Для большинства основных видов крупнотоннажных твердых отходов описаны экономически целесообразные технологии их утилизации на основе традиционных приемов процессов и аппаратов химической технологии.
В учебном пособии изложены различные методы переработки твердых отходов, позволяющие узнать и овладеть этими методами. Механические способы подготовки включают измельчение, классификацию, дозирование, перемещение, смешение и укрупнение. Освещены вопросы обогащения твердых отходов при помощи гравитации и флотации. Рассмотрены физико-химические методы выделения веществ при участии жидкой фазы – выщелачивание (экстрагирование), включая биосорбцию, кристаллизация. Описаны методы термической переработки промышленных и бытовых отходов – газификация, пиролиз, огневые методы. Подробно изложены вопросы биотехнологической переработки органических отходов, рассмотрены источники образования этих отходов [6, 8, 9]. Освещены вопросы получения белково-витаминных добавок [8, 9], компостирования [18], анаэробного сбраживания и метаногенерации [10], силосования при утилизации органических отходов. Приведены примеры переработки хлорорганических отходов, кислых гудронов, металлсодержащих шламов, отходов газификации топлив, резинотехнических изделий, пластмасс, отходов горнодобывающей промышленности.
В работе представлен обширный материал по утилизации твердых отходов биотехнологическими приемами.
Рассмотрены отходы, пригодные к биологической переработке [3, 6].
Древесина и ее компоненты: целлюлоза и гемицеллюлоза, лигнин, кора. Из 200 млрд т (по сухому веществу) годового прироста биомассы на земном шаре около 120 млрд т приходится на древесину. Ежегодно в мире заготавливается около 2 млрд т древесины, из которых 45% расходуется на топливо, 40% – на производство пиломатериалов, 15% – перерабатывается в химической и биотехнологической промышленности (в основном в виде отходов деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности) [3, 6].
Отходы целлюлозно-бумажной промышленности (предгидролизаты, сульфитный щелок, технический лигнин) и сельского хозяйства (солома, кукурузная кочерыжка, рисовая шелуха, подсолнечная лузга и др.) [3, 4, 6].
Отходы перерабатывающей промышленности: сахарной, крупяного производства, крахмало-паточной, спиртового, винодельческого и пивоваренного производств, плодоовощного производства, мясной, птицеперерабатывающей, рыбной, кожевенной и меховой, масложировой, табачной, эфиро-масличного производства, производства пищевых кислот, молочной [2, 3, 6].
Твердые бытовые отходы (ТБО), отходы животноводства, отходы от очистных сооружений, донные ил и осадки.
Из различных биологических методов переработки отходов наиболее широко используются микробиологические. Способность микроорганизмов и их ферментов потреблять органические вещества различного строения, разлагать или трансформировать природные биополимеры лежит в основе получения многих полезных продуктов микробиологического синтеза и переработки отходов.
Микроорганизмы обладают высокой скоростью накопления биомассы, которая в 500 – 5000 раз выше, чем у растений или животных. Микробные клетки способны накапливать очень большое количество белка (дрожжи – до 60%, бактерии – до 75% по массе). Белок биомассы дрожжей и бактерий полноценен по аминокислотному составу, содержит целый ряд биологически активных веществ (витаминов, кофакторов и т.п.), что определяет его высокую кормовую ценность. При исследовании микробной биомассы была выявлена ее чрезвычайно высокая эффективность для мясного и молочного животноводства и птицеводства. Кормовые дрожжи содержат в 5 раз больше белка, чем ячмень или овес. Кроме того, в дрожжах имеются практически все витамины группы В и целый ряд ростовых веществ. Одна тонна кормовых дрожжей (в сухом виде) обеспечивает экономию до 7 т зерна и дополнительное производство 0,8 т свинины, 5 т мяса птицы или до 15 тыс. штук яиц [1, 3, 7, 19].
Показаны возможные варианты переработки растительного сырья и целлюлозосодержащих отходов (рис. 1).
Рис. 1. Биоконверсия растительного сырья в полезные продукты
К наиболее крупномасштабным промышленным микробиологическим процессам переработки органических отходов относятся: получение кормовых продуктов, обогащенных микробным белком, силосование, компостирование, анаэробное сбраживание, биоконверсия в топливо (в этанол, получение биогаза – метаногенерация, прямая конверсия в тепло) [3, 5, 14, 15, 16, 18].
Технология микробиологической конверсии отходов в кормовой белок
Основной стадией промышленного биотехнологического производства является собственно стадия ферментации [17, 20]. Исходя из принципиального решения этой стадии, а также характера целевого продукта, требований к его чистоте, содержанию примесей, строится и вся технологическая схема производства. Типовая схема, основные стадии и реализующие их технологические процессы представлены на рис. 2.
Рис. 2.
Дано описание процесса компостирования, как экзотермического процесса биологического окисления органического вещества, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов. Искусственное компостирование, как правило, происходит в аэробных условиях.
В процессе биодеградации под действием естественной микрофлоры – мезофильных и термофильных бактерий – окисляется до 60% органического вещества. Конечный продукт компостирования в виде гумифицированного стабилизированного, обеззараженного сыпучего продукта, пригоден для дальнейшей утилизации. Компостирование механически обезвоженных или подсушенных на иловых площадках осадков получило широкое применение.
Показаны преимущества компостирования с принудительной аэрацией, подробно изложена технология. Описан выход компоста в процессе компостирования и его состав [3, 6, 11, 14, 18].
Анаэробное сбраживание и метаногенерация
Описан процесс анаэробного сбраживания при переработке, обезвреживании и уменьшении объемов биомассы различного происхождения, отходов животноводческих и птицеферм, осадков очистных сооружений, бытовых отходов, целлюлозо-, белок-, жиросодержащих и других материалов с большим содержанием органических веществ. Органическое вещество минерализуется в процессе метаногенерации с образованием биогаза. Образующийся биогаз может быть утилизирован на энергетические и тепловые нужды [10, 11, 12, 13].
Метаногенерация – сложный, многостадийный процесс, в котором исходные органические вещества последовательно превращаются в более простые с переходом значительной части углерода в метан и углекислый газ и в иловую жидкость. Биохимические и микробиологические особенности анаэробного разложения органических веществ в стоках и отходах изучены достаточно хорошо, что позволяет осуществлять эффективные биотехнологические процессы. Описаны стадии метанового разложения гидролиза, кислотную (ацидогенную), ацетогенную и четвертую, метаногенную, стадию (стадию газообразования).
