За разложение мусора ответят микроорганизмы

Издавна городским мусором, которого было гораздо меньше, чем теперь, постепенно засыпали овраги и заболоченные места, например Суково болото на юго-востоке современной Москвы. С ростом городов появились организованные свалки, для которых обычно использовали естественные понижения местности и овраги. А дальше, чтобы упорядочить обращение с бытовым мусором, вблизи российских городов на отведенных территориях стали создавать специализированные объекты — полигоны ТБО (твердых бытовых отходов).

Мусорная отсталость

В развитых зарубежных странах проводится раздельный сбор и/или сортировка ТБО с отделением биоразлагаемых отходов, которые, как правило, подвергаются переработке в удобрения. На зарубежных полигонах ТБО проводится тщательный контроль поступающих отходов и их рациональное размещение, осуществляется очистка фильтрационных вод (личатов). В применении методов утилизации и переработки ТБО Россия сильно отстает от современного мирового уровня, поскольку основным методом утилизации ТБО в нашей стране является захоронение на полигонах несортированного мусора.

Исследование процессов, происходящих на полигонах ТБО, и их влияние на окружающую среду в нашей стране было начато в 1980-х годах. Под руководством академика Г. А. Заварзина группой ученых при участии инженеров, геологов, почвоведов и микробиологов, в том числе и автора настоящей статьи, было проведено научное обследование подмосковного полигона ТБО "Кучино".

Тогда впервые было установлено, что температура в свалочном теле на глубине 25 м достигает 53-55оС. В пробах свалочного грунта были изучены процессы микробной деградации органических отходов. Был исследован состав свалочного биогаза, представленного в основном метаном и углекислым газом с многочисленными, в том числе токсичными, примесями. Позже было установлено, что свалочный биогаз выделяется с поверхности полигона не равномерно, а потоками из вертикальных разломов и каналов в свалочном теле. Результаты выполненных исследований показали, что полигоны ТБО являются экологически вредными объектами.

Потоки метана с поверхности закрытого для захоронения ТБО более пяти лет назад участка полигона "Хметьево"

Ситуация с полигонами ТБО ухудшилась в двухтысячные годы после решения увеличивать объемы полигонов ТБО путем насыпи мусорных холмов высотой 40 м и более. Этот опыт был позаимствован из Европы, где такой подход к захоронению ТБО широко используются. Однако в России эта идея оказалась не вполне пригодной в связи с особенностями климата. Зимой наружный слой холма охлаждается и промерзает, оставаясь теплым внутри, где продолжается микробное разложение мусора, а весной наблюдаются осыпи стенок холма и выход потоков токсичных фильтрационных вод (личатов) и дурно пахнущих газов из полуразложившихся отходов.

Ядовитые мусорные нахлебники

Городские ТБО на 60-70 % состоят из органических биоразлагаемых компонентов, которые в основном включают пищевые отходы, бумагу и картон. Захороненные в свалочном теле полигона ТБО органические биоразлагаемые отходы находятся в условиях отсутствия кислорода и подвергаются разложению не нуждающимися в кислороде анаэробными микроорганизмами. В этом многостадийном биологическом процессе участвуют несколько основных групп микроорганизмов: как минимум три группы бактерий — гидролитические, бродильные и ацетогенные, а также метаногенные археи, образующие метан в качестве конечного продукта метаболизма.

Гидролитические бактерии разлагают сложные полимерные соединения до простых веществ, в основном сахаров, аминокислот и жирных кислот, из которых затем бродильные бактерии образуют кислоты и спирты, а ацетогенные бактерии расщепляют летучие жирные кислоты до ацетата (уксусной кислоты). На всех стадиях процесса образуются водород и углекислота, которые наряду с ацетатом служат субстратом для метаногенных архей.

Анаэробное микробное разложение содержащихся в ТБО органических веществ на полигоне ТБО длится в течение 30-50 лет с образованием выделяющегося в атмосферу свалочного биогаза, содержащего основные компоненты: метан и углекислый газ, а также большое количество газообразных и летучих примесей, многие из которых являются токсичными — в частности, аммиак, сероводород, а также фенол и другие ароматические соединения. В случае возгорания или пожара на полигоне токсичность выделяющегося газа резко возрастает.

