За безотходность бытия. Альтернативы переработке мусора нет, уверены ученые - Поиск - новости науки и техники
Поиск - новости науки и техники

За безотходность бытия. Альтернативы переработке мусора нет, уверены ученые

Из всех отходов жизнедеятельности человека, а он гадит всюду и помногу, более 30% составляет органика. Она накапливается, загрязняя окружающую среду. Утилизация – острая проблема, особенно в городах с большой плотностью населения. Когда отходы пребывают под толщей грунта, которым, как правило, пересыпают слои мусора, их перерабатывают анаэробные бактерии, производя при этом метан, а попутно – водород, ацетат и углекислоту, меркаптаны и другие вредные соединения. Вопрос переработки такого мусора особенно остро стоит для пищевых производств (ферм, теплиц и пр.). Им приходится утилизировать отходы так, чтобы не допустить попадания в атмосферу и почву токсических веществ. Но каждый полигон твердых коммунальных отходов (ТКО) растет вширь, вверх и вглубь, стареет, дышит и нагревается. В сопревшем нутре свалки рождается свалочный газ. Дождями вымываются канцерогены, попадая в водоемы и загрязняя землю.

Сокращение доли вывозимых на свалки отходов и снижение негативного влияния от таких объектов – целевые показатели результативности национального проекта «Экология». Сегодня, по данным Минприроды, в России ежегодно образуются около 70 миллионов тонн коммунального мусора. Органика занимает, по грубым оценкам, порядка 30% этой массы, то есть более 20 миллионов тонн. Причем такие отходы не расценивают как вторичное сырье, и поэтому в основном вывозят на полигоны. К этому объему добавляется просроченная продукция с рынков, из магазинов и ресторанов. Кроме того, на мусорные свалки доставляют и там уничтожают тысячи тонн санкционного продовольствия. Просто давят катками. По данным Россельхознадзора, при этом в санкционке превалирует растительная продукция: томаты, кабачки, картофель, капуста, яблоки, груши, киви, апельсины, виноград, ягоды и грибы. За первый квартал 2019 года уничтожены 900 тонн растительной и 57 тонн животноводческой санкционной продукции. В 2018 году – свыше 5,7 тысячи тонн такой продукции, в 2017-м эта цифра достигла почти 10 тысяч тонн.

Но метан при всех своих непривлекательных свойствах может служить человеку в качестве источника энергии. По обобщенным данным, его доля составляет порядка 50% объема свалочного газа. То же относится и к водородным соединениям. Нужно еще иметь в виду, что в определенных отраслях народного хозяйства требуется большое количество дешевого водорода.
Ученые активно занимаются проблемами утилизации органических отходов. Так, в Федеральном научном агроинженерном центре Всероссийского института механизации сельского хозяйства (ФНАЦ ВИМ), ФИЦ Биотехнологии РАН и ННГУ им. Н.И.Лобачевского активно изучают способы интенсификации образования биоводорода и оптимизации двухстадийного непрерывного процесса анаэробной переработки жидких органических отходов и очистки высококонцентрированных сточных вод. При этом за счет использования новых комплексных микробиологических и технических решений удается получить биогазы: водород- и метансодержащие. Исследования, ставшие основой проекта №18-29-25042, поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований. По просьбе «Поиска» о результатах двух лет исследований по этому гранту рассказывает руководитель проекта заведующий лабораторией биоэнергетических и сверхкритических технологий ФНАЦ ВИМ кандидат технических наук Дмитрий КОВАЛЕВ.

– Дмитрий Александрович, в чем суть анаэробного сбраживания осадков сточных вод?
– По большому счету, мы помогаем уменьшить количество и опасность свалок. Ну, а с точки зрения науки наш поиск поможет расширить фундаментальные знания о закономерностях многостадийного разложения органического вещества. Мы исследуем способы комплексной интенсификации кислого брожения с помощью внесения активных водород-образующих инокулятов, путем классического непрерывного перемешивания и различных вариантов удерживания активной биомассы в реакторе, а еще за счет предобработки в аппарате вихревого слоя ферромагнитных частиц сбраживаемого субстрата.

– А если простыми словами?
– В камере аппарата под действием магнитного поля вращаются стальные иголки, образуя из них вихревой слой, сквозь который пропускают обрабатываемое вещество. При этом с помощью микробиологического конвертирования биомассы в анаэробных условиях удается получить ценное газообразное топливо: водород и метан. Параллельно ведется и математическое моделирование процесса непрерывного двухступенчатого анаэробного сбраживания. Наши расчеты показывают, что при брожении эффективность запасания энергии в биоводороде не превышает 20-30%, тогда как в метан переходят более 80% энергии, заключенной в органических отходах. В течение первого года проекта мы изучали стадию кислого брожения с образованием водорода двухстадийной анаэробной биоконверсии органического вещества отходов. И установили, что уменьшение интенсивности перемешивания в реакторе способствует увеличению концентрации водорода в биогазе. Мы взяли стоки кондитерской фабрики и стали тщательно подбирать условия проведения первой стадии анаэробной биоконверсии: повышая температуру процесса, находя оптимально низкий рН, уменьшая интенсивность перемешивания жидких органических отходов и сточных вод. И нашли, что можно организовать высокоэффективный процесс, не требующий дополнительных реагентов. Плюс мы использовали реакторы с разными конструктивными особенностями, добиваясь эффективности.

