ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ БИОТЕХНОЛОГИЙ
1.1 Особенности утилизации отходов с применением биотехнологий
1.2 Методы утилизации отходов с применением биотехнологий
ГЛАВА 2 БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА КОМПОСТИРОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ФРАКЦИИ ОТХОДОВ
2.1 Сущность процесса компостирования органической фракции отходов
2.2 Особенности применения промышленных технологий при компостировании и применении компостов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список используемой литературы
ВВЕДЕНИЕ
Проблема утилизации отходов сегодня актуальна для всего человечества. Это не только экологическая проблема, она наносит ущерб здоровью населения и даже угрожает утопить в токсичности некоторые бедные страны.
Согласно статистике, государства ежегодно производят в среднем 1,3 миллиарда тонн отходов. Более того, по данным Всемирного банка, к 2100 году объем отходов, которые мы производим, должен достигнуть 4 миллиардов тонн [3]. Загрязняются вода, почва и атмосфера. И если проблема управления отходами не будет решена, то через несколько десятилетий жизнь на планете может прекратиться. Промышленные и сельскохозяйственные отходы содержат ядовитые химикаты и токсичные вещества. Попадая в почву, эти вещества могут отравлять или убивать живые организмы и растения. Культивирование продовольственных культур становится опасным и невозможным. Загрязненный воздух также оказывает вредное воздействие на жизнь и деятельность животных и растений.
Предотвратить такие последствия трудно, поскольку только тридцать процентов токсичных веществ уничтожаются в процессе ликвидации. Остальные семьдесят процентов с поверхности земли проникают в воду и почву. Из-за этого у людей и животных развиваются тяжелые заболевания.
Не менее опасны и изделия из различных видов пластика. Их период распада может достигать или даже превышать 300 лет. Бездействие в этом вопросе может привести к появлению мусора, который может покрыть огромную часть планеты.
Отходы и создаваемые ими загрязнения могут попадать в реки и просачиваться в грунтовые воды. Это также может привести к затоплению, так как избыточный мусор может засорять стоки, в то время как атмосфера еще больше загрязняется токсичным мусором. Надлежащее обращение с отходами настоятельно необходимо, поскольку, когда отходы не собираются, заболеваемость такими болезнями, как диарея, удваивается, а частота острых респираторных инфекций, вызванных сжиганием отходов, увеличивается в шесть раз[3].
Проблему утилизации отходов можно решить с помощью биотехнологических методов.
Целью данной работы является рассмотрение особенностей утилизации отходов с помощью биотехнологий.
Для достижения цели работы необходимо выполнить следующие задачи:
1. Раскрыть теоретические аспекты утилизации отходов с применением биотехнологий.
2. Рассмотреть методы утилизации отходов с использованием биотехнологий
3. Анализ процесса компостирования органической фракции отходов
4. Определить особенности промышленных технологий в компостировании и применении композитов.
Предметом исследования является процесс утилизации отходов с использованием биотехнологий.
Объектом исследования являются методы утилизации отходов.
Цель и задачи исследования были выполнены с использованием следующих методов: исследование, анализ, обобщение.
Структурно данная работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка ссылок.
ГЛАВА 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ БИОТЕХНОЛОГИЙ
1.1 Особенности утилизации отходов с применением биотехнологий
Утилизация отходов — это уничтожение веществ и предметов, которые стали непригодными для использования безопасным способом. В этом процессе отходы могут быть переработаны в качестве сырья для получения энергии или материалов.
Методы удаления — это действия, направленные на избавление от отходов в рамках экологических требований. К ним относятся:
Мероприятия по сбору отходов, заказ и вывоз отходов с места жительства или работы;
Хранение на территориях, утвержденных местными органами власти, транспортировка для захоронения в местах выемки грунта в результате горных работ;
Утилизация физическими средствами с использованием современных технологий;
Использование для повторного использования полученного сырья, материалов или энергии в народном хозяйстве.
Существует несколько способов утилизации различных видов отходов. Первым из них является изоляция (размещение) в недрах Земли на полигонах для захоронения отходов или погружение в морские глубины. Этот метод подходит только для отходов, которые невозможно сжечь, или для отходов, в результате сжигания которых выделяются токсичные вещества.
