система перемешивание

VIVOS VOCO: В.А. Вавилин система перемешивание др., «Свалка как возбудимая среда» № 5, 2003 г.© В.А. Вавилин, Л.Я. Локшина, А.Н. Ножевникова, С.В.КалюжныйСвалка каквозбудимая средаВ.А. Вавилин, Л.Я. Локшина, А.Н. Ножевникова, С.В. КалюжныйВасилий Александрович Вавилин, доктор физико-математическихнаук,главный научный сотрудник Института водных проблем РАН.Людмила Яковлевна Локшина, кандидат физико-математическихнаук,научный сотрудник того же института.Алла Николаевна Ножевникова, доктор биологическихнаук,заведующая лабораторией Института микробиологии РАН.Сергей Владимирович Калюжный, доктор химическихнаук,ведущий научный сотрудник кафедры энзимологиихимического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова.С давних времен твердые бытовые отходы, основную массу которых (от 45до 80%) составляют органические вещества, традиционно захоранивают на городскихсвалках - специально отведенных местах, в оврагах или карьерах. Спонтанносформированное на свалках микробное сообщество медленно разлагает органическиевещества. При этом образуется биогаз (смесь метана система перемешивание CO2),загрязняющий приземный воздух система перемешивание атмосферу [1]. За 30-50лет утилизируется примерно 30% захороненной органики, остальная часть продолжаетразлагаться с уменьшающейся скоростью в течение последующих десятилетийи, вероятно, столетий. Мусорные залежи в то же время служат источникомвыщелачивающей жидкости (фильтрата), количество система перемешивание состав которой определяетсявлажностью, размерами система перемешивание типом бытовых отходов, система перемешивание также состоянием верхнегопокрывающего слоя. В свою очередь эти характеристики зависят от дождевыхи талых вод, просачивающихся через свалочную толщу.Таким образом, свалки - источник загрязнения поверхностных система перемешивание подземныхвод система перемешивание дополнительного поступления метана в атмосферу, повышенное содержаниекоторого может способствовать глобальному потеплению климата [2].Именно поэтому в ряде индустриально развитых стран, прежде всего в США,бытовые отходы складируют на специально подготовленных полигонах; дно выстилаетсяизолирующим материалом, система перемешивание сами отходы, возвышающиеся после заполнения свалкина 30-50 м, сверху закрываются изолирующим материалом. Получается своегорода саркофаг, в котором твердые бытовые отходы могут разлагаться в течениестолетий. Все это время необходим постоянный мониторинг за его состоянием,сбор система перемешивание утилизация биогаза, очистка выходящего фильтрата от загрязненийи пр.Сегодня в городах России за год на человека накапливается 250-300 кгбытовых отходов. Ежегодно Москва платит за вывоз мусора более 2 млрд руб.,а в ближайшее время из-за необходимости вывозить мусор на значительныерасстояния эта сумма будет увеличиваться. Есть ли альтернатива традиционнымгородским свалкам?Около 30 лет назад в США была предложена новая технология захоронениябытовых отходов: создание громадных биореакторов, в которых дно система перемешивание стенкиизолированы от окружающего грунта, система перемешивание верхний перекрывающий герметичныйслой предотвращает эмиссию биогаза (его собирают с помощью системы перфорированныхтруб система перемешивание используют как топливо). За счет рециркуляции фильтрата в толщесвалки повышается влажность, что значительно ускоряет деградацию отходов.Таким образом, достаточно быстро (лет через 10) территорию свалки можноиспользовать для новых захоронений.В европейских странах, где дефицит свободной территории очень велик,цена на энергию высока, система перемешивание экологические стандарты строги, уже приняты законыпо значительному сокращению система перемешивание предотвращению поступления органических отходовна свалки. Их собирают раздельно или тщательно сортируют на фракции (металл,стекло, пластик, текстиль, бумага, пищевые система перемешивание садовые отходы), которые соответствующеобрабатывают. При этом органические вещества используют как сырье для полученияудобрений (компоста) система перемешивание дополнительной энергии, образующейся после анаэробнойтрансформации: органическое вещество ® биогаз®электричество.Органические отходы помещают в компактные биотехнологичные установки:в снабжаемые кислородом компостеры или в анаэробные реакторы. Там образуетсяактивная биохимическая среда, позволяющая ускорить процесс деградации вомного раз. В Германии уже построены около 2 тыс. биогазовых установок различноймощности, в которых одновременно разлагаются органические отходы система перемешивание биомассаспециально выращиваемых растений. Так на практике осуществляется переходк возобновляемым источникам энергии.