система перемешивание

VIVOS VOCO: В.А. Вавилин система перемешивание др., «Свалка как возбудимая среда» № 5, 2003 г. © В.А. Вавилин, Л.Я. Локшина, А.Н. Ножевникова, С.В. Калюжный Свалка как возбудимая среда В.А. Вавилин, Л.Я. Локшина, А.Н. Ножевникова, С.В. Калюжный Василий Александрович Вавилин, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института водных проблем РАН. Людмила Яковлевна Локшина, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник того же института. Алла Николаевна Ножевникова, доктор биологических наук, заведующая лабораторией Института микробиологии РАН. Сергей Владимирович Калюжный, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник кафедры энзимологии химического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова. С давних времен твердые бытовые отходы, основную массу которых (от 45 до 80%) составляют органические вещества, традиционно захоранивают на городских свалках - специально отведенных местах, в оврагах или карьерах. Спонтанно сформированное на свалках микробное сообщество медленно разлагает органические вещества. При этом образуется биогаз (смесь метана система перемешивание CO2), загрязняющий приземный воздух система перемешивание атмосферу [1]. За 30-50 лет утилизируется примерно 30% захороненной органики, остальная часть продолжает разлагаться с уменьшающейся скоростью в течение последующих десятилетий и, вероятно, столетий. Мусорные залежи в то же время служат источником выщелачивающей жидкости (фильтрата), количество система перемешивание состав которой определяется влажностью, размерами система перемешивание типом бытовых отходов, система перемешивание также состоянием верхнего покрывающего слоя. В свою очередь эти характеристики зависят от дождевых и талых вод, просачивающихся через свалочную толщу. Таким образом, свалки - источник загрязнения поверхностных система перемешивание подземных вод система перемешивание дополнительного поступления метана в атмосферу, повышенное содержание которого может способствовать глобальному потеплению климата [2]. Именно поэтому в ряде индустриально развитых стран, прежде всего в США, бытовые отходы складируют на специально подготовленных полигонах; дно выстилается изолирующим материалом, система перемешивание сами отходы, возвышающиеся после заполнения свалки на 30-50 м, сверху закрываются изолирующим материалом. Получается своего рода саркофаг, в котором твердые бытовые отходы могут разлагаться в течение столетий. Все это время необходим постоянный мониторинг за его состоянием, сбор система перемешивание утилизация биогаза, очистка выходящего фильтрата от загрязнений и пр. Сегодня в городах России за год на человека накапливается 250-300 кг бытовых отходов. Ежегодно Москва платит за вывоз мусора более 2 млрд руб., а в ближайшее время из-за необходимости вывозить мусор на значительные расстояния эта сумма будет увеличиваться. Есть ли альтернатива традиционным городским свалкам? Около 30 лет назад в США была предложена новая технология захоронения бытовых отходов: создание громадных биореакторов, в которых дно система перемешивание стенки изолированы от окружающего грунта, система перемешивание верхний перекрывающий герметичный слой предотвращает эмиссию биогаза (его собирают с помощью системы перфорированных труб система перемешивание используют как топливо). За счет рециркуляции фильтрата в толще свалки повышается влажность, что значительно ускоряет деградацию отходов. Таким образом, достаточно быстро (лет через 10) территорию свалки можно использовать для новых захоронений. В европейских странах, где дефицит свободной территории очень велик, цена на энергию высока, система перемешивание экологические стандарты строги, уже приняты законы по значительному сокращению система перемешивание предотвращению поступления органических отходов на свалки. Их собирают раздельно или тщательно сортируют на фракции (металл, стекло, пластик, текстиль, бумага, пищевые система перемешивание садовые отходы), которые соответствующе обрабатывают. При этом органические вещества используют как сырье для получения удобрений (компоста) система перемешивание дополнительной энергии, образующейся после анаэробной трансформации: органическое вещество ® биогаз ® электричество. Органические отходы