Основные стадии биодеградации ТБО

Отходы, попадая на полигон ТБО, трансформируются в пространстве и во времени [17]. При этом происходят физико-химические и биологические процессы, в результате которых образуется жидкая и газообразная фазы (фильтрат и биогаз), содержащие высокие концентрации поллютантов. Попадание этих продуктов во внешнюю среду может привести к нежелательным последствиям.

Для описания процессов распада орга­нических веществ на свалке ТБО можно воспользоваться схемой биодеструкции ТБО, предложенной Баркером. По этой схеме процесс разложения органи­ческой фракции состоит из двух фаз – аэробной и анаэробной, включающей гидролиз, ацетоногез и метаногез, последо­вательно сменяющих одна другую [18].

Основным конечным продуктом распада органических веществ анаэробной кислой фазы являются жирные органические кислоты ряда предель­ных углеводородов (НЖК), которые обуславливают кислую реакцию этой фазы. Осуществляют эту фазу бактерии, относящиеся к факуль­тативным анаэробам (молочнокислые, уксуснокислые, пропионово-кислые бактерии и т.п.) и к облигатным анаэробам (маслянокислые, целлюлозные, ацетонобутиловые и др.) [19].

Следующую фазу анаэробного процесса называют щелочной или метановой. Ре­акция среды - щелочная (рН=7, 6-8, 0). Продукты распада кислой фазы перерабатываются бактериями метановой фазы с образованием в основ­ном углекислоты и метана. Бактерии этой фазы - облигатные анаэро­бы - метанобразующие.

Реакции, характеризующие химизм процесса, представлены ниже по этапам разложения веществ:

- Гидролиз отходов

- Кислотная фаза

- Метановая фаза

В начальной стадии разложения ТБО преобладают аэробные процессы, в ходе которых наиболее лабильные молекулы быстро раз­рушаются рядом беспозвоночных (клещи, двупароногие, равноногие, нематоды) и микроорганизмов (грибы, бактерии и актинамицеты) [20]. Первая стадия аэробной деградации органических веществ сильно варьируется и частично зависит от предобработки отходов, которая может менять степень доступности кислорода. На этой ста­дии (рисунок 2.1, фаза I) [21] верхние слои полигона вовлечены в аэробный процесс, куда кислород поступает со свежей порцией отхо­дов и с дождевой водой, при этом протеины превращаются в амино­кислоты, аминокислоты - в СО₂ и воду.

Нитраты и сульфаты - типичные катоболиты всех аэробных процессов. Жиры гидролизуются с образованием жирных кислот и глицерина, которые далее разлагаются до простых соединений через образование промежуточных летучих кислот и щелочей. Целлюлоза, составляющая большую часть органических отходов, разлагается под действием экстрацеллюмерных энзимов до глюкозы, которая за­тем используется бактериями и преобразовывается до СО₂ и воды [22].

На протяжении аэробной стадии разложения ТБО вследствие протекания экзотермических реакций биологического окисления ус­танавливается высокая температура (до 80 °С), особенно, если отходы не утрамбованы [23]. Увеличение температуры, с одной стороны, увеличивает активность и скорость роста микроорганизмов, а с дру­гой стороны, отрицательно влияет на растворимость кислорода.

Уменьшение молекулярного кислорода и одновременное накоп­ление диоксида углерода приводят к замедлению тепловыделения и к увеличению сначала факультативных, а затем и облигатных анаэро­бов (рисунок 1.3, фаза II). Так как большинство бактерий нуждается в определенных акцепторах электронов, то эта последовательность приводит к существенным изменениям в составе микробной популя­ции. Виды, способные использовать более окисленные акцепторы, получают термодинамические и, следовательно, кинетические пре­имущества.

При переходе процессов на полигоне ТБО из кислотной в мета­новую фазу (рисунок 2.1, фазы III, IV) значительно меняется состав выде­ляющихся газов. Содержание СО₂ в метановой фазе не более 30-35%, метана 60-65 %, азота не более 1 -2 %.

Для аэробной среды в окислительно-восстановительных процес­сах конечным акцептором является кислород, а при ферментации - органическое соединение, образующееся в результате перехода водо­рода из одной органической молекулы в другую.

