ВОДНЫЙ КОМПОЗИТ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ
WATER COMPOSITE FOR UTILIZATION OF SOLID MUNICIPAL WASTE

Изобретение относится к городскому коммунальному хозяйству, а именно к области рекультивации/утилизации/переработки твердых коммунальных/бытовых отходов (ТКО) и загрязненных земель 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 состав для обработки рекультивируемых полигонов твердых бытовых отходов (патент РФ № 2297888, B09B 3/00, опубликован 27.04.2007), в котором в качестве реагентов используют смесь метанотрофных бактерий.
Наиболее близким по технической сущности является состав для переработки твердых бытовых отходов (патент РФ №2294319, B09B 3/00, опубликован 27.02.2007), в котором используется композицию из легкодоступных источников углерода, азота и фосфора и активаторов роста микроорганизмов в виде растворов в дозировках, обеспечивающих активную колонизацию субстрата аборигенными термофильными микроорганизмами.
Недостатком наиболее близкого аналога является малая глубина переработки и продолжительность деструкции органических веществ в отходах.
Задачей патентуемого решения является устранение указанных недостатков, устранение выбросов свалочных газов (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.
В отличие от промышленной биотехнологии, где имеется возможность выдерживать все параметры технологического процесса, биоремедиация, осуществляется в открытой системе, то есть, в окружающей среде. Поэтому в гораздо большей степени успех процесса биоремедиации зависит от разнообразия микроорганизмов, способных осуществлять реакции биодеградации.
Техническим результатом патентуемого решения является увеличение глубины переработки, значительное сокращение времени деструкции органических веществ в отходах.
Заявленный технический результат достигается в водном композите для утилизации твердых коммунальных отходов, содержащем протеазу, каталазу, амилазу, трипсин, пентозу, пепсин, бетаин, димексид, пероксид водорода, декстрозу и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Протеаза
2 – 5
Каталаза
2 – 5
Амилаза
1 – 4
Трипсин
1 – 4
Пентоза
1 – 3
Пепсин
2 – 4
Бетаин
1 – 3
Димексид
1 – 3
Пероксид водорода (Н<sub>2</sub>О<sub>2</sub>)
1 – 3
Декстроза
1 – 3
Вода техническая
остальное
При использовании в составе ферментной (энзимной) системы мультимолекулярного ферментного комплекса – совокупности ферментов: протеазы, каталазы, амилазы, трипсина, пентозы, пепсина и бетаина происходит катализ последовательных стадий превращения органической части твердых бытовых отходов. Указанные ферменты в совокупности составляют надмолекулярный (или мульти молекулярный) ферментный комплекс, в состав которых входят не субъединицы (в каталитическом отношении однотипные протомеры), а разные ферменты, катализирующие последовательные ступени превращения какого-либо субстрата. Отличительными особенностями данного мульти ферментного комплекса является прочность ассоциации ферментов и определенная последовательность прохождения промежуточных стадий во времени, обусловленная порядком расположения каталитически активных (различных) белков в пространстве («путь» превращения в пространстве и времени). Молекулярные массы этих комплексов в зависимости от источника их происхождения варьируют от 2,3•106 до 10•106. Ассоциация отдельных ферментов в единый не диссоциирующий комплекс имеет определенный биологический смысл и ряд преимуществ. В частности, при этом резко сокращаются расстояния, на которые молекулы промежуточных продуктов должны перемещаться при действии изолированных ферментов. Такой мультиферментный комплекс можно назвать ферментным ансамблем высокоорганизованной надмолекулярной системы. При этом Димексид (пенетрат) усиливают действие указанных энзимов с кислородом, а также их проникающие способности, что приводит к увеличению глубины переработки и значительному сокращению времени деструкции органических веществ в отходах. Декстроза является стартовой питающей средой для пассивных аэробных микроорганизмов в различных слоях субстрата.
