СПОСОБ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПОЛИГОНОВ КОММУНАЛЬНЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2020 года по МПК B09B3/00 

Изобретение относится к городскому коммунальному хозяйству, а именно к области переработки/утилизации твердых коммунальных отходов (ТКО) методом биоремедиации.

Биоремедиация - это использование биологических методов для деградации, дезинтеграции, трансформирования и/или устранения загрязнений из почвы, воздуха и воды. Процессы биоремедиации могут осуществляться природными микроорганизмами. Задачи этой природоподобной технологии заключаются в стимуляции (катализе) биодеградативной активности этих микроорганизмов. Если в почве, воде, слоях свалок загрязненной ксенобиотиками, отсутствуют микроорганизмы, способные к деградации данных соединений, применяют интродукцию (инъекция, внесение) туда микроорганизмов-биодеструкторов. В том случае, когда при биоремедиации используются биопрепараты, то речь идет о разработке и адаптации нескольких природоподобных технологий. Целью первой технологии является внесение препаратов с микроорганизмами, которые будут использоваться при осуществлении второго биотехнологического природоподобного процесса – собственно биоремедиации.

Так, из уровня техники известен способ для переработки твердых бытовых отходов (патент РФ №2294319, B09B 3/00, опубликован 27.02.2007), в котором сортируют отходы, осуществляют биотермическую санацию в биобарабанах с внесением активирующего состава и последующего компостирования в буртах, при этом в качестве активирующего состава используют композицию из легкодоступных источников углерода, азота и фосфора и активаторов роста микроорганизмов в виде растворов в дозировках, обеспечивающих активную колонизацию субстрата аборигенными термофильными микроорганизмами.

Наиболее близким по технической сущности является способ утилизации твердых бытовых отходов, включающий размещение твердых бытовых отходов в чаше полигона, отведение дренажных вод на испарительный пруд, последовательное нагнетание отходов и воздуха в нагнетательные скважины, расположенные в свалочном теле, формирование аэробной, переходной и анаэробной зон (патент РФ №2406578, B09B 3/00, опубликован 20.12.2010).

Недостатком наиболее близкого аналога является малая глубина переработки и длительность деструкции органических веществ в отходах.

Задачей патентуемого решения является устранение указанных недостатков, устранение выбросов парниковых газов, в первую очередь метана, запахов гниения отходов, регенерация земли под полигоном с защитой грунтовых вод, очищение дренажных вод, уменьшение количества депонированных отходов, продление срока службы полигонов, снижение эмиссионной экологической нагрузки на окружающую среду и возможность создания производства на основе всесторонней переработки вторичного сырья.

Техническим результатом патентуемого решения является увеличение глубины переработки и сокращение времени деструкции органических веществ в отходах.

Заявленный технический результат достигается в способе рекультивации полигонов коммунальных бытовых отходов, включающим бурение скважин на всю глубину полигона, установку перфорированных труб в пробуренные скважины и периодическую подачу озонированного воздуха и водного раствора, содержащего следующие компоненты при следующем соотношении компонентов, мас.%: ферменты класса оксигеназ 2-6%, пенетрат 1-3%, декстроза 1-2%, пероксид водорода 1-2%, вода техническая остальное.

Благодаря осуществлению способа рекультивации полигонов коммунальных бытовых отходов, включающего бурение скважин и проколов (гидро и пневмо коперами) на всю глубину полигона, установку в скважины перфорированных труб и периодическую подачу озонированного воздуха и водного раствора под давлением обеспечивается равномерное насыщение объёма субстрата тела полигона катализатором и кислородом, что является природоподобным оптимальным условием для ускоренной деструкции органики в аэробных условиях.

Благодаря подаче озонированного воздуха количество кислорода в субстрате достигает 35%, что является достаточным и необходимым условием работы микроорганизмов в аэробной среде.

Благодаря использованию водного раствора, содержащего следующие компоненты при следующем соотношении компонентов, мас.%: ферменты оксигеназ (класса оксидоредуктаз) 2-6%, пенетрат 1-3%, декстроза 1-2%, пероксид водорода 1-2%, вода техническая - остальное, в совокупности с периодической подачей озонированного воздуха обеспечивается катализация природоподобного разложения органики в аэробной среде.

