Биотермическое разложение органического вещества твердых бытовых отходов при компостировании происходит в результате жизнедеятельности сапрофитных аэробных микроорганизмов, способных выделять при биохимических реакциях обмена веществ определенное количество тепла. Требующаяся для проведения биотермического процесса микрофлора имеется в необходимых количествах в ТБО. Активизацию ее жизнедеятельности обеспечивают за счет [4]:
1) - увеличения удельной поверхности при измельчении ТБО;
2) - аэрации компостируемой массы в объемах 0,2-0,8 м3 на 1 кг перерабатываемого материала;
3) - перемешивания материала;
4) - поддержания влажности массы не ниже 45 и не выше 60%;
5) - теплоизоляции, способствующей сохранению выделяющегося тепла и подъему температуры компостируемого материала,
Создавая условия затрудненной теплоотдачи, удается поднять температуру обезвреживаемого материала до 55-60°С, которая губительно действует на большинство болезнетворных микроорганизмов, яйца гельминтов и личинки мух. Непременным условием обезвреживания ТБО является выдержка компостируемого материала не менее 12 ч при температуре не менее 50 °С. Наряду с температурой важным обеззараживающим фактором является наличие антибиотических веществ (продуцируемых при биотермическом процессе микробами-антагонистами), которые, обладая литическими и бактерицидными свойствами, подавляют развитие патогенной микрофлоры или вызывают ее гибель.
Теоретически аэробные химические реакции, протекающие в теле ТБО в присутствии воздуха, можно представить в следующем виде [7].
На первой стадии осуществляется реакция:
(С6Н10О5 )n + n Н2О → n С6Н12О6
целлюлоза микроорганизмы глюкоза
На этой стадии путем биохимического расщепления (гидролиза) высокомолекулярные соединения разлагаются на низкомолекулярные.
На второй стадии происходит процесс окисления глюкозы:
nC6H12О6 + 6nО2 → 6nCO2 + 6nH2O + n2890 кДж.
микроорганизмы
Как видно из приведенных формул, глюкоза может быть полностью окислена до получения диоксида углерода и воды при аэробных условиях с выделением тепла в количестве 2890 кДж/моль глюкозы - составной части целлюлозы. При этом условно весь процесс аэробного биотермического компостирования можно разделить на три фазы [4,7].
Первая фазахарактеризуется ускоренным размножением мезофильных микроорганизмов с температурным оптимумом развития 20 - 35 °С. Источником энергии для бактерий служат легко разлагаемые органические соединения твердых бытовых отходов, содержащиеся в основном в пищевых отходах (углеводы, органические кислоты, белки). В процессе их жизнедеятельности выделяется тепловая энергия, способствующая нагреву компостируемой массы до 50 °С.
Повышение температуры создает благоприятные условия для развития термофильных микроорганизмов (вторая фаза ), в результате жизнедеятельности которых увеличивается выделение тепла, ускоряются процессы разложения органического вещества. Температура компостируемого материала поднимается до 50 - 70 °С.
В зависимости от внешних условий первая фаза протекает от одного до нескольких дней, а вторая фаза - до двух-трех месяцев. При двух-трехсуточном цикле в компостируемом материале успевает лишь начаться вторая фаза, а температура повышается до 55 - 60 °С. Завершается эта фаза в штабелях на площадке дозревания или в закрытом грунте при использовании получаемого на заводах материала в качестве биотоплива для теплиц.
Третья фаза - медленное падение температуры, что свидетельствует об использовании легко разлагаемых органических соединений. В этой фазе термофильная микрофлора переходит в состояние спор, частично отмирая, а мезофильные микроорганизмы начинают вновь размножаться благодаря тому, что обладают более разнообразной и мощной ферментативной системой, с помощью которой разлагают более стойкие органические соединения твердых бытовых отходов (клетчатка и лигнин).
При обезвреживании ТБО происходит не только распад органического вещества, но и его синтез - образование гуминовых соединений, улучшающих качество органического удобрения. Всего за цикл аэробного биотермического компостирования содержание органического вещества в компостируемом материале снижается (по сухой массе) на 18 - 26 %, в том числе в биобарабане (основной аппарат заводского компостирования) на 2 - 2,5 % (в зависимости от продолжительности пребывания в нем ТБО и активности биотермического процесса). Остальная органика теряется в штабелях или теплицах [4,7].
Низшая теплота сгорания органического вещества ТБО на горючую массу колеблется в пределах 8 - 22 МДж/кг (это энергия, выделяющаяся при полном окислении, за вычетом энергии, израсходованной на испарение, образовавшейся при окислении водорода влаги).
Для обеспечения оптимальных условий жизнедеятельности аэробной микрофлоры в биобарабаны необходимо подавать воздух из расчета 0,2 - 0,8 м3 на 1 кг обезвреживаемых ТБО. В процессе аэробного разложения выделяются диоксид углерода и вода. Эффективная аэрация способствует удалению диоксида углерода из слоя материала и обеспечивает содержание диоксида углерода в компостируемой массе не более 5 - 10 %, щелочную реакцию среды фильтрата из компоста.
Биотермическое аэробное компостирование может сопровождаться очаговым анаэробным процессом. Анаэробные явления могут быть связаны с недостаточной аэрацией отдельных зон биобарабана или длительным складированием ТБО до их подачи в биобарабаны. Аэрация наряду с интенсивным перемешиванием и измельчением материала способствует ликвидации анаэробных зон. Аэрация способствует также снижению влажности компостируемого материала, что важно для последующего грохочения, сепарации и дробления компоста, которые наиболее эффективно осуществляются на материале с влажностью не более 50 % [7].
В зимний период с целью снижения потерь тепла в биобарабан подают минимальное количество воздуха в количестве 0,2 - 0,3 м3 на 1 кг перерабатываемого материала, а в осенний (при поступлении ТБО повышенной влажности) подачу воздуха увеличивают до 0,8 м3 на 1 кг.
Разложение органического вещества ТБО, инициируемое аэробной микрофлорой, требует постоянного притока кислорода и отвода газообразных продуктов окисления, в том числе диоксида углерода. Накопление диоксида углерода, снижая окислительный потенциал, может тормозить процесс. Поэтому в ТБО должно поддерживаться определенное соотношение углерода и азота, находящееся в пределах 25-30.
В процессе компостирования можно выделить две основные ступени: I - получение биотоплива, при этом снижение содержания органического вещества составляет 5 - 8 % масс.; II - получение компоста, при котором снижение массы органического вещества составляет около 20 % масс.