УДК 629.114:576.8
ИНТЕНСИФИКАЦИЯ МИКРОБНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОЙ
ФРАКЦИИ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ: ЛАБОРАТОРНЫЕ И ПОЛЕВЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
© 2015 г. А. А. Никитина*, М. В. Кевбрина**, А. Ю. Каллистова*, В. К. Некрасова*,
Ю. В. Литти*, А. Н. Ножевникова*
*Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН, Москва, 117312 **АО "Мосводоканал", Москва, 105005 e-mail: nikitina.anna.1989@mail.ru Поступила в редакцию 25.07.2014 г.
Исследованы способы интенсификации анаэробного микробного разложения органической фракции твердых бытовых отходов (ТБО) на полигоне ТБО и в анаэробных реакторах. Установлено, что для инициации и стабилизации процесса анаэробной ферментации органических отходов в лабораторных биореакторах при 20 и 50°С в качестве инокулята предпочтительно использовать смесь активированной суспензии грунта анаэробной зоны полигона ТБО и сброженного в метантенке осадка сточных вод.
В полевых условиях показана стимуляция метаногенеза при внесении сброженного осадка сточных вод непосредственно в верхний слой анаэробной зоны полигона ТБО. Исследование метанового сбраживания концентрированных пищевых отходов с примесью избыточного активного ила в лабораторных условиях в термофильном режиме (50°C) показало, что основной проблемой на первом этапе процесса было закисление сбраживаемой смеси за счет накопления летучих жирных кислот. Показано, что для стабильной работы биореактора в термофильном режиме количество инокулята при пуске должно составлять не менее 30%, а лучше 50%, в расчете на суммарное органическое вещество. Резкое снижение температуры ферментации с 50 до 20°С не приводило к остановке метаногенеза, т.к. термофильно сброженная биомасса содержала как термофильных, так и мезофильных метаногенов.
Ключевые слова: органическая фракция твердых бытовых отходов (ОФ-ТБО), полигоны ТБО, осадки сточных вод, метаногенез, анаэробная ферментация.
DOI: 10.7868/S0555109915040121
Основными отходами городов России являются твердые бытовые отходы (ТБО), первичный и вторичный осадки сточных вод (ОСВ). Средний объем годового накопления ТБО и ОСВ в России составляет 30 и 20 млн т соответственно. В органической фракции ТБО (ОФ-ТБО) содержание пищевых отходов достигает 45%. Первичный ОСВ также содержит легко разлагаемые органические вещества. Вторичный ОСВ представляет собой микробную биомассу избыточного активного ила. С целью стабилизации (удаления избытка легко разлагаемого органического вещества) ОСВ, содержащие 50—55% органического вещества, обрабатывают в метантенках, в результате чего происходит их обогащение анаэробными микроорганизмами. Однако в России такая обработка применяется лишь на нескольких станциях крупных городов. Основная часть ОСВ для обезвоживания выдерживается на иловых площадках и затем захоранивается на полигонах ТБО. На
полигоны без сортировки и предварительной обработки вывозят до 97% всех ТБО. [1, 2].
На полигонах ТБО происходит микробное разложение органического вещества отходов. В анаэробной зоне полигона органическое вещество последовательно разлагается микроорганизмами метаногенных сообществ (гидролитическими, бродильными, ацетогенными бактериями и метаногенными археями) с образованием биогаза, основными компонентами которого являются парниковые газы — метан (40—60%) и диоксид углерода (60—40%). Активность микроорганизмов, вызывающих выделение биогаза — естественный процесс, попытки искусственно подавить который могут привести лишь к увеличению сроков деградации отходов. Активные микробные процессы протекают на полигонах в течение 10— 30 лет, затем они затухают, и полигоны превращаются в биологически малоактивные, но загрязненные и экологически опасные объекты, существующие в таком виде неопределенно долгое
время [3]. Таким образом, главными проблемами практикуемого в России способа утилизации органических отходов на полигонах ТБО являются: долгосрочное негативное влияние на окружающую среду и здоровье населения, эмиссия метана в атмосферу, выпадение обширных территорий из сферы хозяйственной деятельности.
В последнее время в мире активно разрабатываются и внедряются различные способы экологически безопасной утилизации ТБО и ОСВ. Наиболее перспективными из них являются: 1) захоронение ОСВ без выдерживания на иловых площадках совместно с ТБО на специально оборудованных санитарных полигонах, имеющих гидроизоляцию дна, сбор фильтрационных вод и биогаза, 2) анаэробная обработка ОФ-ТБО в реакторах с получением метана, 3) ко-ферментация ОСВ и ОФ-ТБО в анаэробных биореакторах.
В первом случае осадки смешивают с ТБО перед захоронением. Иногда ОСВ рекомендуют максимально обезвоживать, уплотнять и укладывать компактными слоями, чередуя со слоями ТБО. Внесение сырого и сброженного ОСВ стимулирует интенсивность разложения ОФ-ТБО и увеличивает содержание метана в свалочном биогазе [4, 5].
