активность метаногенов, так как восстановление сульфата энергетически более выгодно, чем образование СН₄ из Н₂, С0₂ и СН₃СООН. Наоборот, в отсутствие сульфата сульфатвосстанавливаюшие бактерии могут вести себя как синтрофные ацетогены, используя такие интермедиаты, как молочная кислота и этанол, и переходить с восстановления сульфата на образование Н₂ за счет восстановления протона.

Вещества, образующиеся на свалках. Для свалок характерно образование из разлагающихся твердых отходов продуктов двух типов: это фильтрующиеся в почву воды и газы. Данным водам предшествует вода, которая просачивается сквозь слой отходов, унося с собой растворимые и суспендированные вещества.

Состав вод формируется под влиянием взаимодействующих друг с другом сложных первичных и вторичных факторов. К первичным относятся: геология, гидрология и гидрометеорология; место свалки; состав отходов (включая концентрацию доноров и акцепторов электронов); состав микробного посевного материала; влажность отходов; стратегия размещения твердых отходов; проницаемость земляного покрытия; топография местности и растительный покров; время года и длительность использования свалки.

Эти факторы, в свою очередь, определяют изменения таких вторичных факторов, как Eh, pH и температура вместе с физико-химическими процессами, включающими подкисление, испарение, осаждение, растворение, сорбцию и ионный обмен. Когда просачивание Н₂0 сквозь твердые отходы из-за осаждения и попадания грунтовых, поверхностных и образуемых микроорганизмами вод превосходит абсорбционную способность отходов, образуются фильтрующиеся в почву воды. Однако некоторое количество таких вод из-за неоднородностей и каналов в отходах или из-за интенсивного кратковременного дождя образуется прежде, чем достигается предел абсорбционной емкости (55% от массы абсорбента). Абсорбционная емкость отходов варьирует в зависимости от их предобработки, степени уплотнения и состава. Измельчение, например, способно ее утроить (емкость в 125 л/м³). Большое значение имеет также содержание бумаги в твердых отходах, так как количество воды, которую бумага может абсорбировать, достигает более 250% от се собственной массы.

Фильтрующиеся в почву воды содержат растворимые соединения, органические и неорганические, а также микроорганизмы — вирусы и бактерии. Вещества, обнаруживаемые в водах, образующиеся на свалках бытовых твердых отходов, перечислены ниже. Этот список мог бы быть гораздо больше, если бы в него вошли данные о веществах, обнаруживаемых на свалках для промышленных отходов.

Идентифицированные компоненты фильтрующихся в почву вод, образовавшихся на свалках твердых отходов:

• • элементы: А1, В, Fe, Cd, Са, К, Со, Mg, Mn, Си, Mo, Na, Ni, Pb, Sr, Cr, Zn и др.;
• • неорганические ионы: аммоний, нитрат, нитрит, сульфат, сульфит, фосфат, фторид, хлорид, цианид;
• • алифатические соединении: ацетон, бутанол, гексан, валериановая кислота, дисульфиды, дихлорметан, дихлорэтан, изомасляная кислота, изопропиловый спирт, кетоны, масляная кислота, метанол, проиионовая кислота, уксусная кислота, хлороформ, эфиры масляной, уксусной и капроновой кислот;
• • ароматические соединения: бензойная кислота, бензол, гуминовая кислота, индол, крезолы, ксилолы, лигнин, таннин, толуол, фенолы, производные бензойной и фталевой кислот, алкилбензолы, ароматические кетоны, диметилфталат и др.;
• • ациыические соединения: циклогексан, циклогексановая кислота, циклогсксанол, циклогексанон;
• • терпены: камфора, сесквитерпсн, терпинсол, фехнон, туйон.

До сих пор не существует способа предсказания состава и концентрации фильтрующихся вод.

На ранних стадиях функционирования типичной свалки процесс аэробного катаболизма приводит к накоплению больших концентраций жирных кислот, снижению pH и растворению металлов, которые затем образуют комплексы со свободными кислотами. При переходе к микроаэробным условиям редокс-потенциал уменьшается, pH увеличивается и металлы начинают выпадать в осадок в виде сульфатов и карбонатов, что уменьшает их концентрацию в фильтрующихся водах. Картина еще более усложняется, если учесть, что при низких значениях Eh тяжелые металлы образуют комплексы с ионами аммония и гуминовыми кислотами.

