Scientific journal

Modern high technologies

ISSN 1812-7320

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,940

Применение углеродсодержащих биоактиваторов является одним из новых подходов в технологии биокомпостирования комплексно собранных твердых бытовых отходов. В качестве эталонного углеродсодержащего биоактиватора использован активированный уголь, влияющий на изменчивость концентрации ксенобиотиков и микробиоценоза в компостируемом субстрате «твердые бытовые отходы + активированный уголь» и необходимый, в дальнейшем, для сравнения с поведением углеродсодержащих биоактиваторов природного происхождения.

Объект исследования: твердые бытовые отходы (ТБО), собранные «навалом».

Цель исследования: изучение изменчивости концентрации ксенобиотиков и микробиоценоза в компостируемом субстрате «ТБО + активированный уголь» во времени развития фаз компостирования.

Компостирование проводили по методике, изложенной в ГОСТ Р 55571-2013 [1] и ТУ 9819-001-0165424850-2010 [2]. Химический метод исследования проводили согласно ГОСТ Р 53218-2008 [3], микробиологические – согласно ГОСТ 17.4.4.02-84 [4] на экспериментальной базе КазНИТУ им. К.И. Сатпаева.

Температура развития компостируемого субстрата: 17–20 °С (лаг-фаза); 25–30 °С (мезофильная фаза, фаза созревания); до 60 °С (термофильная фаза). Для улучшения аэрации компостируемый субстрат перемешивали через каждые 10–15 дней. Для поддержания влажности на уровне 50–55 % через 48–72 ч (после каждого перемешивания) добавляли стерильную дистиллированную воду комнатной температуры в объеме 10–20 мл [5, 6].

Протокол загрузки контейнера: 61 % пищевые отходы, 10 % бумага, 4 % пластик, 6 % стекло, 2 % металл и 17 % другое. Перед компостированием компоненты ТБО подверглись дроблению и измельчению.

В зависимости от используемого количества активированного угля (аптечного) в модельном образце ТБО (ТБОмо) были проведены три варианта опыта: № 1 – использовано 50 г; № 2 – 100 г и № 3 – 150 г активированного угля на 1 кг ТБО.

Результаты исследования и их обсуждение

Изучение физико-органолептических свойств компостируемого субстрата «ТБОмо + активированный уголь» показало, что в процессе развития субстрат трансформируется по цвету от серо-коричневого до темно-коричневого, по запаху – от тухлого до специфического земляничного и по агрегатному состоянию – от грубодисперсного до мелкокомкообразного.

Изменение концентрации ксенобиотиков по стадиям развития компостируемого субстрата «ТБОмо + активированный уголь» (водная вытяжка) в трех вариантах опыта исследовалось для следующих веществ: опыт № 1 – хром, ртуть; № 2 – бор, кадмий, цинк, кобальт, молибден, свинец, селен и формальдегид; 3 – алюминий, барий, марганец, медь, никель, нитрат, фосфат, хлорид, железо общее, сульфат (табл. 1).

Как видно из табл. 1, интерес представляют ксенобиотики, превышающие ПДК в ТБОмо перед началом эксперимента. К таким ксенобиотикам, как показали результаты химического анализа, относят из веществ I класса опасности – ртуть; II – кадмий, молибден и формальдегид; III – медь, никель и хлориды.

Изучение изменения концентрации ртути в зависимости от варианта опыта и стадии развития показало, что перед началом эксперимента содержание ртути составило: в опыте № 1 – 25,19 ПДК; № 2 – 42,5 ПДК; № 3 – 29,57 ПДК.

В процессе прохождения двух фаз развития, лаг и мезофильной, происходит повышение концентрации:

а) лаг-фаза: в опыте № 1 – на 214 % (79 ПДК); № 2 – 19 % (50 ПДК); № 3 – 135 % (69,52 ПДК);

б) мезофильная фаза: № 1 – на 93 % (152,38 ПДК); № 2 – 273 % (186,67 ПДК); № 3 – 207 % (213,33 ПДК).

После стадии термофильного развития по отношению к мезофильной фазе для ртути наблюдается снижение концентрации: в опыте № 1 – на 97 % (4,76 ПДК); в № 2 – на 96 % (7,14 ПДК); в № 3 – на 94 % (12,38 ПДК). В зрелом компосте концентрация ртути по сравнению с фазой термофильного развития повышается на 600 %, 439 % и 186 % соответственно, а по сравнению с началом эксперимента повышается на 24,4 % (33,33 ПДК) в опыте № 1; на 16,4 % (35,38 ПДК) в опыте № 3; снижается на 8,5 % (38,48 ПДК) в опыте № 2.