Экосистема свалкиСвалка - это сложная система перемешивание уникальная экосистема, которая формируется врезультате постепенного просачивания атмосферных осадков система перемешивание развития микроорганизмов,привнесенных с отходами система перемешивание проникающих из окружающего грунта система перемешивание почвы. Гетерогенностьтвердых отходов создает большую неоднородность система перемешивание концентрацию промежуточныхорганических веществ. Специальные исследования московских свалок с использованиемгеофизических, изотопных система перемешивание микробиологических методов показали, что выбросбиогаза в атмосферу в различных точках крайне нерегулярен [3].Неразложившиеся отходы находят на свалках спустя несколько десятилетийпосле захоронения. В чем же причина?Биохимические превращения органики определяются наличием или отсутствиемкислорода. В аэробных условиях она достаточно быстро окисляется аэробнымимикроорганизмами, образуя диоксид углерода система перемешивание накапливая микробную биомассу.Такие условия существуют продолжительное время лишь в самом верхнем слоесвалки. В ее толще после быстрого исчерпания кислорода начинается болеемедленная деструкция органических веществ с участием анаэробных микроорганизмов.В итоге образуется активная (возбудимая) биохимическая среда.Механизмы анаэробного распада органических веществ изучались на экосистемаханаэробных реакторов, донных отложений система перемешивание почв. Условия свалки хорошо имитируютсяв лабораторных цилиндрических лизиметрах [4]. Распад биополимеров(углеводов, белков система перемешивание жиров) начинается с гидролиза, который осуществляютмикроорганизмы, имеющие специальные ферменты - гидролазы. Их размножениюи распространению по поверхности твердого субстрата способствует вода.Продукты этой реакции потребляются гидролитиками система перемешивание другими кислотогеннымимикроорганизмами, в результате чего образуются летучие жирные кислоты (уксусная,пропионовая, масляная), система перемешивание также водород. Фаза, условно объединяющая гидролизи кислотогенез, называется кислотогенной. При накоплении жирных кислотпонижается pH среды, система перемешивание при pH < 6.0 конечная метаногенная фаза подавляется.Исследования образцов, взятых из свалок, показали, что быстрее всегометан образуется в нейтральной или слабо щелочной среде, система перемешивание в кислой, напротив,медленнее. Если кислотогенная система перемешивание метаногенная фазы не сбалансированы, вфильтрате накапливаются растворенные жирные кислоты. При этом блокируетсяне только метаногенез, но система перемешивание гидролиз. Тем не менее система перемешивание при низких значенияхpH в некоторых местах свалки, где есть ниши для соответствующих микробов,метан выделяется.Математические модели анаэробных систем, как правило, предполагали полноеперемешивание в реакционном пространстве [5]. Лишь недавнобыли построены первые распределенные модели анаэробных процессов [6,7].Современная свалка должна формироваться как биореактор, что потребует исоздания ее современной математической модели. Для этого необходимо учитыватьсложные физические, химические система перемешивание биологические процессы, протекающие втрехмерной толще свалки. Атмосферные осадки, поступающие на поверхность,медленно просачиваются сквозь толщу свалки. Количество выходящего из нижнегослоя фильтрата, достаточное для его рециркуляции, может накопиться лишьчерез несколько лет. Через верхнюю границу в толщу свалки поступает кислород,а из нее выходит биогаз.Схема разложения органического вещества твердыхбытовых отходов на свалке: движение воды, так же, как система перемешивание диффузия кислородав толщу свалки, определяет характер биохимических процессов. Достаточнаявлажность способствует доступности органических веществ, система перемешивание прежде всеголетучих жирных кислот (ЛЖК) как субстрата для микроорганизмов, система перемешивание их распространениюв пространстве.Некоторые из процессов - взаимозависимы. Например, в пористой среде гидравлическаяпроводимость уменьшается в ходе биохимического разложения бытовых отходови последующего их уплотнения. Тепло, образующееся особенно при аэробныхпроцессах, ускоряет биохимические реакции, приводя к еще большему тепловыделению.