Основным преимуществом этого метода является его низкая стоимость. Кроме того, он не требует много места. Однако важно знать, что на свалках образуется газ, содержащийся в отходах. Это является результатом разложения сложных азотсодержащих органических соединений, на которые воздействуют гнилостные микроорганизмы.
Еще одним методом уничтожения является брикетирование. Но этот метод пока не востребован. Первая стадия этого процесса — сортировка. Затем мусор упаковывают в брикеты. Полученные уплотненные плитки отправляются на хранение в специально отведенные для этого места.
Уникальным и эффективным методом утилизации мусора на сегодняшний день является плазменная технология переработки отходов. Это закрытый процесс, технология которого позволяет получить газ из рециклинга и не загрязнять им окружающую среду, а использовать его рационально. Высвобождаемая энергия может заменить такие материалы, как уголь, мазут или простой газ.
Преимущества, которые делают переработку плазмы экономичной, следующие:
энергия, получаемая из отходов, сохраняется;
минимальное количество персонала для участия в этой деятельности;
нет необходимости в подготовительных работах (сортировка, сушка).
полученное вещество не требует дезактивации;
полученное сырье может быть использовано в качестве строительного материала.
Биотехнология активно используется для очистки всех компонентов биосферы (воды, почвы, воздуха и т.д.) от загрязняющих веществ. Кроме того, важен не только сам процесс очистки, но и возможность использования выделенных отходов в качестве вторичного сырья.
Биологическая очистка сточных вод. Существуют микроорганизмы, для которых загрязняющие вещества, содержащиеся в сточных водах, являются питательными веществами.
В начале 20-го века произошла революция в очистке сточных вод с использованием активного ила — сложной смеси микроорганизмов. Несмотря на то, что этот метод требует перемешивания жидкости и постоянной аэрации ее воздухом, он позволяет обрабатывать большие объемы сточных вод с самыми разнообразными загрязняющими веществами, от бытовых до промышленных.
Биологическая очистка газовых выбросов. Многие выбросы в атмосферу содержат вредные или плохо пахнущие примеси. Для их очистки используются биофильтры, заполненные соплом, к которому прикреплены специальные микроорганизмы. Опасные примеси сорбируются на насадке, а затем потребляются и нейтрализуются микроорганизмами.
Биокомпостирование твердых отходов. Аналогом аэробной обработки сточных вод является аэробное биокомпостирование твердых отходов. Твердые отходы смешиваются с микроорганизмами, которые разлагают вредные загрязняющие вещества, и балластным материалом, таким как торф, который обеспечивает доступ микроорганизмов к кислороду. Это позволяет превращать отходы в удобрения или просто использовать их в качестве подложки для дорог, строительства и других целей.
Сбраживание метана из твердых отходов. Еще в 1776 году Вольта обнаружил, что болотный газ содержит метан. С 1901 г. успешно применяется анаэробное сбраживание избыточного активного ила биологических очистных сооружений. Сброженный ил, если он не содержит повышенных концентраций тяжелых металлов, успешно используется в качестве удобрения. Сброженный ил имеет лучший состав, чем исходный ил, и практически не содержит болезнетворных микроорганизмов[2].
Существует также множество других способов биотехнологического воздействия на окружающую среду: биоразложение химических пестицидов и инсектицидов, борьба с накоплением метана в шахтах, десульфурация нефти и каменного угля, обогащение воздуха кислородом и др.
1.2 Методы утилизации отходов с применением биотехнологий
Интенсивный рост промышленности и городов привел к увеличению загрязнения окружающей среды. Результатом деятельности промышленных предприятий является образование отходов. Виды отходов очень разнообразны, и, соответственно, методы их обработки и переработки многочисленны. Органические отходы по источнику делятся на бытовые, промышленные и сельскохозяйственные, а по физическому состоянию — на жидкие, полужидкие текучие и твердые. Типы органических отходов и методы их биологической обработки представлены в таблице №1.[3]
Таблица 1. Типы органических отходов и методы их биологической обработки.
В области переработки и утилизации твердых отходов наиболее широко применяются биотехнологические методы для утилизации коммунально-бытовых отходов и осадков из систем биоремедиации сточных вод.
