Проблемой XXI века является увеличение техногенной нагрузки на экосистемы. В особенности это касается крупных городов, в которых естественные механизмы очистки давно не справляются со своей задачей. Промышленные предприятия, бытовые отходы и, в особенности, автомобильный транспорт, является основными источниками загрязнения.
Роль зеленых насаждений в сохранении экологического благополучия мегаполисов неоценима. Деревья не только обогащают воздух городов кислородом, но и активно аккумулируют вредные вещества из него [1,2,3].
Практикуемое ранее сжигание опадающих листьев гигиенически неоправданно, ибо при сжигании одной тонны растительных остатков в воздух возвращается более 9 кг токсичных веществ, ранее поглощенных растениями: тяжелые металлы, монооксид углерода, оксиды азота и серы. При горении листьев образуются также бенз-а-пирен и диоксины – сильнейшие канцерогены и токсиканты. Поэтому введение не столь давно в ряде регионов Законов о запрете сжигания растительных остатков (Краснодарский край – 2003 г.) можно приветствовать как меру сохранения экологического равновесия.
Одним из способов утилизации опавших листьев является способ биологической деструкции листьев в анаэробных условиях. Данный способ утилизации является экологически и экономически выгодным, поскольку биогаз, образующийся в процессе метанового брожения, можно использовать в качестве альтернативного источника энергии, а сброженную биомассу – как биологически ценное удобрение для почвы.
Нами проведены исследования по моделированию этого процесса. Биогаз образуется при разложении органических компонентов листьев в результате анаэробного микробиологического процесса – метанового брожения. Основным компонентом биогаза является СН4, а также примеси углекислого газа, сероводорода и других газов.
Очень важным условием успешного протекания процесса является соответствие технологическим условиям внутри реактора температуры, уровня кислорода (анаэробности), количества питательных веществ, уровня кислотности (pH) и концентрации токсичных веществ.
Различают три температурных режима метанового брожения:
1) психрофильный - от 0 до 20° С;
2) мезофильный - от 20 до 40° С;
3) термофильный - от 40 до 60° С.
Нами выбран мезофильный режим брожения; повышение температуры происходит за счет экзотермии химических процессов.
Процесс проводили в герметичной емкости объемом пять литров, в которую загружали биомассу – опавшие листья, подвергнутые предварительной обработке (измельчение и заливка горячей водой). Для сбраживания применяли анаэробный активный ил, полученный из метатенков станции аэрации.
Образующийся биогаз с помощью шланга подавали в газгольдер, его объем фиксировали по объему вытесненной воды с помощью мерного цилиндра. Состав биогаза определяли методом газовой хроматографии, взвешенные вещества – гравиметрическим способом. Содержание аммонийного азота определяли по методу Кьельдаля.
Особенно важным при осуществлении процесса сбраживания является создание оптимальных технологических условий в реакторе – температуры, анаэробных условий, достаточной концентрации питательных веществ, допустимого значения рН, отсутствия или низкой концентрации токсичных веществ.
В процессе эксплуатации биореакторов необходимо постоянно осуществлять контроль за показателем рН, оптимальное значение которого находится в пределах 6,0 – 6,5. Снижение показателя рН свидетельствует о «закисания» среды, что является нарушением процесса метановой ферментации.
Результаты опытов свидетельствуют о принципиальной возможности получения биогаза с содержанием метана более 70% объемных при минимальных затратах. В периодическом режиме оптимальным сроком брожения является 6 – 7 суток, после чего выход биогаза резко снижается. В результате брожения из органической массы образуется шлам, который является чрезвычайно ценным удобрением, содержит в себе большое количество биологически активных веществ, в том числе витаминов группы В, макро- и микроэлементов.
Выводы:
В настоящее время проблему утилизации опавших листьев в городах можно и необходимо решать с помощью технологии биологической деструкции. В настоящей работе представлены данные по моделированию установки утилизации опавших листьев способом биологической деструкции в анаэробных условиях.
Показано, что данный метод утилизации является экологически и экономически выгодным, поскольку биогаз, образующийся в результате метанового брожения, можно использовать в качестве альтернативного источника энергии (содержание метана до 70%), а сброженная биомасса является ценным органическим удобрением.