Переработка твердых органических отходов Твердые отходы —

Переработка твердых органических отходов

Твердые отходы — В биосферу ежегодно поступает около 20— 30 млрд т твердых отходов; — из них 50— 60% — органические соединения. — Опасные отходы составляют 10— 15%. Удаление отходов: 1) ликвидационные методы: разложение, складирование, захоронение и др. ; 2) утилизация и переработка (10 -20%). По классу опасности: чрезвычайно опасные (I класс); высокоопасные (II класс); умеренно опасные (III класс); малоопасные (IV класс). Бытовые отходы: примерно 350 кг на человека в год (данные для Москвы).

Отходы, пригодные для вторичной переработки Древесина хвойных и лиственных пород и ее компоненты целлюлоза и гемицеллюлоза, лигнин, кора. Отходы целлюлозно-бумажной промышленности предгидролизаты и сульфитный щелок. Технический лигнин Отходы сельского хозяйства солома, кукурузная кочерыжка, рисовая шелуха, подсолнечная лузга и др. Отходы перерабатывающей промышленности Отходы животноводства навоз и подстилка крупного рогатого скота и свиней, жидкий навоз, куриный помет Отходы с очистных сооружений осадочный ил и активный ил Донные ил и осадки Твердые бытовые отходы Промышленные отходы

Отходы перерабатывающей промышленности сахарной промышленности меласса, свекловичный жом, фильтрационный осадок, рафинадная патока, свекловичный «бой» и хвостики свеклы от переработки злаковых и крупяного производства солома, фуражное зерно, отруби, лузга и др. крахмало-паточной промышленности картофельная мезга и клеточный сок спиртового, винодельческого и пивоваренного производств первичная и вторичная барда, сивушное масло, виноградные выжимки, зерновые отходы, солодовые ростки, осадочные дрожжи, углекислый газ брожения и др. плодоовощного производства плоды, плодовые косточки, некондиционные соки, выжимки и т. п. мясной, рыбной, птицеперерабатывающей, кожевенной и меховой промышленности белок- и жиросодержащие отходы, коллагенсодержащее (шквара, фасции, шкурка, жилка) и кератинсодержащее (рога, копыта, шерсть, щетина, малоценное перо, пух, волос) сырье, мясокостная мука, рыбная мука, хитин и др. масло-жировой промышленности жмыхи и шроты, подсолнечная мезга, фосфатидные концентраты и др. табачной промышленности травянистое сырье эфиро-масличного производства от зернового и цветочно-травянистого эфиромасличного сырья и др. производства пищевых кислот мицелий, фильтрат цитрата кальция, гипсовый шлам, известковый осадок от производства молочной кислоты молочной промышленности молочная сыворотка, обезжиренное молоко (обрат), пахта

Отходы животноводства Ежегодно в России образуется: 200 -250 млн т навоза и 20 -25 млн т помета; совокупные объемы жидких стоков достигают 700— 800 млн т. От одной головы крупного рогатого скота образуется 45 кг/сут навоза, свиньи — 4, 5 кг/сут, птицы — 0, 1 кг/сут. За год на птицефабрике производительностью 10 млн/год бройлеров образуется 15— 20 тыс. т подстилки и помета. Навоз и помет как удобрения – содержат много питательных веществ; – имеют высокую влажность, неприятный запах, содержат условно- патогенную и патогенную микрофлору, семена сорных растений; – медленно разрушаются в почве; – избыточное количество может подавлять активность типичной почвенной микрофлоры; – жидкий навоз перед вывозом на поля необходимо выдержать 6 -8 месяцев для его обезвреживания; – для поддержания баланса гумуса требуется вносить ежегодно более 15 т навоза на 1 га; прирост урожайности зачастую не окупает затраты на его внесение.

Отходы с очистных сооружений По объему сопоставимо с количеством промышленных и бытовых отходов. В России – около 2, 5 млн т сухого вещества в год. В домохозяйствах без централизованной канализационной сети на одного жителя накапливается 70— 80 л осадка в год. Расходы на переработку и ликвидацию осадков могут составить до 50% всех расходов на очистку сточных вод. Стоимость переработки ила велика из-за высокой влажности (90— 99, 7%), повышенного содержания вредных веществ и патогенных микроорганизмов. Переработка (основной способ – 85 -95% – в России) 1) обезвоживание флотацией, центрифугированием или отжимом на фильтр-прессах 2) хранение в накопителях, отвалах, на иловых площадках, полях фильтрации, и т. д. от 1 до 10 лет 3) вывоз на поля. Варианты: использование в качестве удобрений ( около 7%) , для рекультивации техногенно нарушенных территорий, создании искусственных ландшафтов, аэробное компостирование, анаэробное сбраживание в метантенках, термическая сушка и сжигание.

