28188-1 (Переработка ТПО** и ТБО после проведения сепарации ТБО по группам), страница 2

Таким образом, процесс разложения полисахаридов и одного из важнейших из них целлюлозы как биополимера - продукта биохимии (природного полимера) по Имшенецкому происходит за счет биодеградации с образованием гидролитических фрагментов (8) и моносахаридов. Этот процесс происходит за счет фермента целлюлазы, который продуцируется аэробными и анаэробными бактериями. Почвенные бактерии и грибы - основные агенты, обеспечивающие гидролиз полисахаридов и в частности целлюлозы и ее спутников и их производных. Этот процесс идет через образование гумуса. Образование гумуса, по Имшенецкому в почве связано в первую очередь с разрушением целлюлозы. А гумус, сложнейший органический компонент почвы - основа ее плодородия. Целлюлозные бактерии играют большую роль в создании прочной структуры почвы, столь необходимой для ее плодородия. Основой структуры почвы, по В.Р. Вильямсу (9), является ее структура и в первую очередь комковатость почвы. Почва по В.Р. Вильямсу - производное жизни. В 60-х годах текущего столетия появились так называемые структурообразующие удобрения - вещества, вызывающие агрегирование почвенных частиц тяжелых глинистых, суглинистых, песчаных, супесчаных и других видов почв. В качестве структурообразующих удобрений используются гуминовые соединения и различные производные целлюлозы (10). Однако, высокая цена этих удобрений ограничивает зачастую возможность их применения. Производные целлюлозы (имеется в виду обычные промышленные АЦ, АБЦ, Na-КМЦ и т.п., не содержащие тяжелых металлов), по данным Института Химии АН Таджикской ССР, являются структурообразователями почвы и не выделяют при их попадании и разложении в почву токсических веществ (11). Как раньше, так и сейчас особенно необходимо усиленно вносить природные органические удобрения, чтобы всеми возможными силами препятствовать разрушению (эрозии) почв, которая наблюдается почти повсеместно. Это наш с Вами, дорогой читатель, прямой гражданский и общечеловеческий долг перед детьми и внуками.

Для правильного, осмысленного понимания данного этапа излагаемой работы нам следует рассмотреть вкратце состав почвы (в общих чертах). Итак, по Б.А. Ягодину почвенный слой почвы состоит из трех основных компонентов (12):

1. Твердая фаза почвы, представляющая собой многокомпонентный комплекс конденсированной фазы почвы. Главными компонентами комплекса являются: минеральная часть почвы и органическая часть.

2. Водный раствор Na⁺; K⁺: Ca⁺⁺; Mg⁺⁺; NH₄⁺; NO₃^-; SO₄^2-; H₂PO₄^-.

3. Газ (выделение СО₂, поглощение О₂).

Схематично это следует изобразить в следующем виде:

Таким образом выглядит биохимическая и физико-химическая схема составных частей почвы, этот сравнительно тонкий слой поверхности суши, переработанный многогранной деятельностью живых существ. Почвенный слой - это трехфазный слой как уже показано на схеме. Твердые частицы почвенного слоя пронизаны порами и полостями, заполненными частично водными растворами выше упомянутых веществ, частично воздухом, содержащим СО₂, О₂ (и азот N₂). Поэтому почву населяют как мелкие водные, так и воздухо-дышащие организмы. Объем мелких полостей почвы между комочками - важнейшая ее характеристика (комковатость) о чем, в свое время настаивал В.Р. Вильямс. Эти полости в рыхлых почвах могут составлять многие проценты. В плотных несформированных почвах их меньше. В этих порах и на поверхности комочков почвенного слоя обитает огромное множество микроскопических организмов: бактерий многих видов, различных грибов, простейших, крупных червей Annelida, членистоногих. Животные покрупнее прокладывают в почвенном слое ходы сами. Одновременно весь почвенный слой пронизан корнями высших растений (Planta). Глубина почвы определяется глубиной проникновения корней высших растений и деятельностью роющих животных. Обычно глубина почвенного слоя составляет на обрабатываемых сельскохозяйственных землях до 1,5 м. Но зачастую этот слой может быть значительно меньше.