Следовательно, активированный уголь не обеспечил должного снижения концентрации ртути в зрелом компосте во всех трех вариантах опыта, однако в термофильной фазе получены наилучшие показатели снижения концентраций ртути.

Изучение изменения концентрации кадмия и формальдегида в зависимости от варианта опыта и стадии развития показало, что перед началом эксперимента содержание кадмия составило: 23,6 ПДК в опыте № 1; 1,15 ПДК – в № 2; 27,7 ПДК – в № 3, а формальдегида соответственно 21,86 ПДК, 46,86 ПДК и 26,86 ПДК. После стадии лаг-фазы развития по отношению к первоначальным данным по кадмию наблюдается повышение концентрации на 207 % (72,55 ПДК), 10 % (56,15 ПДК) и 231 % (91,65 ПДК) соответственно, тогда как по формальдегиду повышение концентрации отмечается в первом и третьем опыте на 109 (45,71 ПДК) и 203 % (81,29 ПДК) и незначительное снижение концентрации на 6 % (43,86 ПДК) во втором опыте. После стадии мезофильного развития по сравнению с лаг-фазой концентрация кадмия уменьшается в первом опыте на 20 % (57,9 ПДК) и увеличивается во втором на 56 % (87,65 ПДК) и в третьем – на 6 % (97,2 ПДК), тогда как по формальдегиду увеличивается во всех опытах на 10 (50,29 ПДК), 85 (81,29 ПДК) и 18 % (95,71 ПДК) соответственно. После стадии термофильного развития по отношению к мезофильной фазе для кадмия наблюдается снижение концентрации на 8 % (53,4 ПДК) в первом опыте и увеличение на 40 % (122,5 ПДК) во втором и на 142 % (235 ПДК) в третьем опыте, тогда как концентрация формальдегида в первом опыте остается без изменения, а во втором и третьем увеличивается на 130 (187,14 ПДК) и 124 % (214,29 ПДК) соответственно.

После стадии созревания концентрация кадмия и формальдегида по сравнению:

– с фазой термофильного развития снижается по кадмию на 78 % в первом, 91 % во втором и 96 % в третьем опыте и по формальдегиду – на 81, 95 и 96 % соответственно;

– с началом эксперимента снижается по кадмию на 49,6 % (11,9 ПДК), 78,2 % (11,15 ПДК) и 61,9 % (10,55 ПДК) и по формальдегиду на 56,9 % (9,43 ПДК), 82 % (8,43 ПДК) и 68,6 % (8,43 ПДК) соответственно.

Следовательно, снижение концентрации кадмия и формальдегида наблюдается в зрелом компосте, причем наибольшее снижение концентрации кадмия наблюдаем в опыте № 3, формальдегида в опыте № 2.

Изучение изменения концентрации молибдена показало, что превышение концентрации перед началом эксперимента было зафиксировано в опыте № 1 (4,28 ПДК) и № 3 (5,14 ПДК). После стадии лаг-фазы происходит снижение концентрации на 88 % (0,52 ПДК) и 83 % (0,88 ПДК), но после мезофильного развития химический анализ показал, что концентрация повысилась на 1873 % (10,18 ПДК) и 1496 % (14,08 ПДК) соответственно. На последующих стадиях развития опыта № 1, термофильном и созревании, происходит планомерное снижение концентрации вначале на 8 % (9,4 ПДК), затем на 99 % (0,104 ПДК), тогда как в опыте № 3 в термофильной фазе концентрация продолжает увеличиваться на 144 % (34,4 ПДК) и на стадии созревания уменьшается на 99 % (0,092 ПДК). Следовательно, концентрация молибдена в зрелом компосте снижается по отношению к полученным результатам перед экспериментом на 99,5 и 99,8 % соответственно.

Таким образом, в присутствии активированного угля в стадии созревания концентрация молибдена в компостируемом субстрате существенно снижается.

