Способ обработки рекультивируемых полигонов твердых бытовых отходов и свалок

Изобретение относится к биотехнологии и охране окружающей среды, в частности к использованию микроорганизмов для интенсификации микробных процессов в антропогенных объектах для уменьшения загрязнения окружающей среды. Позволяет уменьшить эмиссию метана. Способ предусматривает внесение смеси двух накопительных культур метанотрофных бактерий, полученных при культивировании смеси суспензии покрывающей почвы полигона и минеральной среды во флаконах с газовой фазой, содержащей метан, температуре 20°С в течение одного месяца и при температуре 10-15°С в течение двух месяцев. Содержимое флаконов используют в качестве инокулята для пересева во флаконы большего объема. Выросшие в этих флаконах накопительные культуры используют в качестве инокулята для посева в ферментеры, работающие в режиме периодического культивирования при температурах 15 и 20°С с постоянным продувом среды метано-воздушной смесью. После достижения концентрации клеток 10⁸ на мл среды накопительные культуры смешивают в равных объемах, центрифугируют, осадок суспендируют в 1 л воды, полученный концентрат разбавляют водой и вносят в свеженасыпанный грунт, используемый для формирования покрывающей почвы полигона ТБО или свалки, путем проделывания в грунте бороздок глубиной 5-10 см, наливания в них концентрата и присыпки сверху слоем грунта. 1 табл.

 

Изобретение относится к биотехнологии и охране окружающей среды, в частности к использованию микроорганизмов для интенсификации микробных процессов на антропогенных объектах с целью уменьшения загрязнения окружающей среды.

Объекты захоронения городских твердых бытовых отходов (ТБО) - полигоны и стихийные несанкционированные свалки - являются экологически неблагоприятными объектами. В толще свалочных отходов в бескислородных (анаэробных) условиях происходит медленное микробное разложение органических веществ, конечным продуктом которого является биогаз, состоящий преимущественно из смеси метана (до 60-70%) и диоксида углерода (до 30-40%) и содержащий большое количество (сотни) микропримесей, многие из которых токсичны (сероводород, окись углерода, меркаптаны, ртуть, органические соединения и др). Масштабы образования метана и диоксида углерода на объектах захоронения ТБО достаточно велики. Свалки и полигоны ТБО считаются одним из значительных антропогенных источников парниковых газов. На долю полигонов ТБО и свалок, особенно несанкционированно-стихийных, приходится 2-13% от общей эмиссии метана с поверхности земли в атмосферу. Помимо глобального эффекта загрязнения атмосферы, объекты захоронения городских отходов имеют отрицательное экологическое воздействие локального характера, которое связано с загрязнением грунтовых вод, почвы и приземного воздуха. Скопление и интенсивный выход метана на поверхность чреваты созданием пожаро- и взрывоопасных ситуаций [1].

На крупных полигонах ТБО с высокой интенсивностью образования биогаза возможно эффективно использовать различные технологические приемы, связанные с отводом и утилизацией образующегося в свалочном теле биогаза. Однако даже в случае использования наиболее современных методов собирается не более 40-60% его количества и биогаз имеет высокую себестоимость [1, 2]. На небольших или старых полигонах, где процесс генерации метана снижается, этот метод становится неэффективным.

Поэтому одним из перспективных современных подходов в снижении эмиссии метана, особенно на небольших или старых полигонах, может являться стимуляция его микробного окисления в поверхностных слоях отложений. Как известно, от 10 до 53% метана свалок может окисляться микробиологическим путем. В покрывающем слое почвы полигонов ТБО обнаружено большое видовое разнообразие метанокисляющих микроорганизмов (метанотрофных бактерий), численность которых может достигать высоких величин (10⁷-10⁹ клеток на г сырой почвы), что вполне достаточно для создания активного микробного окисляющего фильтра [3].

