Способы и продукты восстановления биомассы и биологической переработки отходов

Номер патента: 660

Опубликовано: 29.12.1999

Автор: Финни Джерри У.

Есть еще 11 страниц.

Смотреть все страницы или скачать PDF файл.

Формула / Реферат

1. Способ биологической переработки среды, содержащей углеводородные загрязнения, при котором:

А. Осуществляют воздействие на углеводородные загрязнения указанной среды in-situ жизнеспособной культуры аэробных бактерий, полученной путем

- смешивания массы бытовых твердых отходов с навозом и вторичным шламом сточных вод для образования компостной кучи биомассы, при этом указанные навоз и шлам сточных вод содержат достаточное количество влаги и природных бактерий, в том числе аэробных бактерий, для компостирования указанной массы;

- выдерживания указанной компостной кучи для прохождения автотермальной реакции в течение начального периода времени, при этом длительность указанного начального периода определяется временем достижения указанной компостной кучей температуры примерно от 46шС (115шF) до примерно 60шС (140шF);

- добавления к указанной компостной куче и распределения в ней щелочного материала для быстрого увеличения значения рН в указанной компостной куче, по меньшей мере, до 10;

- выдерживания указанной компостной кучи для прохождения автотермальной реакции в течение второго периода времени, при этом длительность указанного второго периода определяется временем достижения указанной компостной кучей температуры, по меньшей мере, равной 82шС (180шF);

- добавления питательных веществ, выбранных из группы, включающей неорганические соединения азота, фосфора, серы и калия, в указанную компостную кучу для поддержания непрерывности метаболических реакций в указанной компостной куче; и

- выдерживания указанной компостной кучи для дальнейшего прохождения автотермальной реакции в течение третьего периода времени при добавлении воды в достаточном количестве для поддержания влажности в указанной куче на уровне примерно от 60 до примерно 82% в течение указанного третьего периода времени, при этом указанный третий период времени заканчивается после разложения указанной биомассы с образованием непатогенного компостного продукта;

- проведения указанной реакции в течение указанного третьего периода времени в отсутствие механической аэрации компостной кучи или добавления газообразного кислорода в указанную компостную кучу с получением жизнеспособной культуры аэробных бактерий, которая может биологически перерабатывать хлорированные углеводороды и углеводороды с длинной цепью, включая парафин и асфальт, в присутствии питательных веществ и воды для биологической переработки указанных углеводородов путем гидролиза углеводородов с ферментным катализом;

В. Обеспечивают присутствие достаточного количества питательных веществ и влаги для поддержания биологической переработки указанных углеводородов;

С. Проводят гидролиз указанных углеводородных загрязнений с ферментным катализом;

D. Периодически удаляют водный раствор, содержащий продукты биологической переработки, из места проведения процесса биологической переработки на месте;

Е. Добавляют пресную воду в указанное место в количестве, примерно равном количеству, удаляемому на указанной выше стадии D;

F. Последовательно повторяют указанную стадию D удаления водного раствора и указанную стадию Е добавления воды до достижения достаточной степени биологической переработки указанного участка.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная среда является подповерхностным слоем почвы или указанная среда расположена в яме.

3. Система in-situ подземной биологической переработки горизонтального слоя грунта на участке (12), загрязненном органическим или углеводородным материалом, отличающаяся тем, что включает:

А. По меньшей мере, две скважины (18, 34) малого диаметра, проходящие вертикально от поверхности (14) указанного участка (12) грунта до уровня, расположенного, по меньшей мере, непосредственно под указанным слоем (16) грунта, подлежащим биологической переработке;

В. При этом каждая указанная скважина (18, 34) содержит наружную трубу (20, 36), в которой находится вертикально расположенный электрод (26, 42), проходящий до уровня указанного слоя (16);

С. Источник (30) электропитания постоянного электрического тока;

D. Средства (46) для подключения первого электрода (42), расположенного в первой из указанных скважин (34), к отрицательному полюсу указанного источника (30) электропитания;

Е. Средства (32) для подключения второго электрода (26), расположенного во второй из указанных скважин (18), к положительному полюсу указанного источника (30) электропитания;

F. При этом, по меньшей мере, наружная труба (36) одной указанной скважины (34) перфорирована на уровне указанного слоя (16);

G. Средства (48, 50) для подачи в одну указанную скважину (34) достаточного количества водной смеси, содержащей бактерии, выполняющие биологическую переработку, для обеспечения протекания реакции биологической переработки;

Н. При этом указанную реакцию биологической переработки стимулируют указанными электродами (26, 42), а на указанные электроды подают напряжение от указанного источника (30) электропитания; и

I. Средства для активирования указанного источника (30) электропитания с целью создания электрического поля между указанными электродами (26, 42), при этом происходит указанная реакция биологической переработки, поддерживаемая водой, с продвижением из указанной первой скважины (34) в указанную вторую скважину (18) в пределах указанного слоя (16) для постепенной биологической переработки указанного слоя in-situ.

4. Система для in-situ подземной биологической переработки по п.3, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, первый указанный электрод (42) в указанной первой скважине (34) представляет собой электропроводную трубку, которая имеет отверстия (44) на уровне указанного слоя (16), при этом, по меньшей мере, часть указанной водной смеси подают через указанную электропроводную трубку.

5. Система для in-situ подземной биологической переработки по п.3, отличающаяся тем, что несколько пар противоположно заряженных электродов (26, 42) располагают в нескольких соответствующих скважинах (18, 34) для пропускания указанных водных смесей через соответствующие различные части загрязненного слоя.

6. Система для in-situ подземной биологической переработки по п.3, отличающаяся тем, что содержит бак (48) на поверхности указанного участка для регулируемой подачи из него самотеком части указанной смеси в указанную первую скважину (34).

7. Способ in-situ подземной биологической переработки горизонтального слоя (16) на участке (12) грунта, загрязненного органическим или углеводородным материалом, отличающийся тем, что включает операции, в которых:

А. Осуществляют введение смеси воды и бактерий, выполняющих биологическую переработку, в первый участок указанного слоя (16);

B. Воздействуют на указанный слой (16) постоянным электрическим полем, имеющим положительный полюс и отрицательный полюс, при этом указанный положительный полюс находится в непосредственной близости от указанного первого участка указанного слоя; и

С. Проводят реакцию биологической очистки в зоне реакции, расположенной в непосредственной близости от указанного первого участка, при этом влияние указанного электрического поля заставляет перемещаться указанную зону реакции через указанный слой (16) от указанного первого участка ко второму участку, находящемуся в непосредственной близости от указанного отрицательного полюса.

8. Способ in-situ подземной биологической переработки по п.7, отличающийся тем, что указанные бактерии, которые выполняют биологическую переработку, содержат жизнеспособную культуру аэробных бактерий, полученную способом по п.5, а указанная реакция биологической переработки протекает в основном за счет гидролиза с ферментным катализом материала, загрязненного органическими или углеводородными соединениями.

9. Способ in-situ подземной биологической переработки по п.8, отличающийся тем, что воду добавляют в указанный первый участок в период протекания указанной реакции биологической переработки.

Рисунок 1

 

