Реферат: Переработка ТПО** и ТБО после проведения сепарации ТБО по группам

Поэтому, в течение многих лет, начиная с 1976г. с некоторыми перерывами нами проводились исследования по возможности использования следующих органических материалов природного происхождения для внесения в почву. Нами была исследована возможность внесения следующих компонентов:

1.            Твердых целлюлозно-бумажных отходов (ТЦБО) и твердых отходов производства сложных эфиров целлюлозы (ТОПСЭЦ).

2.            Твердых производственных отходов древесины (ксилемы) в виде опилок, стружки и дробленой древесной коры, т.е. твердых древесных отходов (ТДО).

3.            Волокнистых отходов производства хлопковой целлюлозы, применяемой для производства сложных эфиров целлюлозы для пластмасс.

4.            Части твердых бытовых отходов (ТБО), состоящих из отходов бумаги, картона, древесины и пищевых отходов.

Было исследовано влияние введения этих материалов на изменение внешнего вида, на изменение структурного вида почвенного слоя, на появление и усиление комковатости исходных бесструктурных глинистых почв. Разумеется ниже описываемые эксперименты не являются этапом проведения экологической биотехнологии, а являются предварительным исследованием.

Экспериментально нами было установлено и подтверждены данные других исследователей, что кусочки различных препаратов целлюлозы, а также измельченные до 2-4 см листы бумаги и картона, пищевые отходы, в т.ч. мелкие кости рыбы и птицы измельченные до размера 2-5 см, заложенные в бесструктурную пластовую глинистую почву осенью (сентябрь-октябрь) при влажной погоде, пролежав осень и зиму к весне перегнивают. На месте закладки отходов весной всегда наблюдались колонии диких дождевых червей Annelida и всегда (обычно в конце апреля) образовывались на месте грубой некультивированной, бесструктурной почвы, не содержащей комочков очаги комковатости и одновременно изменялся цвет пластовой глины из коричневого становился более темный. В самом начале первых испытаний вместе с целлюлозными волокнами из бумаги, картона, хлопкового линта закладывались кусочки сложных эфиров древесной и хлопковой целлюлозы (СЭД и ХЦ) с массовой долью связанной уксусной кислоты 50-57%, ацетобутираты целлюлозы для алюнита и пластмасс, ацетофталаты целлюлозы. При этом СЭД и ХЦ имели слабую кислотность (рН 4-5). Размеры СЭД и ХЦ были до 4-5 см по максимуму. В течение трех лет подряд были подтверждены данные Имшенецкого о том, что процесс разложения СЭД и ХЦ идет сравнительно медленно. При этом при наличии в почвенном слое смеси целлюлозы (в виде бумаги, хлопка или картона), а также при наличии в том же месте СЭД и ХЦ всегда наблюдается так называемый диакустический рост. Т.е. всегда идет в первую очередь разрушение немодифицированного химически целлюлозного волокна в виде хлопка, кусочков бумаги и картона и уже после полного исчерпания целлюлозного волокна начинают медленно разрушаться в течение двух иногда трех лет СЭД и ХЦ. Т.е. разрушение СЭД и ХЦ длится очень медленно в течение 2-3 лет, что и подтверждает данные Имшенецкого. Это наблюдается и при раздельном введении целлюлозного волокна и СЭД и ХЦ. Всегда разрушение СЭД и ХЦ длится 2-3 года. Это можно объяснить различными причинами:

1.            СЭД и ХЦ имеют более плотную макро- и микроструктуру.

2.            СЭД и ХЦ отличаются от нативной (природной) целлюлозы химическим составом. Иначе говоря, введение кислотного остатка ацила в макромолекулу целлюлозы препятствует биохимическому разложению природного полимера. Процесс разложения СЭД и ХЦ зависит от проникновения биохимических агентов внутрь образцов (8).

Биодеградация (компостирование) - это экзотермический процесс биологического и биохимического разложения высокомолекулярных и олигомерных природных веществ и одновременно процесс синтеза ряда низкомолекулярных веществ в том числе ацетальдегида (СН3СНО) и далее уксусной кислоты (СН3СООН), и далее вплоть до образования диоксида углерода СО2 и воды Н2О. Все это нами было подтверждено экспериментально, в т.ч. хроматографически с участием З.А. Беловой. В этом процессе смешанный, точнее комбинированный субстрат подвергается биодеградации и биохимическому, а также биологическому разложению и одновременно происходит синтез под воздействием смешанной популяции микро- и макрофлоры; микро- и макрофауны в условиях повышенной температуры и влажности. В процессе биодеградации комбинированный субстрат претерпевает физические и химические превращения и в конечном итоге происходит потеря в весе на 35-40%% и образуется относительно стабильный гумифицированный конечный продукт компост (точнее биомасса). Этот продукт представляет особую ценность как средство улучшающее структуру почвы, точнее придающее почве комковатость.