Помимо биогаза в результате жизнедеятельности микробного сообщества образуются растворимые и нерастворимые органические и минеральные вещества. Вследствие дождей, таяния снега, процессов биодеградации и химических реакций накапливаются фильтрационные воды (личаты), которые содержат многочисленные компоненты органических и минеральных веществ, включая тяжелые металлы, такие как медь, кадмий, цинк, свинец, кобальт, ртуть и др., загрязняющие почвы.

Сезонные изменения потоков метана на одном из участков полигона "Хметьево"

Следует отметить, что в верхнем слое полигона ТБО, куда проникает кислород воздуха, развиваются аэробные газоокисляющие бактерии. Наиболее важной группой являются бактерии, которые в качестве субстрата роста потребляют метан, образующийся в свалочном теле полигона ТБО, окисляя его кислородом воздуха. Метанокисляющие бактерии активны только в теплое время года, и пик их активности приходится на июль. Таким образом, летом эмиссия свалочных газов резко уменьшается, и выход метана может полностью прекратиться, особенно на закрытых полигонах. Наблюдалась очень хорошая корреляция между данными, полученными разными методами. Метанокисляющие бактерии, образуя микробную биомассу, также играют важную роль в образовании почвенного слоя на поверхности закрытых участков полигонов ТБО.

Нажиться на мусоре

Прежде всего следует отметить, что мусоросжигательные заводы проблему ТБО не решат. К сожалению, на наших заводах мусор сжигают практически без сортировки, и в процессе горения при высокой температуре образуются диоксины и сотни других крайне опасных летучих соединений. В развитых странах осуществляется раздельный сбор мусора, и на мусоросжигательные заводы поступают фракции ТБО, не образующие или образующие мало вредных соединений. Кроме того, эти заводы оснащены системой дорогостоящих очистительных фильтров, что требует больших эксплуатационных затрат, а также особых способов утилизации использованных фильтров.

Ниже перечислены предлагаемые методы обращения с ТБО в долгосрочной перспективе.

1. Раздельный сбор и сортировка ТБО с удалением металлов, стекла, пластмасс, пластиковых упаковочных материалов.

2. Отделение и последующая переработка пищевых отходов в анаэробных реакторах (метантенках) в биогаз для использования в качестве топлива для местных нужд и применение сброженной массы в качестве удобрения.

3. Совместное компостирование пищевых и бумажных отходов с получением удобрения для озеленения городов, дорог, лесопосадок.

4. Возобновление сбора и переработки макулатуры в бумагу и картон.

5. Прием или покупка у населения стеклотары и пластиковых емкостей для вторичного использования переработки и утилизации.

6. Строгий контроль за составом и размещением на полигоне поступающих на захоронение ТБО.

7. Очистка фильтрационных вод (личатов) для предотвращения загрязнения окружающих полигон ТБО почв, грунтов и водоемов.

Эти простые и давно используемые в развитых странах меры помогут уменьшить объем мусора, вывозимого на полигоны ТБО, по меньшей мере в два раза, кардинально снизить эмиссию вредных газов с поверхности полигонов ТБО и токсичность фильтрационных вод (личатов), а также получить из отходов полезные продукты по принципу "отходы — в доходы".

Корреляция между численностью культивируемых окисляющих метан бактерий (а) и метанокисляющей активностью покрывающей почвы (б) на том же участке полигона "Хметьево"

Сколько в России мусора

Общая величина накопленных и учтенных отходов производства и потребления в целом по стране составляла... на конец 2016 года порядка 40,7 млрд тонн. Из 268,8 млн кубометров (52,4 млн тонн) ТКО (твердых коммунальных/бытовых отходов.— Ред.), вывезенных в 2016 году, на обработку — то есть для целей передела, вторичного и/или повторного использования — было направлено 23,9 млн кубометров (3,9 млн тонн), или почти 9% общего вывоза ТКО. Около 6,4 млн кубометров (1,0 млн тонн) ТКО, или 2,4%, было передано на обезвреживание и уничтожение, в том числе на мусоросжигательные предприятия. ...Подавляющая часть вывезенных отходов — 238,5 млн кубометров (47,6 млн тонн), или 88,7% от общего вывоза ТКО,— в отчетном 2016 году поступила на полигоны, свалки и в аналогичные места размещения (захоронения) данных отходов.