Поведение меди и никеля в компостируемом субстрате было идентичным молибдену. Так, превышение ПДК перед началом было зарегистрировано только в опыте № 2 (по меди 3,12 ПДК, по никелю 9,8 ПДК), далее в процессе развития происходит снижение концентрации, и в пробах зрелого компоста превышение ПДК для исследуемых элементов уже не обнаруживается.

По хлоридам превышение ПДК фиксируется перед началом эксперимента по всем вариантам опыта (1,97–4 ПДК), но в процессе созревания происходит снижение концентрации до уровня 0,8 ПДК.

Полученные результаты по химическому анализу компоста, произведенного из ТБО, указывают на то, что предлагаемый способ способствует снижению концентрации всех ксенобиотиков в зрелой фазе. Труднее удаляются кадмий, формальдегид и ртуть. Снижение содержания кадмия и формальдегида все же наблюдается в зрелом компосте, но превышает ПДК. И только остаточное содержание ртути лучше в термофильной зоне, чем в зрелом компосте, но также превышает ПДК.

По результатам химического анализа можно заключить, что трансформация ксенобиотиков в компостируемом субстрате во времени имеет общую закономерность, проявляющуюся в повышении концентрации в трех начальных стадиях развития (лаг, мезофильная, термофильная) и в резком снижении концентрации ксенобиотиков до 90–99 % в стадии созревания.

Особенности трансформации микробиоценоза. Данные по изучению особенностей трансформации микробиоценоза в компостируемом субстрате «ТБОмо + активированный уголь» во времени в зависимости от количества используемого активированного угля представлены в табл. 2.

Как видно из табл. 2, обсемененность общим микробным числом для компостируемых субстратов «ТБОмо + активированный уголь, 150 г/кг» и «ТБОмо + активированный уголь, 100 г/кг» почти для всех фаз развития находится на четвертом уровне разведения, тогда как для компостируемого субстрата «ТБОмо + активированный уголь, 50 г/кг» – балансирует поочередно по фазам развития на границе трех уровней разведения: от четвертого до шестого.

При сравнении с контрольной группой [7] видим, что обсемененность по ОМЧ в опытной группе с седьмого уровня разведения снижается в последующих стадиях сначала до шестого (мезофильная и термофильная фаза развития), а затем – до пятого уровня разведения (стадия созревания).

Кроме того, следует отметить, что изменчивость по обсемененности для контрольной группы относительно высоковариабельна (45–124 %), тогда как для опытной группы – наибольшая изменчивость (141,4 %) зафиксирована в опыте «моТБО + активированный уголь, 50 г/кг» на стадии созревания.

Как видно из табл. 2, наилучший по санитарному состоянию результат получен в третьем опыте, так как уже после стадии термофильного развития рост колоний колиморфных бактерий на плотном питательном агаре не был обнаружен. Для первого и второго опыта и контрольной группы [7] обнаружено присутствие колиморфных бактерий и после стадии созревания.

Следовательно, можно заключить, что добавление в компостируемый субстрат активированного угля в количестве 150 г/кг благоприятно, наравне с высокой температурой, влияет на процесс его обеззараживания.

Обсемененность актиномицетами отмечена в опыте № 2 только в фазе логарифмического роста. На других стадиях развития роста колоний актиномицетов на плотном питательном агаре не было зафиксировано.

Обсемененность микромицетами наблюдали на уровне третьего разведения в фазу лаг развития для опытов № 1 и 3, в опыте № 2 активность микромицетов на уровне третьего разведения была зафиксирована только перед началом постановки опыта. При этом коэффициент вариации для исследуемых таксонов не превышал 38 % в опыте № 1 и составил 141,4 % в опыте № 2. В последующих стадиях развития компостируемого субстрата во всех вариантах опыта рост колоний на плотном питательном агаре отсутствовал.

При сравнении с контрольной группой [7] можно отметить, что обсемененность по микромицетам и актиномицетам в опытной группе уступала контрольной.

Заключение

Предлагаемый способ компостирования ТБО, собранных «навалом», способствует существенному снижению содержания исследуемых ксенобиотиков в зрелой фазе. Труднее удаляются кадмий, формальдегид и ртуть. Снижение содержания кадмия и формальдегида наблюдается в зрелом компосте, но превышает ПДК. И только остаточное содержание ртути лучше в термофильной зоне, чем в зрелом компосте, но также превышает ПДК.

Производство биоремедиационного компоста наиболее оптимально при использовании активированного угля в количестве 150 г/кг ТБО.