Первые шаги в создании распределенной модели свалки уже сделаны в Институтеводных проблем РАН. Математическая модель, представленная в виде системынелинейных уравнений в частных производных, численно решалась с использованиемсовременных математических пакетов (МАТЛАБ система перемешивание ФЕМЛАБ). В ней рассматривалсяи такой процесс, как микробиологическое окисление метана в аэробной зоне.Автокатализ система перемешивание химические волныВ сосредоточенных химических системах диффузией вещества обычно пренебрегают(ее считают более быстрой, чем химический процесс, идущий во всех точкахобъема реактора синхронно), система перемешивание математическая модель записывается обыкновеннымидифференциальными уравнениями. В распределенных химических системах диффузиястановится значимой система перемешивание реакция идет не синхронно по объему. Тогда в математическоймодели необходимо рассматривать динамические переменные как функции нетолько времени, но система перемешивание пространства. Для некоторых химических система перемешивание биологическихсистем характерна возбудимость. Если система находится в состоянии "покоя",то небольшое возмущение может вызвать быстро нарастающие изменения, система перемешивание черезнекоторое время система окажется возбужденной. В таком состоянии происходитаналогичное возбуждение в соседних точках, тем самым, идет волновой процесс.Известно, что автокаталитические химические реакции могут распространятьсяв пространстве со скоростью, значительно превышающей диффузию. Реакция,начавшаяся в одной точке, подобно пламени, быстро захватывает весь объем.Упрощенная кинетическая схема трансформациитвердых отходов в метан: чрезмерное накопление летучих жирных кислот останавливаети метаногенез, система перемешивание гидролиз. При достаточно низкой концентрации метаногенныхмикроорганизмов сбалансированы обе стадии.Движение волны химической активности, как система перемешивание расширение ареала нового вида,не раз описывалось в литературе [8]. Автокатализ (самоускорение),как система перемешивание волновые процессы, характерен для многих динамических систем. Распространениеэпидемий, религиозных учений система перемешивание моды лишь некоторые примеры подобных процессов.Продвижению фронта химической волны способствуют система перемешивание диффузия, система перемешивание размножениеактивных частиц. Именно оно лежит в основе химического автокатализа. Бегущаяволна по мере движения переводит реакционную смесь из одного стационарногосостояния в другое.Мы изучали пространственное распространение автокаталитической химическойреакции в тонком слое раствора [9]. Она сопровождаласьзадержкой (лаг-фазой), в конце которой в определенных точках возникалиочаги с высокой концентрацией активных частиц. Тщательная очистка реагентовне меняла динамику системы, что позволило допустить флуктуационный механизмпоявления очагов. Очаг реакции можно создать искусственно в конкретномместе пространства, добавляя вещество, связывающее ингибитор реакции. Интенсивноеперемешивание раствора, выравнивающее градиенты концентраций, значительноувеличило продолжительность задержки. После накопления критической массыактивных частиц процесс ускорялся при встряхивании реакционной смеси. Оказалось,что изначально реакцию можно провести за короткое время, начиная перемешиваниесистемы после того, как объем очагов будет достаточен. Разбросав их попространству, можно поджечь весь объем. Нетрудно продолжить эту аналогиюи на упомянутые выше активные динамические системы.Волна биохимической активностиВ деградации твердых бытовых отходов на свалках необходимо выделитьдва ключевых процесса: гидролиз система перемешивание метаногенез. В ходе гидролиза система перемешивание последующегокислотогенеза появляются промежуточные продукты, летучие жирные кислоты(ЛЖК), которые в дальнейшем превращаются в биогаз (метан система перемешивание диоксид углерода).Для такой трансформации оба процесса должны быть сбалансированы [10].Высокая концентрация жирных кислот останавливает система перемешивание метаногенез (ингибированиесубстратом), система перемешивание гидролиз (ингибирование продуктом). Если количество метаногеновдостаточно, текущая концентрация жирных кислот невысока, бытовые отходыэффективно превращаются в метан [6]. Ингибирующая метаногенезконцентрация жирных кислот составляет 1-6 г/л, система перемешивание кислотогенез - 10-30 г/л.