помещают в компактные биотехнологичные установки: в снабжаемые кислородом компостеры или в анаэробные реакторы. Там образуется активная биохимическая среда, позволяющая ускорить процесс деградации во много раз. В Германии уже построены около 2 тыс. биогазовых установок различной мощности, в которых одновременно разлагаются органические отходы система перемешивание биомасса специально выращиваемых растений. Так на практике осуществляется переход к возобновляемым источникам энергии. Экосистема свалки Свалка - это сложная система перемешивание уникальная экосистема, которая формируется в результате постепенного просачивания атмосферных осадков система перемешивание развития микроорганизмов, привнесенных с отходами система перемешивание проникающих из окружающего грунта система перемешивание почвы. Гетерогенность твердых отходов создает большую неоднородность система перемешивание концентрацию промежуточных органических веществ. Специальные исследования московских свалок с использованием геофизических, изотопных система перемешивание микробиологических методов показали, что выброс биогаза в атмосферу в различных точках крайне нерегулярен [3]. Неразложившиеся отходы находят на свалках спустя несколько десятилетий после захоронения. В чем же причина? Биохимические превращения органики определяются наличием или отсутствием кислорода. В аэробных условиях она достаточно быстро окисляется аэробными микроорганизмами, образуя диоксид углерода система перемешивание накапливая микробную биомассу. Такие условия существуют продолжительное время лишь в самом верхнем слое свалки. В ее толще после быстрого исчерпания кислорода начинается более медленная деструкция органических веществ с участием анаэробных микроорганизмов. В итоге образуется активная (возбудимая) биохимическая среда. Механизмы анаэробного распада органических веществ изучались на экосистемах анаэробных реакторов, донных отложений система перемешивание почв. Условия свалки хорошо имитируются в лабораторных цилиндрических лизиметрах [4]. Распад биополимеров (углеводов, белков система перемешивание жиров) начинается с гидролиза, который осуществляют микроорганизмы, имеющие специальные ферменты - гидролазы. Их размножению и распространению по поверхности твердого субстрата способствует вода. Продукты этой реакции потребляются гидролитиками система перемешивание другими кислотогенными микроорганизмами, в результате чего образуются летучие жирные кислоты (уксусная, пропионовая, масляная), система перемешивание также водород. Фаза, условно объединяющая гидролиз и кислотогенез, называется кислотогенной. При накоплении жирных кислот понижается pH среды, система перемешивание при pH < 6.0 конечная метаногенная фаза подавляется. Исследования образцов, взятых из свалок, показали, что быстрее всего метан образуется в нейтральной или слабо щелочной среде, система перемешивание в кислой, напротив, медленнее. Если кислотогенная система перемешивание метаногенная фазы не сбалансированы, в фильтрате накапливаются растворенные жирные кислоты. При этом блокируется не только метаногенез, но система перемешивание гидролиз. Тем не менее система перемешивание при низких значениях pH в некоторых местах свалки, где есть ниши для соответствующих микробов, метан выделяется. Математические модели анаэробных систем, как правило, предполагали полное перемешивание в реакционном пространстве [5]. Лишь недавно были построены первые распределенные модели анаэробных процессов [6, 7]. Современная свалка должна формироваться как биореактор, что потребует и создания ее современной математической модели. Для этого необходимо учитывать сложные физические, химические система перемешивание биологические процессы, протекающие в трехмерной толще свалки. Атмосферные осадки, поступающие на поверхность, медленно просачиваются сквозь толщу свалки. Количество выходящего из нижнего слоя фильтрата, достаточное для его рециркуляции, может накопиться лишь через несколько лет. Через верхнюю границу в толщу свалки поступает кислород, а из нее выходит биогаз. Схема разложения органического вещества твердых бытовых отходов на свалке: движение воды, так же, как система перемешивание диффузия кислорода в толщу свалки, определяет характер биохимических процессов. Достаточная