В России основным способом утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) является их захоронение на полигонах. Полигоны ТБО занимают большие территории размером в десятки и сотни гектаров, располагающиеся вблизи городов. В Московской области выявлено более 250 старых полигонов и несанкционированных свалок. Они являются экологически опасными объектами и важными антропогенными источниками парникового газа метана.
Что собой представляет полигон ТБО? Для захоронения отходов используются естественные и искусственные понижения рельефа — овраги и карьеры. Мусор свозится на участки полигона и рассыпается более или менее ровным слоем. Когда мусора насыпано несколько метров, насыпается примерно 50-сантиметровый слой грунта из доступного источника. Например, часть грунта, добытого из близлежащего карьера. Обычно это оказывается песок, глина или их смесь. На слой грунта опять насыпается слой мусора.
Таким образом, мусор переслаивается инертным грунтом, и в результате образуется «слоеный пирог», высота которого по европейским нормам достигает 40 метров. Поверх захороненного мусора насыпается метровый слой почвы, который со временем зарастает травой и мелким кустарником. То, что в обиходе называется свалками, является неконтролируемыми захоронениями ТБО, куда могут сваливаться также опасные отходы, вплоть до отходов, содержащих ядовитые вещества, например ртутные лампы. В последнем случае образуются чрезвычайно токсичные ртутьорганические соединения.
Мирный А.Н., Мурашов В.Е., Корецкий В.Е. Государственное управление отходами в рамках концепции устойчивого развития. (Под ред. Мирного А.Н) // М.: Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова. 2012. 351 С
Захоронения твердых бытовых отходов, полигоны или свалки, не остаются инертными объектами, а являются экологическими бомбами замедленного действия локального и глобального масштабов.
В этих захоронениях под действием микроорганизмов происходит разложение органических веществ. В бескислородных (анаэробных) условиях органические вещества разлагаются с образованием газообразных продуктов, из которых основными являются диоксид углерода (углекислота) и метан.
Процесс образования метана продолжается довольно долго. Он идет интенсивно в течение первых 30–50 лет, затем затухает, но отнюдь не останавливается. В биологическом процессе при таком способе утилизации мусора разлагается не более 40% захороненной там органики. В теле свалок и полигонов ТБО навечно остается та часть низкодеградабельных, или неразлагаемых, органических и неорганических отходов. В частности пластмасс, стекла, дерева, металла. Продукты разложения органических и неорганических отходов содержат токсические соединения и тяжелые металлы. Вымываясь из свалочного тела, они загрязняют почвы, грунты, грунтовые и поверхностные воды, а выделяющийся метан и другие газы и летучие продукты загрязняют приземный воздух и атмосферу.
McDonald, J.E., Houghton, J.N., Rooks, D.J., Allison, H.E., and McCarthy, A.J., The microbial ecology of anaerobic cellulose degradation in municipal waste landfill sites: evidence of a role for fibrobacters //Environ. Microbiol., 2012, vol. 14, no. 4, pp. 1077–1087.
Метан является одним из наиболее агрессивных тепличных газов и способствует образованию озоновых дыр в атмосфере. По современным подсчетам вклад полигонов ТБО и свалок в глобальную эмиссию метана достигает 15%. При этом полигоны ТБО являются практически единственным антропогенным источником метана, подлежащим контролю и уменьшению. При разложении мусора кроме метана образуются различные газы и летучие соединения, которые, попадая в атмосферу, загрязняют окружающий воздух и наносят огромный ущерб атмосфере.
Метан и сопутствующие газы образуются микроорганизмами, но и борются со свалочными газами тоже микроорганизмы. В верхнем почвенном слое закрытого участка полигона развиваются микроорганизмы, которые проникающим в почву кислородом окисляют метан, водород, сероводород, окись углерода и другие восстановленные газы. Природа сама находит возможность обезвредить то, чем человек ее загрязняет.
Газоокисляющие микроорганизмы активны в теплое время года, когда температура почвы повышается и создаются условия для их развития. Летом эмиссия метана с полигонов ТБО резко уменьшается. На закрытых пять-десять лет назад полигонах от 50% до 100% метана, образовавшегося в свалочном теле, окисляется специфическими метаноокисляющими бактериями (метанотрофами). В осенний и весенний периоды температура в свалочном теле остается высокой и продолжается разложение органики с образованием метана, а в покрывающей почве метан не окисляется, и наблюдается наибольшее выделение метана.