Таким образом, если замедлен гидролиз, то система перемешивание последующая стадия тем болеезаторможена. При дефиците влаги высокие концентрации растворенных жирныхкислот (~30 г/л) могут длительное время сохраняться в толще свалки. Тогдаи начальный (гидролиз), система перемешивание конечный (метаногенез) этапы деградации органикизаблокированы. Лишь разделение этих процессов в пространстве приводит ктому, что при высокой текущей концентрации жирных кислот кислотогеннаяи метаногенная стадии могут проходить одновременно [9].Образующиеся в зоне гидролиза летучие жирные кислоты путем диффузии илиадвекции доставляются в активную метаногенную зону. Для экспансии метаногеннойзоны (распространения биохимической волны), способствующей эффективномуразложению органики, жирные кислоты должны не накапливаться, система перемешивание усваиватьсяметаногенной популяцией [10]. Иначе будет подавлен метаногенез,а далее система перемешивание гидролиз, т.е. весь процесс превращения органических веществв метан.Относительная скорость гидролиза система перемешивание метаногенезав зависимости от концентрации летучих жирных кислот. Ингибирующая концентрацияЛЖК для гидролиза значительно выше, чем для метаногенеза.Естественно предположить, что в гетерогенной толще свалки "выживает" лишьчасть очагов метаногенеза. Чрезмерная диффузия жирных кислот в его начальныеочаги, где концентрация микробов еще невысока, подавляет их развитие. Вто же время в ходе усвоения жирных кислот метаногенная популяция увеличивается,и уже через некоторое время та же диффузия будет способствовать образованиюметана. Недавно Р.Струт система перемешивание др. экспериментально показали, что задержка эффективногоперемешивания ускоряет разложение твердых бытовых отходов [11].Среди технических приемов, влияющих на общую скорость деградации органическоговещества система перемешивание его превращения в метан, наиболее значимы рециркуляция фильтратаи изначальное введение активных метаногенов. Как показала одномерная распределеннаямодель биореактора, разложение твердых бытовых отходов система перемешивание выделение метанаускоряются, если во всем реакторе поддерживается нейтральная среда [12].По рекомендациям Д.Рейнхарт система перемешивание Т.Таунсенд, рециркуляция фильтрата в действующихсвалках должна вводиться медленно [13]. Согласно распределенноймодели, такая эксплуатация свалки способствует сохранению активных очаговметаногенеза. Предварительное пространственное разделение твердых бытовыхотходов система перемешивание метаногенной биомассы позволяет исключить ингибирующее влияниелетучих жирных кислот система перемешивание стимулировать превращение органики в метан. К такомуже эффекту должно приводить система перемешивание отсутствие принудительного усреднения реакционногопространства в начальный период разложения отходов. Подача кислорода втолщу свалки (сравнительно новый технический прием) способствует быстромуокислению жирных кислот система перемешивание повышению температуры среды. При этом уменьшаетсяингибирующая концентрация жирных кислот, что в дальнейшем ускоряет деградациювсех твердых органических веществ [14].Характерные зоны реакционного пространствапри разложении бытовых отходов. Популяция метаногенных микроорганизмовудалена от зоны с высокой концентрацией летучих жирных кислот. ДиффузияЛЖК может расширить зоны активного метаногенеза в случае роста инициирующейпопуляции микроорганизмов.Развитие процесса разложения твердых отходов согласнодвумерной математической модели при пятипиковом начальном распределении биомассы вкруге. Лишь центральный относительно большой пик биомассы распространяется из центра круга. Дефицит органического вещества система перемешивание отмирание микроорганизмов со временем вызывают падение их концентрации в центре. Диффузия летучих жирных кислот, ингибирующих ростметаногенов, быстро приводит к исчезновению периферийных пиков биомассы.Таким образом, создание соответствующих распределенных математических моделейпозволило понять, что свалка ведет себя как активная система, которой можноуправлять, поддерживая ее возбужденное состояниеИсследования по развитию эффективныхметодов предотвращения загрязнения воды система перемешивание эмиссии метанана свалках бытового мусора проводятся при финансовой поддержке Европейского Сообщества.Программа "Коперникус-2".Грант ICA-2-CT-2001-1001.Л.Я.Локшина получила поддержку Фонда содействия отечественной науки (грант для талантливых молодых ученых). Литература1. Ножевникова А.Н. Мусорные залежи - метановыебомбы планеты // Природа. 1995. №6. С.25-34.2. Заварзин Г.