Биотехнология и микробиология анаэробной переработки органических коммунальных отходов

Биотехнология и микробиология 
анаэробной переработки органических 
коммунальных отходов

Под общей редакцией А.Н. Ножевниковой

2020
Москва 
Университетская книга

А.Ю. Каллистова, М.В. Кевбрина, Ю.В. Литти,
А.Н. Ножевникова

УДК 
504.06+574+663.1

ББК 
579.66
Б63

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки

Российской Федерации, идентификационный номер RFMEFI60714Х0024

Рекомендовано к опубликованию Научно-техническим советом

Института микробиологии им. С.Н. Виноградского ФИЦ Биотехнологии РАН

Рецензенты:

В.И. Панфилов, и.о. проректора по науке и инновационной деятельности
Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, 

заведующий кафедрой биотехнологии, профессор, доктор технических наук, г. Москва;

И.А. Архипченко, ведущий научный сотрудник Всероссийского

научно-исследовательского института сельскохозяйственной микробиологии РАН, 

доктор биологических наук, профессор, г. Санкт-Петербург

Биотехнология и микробиология анаэробной переработки органических

коммунальных отходов: коллективная монография / общая ред. и составл. 
А.Н. Но жевниковой, А.Ю. Каллистова, Ю.В. Литти, М.В. Кевбрина; . – М.: 
Университетская книга, 2020. –  320 с., ил.

ISBN 978-5-98699-166-5
Рассмотрены микробиологические, биотехнологические, экологические и коммер
ческие аспекты анаэробной переработки органических коммунальных отходов (твердых бытовых отходов и осадков сточных вод) с получением энергоносителя биогаза. 
Проанализирован состав и способы утилизации ТБО в России. Особое внимание уделено разложению отходов на полигонах ТБО и экологическим проблемам, связанным
с этим способом утилизации. Описаны альтернативные способы переработки бытовых
отходов, в том числе экологически безопасные микробные биотехнологии. Изложены
фундаментальные основы анаэробного разложения органического вещества и функционирования метаногенных микробных сообществ, описаны группы микроорганизмов, 
участвующих в разложении органических отходов. Проведен анализ факторов, влияющих на микробную деградацию органической фракции ТБО, освещены различные
типы промышленных, пилотных и лабораторных биогазовых реакторов, преимущества
и недостатки систем анаэробной ферментации ОФ-ТБО. Обобщены данные о принципах анаэробной обработки первичного и вторичного осадков сточных вод (ОСВ). Проанализирован состав ОСВ, способы утилизации, факторы, влияющие на эффективность
микробной ферментации (сбраживания) ОСВ, проиллюстрированы особенности конструкции промышленных метантенков.

Для научных работников и специалистов, разрабатывающих технологии и системы

анаэробной переработки органических отходов. Может использоваться в учебном процессе при подготовке студентов и аспирантов в области прикладной микробиологии, а также современных биотехнологий и их применения для охраны окружающей среды. Представляет интерес для работников коммунальных служб и природоохранных организаций.

УДК 504.06+574+663.1
ББК 579.66

ISBN 978-5-98699-166-5 
© Ножевникова А.Н. (ред.), Каллистова А.Ю., Литти Ю.В., 

Кевбрина М.В., 2020

© Университетская книга, 2020

Б63

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ ..................................................................7
ПРЕДИСЛОВИЕ ................................................................................................10
ВВЕДЕНИЕ  .......................................................................................................13
Глава 1.  ПРОДУКЦИЯ, СОСТАВ И УТИЛИЗАЦИЯ ТВЕРДЫХ   
 
БЫТОВЫХ ОТХОДОВ (ТБО) В РОССИИ  ................................................20
 
1.1. Продукция и состав ТБО .......................................................................20
 
1.2. Утилизация ТБО .....................................................................................23
 
1.3. Организация полигонов ТБО .................................................................24
 
 
1.3.1. Общие сведения по организации полигонов ТБО ....................24
 
 
1.3.2. Полигоны ТБО Ростовской области  ..........................................26
 
 
1.3.3. Полигоны ТБО Московской области ..........................................30
 
 
1.3.4. Полигоны ТБО Ханты-Мансийского округа .............................34
 
1.4. Микробные процессы разложения органического вещества 
 
 
отходов на полигонах ТБО ....................................................................37
 
1.5. Влияние полигонов ТБО на окружающую среду ................................40
 
 
1.5.1. Эмиссия парниковых газов с поверхности полигонов 
 
 
 
ТБО................................................................................................40 
 
 
1.5.2. Снижение эмиссии метана аэробными метаноокисляющими
 
 
 
бактериями ...................................................................................44
 