В почвенных полостях всегда содержится воздух, насыщенный водяным паром, состав воздуха обогащен диоксидом углерода СО₂ и сравнительно обеднен кислородом О₂. Соотношение воздуха с СО₂ и воды в виде водного раствора многих компонентов постоянно меняется и зависит от времени года и погодных условий. При этом колебания температуры почвенного слоя очень значительны у поверхности, но постепенно сглаживаются по мере углубления в почву. Основная особенность почвенного слоя - это постоянный динамизм, движение, поступление органических веществ за счет негумифицированных органических высокомолекулярных веществ растительного и животного происхождения, за счет отмирающих корней растений, опадающей листвы (все это источники углерода - С) и разлагающихся отмерших животных (источники азота - N).

Почвенный слой - это ценнейший источник энергии для всех животных и растений, для бактерий, грибов всех видов, многих животных. Почвенный слой - это самая насыщенная жизнью среда. Поэтому, качество почвенного слоя, плодородие почвы зависит от общей культуры земледелия, от длительности возделывания земли, от правильного рационального, научно-обоснованного землепользования. Качество почвы зависит от продолжительности возделывания земли и общей культуры землепользования. Пользуясь тем или иным земельным угодьем, человек берет из земли все необходимое для его жизни. А именно, зерно, корнеплоды, много других овощей, ягоды, фрукты и т.д.. Т.е. человек берет из земли, из почвы многие органические и неорганические вещества. Поэтому, чтобы не было истощения почвенного слоя земли необходимо регулярно и постоянно вносить в почву примерно то же самое количество органических и неорганических веществ в виде удобрений. Только высокая культура земледелия и высокая культура общего землепользования, заключающаяся в постоянном и регулярном внесении всех необходимых удобрений, в правильно научно-обоснованном соблюдении последовательности возделывания культур, т.е. в правильно организованном севообороте, только весь этот комплекс мер может повышать плодородие почвы. В тоже время варварское, потребительское отношение к земле приводит к обеднению почвенного слоя, деградации почвы и в конечном итоге, в результате бездумного обращения к земле, может привести к эрозии почвы даже очень плодородной и богатой вначале землепользования. Под эрозией почвы понимается процесс разрушения и выноса плодородного слоя водой или ветром и соответственно эрозия называется водной или ветровой эрозией. Необходимо, чтобы процесс разрушения почвенного плодородия шел медленнее процесса восстановления плодородия, а для этого необходимо именно научно-обоснованное землепользование.

Поэтому, в течение многих лет, начиная с 1976г. с некоторыми перерывами нами проводились исследования по возможности использования следующих органических материалов природного происхождения для внесения в почву. Нами была исследована возможность внесения следующих компонентов:

1. Твердых целлюлозно-бумажных отходов (ТЦБО) и твердых отходов производства сложных эфиров целлюлозы (ТОПСЭЦ).

2. Твердых производственных отходов древесины (ксилемы) в виде опилок, стружки и дробленой древесной коры, т.е. твердых древесных отходов (ТДО).

3. Волокнистых отходов производства хлопковой целлюлозы, применяемой для производства сложных эфиров целлюлозы для пластмасс.

4. Части твердых бытовых отходов (ТБО), состоящих из отходов бумаги, картона, древесины и пищевых отходов.

Было исследовано влияние введения этих материалов на изменение внешнего вида, на изменение структурного вида почвенного слоя, на появление и усиление комковатости исходных бесструктурных глинистых почв. Разумеется ниже описываемые эксперименты не являются этапом проведения экологической биотехнологии, а являются предварительным исследованием.