Традиционно твердые отходы хранятся на муниципальных полигонах ТБО. Увеличение количества отходов на душу населения приводит к огромному количеству полигонов ТБО, увеличению их площади, а также неконтролируемому попаданию отходов в окружающую среду за счет их рассеивания при транспортировке. После того, как выяснилось, что при анаэробной переработке отходов образуется большое количество ценного энергоносителя — биогаза, основные усилия стали сосредоточены на правильной организации полигонов ТБО и получении метана для переработки на месте.
На городских свалках в последние годы прослеживается четкая тенденция увеличения объемов бумаги и пластмасс на фоне снижения доли органических и растительных материалов, что удлиняет время стабилизации отходов.
Поведение отходов на полигоне ТБО крайне сложное, так как новый материал постоянно стратифицируется с разными интервалами. В результате процесс подвержен градиентам по температуре, рН, потокам жидкости, ферментативной активности и т.д. В общей массе полигона ТБО развивается сложная ассоциация микроорганизмов, которые развиваются на поверхности твердых частиц, являющихся для них источником питательных веществ. В рамках ассоциации формируются разнообразные взаимоотношения и взаимодействия. В целом, состояние и биокаталитический потенциал микробного сообщества зависит от спектра химических веществ, содержащихся на полигоне ТБО, степени доступности этих веществ, наличия градиентов концентрации различных субстратов, особенно градиентов концентрации электронов и доноров и акцепторов водорода.
В начальной стадии биодеградации твердых отходов доминируют аэробные процессы, в ходе которых наиболее разлагающиеся компоненты окисляются под воздействием микроорганизмов (грибки, бактерии, актиномицеты), а также беспозвоночных (клещи, нематоды и др.). Затем разлагаются сложные и медленно окисляемые субстраты — лигнин, лингоцеллюлоза, меланины, дубильные вещества. Существуют различные методы оценки степени биодеградации твердых отходов.
Наиболее информативным считается метод, основанный на различиях в скоростях разложения целлюлозы и лигнина. В необработанных отходах отношение целлюлозы к лигнину составляет около 4,0; в активно перерабатываемых отходах — 0,9-1,2, а в полностью стабилизированных — 0,2. В аэробной стадии температура окружающей среды может повышаться до 80°C, что приводит к инактивации и гибели патогенной микрофлоры, вирусов и личинок насекомых. Температура может служить индикатором состояния полигона. Повышение температуры увеличивает скорость процессов деградации органического вещества, но растворимость кислорода снижается, что является лимитирующим фактором. Истощение молекулярного кислорода приводит к снижению теплоотдачи и накоплению углекислого газа. Это, в свою очередь, стимулирует развитие сначала факультативных, а затем обязательных анаэробов в микробной ассоциации.
В анаэробной минерализации, в отличие от аэробного процесса, участвуют различные взаимодействующие микроорганизмы. Виды, способные использовать больше окисленных электронных акцепторов, получают термодинамические и кинетические преимущества. Происходит последовательный процесс гидролиза полисахаридных, липидных и белковых полимеров, в результате которого происходит дальнейшее разложение мономеров с образованием водорода, углекислого газа, а также спиртов и органических кислот.
Далее метаногены участвуют в образовании метана (рис. 1).
Рис. 1. 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.
В результате комплекса процессов, происходящих при биодеградации содержимого полигонов, образуются два вида продуктов — вода, отфильтрованная в почву, и газы.
Фильтрованная вода, кроме микроорганизмов, содержит комплекс различных веществ, в том числе аммиачный азот, летучие жирные кислоты, алифатические, ароматические и ациклические соединения, терпены, минеральные макро- и микроэлементы, металлы. Поэтому важным моментом при выборе и организации полигонов ТБО является защита поверхности земли и грунтовых вод от загрязнения. Для борьбы с фильтрацией воды используются низкопроницаемые засыпки или вокруг полигона создаются непроницаемые оболочки или специальные заборы. Пожалуй, наиболее эффективным способом может быть организация сбора отфильтрованных вод со свалок и контролируемого анаэробного сбраживания с помощью капельных биофильтров, аэротенков или аэрационных прудов.
В системе аэрационных прудов можно в течение нескольких месяцев удалять из воды до 70% БПК и до 92% БПК с одновременным извлечением более 90% металлов (железа, марганца, цинка) методом биосорбции в капельных биофильтрах или системах с активным илом. Анаэробная биологическая обработка позволяет удалить 80-90% ХПК в течение 40-50 дней при температуре 25 °С (при 10 °С скорость удаления ХПК снижается до 50%).