 
1.5.3. Фильтрационные воды (личаты) полигонов ТБО .....................49

Глава 2. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ СПОСОБЫ УТИЛИЗАЦИИ ТБО ................52
 
2.1. Сепарация ТБО – необходимая ступень рациональной 
 
 
переработки ТБО ....................................................................................52
 
2.2. Термические методы переработки ТБО на мусоросжигательных 
 
 
заводах .....................................................................................................54
 
2.3. Биотехнологические методы переработки ТБО ..................................58
 
 
2.3.1. Общие сведения о биотехнологических методах 
 
 
 
переработки ТБО .........................................................................58
 
 
2.3.2. Вермикомпостирование и вермикультивирование ...................60
 
 
2.3.3. Компостирование .........................................................................64
 
 
2.3.4. Захоронение ОФ-ТБО на санитарных полигонах 
 
 
 
и полигонах-биореакторах ..........................................................72
 
 
2.3.5. Анаэробная ферментация (метановое сбраживание) 
 
 
 
в биореакторах .............................................................................76

Оглавление
4

Глава 3. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА 
 
АНАЭРОБНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА 
 
ОТХОДОВ ......................................................................................................81
 
3.1. Состав органических отходов ...............................................................81
 
3.2. Стадии анаэробного микробного разложения органического 
 
 
вещества в природных и антропогенных экосистемах.......................84
 
3.3. Основные группы микроорганизмов, участвующих в разложении 
 
 
органических отходов ............................................................................87
 
 
3.3.1. Гидролитические бактерии .........................................................88
 
 
3.3.2. Ферментативные бактерии  .........................................................97
 
 
3.3.3. Синтрофные (протон-восстанавливающие) бактерии ..............99
 
 
3.3.4. Гомоацетатные бактерии ...........................................................112
 
 
3.3.5. Метаногенные археи ..................................................................113

Глава 4. БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОЦЕССА 
 
АНАЭРОБНОЙ ФЕРМЕНТАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ .......130
 
4.1. Жидкофазная и твердофазная анаэробная ферментация 
 
 
органических отходов ..........................................................................130
 
4.2. Выход биогаза при разложении органических отходов ....................131
 
4.3. Нагрузка по органическому веществу (OLR) ....................................136
 
4.4. Время пребывания и процент распада беззольного вещества  ........139
 
4.5. Гидравлическое время пребывания (HRT) и время пребывания 
 
 
сухого вещества (SRT)  ........................................................................140
 
4.6. Общее содержание сухого вещества и размер частиц сырья ...........143
 
4.7. Температура ..........................................................................................144
 
4.8. Соотношение C/N .................................................................................146
 
4.9. Кислотность (рН) и щелочность среды ..............................................147
 
4.10. Ингибиторы процесса анаэробной ферментации ............................149
 
4.11. Микробное сообщество инокулята ...................................................155

Глава 5. КОММЕРЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ АНАЭРОБНОЙ 
 
ФЕРМЕНТАЦИИ ОРГАНИЧЕСКОЙ ФРАКЦИИ ТБО ...........................158
 
5.1. Системы анаэробной ферментации отходов ......................................158 
 
5.2. Анаэробные реакторы, работающие в непрерывном режиме ..........159
 
 
5.2.1. Одностадийные системы жидкофазной ферментации 
 
 
 
(single-stage wet systems) ...........................................................159
 
 
5.2.2. Одностадийные системы твердофазной ферментации 
 
 
 
(single-stage dry systems) ...........................................................161
 
 
5.2.3. Многостадийные реакторы (multi-stage digesters) ..................167
 
5.3. Анаэробные реакторы, работающие в периодическом режиме 
 
 
(batch digesters) .....................................................................................171

Оглавление
5

 
5.4. Преимущества и недостатки различных систем анаэробной 
 
 
ферментации .........................................................................................177
 
5.5. Заключение по принципам и методам обработки 
 
 
органической фракции ТБО ................................................................181

Глава 6. ПРОДУКЦИЯ, СОСТАВ И УТИЛИЗАЦИЯ ОСАДКОВ 
 
СТОЧНЫХ ВОД (ОСВ) В РОССИИ .........................................................182
 
6.1. Продукция ОСВ ....................................................................................182
 
 
6.1.1. Количество и состав ОСВ .........................................................182
 
 
6.1.2. Канализационные очистные сооружения Новочеркасска 
 
 
 
и Ростова-на-Дону .....................................................................183
 
 
6.1.3. Очистные сооружения Москвы  ...............................................187
 
 
6.1.4. Канализационно-очистные сооружения 
 
 
 
Ханты-Мансийска ......................................................................199
 