влажность способствует доступности органических веществ, система перемешивание прежде всего летучих жирных кислот (ЛЖК) как субстрата для микроорганизмов, система перемешивание их распространению в пространстве. Некоторые из процессов - взаимозависимы. Например, в пористой среде гидравлическая проводимость уменьшается в ходе биохимического разложения бытовых отходов и последующего их уплотнения. Тепло, образующееся особенно при аэробных процессах, ускоряет биохимические реакции, приводя к еще большему тепловыделению. Первые шаги в создании распределенной модели свалки уже сделаны в Институте водных проблем РАН. Математическая модель, представленная в виде системы нелинейных уравнений в частных производных, численно решалась с использованием современных математических пакетов (МАТЛАБ система перемешивание ФЕМЛАБ). В ней рассматривался и такой процесс, как микробиологическое окисление метана в аэробной зоне. Автокатализ система перемешивание химические волны В сосредоточенных химических системах диффузией вещества обычно пренебрегают (ее считают более быстрой, чем химический процесс, идущий во всех точках объема реактора синхронно), система перемешивание математическая модель записывается обыкновенными дифференциальными уравнениями. В распределенных химических системах диффузия становится значимой система перемешивание реакция идет не синхронно по объему. Тогда в математической модели необходимо рассматривать динамические переменные как функции не только времени, но система перемешивание пространства. Для некоторых химических система перемешивание биологических систем характерна возбудимость. Если система находится в состоянии "покоя", то небольшое возмущение может вызвать быстро нарастающие изменения, система перемешивание через некоторое время система окажется возбужденной. В таком состоянии происходит аналогичное возбуждение в соседних точках, тем самым, идет волновой процесс. Известно, что автокаталитические химические реакции могут распространяться в пространстве со скоростью, значительно превышающей диффузию. Реакция, начавшаяся в одной точке, подобно пламени, быстро захватывает весь объем. Упрощенная кинетическая схема трансформации твердых отходов в метан: чрезмерное накопление летучих жирных кислот останавливает и метаногенез, система перемешивание гидролиз. При достаточно низкой концентрации метаногенных микроорганизмов сбалансированы обе стадии. Движение волны химической активности, как система перемешивание расширение ареала нового вида, не раз описывалось в литературе [8]. Автокатализ (самоускорение), как система перемешивание волновые процессы, характерен для многих динамических систем. Распространение эпидемий, религиозных учений система перемешивание моды лишь некоторые примеры подобных процессов. Продвижению фронта химической волны способствуют система перемешивание диффузия, система перемешивание размножение активных частиц. Именно оно лежит в основе химического автокатализа. Бегущая волна по мере движения переводит реакционную смесь из одного стационарного состояния в другое. Мы изучали пространственное распространение автокаталитической химической реакции в тонком слое раствора [9]. Она сопровождалась задержкой (лаг-фазой), в конце которой в определенных точках возникали очаги с высокой концентрацией активных частиц. Тщательная очистка реагентов не меняла динамику системы, что позволило допустить флуктуационный механизм появления очагов. Очаг реакции можно создать искусственно в конкретном месте пространства, добавляя вещество, связывающее ингибитор реакции. Интенсивное перемешивание раствора, выравнивающее градиенты концентраций, значительно увеличило продолжительность задержки. После накопления критической массы активных частиц процесс ускорялся при встряхивании реакционной смеси. Оказалось, что изначально реакцию можно провести за короткое время, начиная перемешивание системы после того, как объем очагов будет достаточен. Разбросав их по пространству, можно поджечь весь объем. Нетрудно продолжить эту аналогию и на упомянутые выше активные динамические системы. Волна биохимической активности В деградации твердых бытовых отходов на свалках необходимо выделить два ключевых процесса: гидролиз система перемешивание метаногенез. В ходе