Состав фильтрующихся в почву вод, образующихся на свалках. меняется под действием как краткосрочных (сезонные колебания), так и долгосрочных факторов (процесс катаболизма отходов), с преобладанием значения последних. Как было отмечено выше, начальная стадия биодеградации отходов на свалке является ацидогенной. Фильтрующиеся воды на этой стадии характеризуются высокими значениями ВПК и ХПК и низкой концентрацией высокомолекулярных веществ: гуминовых и фульвиновых кислот, тяжелых металлов и сульфата. Переход к стадии мета ноге неза оказывает сильное воздействие на состав фильтрующихся в почву вод и сопровождается уменьшением ВПК, ХПК и ростом концентрации гуминовых и фульвиновых кислот.

Определение загрязнений в почвенных водах можно проводить с использованием химических и/или биологических меток. Типичной химической меткой является увеличение концентрации аммония, хлорида, железа, марганца, магния, калия, натрия и органического углерода в грунтовых водах; присутствие нитчатых бактерий — биологическая метка — также прзнак загрязнения грунтовых вод водами со свалки.

Способы борьбы с фильтрацией вод в почву. Лучший способ — применение малопроницаемой засыпки для уменьшения просачивания вод. Однако эго снижает скорость биодеградации твердых отходов. В качестве альтернативы можно либо использовать ограждение, обладающее меньшей проницаемостью, чем окружающая почва, либо надеяться на уменьшение вредного воздействия за счет естественных микробиологических и физико-химических процессов в почве, окружающей место свалки. Действие тяжелых металлов значительно ослабляется за счет ограничения их подвижности (за исключением никеля и свинца). Она уменьшается под действием карбоновых кислот и увеличивается за счет образования растворимых гидрокарбонатов и сульфатов. Кислотно-оснбвные реакции такого типа увеличивают значение pH жидкости, находящейся в почве, способствуют осаждению твердых металлов и увеличению ее катионообменной способности.

Было показано, что перенос таких веществ, как масляная кислота, фенол, n-хлорфенол и диметилфталат через насыщенную зону, окружающую место свалки, происходит приблизительно одинаково.

хотя конечные концентрации разных веществ различаются, поскольку различны скорости их биодеградации. Так, например, масляная кислота и фенол разрушаются с довольно высокой скоростью. Реакции такого типа изучают для создания оптимальных условий переработки отходов под землей in situ с помощью радиоактивных меток.

Однако даже после того как процесс биодеградации завершится, вероятность загрязнения источников водоснабжения конечными продуктами метаболизма остается.

Если природные механизмы ослабления действия загрязнений не способны противостоять загрязнению водами, фильтрующимися в почву со свалки, необходимы сбор и очистка этих вод. Очистка вод на самой свалке или на специальных сооружениях должна быть приемлема с точки зрения охраны окружающей среды и экономически доступна.

Возможно, наиболее удачный метод очистки фильтрующихся со свалки вод — управляемая анаэробная переработка, которая ускоряет стабилизацию свалки. Альтернативой этому методу является рециркуляция фильтрующихся вод сквозь массу твердых отходов с помощью поверхностного орошения, введением их в глубь массы отходов. В этом случае свалка используется как анаэробный биофильтр, работающий в режиме идеального вытеснения с обратной связью. При использовании этого метода скоростью добавления воды следует управлять так, чтобы оптимизировать процесс биологической очистки с точки зрения времени пребывания, глубины слоя отходов и поддержания температуры в их массе. Рециркуляция воды с помощью распыления также ускоряет испарение, улетучивание низкомолекулярных органических соединений и окисление с последующим осаждением железа, хотя в целом общий объем воды, доступной для рециркуляции, будет, конечно, со временем увеличиваться.

Общее воздействие рециркуляции фильтрующихся в почву вод заключается в увеличении влажности и перемещении этих вод сквозь толщу отходов, что ускоряет процесс биодеградации, в особенности, если регулирование pH и подача дополнительных питательных веществ сопровождаются дополнительным засевом отходов микроорганизмами. Кроме того, может происходить осаждение сульфидов тяжелых металлов. Однако концентрации аммония, хлорида и ХПК могут оставаться по-прежнему высокими, что влечет за собой необходимость дальнейшей обработки отходов перед их окончательной ликвидацией. При этом возникают также трудности в достижении высоких скоростей потока жидкости сквозь массу отходов, возможность образования уплотненного слоя почвы и усложняется организация горизонтального перемещения жидкости в окружающую почву или грунтовые воды.