Мультиферментный комплекс обеспечивает деградацию и минерализацию органических соединений в различных условиях в водной среде при взаимодействии с гидроксильными радикалами, озоном, кислородом, пероксидом водорода, ферратами. Основную роль в этих процессах играют гидроксильные радикалы, характеризующиеся величиной стандартного восстановительного потенциала 2,7В, превосходящей этот показатель для озона (2,07 В) и уступающей только токсичному фтору. Озон, кислород и пероксид водорода могут непосредственно взаимодействовать с органическими соединениями или участвовать в трансформациях, приводящих к образованию гидроксильных радикалов. Высокореакционными промежуточными продуктами подобных трансформаций, помимо гидроксильных радикалов, являются и ряд других кислородных соединений. Гидроксильные радикалы в водной среде образуются также и в ходе физических процессов воздействия ультрафиолетового облучения, ионизирующего излучения, ультразвуковой, плазменной или микроволновой обработки. Помимо деградации органических соединений они могут стать альтернативой или дополнением к традиционным процессам обезвреживания и утилизации органики.
2
2
3
При этом, если стандартный восстановительный потенциал озона равен 2,07В, то у гидроксильных радикалов этот показатель достигает 2,8В. Образование гидроксильных радикалов в результате трансформации озона в водной среде увеличивается в присутствии пероксида водорода и катализаторов. Озонирование в присутствии пероксида водорода это процесс "Пероксон". Оптимальное образование гидроксильных радикалов в этом процессе зависит от соотношения НО/О, рН, концентрации кислорода, времени контакта, состава водной фазы. Концентрации кислорода и пероксида водорода подбираются экспериментально в зависимости от типа загрязняющих веществ и их исходной концентрации. Избыток пероксида водорода нежелателен ввиду его взаимодействия с гидроксильными радикалами. Процесс "Пероксон" используем вследствие его простоты реализации и максимальной эффективности.
Таким образом, действие мультиферментного композита в совокупности с димексидом, пероксидом водорода и декстрозой обеспечивает синергетический эффект - увеличение глубины переработки и значительное сокращение времени деструкции органических веществ в отходах в 5-10 раз.
2
2
Водный композит (водный раствор) для утилизации (переработки) твердых коммунальных отходов содержит протеазу, каталазу, амилазу, трипсин, пентозу, пепсин, бетаин, димексид, пероксид водорода, декстрозу и воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: протеаза - 2 – 5, каталаза - 2 – 5, амилаза - 1 – 4, трипсин - 1 – 4, пентоза - 1 – 3, пепсин - 2 – 4, бетаин - 1 – 3, димексид - 1 – 3, пероксид водорода (НО) - 1 – 3, декстроза - 1 – 3, вода техническая - остальное.
Протеаза – фермент из класса гидролаз, которые расщепляют пептидную связь между аминокислотами в белках. Протеазы имеют семь групп по строению активного центра фермента.
Каталаза – фермент, который катализирует разложение образующегося в процессе биологического окисления пероксид водорода на воду и молекулярный кислород, а также окисляет в присутствии пероксида водорода низкомолекулярные спирты и нитриты.
Амилаза - фермент, гликозил-гидролаза, расщепляющий крахмал до олигосахаридов, относится к ферментам пищеварения. Расщепляет α-1,4-гликозидную связь.
Трипсин - фермент, расщепляющий пептиды и белки, обладает также эстеразной (гидролиз сложных эфиров) активностью. Трипсин синтезируется в виде неактивного предшественника (профермента) трипсиногена.
5
10
5
Пентоза (формула CНO) – это группа моносахаридов.
Пепсин – протеолитический фермент класса гидролаз, вырабатываемый главными клетками слизистой оболочки желудка, осуществляет расщепление белков отходов до пептидов. Присутствует в желудочном соке человека, млекопитающих, птиц, пресмыкающихся и большинства рыб.
Бетаин – это органическое вещество, присутствующее в растениях и организмах животных и человека. Бетаин является важным составляющим, который выступает «донором» метильных групп и принимает участие в реакциях переметилирования.
2
6
Димексид (диметилсульфоксид, Dimexidum, CHOS) – 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 в указанном соотношении компонентов для переработки отходов усиливает их проникающие способности, а также усиливает действие энзимов (ферментов) и кислорода.
2
2
2
2
2
2
Перекись водорода (водорода пероксид) – соединение водорода и кислорода НО, содержащее 94% кислорода по массе. В молекулах НО содержатся пероксидные группы   –О–О–, которые во многом определяют свойства этого соединения. Реакция разложения НО часто протекает по радикально-цепному механизму, при этом роль катализатора заключается в инициировании свободных радикалов.
Декстроза 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.
Все эти ферменты (энзимы) мультиферментного композита класса оксидоредуктазы.