Биогаз от биодеградации свалки является ценным энергоносителем, но может вызвать и негативные явления в окружающей среде (неприятный запах, подкисление грунтовых вод, снижение урожайности), поэтому необходимо ограничивать утечки газа. Это возможно благодаря использованию специальных устройств (барьеров, траншей, заполненных гравием, систем газодобычи) для управления движением газа, а также созданию над свалкой массива поглотителей, предотвращающих его утечку.
Теоретический выход метана может составлять 0,266 м3 /кг сухих твердых отходов. Реальный экспериментальный выход биогаза, полученного на различных лабораторных, опытных установках и управляемых полигонах ТБО, дает значительные различия в данных от десятков до сотен литров/кг в год. Многие факторы — температура и рН окружающей среды, влажность, уровень аэрации, химический состав отходов, наличие токсичных компонентов и др. — оказывают большое влияние на процесс метаногенеза. Образующийся на полигоне газ добывается по вертикальным или горизонтальным перфорированным полиэтиленовым трубам. Использование воздуходувок и насосов позволяет увеличить степень извлечения газа. Газ используется для отопления теплиц, получения пара, а после дополнительной очистки может быть закачан по трубам в места потребления [1].
Таким образом, помимо экологической проблемы, проблема имеет экономический характер, так как использование биогаза, образующегося на свалках, снижает материальные затраты на борьбу с загрязнением окружающей среды, опасными отходами.
ГЛАВА 2 БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА КОМПОСТИРОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ ФРАКЦИИ ОТХОДОВ
2.1 Сущность процесса компостирования органической фракции отходов
Компостирование органических фракций или смешанных городских отходов в целом, как технологический процесс, сформировалось в середине 30-х годов ХХ века и с тех пор быстро и широко развивается. Достаточно сказать, что только в Австрии, Германии, Дании, Нидерландах и Бельгии в настоящее время насчитывается около 400 предприятий по компостированию.
Компостирование — это экзотермический процесс биологического окисления, при котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности. В процессе биодеградации органический субстрат подвергается физическим и химическим превращениям, в результате которых образуется стабильный гумифицированный конечный продукт. Этот продукт ценен для сельского хозяйства как органическое удобрение и как средство для улучшения структуры почвы.
Компостируемые отходы варьируются от муниципального мусора, представляющего собой смесь органических и неорганических компонентов, до более однородных субстратов, таких как навоз, отходы растениеводства, сырой активный ил и сточные воды. В процессе компостирования в значительной степени удовлетворяется потребность в кислороде, органическое вещество преобразуется в более стабильную форму, высвобождаются углекислый газ и вода, повышается температура. В природных условиях процесс биодеградации протекает медленно, на поверхности земли, при температуре окружающей среды и в основном в анаэробных условиях. Процесс естественного разложения может быть ускорен за счет накопления обработанного субстрата, который удерживает часть тепла, выделяемого при брожении, и достигает более высокой скорости реакции. Этот ускоренный процесс является процессом компостирования.
Важными параметрами являются соотношение углерода и азота и многодисперсность субстрата, необходимые для нормальной аэрации. Навоз, сырой активный ил и многие растительные отходы имеют низкое отношение углерода к азоту, высокое содержание влаги и плохо аэрируются. Их необходимо смешивать с твердым влагосодержащим материалом, который обеспечит дополнительный уголь и структуру смеси, необходимую для аэрации.
В процессе компостирования участвуют многие виды бактерий — более 2000 и не менее 50 видов грибов. Эти виды можно разделить на группы в зависимости от температурного диапазона, в котором каждый из них активен. Температуры ниже 200С предпочтительнее для психрофилов, 20-400С для мезофилов и выше 400С для термофилов. Микроорганизмы, доминирующие на последней стадии компостирования, как правило, являются мезофилами.
Для преобразования органических отходов в компост не требуется сложного оборудования или дорогостоящих искусственных добавок. Компостирование отходов — это естественный процесс, обусловленный присутствием организмов в органических материалах и почве, которые перерабатывают отходы, питаясь или поглощая друг друга.
Бактерии осуществляют первичное разложение органических веществ. Бактерии обычно не добавляются в компост — они уже присутствуют почти во всех формах органических веществ и при определенных условиях быстро размножаются.
