В экономике замкнутого цикла, о переходе к которой наше Правительство объявило в 2021 году, отходы больше не являются вредными веществами, предназначенными для удаления. Они перерабатываются с получением новой продукции, сырья для промышленного производства или используются в качестве вторичных энергетических ресурсов.
Важным принципом экономики замкнутого цикла является разделение органических и техногенных отходов. Они перерабатываются раздельно друг от друга с использованием различных технологий.
Для эффективной переработки органических отходов в наибольшей степени подходят биотехнологии. Различным аспектам утилизации органических отходов с помощью микробиологических технологий посвящена настоящая статья.
Содержание
Необходимость утилизации органических отходов
Органические отходы, как правило, имеют высокую влажность и легко загнивают. Они служат питательной средой для размножения различных микроорганизмов, включая болезнетворные. Таким образом, они могут представлять эпидемиологическую опасность. Гниющие органические отходы служат пищей для различных переносчиков заболеваний (насекомые, грызуны, птицы и др.).
Для предотвращения эпидемиологической опасности на полигонах органические отходы перекрывают слоями инертного грунта. Однако, решение этой проблемы создает другие, не менее опасные. Разложение органики при недостатке кислорода (в анаэробных условиях) приводит к образованию органических кислот и дурнопахнущих веществ (сероводорода, аммиака, меркаптанов, органических сульфидов и др.). Они ответственны за неприятные запахи, распространяющиеся на значительные расстояния от полигонов.
Органические кислоты способствуют переводу тяжелых металлов из толщи полигона в растворимые (и более токсичные) формы. Они повышают токсичность фильтрата полигонов и затрудняют возможности его утилизации. В дальнейшем органические кислоты под действием метанообразующих бактерий разлагаются с выделением воды, метана и углекислого газа. Последние два компонента являются парниковыми газами, ответственными за изменение климата на нашей планете. Причем, метан оказывает в 28 раз более значительное парниковое действие по сравнению с углекислым газом.
В соответствии со статьей 7 Федерального закона от 2.07.2021 №296-ФЗ «Об ограничении выбросов парниковых газов» полигоны до 1 июля должны предоставлять отчет за предыдущий год об объемах выбросов парниковых газов и принимать меры по их сокращению. Метан является также легкогорючим газом, увеличивающим опасность возникновения пожаров на полигонах.
Пожар на полигоне является настоящей экологической катастрофой. В воздух выделятся сотни высокотоксичных веществ, включая оксиды азота и серы, синильную кислоту, галогеноводороды, диоксины и др. Такой пожар быстро проникает в глубь полигона, требуется значительное время (несколько дней или недель) чтобы его полностью погасить. за это время выделяются тонны высокотоксичных выбросов.
Перечисленные факты убедительно свидетельствуют, что органические отходы не должны размещаться на полигонах. Они должны эффективно перерабатываться с получением полезной продукции.
Методы биотехнологии
Решению этой задачи могут помочь различные методы биотехнологии. Рассмотрим подробнее основные.
Аэробная переработка
Используется для переработки органических отходов с получением компоста или биологической очистки сточных вод. Для более эффективной работы аэробных бактерий компостируемые отходы или сточные воды, загрязненные органическими веществами насыщают воздухом.
Анаэробная переработка
Проводится при полном отсутствии кислорода с помощью специальных видов анаэробных микроорганизмов. Они разрушают органические отходы с образованием биогаза (содержит 60-75% метана, 21-35% углекислого газа и 4-5% прочих газов). Оставшаяся после обработки часть органических отходов представляет собой ценное органическое удобрение.
Микробная экстракция загрязнителей или ценных металлов
Специальные штаммы микроорганизмов способны селективно извлекать из отходов опасные вещества для их последующего обезвреживания. Эти способности микроорганизмов можно использовать для выделения ценных металлов из отходов сложного состава.
Биологическая очистка почвы от загрязнений
Разработаны специальные штаммы микроорганизмов, позволяющие очищать почву от различных видов загрязняющих веществ. Особое большое значение имеет биохимическая очистка нефтезагрязненных грунтов. Специальные микробные препараты эффективно разлагают нефть и нефтепродукты с получением чистых грунтов.
Процессы очистки можно ускорить при перемешивании грунта, его аэрации и внесения специальных веществ для ускорения процессов разложения нефтепродуктов. К сожалению эти способы можно применять только в теплое время года (при температуре ниже +5-10 град. С микробные препараты теряют свою эффективность, а при отрицательных температурах- погибают).
Микробиологическая переработка отходов в корма для животных
В качестве примера можно рассмотреть переработку отходов пивной дробины с получением белковой кормовой добавки. Пивная дробина -многотоннажный отход пивоварения, является перспективным компонентом кормовых концентратов. Однако в чистом виде ее невозможно использовать из-за существенных недостатков:
- хранение сырой дробины невозможно из-за быстрого прокисания с развитием патогенной микрофлоры;
- недостаточное содержание белка;
- мало витаминов и минеральных веществ;
- избыточное содержание клетчатки.
Эти недостатки ликвидируются при переработке пивной дробины совместно с отработанными пивными дрожжами и кислотными консервантами или микробными препаратами. Кислотные или микробные консерванты способствуют гидролизу белков пивных дрожжей с образованием аминокислот.