А., Кларк У. Биосфера система перемешивание климатглазами биологов // Природа. 1987. №6. С.65-72.3. Nozhevnikova A.N., Lifshits A.B., Lebedev V.S.et al. // Chemosphere. 1993. V.16. P.401-417.4. Barlaz M.A., Ham R.K., Schaefer D.M. // Crit.Rev. Environ.Control. 1990. V.19. P.557-584.5. Batstone D.J., Keller J., Angelidaki I. et al.// Anaerobic Digestion Model. 2002. №1. IWA Publishing. London.6. Вавилин В.А., Щелканов М.Ю., Локшина Л.Я.// Вод. ресурсы. 2001. Т.28. С.756-762.7. Колебания система перемешивание бегущие волны в химических системах.ФилдР. / Под ред. М.Бургера. М., 1988.8. Вавилин В.А., Заикин А.Н. // Кинетика система перемешивание катализ.1971. Т.12. С.309-313.9. Brumeler E. ten // Water Science and Technology.2001. V.40(3). P.299-304.10. Vavilin V.A., Shchelkanov M.Yu., Rytov S.V.// Water Research. 2002. V.36. P.2405-2409.11. Stroot P.G., McMahon K.D., Mackie R.I. et al.// Water Research. 2001. V.35. P.1804-1816.12. Vavilin V.A., Rytov S.V., Lokshina L.Ya. etal. // Biotechnology and Bioengineering. 2003. V.81. P.66-73.13. Reinhart D.R., Townsend T.G. Landfill BioreactorDesign and Operation. Boca Raton FL. Lewis Publisher.14. Lokshina L.Ya., Vavilin V.A., Kettunen R.H.et al. // Water Research. 2001. V.35. P.2913-2922. Апрель 2003разделы пленка пэ выделение кислорода отчетность пбоюл хлеборезка ахм красный площадь собор ром доставка автоматический отправка писем outlook хоссе карерас билет магнитный решетка купить раструб dvd-box барбекю стальной топкий spartherm время владимир datamax sikkens краска растворитель mastercard охота гончий kyiv apartaments rent бейсболки заказ барбекю выборочный лак электрокардиограф купить широкоугольник валерий билет бегущий строка фейрверк вечеринка автобетононасосы заказать флаг встраиваемый вытяжка нестандартный коробка клеить 88 люкс травертин аденома предстательный железа басейны intex градирня вентиляторные горячий обед гуп ритуал вентеляционная решетка изделие слойка переработка резина рукавица скрипт рассылка объвлений тонирование стекла помидор купля помыть потолок крот-95 санфаянс угловой тестомесители компания макса линдера охота пвс маркировочная краска надпись кружок лак эмаль международный конкурс дебютант fag футбольный тотализатор арманьяк доставка эдас-934 аденома предст.ж-зы система дымоудаления электроинструмент metabo сервис холодильник kyiv apartments service intex экг 4у 5003.17 (крышка) мурано электроинструмент метабо прайс эфирный антенна селин дион билет dunlup 205 55 r16 комнатный перегородка ваза 2112 подбор холодильный камера срезанный цвет нужен фотограф вал редуктор поворот очки ночной видение southpark французский вина куллер 478 компания петрокатридж подбор эмаль электроинструмент метабо выделение кислорода акриловый вставка вкладыш асбест хризотиловый шелковый ковры грунт стяжка магнитно-маркерные доска программа шифрование данный геомаш-центр купить блендер очистка подогреватель басейны intex вытяжка мрт коленный сустав тиристорный контактор зона ограничение доступ крановый тележка лак краска девелоперская компания купить раструб скс вал редуктор поворот ножной пластырь купить широкоугольник электропечь dimplex model brayford кулер 754 портативный радиостанция кэрролл дж. страна смеха изготовление презентация заказать микроавтобус операторский центр подводный гидромассаж спецобувь заказ лечение головокружение циклон батарейный внутренний перегородка альпинизм вакуумный упаковочный врач акушер гинеколог тестоокруглитель ленточный задний зеркало сдача ielts монетница здание лмк градирня вентиляторные грд купить широкоугольник прерывание беременность ziplock северский доломит ваттметр огнестойкий краска итальянский вина инерта краска спецобувь оптом ароматный мир билет задорнов растворитель 646 управление кострома пп-пленка вымпел заказ микросреда компания акриловый пряжа флаг башня букмекерский контора фаворит кадровый владимир нестандартный коробка дюпон краска юр.адрес фактурный краска mobil gargoyle электрокамин dimplex model plasma (sp9) вымпел автоподъемник хоссе карерас билет жила кострома система видеоконференция варочный поверхность cata интеллектуальный электросчетчик создание лого холодильник уценка omega хосе карерас билет пионовая беседка cad купить стелаж асбест а7-450 контейнерный автозаправка уличный барбекю генерация кислорода тонирование авто пластиковый пакет мультиметры цифровой 100 девчонка одна лифт красный площадь васильевский спуск санфаянс система перемешивание