Небактериальными компостирующими организмами являются грибы, черви и различные насекомые. Для них компостная куча — это отличная «столовая». Грибы преобразуют органические составляющие, вводя в почву углекислый газ. Черви поглощают органические отходы, грибы, простейшие нематоды и микробы. Черви очень быстро перерабатывают органическую материю, превращая ее в вещества, которые легко усваиваются растениями. Компостирование отходов с червями называется вермикомпостированием. Сочетание обычного аэробного компостирования с вермикомпостированием дает очень хорошие результаты. Насекомые, поглощая другие организмы и друг друга, также вовлекаются в процесс переработки материалов, содержащихся в компосте.
Компост обеспечивает следующие преимущества для почвы:
Компост повышает содержание органических веществ в почве, что, в свою очередь, улучшает ее текстуру, дренаж и плодородие. Все это приводит к тому, что растения становятся счастливее, здоровее, крупнее и продуктивнее.
Компост восстанавливает пищевую сеть почвы, обеспечивая питательными веществами, влагой и средой обитания широкий спектр полезных форм жизни. Вы слышали об «органической живой почве»? По сути, это идея о том, что почва сама по себе является и должна рассматриваться как живая, дышащая, динамичная экосистема. Здоровая почва полна полезных бактерий, грибов, нематод, насекомых и многого другого.
Питая как почву, так и растения, компост фактически укрепляет иммунную систему растений. Кроме того, он действует как буфер для «очищения» почвы, естественным образом регенерируя содержащиеся в ней токсичные вещества. Поэтому растения, выращиваемые на компосте, более устойчивы к болезням и стрессам, таким как засуха, вредители или экстремальные погодные условия.
При правильной обработке компост обеспечивает все эти преимущества без риска «сожжения» или шокирования растений, что характерно для синтетических удобрений. Наконец, по мере того как садоводы и фермеры больше используют органический компост, они, в свою очередь, снижают зависимость от менее вредных для окружающей среды удобрений.
Таким образом, компостирование является биологической переработкой мусора. Для осуществления этого процесса создаются специальные условия для хранения органических необработанных отходов. В среде с обязательным доступом воздуха и наличием тепла, образующегося внутри мусора, начинают активно размножаться анаэробные бактерии.
Компост является разложенным органическим веществом. Компостирование представляет собой процесс добавления сбалансированной комбинации биоразлагаемых материалов, таких как листья, солома, сухие скошенные травы, кухонные отходы и садовые отходы. С помощью разлагающих веществ (микроорганизмы, черви, насекомые, грибы и т.д.) и соответствующих условий сырье разлагается на однородный, богатый питательными веществами, похожий на почву материал — готовый компост.
При компостировании можно получить до 50% компоста, который по своим характеристикам похож на почву. Кроме компоста в процессе переработки образуется до 50% газов и около 10% других веществ.
2.2 Особенности применения промышленных технологий при компостировании и применении компостов
Компостирование в последнее время вызывает значительный интерес в связи с растущей необходимостью переработки коммунально-бытовых отходов и сырого активного ила, растительных остатков и навоза в санитарно-гигиенических целях. Ключом к началу компостирования в промышленном масштабе является понимание основ этого процесса.
Подготовка компоста имеет большое гигиеническое значение. Компостирование инактивирует многие болезнетворные микроорганизмы. Высокая температура внутри компостной кучи убивает бактерии, вызывающие заболевания у культурных растений.
Исследования показали, что яйца фитогельминтов погибают через 5-6 дней после начала процесса активного компостирования, а семена многих сорняков теряют прорастание.
Компостирование является способом гигиенического удаления органических отходов и получения полезного продукта, введение которого в почву обеспечивает ее питательными веществами, снижает ее загрязнение, повышает устойчивость почвы и способность удерживать влагу. Компостирование играет особенно важную роль в поддержании стабильности почвы и содержания гумуса в пустынных и полупустынных районах. В умеренном климате компостирование также играет важную роль как способ утилизации отходов, снижая их опасность и неприятный запах.
Для компостирования полевых отходов, растительных и садовых отходов по-прежнему используются довольно простые схемы. Очень редко используется перемешивание и принудительная аэрация. Из-за очень низкой стоимости компоста сложные процессы компостирования не могут применяться в сельском хозяйстве, а условия процесса сильно отличаются от рекомендованных выше.