6.2. Состав ОСВ ...........................................................................................202
 
6.3. Утилизация ОСВ...................................................................................208
 
 
6.3.1. Общая характеристика методов обработки 
 
 
 
и утилизации ОСВ .....................................................................208
 
 
6.3.2. Методы обезвоживания ОСВ ....................................................210
 
 
6.3.3. Уплотнение ОСВ на иловых площадках 
 
 
 
и компостирование ....................................................................212
 
 
6.3.4. Термические методы утилизации ОСВ ....................................214
 
 
6.3.5. Анаэробная ферментация (сбраживание) ОСВ .......................216

Глава 7. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ 
 
АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ (ФЕРМЕНТАЦИИ) ОСВ  ..............218
 
7.1. Специфические характеристики осадков ...........................................218
 
7.2. Время пребывания сухого вещества (SRT) и гидравлическое 
 
 
время пребывания (HRT) .....................................................................219
 
7.3. Перемешивание сырья .........................................................................222
 
7.4. Влияние света в видимом диапазоне волн .........................................223
 
7.5. Ингибирование .....................................................................................224

Глава 8. ТЕХНОЛОГИИ АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ ОСВ ...........226
 
8.1. Низкоинтенсивное (без подогрева и перемешивания) 
 
 
сбраживание ОСВ ................................................................................226
 
8.2. Высокоинтенсивное сбраживание ОСВ .............................................227
 
8.3. Сбраживание (высоко)уплотненных осадков ....................................229
 
8.4. Мезофильное и термофильное сбраживание ОСВ ............................236
 
8.5. Двухступенчатое сбраживание ОСВ ...................................................238
 
8.6. Двухстадийное сбраживание ОСВ ......................................................239
 
8.7. Методы предобработки осадка ............................................................241

Оглавление
6

 
8.8. Биодеградабельность полимерных флокулянтов и их влияние 
 
 
на процесс сбраживания ОСВ ............................................................245

Глава 9. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПРОМЫШЛЕННЫХ
  АНАЭРОБНЫХ РЕАКТОРОВ ДЛЯ СБРАЖИВАНИЯ ОСВ ..................250 
9.1. Конструктивные особенности реакторов высокоинтенсивного 
 
 
сбраживания ОСВ ................................................................................250
 
9.2. Форма корпуса ......................................................................................250
 
9.3. Крыша реактора ....................................................................................253
 
9.4. Перемешивание осадка ........................................................................255
 
9.5. Система подогрева ................................................................................257
 
9.6. Пуск промышленного реактора ...........................................................259
 
9.7. Оптимизация параметров работы эксплуатируемых 
 
 
метантенков ..........................................................................................263
 
9.8. Методы контроля и стабилизации метанового 
 
 
сбраживания ОСВ ................................................................................266

Глава 10. СОВМЕСТНОЕ СБРАЖИВАНИЕ ОСВ И ОФ-ТБО ....................273
 
10.1. Совместное сбраживание ОСВ и ОФ-ТБО в лабораторных 
 
 
реакторах ...............................................................................................273
 
10.2. Совместное сбраживание ОСВ и ОФ-ТБО в промышленных 
 
 
реакторах ...............................................................................................285
 
10.3. Сравнительный анализ и заключение по методу совместного 
 
 
сбраживания ОСВ и ОФ-ТБО .............................................................287

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Экономический аспект развития и внедрения 
 
новых технологий переработки городских органических отходов  ........290

ЛИТЕРАТУРА .........................................................................................................

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 

АО – акционерное общество;
асм – абсолютно сухая масса; 
АТФ – аденозинтрифосфат;
АЭС – атомная электростанция;
БВ – беззольное (органическое) вещество;
БПК – биологическое потребление кислорода; 
БПК5 – биологическое потребление кислорода за 5 сут;
БУБЭ – блок удаления биогенных элементов;
ГОСТ – государственный стандарт;
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота;
ДЦЖК – длинноцепочечные жирные кислоты;
ЕС – Евросоюз;
Исх. – исходное;
ИТЦ – Инженерно-Технологический Центр; 
КОС – Курьяновские очистные сооружения;
КРС – крупный рогатый скот; 
ЛЖК – летучие жирные кислоты;
ЛОС – Люберецкие очистные сооружения; 
МКАД – Московская кольцевая автомобильная дорога;
МПБО – механизированная переработка ТБО;
МПР – метод предельных разведений; 
МСЗ – мусоросжигательный завод;
н.д. – нет данных;
НЛОС – Новолюберецкие очистные сооружения;
НКОС – Новокурьяновские очистные сооружения;
об. % – объемные проценты;
ОВ – органическое вещество; 
ОВП – окислительно-восстановительный потенциал;
ок. – около;
ОСВ – осадки сточных вод; 
ОФ – органическая фракция;
ОФ-ТБО – органическая фракция твердых бытовых отходов;
ПДК – предельно допустимые концентрации; 
ПЦР – полимеразная цепная реакция; 
РНК – рибонуклеиновая кислота;
РФ – Российская Федерация; 

