Анаэробный способ получения удобрений

Анаэробное сбраживание отходов — ферментативный процесс, идущий без доступа или с ограниченным доступом воздуха, в котором конечные продукты состоят в основном из диоксида углерода и метана. Метановое сбраживание служит эффективным средством защиты окружающей среды от загрязнения, а также способом получения биотоплива.

Производство биогаза метановым «брожением» отходов — одно из возможных решений энергетической проблемы в большинстве сельских районов.

Процесс метанового брожения может быть представлен в виде трех фаз [214]. В первой фазе высокомолекулярные органические соединения, такие, как полисахара, протеины и жиры в результате ферментативного гидролиза переводятся в растворимые высокомолекулярные органические оксисоединения или соли, после чего идет их сбраживание (гидролитическое расщепление) с образованием низкомолекулярных органических оксисоединений. Во второй фазе образуются летучие органические кислоты, а также водород, сероводород, аммиак. В третьей фазе происходит расщепление низкомолекулярных органических оксисоединений до метана и углекислого газа.

При добавлении к растительным отходам спиртовой барды значительно облегчается и ускоряется первая стадия брожения, так как четверть сухих веществ в барде составляют низкомолекулярные оксисое- динения.

Биохимические изменения, происходящие при метановом брожении, являются следствием жизнедеятельности различных физиологических групп анаэробных бактерий. При обработке отходов в целях получения биогаза процесс анаэробного сбраживания проводят как в присутствии естественной микрофлоры, находящейся в отходах, так и с внесением консорциума метановых бактерий.

Аппаратурное оформление процесса метанового брожения реализуется с применением водонепроницаемых цилиндрических цистерн (дайджесты или метантенки). Общая концентрация твердых веществ составляет 8—10 %. Смесь сбраживаемых материалов засевают аце- тогенными и метаногенными бактериями. Низкий pH подавляет рост метаногенных бактерий и снижает выход биогаза. Поэтому при использовании спиртовой барды в качестве разбавляющего агента для повышения pH следует добавлять известь. Оптимальная среда для процесса близка к нейтральной (pH = 6,0-НЗ,0). Процесс подавляет также избыток аммонийной формы азота. Оптимальное соотношение С : N должно быть порядка 30:1. Для достижения этого соотношения спиртовая барда является идеальным вторым компонентом для навоза и птичьего помета, поскольку в ней 80—90 % сухих веществ составляет органический углерод.

Процессы анаэробного сбраживания и образования биогаза ускоряет использование стимуляторов, например, добавление в питательную среду хлористого кобальта, сульфатов магния и марганца, солей никеля, в частности комплексного катиона никеля с азот- и углеродсодержащими лигандами (например, аммонийацетатом) или комплексного соединения никеля с азот-, углерод- и кислородсодержащим полиацетатным хелатообразующим лигандом, этанола в сочетании с 5,6-диметилбензи- лимидозолом [194]. Некоторые из перечисленных веществ содержит спиртовая барда, следовательно, компоненты барды будут стимулировать скорость метанового сбраживания и образования биогаза.

Процесс анаэробного сбраживания отходов эффективен также для получения биоорганических удобрений. Процесс проводят в закрытых аппаратах различной конструкции или в гуртах и компостных ямах.

Например, разработчики технологии [215] предлагают сочетание метанового анаэробного брожения с последующим аэробным сбраживанием остаточной органической массы. Органическое сырье загружается в метантенк, куда вносится определенное количество метано- бразующих бактерий, после окончания процесса образования метана массу выгружают, при этом процесс метанообразования прекращают на стадии усвоения метанообразущими бактериями 1/3—1/2 органики. Далее массу загружают в ферментер, куда вносят также дрожжевую закваску в количестве 3 % массы, осуществляя перед введением дрожжевой закваски предварительную продувку воздухом до насыщения кислородом в течение 10—15 мин. После введения дрожжевой закваски массу перемешивают и продувают воздухом при 25—30°С, выдерживают до полного аэробного сбраживания и выгружают аппарат. По данной технологии возможно использование двух отходов спиртового производства: спиртовой барды и дрожжевого остатка, который добавляют в качестве дрожжевой закваски.

Часто анаэробная обработка отходов сопряжена с процессом компостирования. Компостирование — это экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается анаэробно-аэробной биодеградации (или биодеградации с ограниченным доступом воздуха) смешанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности. В процессе биодеградации органический субстрат претерпевает физические и химические превращения с образованием стабильного гумифицированного конечного продукта. Этот продукт представляет ценность для сельского хозяйства как органическое удобрение и как средство, улучшающее структуру почвы [216].

Компостирование без усиленной принудительной аэрации является аэробно-анаэробным процессом, поскольку в бурте на глубине более 15 см недостаток кислорода лимитирует скорость аэробного процесса, а в глубинных слоях идут анаэробные процессы [217]. Когда органические отходы складывают для компостирования, то вследствие теплоизолирующего действия субстрата выделяемое в биологическом процессе тепло сохраняется, и температура достигает 60—70°С.