Каковы же микро- и макробиологические аспекты формирования биомассы:

1.            Микрофлора: бактерии; актиномиценты, последние интенсивно растут при повышенных температурах; грибы; дрожжи; водоросли; вирусы.

2.            Микрофауна - простейшие.

3.            Микрофлора - высшие грибы. Последнее высшие грибы, в т.ч. и шампиньоны мы наблюдали на гниющих кипах хлопка в 1990-1992г.г., когда проводили предварительные испытания на территории очистных сооружений ВХЗ.

4.            Макрофауна - черви, клещи, двуногие, многоножки.

При проведении процесса биодеградации смеси природных материалов принимают участие многие бактерии, более 2 000 и не менее 50 видов грибов (6). Порогом температуры биодеградации служит температура +60 - +70°С (иногда до +75°С в жаркий летний период).

Сначала на первом этапе исследования и подтверждения параметров экологической биотехнологии работа проводилась без искусственного введения ферментов (энзимов) в исходное сырье. Затем на втором этапе работы вводились различные, специальным образом подобранные и рекомендованные нам лабораторией углеводов Института биохимии им. А.Н. Баха (М.Л. Рабинович), комбинации целлюлолитических ферментов. Итак, переходя уже к следующему основному этапу разработки способа экологической биотехнологии переработки ТБО наша фракция ТБО, состоящая из пищевых отходов, целлюлозного волокна, отходов дробленой древесины, картона выгружалась на одну из площадок приготовления биомассы (на одну карту). При этом здесь можно исходить из различных исходных предпосылок, а именно. Главное, как уже отмечалось ранее, для приготовления биомассы необходимо соблюдение следующего количественного элементарного состава углерода С к азоту N: С/N = 25/1-30/1. Исходя из этой главнейшей предпосылки необходимо знать, хотя бы на первых порах ориентировочно, это соотношение, а именно, если у нас приготовление биомассы осуществляется из основных фракций ТБО, т.е. из гниющих пищевых отходов (природных материалов), целлюлозного волокна и древесины, то здесь нужно рассчитать содержание всех компонентов так, чтобы это важнейшее соотношение С/N = 25/1-30/1 всегда строго соблюдалось. В качестве носителя азота, донора азота здесь выступают пищевые отходы животного природного происхождения: раздробленные кости рыбы, птицы и животных. Например, по данным, приведенным М.И. Мягковым и др. (13), сделан ориентировочный расчет соотношения С/N. Эти данные приведены в Главе 4. Это соотношение, как уже упоминалось в этой главе, по данным этих авторов 15-18/1. Это означает, что для строго правильного приготовления биомассы нужно ввести дополнительно в исходную смесь С-содержащий компонент - определенное заранее рассчитанное количество отходов растительного происхождения или целлюлозосодержащий компонент. То есть субстрат не содержащий азот N. Если соотношение С/N > 30/1, скажем составляет 40/1, то это значит, что необходимо ввести N-содержащий компонент. В качестве такого N-содержащего компонента могут быть пищевые отходы животного происхождения кости рыбы, птицы или других животных, но только дробленые до размера по максимуму 5 см.

Если биомасса приготавливается только из промышленных отходов, содержащих только С-компонент, ну скажем отходы древесины, бумаги и картона, то здесь обязательно необходимо введение N-содержащего компонента, N-содержащего субстрата. В качестве такого субстрата может использоваться любой навоз, содержащий N-компоненты (в том числе мочевину природного происхождения). Однако, поступающий N-содержащий субстрат в виде животного навоза или даже мочи ни в коем случае не должен привносить в биомассу патогенную микрофлору или паразитическую микрофауну (в том числе наиболее широко распространенную гельминтофауну). Это также обязательное и строго выполняемое условие для правильного регламентированного приготовления биомассы. При этом, внесение N-содержащего субстрата из животного организма кроме азота всегда привносит в исходную биомассу широкую гамму ферментов так необходимых для нормального протекания процессов экологической биотехнологии. При внесении мочи из животного организма в исходную массу вместе с N-компонентом привносятся ферменты такие как амилаза (диастаза) и уропепсин (14). Оба эти фермента необходимы для ускорения протекания процессов разложения растительных отходов в том числе и в приусадебных хозяйствах. При этом компоненты навоза, в том числе и растворенный аммиак, оказывают на целлюлозосодержащие материалы как реагенты способствующие их набуханию и в итоге N-содержащий компонент совместно с гаммой ферментов оказывают на С-содержащие агенты (природные материалы) в общей сложности синергическое воздействие, способствующее ускорению процессов биодеградации и формированию гумифицированной биомассы.