Текст

Смотреть все

1 Настоящее изобретение относится к области переработки биомассы или способам компостирования для получения полезного микробиологического продукта, предназначенного либо для последующей биологической обработки различных веществ, либо для непосредственного внесения в почву в качестве сельскохозяйственного удобрения. Способ включает термофильную щелочнофильную реакцию с преобладающим участием аэробных микробов, которая активирует микробную популяцию в условиях высокой влажности и высокого рН на первом этапе и последующую реакцию при высокой влажности, низком рН и добавлении питательных веществ, обеспечивающих сохранившейся микробной популяции возможность выполнения операции компостирования в новой форме, когда аэробные микробы осуществляют разложение или компостирование отходов материалов без обычного перемешивания, переворачивания или встряхивания компостируемой массы с целью ее аэрации, а также без введения воздуха или кислорода с помощью обычных механических устройств, в частности, насосов или воздуходувок. Настоящее изобретение относится также к области биологической переработки загрязненных почв или других промышленных отходов и к получению ценных жирных кислот и аминокислот. Загрязнение окружающей среды считается одной из наиболее серьезных проблем для правительственных учреждений, а также для частных владельцев земли или недвижимости и для пользователей. Главной проблемой всех коммунальных служб является обеспечение безопасных санитарных условий для утилизации обычных бытовых отходов. Даже после отбора подлежащих переработке стекла, металла, бумаги и пластмасс остается огромное количество смешанных вредных и полезных материалов, которые отправляют на свалки, в отстойники и т.д. и которые требуют обработки по различным причинам, в частности, для устранения вредных материалов и патогенов, а также других материалов, представляющих опасность загрязнения путем утечки или просачивания в водные системы, почву или грунтовые воды с последующим нежелательным перемещением или миграцией в другие незагрязненные и часто недоступные зоны. Биологическая переработка таких загрязняющих продуктов и отходов в настоящее время рассматривается как возможный путь решения проблем загрязнения. Однако использовавшиеся до настоящего изобретения способы и продукты никогда не обеспечивали идеальных параметров с точки зрения безопасности, низкой стоимости, уменьшения объема и простоты достижения результатов, которые дают природные бактерии, выполняющие биологическую переработку обычных бытовых отходов. Загрязнение окружающей среды на свалке или в других местах представляет собой проблему, даже если 2 места таких загрязнений являются доступными,в частности, если загрязняющие вещества выгружают или сливают на поверхность грунта,однако сложность доступа к загрязнениям вследствие глубокой подземной утечки или просачивания загрязнений или их проникновения в грунт под зданиями, дорожными покрытиями, подъездными путями, под непроницаемыми породами или почвенными образованиями усугубляет проблемы, связанные с переработкой. Такие загрязнения, вызываемые просачиванием, вовсе не ограничены захоронением бытовых отходов и часто происходят вследствие нежелательного выброса и утечки вредных материалов нефтеперерабатывающих заводов,химических заводов, промышленных предприятий, которые используют или получают в качестве побочных продуктов различные химикаты и краски, и часто связаны с разливом вредных материалов при их транспортировке. Хотя федеральные законы, законы штатов и муниципальные законы и декреты пытаются регулировать загрязнение окружающей среды, существуют тысячи мест, где загрязнения явились следствием несчастного случая или ошибки или имели место в прошлом, когда экологические проблемы не осознавались в такой степени, как они существуют сегодня, когда охрана окружающей среды стала как общественным, так и личным делом. По-видимому, одним из самых простых способов обработки промышленных отходов является их обычная укладка в кучи и компостирование, при котором происходит химическое разложение отходов под действием природных бактерий. Хорошо известны такие процессы, где происходят аэробные термофильные реакции при периодическом переворачивании или перемешивании массы с целью ее аэрации,обеспечивающей подачу кислорода для поддерживания аэробного процесса. Другие известные способы аэрации включают поддержание пористости массы путемвведения деревянных щепок и принудительной подачи в компостируемую массу воздуха или кислорода через перфорированные трубы или опорные решетки. Наличие механического оборудования и операторов для управления и технического обслуживания является существенным фактором в стоимости таких операций компостирования. Если площади для компостирования отходов ограничены или отсутствуют, удаление таких продуктов представляет собой основную проблему. Еще одна проблема размещения отходов возникает в связи со шламом сточных вод, который создает как физиологические, так и физические проблемы его использования и/или удаления в безопасных для здоровья условиях. Для дальнейшего обоснования настоящего изобретения в данном описании приводятся для ссылки следующие статьи:AVENGERS p. 70, (6 pp.) Popular Science, July,1992. Достоинства компостирования с использованием бытовых шламов, смешанных с отходами, описаны в приведенной статье Gillis. В этой статье указывается, что, несмотря на значительные усовершенствования в области выращивания различных растений и овощей, может оказаться необходимой оценка применения основных продуктов компостирования с учетом вида выращиваемых растений, ирригации и географических регионов для определения оптимальной нормы внесения компостного материала на поверхность почвы. При этом говорится, что усовершенствованные способы, аналогичные описанным в настоящем изобретении, могут преодолеть проблемы, связанные с безопасным избавлением от вредных материалов, которые могут быть запрещены постановлением Агентства по охране окружающей среды (ЕРА) или иными федеральными, действующими в пределах штата или местными законами или постановлениями, которые могут ограничивать размещение вредных отходов на свалках или в зонах компостирования. Хотя известно, что природные организмы могут выполнять биологическую переработку,например, свалок бытовых отходов, где происходит компостирование в аэробных условиях, в настоящем изобретении использованы природные организмы, однако предложенные в изобретении операции переработки происходят при реакции с ферментным катализом, который не только снижает объем переворачиваемой компостной массы для аэрации кучи или необходимость дорогостоящего процесса закачивания в массу воздуха или кислорода, но также обеспечивает очень быстрое протекание реакции, при которой операция компостирования может быть практически завершена в течение периода, несколько превышающего один месяц, что обычно недостижимо для обычных способов компостирования. Настоящее изобретение как с точки зрения технологии обработки, так и использования 4 продуктов основной операции компостирования полезно для решения многих проблем, описанных в указанных выше статьях, включая (но не только) разложение и удаление твердых бытовых отходов, биологическую переработку вредных материалов, безопасное разложение и удаление отходов в производственных зонах, биологическую переработку поверхностных загрязнений почвы, биологическую переработку подпочвенного грунта и жидкостей, разложение углеродных соединений с длинной цепью на углеродные соединения с более короткой цепью, дешевое получение полезных аминокислот и жирных кислот в качестве побочных продуктов биологической переработки, а также получение непатогенного удобрения в качестве побочного продукта компостирования с увеличенным сроком сохранения питательных веществ для растений в сочетании с повышенным сохранением влаги при внесении в почву для агротехнических целей. Если объем проекта биологической переработки достаточно мал, практичным и удобным является восстановление в бочкообразных контейнерах, в особенности для превращения обрабатываемых материалов в более полезные продукты в промышленной сфере. Еще один важный аспект настоящего изобретения относится к усовершенствованным способам переработки подпочвенных загрязнений. Микробиологические продукты, получаемые согласно изобретению, используются для биологической переработки загрязнений в месте их нахождения, при этом применение постоянного электрического тока заставляет бактерии проходить через почвы, которые могут представлять собой глину или иные почвы, обладающие плохой проницаемостью в обычных условиях. В процессе приложения электрического напряжения добавляют питательные вещества. Характеристики изобретения и его технические достоинства очевидны из следующего описания предпочтительного варианта реализации изобретения вместе с формулой и прилагаемыми чертежами, на которых представлены: на фиг. 1-4 - диаграммы результатов испытаний воздействия штаммов бактерий согласно настоящему изобретению на трихлорэтилен(ТХЭ); на фиг. 5 - две электрически взаимосвязанные подземные скважины, соединенные с источником постоянного тока и баком подачи бактерий и питательных веществ; на фиг. 6 - увеличенный вертикальный разрез отрицательно заряженной скважины,изображенной на фиг. 5; на фиг. 7 а - схема расположения нескольких электрически связанных подземных скважин, изображенных на фиг. 5 и размещенных в центре и по окружности зоны подпочвенной биологической переработки; 5 на фиг. 7b - схема, аналогичная фиг. 7 а, с расположением скважин по противоположным сторонам прямоугольника; на фиг. 8 - вертикальный разрез бака, используемого для биологической переработки вредных отходов токсафена; на фиг. 9 - схематичный разрез ямы, содержащей загрязненную углеводородом почву,с центральной трубкой для извлечения продуктов биологической переработки; на фиг. 10 - схематичный разрез