Компостирование отходов садоводства уже давно осуществляется вручную. Напротив, было предложено много различных схем переработки городских отходов, способных перерабатывать большие объемы твердых отходов в день.
Существует несколько технологий компостирования, различающихся по стоимости и сложности. Более простые и дешевые технологии требуют больше места, а процесс компостирования занимает больше времени, о чем свидетельствует приведенная ниже классификация технологий компостирования.
Минимальная технология. Высота компостных свай составляет 4 метра, ширина — 6 метров. Переворачиваются один раз в год. Процесс компостирования занимает от одного до трех лет, в зависимости от климата. Необходима относительно большая санитарная зона.
Технология низкого уровня. Компостные сваи высотой 2 метра и шириной 3-4 метра. Первый раз сваи переворачивают через месяц. Следующий оборот и формирование новой сваи происходит через 10-11 месяцев. Компостирование занимает 16-18 месяцев[6].
Технология среднего уровня. Сваи переворачиваются ежедневно. Компост готов через 4-6 месяцев. Капитальные и эксплуатационные расходы выше.
Технология высокого уровня. Требуется специальная аэрация компостных свай. Компост готов через 2-10 недель.
Описаны несколько простых систем для компостирования в кучах различных органических отходов.
Простые системы: сваи и компостные ряды. В простых системах подготовленный материал укладывается в длинные кучи, называемые компостными рядами, вручную или с помощью самосвалов или погрузчиков. Эти сваи имеют грубое треугольное сечение, их высота и ширина могут варьироваться, но при естественной аэрации рекомендуется, чтобы высота и ширина не превышали 2,5 м. Компостные ряды могут быть любой длины и часто укладываются в соответствии с рельефом рельефа местности. Желательно, чтобы площадка, на которой расположены ряды компоста, была забетонирована, чтобы она не разрушалась при движении транспорта.
Для компостных рядов может не требоваться вмешательство в течение нескольких месяцев до тех пор, пока температура не начнет падать. Разворачивание материала в кучах производится для аэрации, уменьшения размера частиц, а также для того, чтобы подвергнуть весь материал воздействию высоких температур термофильной стадии.
Последнее достигается путем перемещения внешних частей кучи в ее середину при ее переворачивании. Вращение кучи может быть выполнено несколькими способами и с разной эффективностью. При очень малых объемах, поворачивайте вручную, но чаще с помощью таких машин, как земснаряды.
В России компостирование с помощью компостных ям часто используется людьми в отдельных домах или на садовых участках. В то же время процесс компостирования может быть централизованным и осуществляться на специальных площадках.
Компостирование, которое используется в России на механизированных мусороперерабатывающих заводах, которых в стране немного, представляет собой процесс ферментации в биореакторах всего объема ТБО, а не только его органической составляющей. Хотя характеристики конечного продукта могут быть значительно улучшены за счет извлечения из отходов металла, пластика и т.д., он все же является достаточно опасным продуктом и имеет очень ограниченное применение (на Западе такой «компост» используется только для покрытия полигонов ТБО).
В развитых странах существует целая сфера деятельности по промышленному компостированию органических отходов.
Существующие технологические процессы компостирования могут быть условно разделены на четыре основные группы:
полевое компостирование в буртах;
компостирование в статичном штабеле;
компостирование в горизонтальном реакторе;
компостирование в вертикальном реакторе.
Основные характеристики перечисленных методов представлены ниже.
Полевое компостирование в буртах
Компостная масса хранится в связках на открытом воздухе и опрокидывается специальными машинами с заданной регулярностью. Длина компостной массы обычно достигает сотен метров, ширина — от 3 до 6 метров, высота — от 1,5 до 3,0 метров.
Процесс окисления органического вещества активно протекает в приповерхностной зоне бункера, на глубине до одного метра, где кислород воздуха относительно легко подается в режиме пассивной аэрации. По этой причине ворошение должно обеспечивать регулярное движение масс органического материала от центра бункера к его периферии, а также обеспечивать удаление избыточного тепла и высокую микробиологическую активность. Содержание влаги в отходах также контролируется регулярным поливом свай, в расчетных количествах.
Полевое компостирование является самым простым и дешевым методом переработки органических отходов.