Они эффективно подавляют патогенную микрофлору и консервируют белковую кормовую добавку, а также расщепляют избыточную клетчатку, повышая кормовую эффективность белковой добавки. В качестве консервантов (0,5-2%) используют органические или неорганические кислоты или микробные препараты на основе молочнокислых бактерий.
В заключение предлагаю вам посмотреть видео об эффективном применении биотехнологий для переработки органических отходов и очистки сточных вод:
Перспективные биотехнологии переработки органических отходов
Биотехнологии способны не только экологически безопасно переработать органические отходы, но и получить из них очень ценные виды продукции. Рассмотрим наиболее перспективные технологии:
- компостирование;
- анаэробное сбраживание с получением биогаза и органических удобрений;
- биологическая очистка сточных вод;
- производство биотоплив (биоэтанола и биодизеля).
Компостирование
Компостирование-это процесс переработки органических отходов под действием воздуха и микроорганизмов (содержатся в обычной почве). Для эффективного протекания этого процесса необходимы:
- оптимальное соотношение между углеродом и азотом в органических отходах;
- влажность 50-60%;
- наличие кислорода;
- почвенная микрофлора;
- помещение органических отходов в бурты для обеспечения оптимальной аэрации и температурных режимов.
Скорость процесса компостирования на начальной стадии невелика. Действуют мезофильные бактерии, приспособленные к низким температурам. Микробиологическое разложение органики сопровождается тепловыделением и смесь разогревается.
При увеличении температуры более 40 град. С мезофильные бактерии замещаются термофильными, которые более эффективно разлагают органику и скорость процесса возрастает. При росте температуры более 55 град. С погибают семена сорняков и патогенная микрофлора. Компост стерилизуется.
Когда температура превышает 65 град. С начинают погибать термофильные бактерии, температура компоста начинает снижаться. Вновь вступают в дело мезофильные бактерии. На этой стадии (вызревание компоста) органические вещества образуют комплексы (гумус, гуминовые кислоты), обеспечивающие уникальные питательные свойства компоста. Подробнее о протекании аэробной микробиологической переработки органики можно прочитать в статье «Компостирование органических отходов».
Анаэробное сбраживание с получением биогаза и органических удобрений
Анаэробное разложение органических отходов, которое вызывает столько негативных воздействий на полигонах, способно приносить пользу при грамотной организации процесса. При сбраживании без доступа воздуха в специальном реакторе органические отходы под действием различных колоний микроорганизмов разлагаются с выделением биогаза, содержащего 60-75% метана. После очистки биогаз используют в качестве топлива для получения тепла и электроэнергии.
В реакторе остаются твердые и жидкие фракции переработанной органики, представляющие собой ценное удобрение, способное значительно повысить урожай сельскохозяйственных культур. Таким образом, такая переработка является полностью безотходной и выгодной.
Биотехнологии в очистке сточных вод
Способность микроорганизмов разлагать органические отходы используется для биологической очистки сточных вод. Чаще применяется аэробная технология очистки, отличающаяся высокой производительностью. Для увеличения эффективности действия микроорганизмов сточные воды насыщают кислородом за счет специальной аэрации.
При высоком содержании органических загрязнений в сточных водах возможна анаэробная очистка. Меньшая производительность компенсируется более эффективным расщеплением органических отходов, а также возможность компенсации затрат на очистку за счет энергии от сжигания биогаза.
Производство биотоплива (биоэтанола, биодизеля)
Существующие темпы добычи и использования ископаемых топлив приводит к тому, что их разведанных запасов хватит лишь на несколько десятков лет. Поэтому во всем мире имеется устойчивый интерес к получению возобновляемых источников энергии, одним из которых являются биотоплива.
Основными видами жидких биотоплив являются биоэтанол и биодизель. Сырьем для биотоплив первого поколения служило сельскохозяйственное сырье. Биоэтанол производили из сахарного тростника, зерна, картофеля, кукурузы и др. Биодизель получали при переработке растительных масел (рапсового, соевого, пальмового и др.).
Сырьем для биотоплив второго поколения служат уже органические отходы (древесные отходы, лигнин, рисовая шелуха, опилки, осадки очистных сооружений и др.). Их переработка наиболее эффективна с помощью специальных штаммов микроорганизмов. При этом не только получаются биотоплива, но и решаются проблемы утилизации отходов. Однако, объемы их производства пока не сопоставимы с масштабами применения ископаемых топлив.
Решить эту проблему может помочь прямой фотосинтез с использованием микроводорослей (эффективность получения биотоплив превышает стандартные технологии почти в 100 раз). Микроводоросли могут существовать в морской воде, не пригодной для сельского хозяйства. Таким образом, развитие данной технологии не будет использовать ресурсы, необходимые для сельскохозяйственных целей. Эта технология уже получила промышленное применение, но пока используется для производства более дорогой продукции по сравнению с биотопливом (антиоксиданты, косметика, пищевые добавки и др.)
Заключение
Биотехнологии могут быть эффективно использованы для переработки органических отходов с получением ценной продукции, очистки сточных вод и почвы от органических загрязнений и для производства востребованной продукции (белковые корма для животных, биотоплива и др.).