биологического реактора, предназначенного для переработки промышленных отходов или для получения полезных продуктов путем биоконверсии. Без привязки к изложенной далее теории,объясняющей, почему описанные здесь способы и продукты протекают неожиданным образом и дают неожиданные результаты, предполагается,что начальный этап активирования популяции бактерий при высокой температуре, высоком значении рН и при высокой влажности в компостной куче приблизительно через два дня приводит к образованию практически непатогенной популяции бактерий, способных к продолжению размножения в этой куче и при этом к разложению отходов в течение одного-двух месяцев после начального этапа активирования. В течение этого периода разложения в массу добавляют питательные вещества и воду для поддержания реакции с ферментным катализом на границе раздела бактерий, воды, питательных веществ и субстратов отходов таким образом, что кислород, необходимый для процесса, который считается аэробным, получается из воды, непрерывно добавляемой в массу. Поскольку этот элементарный или молекулярный кислород в процессе компостирования не подают в массу путем аэрации или накачивания, аэробные бактерии в куче действуют в анаэробной среде. Кислород в данном случае не подают изначально в газообразной форме, а он в достаточном количестве образуется на активной границе фаз,где происходит гидролиз отходов в присутствии воды вследствие протекания реакции аэробного типа. Вода также регенерируется в компостной куче за счет разложения органических соединений, углерод которых взаимодействует с кислородом, образуя двуокись углерода, а водород реагирует с кислородом и образует воду. Разложение вредного углеводорода можно выполнить как часть операции компостирования, используя настоящий способ, или, в случае специфического материала субстрата, воздействуя на него аналогичным способом с использованием бактерий, которые образуются в процессе компостирования. Использование бактерий, получающихся при компостировании, предпочтительно для обеспечения высокой степени метаболической активности, поддерживаемой образованием кислорода с ферментным катализом с целью ускорения любого процесса биологической переработки. Способ получения этих бак 000660 6 терий, образующихся при компостировании,при желании можно повторять, используя легко доступные отходы, коллекторный шлам, лошадиный навоз, воду и простейшие бактерии в сочетаниях, указанных в данном описании. Хотя бактерия рода bacillus представляет собой один из наиболее изученных видов микроорганизмов, настоящее изобретение продемонстрировало уникальную способность штаммов данного рода, которые являются конечным продуктом настоящего изобретения, не только к чрезвычайной плодовитости и быстрому заселению (см. фиг. 8), но и свойства их ферментов оказывать каталитическое воздействие на реакцию с участием воды, питательных веществ и загрязненных субстратов, обеспечивающую разложение биомассы и биологическую переработку, способную превратить типичные бытовые отходы в плодоносные и полезные ингредиенты, в том числе побочные химические продукты или сельскохозяйственные удобрения. Кроме того, готовый продукт также способен оказывать ферментное каталитическое воздействие на биологическую переработку хлорированных углеводородов и углеводородов с длинной цепью, в особенности углеводородов, содержащихся в нефти. Способ согласно настоящему изобретению обеспечивает биологическую переработку материалов на месте способом, который не представляется возможным с помощью известных аналогов. Эти способы имеют большое экономическое достоинство,поскольку не требуют обычной вспашки или культивирования огромных полос отходов, характерных для типичных операций компостирования. Изобретение обеспечивает также биологическую переработку глубоких и недоступных загрязненных слоев почвы без выемки грунта или удаления почвы для получения доступа к загрязнениям, как это имеет место на некоторых предприятиях, использующих наружные реакторные баки для переработки токсичных химических соединений в присутствии микроорганизмов, которые реагируют с этими соединениями. Настоящее изобретение обеспечивает дешевый способ получения большого количества ферментов, которые являются ферментным катализатором для биологической переработки отходов и углеводородных материалов, не требующей применения механического оборудования для подачи воздуха или кислорода, обычно используемого для поддержания аэробных реакций биологической переработки. Уникальное свойство микробов и ферментов согласно изобретению заключается в том,что биологическая переработка загрязненных материалов происходит с использованием бактерий, которые обычно считаются аэробными,однако, эти аэробные бактерии действуют в окружающей среде, которая обычно считается анаэробной. Таким образом, для протекания 7 реакции не подается воздух или кислород, при этом питательные вещества, загрязненные материалы и вода взаимодействуют с микробами, а ферментный катализ реакции обеспечивает эффективную биологическую переработку загрязненных веществ. Для случая, когда питательное вещество содержит кислород, как, например,нитраты NО 3, необходимо отметить, что настоящий способ предполагается независимым от какого-либо наличия кислорода в указанном питательном веществе. Процентное содержание штаммов аэробных и анаэробных типов бактерий в компостируемом продукте согласно изобретению показано ниже в табл. 1. Таблица 1 Процентное содержание типов штаммов в образце компоста Штамм Компост Аэробные 1 10% 2 50% 3 10% 4 10% 5 20% Анаэробные 6 40% 7 40% 8 20% Способность аэробных бактерий, вырабатывающих компост согласно настоящему изобретению, производить биологическую переработку в анаэробной среде подтверждается результатами лабораторных исследований, представленными ниже в табл. 2, и фиг. 1-4, которые показывают, что аэробные штаммы лучше растут в трихлорэтилене (ТХЭ) при анаэробных условиях и практически подавляются в ТХЭ при аэробных условиях. Таблица 2 Рост аэробных штаммов в присутствии ТХЭ при аэробных и анаэробных условиях Штамм Аэробный Аэробный Анаэробный 24 ч 48 ч 48 ч 1 Подавлен Подавлен Средний 2 Подавлен Подавлен Подавлен 3 Подавлен Подавлен Хороший 4 Подавлен Подавлен Хороший 5 Подавлен Подавлен Средний 6 Средний Подавлен Подавлен 7 Подавлен Подавлен Средний 8 Подавлен Подавлен Минимальный Настоящее изобретение способно обеспечить получение продукта биологической переработки в зонах размещения обычных бытовых отходов, а также материала, который полезен либо в качестве удобрения, либо для биологической переработки других материалов или продуктов, и имеет длительный срок годности при хранении. Испытания, которые были проведены 8 при использовании такого продукта, полученного в результате операций компостирования, показали срок годности при хранении, значительно превышающий один год. Способ компостирования В предпочтительном варианте реализации изобретения, который первоначально используется для компостирования бытовых отходов,исходная биомасса содержит смешанные мусор,лошадиный навоз и вторичный коллекторный шлам. Шлам предпочтительно свободен от масляных загрязнений и содержит около 18 процентов твердой фазы. Негашеную известь или зольную пыль добавляют для повышения значения рН до 12 или более и для достижения быстрого автокаталитического подъема температуры в течение нескольких секунд примерно до 93 С(200F). Для поддержания в компостной куче твердой фазы на уровне около 18% добавляют воду. Таким способом поддерживают содержание влаги около 82%, что является достаточным насыщением для того, чтобы заставить аэробные бактерии вступать в реакцию в практически анаэробной среде. Высокие тепловые и щелочные условия способствуют активизации бактерий, поэтому через 24-36 ч бактерии приводятся в активное состояние, т.е. популяция бактерий принимает стабильный характер и оказывается готовой к последующему добавлению в компостную кучу питательных веществ, которые охлаждают кучу и подготавливают ее к периоду завершения восстановления биомассы в течение одного-двух месяцев и биологического разложения всех органических материалов в компостной куче. После первого добавления питательных веществ компостная куча может быть выдержана в течение 7-10 дней с добавлением только чистой воды, необходимой для поддержания уровня влажности. После этого кучу переворачивают таким образом, чтобы наружные участки оказались внутри. Затем вновь добавляют питательные вещества, и далее куча может выдерживаться в течение двух недель. После этого кучу переворачивают один раз таким образом,чтобы наружные участки оказались внутри. Затем еще раз добавляют питательные вещества, и далее куча может выдерживаться в течение еще двух недель. После этого кучу переворачивают в третий раз и снова добавляют питательные вещества. Затем в компостной куче продолжаются реакции с ферментным катализом, сигналом завершения которых является постепенное снижение температуры до 27-32 С (80-90F) в конце процесса разложения. Данная температура является одним из показателей окончания процесса. Другим показателем является наличие мелко гранулированной или илообразной консистенции полученного органического продукта. Следует также отметить, что высокие значения температуры и рН в течение первых двух 9 дней активирования бактерий эффективно уничтожают патогены в компостной куче. В общем случае предпочтительный вариант способа компостирования реализуется согласно следующему примеру. Пример 1. Компостную смесь, состоящую из мусора, лошадиного навоза, вторичного шлама сточных вод, целлюлозы, углеводов и других типичных бытовых органических отходов, собрали в критическую массу, т.