Почвенный метод. 
Твердые отходы: технологии утилизации, методы контроля, мониторинг

Почвенный метод может быть отнесен к биологическим методам обезвреживания, так как рассчитан на естественную переработку органической составляющей почвенными микроорганизмами с последующим отделением водной фазы. Метод заключается в прямом использовании навозных стоков в качестве органического удобрения с целью повышения урожайности и экономии минеральных удобрений. Внесение жидкого навоза может проводиться по бороздам с последующей запашкой или с помощью поверхностного полива, при этом допустимый расход стоков не должен превышать 50 т на 1 га.

В почве интенсивно проходят процессы самоочищения: уже через месяц после внесения коли-титр и титр энтерококков во всех горизонтах понижаются на один-два порядка, при этом супесчаные почвы лучше адсорбируют микроорганизмы, чем суглинистые.

Площадь обрабатываемых таким образом участков зависит от поголовья и вида скота, способа удаления и обработки навоза, режимов орошения и севооборота. Однако при таком методе утилизации происходит загрязнение почвы и поверхностных вод патогенной микрофлорой (бактериями, вирусами, простейшими), в том числе яйцами гельминтов, которые в почве сохраняют жизнеспособность почти в 4 раза дольше, чем в жидком навозе. Степень загрязнения зависит от кумулятивной способности и структуры почвы; от поверхностного стока и уклона участка; уровня инсоляции; количества выпадающих осадков, а также от сроков внесения и количественного и качественного состава навоза. Заведомо инфицированный навоз необходимо обеззараживать до внесения в почву.

При использовании навоза в качестве органического удобрения без предварительной биологической обработки необходимо соблюдать следующие требования:

• • подготовленный навоз вносить в почву до наступления морозов большими дозами с периодичностью 2—3 года;
• • не заделывать навоз в почву на площадях, с которых возможен поверхностный сток в открытые водоемы;
• • учитывать структурообразующие свойства и потенциал самоочищения почв.

Биохимические методы очистки и обеззараживания навозных стоков основаны на биохимической деструкции и минерализации органических веществ микроорганизмами и приводят к образованию нерастворимой твердой фазы и газообразных форм соединений. Биохимические методы можно классифицировать в зависимости от условий протекания процесса как:

• • аэробные (протекающие в присутствии кислорода воздуха) и анаэробные (протекающие без доступа воздуха);
• • мезофильные, термофильные и термотолерантные (в зависимости от температуры процесса).

Устройства, обеспечивающие эффективное протекание биохимических процессов, подразделяются на накопительные (аэротенки, метантенки, отстойники, биологические пруды, биоплато и т. д.) и проточные (биофильтры). Для эффективного протекания биохимических процессов должна быть обеспечена определенная кислотность среды, изменяющаяся в достаточно жестких интервалах (pH = 6,5-^8,5).

Для развития, размножения и успешного функционирования микроорганизмов в аэробных условиях в аэротенках или отстойниках обеспечивается высокая концентрация кислорода за счет принудительной аэрации воздухом или воздушной смесыо, обогащенной кислородом. При этом в составе активного ила, представляющего собой сообщество различных микроорганизмов (бактерий, простейших, водорослей, грибов и др.), в зависимости от условий процесса быстрее размножается группа микроорганизмов-аэробов (термофильных или мезофильных), которая осуществляет основную обработку. Остальные микроорганизмы в этом случае являются сопутствующими, поскольку снабжают основную группу питательными веществами. К достоинствам аэробной переработки можно отнести практически полное отсутствие неприятного запаха, кроме того, способ микробиального размножения протекает по более простому механизму и поэтому лучше адаптирован к изменяющемуся составу навозных стоков. Во время процесса окисления происходит саморазогревание массы до 6(Н70°С, т. е. одновременно осуществляется дезинфекция.

При недостатке растворенного кислорода в обрабатываемой массе происходит анаэробное брожение, которое в зависимости от механизма протекающих процессов и состава образующегося биогаза может быть метановым или водородным. При температуре массы 3(Н35°С в биоценозе преобладают мезофильные анаэробы, а при 5(Н55°С — термофильные. В практике также используется промежуточный метод — термотолерантный, протекающий при температуре 40 °C. С повышением температуры увеличивается активность микроорганизмов-метаногенов и, следовательно, повышается скорость разложения. Однако выбор температурного режима процесса метаногенерации зависит также от многих других факторов: климатических и экономических условий; требований к качеству и назначению конечной биомассы (степени обеззараживания); требуемого процентного содержания и степени загрязненности метана в составе биогаза.