– На это был потрачен первый год?
– Да. На следующий год мы работали с выделенными нами в первый год выполнения проекта термофильными и мезофильными бактериями – продуцентами водорода рода Clostridium и Thermoanaerobacterium для темновой ферментации реальных сточных вод и широкого спектра моно-, ди- и трисахаридов.

– Что такое «темновая ферментация»?
– Существуют два вида ферментации с получением биоводорода: при наличии освещения – фототрофная, а при его отсутствии – темновая. Их осуществляют разные виды микроорганизмов. Так вот в целом наиболее высокой активностью выделения водорода из сахаров обладал Thermosacharoliticum, а представители рода Clostridium наиболее эффективно выделяли водород из реальных сточных вод. В свою очередь, С. Butyricum отличался экстремально высокой эффективностью трансформации фруктозы в биоводород, а C.Diolis преобразовывал ксилозу с наибольшим выходом водорода. За счет смешанного типа брожения помимо водорода исследуемые культуры накапливали органические кислоты, спирты и другие соединения, которые можно далее использовать для получения биотоплива, химикатов, биополимеров и биопластика, то есть продуктов с высокой добавленной стоимостью. Основными продуктами брожения у нас были ацетат, бутират и этанол. Таким образом, исходя из результатов исследования, можно предложить наиболее эффективный температурный режим и культуру бактерий – продуцентов водорода для проведения темновой ферментации тех или иных субстратов (отходов).

– Теперь нужно, чтобы вашими достижениями заинтересовались промышленники.
– Уже. В прошлом году мы подавали материал по проекту на премию EcwaTech WasteTech Awards 2021 и преуспели.

– Что это за мероприятие?
– WasteTech – это крупнейшая в России международная выставка по управлению отходами, по природоохранным технологиям, экологии и возобновляемой энергетике, в рамках которой представлен широкий спектр оборудования, решений и услуг для природоохранного сектора. Там ведут речь о переработке отходов в энергию, охране воздушного бассейна, восстановлении и сбережении водных ресурсов, водоподготовки, коммунального и промышленного водоснабжения, об очистке стоков, строительстве и эксплуатации трубопроводных систем, бутилировании питьевой воды и тому подобное. Так вот наш проект стал победителем в номинации «Лучшая технология».

– Что в нем впечатлило организаторов?
– То, о чем я уже сказал: наша разработка основ процесса двухстадийной анаэробной переработки жидких органических отходов и очистки высококонцентрированных сточных вод с получением продуктов с высокой добавленной стоимостью в виде водород- и метансодержащих биогазов. Не скромничая, скажу, что большинство результатов, полученных в ходе выполнения научно-исследовательских работ в рамках второго этапа проекта, является новыми и оригинальными и обладает высокой научно-практической значимостью. Например, рабочей группе, в которую входят десять человек из трех научных институтов, удалось получить энергетическую эффективность выработки Н2 в четыре раза выше, чем при электролизе воды. При этом сырьем являются органические отходы, а это экологично и экономически целесообразно. Нам удалось отработать оптимальные режимы получения Н2 из молочной сыворотки, определить доминирующее сообщество в анаэробном биофильтре (AF) и аппарате с кипящим слоем загрузки (AFB).

– И к вам уже выстроилась очередь из бизнесменов и директоров ферм?
– Да, отечественные компании, занимающиеся производством биогазовых установок и биореакторов для обработки сточных вод, проявили заинтересованность.

– Как строится взаимодействие научных организаций, участвующих в работах по гранту?
– Создаем временный трудовой коллектив из всех научных структур, определяем каждому его фронт работ, необходимое материально-техническое обеспечение и приступаем. Основные проблемы – это длительность проведения закупок необходимых материалов, комплектующих и оборудования.

– Есть зарубежные партнеры? Вообще повлияли ли санкционные условия на вашу работу?
– Санкционные трудности осложнили покупку оборудования, которое, к сожалению, у нас не производится. Однако мы нашли аналоги у китайских фирм.

– А какие планы на ближайшие годы?
– Планируем провести ряд исследований по разработке способов интенсификации процесса анаэробной биоконверсии органических отходов для получения энергии и удобрений. В данный момент РФФИ поддержал нашу заявку на выполнение совместных российско-индийских научных исследований в этой области.

Подготовил Андрей СУББОТИН

Нет комментариев

Загрузка...
Новости СМИ2