Ферменты (Энзимы) - специфические белки-вещества, ускоряющие течение различных биохимических реакций. Реакции с участием ферментов называются ферментативным катализом. Ферментативный катализ отличается исключительно высокой эффективностью: скорость реакции увеличивается в 10¹⁰-:-10¹³ степени раз. В настоящее время известно более 3000 ферментов. Ферменты присутствуют во всех живых клетках и катализируют реакции во всех без исключения жизненных процессах

Применение органических реагентов катализа (ОРК), включающие в составе энзимы класса оксигеназ способствует интенсивному проникновению кислорода воздуха в более глубокие слои ТКО на полигоне и расширяет сферу аэробных процессов распада органических веществ, чем значительно ускоряет эти процессы, как катализаторы биологических реакций, обеспечивают более полный распад органических веществ.

В отходах присутствуют сложные микробиологические сообщества до некоторой степени способные разлагать разнообразные загрязнители, превращая их в нетоксичные формы. В природе существуют различные микроскопические формы (бактерии, дрожжевые грибки, плесневые грибки и т.д.), которые обладают способностью биологического разложения многих вредных веществ для окружающей среды. Эти микроорганизмы (МО) обладают способностью производить внеклеточные ферменты, приводящие к расщеплению сложных соединений, что ведет к трансформации их в источники питания для их роста и размножения самих МО. Этот процесс продолжается до тех пор, пока все источники питания не будут разложены на двуокись углерода (CO₂), воду (H₂O) и биомассу (жирные кислоты, которые служат в качестве источников питания других микроорганизмов).

Биологическое разложение сложных смесей может совершаться как в богатой кислородом (аэробной), так и в бедной кислородом (анаэробной) среде. Аэробная минерализация загрязнителей происходит гораздо быстрее и более полно, чем анаэробный процесс. В субстрате, лишь небольшой процент общей бактериальной популяции способен утилизировать эти смеси в качестве источников пищи для получения энергии и роста. Эта ограниченная бактериальная популяция в сочетании с недостатком стимулирующих факторов является препятствием, ограничивающим действенность биологического восстановления, т. к. процесс может затянуться на десятилетия. При использовании стимуляции композитом, МО, потребляющие в пищу органику, становятся главными в биологической цепи и увеличивают свою численность без какого-либо изменения своих свойств.

Действие композитов представляет собой трехступенчатый процесс

На первой стадии, естественно обитающие в субстрате бактериальные популяции, получают стимуляцию благодаря ферментам. В то же время содержащиеся в композите биологически усвояемые ферменты (природные катализаторы) расщепляют органические соединения на более удобоваримые фрагменты. Присутствие продуктов расщепления стимулирует естественно обитающих МО начать поглощать расщепленные молекулы органики.

На второй стадии обычная, но увеличившаяся в численности, бактериальная популяция подвергается действию естественного отбора. Бактериям, способным к утилизации углеводородных соединений в качестве источника питания, как раз и предоставляется такой богатый источник удобоваримых соединений для продолжения роста.

На третьей стадии, композит с обогащенным кислородом воздухом вносится через равные интервалы времени, для того, чтобы непрерывно стимулировать селективный рост бактерий, поглощающих углеводороды, и обеспечить достаточное количество ферментов, расщепляющих тяжёлые соединения для последующего усвоения бактериями. Благодаря добавлению композита (ОРК-5) и стимуляторов на этой стадии, нормальное гаусcовское убывание бактериальных популяций сходит на нет до тех пор, пока не будет расщеплен весь остающийся запас органики. После полной ликвидации органики, популяция бактерий быстро убывает до своего естественного уровня.

Оксигеназы - это ферменты, катализирующие активирование кислорода и последующее включение первого или второго его атомов в молекулы различных субстратов. Если субстратом (акцептором О₂) служит водород, фермент называют оксидазой. В этом смысле оксидазы можно рассматривать как специализированный класс оксигеназ.

Оксигеназы играют важную роль в процессах биосинтеза, деградации и трансформации клеточных метаболитов: ароматических аминокислот, липидов, сахаров, порфиринов, витаминов. Субстратами, на которые воздействуют оксигеназы, часто служат сильно восстановленные не растворимые в воде соединения; их окисление приводит к тому, что продукты реакции становятся более растворимыми в воде и, следовательно, биологически активными, что важно для их последующего метаболизирования. А у анаэробных прокариот кислород, включаемый в молекулу субстрата, происходит из воды.