е. 75 кубических ярдов (около 57,3 м 3) при исходном значении рН 7 или 8, чтобы обеспечить начало автокаталитической экзотермической реакции вследствие активности микробов в присутствии влаги. Такая компостная куча обычно содержит природные (эндогенные) микроорганизмы, участвующие в аэробной термофильной и щелочнофильной реакции, которая представляет собой фундаментальный аспект настоящего способа. Смесь содержит достаточное количество органических и неорганических питательных веществ, включая неорганические соединения азота, фосфора, серы и калия, необходимых для поддержания реакции, которая протекает с повышением температуры. После достижения температуры 46-60 С (115-140F) примерно через 10 ч активность термофильных щелочнофильных микроорганизмов повышается или ускоряется за счет дополнительного смешивания с основным или щелочным материалом, в частности, с КО, СаО (известь), NaO, MgO или зольной пылью, в достаточном количестве для повышения уровня рН исходной смеси примерно до 12 или выше. Желательно выждать повышения температуры, прежде чем добавлять щелочной материал, поскольку в противном случае возникает опасность уничтожения полезных микробов. После добавления щелочного материала,повышающего рН, экзотермическая реакция продолжается при существенном увеличении температуры. Кроме аэробных организмов, которые требуют молекулярного кислорода, дополнительные организмы принудительно становятся аэробными. Реакции поддерживаются растворенным кислородом, который содержится в достаточном количестве (т.е. не менее 1 части на миллион) для обеспечения выживания аэробных организмов. Сочетание высоких значений рН и температуры, как предполагается, уничтожает патогенные бактерии, при этом первичные аэробные термофильные штаммы микробов,включая аэробные бактерии рода Bacillus, и их ферменты с высокой энергией продолжают воспроизводиться или вырабатываться. Предполагается, что эти оставшиеся живыми микроорганизмы и ферменты проходят через эволюционный процесс, в результате которого формируется окончательный состав из живых бактерий и ферментов и вырабатываются такие полезные 10 продукты, как аминокислоты и жирные кислоты. Первичные ферменты, которые вырабатываются в процессе разложения, представляют собой липазу и протеазу, однако также вырабатывается и лигназа. Точная природа предполагаемой мутации или рекомбинации не установлена. Подъем температуры новой смеси после изменения рН может достигать точки кипения воды. Однако, как было установлено, полезные выживающие микроорганизмы выдерживают значительно более высокие температуры в присутствии некоторого количества влаги. Помимо выдерживания высоких температур выживающие микроорганизмы, как было установлено, переносят температуры, близкие к температуре замерзания воды. Процесс продолжается в течение достаточно длительного времени, примерно 24 ч, для того, чтобы обеспечить достижение компостной кучей желаемого переработанного незагрязненного состояния. После добавления питательных веществ, сульфата аммония 21-0-0, фосфата 0-45-0 и сульфата калия 0-0-60 в равных количествах по весу, снижается температура, а также значение рН до уровня 7-7,5, близкого к нейтральному. Микроорганизмы могут продолжать размножаться в присутствии влаги и питательных веществ, при этом конечный продукт включает высокоэнергетические ферменты с повышенной способностью к расщеплению для биологической очистки почвы от углеводородных загрязнений с получением безвредных воды и СО 2. На протяжении всего описанного процесса отходы материалов и добавки остаются в твердом состоянии, что облегчает работу с этими материалами. Ионы металлов в реагирующей смеси не мешают образованию полезных ферментов, которые могут быть выделены в качестве полезных продуктов для биологической очистки углеводородов и для регенерации биологически загрязненного активированного угля, используемого в других процессах. В аналогичном альтернативном варианте реализации мусор и лошадиный навоз можно добавлять в компостную смесь после окончания периода активации. Предпочтительно сначала добавлять лошадиный навоз, поскольку при этом бактерии подвергаются воздействию высокой температуры и высокого рН перед добавлением мусора, который имеет высокое содержание бумаги и тенденцию к быстрому снижению рН. В обоих указанных вариантах реализации изобретения компостные кучи непрерывно опрыскивают водой для поддержания высокой влажности. Аналогично этому в обоих вариантах реализации изобретения питательные вещества добавляют примерно через 48 ч после на 11 чение короткого периода порядка 24 ч на микробиологические продукты действует очень высокая нагрузка, которую, как предполагается,выдерживают только высокотермофильные микробы. Предполагается также, что патогенные микробы уничтожаются или навсегда изменяют свои естественные свойства, а те термофильные микробы, которые могут изменять свои свойства при температурах порядка 100 С,могут восстанавливать их при охлаждении, которое происходит примерно через 48 ч после добавления питательных веществ. После добавления питательных веществ происходит снижение не только температуры, но и значения рН примерно от 12-14 до примерно 7-8. Анализ продукта компостирования В табл. 3 представлены результаты лабораторного анализа - общего планшетного подсчета для определения типов бактерий в компостном материале с целью идентификации штаммов. Таблица 3 Определение штаммов аэробных и анаэробных бактерий в продукте компостирования Наимен. Первичная Коэфф. Коэфф. Первичная Тип Коэфф. Коэфф. штамма идентификация подобия отличия идентификация пластин подобия отличия чала периода активирования при высоком содержании влаги в компостной куче до окончания компостирования. Для этих способов, как и для других, описанных здесь, типичным является постепенное снижение температуры примерно до 27-32 С(80-90F) в конце процесса разложения. Такая температура служит одним из показателей окончания процесса. Другим показателем является наличие мелко гранулированной или илообразной консистенции получаемого органического продукта. Хотя молекулярная структура микробов и их ферментов, получающихся на отдельных операциях обработки согласно настоящему изобретению, точно не известна, установлено, что эти микробы и их ферменты подвергаются воздействию экстремальных температур и значений рН во время прохождения аэробного метаболического процесса. По меньшей мере, в те 3238-2 3238-3 3238-4 3238-5 Данные результаты получены при использовании стандартного способа подсчета бактериальных планшетов для выделения штаммов. В образце продукта компостирования найдены пять аэробных и три анаэробных штамма. После выделения штаммы индивидуально поместили на TSA. После инкубации в течение 24 ч планшеты TSA обработали по [Методике 1 стандарта(CLIN[rev.3.80]) или анаэробной [ANER1]GCFAME баз данных. Затем приготовили суспензию аэробных штаммов в стерильном физиологическом растворе и загрузили для подготовки к анализу Bilog (TM) в соответствующие титрационные микропланшеты (грамотрицательные и грамположительные). Планшеты подвергали инкубации в течение 24 ч, а затем проанализировали по версии 3.5 базы данных Biolog (TM) с использованием автоматического ридера для микропланшетов. Коэффициенты подобия и отличия для каждого штамма, представленные в табл. 3, указывают на подобие и отличие относительно гипотетического "среднего" организма в базе данных. Организм в базе данных имеет коэффициент подобия, равный единице, и коэффициент отличия, равный нулю. Чем ближе соответствующие коэффициенты штамма к единице и нулю, тем больше он подходит к усредненному организму в базе данных. Хорошее соответствие имеет место при коэффициенте подобия, большем чем 0,5, и коэффициенте отличия, меньшем чем 7. В табл. 4 представлены скорости роста аэробных и анаэробных бактерий согласно изобретению. 13 Таблица 4 Суммарный подсчет гетеротрофных планшетов 24 ч 48 ч Типы Аэробный компост 5 5,06105 8,15109 Анаэробный компост 7,20104 1,18105 3 Биологическая переработка и удобрения Вторичным аспектом настоящего способа является смешивание концентрированной порции твердого материала, получаемого в результате описанного выше процесса и содержащего сохранившиеся живые или активные организмы,с водой и использование жидкой смеси для инокуляции и биологической переработки почвы,загрязненной углеводородными соединениями(например, при разливе топлива или утечки из баков) и хлорированными углеводородами (пестициды, полихлорированный дифенил и т.д.). Удобрения Настоящие способы компостирования и биологической переработки сочетают около 50% микробиологических метаболических процессов и около 50% синтетических или ферментных процессов, в особенности внеклеточных процессов. Если способ согласно предпочтительному варианту реализации данного изобретения используется для получения побочного продукта, содержащего гипс, для применения в качестве сельскохозяйственного удобрения, то применяются такие питательные вещества, как сульфат аммония 21-0-0, тройной суперфосфат 0-45-0 и калий 0-0-60 в равных объемах. Эти добавки снижают значение рН до нейтрального и обеспечивают образование гипса (CaSO42H2O) по мере протекания реакции. Гипс является ценным удобрением, которое значительно дольше сохраняется в почве, чем другие удобрения, а также способствует сохранению в почве влаги. В зависимости от требований, предъявляемых к гипсу для конкретных типов культуры и почвы, процентное содержание гипса в конечном продукте компостирования может изменяться в диапазоне примерно от 3 до 12% за счет изменения количества добавляемых питательных веществ. При этом также в значительном количестве будет присутствовать фосфогипс, и его относительное содержание можно изменять в зависимости от относительного количества применяемого тройного суперфосфата(0-45-0). Биологическая переработка Как указано выше, конечный продукт компостирования, получаемый предпочтительным способом компостирования, вместо использования в качестве органического удобрения может применяться для биологической переработки различных органических и углеводородных материалов. Получение и выделение таких полезных продуктов, как аминокислоты и жирные кислоты, дает значительный экономический эффект благодаря указанным способам. 