Экспериментально установлено ускорение процесса анаэробного разложения природных дробленых растительных остатков в 2,5-3 раза по времени при введении ферментов амилазы и уропепсина из животного организма по сравнению с процессом анаэробного разложения этих же природных материалов без внесения ферментов.

Итак, далее на другую площадку (на другую карту) для приготовления биомассы из промышленных отходов, содержащих только С-компонент (в основном) выгружается N-содержащий субстрат. В качестве такого субстрата может использоваться любой навоз. Перед приготовлением биомассы производится дробление исходных компонентов до размеров указанных ранее. Далее после проверки всех расчетов и при полном соблюдении соотношения С/N = 25/1-30/1 производится интенсивное перемешивание всех С- и N-содержащих компонентов, находящихся на первой и второй площадках (картах)1. Перемешивание производится бульдозером. Участки, которые нельзя перемешать техническими средствами перемешиваются вручную. Смешение компонентов производится до полной гомогенизации (однородности). Начало перемешивания и приготовление биомассы лучше всего производить или осенью в конце сентября, в октябре (при плюсовой погоде) или в середине апреля (тоже при плюсовой температуре).

Как показали исследования ряда авторов и наши исследования процесс биодеградации протекает по времени весьма различно и в значительной мере зависит от свойств N-субстрата. Нами рассматривались системы с использованием в качестве N-субстрата конского, свиного навоза, навоза кроликов и навоза птицы (кур). Нами были поставлены специальные эксперименты по проверке выше упомянутых основных параметров экологической биотехнологии, указанных в работе (6). Изучено было также влияние вида азотсодержащего компонента (навоза различных домашних животных) на процесс биодеградации и влияние изменения соотношения С/N на ход процесса. Исследовалось влияние размеров кучи с биомассой (длина, высота, ширина). Длина изменялась от 2 до 100 метров; высота от 1 до 4 м; ширина от 2 до 10 м. Экспериментально были подтверждены следующие параметры процесса:

1.            Длина ряда биомассы практически не влияет на процесс биодеградации.

2.            При низкой высоте (меньше 1,5 м) кучи биомассы происходит нарушение процесса аэрации (т.е. воздушного вентилирования). При низкой высоте (ниже 1,5 м) ряд биомассы быстро подсыхает. Происходит нарушение процесса биодеградации. Процесс затягивается по времени. Увеличивается, так называемый, кажущийся индукционный период ферментативного разложения субстратов. Такое изменение высоты кучи для восстановления нормального хода процессов требует дополнительного водного орошения, особенно в засушливый период и увлажнения массы. Обычный температурный режим биодеградации нарушается (15).

Температура биодеградации в низком компостном ряду не превышает, как правило +50°С. А это может вызвать неполную естественную стерилизацию патогенной микрофлоры (паразитических клеток Salmonella spp., Brucеlla abortas, Ascaris suum) и паразитической микрофауны, например, гельминтофауны. Это нами также было подтверждено экспериментально (15).

3.            При большой высоте компостного ряда до 4 м происходит нарушение естественной аэрации и процесс разложения также затягивается, увеличивается содержание промежуточных низкомолекулярных веществ в биомассе, что также является недопустимым.

4.            Были подтверждены параметры по ширине ряда.

В итоге были еще раз проверены основные параметры биодеградации биомассы по способу экологической биотехнологии. Кроме того было проведено влияние соотношения С/N, влияние аэрации и размера частиц на протекание всех процессов и на свойства готовой биомассы, на завершенность процессов биодеградации. Почему мы несколько раз обращаем внимание на соотношение C/N? Потому, что это главнейший показатель для всего процесса переработки данной категории природных отходов способом экологической биотехнологии в биомассу. Это соотношение C/N = 25/1-30/1 определяет, во-первых, нормальный ход протекания процесса биодеградации и, во-вторых, предопределяет нормальные показатели получаемой биомассы.