Метановое сбраживание (метаногенерация) — многостадийный биохимический процесс, протекающий в сообществе микроорганизмов, связанных взаимными трофическими связями. Схема механизма метанового сбраживания представлена на рис. 6.2. В состав популяции входят пять видов анаэробных бактерий, в том числе: кислотогены, два вида ацетогенов и два вида метаногенов. Благодаря такому видовому разнообразию в процессе брожения могут успешно перерабатываться практически все естественные органические соединения (кроме лигнина).

Рис. 6.2. Схема механизма метанового сбраживания:

Участвующие группы бактерий: а — ферментативные кислотогены; б — ацетогены, образующие Н₂; в — ацетогены, использующие Н₂; г — метаногены, восстанавливающие С0₂; д — метаногены, использующие ацетат.

Стадии процесса: 1 — гидролиз; 2 — кислотообразование; 3 — образование уксусной кислоты; 4 — образование метана В состав выделяющегося биогаза, состоящего в основном из метана и водорода, входят также диоксид углерода, сероводород и меркаптаны. Процесс брожения происходит по одному принципу при использовании разных видов органического сырья. Так, анаэробное метановое сбраживание успешно применяется для обеззараживания и переработки осадков и илов коммунально-бытовых сточных вод. Методы утилизации и обеззараживания осадков бытовых стоков будут подробно рассмотрены в параграфе 6.4.

Таким образом, в качестве сырья для анаэробной переработки могут использоваться любые органиксодержащие отходы, в том числе отходы коммунально-бытового хозяйства, сельскохозяйственного производства и перерабатывающей промышленности:

• • осадки бытовых сточных вод;
• • органическая составляющая твердых бытовых отходов (пищевые и бумажные отходы);
• • органические отходы (навоз) ферм крупного рогатого скота, свиноферм, птицеферм;
• • отходы кормового стола — силос и подстилка;
• • отходы боен, рыбных и мясных цехов;
• • отходы после переработки зерна и овощей;
• • отходы маслои молокозаводов;
• • отходы производства вин, соков и концентратов;
• • отходы сахарных заводов.

Навоз сельскохозяйственных животных является наиболее подходящим сырьем для переработки, однако его выход, состав и свойства зависят от вида животных, типа кормления, содержания и вида уборки. Существует несколько технологий, использующих принцип анаэробного сбраживания. Традиционная технология переработки навозных стоков заключается в том, что жидкие отходы влажностью не менее 89% накапливаются в сборнике исходного сырья, после чего твердые фракции отделяются с помощью центрифугирования, а жидкая фаза стабилизируется по гранулометрическому составу и поступает на анаэробное сбраживание в метантенке (рис. 6.3).

Твердые фракции подвергаются ускоренному компостированию (методы компостирования будут рассмотрены далее), а биогаз накапливается в газгольдере и используется на собственные и бытовые нужды. Основная проблема заключается в высоком содержании соединений азота, фосфора и микроэлементов (меди, цинка и др.) в воде после сбраживания, что затрудняет дальнейшее использование воды, поэтому большинство предприятий сбрасывает загрязненные стоки в канализацию или непосредственно в водный первоисточник.

Другой пример современной биогазовой станции — это комплекс инженерных сооружений, обеспечивающих сбраживание биомассы без предварительного обезвоживания и состоящий из устройств (рис. 6.4): подготовки сырья; производства биогаза и удобрений; очистки и хранения биогаза; производства электроэнергии и тепла; автоматизированной системы управления станцией.

Стандартный комплекс оборудования для переработки биомассы включает:

• • механическое оборудование для подготовки сырья, состоящее из мешалки и объемного насоса с измельчителем;
• • метантенки со встроенными газгольдерами и системой подогрева;
• • систему изоляции наружного покрытия емкостей;

Рис. 6.3. Традиционная схема переработки органического сырья при производстве биогаза и тепловой энергии¹

• • трубопроводы подачи, дренажа и слива;
• • смотровые люки, систему безопасности и системы контроля давления и газовой смеси;
• • оборудование для обессеривания;
• • блок управления и контроля режимов работы ферментаторов;
• • станцию осушки и компримирования газа;
• • резервуары для хранения органического удобрения;
• • контейнерный модуль биогазотеплоэлектростанции.^[1]

Рис. 6.4. Биогазоэнергетическая установка в Калужской области

Автоматический блок управления обеспечивает возможность дистанционного контроля работы электростанции, включая теплообменники, автоматическое регулирование подачи газа, управления и контроля системы охлаждения двигателя, и распределение теплового циркулирования.