14 Важной дополнительной особенностью настоящего изобретения является универсальность бактерий, появляющихся на первой операции компостирования. Это означает, что они могут быть использованы для биологической переработки множества различных опасных или загрязняющих материалов и, следовательно, могут обеспечить более широкие возможности общего применения данного способа без необходимости экстенсивной аналитической подготовки с целью определения местоположения загрязнений, типа бактерий, необходимых для биологической переработки загрязнений, а также дают возможность превращения большей части загрязнений, обрабатываемых продуктами согласно настоящему изобретению, в такие полезные или безвредные материалы, как вода и двуокись углерода, а также в потенциально полезные кислоты. Если конечный продукт компостирования согласно предпочтительному варианту реализации изобретения подлежит использованию в качестве агента для последующей биологической переработки органических или углеводородных материалов, предпочтительными питательными веществами для такого способа последующей переработки являются мочевина(46-0-0), нитрат аммония (32-0-0), фосфат (0-450) и поташ (0-0-30), причем массовое отношение содержания азота к сумме фосфора и калия равно 10 к 1. Такой способ последующей переработки может относиться к типу, описанному далее и иллюстрированному фиг. 5-7 и 9-10. Для биологической переработки почвы на месте ее нахождения содержание влаги может уменьшаться примерно до 20 мас.% при выполнении необходимых условий для протекания биологической реакции с ферментным катализом. Биологическая переработка смеси сырого парафинового масла и воды на месте в открытой яме Другим вариантом реализации изобретения является биологическая переработка сырой парафинистой нефти в смеси с другими компостными материалами. Такое парафиновое сырье обычно находится в земляной яме и смешано с водой. В качестве первой операции вторичный варочный шлам, содержащий около 3-5 мас.% влаги, смешивают с лошадиным навозом в компостной куче, используя шлам в качестве смачивающего агента. После смешивания общее содержание влаги уменьшается примерно на 50 мас.%. Затем в яму добавляют весь мусор, главным образом бумажные продукты, в частности,журналы, картонные коробки, брошюры и газеты, для поглощения сырого масла и воды с образованием маслянистой мусорной смеси,имеющей в итоге среднее содержание углерода,составляющее 30% (300000 млн. ч.) суммарного содержания нефтяных углеводородов (СНУ) согласно инфракрасному спектрометрическому анализу 418.1. Затем обе смеси перемешивают 15 вместе для получения смеси с желеобразной консистенцией. Спустя около десяти часов после начала биологической реакции, температура полученной смеси повышается примерно до 54 С (130F). После 48 ч температура достигает примерно 71 С (160F). Количество ингредиентов в смеси составляет 110 кубических ярдов (около 84 м 3) лошадиного навоза, около 2000 галлонов (около 7,6 м 3) шлама, 50 кубических ярдов (около 38 м 3) мусора и 25 кубических ярдов (около 19 м 3) сырой парафинистой нефти. Через 10 дней маслянистая консистенция исчезает и СНУ снижается примерно до 5000 частей на миллион. В это время компостную кучу можно перевернуть таким образом, чтобы наружные слои оказались внутри кучи. При таком же высоком содержании влаги, по меньшей мере, 60-75%, вся смесь биологически разлагается, при этом углеводороды подвергаются биологической переработке за счет постоянного микробиологического воздействия с ферментным катализом. Через 30 дней температура компостной кучи устанавливается равной примерно 54 С (130F), и кучу переворачивают еще раз так, чтобы наружные слои снова оказались внутри для лучшего воздействия. В это время СНУ снижается до 2000-3000 частей на миллион. Через 60-90 дней значение СНУ становится меньшим 100 млн. ч., что является приемлемым уровнем удовлетворительной переработки углеводородов. Биологическая переработка подпочвенных слоев в месте их нахождения Другой вариант реализации изобретения относится к использованию аэробного микробиологического продукта для биологической переработки подповерхностных или подземных загрязнений, образующихся, например, вследствие разлива или утечки вблизи закопанных резервуаров, обычно используемых для хранения бензина и других жидких продуктов, которые считаются вредными загрязнениями из-за их способности мигрировать сквозь почву или другие материалы грунта, смешиваться с грунтовыми водами и загрязнять их, делая непригодными для питья или, по меньшей мере, менее полезными. В Соединенных Штатах определено множество мест, где требуется биологическая очистка, прежде чем миграция загрязняющей жидкости зайдет слишком далеко. Во многих таких местах уже сделан ряд опытных скважин малого диаметра по предварительно разработанной схеме для отбора контрольных образцов из каждой скважины с целью периодического контроля и определения протяженности и изменения загрязнений. Загрязненные зоны в таких местах часто являются труднодоступными, поскольку они находятся на значительной глубине, возможно, измеряемой сотнями футов, под землей, или поскольку они находятся под тротуарами, зданиями или другими конструкциями, 000660 16 которые нельзя перемещать по различным причинам. Несмотря на то, что электроды с приложенным напряжением ранее использовались в аналогичных скважинах для отбора образцов,настоящее изобретение предполагает, что гарантированная биологическая переработка в таких зонах успешно и целесообразно реализуется в присутствии подходящих микробов и ферментов с необходимыми питательными веществами и достаточным количеством воды для обеспечения аэробной реакции микробиологического продукта с питательными веществами и подпочвенными загрязнениями, которые необходимо превратить в полезные продукты. Как показано на фиг. 5-7, данный вариант выполнения изобретения предполагает использование, по меньшей мере, двух отдельных вертикально расположенных скважин или пробуренных шпуров малого диаметра, проходящих до глубины, по меньшей мере, равной глубине самого низкого уровня загрязненного подпочвенного слоя. Согласно фиг. 5, система 10 биологической подпочвенной переработки установлена в грунте 12, имеющем поверхность 14 и загрязненную зону 16, расположенную на глубине примерно от 5 до 10 футов (примерно от 1,5 до 3,0 м) от поверхности 14. Положительно заряженная скважина 18 расположена вертикально, проходя от поверхности 14 вниз через загрязненную зону 16 в данном случае на глубину около 10 футов(примерно 3,0 м). Вкладыш 20 проходит по всей длине скважины 18, плотно прилегая к внутренней поверхности шпура, и имеет торцевую заглушку на нижнем заделанном конце 22. Вкладыш 20 имеет отверстия 24, расположенные в его нижней части в пределах загрязненной зоны 16, т.е. нижних пяти футов (около 1,5 м). Вкладыш 20 может быть изготовлен из поливинилхлоридной (ПВХ) трубки. Отверстия 24 имеют диаметр около 1/4 дюйма (около 6,3 мм) и проходят сквозь стенку вкладыша 20. Перфорированная часть ПВХ трубки может быть обычной индикаторной ПВХ трубкой скважины с множеством мелких дугообразных, расширяющихся к периферии прорезей, проходящих вдоль длины перфорированного участка трубки. Положительно заряженный коаксиальный электрод 26 размещен внутри скважины 18 концентрично с вкладышем 20 и проходит практически по всей ее глубине, при этом нижняя часть электрода длиной 5 футов (около 1,5 м) сообщается с загрязненным участком 16 грунта через отверстия 24 во вкладыше 20. Коаксиальный электрод 26 изготовлен из стандартной медной трубки диаметром от 3/4 до 1 дюйма (примерно от 2,0 до 2,5 см) и перфорирован отверстиями 28, имеющими диаметр около 1/8 дюйма (около 0,3 см) с интервалом 3 дюйма (около 7,6 см) на длине электрода 26, соответствующей перфорированному участку вкладыша 20, предпочтительно не 17 менее 2 футов (около 61 см) перфорированного участка вкладыша 20. На электрод 26 подают положительный заряд путем подключения к электрическому генератору 30 постоянного тока с помощью проводника 32. Отрицательно заряженная скважина 34 находится на некотором расстоянии от положительно заряженной скважины 18 и предпочтительно расположена в той части загрязненной зоны 16, которая удалена от положительно заряженной скважины 18. Отрицательно заряженная скважина 34 может иметь конфигурацию,идентичную конфигурации положительно заряженной скважины 18. Скважина 34 содержит вкладыш 36 с торцевой заглушкой 38, нижняя часть которого имеет находящиеся на ней отверстия 40. Отрицательно заряженный концентричный электрод 42 может быть идентичен по конфигурации положительно заряженному электроду 26 и расположен внутри скважины 34, проходя практически по всей ее глубине,при этом нижняя часть электрода 42 длиной 5 футов (около 1,5 м) сообщается с загрязненным участком 16 грунта через отверстия 40 во вкладыше 36. Электрод 42 изготовлен из стандартной медной трубки аналогично электроду 26 и перфорирован отверстиями 44, расположенными аналогично отверстиям 28 в электроде 26. На электрод 42 подают отрицательный заряд путем подключения к электрическому генератору 30 постоянного тока с помощью проводника 46. Верхняя часть отрицательно заряженного электрода 42 соединена с баком 48 посредством шланга 50, по которому из бака 48 в электрод 42 поступает поток жидкости. На фиг. 6 показаны отрицательно заряженная скважина 34, отрицательно заряженный электрод 42 и его соединение со шлангом 50 в увеличенном масштабе. На фиг. 7 а представлен вид сверху типичной схемы расположения скважин с фиг. 5 для случая круговой загрязненной зоны 16, при этом отрицательно заряженная скважина 34 расположена в центре зоны 16 загрязнения, а несколько положительно заряженных электродов размещены через равные промежутки вблизи периметра зоны 16 загрязнения и находятся на одинаковом расстоянии от центральной отрицательно