Установлены следующие сроки биодеградации для различных видов N-субстратов (так называемые сроки ферментации, они колеблются весьма существенно). Под сроками ферментации понимается время (срок) от момента смешения С- и N-компонентов2 до времени внесения готовой биомассы в почву. Для следующих видов навоза сроки ферментации таковы:

а) для свиного навоза - 12 месяцев;
б) для конского навоза - 5-6 месяцев;
в) для кроличьего навоза - 5-6 месяцев;
г) для птичьего навоза - 18-20 месяцев;
д) для овечьего и козьего навоза - 6-7 месяцев.

Следует обратить внимание, что во всех изложенных вариантах приготовления биомассы нами не вводились искусственно, дополнительно ферменты. Биодеградация органического материала, как описывалось ранее, всегда сопровождается потерей веса до 40% от общей массы.

Нами экспериментально было показано, что добавление биомассы в любую почву в любых разумных количествах практически безвредно, но если только в ней отсутствуют тяжелые металлы (Cd, Pb, Hg, Sn, Ag, Au, Cr, Zn, Cu, Ni). Тяжелые металлы, по данным Говориной и Виноградовой, обладают канцерогенными свойствами (т.е. вызывают злокачественные новообразования) и мутагенным действием (т.е. вызывающим вырождение и мутацию живого организма) (16). По данным Черных, чем более растворимы тяжелые металлы, тем сильнее их негативное воздействие на биологическую активность почвенного слоя (17). По данным этих авторов, тяжелые металлы снижают ферментативную активность почвы. Эти тяжелые металлы, как выяснилось, образуют очень стабильные комплексные химические соединения, конкурируют с микроэлементами почвы за естественные хелатообразователи. Косвенное влияние тяжелых металлов выражается в нарушении процессов с участием ферментов, приводящих в конечном итоге к их инактивации (17). Особенно опасен Cd, за содержанием и поведением которого нужно осуществлять постоянный контроль в системе фонового экологического мониторинга. Увеличение содержания Zn в почве снижает поступление Cd в растения. С целью иммобилизации Cd в почвах и предотвращения его поступления в высшие растения рекомендуется проводить операцию известкования почвы, лучше всего осенью во влажную почву до наступления заморозков так, чтобы Ca++ максимально мог проникнуть в почвенный слой.

Итак, о втором этапе работы по разработке способа экологической биотехнологии приготовления биомассы излагаются исследования, проведенные по искусственному дополнительному введению ферментов в субстрат, содержащий целлюлозное волокно (для всех видов отходов) СЭД и ХЦ и соответствующее количество N-содержащего компонента в различных комбинациях. В качестве комбинаций ферментов опробовались образцы, предложенные лабораторией углеводов Института биохимии им. А.Н. Баха (А.Н. Клесов, М.Л. Рабинович), о чем упоминалось ранее. Исходя из технико-экономических соображений был выбран комбинированный препарат отечественного производства - целловиридин (содержащий экзоглюкозидазу, эндоглюканазу, целлобиогидролазу, пектиназу). Целловиридин - препарат без наполнителя с активностью по ФБ а пределах 500-2 000 ед/ч. Было установлено оптимальное количество вводимого фермента - 0,001% от веса исходной биомассы.

Известно, что ферменты (энзимы) являются специфическими биокатализаторами, присутствующими во всех живых клетках.

Все ферменты подразделяются на две большие группы:

1.            Однокомпонентные, состоящие исключительно из белка.

2.            Двухкомпонентные, состоящие из белка и небелковой части, называемой активной группой.

Классификация ферментов дается в работе (18) и излагается ниже.

1 класс - Оксидоредуктазы - катализируют окислительно-восстановительные процессы;

2 класс - Трансферазы - катализируют перенос различных функциональных групп, например, метильной (-СН3), карбонильной (-СООН);

3 класс - Гидролазы - катализируют гидролитические реакции (гидролизирующие сложно-эфирные, гликозидные и т.д. связи);

4 класс - Лиазы - вызывают негидролитическое расщепление связей -С-С-; -С-О-; -С-N- (декарбоксилазы);

5 класс - Изомеразы - катализируют процессы изомеризации;

6 класс - Лигазы (синтетазы) - катализируют процессы соединения двух субстратов.

Скорость ферментативной реакции зависит от активности фермента, которая выражается в различных единицах. Старой общепринятой единицей активности фермента является стандартная единица Е. Е - это количество фермента, которое катализирует превращение 1 мкМ субстрата [S] в 1 мин. при оптимальных условиях для данного фермента (t°С; рН, [S]). По последнему международному соглашению 1 единица n-фермента есть такое количество фермента, которое в определенных условиях катализирует превращение субстрата [S] со скоростью 1 мол/с. Эта единица называется катал (1 кат=6·107 стандартных единиц). Удельная активность, есть число единиц активности фермента, приходящихся на 1 мг белка в ферментативном препарате (Е/мг). Удельную активность фермента рекомендуется выражать в кат/кг.