Пенетрат (С₆Н₆ОS) диметилсульфоксид (ДМСО) – вещество в жидком состоянии, обладает способностью проникать через биологические мембраны. Основанием для применения является его анальгетическое и противовоспалительное действие за счет инактивации гидроксильных радикалов и улучшения метаболических процессов в очаге деструкции органических отходов. Вещество обладает антисептическим и фибринолитическим эффектом и в совокупности с остальными компонентами состава для переработки отходов усиливает их проникающие способности, а также усиливает действие ферментов класса оксигеназ с кислородом, что приводит к увеличению глубины переработки и значительному сокращению времени деструкции органических веществ в отходах.

Декстроза (С₆Н₁₂О₆) представляет собой природный моносахарид, который является изомером молекулы глюкозы, ее получают из крахмала зерновых культур в процессе гидролиза. Поскольку декстроза состоит всего из одной молекулы (моносахарид), ее усвоение в теле полигона происходит крайне быстро. Метаболизм декстрозы начинается уже при попадании ее в субстрат. Другие углеводы начинают абсорбироваться только в процессе деструкции. Благодаря этому свойству она является «супербыстрым углеводом» для аэробных микроорганизмов, запуская аэробный процесс разложения органики.

Пероксид водорода (перекись водорода) – соединение водорода и кислорода Н₂О₂, содержащее 94% кислорода по массе. В молекулах Н₂О₂ содержатся пероксидные группы –О–О–, которые во многом определяют свойства этого соединения. Реакция разложения Н₂О₂ часто протекает по радикально-цепному механизму, при этом роль катализатора заключается в инициировании свободных радикалов.

Таким образом, действие ферментного композита класса оксигеназ в совокупности с пенетратом, пероксидом водорода и декстрозой при указанном соотношении компонентов обеспечивает синергетический эффект - увеличение глубины переработки и значительное сокращение времени деструкции органических веществ в отходах.

Сущность изобретения заключается в следующем.

В предложенном способе рекультивации полигонов коммунальных бытовых отходов после предпроектных работ, используя инженерно-экологические изыскания, в теле полигона по расчетной сетке бурятся скважины на всю глубину полигона. В скважины вставляются перфорированные трубы, обустроенные оголовками с герметичными фитингами для присоединения шлангов. По шлангам, периодически по расчетам технологического регламента под давлением насосами и компрессорами подается озонированный воздух и водный композитный раствор указанного состава. Водный раствор может готовиться так же на базе предварительно подготовленного инфильтрата полигона. Полученный водный раствор под давлением вносят посредством насосов в инъекционные скважины тела полигона и на почву вокруг, чтобы получить начальную популяцию микроорганизмов (МО). Площадь обработанного участка полигона после рекультивации с помощью спецтехники: бульдозеров, экскаваторов и катков-уплотнителей разравнивают, выполаживают, уплотняют, перед этим выполнив демонтаж рабочих скважин. Обработанный участок полигона может быть пригодным к дальнейшему складированию отходов, рециклингу карт полигона, рекультивации, фиторемедиации, экскавации, сепарации, рекуперации.

При использовании в составе ферментной системы класса оксигеназ происходит катализ последовательных стадий превращения твердых бытовых отходов. Установлено, что в присутствии ферментного комплекса класса оксигеназ, последовательно выполняющих свои функции ферменты в процессе деструкции органических отходов, происходит обмен промежуточного субстрата между двумя фермент-субстратными комплексами, что приводит к увеличению скорости накопления конечных продуктов реакции примерно в 7 раз по сравнению с процессом, катализируемым лишь одним ферментом. При этом пенетрат и перекись водорода усиливают их действие и действие кислорода, а также проникающие способности, что приводит к увеличению глубины переработки и сокращению времени деструкции органических веществ в отходах, а декстроза является «супербыстрым углеводом» для аэробных микроорганизмов, запуская аэробный процесс разложения органики.

При ферментативном катализе проявляются белковая природа ферментов, их термолабильность, влияние рН среды, специфичность действия, высокая каталитическая способность, чувствительность к активаторам и ингибиторам. Ферментативная реакция протекает согласно закону действия масс при снижении энергетического барьера реакций комплексом ферментов. Таким образом достигается синергетический эффект действия водного композита на органические отходы.