В связи с растущей стоимостью земли в черте города и непосредственно рядом с ним все чаще проводится рекультивация полигонов и свалок с целью создания рекреационных зон или даже площадок под застройку. При этом нарушается покрывающий слой, содержащий метанотрофные бактерии, что приводит к остановке окисления метана и увеличению его эмиссии. В этом случае внесение извне метанотрофных бактерий может быстро формировать микробный метанокисляющий биофильтр взамен микробной популяции, частично или полностью утраченной во время повреждения покрывающей почвы при рекультивации. В лабораторных экспериментах с садовой почвой было показано увеличение скорости окисления метана при внесении в нее накопительной культуры метанотрофных бактерий, выделенной из осадков иловых чеков [4]. В качестве прототипа выбран способ обработки свалок промышленно-бытовых отходов путем внесения реагентов, в качестве которых использовали гидролизованные алюмосиликаты. При этом происходило защелачивание и обезвреживание свалки [5].

Задачей изобретения является разработка способа обработки рекультивируемых полигонов ТБО и свалок, при которой происходит уменьшение эмиссии метана. Поставленная задача достигается тем, что в качестве реагентов для обработки используют смесь двух накопительных культур метанотрофных бактерий, полученных при раздельном культивировании покрывающей почвы полигона на минеральной среде с использованием метана в качестве единственного источника углерода и энергии при температурах 10-15°С и 20-25°С. Накопительные культуры, выращиваемые при разных температурах, пересевают несколько раз, доводят до одинакового количества клеток в мл и смешивают в соотношении 1:1 (по объему). Обработке подвергают рекультивируемые полигоны ТБО или свалки. Обработку можно проводить в течение всего вегетационного периода: как во время теплого сезона (летом), так и в прохладное время года (весной и осенью). Смесь накопительных культур вносят в свеженасыпанный грунт, используемый для формирования покрывающей почвы полигона ТБО или рекультивируемой свалки. В результате такой обработки через один-два месяца численность метанотрофоных бактерий в поверхностном слое почвы увеличивается примерно в 2,5-3 раза и примерно в 3,5-4 раза уменьшается эмиссия метана в атмосферу.

Изобретение поясняется следующим примером.

Пример. Почву покрывающего слоя полигона ТБО в количестве 10 г растирают в фарфоровой ступке до однородного состояния с добавлением 20 мл воды. Полученную почвенную суспензию в объеме 2 мл вносят шприцом в каждый из десяти герметично закрытых резиновыми пробками и алюминиевыми колпачками флаконов на 100 мл с 20 мл минеральной среды «П» [6] и газовой фазой, содержащей 20% метана и 80% воздуха. Метан является единственным субстратом (источником углерода и энергии) для роста метанотрофных бактерий. Флаконы культивируют при комнатной (20°С) температуре в течение одного месяца и при пониженной (10-15°С) температуре в течение двух месяцев. Культивирование при двух температурах позволяет получить и накопить как мезофильные, так и психроактивные (способные расти при низких температурах) метанотрофные бактерии, которые будут активны в условиях, приближенных к естественным на свалке. Наличие роста метанотрофных бактерий определяют по увеличению оптической плотности среды (фотоэлектрокалориметрически) и исчерпанию метана (газохроматографически) из газовой фазы во флаконах. Содержимое флаконов используют в качестве инокулята для пересева во флаконы большего объема (на 500 мл) с той же средой и газовой фазой. Выросшие в этих флаконах накопительные культуры метанотрофных бактерий используют в качестве инокулята для посева в 10-литровые ферментеры «Биостат Е» (Германия), работающие в режиме периодического культивирования с постоянным продувом толщи среды метано-воздушной смесью (20-80%) при 15 и 20°С. После достижения общей концентрации клеток 10⁸ на мл среды накопительные культуры смешивают в равных объемах. Для удобства перевозки смесь накопительных культур центрифугируют для уменьшения объема при 9 тыс.об. в мин в течение 30 минут. Осадок суспендируют в 1 л воды и полученный концентрат перевозят на полигон. Концентрат разбавляют водой до первоначального объема 20 литров и используют для внесения в грунт при формировании поверхностного слоя почвы свалки. Для этого с поверхности полигона снимают покрывающую почву до запирающего грунта или до свалочного тела и засыпают свежим грунтом. В свеженасыпанном грунте проделывают бороздки глубиной 5-10 см, наливают в них накопительную культуру и присыпают сверху дополнительно 5-сантиметровым слоем грунта. Объема 20 л смеси накопительных культур достаточно для полива участка свалки площадью 30 м². В данном примере обработка проводилась в середине сентября, контроль количества метанотрофных бактерий и эмиссии метана проводился через полтора месяца в конце октября. Несмотря на прохладное время года, через полтора месяца после обработки численность метанотрофных бактерий в поверхностном слое почвы свалки увеличилась в 2,7 раза и в 3,8 раза уменьшилась эмиссия метана в атмосферу (Таблица).