При ко-ферментации ОСВ и ОФ-ТБО в анаэробных биореакторах, изолированных от окружающей среды и поэтому не наносящих ей вреда, процесс микробного разложения отходов ускоряется в сотни раз, а образующийся биогаз может быть использован в качестве топлива [6]. При этом выход биогаза может достигать 0.5—0.6 м3/кг беззольного вещества отходов, а содержание в нем метана — 60—70% [7]. Добавление пищевых отходов к ОСВ увеличивает выход биогаза и стабилизирует процесс ферментации по таким показателям, как рН и щелочность, а также способствует достижению оптимального для анаэробных микроорганизмов соотношения C/N (20 : 35) и снижению концентрации токсичных компонентов в сбраживаемой смеси [7—10]. Сбраживание органических отходов в термофильном режиме (50—55°C) эффективнее, чем в мезофильном (30—35°C), т.к. характеризуется более высокой скоростью микробных процессов, способствует стабилизации и обеззараживанию сброженной массы, что важно для дальнейшего ее использования в качестве биоудобрения [8, 11, 12].
Цель работы — испытание в полевых и лабораторных условиях способов интенсификации микробного разложения ОФ-ТБО путем внесения активированного при температуре окружающей среды (20°C) ОСВ в анаэробную зону полигона ТБО in situ и подбора инокулята, обеспечивающего максимальную скорость метаногенеза, при анаэробной ферментации в термофильном режиме (50°C) ex situ.
МЕТОДИКА
В лабораторных экспериментах в качестве субстратов использовали: 1) модельную органическую фракцию ТБО (С1), состав и соотношение основных компонентов в которой соответствовали составу бытовых отходов, складируемых на российских полигонах ТБО; 2) пищевые отходы с примесью (15—20% по органическому веществу) избыточного активного ила аэротенка Курьяновской станции аэрации (С2). В С1 содержание легко разлагаемых пищевых отходов составляло 43% от общего веса, в С2 — 96%.
Все компоненты отходов измельчали, перемешивали, вносили полученную смесь в равных количествах в бутыли объемом 450 мл и добавляли инокулят в соотношении субстрат : инокулят — от 10 : 1 до 5 : 1 в расчете на суммарное органическое вещество. В качестве инокулята (источника анаэробных микроорганизмов) использовали следующие источники микробных сообществ.
1. Активированные суспензии, приготовленные из грунта анаэробной зоны полигона ТБО (Грунт ТБО). Навеску грунта растирали в ступке и разбавляли дистиллированной водой (1 : 2 по весу). В бутыли объемом 450 мл вносили по 225 мл приготовленной суспензии. Для создания анаэробных условий бутыли продували аргоном и герметично закрывали. Суспензии активировали добавлением кристаллической целлюлозы (4.5 г/л) и инкубацией при 20 и 50°С. Метаногенную активность микробного сообщества грунта полигона ТБО оценивали по увеличению концентрации метана в газовой фазе бутылей.
2. Уплотненный (декантированный) анаэробно сброженный ОСВ из термофильного (50°С) метантенка Курьяновской станции очистки сточных вод (г. Москва), в котором обрабатывали смесь первичного и вторичного ОСВ в соотношении 1 : 1(Упл. ил).
3. Суспензию механически обезвоженного анаэробно сброженного ОСВ из термофильного (50°С) метантенка Люберецкой станции очистки сточных вод (г. Москва) (Пресс. ил). Суспензию готовили путем разбавления прессованного ила дистиллированной водой (1 : 1 по весу).
В опытных реакторах (герметично закрывающиеся бутыли объемом 450 мл) смешивали различные комбинации субстратов и инокулятов, в контрольные бутыли вносили только субстрат (табл. 1). Компоненты вносили под током аргона, объем смесей доводили до 225 мл 0.1 М фосфатным буфером. Опытные смеси инкубировали при комнатной температуре (20 ± 2°С) и при 50°С, регулярно измеряя состав газовой фазы, рН и концентрацию летучих жирных кислот (ЛЖК) в жидкой фазе.
Общее содержание сухого вещества в образцах определяли после высушивания до постоянной
Таблица 1. Схема постановки экспериментов по анаэробной ферментации ОФ-ТБО и ОСВ*
Состав смеси Субстрат Инокулят Общий объем смеси, мл
С1, г пищевые отходы, г активный ил, мл Грунт ТБО, мл Упл. ил, мл Пресс. ил, мл
С1 + буфер (контроль) 60 - - - - - 225
С2 + буфер (контроль) - 40 150 - - - 225
Вариант смеси
С1 + Грунт ТБО 60 - - 60 - - 225
С1 + Пресс. ил 60 - - - - 75 225
С1 + Грунт ТБО + Пресс. ил 60 - - 60 - 25 225
С2 + Грунт ТБО - 40 150 50 - - 225
С2 + Упл. ил - 40 150 - 25 - 225
С2 + Пресс. ил - 40 150 - - 25 225
С2 + Грунт ТБО + Упл. ил - 40 150 25 25 - 225
С2 + Грунт ТБО + Пресс. ил - 40 150 25 - 25 225
* С1 — модель органической фракции ТБО; С2 — смесь пищевых отходов и избыточного активного ила аэротенка в соотношении 5 : 1 по органическому веществу; грунт ТБО — активированная суспензия, приготовленная из грунта полигона ТБО; Упл. ил — уплотненный сброженный ОСВ термофильного метантенка; Пресс. ил — суспензия, приготовленная из прессованного сброженного ОСВ из термофильного метантенка.
массы при 105°C. Зольный остаток определяли после сжигания сухого образца в муфельной печи до постоянной массы при 650°C. Беззольное (органическое) вещество вычисляли как разность между сухим весом образца и зольным остатком. рН исследуемых смесей определяли с помощью портативного рН-метра 320 ("WTW", Германия).
Скорости метаногенеза рассчитывали, исходя из уве
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.