Порядок реакции при ферментативном катализе изменяется. При небольших концентрациях субстрата [S] протекает реакция первого порядка (v - скорость процесса; v пропорциональна [S], т.е. скорость процесса пропорциональна концентрации субстрата). При насыщенной концентрации субстрата [S] скорость v не зависит от этой концентрации. Такая реакция характерна для реакции нулевого порядка. При промежуточных концентрациях субстрата [S] мы наблюдаем реакцию смешанного порядка (20).

Перед дальнейшем рассмотрении нами ферментативно-каталитических процессов остановимся для правильного понимания на свойствах ферментов, как биокатализаторов.

Для ферментов, как и для других чисто химических катализаторов характерен ряд общих свойств:

1.            Ферменты не входят в состав конечных продуктов реакции и выходят из реакции в первоначальном виде. Они не расходуются в процессе катализа.

2.            Ферменты не могут возбудить реакций противоречащих законам термодинамики. Они ускоряют только те процессы, которые могут протекать без них.

3.            Ферменты не смещают положение равновесия, а лишь ускоряют его достижение.

В то же время для ферментов характерны специфические свойства, отличающие их от чисто химических катализаторов, а именно:

1.            Все ферменты являются белками по химическому строению;

2.            По сравнению с химическими катализаторами эффективность биокатализаторов-ферментов выше (скорость протекания процесса при участии фермента на несколько порядков выше, чем при участии химических катализаторов);

3.            Ферменты обладают в отличие от химических катализаторов узкой специфичностью и избирательностью действия на субстраты. Имеется в виду действие на те вещества, превращение которых они катализируют;

4.            Свойства биокатализаторов-ферментов регулируются;

5.            При ферментативных процессах в отличие от неферментативных наблюдаются очень незначительные побочные процессы. То есть для ферментативных процессов характерен почти 100% выход основного вещества - продукта реакции. Это последнее специфическое отличие очень значимо.

Практически все химико-технологические процессы протекающие под непосредственным руководством человека и под его контролем всегда дают побочные процессы. Все эти процессы ускоряются химическими катализаторами. Одним из ранее незамеченным побочным процессом и был синтез галоидсодержащих диоксинов (ДО) и диоксиноподобных веществ (ДПВ), которые как оказалось в дальнейшем являются химическим СПИДом нашего времени. Таким образом, невольно приходится констатировать, что все созданное человеком и его уровень знаний окружающего мира далек от познания абсолютной истины, далек от совершенства.

Человек, вторгаясь в природное равновесие может по своему незнанию этих законов природы нарушать гармонию закономерностей, которые существуют в природе и тем самым вредить всему живому на земле и в первую очередь себе, не замечая об этом особенно в начале.

Итак, для ферментативно-каталитического процесса справедливо уравнение Михаэлиса (19), а именно скорость процесса:

где К - константа Михаэлиса-Ментена: V=Vmax/2

Теперь, после некоторого ознакомления с основными началами закономерностей ферментативных процессов вернемся конкретно к нашим системам. Знание этих закономерностей просто необходимо для дальнейшего изложения. Итак, процесс разложения полисахаридных отходов происходит под воздействием различных факторов, в т.ч. под влиянием фермента целлюлазы, который образуется анаэробными и аэробными бактериями. Общая схема ферментативно-каталитического разложения целлюлозно-бумажных и картонных отходов по Клесову - Рабиновичу приводится ниже (21),

Оптимум активности большинства грибных целлюлоз находится в слабокислой области, а именно рН=4,0-5,5. При этом некоторые ферменты сохраняют активность в более широком интервале рН. Ферменты из А.niger стабильны при 25°С в интервале рН=1-9 (21). Температурный оптимум активности целлюлолитических ферментов, продуцируемых мезофильными микроорганизмами находится в области +45-+55°С, термофильными +55-+70°С. Большинство грибных целлюлоз инактивируются при более высокой температуре и теряют всю каталитическую активность при +75-+80°С за несколько минут. Следует отметить, что для целлюлозно-бумажных и картонных отходов воздействие микроорганизмов проявляется, очевидно, в клеточной иммобилизации (а именно по методу внедрения (см. рис.8)) в субстрат.

Страницы: 1, 2, 3