способ обработки рекультивируемых полигонов твердых бытовых отходов и свалок
Классы МПК: | B09B3/00 Уничтожение твердых отходов или переработка их в нечто полезное или безвредное |
Автор(ы): | Гальченко Валерий Федорович (RU), Гонопольский Адам Михайлович (RU), Каллистова Анна Юрьевна (RU), Кевбрина Марина Владимировна (RU), Мурашов Владимир Ефимович (RU), Некрасова Валерия Куртовна (RU), Новицкий Иван Юрьевич (RU), Ножевникова Алла Николаевна (RU), Пименов Николай Викторович (RU), Саввичев Александр Сергеевич (RU), Серебряная Марина Ивановна (RU) |
Патентообладатель(и): | Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Российской Академии Наук (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2005-05-04 публикация патента:
27.04.2007 |
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.
Формула изобретения
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.
Описание изобретения к патенту
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 (10 7-109 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 | 4,5×10 3 | 1,2×104 |
Эмиссия метана, мг С на м 2 в час | 907 | 239 | |
Контрольный участок, обработанный водой | Количество метанотрофных бактерий, клеток на г сырой почвы | 4,4×10 3 | 4,9×103 |
Эмиссия метана, мг С на м 2 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.
Класс B09B3/00 Уничтожение твердых отходов или переработка их в нечто полезное или безвредное