Обозначения и сокращения 
8

СанПин – санитарные правила и нормы;
СВ – сухое вещество;
СРБ – сульфатредуцирующие бактерии;
США – Соединенные Штаты Америки;
ТБО – твердые бытовые отходы;
ТиНАО – Троицкий и Новомосковский административные округа;
ТМ – тяжелые металлы;
ТУ – технические условия;
ТЭС – теплоэлектростанция; 
УФ – ультрафиолет;
Фл – флокулянт;
ХПК – химическое потребление кислорода; 
ЭДТА – этилендиаминтетрауксусная кислота.
AhaA-IK – А1А0-АТФ-синтаза;
ARDRA – amplifi ed ribosomal DNA restriction analysis – метод рестрикционного анализа амплифицированной рибосомной ДНК; 
ASBR – anaerobic sequencing batch reactor – анаэробный последовательнопериодический реактор;
CARD-FISH – catalyzed reporter deposition-fl uorescence in situ hybridization – флуоресцентная in situ гибридизация с внедрением катализируемых переносчиков;
CoM-SH – кофермент М;
CoB-SH – кофермент В;
CSTR – continuously stirred tank reactor – непрерывно перемешиваемый 
реактор, реактор полного смешения;
CFSTR – continuous-fl ow stirred-tank reactor – реактор полного смешения; 
DGGE – denaturing gradient gel electrophoresis – денатурирующий градиентный гель электрофорез; 
EGSB – anaerobic expanded granular sludge bed – реактор с расширенным 
слоем гранулированного ила; 
ESR – extended solids retention – продленное пребывание сухого вещества;
FISH – fl uorescence in situ hybridization – флуоресцентная in situ гибридизация; 
Fpo – F420: метанофеназиноксидоредуктаза;
HdrABC – гетеродисульфидредуктаза;
HRT – hydraulic retention time – гидравлическое время пребывания; 
I50 – концентрация полумаксимального ингибирования – количественный индикатор, показывающий, сколько нужно ингибитора для подавления биологического процесса на 50 %;

Обозначения и сокращения 
9

IPCC – The Intergovernmental Panel on Climate Change – Межправительственная группа экспертов по изменению климата, http://www.ipcc.
ch/home_languages_main_russian.shtml;
ISR – inoculum to substrate ratio – соотношение количества инокулята к 
количеству субстрата; 
LB-реакторы – LB (batch leach bed) reactor – реактор со слоем выщелачивания;
Min. – минимальное значение;
Max. – максимальное значение;
MAR-FISH – microautoradiography-fl uorescence in situ hybridization – последовательное проведение процедур микроавторадиографии и флуоресцентной in situ гибридизации; 
MPN – most probable number – наиболее вероятная численность культивируемых представителей;
Mtr – метилтетрагидрометаноптерин: кофермент М-метилтрансферазный 
комплекс;
MtrA-H – метилтрансфераза;
MvhADG – [NiFe]-гидрогеназа; 
OLR – organic loading rate – нагрузка по органическому веществу; 
рН – pondus hydrogenii (лат.), или potentia hydrogenii (лат.), или potential 
hydrogen (англ.) – водородный показатель, количественно выражающий кислотность раствора;
ppm – partes prо million – концентрация газов, 10-6 по объему, 1 % = 10000 ppm; 
qPCR – quantitative PCR – количественная ПЦР;
RT-PCR – real-time PCR – ПЦР в реальном времени; 
semi-CSTR – semi-continuously stirred tank reactor – реактор с полунепрерывным перемешиванием;
SRT – solids retention time – время пребывания сухого вещества;
SSCP – single strand conformation polymorphism – метод анализа конформационного полиморфизма однонитиевой ДНК;
T-RFLP – terminal restriction fragment length polymorphism – метод оценки полиморфизма длин терминальных рестрикционных фрагментов;
UAF – up-fl ow anaerobic fi lter reactor – анаэробный реактор с восходящим 
потоком сточной воды через фильтр; 
UASB – up-fl ow anaerobic sludge blanket reactor – реактор с восходящим 
потоком сточной воды через слой анаэробного ила;
UNEP – United Nations Environment Programme – Программа Организации Объединенных Наций по окружающей среде, http://www.unep.
org/russian/