Твердые бытовые отходы (ТБО) Компонент ТБО Содержание Макулатура 30 -40% Полимерные материалы 5 -10% Пищевые отходы 20 -30% Кости 1 -2% Дерево, листва 2 -7% Черные металлы 2, 5 -4, 5% Стекло 3 -5% Цветные металлы 0, 5 -0, 7% Текстиль 4 -6% Камни, керамика 0, 8 -1, 2% Кожа, резина 0, 5 -2, 5%В России ежегодный объем отходов составляет 32 млн т, т. е. около 230 кг на человека в год.

Твердые бытовые отходы (ТБО) Наиболее современный экономически и экологически рациональный вариант переработки ТБО – предварительная сепарация и сортировка с выделением: – полезных рециркулируемых материалов (черных и цветных металлов, пластиков, стройматериалов, боя стекла и стеклопосуды и др. ); – опасных материалов, содержащих соединения хлора и брома (химические источники тока, поливинилхлорид и др. ); – органической части, подлежащей компостированию; – фракций, сжигаемых при высокой температуре (при t > 1200— 1400°С) с последующей утилизацией или захоронением золы и шлаков. Из 100 000 м 3 ТБО можно получить 10 000 -15 000 т компоста или почвогрунта, около 2000 т стеклоизделий, 2000 т железа и железных изделий, 7 000 т пластических масс и изделий из них способом экструзии или литья. Глубокое фракционное разделение ТБО позволяет получать раздельно и цветные металлы: Sn, Al, Pb, Cu и др.

Промышленные отходы Строительные материалы, черные и цветные металлы, стекло и керамика, резино-технические изделия, пластики, гальванические шламы, нефтезагрязненные материалы и т. д. Особую категорию составляют отходы с высоким содержанием радионуклидов и тяжелых металлов. Для переработки промышленных отходов можно использовать биотехнологические методы: – биовыщелачивание – для удаления тяжелых металлов (гальваношламы, доменные шлаки, строительные материалы и др. ); – биодеструкцию органических материалов (например, для перевода радионуклидов или тяжелых металлов в растворимую форму и дальнейшей их обработки физическими и химическими методами); – биомодификацию – для улучшения характеристик строительных материалов (бетона, цемента и др. ) при добавлении в качестве связующих компонентов микробной биомассы, для повышения прочности пластиков, резино-технических изделий, древесных материалов и других отходов при их вторичной переработке.

Микробиологическая переработка органических отходов

Микробиологическая переработка органических отходов Наиболее крупномасштабные промышленные микробиологические процессы переработки органических отходов: – получение кормовых продуктов белком одноклеточных организмов (БОО), – силосование, – компостирование, – анаэробное сбраживание, – биоконверсия в топливо (в этанол, получение биогаза – метаногенерация, прямая конверсия в тепло).

Получение белка одноклеточных организмов Требования к микроорганизмам — продуцентам белка: – высокий коэффициент выхода продукта или продуктов из сырья; – высокая удельная скорость роста. – высокий конечный уровень накопления целевого продукта в среде; – высокое сродство продуцента к углеродным энергетическим субстратам; – стабильность и неприхотливость; – способность доминировать в биоценозе ферментера при нестерильных условиях культивирования; – устойчивость штамма к собственным продуктам метаболизма; – устойчивость штамма к изменению условий культивирования; – высокое содержание белка, незаменимых аминокислот, витаминов; – минимум нецелевых метаболитов в среде культивирования; – хорошая фильтруемость, сепарируемость, флотируемость, – подходящая температура культивирования; – безвредность для животных; – непатогенность для человека.

Переработка барды спиртового производства Первичная барда – основной отход спиртового производства. Состав зависит от вида сырья: мелассная, зерновая, картофельная и смешанная (зерно-картофельная). На каждые 1000 декалитров спирта в среднем образуется 130 м 3 зерновой послеспиртовой барды. Ежегодно на российских спиртовых заводах образуется около 10 млн м 3 барды. Имеет кислую реакцию (р. Н 4, 2 -4, 4). В России традиционно используется (совместно с дрожжевой биомассой) для кормления сельскохозяйственных животных. Наиболее ценный компонент — протеин: 26 -28% для зерновой барды, 18 -19% — для картофельной (от сухого веса). Активный ил как кормовая добавка Состав: белок (30 -42%), незаменимые аминокислоты (лизин, метионин, цистин, триптофан), липиды (5 -10%), углеводы (3 -5%), фосфор, кальций и другие макро- и микроэлементы (зольность 25 -30%), витамины группы В: тиамин (В 1 ), рибофлавин (В 2 ), пантотеновая кислота (В 5 ), пиридоксин (В 6 ), биотин (В 7 ), B 12 и др. Можно использовать только активный ил, образующийся при биоочистке сточных вод с минимальным содержанием вредных примесей (в частности, пищевых и ферментационных производств), в количестве не более 1 -5% от массы корма.