К его основным недостаткам относятся:
— Длительность процесса компостирования, которая составляет 4-6 месяцев и более;
— необходимость отчуждения больших площадей для размещения свай;
— невозможность активного воздействия на основные параметры процесса, вызванная этим фактом, риск распространения неприятных запахов, выщелачивания и т.д.
Компостирование в статической куче
Отходящая масса может иметь иную форму, похожую на бункер, только гораздо короче, или обычную параллелепипедическую форму. В течение всего периода разложения органической массы отходы остаются неподвижными, но воздух нагнетается в них вентиляторами по системе аэрационных труб, установленных или проложенных в основании площадки. Высота штабеля, как правило, не превышает 2,5-3,0 метра[2].
В связи с отсутствием ворошения отработанной массы решающим фактором эффективности процесса является обеспечение высокой пористости компостируемого материала. Это достигается за счет равномерного смешивания отходов перед штабелированием с древесной щепой, соломой, листьями, измельченными ветками и т.д. в правильных пропорциях.
Этот метод требует больших капитальных затрат по сравнению с компостированием в полевых условиях, но при этом является одной из самых дешевых технологий. Он сокращает время разложения органических веществ отходов до 2,0-2,5 месяцев.
При штабелировании на открытом воздухе существует опасность негативного влияния погодных факторов на процесс компостирования, а также распространения неприятных запахов в окружающую среду. По этой причине штабеля часто укладываются под крышу и покрываются зрелой компостной или древесной стружкой, которая действует как биофильтр для отходящих газов из штабеля[2]. Данный тип устройства используется только для компостирования однородных материалов, например, осадков сточных вод.
Компостирование в горизонтальном реакторе.
Компостирование в горизонтальных метантенках является наиболее эффективным, современным и распространенным технологическим методом переработки органических отходов. Он оптимизирует и стимулирует разложение органических веществ за счет непрерывного автоматизированного контроля и регулирования всех основных параметров процесса компостирования. Данная технология позволяет сократить время получения компоста различной степени зрелости с 10 до 30 дней. Однако ее внедрение требует высоких капитальных затрат. Их точное значение сильно варьируется в зависимости от конкретной модификации компостирования в горизонтальных варочных котлах.
Максимальные инвестиции требуются для ангарного варианта компостирования, средние — для туннельного варианта компостирования и относительно низкие — для компостирования в автономных установках.
Интересно отметить, что единственная технология компостирования ТБО, получившая относительное распространение в СССР, основанная на использовании биобарабанов (система Дано), в мировой практике не рассматривается как полноценный способ переработки биологических отходов. Подготовка ТБО для одного из вариантов компостирования, представленных выше, является лишь предварительной операцией.
Эффектом, достигаемым при хранении отходов в биобарабане, является гомогенизация компостируемого материала и его первичный нагрев. В связи с высокой стоимостью и паллиативным характером данной технологии, в последние десятилетия она не использовалась в развитых странах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение можно сделать следующие выводы:
В настоящее время все современные биотехнологии, включая экологическую биотехнологию, развиваются настолько стремительно, что делать точные прогнозы в этой области сложно. Биотехнология полностью основывается на научных достижениях. То, что только недавно стало предметом лабораторных исследований, сейчас активно внедряется в производство. Спектр наук, которые воплощаются в биотехнологии, постоянно расширяется. Таким образом, расширяются возможности и области самой биотехнологии. Вполне вероятно, что в будущем не будет ни одной области человеческой деятельности, которая бы каким-то образом не ассоциировалась с биотехнологией.
Расширение сферы внедрения биотехнологий меняет соотношение в системе «человек — производство — природа», повышает производительность труда, принципиально меняет его качество. Биологизация производства в целом является одним из важнейших направлений в создании гибких, саморегулирующихся производственных процессов будущего, которые гармонично вписываются в природу, не причиняя ей никакого вреда. В настоящее время последствия антропогенной деятельности достигли такой степени, что дальнейшая нескоординированная деятельность может привести к необратимым изменениям в биосфере в целом. Это может привести к тому, что биосфера станет непригодной для жизни человека. Разрешение этого противоречия, т.е. создание такого равновесия в природе, которое может привести к гармоничному сосуществованию растущего населения планеты и биосферы, возможно только при условии дальнейшего развития науки и техники. Это требует разумного развития человеческого общества в целом, направленного не на разрушение биосферы, а на ее дальнейшее развитие. Последнее, в свою очередь, должно оказать положительное влияние на дальнейший прогресс человечества, то есть на создание ноосферы. Одним из основных путей решения этой проблемы является дальнейшее развитие биологии и расширение использования биотехнологий. Внедрение биотехнологий ведет к созданию экологически чистых технологий в различных областях человеческой деятельности, включая более рациональное использование природных ресурсов и создание замкнутых производственных циклов.