заряженной скважины 18. Хотя относительные заряды могут быть обратными, наиболее удобно подавать жидкость из бака 48 (см. фиг. 5) к одному отрицательному электроду. Для показанного на фигуре случая шесть пар скважин образуются шестью положительно заряженными скважинами 18 и одной отрицательно заряженной скважиной 34. На фиг. 7b показан вид сверху типичной схемы расположения скважин с фиг. 5 для случая прямоугольной зоны 16 загрязнения, при этом несколько отрицательно заряженных скважин 34 размещены вдоль одной стороны загрязненной зоны 16, и соответствующее количество 18 положительно заряженных скважин 18 расположены вдоль противоположной стороны загрязненной зоны 16. Для показанного на фигуре случая три пары скважин образуются тремя положительно заряженными скважинами 18 и тремя отрицательно заряженными скважинами 34. При выполнении способа питательные вещества, микробы и вода для поддержания подпочвенной переработки поступают самотеком по шлангу 50 из бака 48, расположенного на поверхности 14, в избирательно регулируемых количествах. Достаточное количество воды добавляют в скважины для обеспечения миграции бактерий в материал грунта, если загрязнения находятся не ниже уровня грунтовых вод. Вода,содержащая несколько унцийаэробных бактерий и питательных веществ, включая нитраты или мочевину и фосфаты, поступает самотеком в скважину через полый отрицательный электрод, перфорированный отверстиями 44. На электроды в течение нескольких часов подают напряжение для стимулирования или активирования микробов и горизонтального перемещения микробов, ферментов и питательных веществ через загрязненную зону для их взаимодействия с питательными веществами с целью проведения гидролиза с ферментным катализом субстрата в присутствии воды, чтобы обеспечить достаточное количество кислорода для продолжения аэробной биологической переработки загрязнений даже после отключения электропитания от сварочного генератора. Наличие миграции питательных веществ и микробов было продемонстрировано при разделении электродов на расстояние в 50 футов(около 15 м) после четырех часов подачи напряжения от генератора постоянного тока снижением содержания нитратов со 145 млн. ч. до 5-8 млн. ч. около отрицательного электрода, в то время как около положительного электрода содержание нитратов увеличилось от менее чем одной части на миллион примерно до 15 млн. ч. Наблюдалось также снижение загрязняющих соединений ВТЕХ. Дополнительные питательные вещества в водном растворе можно периодически подавать в отрицательную скважину или в обе скважины для поддержания аэробной биологической переработки загрязнений. Как и в других вариантах реализации настоящего изобретения, гидролиз субстрата с ферментным катализом при наличии влаги и микробиологическое воздействие на питательные вещества могут продолжаться в аэробных условиях без аэрации или подачи кислорода в загрязненную массу каким-либо иным образом. Такие гидролитические реакции в присутствии воды продолжаются в течение длительного времени после прекращения подачи на воду электрического напряжения от электродов. В другом опыте при удалении электродов примерно на 430 футов (около 131 м), 80 галло 19 нов (около 303 л) раствора с высокой концентрацией питательных веществ подали через отрицательный электрод в загрязненную массу грунта с недостатком питательных веществ на глубине от 7 до 12 футов (примерно от 2,1 до 3,7 м), при этом отрицательный электрод был экранирован на глубине первых 7 футов (около 2,1 м) и открыт в зоне загрязненного слоя высотой 5 футов (около 1,5 м) посредством перфорации в ПВХ трубке. Между двумя вертикальными электродами противоположной полярности электрическое поле постоянного тока, как видно из сказанного выше, имело бы форму овала или мяча для американского футбола. При использовании нескольких электродов эти формы можно накладывать по любой желаемой схеме. Один или несколько отрицательных электродов могут быть расположены в центре круговой зоны, как показано на фиг. 7 а, или вдоль одной стороны или в виде сетки, как показано на фиг. 7b, чтобы обозначить горизонтально проходящую зону,содержащую одно или несколько полей постоянного электрического тока. Удовлетворительные испытания были проведены с использованием сварочного генератора постоянного тока Lincoln 200, имеющего двигатель мощностью 70 л.с. и рассчитанного на постоянный ток в 200 А при напряжении 40 В для эксплуатации в качестве источника напряжения. При опытах генератор был настроен на 110 А, хотя ток в сети во время проведения опытов составлял примерно от 3 до 5 А. Биологическая переработка жидких отходов в контейнере Кроме описанного выше способа биологической переработки на месте, когда остаточные разложенные компоненты могут быть оставлены в месте их нахождения, возможно применение данного изобретения с целью обработки загрязнений с их удалением, т.е. помещение определенного количества жидких отходов или загрязненного твердого материала или грунта в контейнер для биологической переработки. Пригодными для биологической переработки считаются загрязнения следующих категорий:D. Все прочие хлорированные растворители Е. Пестициды 1. ДДТ 2. ДДД 3. ДДЭ 4. ТоксафенG. Угольные смолы Большую часть, если не все из указанных веществ, можно обрабатывать в контейнерах различного размера в зависимости от количества материала, подлежащего переработке. Пример 2. Способ такой обработки в соответствии с одним из вариантов выполнения изобретения может быть осуществлен в инертном пластмассовом барабане объемом 55 галлонов(около 208 л), выполненном из материала ПВХ(см. фиг. 10) и предназначенном для переработки жидких субстратов, в частности, углеводородов. Барабан ставят на основание и заполняют песком, оставляя свободными до верха около 10-12 дюймов (около 25-31 см). Около 5-15 галлонов (около 19-57 л) жидкого субстрата смешивают с песком для покрытия поверхности частиц песка. Добавляют в барабан чистую воду до уровня, превышающего на несколько дюймов смесь песка и отходов, а также небольшое количество посева аэробных микробов и некоторое количество питательных веществ. Гидролиз субстрата с ферментным катализом при наличии воды и воздействие микробов на питательные вещества происходят при аэробных условиях без необходимости аэрации или подачи кислорода в смесь иным образом. Цвет воды в верхней части барабана является визуальным показателем, который позволяет установить 21 окончание процесса биологической переработки. Когда цвет воды становится темным, указывая на окончание этого процесса, жидкость удаляют из барабана, оставляя около 6 дюймов(около 16 см) на дне в качестве микробного посева для дополнительной обработки. Переработанные отходы можно удалить через дренажный клапан, расположенный в периферии нижней части барабана и имеющий ручное или дистанционное управление. Отдельные дренажные клапаны можно использовать для того, чтобы, с одной стороны, поддерживать субстрат в контейнере на уровне 6 дюймов (около 16 см) для микробного посева, и, с другой стороны, обеспечивать полное удаление переработанного субстрата. После окончания слива в песок добавляют дополнительное количество отходов и предпочтительно выдерживают смесь для осаждения около одного часа, чтобы дать возможность субстрату мигрировать через песок и покрыть частицы песка. Затем барабан снова заполняют чистой водой, как описано выше, и добавляют питательные вещества для следующей операции обработки. Повторные операции биологической переработки можно выполнять через регулярные интервалы времени. Данный способ можно использовать на промышленном предприятии или в аналогичной организации, где постоянно вырабатываются вредные отходы при непрерывном процессе изготовления или обработки продукции. Если подлежащий переработке субстрат представляет собой какой-либо определенный материал, то при воздействии на него ферментов, вероятно, получится один или несколько определенных побочных продуктов в виде аминокислот или жирных кислот. Продукты, сливаемые из барабана после переработки, могут затем подвергаться сепарации для выделения любого нужного продукта - аминокислот или жирных кислот. Такие продукты обычно имеют значительную рыночную цену, и их продажа может явиться основой для широкого проведения процесса рециклирования, а также снизить стоимость утилизации вредных отходов. Среди различных типов побочных продуктов биологической переработки при использовании настоящего изобретения имеются жирные кислоты, которые вырабатываются в результате микробиологического воздействия на углеводороды, и аминокислоты, вероятно, образующиеся в основном в результате разложения или разрушения (лизиса) микробов. Очевидно, что извлечение жирных кислот как побочных продуктов переработки может иметь определенный коммерческий потенциал. Они имеют сравнительно высокую концентрацию - около одного процента от массы образцов. При биологической переработке загрязненных твердых веществ или почвы загрязненный материал можно вводить в реактор отдельно или в смеси с песком или другой твердой 22 средой. После биологической переработки твердый материал следует периодически удалять из реактора. Пример биологической переработки загрязненной почвы рассматривается ниже. Таким образом, затраты на извлечение указанных продуктов не должны быть чрезмерно высокими (стоимость продукции принимается практически равной нулю). Во-вторых, потребность рынка в жирных кислотах очень велика,при этом в смеси, полученной при проведении опытов, преобладали наиболее ценные жирные кислоты с относительно длинными углеродными цепями (С 10 и более). На практике представляется вероятной возможность регулирования в некоторой степени состава смеси получаемых жирных кислот за счет изменения условий биологической переработки. В результате биологической переработки почвы, загрязненной нефтью, в месте ее нахождения или в контейнере с помощью микроорганизмов согласно настоящему изобретению