Будучи произведенными из натурального сырья, препараты безопасны для человека и окружающей среды. Все ингредиенты органического происхождения и легко разлагаются. Не токсичны, не раздражает кожу, не вызывает сыпи и ожогов, не содержат горючих материалов, невзрывоопасны. При правильном использовании они безопасны для здоровья людей, животных, рыб и растительности.

Далее изобретение поясняется с помощью примеров.

Пример 1.

В результате выполнения заявленного способа с использования состава при следующем соотношении компонентов, мас.%: ферменты класса оксигеназ - 2, пенетрат - 1, декстроза - 1, пероксид водорода - 1 и вода – 95 глубина переработки составила 92% и в 6,5 раз сократилось время деструкции органических веществ в отходах по сравнению с наиболее близким аналогом.

Пример 2.

В результате выполнения заявленного способа использования состава при следующем соотношении компонентов, мас.%: ферменты класса оксигеназ - 6, пенетрат - 3, декстроза - 2, пероксид водорода - 2 и вода – 87 глубина переработки составила 96% и в 7 раз сократилось время деструкции органических веществ в отходах по сравнению с наиболее близким аналогом.

Пример 3.

В результате выполнения заявленного способа использования состава при следующем соотношении компонентов, мас.%: ферменты класса оксигеназ - 4, пенетрат - 2, декстроза - 1, пероксид водорода - 2 и вода – 91 глубина переработки составила 94% и в 6,7 раз сократилось время деструкции органических веществ в отходах по сравнению с наиболее близким аналогом.

Пример 4.

В результате выполнения заявленного способа использования состава при следующем соотношении компонентов, мас.%: ферменты класса оксигеназ - 3, пенетрат - 3, декстроза - 1, пероксид водорода - 1 и вода – 92 глубина переработки составила 95% и в 7 раз сократилось время деструкции органических веществ в отходах по сравнению с наиболее близким аналогом.

Пример 5.

В результате выполнения заявленного способа использования состава при следующем соотношении компонентов, мас.%: ферменты класса оксигеназ - 5, пенетрат - 1, декстроза - 2, пероксид водорода - 2 и вода – 90 глубина переработки составила 94% и в 6,8 раз сократилось время деструкции органических веществ в отходах по сравнению с наиболее близким аналогом.

Таким образом, в указанном составе достигается синергетический эффект - увеличение глубины переработки и значительное сокращение времени деструкции органических веществ в отходах.

Таким образом, достигается синергетический эффект - увеличение глубины переработки и значительное сокращение времени деструкции органических веществ в отходах.

Кроме того, обеспечивается устранение выбросов парниковых газов, в первую очередь метана, запахов гниения отходов, регенерация земли под полигоном с защитой грунтовых вод, очищение дренажных вод, уменьшение количества депонированных отходов, продление срока службы полигонов, снижение эмиссионной экологической нагрузки на окружающую среду и возможность создания производства на основе всесторонней переработки вторичного сырья.

Изобретение относится к городскому коммунальному хозяйству, а именно к области переработки твердых бытовых отходов (ТБО) методом биоремедиации. Производят бурение скважин на всю глубину полигона. В пробуренные скважины устанавливают перфорированные трубы и осуществляют периодическую подачу озонированного воздуха и водного раствора, содержащего следующие компоненты при их соотношении, мас.%: ферменты класса оксигеназ 2-6%, пенетрат 1-3%, декстроза 1-2%, пероксид водорода 1-2%, вода техническая - остальное. Обеспечивается увеличение глубины переработки и значительное сокращение времени деструкции органических веществ в отходах. 5 пр.

Способ рекультивации полигонов коммунальных бытовых отходов, включающий бурение скважин на всю глубину полигона и подачу воздуха и водного раствора, отличающийся тем, что в пробуренные скважины устанавливают перфорированные трубы и осуществляют периодическую подачу озонированного воздуха и водного раствора, содержащего следующие компоненты при следующем соотношении компонентов, мас.%:

ферменты класса оксигеназ 2-6 пенетрат 1-3 декстроза 1-2 пероксид водорода 1-2 вода техническая остальное