Процесс компостирования удобно разделить на 4 стадии: мезо- фильная, термофильная, остывание и созревание. В начале процесса отходы имеют температуру окружающей среды, pH — 7. В начальной мезофильной стадии микроорганизмы, присутствующие в отходах, начинают быстро размножаться, температура поднимается до 40°С, среда подкисляется в результате образования органических кислот. При увеличении температуры выше 40°С начинают гибнуть исходные мезо- филы и преобладать термофилы, температура поднимается до 60°С, грибы теряют активность. При дальнейшем повышении температуры продолжают развиваться спорообразующие бактерии и актиномицеты, pH среды повышается вследствие выделения аммиака при распаде белков. В течение термофильной фазы наиболее легко разлагаемые субстраты, такие, как сахара, крахмал, жиры, белки, быстро потребляются. Активность бактерий начинает падать, когда остаются более устойчивые субстраты. При этом скорость тепловыделения становится равной скорости теплопотерь, что соответствует достижению температурного максимума. В этой точке материал практически достигает стабильного состояния, перестает привлекать насекомых и дурно пахнуть. Наиболее активный биотермический процесс протекает в буртах при площадочном способе закладки птичьего помета, когда температура поднимается до 64°С.

В течение стадии остывания, которая следует за температурным максимумом, pH медленно падает. Термофильные грибы из более холодных зон вновь захватывают весь объем и вместе с актиномицетами потребляют целлюлозу и гемицеллюлозу, разрушая их до моносахаридов, которые быстро утилизируются разнообразными микроорганизмами. Скорость тепловыделения становится очень низкой, и температура падает до уровня окружающей среды.

Первые три стадии компостирования (мезофильная, термофильная, остывания) протекают очень быстро, в течение дней или недель, в зависимости от типа системы компостирования. Заключительная стадия — созревание, когда потери массы и тепловыделения малы, длится несколько месяцев. В этой стадии происходят сложные реакции между остатками лигнина из отходов и белками погибших микроорганизмов, приводящие к образованию гуминовых кислот. Компост не разогревается, в нем не происходят анаэробные процессы при хранении, он не отнимает азот у почвы при внесении в нее. Конечный pH компоста — слабощелочной [216]. Срок компостирования составляет 2—3 мес при весенне-летней закладке и 6—7 мес при осенне-зимней.

В настоящее время кроме традиционных органических удобрений начали применять компосты на основе птичьего помета, свиного навоза, навоза коров с использованием торфа, сапропеля и древесных опилок. Осваиваются технологии вермикомпостирования коровьего навоза, конского и птичьего пометов [218].

Компостирование позволяет обеззараживать навоз коров, птичий помет от патогенных и условно-патогенных микроорганизмов за счет биотермических и биолитических процессов. В процессе компостирования теряют жизнеспособность такие патогенные микроорганизмы, как кишечная палочка, стафилококки и даже устойчивый штамм Salmonella Dublin [217]. Надо отметить, что при совместном компостировании спиртовой барды и отходов время компостирования сокращается за смет наличия в смеси тех продуктов, которые образуются на первой стадии компостирования навоза (органические кислоты и др.).

Например, при компостировании навоза КРС навоз смешивают со спиртовой бардой до концентрации сухих веществ 80—90 %. Смесь укладывают слоями в виде пирамиды, перемежая слои смеси, растительных отходов и гидроксида кальция (3—4 %, до pH = 7^-8). Без использования спиртовой барды обычно применяют 5—10 % активирующих веществ. При совместном компостировании навоза и спиртовой барды добавление активаторов излишне. Смесь вылеживается в течение определенного времени. В результате химических реакций она разогревается до температуры 70—75°С, при которой происходит ферментация. После того как температура снизится до 50°С, смесь аэрируют и выдерживают при постоянном влагосодержании и указанной температуре в течение 13—14 сут в аэробных условиях, необходимых для ее более полного разложения. Микробиологический анализ показывает полное отсутствие патогенной микрофлоры.

Для компостирования бытовых отходов самый распространенным способом является быстрый метод компостирования, метод Дано, который применяется с середины 60-х годов в Дании и Германии для обработки городского мусора. Не размельченный, но отсортированный мусор, смачиваемый водой или сточными водами, подвергается разложению в специальных вращающихся барабанах (3—5 сут при 60°С). При башенном методе мелко размельченный мусор загружается вместе с подсушенными отбросами в специальные башни, где происходит перемешивание массы в течение 24—48 ч. Свежий компост подсушивается. Однако время от 24 до 36 ч недостаточно для настоящего компостирования. Необходимо дальнейшее дозревание в штабелях или реакторе. Замена орошаемой воды или сточных вод спиртовой бардой, богатой питательными компонентами и не содержащей ядовитых веществ, позволит повысить питательную ценность получаемого удобрения и ускорить процесс компостирования.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >