Разработка научных основ технологии утилизации пищевых отходов методом анаэробного сбраживания

Рост потребления населением, особенно в крупных городах России, приводит к увеличению объемов образования коммунальнобытовых отходов. Существующая система управления отходами в России, ориентированная преимущественно на их захоронение, является несовершенной, ведет к загрязнению окружающего воздуха, грунтовых вод и, как следствие, снижению качества жизни, не согласуется с принципами устойчивого развития экономики и требует коренной модернизации. Отходы, при их бесконтрольном размещении на свалках, негативно воздействуют на окружающую среду, являясь источником поступления вредных химических и биологических веществ в грунтовые и поверхностные воды , атмосф ерный воздух и почву, создавая определенную угрозу здоровью и жизни населения. Поэтому предотвращение попадания вредных веществ из отходов во внешнюю среду является важнейшей задачей экологической безопасности при обращении с коммунальнобытовыми отходами (КБО).

Актуальность проблемы утилизации (переработки) КБО, в частности пищевых отходов, вызвана целым рядом причин, к которым относятся:

• -    ухудшение экологической обстановки и здоровья населения, связанное с выбросом в атмосферу газов, являющихся продуктом разложения отходов, загрязнением водных источников, уничтожением плодородного слоя почв;

Жучков А.В., Рязанов А.Н., 2013

• -    образование санкционированных и несанкционированных свалок с нарушением экологических и санитарных правил, и норм;

• -    увеличение объема производимых отходов, многообразие видов отходов, сложность и непостоянство их состава;

• -    потеря содержащихся в отходах ресурсов, которые возможно использовать вторично;

• -    отчуждение под свалки и полигоны значительных земельных площадей.

Мусорные свалки как самый простой путь складирования отходов в крупных городах являются потенциальным источником биологического и химического загрязнения окружающей среды, ведут к деградации почв [1-3].

Биотехнологические методы являются на сегодняшний день одними из наиболее перспективных и эффективных способов переработки отходов и их обезвреживания [4]. Внедрение в городское хозяйство технологии би -одеградации позволит решить множество экологических и энергетических проблем. Преимуществами данного метода является экологическая чистота, так как конечными продуктами являются активный ил (хорошее удобрение), биогаз (энергоноситель) и вода.

Целью научно-исследовательской работы было создание научно-технического задела в области экономически приемлемых и безопасных технологий обращения с коммунально-бытовыми отходами, обеспечивающих сокращение объемов их поступления для полигонного захоронения и снижение загрязнения окружающей среды с соблюдением социально- экологических и санитарно-гигиенических норм, разработка комплексов по утилизации коммунально-бытовых отходов с получением газа.

Коммунально-бытовые отходы образуются в жилом секторе, в предприятиях торговли, административных зданиях, учреждениях, конторах, дошкольных и учебных заведениях, культурно-спортивных учреждениях, железнодорожных и автовокзалах. Средняя норма сбора пищевых отходов у населения составляет 30 кг/чел. в год [4]. Состав и накопление пищевых отходов, собираемых у населения, изменяются по сезонам года. Ориентировочный состав пищевых отходов, %, приведен ниже:

Отходы:

• -    овощные ........……9-15

• -    картофель и его очистки . . …60-65

• -    фруктовые ...........…… 5-8

• -    мясные ......................2,3-2,7

• -    рыбные ................…. . .1,8-2,5

• -    хлеб и хлебопродукты . . . …… 1,6

• -    молочные и сырные отходы . . …… 0,4

• -    кости ....................… 3,4-4,1

• -    яичная скорлупа ....……0,4

• -    посторонние примеси . . …4-12

• -    прочие отходы ........…… 2,7

Как следует из приведенных данных, пищевые отходы вместе с кормовой частью содержат до 12 % балластных примесей (стекло, резину, металлы, бумагу разных сортов и др.).

Химический состав пищевых отходов

(% общей массы) составляет:

• -    влага общая ........……..... 71,8-85

• -    сухое вещество .........……. 15-28,2

В том числе:

• -    протеин ............…….....1,7-4,4

• -    жир ................…….... 0,4-1,6

• -    безазотистые

экстрактивные вещества . ….. 11,4-15,5

• -    клетчатка .......………… .......1-3

• -    зола ................…….... 1,8-2,4

На основании вышеизложенного нами предлагается провести разработку способа переработки указанных пищевых отходов методом анаэробного сбраживания на установках небольшой производительности, которые могли бы располагаться вблизи источников образования или временного накопления отходов и производить утилизацию (переработку), реализуя не только экологическую функцию, но и образуя полезную вторичную продукцию.

С целью биодеструкции сырья такого состава наиболее целесообразно использовать подобранный консорциум микроорганизмов состоящий из бактерий Bacillus subtitles, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas facilis,

Erwinia amylovora, Arthrobacter sp., Methano-sarcina barken, Methanococcus mazei, Meth-anobacterium cariacimarisnigri, Methano-spirillum hungatei . Дополнительно вводили Cellulomonas effusa . Данный консорциум позволит проводить биодеструкцию сырья с получением биогаза.

Предлагаемый нами способ сбора и утилизации пищевых отходов методом анаэробного сбраживания базируется на адаптации сырьевых комплексов к технологическим условиям переработки анаэробными бактериями, при этом подбор рецептур и технологических параметров обеспечивает наибольшую эффективность процесса биосинтеза.

Главным преимуществом предлагаемой технологии является возможность утилизации пищевых отходов сложного морфологического и непостоянного состава и получение на выходе экологически безопасных продуктов.

Экспериментальная установка (рисунок 1) предназначена для получения биотоплива из органических отходов методом анаэробного сбраживания. Установка обеспечивает утилизацию отходов кормовых производств и пищевых отходов, снижение уровня загрязнения окружающей среды и повышение степени экологической безопасности.

Реактор 1 представляет собой аппарат с рубашкой и винтовым перемешивающим устройством. Обогрев осуществляется теплоносителем, подающимся в рубашку аппарата. Питающий трубопровод оборудован загрузочной воронкой 4, шаровым краном и заглублен ниже уровня жидкости в реакторе. Отвод переработанной массы сырья (биошлама) осуществляется посредством шнекового выгрузного устройства. Аппарат оборудован штуцером для установки манометра.

В качестве хранилища газа используется мокрый газгольдер 2 низкого давления колокольного типа, конструктивно выполненный разъемным и имеющий верхнюю и нижнюю царги. В нижней части находится крестовина, на которую опирается колонна . Во внутренней полости колокола находятся два патрубка соответственно для ввода газовой среды.

Газгольдер оборудован показывающим манометром для визуального контроля давления и датчиками, регистрирующими показания с последующим выводом на ПК. Устройство для отбора проб представляет собой емкость цилиндрической формы с плоским днищем и конической крышкой, на которой расположен патрубок с ответным фланцем.

Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки: 1- реактор, 2- газгольдер, 3- емкость для сбора шлама, 4 - воронка загрузочная, 5 - емкость для воды, 6 - емкость азота, 7 - факельная установка

Было составлено несколько смесей пищевых коммунально-бытовых отходов, подлежащих утилизации методом анаэробного сбраживания, представленных в таблице 1.

После составления многокомпонентной смеси пищевых коммунально-бытовых отходов, подлежащих утилизации методом анаэробного сбраживания определяли pH (таблица 2).

Таблица 1

Номенклатура смесей пищевых коммунально-бытовых отходов, подлежащих утилизации методом анаэробного сбраживания

№ п/п	Наименование отходов	Содержание компонентов смеси, г
		Смесь №1	Смесь №2	Смесь №3
1	Остатки жиров	1750	504	304
2	Масла растительные отработанные	160	452	549
3	Отруби и высевки, пшеничные и ржаные	270	206	88
4	Выжимки овощные, фруктовые и ягодные, томатные шкурки и семена	530	294	194
5	Остатки теста	120	334	114
6	Кости, скорлупа яичная	1270	450	266
7	Картофельная мезга	360	1049	1234
8	Хлебная крошка	120	111	104
9	Остатки мяса, кожи, пр.	1150	2095	2101
10	Свежая вода	2000	3000	3500
11	Молочные отходы	480	465	955
12	Пищевые консервы	450	844	395
13	Отходы разделки рыбы, крабов и других морепродуктов	1340	196	196

Таблица 2

Значение pH отходов

Наименование смеси	Влажность, %	Значение pH
Смесь №1	54	6,9
Смесь №2	69	7,1
Смесь №3	78	7

При работе реактора получаемый биогаз содержал 60 -70 % метана; 30-40% двуокиси углерода, а также примеси. Соотношение СН4 и СО2 зависело от исходного субстрата и характеристик процесса брожения (температуры, времени пребывания массы в реакторе). Биогаз содержит также незначительное количество Н2, H2S, N2. Теплотворная способность биогаза 2129 МДж/м3; 1 м3 его эквивалентен 0,7-0,8 кг условного топлива. В результате брожения из 1 т органического вещества (по сухой массе) получается 350-600 м3 биогаза. КПД превращения энергии органических веществ в биогаз 80-90 %.

Рабочая среда при работе биогазового реактора расслаивается на три области:

• -    суспензия, состоящая из твердых частиц органической природы, взвешенных в слое воды;

• -    светлый слой, состоящий, преимущественно, из воды;

• -    масляный слой.

Эффективность работы биореактора определяется многими параметрами [1], важнейшими из которых являются температура, интенсивность перемешивания, показатель рН и др.

Предложена математическая модель процессов в реакторе анаэробного сбраживания, которая учитывает особенность трехслойной структуры среды в реакторе в зависимости от очевидной разницы и соответственно отдельно рассчитываемых значений коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи для первого, второго и третьего слоев в реакционном пространстве.

В математической модели учтены различия газовыделений в трех слоях биомассы на основе особенности массотдачи к поверхности образуемого пузырька генерируемого в процессе биосинтеза газа при помощи коэффициента мас-соотдачи в уравнении Буссинеска.

Модель в полной мере построена с учетом зависимости теплофизических и других характеристик слоев от состава питающей смеси посредством учета плотности, динамической вязкости, теплоемкости, теплопроводности слоев и частиц, распределенных в биореакторе.

Проведена технико-экономическая оценка рыночного потенциала полученных результатов. Использование предлагаемой технологии переработки пищевых коммунально-бытовых отходов позволит одновременно решить пять важнейших проблем:

• -    экологическую (полная утилизация пищевых коммунально-бытовых отходов, что приведет к снижению негативного воздействия на окружающую среду);

• -    энергетическую (получение биогаза);

• -    агрохимическую (получение удобрений);

• -    социальную (дополнительные рабочие места для осуществления работ по переработке отходов: операторы, автоматчики, механики, управленческий персонал);

• -    экономическую (рост объема услуг, оказываемых в сфере обращения с отходами; получение прибыли от реализации вторичной топливной продукции - биогаза и жидких удобрений).

Срок окупаемости биоустановки по переработке 58 т в сутки пищевых отходов составляет около 2 лет.

Разработаны основы технологии утилизации коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания. Разработана установка анаэробного сбраживания пищевых коммунально-бытовых отходов. Она состоит из следующих элементов: камеры сбраживания (реактора, ферментатора, метантенка), нагревательного устройства (теплообменника), устройства для перемешивания и газгольдера. Осуществлен подбор консорциума микроорганизмов для утилизации пищевых коммунально-бытовых отходов методом анаэробного сбраживания. Обозначены условия осуществления анаэробного сбраживания. Разработана математическая модель тепло- и массообменных процессов в реакторе анаэробного сбраживания.

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 20072013 годы» (государственный контракт № 14.515.11.0089)