Биопереработка твердых отходов

К твердым отходам, подвергающимся биопереработке, относятся органические осадки, образующиеся при очистке сточных вод, бытовые отходы, отходы горнодобывающей промышленности и сельского хозяйства. Органические осадки образуются при первичном отстаивании сточных вод и в системах биологической очистки (избыточный ил и биопленка). К твердым бытовым отходам относятся различные отходы человеческой деятельности (пищевые отходы, упаковка, мусор), вывозимые на свалки. В сельском хозяйстве твердым отходом является избыточная солома, неутилизируемая на корм скоту, а также подстилочная солома животноводческих ферм. Отходом горнодобывающей промышленности являются кучи и отвалы руды с низким содержанием металлов, которые находятся в основном в виде сульфидных минералов.

Из множества известных способов биопереработки твердых отходов на практике широко используются анаэробное сбраживание и аэробное окисление, компостирование, бактериальное выщелачивание.

Анаэробное сбраживание – это биопереработка органических веществ на биогаз, состоящий в основном из метана (до 70 %) и диоксида углерода. Процесс происходит в 3 стадии, на каждой из которых участвует определенная группа бактерий. На первой стадии гидролитические бактерии осуществляют гидролиз полимерных соединений (белков, липидов, полисахаридов и др.) до мономеров, представленных в основном органическим кислотами. На второй стадии ацидогенные бактерии сбраживают органические кислоты до ацетата с образованием водорода и диоксида углерода. На третьем этапе метаногенные бактерии сбраживают ацетат до метана и диоксида углерода, а также образуют метан и воду из диоксида углерода и водорода. Из 1 кг органических веществ образуется около 1 м³ биогаза, при сжигании которого выделяется 24 МДж тепловой энергии.

Технология анаэробного сбраживания применяется для осадков сточных вод, бытовых отходов и некоторых отходов сельского хозяйства. Сбраживание осадков, имеющих влажность 92-98 %, производят в анаэробных биореакторах, называемых метантенками. Твердые бытовые отходы сбраживают на специально оборудованных свалках с отводом образующегося биогаза по трубам, расположенным в толще отходов.

Наряду с получением биогаза (топлива) анаэробное сбраживание обеспечивает стабилизацию органических отходов (предотвращение загнивания) и их обеззараживание (уничтожение патогенных организмов). Практически полное обеззараживание достигается в режиме термофильного анаэробного сбраживания (при температуре около 55°С).

Аэробное окисление органических веществ применяется для стабилизации и обеззараживания осадков сточных вод. Процесс идет в одну стадию с помощью аэробных гетеротрофных бактерий в реакторах, подобным аэротенкам и называемых минерализаторами. В результате аэробного окисления минерализуется до 40-50 % органических веществ осадка при времени обработки 5-20 суток.

Компостирование – это ускоренный в искусственных условиях процесс гумификации органических веществ, который в естественных условиях протекает в почве. Компостирование проводят при оптимальной влажности отходов (60-70 %), повышенной температуре (до 55-70°С) и хорошем аэрировании, что сокращает время трансформации исходных органических отходов в конечный гумифицированный продукт (компост) до нескольких недель или месяцев. В естественных условиях созревание гумуса требует не менее 1 года.

В процессе компостирования органические вещества растительного и животного происхождения (целлюлоза, лигнин, танины, белки и др.) с помощью микроорганизмов превращаются в фенольные соединения, аминокислоты и пептиды, которые затем полимеризуются с образованием гумусовых кислот. Далее следует медленная стадия созревания гумуса, которая при компостировании может не завершаться.

Компостированию подвергают осадки сточных вод, твердые бытовые и сельскохозяйственные отходы. Влажность осадков даже после их обезвоживания обычно выше 70 %. Поэтому осадки компостируют в смеси с твердыми бытовыми отходами, соломой и опилками, влажность которых не превышает 60 %.

Для быстрого компостирования применяются вращающиеся горизонтальные барабанные биореакторы, в которых образование гумусовых кислот происходит за несколько суток. В компостных кучах с принудительной аэрацией (подача воздуха через перфорированные трубы от вентилятора) процесс образования гумусовых кислот занимает 1-2 недели. Дозревание компоста проводят на специальных площадках в течение нескольких недель или месяцев. Компост применяют как удобрение в сельском хозяйстве, включая парники.

Бактериальное выщелачивание – это растворение металлов из минералов горных пород с помощью бактерий. Данная биотехнология применяется для получения железа, меди, цинка, никеля, серебра и других металлов из отходов с низким содержание сульфидных минералов, таких как пирит , халькопирит , ковеллит , сфалерит , миллерит , пентландит , аргентит и др.

Выделение металлов из сульфидных минералов осуществляется за счет окисления в кислой водной среде сульфидов до растворимых сульфатов, переходящих в раствор, из которого металлы могут быть легко извлечены, например путем осаждения на катоде в электролизере. Бактерии, способные окислять серу (тиобациллы) и двухвалентное железо (железобактерии), значительно ускоряют процесс растворения металлов. Рассмотрим этот процесс на примере пирита, являющегося самым распространенным природным сульфидным минералом, который присутствует практически во всех промышленных сульфидных рудных отложениях.

Химическое окисление пирита в присутствии кислорода, воды и серной кислоты описывается двумя уравнениями:

,

.

При нормальных условиях эти реакции идут с очень маленькой скоростью из-за образования слоя продуктов реакции (серы) на поверхности частиц пирита.

В присутствии бактерий, способных окислять железо и серу, ситуация изменяется. Продукты химического окисления (двухвалентное железо и элементарная сера) биоокисляются до трехвалентного железа и серной кислоты:

,

.

Образующийся сульфат трехвалентного железа, как и серная кислота, участвует в растворении пирита по реакции:

.

Продукты этой реакции вновь окисляются бактериями до сульфата трехвалентного железа и серной кислоты.

Суммарное уравнение, описывающее окисление пирита в присутствии бактерий, можно записать в виде:

.

Эта реакция протекает быстро в силу биоокисления продуктов (серы), способных откладываться на поверхности пирита и препятствовать поступлению и оттоку реагентов.

Аналогично происходит бактериальное окисление других сульфидных минералов. Так, для халькопирита суммарное уравнение имеет вид:

.

Побочные продукты – двухвалентное железо и сера вновь окисляются бактериями до трехвалентного железа и серной кислоты.

Дата добавления: 2014-12-27