Сегодняшнее возрождение компостных свай также иллюстрирует, как биотехнология может помочь нам избавиться от отходов, пусть даже только для собственного фермерства.
Но современная биотехнология может сделать гораздо больше, особенно когда речь идет о промышленных отходах, которые намного труднее перерабатывать, чем пищевые или растительные отходы, и которые обеспечивают эффективные новые методы производства, менее загрязняющие окружающую среду, чем традиционные процессы. Биотехнология может даже помочь превратить промышленные и другие отходы в полезные продукты.
Действительно, мир биотехнологий, похоже, не имеет пределов. К числу наиболее интересных открытий относится фиторемедиация, при которой растения используются для удаления, разложения или содержания загрязняющих веществ в почве, отложениях, поверхностных и грунтовых водах. Фиторемедиация может использоваться в качестве альтернативы или дополнения к традиционным технологиям обработки; она не только эффективна, но и является экологически чистой, основанной на солнечной энергии технологией, использующей природные способности растений.
Аналогичным образом, «живые машины» представляют собой многокультурные водные экосистемы, которые «предназначены для эволюции». Говоря более конкретно, они состоят из разнообразной смеси организмов, популяционная смесь которых адаптирована к конкретной питательной смеси потока отходов.
Список используемой литературы
1. Безопасное обращение с отходами. Сборник нормативно-методических документов. — М.: Компания «Интеграл», 2019. — 652 c.
2. Бирюков В.В. Основы промышленной биотехнологии. – М.: КолосС, 2016. – 296 с.: ил. – (Учебники и учебные пособия для студентов высш. учеб. заведений).
3. Биотехнология / Т.Г. Волова. – Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения Российской Академии наук, 2019. – 252 с.
4. Гигиенические требования к размещению и обезвреживанию отходов производства и потребления СанПин 2.1.7.1322-03. — М.: СПб: Деан, 2017. — 882 c.
5. Гигиенические требования к размещению и обезвреживанию отходов производства и потребления. СанПиН 2.1.7.1322-03. — М.: ДЕАН, 2019. — 582 c.
6. Мамин, Р.Г. Инновационные механизмы управления отходами / Р.Г. Мамин. — М.: МГСУ, 2018. — 530 c.
7. Матиящук, С. В. Комментарий к Федеральному закону «Об обращении с радиоактивными отходами и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» / С.В. Матиящук. — М.: Юстицинформ, 2018. — 112 c.
8. Медицинские отходы. Опыт безопасного обращения в Российской Федерации. — М.: Научный мир, 2017. — 304 c.
9. Основы микробиологии и биотехнологии: методические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальности 280201 –
10. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов / сост. Е. Н. Гончарова. – Белгород: Изд-во БГТУ, 2018. – 28 с.
11. Пономарев, М. В. Комментарий к Федеральному закону «Об отходах производства и потребления»: моногр. / М.В. Пономарев, Н.В. Кичигин, Н.А. Енисейская. — М.: Деловой двор, 2019. — 232 c.
12. Свергузова С.В., Тарасова Г.И. Основы микробиологии и биотехнологии: Учебное пособие. – Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2019. – Ч.2. – 96с.
13. Шелудяков, Л. Н. Комплексная переработка силикатных отходов / Л.Н. Шелудяков, Э.А. Косьянов, Ю.А. Марконренков. — М.: Наука, 2015. — 172 c.
14. Экологическая биотехнология: Пер. с англ./Под ред. К.Ф. Форстера, Д.А. Дж. Вейза. – Л.: Химия, 1990. – Пер. изд.: Великобритания, 1987. – 384 с.: ил. ISBN 5 – 7245 – 0418 – 9
15. Экология микроорганизмов: Учеб. для студ. вузов / А.И. Нетрусов, Е.А. Бонч-Осмоловская, В.М. Горленко и др.; Под ред. А.И. Нетрусова. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. – 272 с.