Фермент - от лат. fermentum - закваска; энзим - от греч. эн - внутри, зиме - закваска - это катализаторы белковой природы, образующиеся и функционирующие во всех живых организмах. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многие химические реакции, которые могут с большой скоростью идти при температурах, подходящих для данного организма, т.е. в пределах от 5 до 400 С. Чтобы эти реакции с той же скоростью протекали вне организма, потребовались бы высокие температуры и резкие изменения некоторых других условий. Для клетки это означало бы гибель, так как вся работа клетки строится таким образом, чтобы избежать любых сколько-нибудь заметных изменений в нормальных условиях ее существования. Следовательно, перечисленные ферменты являются биологическими катализаторами, ускоряющие процессы деструкции органики. Они абсолютно необходимы, потому что без них реакции в клетках протекали бы слишком медленно. Совокупность биохимических реакций, катализируемых ферментами, составляет сущность обмена веществ, являющегося отличительной чертой всех живых организмов. Через ферментативный аппарат, регуляцию его активности происходит и регуляция скорости метаболических реакций, их направленности.
Являясь катализаторами, бетаин, трипсин, пепсин, пентоза, протеаза, каталаза и амилаза  имеют ряд общих свойств:
1. Не входят в состав конечных продуктов реакции и выходят из нее, как правило, в первоначальном виде, т.е. они не расходуются в процессе катализа.
2. Не могут возбудить те реакции, протекание которых противоречит законам термодинамики, они ускоряют только те реакции, которые могут протекать и без них. Отсюда природоподобность технологии биоремедиации.
3. Не смещают положения равновесия, а лишь ускоряют его достижение.
Специфические свойства:
1.  По своему химическому строению все ферменты являются белками.
2. Эффективность ферментов намного выше, чем небиологических катализаторов (скорость протекания реакции при участии фермента выше на несколько порядков).
3. Ферменты бетаин, трипсин, пентоза, протеаза, каталаза и амилаза обладают узкой специфичностью, избирательностью действия на субстраты, т.е. на вещества, превращение которых они катализируют. Высокая специфичность ферментов обусловлена конформационной и электростатической комплиментарностью между молекулами субстрата и фермента и уникальной структурой активного центра фермента, обеспечивающими “узнавание”, высокое сродство и избирательность протекания одной какой-либо реакции из тысячи других химических реакций, осуществляющихся одновременно в живых клетках.
В зависимости от механизма действия различают ферменты с относительной (или групповой) специфичностью и абсолютной специфичностью. Так, для действия некоторых гидролитических ферментов наибольшее значение имеет тип химической связи в молекуле субстрата. Например, пепсин расщепляет белки животного и растительного происхождения, хотя они могут существенно отличаться друг от друга как по химическому строению и аминокислотному составу, так и по физико-химическим свойствам. Однако пепсин не расщепляет углеводы или жиры. Объясняется это тем, что местом действия пепсина является пептидная -СО-NH- связь. Для действия липазы, катализирующей гидролиз жиров на глицерин и жирные кислоты, таким местом является сложноэфирная связь. Аналогичной относительной специфичностью обладают также некоторые внутриклеточные ферменты, например гексокиназаф, катализирующая в присутствии АТФ фосфорилирование почти всех гексоз, хотя одновременно в клетках имеются специфические для каждой гексозы ферменты, выполняющие такое же фосфорилирование.
Стереохимическая специфичность ферментов обусловлена существованием оптически изомерных L- и D-форм или геометрических (цис- и транс-) изомеров химических веществ. “Так, известны оксидазы L- и D-аминокислот, хотя в природных белках обнаружены только L-аминокислоты. Каждый из видов оксидаз действует только на свой специфический стереоизомер.
1. Регулируемость ферментов как биокатализаторов.
Через регуляцию ферментативного аппарата осуществляется скоординированность всех метаболических процессов во времени и пространстве, направленное на воспроизведение живой материи, поддержание постоянства внутриклеточной среды, на приспособление к меняющимся внешним условиям.
2. Термолабильность ферментов.