Для ликвидации отходов широко используется почва, поэтому очень важен выбор типа почвы с подходящей проницаемостью, размерами частиц и стабильностью; необходимо также поддерживать фильтрующие характеристики почвы с помощью соответствующего режима подачи отходов, так как любые антиокислительные условия в почве будут снижать скорость биодеградации. Первоначальные градиенты концентраций доноров и акцепторов электронов, кислорода и температуры приводят к расслоению микробной популяции, прежде всего к сорбции микроорганизмов, потребляющих органический углерод. После того как произошла сорбция, начинается процесс микробного катаболизма.

Процесс захоронения отходов в почве дешев, но может возникнуть ряд сложностей, особенно зимой, из-за больших объемов фильтрующихся в почву вод, малого испарения и низкой микробной активности.

Так, хотя распыление образующихся на свалке вод на песчаных почвах, служащих источником кормовых трав, не оказывало на эти травы никакого вредного влияния, в них накапливались оксиды Са, Mg и Р (V). Фильтрующиеся в почву воды свалок, обладая фитотоксичным действием, одновременно содержат необходимые для растений питательные вещества.

Аэробная обработка отходов может происходить как при прямой инфильтрации воды, так и при ее рециркуляции. Для переработки отходов используются окислительные рвы, глинистые склоны и другие более сложные приспособления. Основным методом очистки остается применение аэрационных прудов, в которых достигается уменьшение ВПК на 70% после нескольких месяцев пребывания. Сложности при работе этих прудов возникают из-за токсичных металлов и высокомолекулярных соединений, в особенности гуминовых и фульвиновых кислот.

Снижение стоимости процесса очистки возможно за счет использования водных растений, которые могут насыщать фильтрующиеся в почву воды кислородом и тем самым ускорять процесс аэробного бактериального окисления.

Капельные биофильтры и системы с активным илом также используются для очистки вод, образующихся на свалках, иногда в смеси со сточными водами. При проведении этих процессов часто возникает необходимость в добавлении питательных веществ, кроме того, добавление, например, фосфата способствует осаждению тяжелых металлов в составе фосфорорганичсских соединений. Такая очистка приводит к удалению 99% ВПК и 95% ХПК одновременно со значительным снижением концентрации ионов NH₄ (благодаря сочетанию процессов бактериальной нитрификации и клеточной ассимиляции), Fe (98%), Мп (92%), Zn (94%), однако наиболее устойчивые органические молекулы нуждаются в дальнейшей деградации. Главным лимитирующим фактором процесса может быть температура, так как из-за сезонных дождей самые низкие температуры в году совпадают с образованием самых больших объемов фильтрующихся в почву вод. Часто встречающаяся низкая концентрация фосфатов может усиливать процесс вспучивания ила. Наконец, серьезные трудности вызывает накопление металлов в бактериальных флокулах.

Анаэробная очистка в прудах позволяет удалить 80—90% ХПК в течение 40—50 дней при температуре 25 °C (но около 50% при 10 °С). Однако куда более многообещающим представляется использование сбраживателей, так как их производительность немногим меньше, чем у аэрационных прудов, а монтаж и эксплуатация в 2 раза дешевле. Так как с помощью физико-химических процессов невозможно удалить столько органических веществ, сколько удаляется в результате биологических процессов, то их используют в основном для обработки стабилизированных биологической очисткой фильтрующихся вод. Ни один из испытанных физико-химических способов очистки (химическая коагуляция и осаждение; адсорбция активных углей; обратный осмос; адсорбция на полимерах; химическое окисление, включая озонолиз; выпаривание и облучение) не оказался полностью эффективным.

ятт Оптимизация получения и использования биогаза, образующегося на свалке. Биогаз, образующийся на свалке, с одной стороны, может быть нежелательным продуктом, а с другой — служить источником энергии. Выбросы этого газа, которые могут быть обнаружены термографическим методом, приводят к появлению дурного запаха, закислению грунтовых вод, снижению урожая сельскохозяйственных культур (вплоть до полной их гибели). Следовательно, утечки этого газа должны быть ограничены. Для того чтобы эти ограничения выполнялись, необходимы приспособления, позволяющие управлять перемещением газа, например различные преграды и траншеи, наполненные на небольшую глубину гравием, и системы экстракции газа или его инжектирования, размещенные на большой глубине (более 6 м). Могут быть изготовлены оболочки, препятствующие утечке газа из природных материалов и из искусственных пленок. Если удастся проконтролировать перемещение газовых потоков, то проблема решается сжиганием или пропусканием газа через почву. Ловушки из мелкопористой почвы снижают количество плохо пахнущих веществ, которые окисляются в ней аэробной микрофлорой.