гидролиза система перемешивание последующего кислотогенеза появляются промежуточные продукты, летучие жирные кислоты (ЛЖК), которые в дальнейшем превращаются в биогаз (метан система перемешивание диоксид углерода). Для такой трансформации оба процесса должны быть сбалансированы [10]. Высокая концентрация жирных кислот останавливает система перемешивание метаногенез (ингибирование субстратом), система перемешивание гидролиз (ингибирование продуктом). Если количество метаногенов достаточно, текущая концентрация жирных кислот невысока, бытовые отходы эффективно превращаются в метан [6]. Ингибирующая метаногенез концентрация жирных кислот составляет 1-6 г/л, система перемешивание кислотогенез - 10-30 г/л. Таким образом, если замедлен гидролиз, то система перемешивание последующая стадия тем более заторможена. При дефиците влаги высокие концентрации растворенных жирных кислот (~30 г/л) могут длительное время сохраняться в толще свалки. Тогда и начальный (гидролиз), система перемешивание конечный (метаногенез) этапы деградации органики заблокированы. Лишь разделение этих процессов в пространстве приводит к тому, что при высокой текущей концентрации жирных кислот кислотогенная и метаногенная стадии могут проходить одновременно [9]. Образующиеся в зоне гидролиза летучие жирные кислоты путем диффузии или адвекции доставляются в активную метаногенную зону. Для экспансии метаногенной зоны (распространения биохимической волны), способствующей эффективному разложению органики, жирные кислоты должны не накапливаться, система перемешивание усваиваться метаногенной популяцией [10]. Иначе будет подавлен метаногенез, а далее система перемешивание гидролиз, т.е. весь процесс превращения органических веществ в метан. Относительная скорость гидролиза система перемешивание метаногенеза в зависимости от концентрации летучих жирных кислот. Ингибирующая концентрация ЛЖК для гидролиза значительно выше, чем для метаногенеза. Естественно предположить, что в гетерогенной толще свалки "выживает" лишь часть очагов метаногенеза. Чрезмерная диффузия жирных кислот в его начальные очаги, где концентрация микробов еще невысока, подавляет их развитие. В то же время в ходе усвоения жирных кислот метаногенная популяция увеличивается, и уже через некоторое время та же диффузия будет способствовать образованию метана. Недавно Р.Струт система перемешивание др. экспериментально показали, что задержка эффективного перемешивания ускоряет разложение твердых бытовых отходов [11]. Среди технических приемов, влияющих на общую скорость деградации органического вещества система перемешивание его превращения в метан, наиболее значимы рециркуляция фильтрата и изначальное введение активных метаногенов. Как показала одномерная распределенная модель биореактора, разложение твердых бытовых отходов система перемешивание выделение метана ускоряются, если во всем реакторе поддерживается нейтральная среда [12]. По рекомендациям Д.Рейнхарт система перемешивание Т.Таунсенд, рециркуляция фильтрата в действующих свалках должна вводиться медленно [13]. Согласно распределенной модели, такая эксплуатация свалки способствует сохранению активных очагов метаногенеза. Предварительное пространственное разделение твердых бытовых отходов система перемешивание метаногенной биомассы позволяет исключить ингибирующее влияние летучих жирных кислот система перемешивание стимулировать превращение органики в метан. К такому же эффекту должно приводить система перемешивание отсутствие принудительного усреднения реакционного пространства в начальный период разложения отходов. Подача кислорода в толщу свалки (сравнительно новый технический прием) способствует быстрому окислению жирных кислот система перемешивание повышению температуры среды. При этом уменьшается ингибирующая концентрация жирных кислот, что в дальнейшем ускоряет деградацию всех твердых органических веществ [14]. Характерные зоны реакционного пространства при разложении бытовых отходов. Популяция метаногенных микроорганизмов удалена от зоны с высокой концентрацией летучих жирных кислот. Диффузия ЛЖК может расширить зоны активного метаногенеза в случае роста инициирующей популяции микроорганизмов. Развитие процесса разложения твердых отходов согласно двумерной математической модели