Биохимические процессы при переработке отходов и мусора

Биохимические процессы наиболее сложны, поскольку подчиняются законам биологической кинетики, т.е. временным закономерностям, характерным для живой природы. В основе биохимических процессов лежат сложные химические реакции различного типа. Биохимический процесс окисления кислородом органических веществ осуществляется сообществом микроорганизмов (биоценозом), включающим множество различных бактерий, связанных между собой в единый комплекс сложными взаимоотношениями (метабиоза, симбиоза и антагонизма).

Важнейшая роль в этом процессе принадлежит бактериям, способным образовывать активный ил, который состоит из большого числа бактерий. В процессе биохимических реакций происходит трансформация органических веществ.

Направление и скорость трансформации зависят от температуры, поверхностей раздела, биологических и химических катализаторов и ингибиторов, рН среды и ее газового состава, состояния микробиологического сообщества и др. Трансформирующиеся органические вещества могут находиться в виде истинных растворов или в виде коллоидных и взвешенных частиц. Количество промежуточных продуктов и число элементарных стадий трансформации каждого из веществ исчисляется десятками и сотнями.

Основную роль играют собственно биохимические процессы, протекающие внутри клеток микроорганизмов, но немаловажное значение имеют и процессы массопереноса (сорбции и диффузии).

Процессы биохимической очистки протекают с большой скоростью, являющейся следствием способности микроорганизмов к быстрому размножению в присутствии органических веществ.

Большую роль в протекании биохимических процессов играет кислород воздуха, который в зависимости от вида бактерий может либо способствовать разрушению отходов, либо препятствовать ему (аэробные и анаэробные процессы).

На протекание биохимических процессов влияют также некоторые вещества, содержащиеся в очищаемой среде. Так, при очистке сточных вод биохимическими методами предельно допустимое содержание ряда металлов в воде чрезвычайно мало, в частности, содержание ионов мышьяка и сурьмы не должно превышать 0,2 г/м³, меди - 0,4, шестивалентного хрома - 0,5, никеля и свинца - 1 г/м³. Эти металлы и ряд других веществ, в том числе некоторые органические соединения, являются ядами для бактерий.

Биохимические методы находят применение в ряде рекуперационных процессов, в частности для очистки сточных вод.

Другим примером использования биохимических процессов при переработке отходов являются способы очистки земной и водной поверхностей от нефтяных загрязнений. Участвующие в процессе биохимической обработки поверхности бактерии превращают разлитую на ней нефть в безвредные продукты своей жизнедеятельности. Широко используются биохимические процессы при переработке твердых отходов органического происхождения.

Так, при биотермическом компостировании органические отходы в горизонтальных вращающихся барабанах подвергаются воздействию аэробных бактерий, выделяющих в результате своей жизнедеятельности тепло, которое необходимо для повышения их биологической активности. Ускорению протекания процесса способствуют (помимо поддержания температуры в заданном интервале) измельчение отходов с целью увеличения поверхности контакта, аэрация перерабатываемых отходов, создание необходимой влажности, перемешивание отходов.

Наряду с биохимической переработкой в условиях промышленных предприятий - мусороперерабатывающих заводов - широко используется и полевое компостирование твердых бытовых отходов. При биохимической переработке органических отходов наряду с их разложением происходит синтез новых органических веществ. Образующийся продукт - компост - используется в сельском хозяйстве.

Органические отходы, в частности отходы пластмасс, лесоперерабатывающей, пищевой и других отраслей промышленности, сельского хозяйства, а также бытовые отходы, можно использовать для получения энергии, разлагая их с помощью микроорганизмов до сбраживаемых соединений.

Объемы образования таких отходов велики, из чего следует перспективность данной технологии. К таким отходам относятся опилки, древесная стружка, зелень, шелуха и солома злаковых растений, отходы корнеплодов и фруктов, молочная сыворотка и многие другие продукты.

Например, при микробном разложении и последующих превращениях древесных и других содержащих углеводы отходов получают этиловый спирт, являющийся ценным сырьем для химической промышленности.

Одной из реальных биотехнологий является получение из влажных органических отходов биогаза, представляющего собой смесь из 65 % метана, 30 % углекислого газа, 1 % сероводорода и незначительных количеств азота, кислорода, водорода и других газов. 1 м³ биогаза по теплоте сгорания эквивалентен 0,6 м³ природного газа, 0,74 м³ нефти или 0,65 м³ дизельного топлива. Биогаз горит, образуя пламя синего цвета, не имеет запаха, а при сгорании не выделяет дыма.

Образование биогаза в значительных количествах происходит на полигонах твердых бытовых отходов в теле захоронения при воздействии бактерий в результате анаэробного разложения органических продуктов. На ряде полигонов этот газ собирается и по системе трубопроводов, специально уложенных в теле захоронения при формировании полигона, подается на реализацию с целью получения тепловой и электрической энергии. Сбор и утилизация биогаза не только способствуют рациональному использованию ресурсов, но и позволяют избежать загрязнения атмосферного воздуха в районе расположения полигона.

Анаэробная технология совместной переработки твердых бытовых отходов и илистого осадка сточных вод позволяет сократить объем отходов на 30-40 %. Для этого отходы смешивают с активным илом в соотношении 3,5:1 (по объему) и полученную смесь размещают на площадке с водонепроницаемым основанием из глины, уплотняют и герметично изолируют от окружающей воздушной среды. Процесс протекает без доступа кислорода. Влажность среды должна составлять 70-75 %. Смешивание твердых бытовых отходов с активным илом увеличивает выход метана, сокращает продолжительность разложения отходов в 4-5 раз и, самое главное, снижает период стабилизации полигонов отходов со 100 до 10-15 лет.

С точки зрения экологии метаногенез - важный процесс в углеродном цикле биосферы, т.к. позволяет самой природе ликвидировать органические отходы.