Идентифицированные минорные компоненты газа, образующегося на свалке, следующие: ацетон, бензол, бутанол, гексан, гептан, диметилсульфид, бутан, изобутан, изопропиловый спирт, ксилол, метан, углеводороды С₄—С₁₄; этан и этанол, этилен и этилмеркаптан.

За прошедшие годы наиболее важным изменением в составе газа, образующегося на свалках, было увеличение в нем концентрации метана. И звлечение этого газа осуществляется или планируется в Бразилии, Канаде, Швейцарии, Японии, Англии. Использование газа, образующегося на свалках, имеет огромные перспективы, так как подобным способом его можно получать в больших количествах.

Однако в настоящее время газ метан нс находит сбыта и представляет собой лишь отход, создавая неудобства в эксплуатации свалок. По расчетам, в период наиболее активного метаногенеза достоверное значение выхода метана колеблется от 3,1 до 371 л/кг почвы в год.

Метаногенные микроорганизмы в основном чувствительны к влиянию взаимодействующих факторов окружающей среды как прямых, так и косвенных, которые, в свою очередь, управляются основными факторами, связанными с местоположением свалки.

Состав твердых отходов является определяющим как для состава выделяющегося газа, так и для скорости его образования. Предобработка может приводить к его значительным изменениям. Уменьшение размера частиц от 250 до 10 мм увеличивает скорость образования газа в 4 раза, возможно, из-за увеличения площади поверхности или благодаря лучшему поступлению 0₂, так как при этом наблюдается сдвиг в ферментационном равновесии по С0₂. Увеличение содержания воды от 10 до 65% приводит к более заметным изменениям в отходах с низкой плотностью (0,25 т/м³) по сравнению с отходами с более высокой плотностью (0,80 т/м³) из-за возрастания подвижности бактериальных клеток, что, в свою очередь, ускоряет процесс гидролиза и затем метаногенеза. Напротив, при постоянной влажности (21%) увеличение плотности от 0,32 до 0,47 т/м³ приводит к возрастанию скорости газообразования от 410 до 845 мл/сут на 1 кг сухих твердых отходов.

Изменения в скорости метаногенеза также появляются при перемещении воды сквозь толщу твердых отходов. Было показано увеличение скорости метаногенеза на свалке на 25—30% при движении воды; движение воды и ее содержание — два независимо действующих на метаногенез фактора. Дальнейшее увеличение скорости происходило, когда воду заменяли фильтрующимися в почву водами, что обусловлено наличием в них питательных веществ, веществ—предшественников метаногенеза и изменением pH. Кроме того, установлено, что повышение температуры от 22 до 33 °C сопровождалось увеличением выхода газа на 70%: оптимальной для метаногенеза температурой является 41 °C, и выход метана остается без изменения в температурном интервале 48—55 °С. Температура свалки меняется под действием микробного метаболизма (который, в свою очередь, определяется плотностью отходов, их удельной поверхностью, влажностью, исходной температурой, составом, доступностью акцепторов электронов, в особенности 0₂), теплоты нейтрализации и солнечного тепла, которые находятся в равновесии с теплопотерями в атмосферу, в окружающую почву и воду. Однако быстрый разогрев часто связан с аэробным метаболизмом, в то время как анаэробиоз часто сопровождается снижением температуры.

Было обнаружено, что наивысший выход газа из отходов наблюдался при их подщелачивании 16 г СаС0₃ сухого вещества/кг. Это объясняется тем, что при низкой щелочности жирные кислоты поглощают избыток метана. На работающей свалке для начала метаногенеза соотношение концентраций СН₃СООН и щелочи должно составлять менее 0,8. Такая буферная емкость в твердых отходах может быть достигнута добавлением известняка.

Газ, образующийся на свалке, извлекается с помощью вертикальных или горизонтальных перфорированных труб из полиэтилена. Насосы или газодувки способны увеличить степень извлечения газа. После удаления конденсата и пыли этот биогаз может использоваться как низкосортное топливо для обжига кирпича; получения пара и обогрева теплиц; получения электроэнергии; получения этанола; применения вместо углеводородного топлива или угля.