Силосование Заквашивание кормов без доступа воздуха I. Аэробная стадия. Потребление оставшегося атмосферного кислорода в сырье растительными ферментами в еще дышаших растениях и размножение аэробных бактерий, входящих в состав эпифитной микрофлоры силосуемых растений. Стадия непродолжительна. II. Развитие молочнокислых стрептококков и энтеробактерий. Микроорганизмы наиболее активны при р. Н 5, 0– 6, 5; развиваются на ранней стадии силосования. В результате брожения накапливаются молочная и уксусная кислоты. Стадия непродолжительна. III. Развитие лактобацилл. Наиболее продолжительнаяя фаза. Участвуют молочнокислые бактерии pp. Lactobacillus, Pedicoccus, Streptococcus, Leuconostoc (при горячем способе силосования –термотолерантные бактерии, например Bacillus subtilis ). Снижение p. H до 3, 8– 4, 2. Образование молочной и уксусной кислот, этанола. IV. Развитие бактерий p. Clostridium. Начинают развиваться при р. Н > 5, 0; образуют масляную кислоту и аммиак; снижают кислотность, что приводит к развитию гнилостных микроорганизмов и порче силоса.

Силосование Развитие микробного сообщества при созревании и консервации силоса холодным способом Схема траншей для силосования: а – наземные траншеи; б – полузаглубленные траншеи

Компостирование Экзотермический процесс биологического окисления, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов в условиях повышенной температуры и влажности Стадии компостирования I – мезофильная развитие мезофильных микроорганизмов; постепенное повышение температуры до 30— 45°С II – термофильная процессы аммонификации и выделения аммиака; повышение р. Н; температура быстро достигает максимальных значений 70– 80°С; погибают грибы и патогенные бактерии, организмы мезофауны, семена сорных растений III – остывание температура понижается, р. Н медленно убывает, но остается щелочным; восстанавливаются популяции спорообразующих бактерий, актиномицетов, грибов антибиотики актиномицетов подавляют гнилостные и микобактерии IV – созревание лизис части микробных клеток, появление почвенных животных; образование гуминовых кислот

Компостирование Стадии компостирования Схема компостной гряды

Аэробная стабилизация Аэробная окислительная деструкция, используемая применительно к активному илу и осадкам сооружений биологической очистки — уменьшаются масса твердой фазы осадков, содержание в них патогенной микрофлоры, — улучшаются технологические свойства осадков и пригодность для складирования и хранения — органическое вещество осадков окисляется микроорганизмами, для которых оно является питательным субстратом — происходит также самоокисление органических веществ — распадается до 50% органической части осадков (прежде всего липидов и белков) — может быть подвергнут как неуплотненный (концентрация 15 -25 г/л), так и уплотненный (концентрация 30 -45 г/л) активный ил после отстаивания.

Анаэробное сбраживание и метаногенерация При переработке 1 кг ТБО образуется до 20 л биогаза в сутки, а ТБО города с населением 150 000 человек — до 2 млн м 3 биогаза в год. «Одна животная единица» условно соответствует 1 взрослой корове, или 5 телятам, или 6 свиньям, или 250 курам. Одна животная единица способна производить в сутки до 2, 5 м 3 биогаза. Из 1 т сухого вещества навоза при оптимальных условиях можно получить 350 м 3 биогаза или, в пересчете на 1 голову КРС, 2, 5 м 3 в сутки, а в течение года — около 900 м 3 биогаза, что эквивалентно по теплотворной способности 600 -700 л бензина. При переработке отходов хозяйств с 550 000 голов крупного рогатого скота можно получить в сутки 2 480 000 м 3 биогаза, а с 400 000 голов свиней — 900 000 м 3 биогаза.

