Экологическая биотехнология. 
Основы биотехнологии. В 2 ч. Часть 2 -

Экологическая биотехнология основана на использовании живых организмов при переработке опасных отходов и борьбе с загрязнением окружающей среды. Эти методы обеспечивают более эффективное, по сравнению с традиционными подходами, обезвреживание, а также значительно снижают нашу зависимость от утилизации мусора путем сжигания и создания хранилищ токсичных отходов.

Использование биотехнологии для решения экологических проблем не новая идея. Уже более ста лет смешанные бактериальные популяции применяют для очистки сточных вод. Для поддержания жизни все живые организмы (животные, растения, бактерии и др.) поглощают и переваривают питательные вещества и выделяют в окружающую среду образующиеся при этом продукты жизнедеятельности.

Биотехнология утилизации твердых отходов

Твердые отходы, являющиеся продуктами жизнедеятельности человека, складируют на городских свалках. Их число в настоящее время огромно. Увеличиваются не только площади свалок, но и неуправляемое попадание отходов в окружающую среду, в частности за счет рассыпания при транспортировке.

Несмотря на все возрастающий интерес к повторному использованию сырья, очевидно, что простая ликвидация отходов на свалках существенно дешевле любого способа их переработки. Когда же стало ясно, что при анаэробной переработке отходов образуется в больших количествах ценный энергетический носитель — биогаз, основные усилия стали направляться на соответствующую организацию свалок и получение на месте их переработки метана (рис. 8.1).

Состав отходов, вывозимых на городские свалки, становится все более однотипным: увеличивается объем бумаги и пластмасс на фоне снижения доли органических и растительных отходов. Исследования химического состава содержимого свалок показали, что фракция, поддающаяся биодеградации, составляет до 70% от общего количества твердых отходов.

На свалке постоянно происходит наслаивание нового материала через различные временные промежутки. В результате меняются температура, значения pH, потоки жидкости, ферментативная активность микроорганизмов и т. п., что негативно сказывается на переработке отходов.

Рис. 8.1. Схема гидромеханической очистки воды.

В общей массе материала свалок присутствует сложная ассоциация микроорганизмов, которые развиваются на поверхности твердых частиц и служат для них источником биогенных элементов. Внутри ассоциации складываются разнообразные взаимосвязи и взаимодействия. Состояние и биокаталитический потенциал микробного сообщества зависят 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. На типичной европейской свалке, где отходы размещены по отсекам, система их переработки является, по существу, совокупностью реакторов 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), а также беспозвоночных (клещей, нематод и др.) окисляются наиболее деградируемые компоненты. Затем деструкции подвергаются трудно и медленно окисляемые субстраты: лигнины, лигноцеллюлозы, меланины, танины.

Существуют различные методы оценки степени биодеградации твердых отходов. Наиболее информативным принято считать метод, основанный на различиях в скоростях разложения целлюлозы и лигнина. В непереработанных отходах отношение содержания целлюлозы к лигнину составляет около 4,0; в активно перерабатываемых — 0,9— 1,2 и в полностью стабилизированных — 0,2.

В течение аэробной стадии температура среды может повышаться до 80 °C, что вызывает инактивацию и гибель патогенной микрофлоры, вирусов, личинок насекомых. Повышение температуры увеличивает скорость протекания процессов деструкции органических веществ, но при этом снижается растворимость кислорода, что является лимитирующим фактором. Исчерпание молекулярного кислорода in situ приводит к снижению тепловыделения и накоплению углекислоты. Это, в свою очередь, стимулирует развитие в микробной ассоциации сначала факультативных, а затем облигатных анаэробов.

В анаэробной минерализации, в отличие от аэробного процесса, участвуют разнообразные микроорганизмы, взаимодействующие между собой. При этом виды, способные использовать более окисленные акцепторы электронов, получают термодинамические и кинетические преимущества. Происходит процесс гидролиза полимеров типа полисахаридов, липидов, белков; образованные при этом мономеры расщепляются с образованием водорода, диоксида углерода, а также спиртов и органических кислот; затем при участии метаногенов образуется метан (рис. 8.2).

В результате процессов, происходящих при биодеградации содержимого свалок, формируется два типа продуктов — фильтрующиеся в почву воды и биогазы. Фильтрующиеся воды, помимо микроорганизмов, содержат разнообразные вещества, включая аммонийный азот, летучие жирные кислоты, алифатические, ароматические и ациклические соединения, терпены, минеральные макрои микроэлементы, металлы. Поэтому важным условием при выборе и организации мест свалок является защита поверхности земли и грунтовых вод от загрязнений. Для борьбы с фильтрацией вод применяют малопроницаемые засыпки, создают непроницаемые оболочки вокруг свалки или специальные заграждения.

При биодеградации материала свалок образуется биогаз — ценный энергоноситель, который также может вызывать негативные явления в окружающей среде (дурной запах, закисление грунтовых вод, снижение урожайности сельскохозяйственных культур). Ограничить утечку биогаза помогают специальные приспособления (преграды; траншеи, наполненные гравием; системы экстракции газа), а также создание над массивом свалок оболочек, препятствующих этому процессу.

В последние десятилетия существенно возрос интерес к извлечению метана в процессах переработки свалок. В США для этих целей построено 10 установок, в странах Евросоюза — около 40. Сбор и последующее применение биогаза, образующегося на свалках в больших количествах, имеет огромные перспективы. Так, одна установка может дать до 40 тыс. м³ биогаза в день.

Рис. 8.2. Биохимическое расщепление отдельных соединении до метана и углекислого газа при анаэробном расщеплении отходов (по И. Хиггинсу и др., 1988).

Теоретический выход метана может составлять 0,266 м³/кг сухих твердых отходов. Огромное влияние на процесс метаногенеза оказывают температура и pH среды, влажность, уровень аэрации, химический состав отходов, наличие в них токсических компонентов и др. Газ, образуемый на свалке, извлекается с помощью вертикальных или горизонтальных перфорированных труб из полиэтилена. Применение воздуходувок и насосов повышает степень его извлечения. Газ используют для обогрева теплиц, получения пара, а после дополнительной очистки его можно перекачивать по трубам к местам потребления.

Таким образом, проблема анаэробной переработки твердых отходов, помимо экологического, носит и экономический характер, так как использование образуемого на свалках биогаза снижает материальные затраты на борьбу с загрязнениями, опасными и дурнопахнущими отходами.