Биологическая обработка органических отходов

В настоящее время разработаны и развиваются современные технологии по очистке бытовых, промышленных и сельскохозяй­ственных отходов. Наибольший интерес представляют (и имеют перспективу) естественные и самые дешевые биологические методы очистки, представляющие собой интенсификацию природных процессов разложения органических соединений микроорганизмами в аэробных или анаэробных условиях. Наряду с ними развиваются физико-химические методы фильтрации, осаждения, флотации, электрокоагуляции и др., которые применяются для очистки стоков различных видов промышленности с извлечением по возможности из них полезных продуктов.

Ниже рассмотрены современные технологии обработки бытовых, промышленных и сельскохозяйственных отходов.

Характеристика отходов. Органические отходы в соответствии с источником подразделяются на бытовые, промышленные и сельскохозяйственные, а по физическому состоянию – на жидкие (сточные воды), полужидкие текучие (осадки сточных вод и полужидки навоз) и твердые (бытовой мусор, подстилочный навоз). Для характеристики отходов используются специальные определения:

Абсолютно сухая масса (АСМ) – для твердых и полужидких отходов (%), или общие взвешенные вещества (ОВВ) – для сточных вод (г/кг, мг/л) – масса сухих веществ (органических и не­органических) в отходах, определенная при высушивании образца до постоянной массы при 110 °С.

Летучие вещества (ЛВ) (г/кг, мг/л) – часть загрязнений, удаляемых сжиганием при 600 – 650 °С; представлены в основном органическими веществами и включают микробную биомассу.

Зольность (г/кг, мг/л) – оставшаяся после сжигания часть – зола (минеральные соли). В сумме зольность и ЛВ дают АСМ.

Химическое потребление кислорода (ХПК) (мг/л) – количество кислородных эквивалентов, необходимое для полного химического окисления органических и неорганических загрязнений до CO₂, например бихроматом калия в концентрированной сер­ий кислоте при 160 °С. Если загрязнения в сточной воде представлены органическими веществами, то концентрация их близка , значению ХПК.

Биологическое потребление кислорода (БПК) (мг/л) – количество кислородных эквивалентов, необходимое для окисления органических и неорганических загрязнений до СО₂ микроорга­низмами активного ила при 25 °С , за определенное время, обычно 5 (БПК₅) или 20 дней (БПК_полное).

В большинстве развитых стран мира стоимость очистки или сброса сточных вод промышленных предприятий и бытовых в центральную канализацию или водоем определяется величинами ХПК и БПК в стоках. Содержание и характер загрязнений в сточных водах промышленных предприятий сильно варьируют в зависимости от происхождения стоков. Даже для одного типа промышленных производств стоки могут различаться по концентрации загрязнений в зависимости от технологий, применяемых на предприятиях. В целом российские промышленные предприятия производят в 3 – 10 раз более разбавленные стоки, чем аналогичные производства Западной Европы. Традиционно в быту и на предприятиях нашей страны используется большое количество чистой воды. С увеличением дефицита чистой воды и резким повышением цен на воду промышленные предприятия вынуждены менять технологические схемы. Это означает, что они будут производить более концентрированные стоки.

Принципы биологической обработки отходов.Обработка отходовподразумевает биологическое разложение органических соединений. В случае очистки сточных вод содержащиеся в них загрязнения должны быть практически полностью удалены. По существующим нормам содержание органических веществ в очищенной воде не должно превышать 10 мг/л.

Деградация органических веществ осуществляется микроорганизмами как в аэробных, так и в анаэробных условиях, с разными энергетическими балансами суммарных реакций.

Аэробный процесс При аэробном биоокислении глюкозы 59 % энергии, содержащейся в ней, расходуется на прирост биомассы и 41 % составляют тепловые потери:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ —> 6СО₂ + 6Н₂О + микробная биомасса + теплота.

Аэробное микробное сообщество представлено разнообразными микроорганизмами, в основном бактериями, окисляющими различные органические вещества в большинстве случаев независимо друг от друга, хотя окисление некоторых веществ осуществляется путем соокисления (кометаболизм).

Преимущество аэробного процесса состоит в высокой скорости использовании веществ в низких концентрациях, недостаток – в образовании большого количества микробной биомассы. Аэробный процесс используется при очистке бытовых, некоторых промышленных и свиноводческих сточных вод с ХПК не выше 2000 мг/л. Компостирование твердых отходов также является аэробным процессом.

Анаэробный процесс При анаэробной деградации глюкозы с образованием метана лишь 8 % энергии расходуется на прирост биомассы, 3 % составляют тепловые потери, 89 % переходит в метан:

С₆Н₁₂О₆ —> 3СН₄ + 3СО₂ + микробная био­масса + теплота.

Анаэробная деградация органических веществ при метаногенезе осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором необходимо участие по меньшей мере четырех групп микроорганизмов: гидролитиков, бродилыциков, ацетогенов и метаногенов. В анаэробном сообществе между микроорганизмами существуют тесные и сложные взаимосвязи, имеющие аналогии в многоклеточных организмах, поскольку ввиду субстратной специфичности метаногенов их развитие невозможно без трофической связи с бактериями предыдущих стадий. В свою очередь, метаногены, используя вещества, образуемые первичными анаэробами, определяют скорость реакций, осуществляемых этими бактериями.

Преимущество анаэробного процесса заключается в относительно незначительном образовании микробной биомассы, возможности обработки концентрированных стоков, а также в образовании энергоносителя – метана. К недостаткам следует отнести невозможности удаления органических загрязнений в низких концентрациях, и для глубокой очистки анаэробную обработку следует использовать в комбинации с последующей аэробной стадией.

Выбор технологии и особенности обработки отходов определяются их физическим состоянием и содержанием органических загрязнений.