Такое оборудование позволяет не только получать биогаз с высоким содержанием метана (от 55 до 70%) и низким содержанием сернистых соединений, но и обеспечивать стабильность работы за счет контроля основных параметров процесса (давление газа, температура и равномерность подачи субстрата, частота и равномерность перемешивания). Например, получаемая электрическая мощность биогазотеплоэлектростанции при объеме метантенков 2400 м³ составляет 160 кВт, тепловая мощность — 240 кВт при выходе биогаза 4800 м³/сут, что позволяет перерабатывать 120 м³ бесподстилочного навоза в сутки и обеспечивать теплом и энергией ферму и поселок.

Более современная технология утилизации навозных стоков существенно отличается от классической технологии сбраживания отходов животноводческих комплексов. В России корпорацией «ГазЭиергоСтрой» разработана безотходная технология переработки птичьего помета, предполагающая строительство установок под землей, благодаря чему обеспечивается одновременная ферментация всего субстрата в постоянном заданном температурном режиме без применения дополнительной термоизоляции^[2]. Переработка субстрата не требует использования мешалок, так как осуществляется прямоточным способом. После ферментации и отделения биогаза жидкая фракция подвергается вторичной химической обработке, что позволяет снизить общее солесодержание и содержание азота в водной фазе, а также получить ценное минеральное удобрение — сульфат аммония; очищенная вода подается обратно в установку. Таким образом, обеспечивается замкнутый цикл переработки отходов, а использование воды снижается в 6 раз по сравнению с традиционной технологией.

Отходы растениеводства (стебли, листья, корни и др.), а также растительная подстилка (главным образом, солома) также являются перспективным сырьем для метанового сбраживания, однако традиционно запахиваются в верхний слой земли, что вследствие высокого содержания в отходах углерода нарушает биологическое равновесие чернозема.

Подробнее следует остановиться на экологических аспектах работы биогазоэнергетической установки. Согласно проведенным исследованиям общее содержание органических веществ в воздухе на территориях ферм превышает 18,0 мг/м³. Неприятные запахи распространяются в радиусе 5—17 км и далее. В атмосферном воздухе обнаруживается аммиак в концентрациях, превышающих ПДК в 5—6 раз, микробное и общее органическое загрязнение в 8—10 раз превышает фон. Обычно на агропромышленных предприятиях используются три основных метода обработки навозсодержащих сточных вод: утилизация па земледельческих полях орошения, очистка с целью подготовки для сброса в водоемы и комплексная переработка с получением вторичных кормовых и энергетических ресурсов.

Включение биоэнергетических установок в производственный цикл современных хозяйств агропромышленного комплекса России способствует внедрению ресурсосберегающих технологий, так как позволяет:

• • утилизировать отходы производства сельскохозяйственной, и в том числе животноводческой продукции, используя принципы малоотходного производства;
• • улучшать экологическую обстановку путем сокращения выбросов органических веществ, в первую очередь меркаптанов, в атмосферный воздух, тем самым устраняя неприятный запах;
• • уменьшать негативное воздействие животноводческих стоков на почву, водные и биологические объекты;
• • получать дешевые, экологически чистые и эффективные органические удобрения за счет девитализации (подавления всхожести семян сорняков), обеззараживания и дегельминтализации навозных масс и повышать тем самым урожайность сельскохозяйственных культур;
• • обеспечивать процесс восстановления и увеличения естественного плодородия почв;
• • улучшать санитарно-гигиеническую обстановку на предприятии и на прилегающих территориях;
• • рационально использовать энергию биомассы (органических отходных продуктов животноводства, птицеводства, земледелия) с вовлечением в энергобаланс дополнительного нетрадиционного и возобновляемого источника энергии в виде горючего биогаза, тем самым получать дополнительные энергетические ресурсы;
• • сокращать временной цикл, энергои капитальные затраты систем обработки навоза сравнительно с типовыми сооружениями.

Исследования и расчеты показывают, что в России достаточно сырья для организации промышленного производства биогаза из органических отходов. Например, согласно данным расчетов авторов работы [18], производство электроэнергии из биогаза может покрывать до 7% общих потребностей в регионах с неблагоприятными климатическими условиями и до 27% — в традиционных сельскохозяйственных регионах.

• [1] URL: http://wwv.rosbiogas.ru/tehnologija-poluchenija-biogaza.html (дата обращения:27.13.2014).
• [2] 2 URL: http://newsland.com/news/detail/id/1 260 536/ (дата обращения: 27.03.2014).