На старых полигонах, когда в отходах остается только более стойкий органический углерод в верхнем слое полигона, начинается вторая аэробная стадия (рисунок 2.1, фаза V). В этой стадии скорость об­разования метана настолько мала, что начинается диффузия воздуха из атмосферы, которая ведет к росту аэробных зон и зон, в которых окислительно-восстановительные потенциалы слишком высоки для формирования метана.

Рисунок 2.1 – Изменение характеристик газа ТБО со временем: I фаза - аэробная стадия; II фаза - первая анаэробная стадия; III фаза - вторая анаэробная стадия; IV фаза - третья анаэробная стадия; V фаза - вторая аэробная стадия;

Состав фильтрата определяется механизмами, регулирующими массообмен между отходами и проникающей водой, которые можно разделить на три категории:

- гидролиз твёрдых отходов и биологическое разложение;

- растворение солей, содержащихся в отходах;

- выпадение нерастворимых солей в осадок.

Выделяют три различные стадии при анаэробном разложении отходов. Первой стадией (рисунок 2.2, а, б фаза II) анаэробного разложе­ния является кислотное брожение, которое вызывает понижение рН фильтрата, повышение концентраций летучих кислот и неорганиче­ских ионов (Сl^-, SO₄^2-, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺). Начальное высокое содержание сульфатов понижается при падении окислительно-восстановитель­ного потенциала.

Снижение рН фильтрата происходит в результате образования большого количества летучих кислот и высокого парциального дав­ления СO₂. Образующиеся сульфиды осаждают ионы тяжелых метал­лов, которые были растворены в фильтрате при кислотном брожении [24].

Анаэробный процесс вызывается популяцией смешанных ана­эробных микробов, состоящей из строго анаэробных и факультативно анаэробных бактерий.

Вторая стадия анаэробного разложения (рисунок 2.2, а, фаза III) явля­ется промежуточной и начинается с медленного роста метаногенных бактерий. На рост этих бактерий может оказать влияние токсическое действие высоких концентраций органических летучих кислот (6000-16000 мг/л). Содержание метана в газе повышается, тогда как содер­жание водорода, углекислого газа и летучих жирных кислот снижает­ся.

Третья стадия анаэробного разложения (рисунок 2.2, фаза IV) харак­теризуется метановым брожением, вызванным метаногенными бакте­риями. В этой стадии фильтрат характеризуется близким к нейтраль­ным значением рН среды (6-8), низким содержанием летучих жирных кислот и растворенных веществ, содержание метана в этой стадии обычно превышает 50% в общем составе выделяющихся газов [25].

Рисунок 2.2 – Изменение характеристик фильтрата ТБО со временем: I фаза - аэробная стадия; II фаза - первая анаэробная стадия; III фаза - вторая анаэробная стадия; IV фаза - третья анаэробная стадия; V фаза - вторая аэробная стадия;

Концентрация солей в воде и их состав являются важными па­раметрами для жизни бактерий, осуществляющих процесс разложения отходов. Ионы щелочных металлов при высокой концентрации могут быть токсичны для жизнедеятельности микроорганизмов: предельно допустимая концентрация ионов составляет 3, 5-5 и 2, 5-4 г/л для натрия и калия соответственно, а по данным [26], по задерживающему действию на развитие микроорганизмов элементы располагаются в следующий ряд: Na⁺> К⁺> NH₄⁺> Mg²⁺> Са²⁺> Ва²⁺> Mn²⁺> Fe³⁺> Al³⁺> Pb²⁺> Сu²⁺> Hg²⁺> Аu²⁺. Сильными ядами для микробов являются также некоторые органические соединения, такие как фенолы, спир­ты и т.д.

Таким образом, в массиве свалочного мусора, где источником вещества в фильтрате служат продукты разложения бытовых отходов и выделяющиеся газы, живые организмы (преимущественно микроор­ганизмы) являются непосредственными или косвенными участниками всех сложных превращений: продукты разложения - фильтрат - биогаз - живое вещество.

Микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности (ферменты и пр.) обуславливают разрушение и возможность полного или частичного перехода в раствор практически всех твердых веществ, содержащихся на свалке, формируя, таким образом, состав фильтрата свалки [25].

Общая схема разложения органических отходов с образованием биогаза в качестве конечного продукта представлена на рисунке 2.3 [27].

Рисунок 2.3 – Общая схема протекания биохимических процессов в теле полигонов (свалок) ТБО