получают смеси аминокислот и жирных кислот,которые потенциально могут быть извлечены в виде ценных продуктов. Хорошо известно, что воздействие микробов на углеводороды с длинной цепью может приводить к образованию органических кислот с различной длиной цепи. Кроме того, по мере старения клеток микробы могут разрушаться, выделяя содержащиеся в них соединения в окружающую среду. При этом другие микроорганизмы обычно захватывают эти выделившиеся соединения и используют их. В этой связи можно ожидать обнаружения как органических кислот, так и аминокислот, продуктов разложения белков в тех участках, где популяции микробов активно воздействуют на углеводороды с длинной цепью. Существует обширный рынок органических кислот и аминокислот. Если экономично получать эти соединения из смеси продуктов биологической переработки и продавать их на этом рынке, то можно снизить или даже устранить расходы на переработку отходов в месте их нахождения. Биологическая переработка почвы в месте ее нахождения с использованием открытой ямы Способ согласно настоящему изобретению применили для ямы (см. фиг. 9) с размерами 12182 фута глубиной (примерно 3,65,50,7 м) до начала общего уровня нефтяного углеводорода в почве, формирующего яму примерно на 20%. В центре ямы установили вертикальную трубку, проходящую в грунт ниже уровня ямы для экстрагирования продуктов биологической переработки. Обработку начали с создания бассейна путем добавления в яму около 40 баррелей (6,36 м 3) воды, удобрения и около 10 унций(около 283 г) конечного продукта компостирования согласно настоящему изобретению. Через каждые несколько дней из ямы удаляли воду темного цвета и затем добавляли чистую воду и удобрение или питательное вещество. 23 Были отобраны образцы, представляющие исходный материал до проведения испытания,микробиологически обработанный шлам со дна обрабатываемого бассейна, грунт с глубины нескольких футов от дна бассейна и образец с очень большой глубины - около 50 футов (около 15,2 м) от дна бассейна. Образцы жидкости не отбирали. Твердые образцы анализировали путем экстракции с разными растворителями с последующим анализом экстракта с использованием различных средств для определения отдельных аминокислот, общего содержания жира, а также отдельных жирных кислот (насыщенных и ненасыщенных). В большинстве случаев результаты анализа представлены в виде процента от неэкстрагированного образца. См. табл. 5 и 6 ниже. Таблица 5 Аминокислоты, вырабатываемые при однократной биологической переработке на месте отходов сырой парафинистой нефти в земляной яме Анализы Результаты Общее содержание жира 7,41% Протеаза Не обнаружено Протеин 56 мг/100 г Липаза Не обнаружено Профиль аминокислот Аспартиновая кислота 1,63 мг/100 г Тирозин 5,20 мг/100 г Валин 4,42 мг/100 г Метионин 4,87 мг/100 г Цистеин 1,12 мг/100 г Изолейцин 3,16 мг/100 г Лейцин 3,33 мг/100 г Фенилаланин 4,51 мг/100 г Лизин 5,01 мг/100 г Глютаминовая кислота 0,84 мг/100 г Серин 2,20 мг/100 г Глицин 2,33 мг/100 г Гистидин 3,19 мг/100 г Аргинин 3,64 мг/100 г Треонин 2,12 мг/100 г Аланин 1,92 мг/100 г Пролин 7,28 мг/100 г Насыщенная жирная кислота 1,48% Мононенасыщенный жир 0,76% Полиненасыщенный жир 0,22% Таблица 6 Жирные кислоты, вырабатываемые при однократной биологической переработке на месте отходов сырой парафинистой нефти в земляной яме Состав Формула Содержание, % Профиль жирных кислот Каприлат С 8:0 0,74 Капрат С 10:0 6,94 Лаурат С 12:0 5,43 Миристат С 14:0 4,68 Пальмитат С 16:0 1,73 Пальмитолеат С 16:1 1,33 Стеарат С 18:0 1,21 Олеат С 18:1 4,86 Линолеат С 18:2 2,17 24 Линоленат С 18:3 Арахидат С 20:1 Эйкозенат С 22:0 Бегенат С 22:1 Эрукат С 24:0 Лигноцерат Суммарное содержание насыщенных жирных кислот Суммарное содержание мононенасыщенных жирных кислот Суммарное содержание полиненасыщенных жирных кислот Суммарное содержание жира Общее содержание жирных кислот в твердой фазе составляет приблизительно 1 мас.%. Жирные кислоты являются летучими и одновременно малорастворимыми, что дает возможность их отделения и очистки сравнительно простым (и дешевым) способом дистилляции и фракционной кристаллизации. Специфический побочный продукт,получаемый при биологической переработке подпочвенного слоя Предполагается, что продукт компостирования, получаемый при биологической переработке согласно настоящему изобретению, не является специфическим по отношению к обрабатываемым и биологически перерабатываемым субстратам. Однако, как следует из дальнейшего описания, все побочные продукты, получаемые таким способом переработки, специфичны для конкретного субстрата, т.е. побочный продукт будет зависеть от состава разлагаемого субстрата. Примером получения аминокислоты из вредных отходов является получение тирозина в результате биологического разложения почвы,загрязненной токсафеном, с использованием микробиологических продуктов согласно настоящему изобретению. Токсафен представляет собой одно из соединений с высокой устойчивостью к биологическому воздействию вследствие большого содержания хлора, составляющего около 70%. На фиг. 8 показан бак для биологической переработки почвы, загрязненной токсафеном. Применяемые при этом технологические операции аналогичны тем, которые используются для биологической переработки отходов в контейнере, описанной выше. Чистую воду добавляют до желаемого уровня (около 3 дюймов- около 7,6 см) над загрязненной почвой. Кроме того, добавляют небольшое количество посева аэробных микробов, полученных при компостировании способом согласно настоящему изобретению, а также некоторое количество питательных веществ. Гидролиз субстрата с ферментным катализом в присутствии воды и микробиологическое воздействие на загрязнение происходят при аэробных условиях без аэрации или подачи кислорода в почву каким-либо иным образом. Цвет воды на поверхности бака становится тем 25 ным, и жидкость, содержащую продукт биологической переработки - тирозин - декантируют или иным образом сливают до уровня почвы. Затем снова добавляют воду и повторяют процесс до окончания достаточной биологической переработки. Токсафен широко использовался в качестве пестицида до тех пор, пока он не был запрещен ЕРА в начале 1980-х годов. Результаты анализа продукта биологической переработки токсафена представлены ниже в табл. 7. Таблица 7 Анализы аминокислот в продукте биологической переработки токсафена Анализ Результаты Профиль аминокислот Аланин Не обнаружено Альпартиновая кислота Не обнаружено Тирозин 53000 млн. ч. Валин Не обнаружено Метионин Не обнаружено Цистеин Не обнаружено Изолейцин Не обнаружено Лейцин Не обнаружено Фенилаланин Не обнаружено Лизин Не обнаружено Гидроксипролин Не обнаружено Глютаминовая кислота Не обнаружено Серин Не обнаружено Глицин Не обнаружено Гистидин Не обнаружено Аргинин Не обнаружено Треонин Не обнаружено Пролин Не обнаружено Протеин 5,38 % Насыщенная жирная кислота 0,1 Мононенасыщенный жир 0,1 Полиненасыщенный жир 0,1 Суммарное содержание жира 0,30% Эти результаты определяют специфичность реакции биологической переработки согласно настоящему изобретению при обработке токсафена с образованием аминокислоты тирозина в качестве исключительного аминокислотного продукта. Описанная выше процедура может применяться для биологической переработки любых загрязненных почв или иных твердых веществ,загрязненных продуктами, поддающимися биологической переработке. Теория процесса биологической переработки Реакцию гидролиза можно ускорять абиотически или биотически. Некоторые источники подтверждают, что гидролиз происходит быстрее при участии микробов. Ферментный гидролиз ускоряется, если ферменты удерживают реагирующие элементы в "правильной позиции", повышая скорости взаимодействия. Таким образом обеспечивается устранение неблагоприятных изменений энергии активации. Полученные комплексы соединения и фермента впо 000660 26 следствии разделяются под действием воды. Конечный результат аналогичен тому, как если бы непосредственное воздействие на комплексы оказывала только вода. При операциях, использующих уникальные продукты компостирования согласно настоящему изобретению для биологической переработки почвы и грунтовых вод, загрязненных нефтью и хлорированными соединениями, были собраны представленные выше данные, которые показывают, что гидролиз с ферментным катализом является главным механизмом разложения при способе обработки согласно настоящему изобретению. Содержание влаги было ограничивающим фактором как для скоростей (кинетика), так и для степени протекания (термодинамика) реакций, что и ожидалось для реакции гидролиза. Результаты обработки показали низкую специфичность субстрата. Дехлорирование обычно сопровождалось повышением растворимости,что также ожидалось при реакции гидролиза. Так, например, в процессе исследования способности к переработке теоретическая растворимость токсафена повысилась в 15 раз (от 3 до 45 млн. ч.). Нуклеофильное дегалогенирование путем нуклеофильной замены галогенных групп является обычным при реакциях с ферментным катализом и приводит к повышению растворимости вследствие гидроксилирования. Реакции с участием бактериальных культур согласно настоящему изобретению протекают быстрее, чем это ожидалось даже при использовании передовых биотехнологий. Алифатические соединения с длинной цепью разлагаются почти так же легко, как и алифатические соединения с короткой цепью. Высокие скорости реакции, наряду с дехлорированием, увеличением растворимости и разложением различных соединений (включая такие "тяжелые" соединения, как парафин и асфальт), указывают на то, что эти реакции протекают при пониженной энергии активации, что представляет собой явление, характерное для действия фермента. Побочные продукты биологической переработки согласно настоящему изобретению включают аминокислоты, которые пользуются спросом на рынке. Насыщение обрабатывающих растворов аминами, аминокислотами и карбоновыми кислотами, которые являются типичными продуктами реакций гидролиза, ингибировало разложение соединений. Оказалось,что насыщение обрабатывающих растворов полярными побочными продуктами нейтрализует активные участки молекул воды, эффективно снижая их реакционную способность. Этот вариант аналогичен низкому содержанию влаги. Разложение соединений возобновляется после экстрагирования кислот и пополнения пресной водой для продолжения разложения. Соленая вода, как предполагается, является еще более эффективной. 