Таблица. Влияние обработки участков полигона ТБО смесью накопительных культур на численность метанотрофных бактерий и эмиссиию метана.
Участок полигона ТБО	Измеряемые параметры	Перед обработкой свеженасыпанного грунта	Через полтора месяца после обработки
Экспериментальный участок, обработанный смесью накопительных культур	Количество метанотрофных бактерий, клеток на г сырой почвы	4,5×103	1,2×104
Эмиссия метана, мг С на м2 в час	907	239
Контрольный участок, обработанный водой	Количество метанотрофных бактерий, клеток на г сырой почвы	4,4×103	4,9×103
Эмиссия метана, мг С на м2 в час	859	832

Таким образом, получение накопительных культур, состоящих из активных мезофильных и психроактивных метанотрофов, выделенных из покрывающей почвы полигона ТБО, позволяет во время рекультивации полигонов и свалок, при внесении их вместе с грунтом, активизировать процесс метанокисления и уменьшить эмиссию метана.

Источники информации

1. Nozhevnikova A.N., Lebedev V.S. Burial sites of municipal garbage as a source of atmospheric methane. Journal of Ecological Chemistry, 1995, V.4, №1, pp.48-58.

2. Hilger В., Humer M. Biotic landfill cover treatments for mitigationg methane emissions. Environmental Monitoring and Assessment, 2003, V.84, pp.71-84.

3. Nozhevnikova A.N., Nekrasova V.K., Lebedev V.S., Lifshits A.B. Microbiological processes in landfills. Wat. Sci. Tech., 1993, V.27, №2, pp.243-252.

4. Ножевникова А.Н., Некрасова В.К., Лебедев B.C. Образование и окисление метана микробной популяцией осадков иловых чеков при низких температурах. Микробиология, 1999, Т.68, №2, с.267-272.

5. Кнатько В.М., Кнатько М.В., Щербакова Е.В. Способ обезвреживания свалок промышленно-бытовых отходов. Заявка РФ №2002110397 от 10.10.2004.

6. Кондратенко Г.П., Николенко Ю.И., Безрукова Л.В., Нестеров А.И., Гальченко В.Ф. Идентификация метанотрофных бактерий методом иммунофлуоресценции. Микробиология, 1981, Т.50, №2, с.320-325.

Способ обработки рекультивируемых полигонов твердых бытовых отходов (ТБО) и свалок, предусматривающий внесение реагентов, отличающийся тем, что в качестве реагентов используют смесь двух накопительных культур метанотрофных бактерий, полученных при культивировании смеси суспензии покрывающей почвы полигона и минеральной среды во флаконах с газовой фазой, содержащей метан, при температуре 20°С в течение одного месяца и при температуре 10-15°С в течение двух месяцев, после чего содержимое флаконов используют в качестве инокулята для пересева во флаконы большего объема с той же средой и газовой фазой, при этом выросшие в этих флаконах накопительные культуры метанотрофных бактерий используют в качестве инокулята для посева в ферментеры, работающие в режиме периодического культивирования при температурах 15 и 20°С с постоянным продувом среды метано-воздушной смесью, причем после достижения общей концентрации клеток 10⁸ на мл среды, накопительные культуры смешивают в равных объемах, центрифугируют при 9000 об/мин в течение 30 мин, осадок суспендируют в 1 л воды, полученный концентрат разбавляют водой до первоначального объема и вносят в свеженасыпанный грунт, используемый для формирования покрывающей почвы полигона ТБО или свалки, путем проделывания в грунте бороздок глубиной 5-10 см, наливания в них концентрата накопительных культур и присыпки сверху слоем грунта.