Экспериментально нами было установлено и подтверждены данные других исследователей, что кусочки различных препаратов целлюлозы, а также измельченные до 2-4 см листы бумаги и картона, пищевые отходы, в т.ч. мелкие кости рыбы и птицы измельченные до размера 2-5 см, заложенные в бесструктурную пластовую глинистую почву осенью (сентябрь-октябрь) при влажной погоде, пролежав осень и зиму к весне перегнивают. На месте закладки отходов весной всегда наблюдались колонии диких дождевых червей Annelida и всегда (обычно в конце апреля) образовывались на месте грубой некультивированной, бесструктурной почвы, не содержащей комочков очаги комковатости и одновременно изменялся цвет пластовой глины из коричневого становился более темный. В самом начале первых испытаний вместе с целлюлозными волокнами из бумаги, картона, хлопкового линта закладывались кусочки сложных эфиров древесной и хлопковой целлюлозы (СЭД и ХЦ) с массовой долью связанной уксусной кислоты 50-57%, ацетобутираты целлюлозы для алюнита и пластмасс, ацетофталаты целлюлозы. При этом СЭД и ХЦ имели слабую кислотность (рН 4-5). Размеры СЭД и ХЦ были до 4-5 см по максимуму. В течение трех лет подряд были подтверждены данные Имшенецкого о том, что процесс разложения СЭД и ХЦ идет сравнительно медленно. При этом при наличии в почвенном слое смеси целлюлозы (в виде бумаги, хлопка или картона), а также при наличии в том же месте СЭД и ХЦ всегда наблюдается так называемый диакустический рост. Т.е. всегда идет в первую очередь разрушение немодифицированного химически целлюлозного волокна в виде хлопка, кусочков бумаги и картона и уже после полного исчерпания целлюлозного волокна начинают медленно разрушаться в течение двух иногда трех лет СЭД и ХЦ. Т.е. разрушение СЭД и ХЦ длится очень медленно в течение 2-3 лет, что и подтверждает данные Имшенецкого. Это наблюдается и при раздельном введении целлюлозного волокна и СЭД и ХЦ. Всегда разрушение СЭД и ХЦ длится 2-3 года. Это можно объяснить различными причинами:

1. СЭД и ХЦ имеют более плотную макро- и микроструктуру.

2. СЭД и ХЦ отличаются от нативной (природной) целлюлозы химическим составом. Иначе говоря, введение кислотного остатка ацила в макромолекулу целлюлозы препятствует биохимическому разложению природного полимера. Процесс разложения СЭД и ХЦ зависит от проникновения биохимических агентов внутрь образцов (8).

Биодеградация (компостирование) - это экзотермический процесс биологического и биохимического разложения высокомолекулярных и олигомерных природных веществ и одновременно процесс синтеза ряда низкомолекулярных веществ в том числе ацетальдегида (СН₃СНО) и далее уксусной кислоты (СН₃СООН), и далее вплоть до образования диоксида углерода СО₂ и воды Н₂О. Все это нами было подтверждено экспериментально, в т.ч. хроматографически с участием З.А. Беловой. В этом процессе смешанный, точнее комбинированный субстрат подвергается биодеградации и биохимическому, а также биологическому разложению и одновременно происходит синтез под воздействием смешанной популяции микро- и макрофлоры; микро- и макрофауны в условиях повышенной температуры и влажности. В процессе биодеградации комбинированный субстрат претерпевает физические и химические превращения и в конечном итоге происходит потеря в весе на 35-40%% и образуется относительно стабильный гумифицированный конечный продукт компост (точнее биомасса). Этот продукт представляет особую ценность как средство улучшающее структуру почвы, точнее придающее почве комковатость.

Каковы же микро- и макробиологические аспекты формирования биомассы:

1. Микрофлора: бактерии; актиномиценты, последние интенсивно растут при повышенных температурах; грибы; дрожжи; водоросли; вирусы.

2. Микрофауна - простейшие.

3. Микрофлора - высшие грибы. Последнее высшие грибы, в т.ч. и шампиньоны мы наблюдали на гниющих кипах хлопка в 1990-1992г.г., когда проводили предварительные испытания на территории очистных сооружений ВХЗ.

4. Макрофауна - черви, клещи, двуногие, многоножки.