Ножевникова А.Н. Мусорные залежи – «метановые бомбы» планеты // Природа. 1995. № 6. С. 25-34.
Ножевникова Алла «Разложение твердых отходов»
В развитых странах метан добывают со свалок: большой полигон — это как месторождение природного газа средней величины. Для этого закладываются перфорированные трубы, газ собирается и отправляется на какое-то рядом стоящее производство, где его можно использовать непосредственно для сжигания с получением тепла, для обжига кирпича или преобразовать в электроэнергию, если это экономически выгодно.
Включать свалочный метан в общие сети нельзя, поскольку он содержит очень много примесей. Современные хроматографы детектируют в таком газе более тысячи пиков. Это означает, что в этом газе содержится не меньше тысячи разнообразных газов и газообразных веществ. К сожалению, только половину из них мы можем идентифицировать, а половина еще не известна — это какие-то сложные органические и металлсоединения, большинство из них токсичны.
Demirel, B. and Scherer, P., The roles of acetotrophic and hydrogenotrophic methanogens during anaerobic conversion of biomass to methane: a review // Rev. Environ. Sci. Biotechnol., 2008, vol. 7, pp. 173-190
Ножевникова Алла «Разложение твердых отходов»
Наиболее рациональным является интенсифицировать природные процессы. Культуры генно-сконструированных микроорганизмов можно получать и использовать для производства определенных монопродуктов в стерильных условиях. Для природоохранной биотехнологии искусственно сконструированные штаммы бесперспективны, так как они элиминируются (вытесняются) из природных мест обитания аборигенными микроорганизмами. Зато обеспечить очень хорошее обезвреживание, в данном случае окисление метана, можно, отобрав из природы наиболее активные виды и штаммы микроорганизмов и их сообществ и обеспечив условия для их жизнедеятельности.
Из смеси выделенных из покрывающей почвы полигона ТБО культур психротолерантных метанотрофов, способных развиваться при пониженной температуре, получен лабораторный образец биопрепарата, внесение которого в покрывающую почву в полевых условиях способствовало снижению эмиссии метана с поверхности полигона в холодное время года (весна, осень).
Semrau J.D. Current knowledge of microbial community structures in landfills and its cover soils // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2011. V. 89. P. 961–969.
Что же все-таки делать с бытовым мусором, во всяком случае, с его органической составляющей? Как уменьшить негативное воздействие полигонов ТБО и свалок на окружающую среду? Можно ли получить более чистый метан?
Наиболее удобный и выгодный способ заключается в раздельном сборе и/или сортировке отходов и последующей переработке биодеградабельной органики, то есть органики, которая может разлагаться микроорганизмами. Это в первую очередь пищевые и продуктовые отходы, растительные остатки, фрагменты бумаги и натуральных тканей и т. д.
Биологическая переработка может осуществляться в аэробных условиях с получением компоста, который можно использовать в качестве удобрения или захоранивать на полигоне ТБО, делая его гораздо менее опасным для окружающей среды. При этом затрачивается энергия на аэрацию.
Другой путь — анаэробная микробная переработка органической фракции ТБО с получением энергоносителя — метана. Метаногенное сбраживание осуществляется в реакторах, изолированных от окружающей среды. При этом образуется биогаз, основной частью которого является метан и который содержит гораздо меньше токсичных примесей вследствие использования более чистого сырья.
Сейчас очень большое значение придается развитию и повышению эффективности технологий переработки отходов с получением метана. Исследования идут в направлении поиска наиболее оптимальных условий для работы реакторов. Осуществляется подбор активных микробных инокулятов, обеспечивающих быстрый вывод реактора на рабочий режим и последующую стабильную работу.
Исследуются методы предобработки отходов перед загрузкой в реактор. Усилия направлены также на исследование микроорганизмов, осуществляющих наиболее важные ступени процесса метаногенеза, и создание микробных препаратов для ремедиации процесса метанового брожения в случае его нарушения. Ведется определение оптимальных условий для процесса, который нужно регулировать: температура, влажность и присутствие токсичных соединений.
Каллистова А.Ю., Глаголев М.В., Шнырев Н.А., Кевбрина М.В., Некрасова В.К., Чистотин М.В., Фаустова Е.В., Серебряная М.И., Ножевникова А.Н. Эмиссия метана с поверхности полигона захоронения твердых бытовых отходов (ТБО) в зависимости от возраста полигона и от сезона года // Ж. Экол. Хим. 2006. Т. 15. № 1. С. 13-21