27 Предполагается, что ферментный гидролиз является основным механизмом разложения,используемым в предложенном способе обработки загрязненной почвы. Ферментная природа культуры увеличивает скорость разложения и снижает специфичность субстрата к обработке. Благодаря повышенным уровням энергии при гидролизе с ферментным катализом такие технологические приемы, как напуск (вдувание) воздуха и экстрагирование почвы паром (с вытеснением свежим воздухом) могут оказаться абсолютно ненужными. Несмотря на то, что при использовании способа согласно настоящему изобретению метаболические и ферментные процессы, как правило, происходят в анаэробной среде, хорошо известный ферментный аммиак и неприятные запахи, часто сопровождающие анаэробные процессы, сведены к минимуму. Это является особенно желательным для проведения компостирования на свалках, расположенных вблизи жилых районов. Желательно так же свести к минимуму неприятные запахи в производственных или промышленных зонах. Другие варианты в пределах данного изобретения очевидны из приведенных примеров,при этом предполагается, что настоящее описание иллюстрирует особенности изобретения,включенные в прилагаемую формулу. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ биологической переработки среды, содержащей углеводородные загрязнения,при котором: А. Осуществляют воздействие на углеводородные загрязнения указанной среды in-situ жизнеспособной культуры аэробных бактерий,полученной путем- смешивания массы бытовых твердых отходов с навозом и вторичным шламом сточных вод для образования компостной кучи биомассы, при этом указанные навоз и шлам сточных вод содержат достаточное количество влаги и природных бактерий, в том числе аэробных бактерий, для компостирования указанной массы;- выдерживания указанной компостной кучи для прохождения автотермальной реакции в течение начального периода времени, при этом длительность указанного начального периода определяется временем достижения указанной компостной кучей температуры примерно от 46 С (115F) до примерно 60 С (140F);- добавления к указанной компостной куче и распределения в ней щелочного материала для быстрого увеличения значения рН в указанной компостной куче, по меньшей мере, до 10;- выдерживания указанной компостной кучи для прохождения автотермальной реакции в течение второго периода времени, при этом длительность указанного второго периода определяется временем достижения указанной ком 000660- добавления питательных веществ, выбранных из группы, включающей неорганические соединения азота, фосфора, серы и калия, в указанную компостную кучу для поддержания непрерывности метаболических реакций в указанной компостной куче; и- выдерживания указанной компостной кучи для дальнейшего прохождения автотермальной реакции в течение третьего периода времени при добавлении воды в достаточном количестве для поддержания влажности в указанной куче на уровне примерно от 60 до примерно 82% в течение указанного третьего периода времени, при этом указанный третий период времени заканчивается после разложения указанной биомассы с образованием непатогенного компостного продукта;- проведения указанной реакции в течение указанного третьего периода времени в отсутствие механической аэрации компостной кучи или добавления газообразного кислорода в указанную компостную кучу с получением жизнеспособной культуры аэробных бактерий, которая может биологически перерабатывать хлорированные углеводороды и углеводороды с длинной цепью, включая парафин и асфальт, в присутствии питательных веществ и воды для биологической переработки указанных углеводородов путем гидролиза углеводородов с ферментным катализом; В. Обеспечивают присутствие достаточного количества питательных веществ и влаги для поддержания биологической переработки указанных углеводородов; С. Проводят гидролиз указанных углеводородных загрязнений с ферментным катализом;D. Периодически удаляют водный раствор,содержащий продукты биологической переработки, из места проведения процесса биологической переработки на месте; Е. Добавляют пресную воду в указанное место в количестве, примерно равном количеству, удаляемому на указанной выше стадии D;G. Последовательно повторяют указанную стадию D удаления водного раствора и указанную стадию Е добавления воды до достижения достаточной степени биологической переработки указанного участка. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанная среда является подповерхностным слоем почвы или указанная среда расположена в яме. 3. Система in-situ подземной биологической переработки горизонтального слоя грунта на участке (12), загрязненном органическим или углеводородным материалом, отличающаяся тем, что включает: А. По меньшей мере, две скважины (18,34) малого диаметра, проходящие вертикально 29 от поверхности (14) указанного участка (12) грунта до уровня, расположенного, по меньшей мере, непосредственно под указанным слоем(16) грунта, подлежащим биологической переработке; В. При этом каждая указанная скважина(18, 34) содержит наружную трубу (20, 36), в которой находится вертикально расположенный электрод (26, 42), проходящий до уровня указанного слоя (16); С. Источник (30) электропитания постоянного электрического тока;D. Средства (46) для подключения первого электрода (42), расположенного в первой из указанных скважин (34), к отрицательному полюсу указанного источника (30) электропитания; Е. Средства (32) для подключения второго электрода (26), расположенного во второй из указанных скважин (18), к положительному полюсу указанного источника (30) электропитания;F. При этом, по меньшей мере, наружная труба (36) одной указанной скважины (34) перфорирована на уровне указанного слоя (16);G. Средства (48, 50) для подачи в одну указанную скважину (34) достаточного количества водной смеси, содержащей бактерии, выполняющие биологическую переработку, для обеспечения протекания реакции биологической переработки; Н. При этом указанную реакцию биологической переработки стимулируют указанными электродами (26, 42), а на указанные электроды подают напряжение от указанного источникаI. Средства для активирования указанного источника (30) электропитания с целью создания электрического поля между указанными электродами (26, 42), при этом происходит указанная реакция биологической переработки,поддерживаемая водой, с продвижением из указанной первой скважины (34) в указанную вторую скважину (18) в пределах указанного слоя(16) для постепенной биологической переработки указанного слоя in-situ. 4. Система для in-situ подземной биологической переработки по п.3, отличающаяся тем,что, по меньшей мере, первый указанный электрод (42) в указанной первой скважине (34) представляет собой электропроводную трубку,которая имеет отверстия (44) на уровне указанного слоя (16), при этом, по меньшей мере, 000660 30 часть указанной водной смеси подают через указанную электропроводную трубку. 5. Система для in-situ подземной биологической переработки по п.3, отличающаяся тем,что несколько пар противоположно заряженных электродов (26, 42) располагают в нескольких соответствующих скважинах (18, 34) для пропускания указанных водных смесей через соответствующие различные части загрязненного слоя. 6. Система для in-situ подземной биологической переработки по п.3, отличающаяся тем,что содержит бак (48) на поверхности указанного участка для регулируемой подачи из него самотеком части указанной смеси в указанную первую скважину (34). 7. Способ in-situ подземной биологической переработки горизонтального слоя (16) на участке (12) грунта, загрязненного органическим или углеводородным материалом, отличающийся тем, что включает операции, в которых: А. Осуществляют введение смеси воды и бактерий, выполняющих биологическую переработку, в первый участок указанного слоя (16);B. Воздействуют на указанный слой (16) постоянным электрическим полем, имеющим положительный полюс и отрицательный полюс,при этом указанный положительный полюс находится в непосредственной близости от указанного первого участка указанного слоя; и С. Проводят реакцию биологической очистки в зоне реакции, расположенной в непосредственной близости от указанного первого участка, при этом влияние указанного электрического поля заставляет перемещаться указанную зону реакции через указанный слой (16) от указанного первого участка ко второму участку,находящемуся в непосредственной близости от указанного отрицательного полюса. 8. Способ in-situ подземной биологической переработки по п.7, отличающийся тем, что указанные бактерии, которые выполняют биологическую переработку, содержат жизнеспособную культуру аэробных бактерий, полученную способом по п.5, а указанная реакция биологической переработки протекает в основном за счет гидролиза с ферментным катализом материала,загрязненного органическими или углеводородными соединениями. 9. Способ in-situ подземной биологической переработки по п.8, отличающийся тем, что воду добавляют в указанный первый участок в период протекания указанной реакции биологической переработки.

МПК / Метки

МПК: C05F 1/00

Метки: способы, отходов, восстановления, биомассы, переработки, биологической, продукты

Код ссылки

<a href="http://easpatents.com/19-660-sposoby-i-produkty-vosstanovleniya-biomassy-i-biologicheskojj-pererabotki-othodov.html" rel="bookmark" title="База патентов Евразийского Союза">Способы и продукты восстановления биомассы и биологической переработки отходов</a>

Похожие патенты