При проведении процесса биодеградации смеси природных материалов принимают участие многие бактерии, более 2 000 и не менее 50 видов грибов (6). Порогом температуры биодеградации служит температура +60 - +70°С (иногда до +75°С в жаркий летний период).

Сначала на первом этапе исследования и подтверждения параметров экологической биотехнологии работа проводилась без искусственного введения ферментов (энзимов) в исходное сырье. Затем на втором этапе работы вводились различные, специальным образом подобранные и рекомендованные нам лабораторией углеводов Института биохимии им. А.Н. Баха (М.Л. Рабинович), комбинации целлюлолитических ферментов. Итак, переходя уже к следующему основному этапу разработки способа экологической биотехнологии переработки ТБО наша фракция ТБО, состоящая из пищевых отходов, целлюлозного волокна, отходов дробленой древесины, картона выгружалась на одну из площадок приготовления биомассы (на одну карту). При этом здесь можно исходить из различных исходных предпосылок, а именно. Главное, как уже отмечалось ранее, для приготовления биомассы необходимо соблюдение следующего количественного элементарного состава углерода С к азоту N: С/N = 25/1-30/1. Исходя из этой главнейшей предпосылки необходимо знать, хотя бы на первых порах ориентировочно, это соотношение, а именно, если у нас приготовление биомассы осуществляется из основных фракций ТБО, т.е. из гниющих пищевых отходов (природных материалов), целлюлозного волокна и древесины, то здесь нужно рассчитать содержание всех компонентов так, чтобы это важнейшее соотношение С/N = 25/1-30/1 всегда строго соблюдалось. В качестве носителя азота, донора азота здесь выступают пищевые отходы животного природного происхождения: раздробленные кости рыбы, птицы и животных. Например, по данным, приведенным М.И. Мягковым и др. (13), сделан ориентировочный расчет соотношения С/N. Эти данные приведены в Главе 4. Это соотношение, как уже упоминалось в этой главе, по данным этих авторов 15-18/1. Это означает, что для строго правильного приготовления биомассы нужно ввести дополнительно в исходную смесь С-содержащий компонент - определенное заранее рассчитанное количество отходов растительного происхождения или целлюлозосодержащий компонент. То есть субстрат не содержащий азот N. Если соотношение С/N > 30/1, скажем составляет 40/1, то это значит, что необходимо ввести N-содержащий компонент. В качестве такого N-содержащего компонента могут быть пищевые отходы животного происхождения кости рыбы, птицы или других животных, но только дробленые до размера по максимуму 5 см.

Если биомасса приготавливается только из промышленных отходов, содержащих только С-компонент, ну скажем отходы древесины, бумаги и картона, то здесь обязательно необходимо введение N-содержащего компонента, N-содержащего субстрата. В качестве такого субстрата может использоваться любой навоз, содержащий N-компоненты (в том числе мочевину природного происхождения). Однако, поступающий N-содержащий субстрат в виде животного навоза или даже мочи ни в коем случае не должен привносить в биомассу патогенную микрофлору или паразитическую микрофауну (в том числе наиболее широко распространенную гельминтофауну). Это также обязательное и строго выполняемое условие для правильного регламентированного приготовления биомассы. При этом, внесение N-содержащего субстрата из животного организма кроме азота всегда привносит в исходную биомассу широкую гамму ферментов так необходимых для нормального протекания процессов экологической биотехнологии. При внесении мочи из животного организма в исходную массу вместе с N-компонентом привносятся ферменты такие как амилаза (диастаза) и уропепсин (14). Оба эти фермента необходимы для ускорения протекания процессов разложения растительных отходов в том числе и в приусадебных хозяйствах. При этом компоненты навоза, в том числе и растворенный аммиак, оказывают на целлюлозосодержащие материалы как реагенты способствующие их набуханию и в итоге N-содержащий компонент совместно с гаммой ферментов оказывают на С-содержащие агенты (природные материалы) в общей сложности синергическое воздействие, способствующее ускорению процессов биодеградации и формированию гумифицированной биомассы.