Методологической основой определения условий формирования и функционирования природных и техногенных систем является принцип экологической безопасности, основанный на всестороннем научном анализе, прогнозировании, ресурсосбережении и создании восстановительных технологий, позволяющих управлять взаимодействием человеческого общества со средой обитания. В процессе биохимических, физико-химических, физико-механических реакций происходит деструкция полимерных (технический лигнин) и биополимерных (целлюлозосодержащих) отходов до простых мономеров или минеральных веществ, которые вовлекаются в круговорот веществ экосистемы или переходят в связанное состояние. Техногенные отходы с длительным периодом разложения успешно используются в большинстве промышленно развитых стран мира как вторичное сырье в топливно-энергетическом комплексе. При разработке теоретических основ переработки целлюлозосодержащих отходов необходим мониторинг возобновляемых источников энергии для учета запасов разнообразных форм энергии на глобальном рынке, оценка эффективности их использования. В новых условиях хозяйствования приоритетными направлениями являются создание материальной основы для совершенствования малой энергетики, использующей органическое топливо и нетрадиционные источники энергии. В сравнении с традиционными системами более эффективна газовая микроэнергетика. Малые установки позволяют вырабатывать необходимое количество энергии в соответствии с текущими потребностями в непосредственной близости от потребителя. Они обладают высокой надежностью и малоинерционны.
Использование традиционных топливно-энергетических ресурсов невозможно без учета техногенного риска в местах добычи и производства топливно-энергетических ресурсов и тепловых потерь (до 50 %) при эксплуатации. На территории России 22–25 млн. человек проживают в районах автономного энергоснабжения или ненадежного централизованного энергоснабжения, занимающих более 70 % территории России [1].
В Энергетической стратегии России до 2020 года, в том числе энергосбережения, уделяется внимание рациональному использованию традиционных видов топливно-энергетических ресурсов за счет повышения их эффективности или диверсификации энергобаланса за счет использования альтернативных источников энергии.
Наибольшую долю твёрдых бытовых отходов представляют органические отходы (бумага и картон, пищевые отходы), которые имеют неоднородный состав. При переработке таких отходов необходимо уделять внимание изменению физико-механических свойств этих материалов при измельчении. При измельчении частицы становятся подвижными и способны вступать в химическое взаимодействие между собой и окружающей их внешней средой. При этом возрастает не только поверхность между фазами, но и изменяются многие свойства системы. Например, возрастает растворимость, повышается реакционная способность веществ, снижаются температуры фазовых переходов и другие свойства. При выборе способа утилизации целлюлозосодержащего сырья необходимо учитывать его доступность, стоимость, природу происхождения и состав твердых органических отходов, а также состав полезных целевых образующихся продуктов (углеводно-белковые корма, кормовые добавки, биотопливо и другие). Биологическая структура первичного сырья оказывает влияние на процесс извлечения биологически активных веществ, которые находятся как внутри клетки, так и в межклеточном пространстве. Выбор способа механического воздействия на сырье при переработке будет зависеть от сил внутри- и межмолекулярных связей.
Методология переработки целлюлозосодержащих отходов базируется на анализе состава, свойств и реакционной способности вторичного сырья; изучении механизма и методов деструкции; выборе рациональной технологической схемы; выборе метода очистки целевого соединения; идентификации и эффективности энергетических материалов, использования биогаза в качестве нетрадиционного вида топлива.
Внедрение инновационных технологий на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ) один из путей выхода из энергетического кризиса, позволит снизить техногенное давление (снизить удельные выбросы парниковых газов), рационально использовать всю гамму возобновляемых (целлюлозосодержащих) ресурсов, обеспечить устойчивое тепло- и электроснабжение населения и производства в зонах децентрализованного энергоснабжения (в районах Крайнего Севера).
Газификационные и биогазовые установки, перерабатывая отходы деревообрабатывающих предприятий (гидролизный лигнин), зерноочистительных (солома, рисовая и подсолнечная шелуха, стебли хлопчатника и т.п.) и других сельскохозяйственных предприятий, производят целевой продукт в виде тепловой энергии (4,6–6,3 мДж) или электроэнергии. При этом производят побочный гумифицирующий продукт, используемый как органическое удобрение для повышения плодородия почв или рекультивации техногенных почв.
Для получения гумифицированного продукта по инновационной технологии (ЭМ-технологии) использовали сообщество эффективных микроорганизмов, которые содержатся в биологически активном препарате «Тамир», и целлюлозо- лигнинсвые отходы: пищевые отходы, промышленные (опилки), сельскохозяйственные (солома ячменя). Препарат «Тамир» разработан на основе японского аналога ЭM Waste Treatment и предназначен для ускоренной утилизации бытовых и сельскохозяйственных отходов (остатков пищи, ботвы, сорных растений), а также для восстановления дренажа, устранения неприятных запахов [2]. Основным преимуществом анаэробной ферментативной переработки целлюлозо-лигниновых отходов от других систем утилизации является минимальная затрата энергии на процесс ферментации и производство дополнительной энергии в виде биогаза. Установка получения гумифицированных продуктов занимает небольшую площадь и, благодаря герметичности ферментаторов, в атмосферный воздух не выделяются токсичные выбросы [3, 4, 5]. Для перемешивания субстрата при ферментации используется гидравлическая система, система подачи биомассы в реактор в зависимости от влажности гумифицированного продукта осуществляется при помощи насосов (при 85 – 98 %-й влажности) или шнекового устройства (при 75 – 80 %-й влажности). Получаемый биогаз – побочный продукт производства, собирается во внешних газгольдерах и используется виде топлива на технологические нужды (подогрев воды в теплообменнике), что позволяет снизить долю энергетических затрат в себестоимости готовой продукции. В основе методологии количественной оценки факторов риска лежат принципы безопасного и стабильного функционирования экосистем путем регулярных наблюдений (мониторинга биосферы или техносферы) в пространстве и времени по приоритетным стандартным показателям безопасности.
По проведенным результатам исследования предложена модель управления процесса гумификации почв, в основе которой лежат методы биоконверсии техногенных отходов, гумификации почв, биотестирования, метод меченых атомов-стабильного изотопа 15N. В урожае второго укоса, в смешанном травостое почти одинаковое количество N почвы и удобрений, а в урожае злаков азота удобрений в два раза больше, чем азота почвы. Для усиления процесса гумификации необходимо создавать бобовые и бобово-злаковые травостои. Внесение гумифицированной почвы в техногенную почву повышает температуру почвы на 2…5°С, что ускоряет корнеобразование, всхожесть, цветение, плодоношение, урожайности овощных культур в 2…5 раз, зерновых и кормовых – на 10…50 %. Процесс рекультивации заканчивается формированием стабильного фитоценоза.