при пятипиковом начальном распределении биомассы в круге. Лишь центральный относительно большой пик биомассы распространяется из центра круга. Дефицит органического вещества система перемешивание отмирание микроорганизмов со временем вызывают падение их концентрации в центре. Диффузия летучих жирных кислот, ингибирующих рост метаногенов, быстро приводит к исчезновению периферийных пиков биомассы. Таким образом, создание соответствующих распределенных математических моделей позволило понять, что свалка ведет себя как активная система, которой можно управлять, поддерживая ее возбужденное состояние Исследования по развитию эффективных методов предотвращения загрязнения воды система перемешивание эмиссии метана на свалках бытового мусора проводятся при финансовой поддержке Европейского Сообщества. Программа "Коперникус-2". Грант ICA-2-CT-2001-1001. Л.Я.Локшина получила поддержку Фонда содействия отечественной науки (грант для талантливых молодых ученых). Литература 1. Ножевникова А.Н. Мусорные залежи - метановые бомбы планеты // Природа. 1995. №6. С.25-34. 2. Заварзин Г.А., Кларк У. Биосфера система перемешивание климат глазами биологов // Природа. 1987. №6. С.65-72. 3. Nozhevnikova A.N., Lifshits A.B., Lebedev V.S. et al. // Chemosphere. 1993. V.16. P.401-417. 4. Barlaz M.A., Ham R.K., Schaefer D.M. // Crit. Rev. Environ.Control. 1990. V.19. P.557-584. 5. Batstone D.J., Keller J., Angelidaki I. et al. // Anaerobic Digestion Model. 2002. №1. IWA Publishing. London. 6. Вавилин В.А., Щелканов М.Ю., Локшина Л.Я. // Вод. ресурсы. 2001. Т.28. С.756-762. 7. Колебания система перемешивание бегущие волны в химических системах. Филд Р. / Под ред. М.Бургера. М., 1988. 8. Вавилин В.А., Заикин А.Н. // Кинетика система перемешивание катализ. 1971. Т.12. С.309-313. 9. Brumeler E. ten // Water Science and Technology. 2001. V.40(3). P.299-304. 10. Vavilin V.A., Shchelkanov M.Yu., Rytov S.V. // Water Research. 2002. V.36. P.2405-2409. 11. Stroot P.G., McMahon K.D., Mackie R.I. et al. // Water Research. 2001. V.35. P.1804-1816. 12. Vavilin V.A., Rytov S.V., Lokshina L.Ya. et al. // Biotechnology and Bioengineering. 2003. V.81. P.66-73. 13. Reinhart D.R., Townsend T.G. Landfill Bioreactor Design and Operation. Boca Raton FL. Lewis Publisher. 14. Lokshina L.Ya., Vavilin V.A., Kettunen R.H. et al. // Water Research. 2001. V.35. P.2913-2922. Апрель 2003 разделы гостинницы спб слимент лифт билет балет красный площадь гум корпоративный иностранный корпоративный иностранный корпоративный иностранный корпоративный иностранный корпоративный иностранный корпоративный иностранный корпоративный иностранный корпоративный иностранный шапка доставка мигрень градирня вентиляторные грд градирня вентиляторные грд градирня вентиляторные грд градирня вентиляторные грд градирня вентиляторные грд градирня вентиляторные грд градирня вентиляторные грд градирня вентиляторные грд градирня вентиляторные грд ножной пластырь ножной пластырь ножной пластырь ножной пластырь ножной пластырь ножной пластырь ножной пластырь ножной пластырь ножной пластырь ножной пластырь ножной пластырь ножной пластырь корпоративный хранилище данный спирли прайс зеркало доставка канцелярия телефонный обзвон золотник 264-27-00 домашний очаг здоровье braas мусорный пакет бахила производитель поставка холодильный камера ваза 21102 nokia 6021 купить nokia 6021 купить nokia 6021 купить концентрирование кислорода портативный радиостанция факсимиле кпк опт брэнд домашний очаг здоровье антенна акустомагнитные книга кремль электрокамин dimplex model magic (sp8) ичп пбоюл слименд лифт отпуск конец три цвета: синий авиатакси кпк опт вымпел sony ericsson k790i купить рак пищевод рак пищевод кулер регулируемый touch screen ariston опт ariston опт ariston опт ariston опт ariston опт ariston опт southpark корвет-телеком кострома риелтор три цвета: синий лакокраска северный корона персонализация карта купить электроэнцефалограф дмитрий шумок генерация кислорода нужный билет нестандартный коробка шампанский заказ qtek покраска аэротенк укв радиосвязь купить tomb raider витрина подогреваемый бензопила импортный peg perego venezia бордюр танго кэш восстановление потенция промышленый альпинизм электросчетчик сэт время архангельск система перемешивание