о
Скорость химических реакций зависит от температуры, поэтому катализируемые ферментами реакции также чувствительны к изменениям температуры. Однако вследствие белковой природы фермента тепловая денатурация при повышении температуры будет снижать эффективную концентрацию фермента с соответствующим снижением скорости реакции. Таким образом, термолабильность, или чувствительность к повышению температуры является одним из характерных свойств ферментов, резко отличающих их от неорганических катализаторов. При 100 С почти все ферменты утрачивают свою активность. При низких температурах ферменты, как правило, не разрушаются, хотя активность их падает. Во всех случаях имеет значение время воздействия соответствующей температуры. Для пепсина, трипсина и ряда других ферментов существует прямая зависимость между скоростью инактивации фермента и степенью денатурации белка. На термолабильность ферментов определенное влияние оказывают концентрация субстрата, рН среды и другие факторы.
3. Зависимость активности ферментов от рН среды.
Ферменты бетаин, трипсин, пентоза, протеаза, каталаза и амилаза обычно наиболее активны в пределах узкой зоны концентрации водородных ионов, соответствующей для животных тканей в основном выработанным в процессе эволюции физиологическим значением рН среды 6.0 - 8.0.
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.
Водный композит заявленного состава вносят посредством насосов в инъекционные скважины тела полигона и на почву вокруг, чтобы получить начальную популяцию, составляющую приблизительно 100 миллиардов на тонну отходов. Практика показала, что эта концентрация гарантирует, что эффективная популяция организмов увеличится до тысячи раз, поскольку они переваривают загрязнители.
Суть восстановления загрязненных экосистем заключается в максимальной мобилизации внутренних ресурсов экосистемы на восстановление своих первоначальных функций. Естественные процессы восстановления природных систем весьма продолжительны по времени, а главными агентами их самоочищения являются аборигенные углеводородокисляющие микроорганизмы. Стимулирование почвенной углеводородокисляющей микрофлоры безопасными биологически активными препаратами является эффективным биоспособом рекультивации и регенерации земельного участка. Площадь обработанного участка полигона с помощью спецтехники: бульдозеров, экскаваторов и катков-уплотнителей разравнивают, выполаживают, уплотняют, перед этим выполнив демонтаж рабочих скважин. Обработанный участок полигона становится вновь пригодным к дальнейшему складированию отходов или рекультивации. Эффективно так же использование композитов методом мелкодисперсного распыления водных композитов и смачивании ТБО по всему их объему непосредственно перед депонированием.
Будучи натуральными, препараты совершенно 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 использования состава при следующем соотношении компонентов, мас.%: протеаза - 2, каталаза - 5, амилаза - 2, трипсин - 4, пентоза - 1, пепсин - 4, бетаин - 2, димексид - 1, пероксид водорода - 3, декстроза – 2 и вода – 74 глубина переработки составила 95% и в 7 раз сократилось время деструкции органических веществ в отходах по сравнению с наиболее близким аналогом.
Пример 2.
В результате использования состава при следующем соотношении компонентов, мас.%: протеаза - 3, каталаза - 2, амилаза - 1, трипсин - 3, пентоза - 2, пепсин - 2, бетаин - 3, димексид - 2, пероксид водорода - 1, декстроза – 3 и вода – 78 глубина переработки составила 93% и в 6 раз сократилось время деструкции органических веществ в отходах по сравнению с наиболее близким аналогом.
Пример 3.
В результате использования состава при следующем соотношении компонентов, мас.%: протеаза - 5, каталаза - 3, амилаза - 4, трипсин - 1, пентоза - 3, пепсин - 3, бетаин - 1, димексид - 3, пероксид водорода - 2, декстроза – 1 и вода – 74 глубина переработки составила 94% и в 6,5 раз сократилось время деструкции органических веществ в отходах по сравнению с наиболее близким аналогом.
Пример 4.
В результате использования состава при следующем соотношении компонентов, мас.%: протеаза - 5, каталаза - 5, амилаза - 4, трипсин - 4, пентоза - 3, пепсин - 4, бетаин - 3, димексид - 3, пероксид водорода - 3, декстроза – 3 и вода – 63 глубина переработки составила 96% и в 7,5 раз сократилось время деструкции органических веществ в отходах по сравнению с наиболее близким аналогом.
Пример 5.
В результате использования состава при следующем соотношении компонентов, мас.%: протеаза - 2, каталаза - 2, амилаза - 1, трипсин - 1, пентоза - 1, пепсин - 2, бетаин - 1, димексид - 1, пероксид водорода - 1, декстроза – 1 и вода – 87 глубина переработки составила 91% и в 5,8 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.
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 антропогенной нагрузки на окружающую среду и возможность создания производства на основе глубокой переработки вторичных ресурсов.