Биодеструкция полимерных материалов Наименее биостойкие полимеры: производные целлюлозы, хитина, модифицированный крахмал, полисахариды пуллулан и курдлан, полилактид, полигидроксибутират, полигликолактид, полиглутамат и др. (полимеры, по структуре подобные природным) Низкая биостойкость: полиэфиры (полиэтиленгликоль, полипропиленгликоль, политетраметиленгликоль), полиуретаны и пластифицированный поливинилхлорид (ПВХ), силикон, модифицированный полиэтилентерефталат (ПЭТФ), полибутиленсукцинат, поликапролактон, поливиниловый спирт. Средняя устойчивость: полиамиды (в том числе нейлоновые и капроновые пластики), полиакрилаты, поликарбонаты, полиформальдегидные смолы, фенопласты. Наиболее биостойкие полимеры: полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и полипропилен. Наименее стойкие компоненты полимерных материалов – пластификаторы.

Биоразлагаемые полимерные материалы Четыре пути: 1) создание биоразрушаемых пластиков на основе полимеров, (синтезируемых и) ассимилируемых микроорганизмами (полигидроксиалканоаты, полилактид, полигликолид, их сополимеры); 2) введение в полимер добавок, ассимилируемых микроорганизмами; 3) введение в полимер добавок, инициирующих абиотические процессы деструкции; 4) модификация природных полимеров. Требования при модификации полимеров: — в результате модификации не должны существенно изменяться его эксплуатационные характеристики; — добавки, вводимые в полимер, не должны быть токсичными; — полимеры должны обрабатываться обычными методами, не подвергаясь при этом разложению; — изделия из таких полимеров должны храниться и эксплуатироваться длительное время; — должно быть известно время до разрушения полимера; — продукты разложения полимеров не должны быть токсичными.

Мировая практика способов утилизации ТБО Метод утилизации США Вели — кобри — тани я Фра н — ци я Гер — мани я Авст — рия Ита — лия Росси я Япо — ния Юж. Коре я Сжигание 17 7 37 21 73 13 6 59 18 Захоронение на свалках 81 92 53 73 19 84 94 38 79 Компостирова — ние — 1 10 6 7 3 — 1 2 Прочие 2 — — — 1 — —

Складирование и захоронение твердых отходов Показатели Пермь, Россия Вена, Австрия Висбаден, Германия Площадь, га 50 45 15 Количество отходов, тыс. т 2160 1060 430 Объем фильтрата, тыс. т 68, 5 43 12 Время эксплуатации, год 22 10 6 ХПК фильтрата, мг О 2 /л 413 -532 1500 -1600 2000 БПК 5 фильтрата, мг О 2 /л 280 -323 700 -780 150 Хлориды, г/л 2, 3 -3, 8 1, 2 -1, 5 -1, 7 Технология очистки фильтрата Отсутствует Анаэробно- аэробная, УФ- обеззаражива — ние Анаэробно-аэробн ая, денитрификация, УФ, озонирование Дегазация Отсутствует Газовые колодцы. Сравнительная характеристика полигонов ТБО (по Л. В. Рудаковой, 2000)

Складирование и захоронение твердых отходов Полигон ТБО — сложная антропогенно-геологическая система, функционирующая длительное время и воздействующая на окружающую природную среду в течение десятилетий. Стадии: — развитие аэробной микрофлоры, — развитие анаэробов, не образующих метан; нитратредукция и сульфатредукция; — на заключительной стадии развиваются метаногены. Через несколько месяцев или лет в толще свалки наступает стабильное метановое брожение, которое может длиться 20 -30 лет после закрытия полигона ТБО. Температура в анаэробной зоне крупных полигонов ТБО колеблется от 25 до 35°С, достигая иногда на приповерхностных участках 50 -55°С. Скорость выделения метана достигает 2× 10 -3 м 3 /(м 3 ×ч) (средняя полоса России). В выделяющемся газе содержится 50 -55% СН 4 , около 40% С O 2 и 5% N 2. Выход метана из отходов колеблется от 0, 0003 до 0, 07 м 3 на 1 кг сухой массы отходов. За 10 лет из 1 т отходов на полигоне может выделиться в атмосферу до 15 -20 м 3 метана. Часть метана может окисляться аэробной микрофлорой в верхнем аэрируемом слое (обычно не более 1 м) грунта.

Типы органических отходов и методы их биологической обработки Физическое состояние Типы отходов ХПК, мг/л Вид обработки Преимущество Жидкое (сточные воды) Городские 200 -500 Аэробная Глубокая очистка Промышленные 300 – 50000 Аэробная Глубокая очистка Анаэробная Отсутствие избыточного ила Навозные стоки при гидросмывнной уборке 1000 – 3000 Аэробная Очистка воды Выдерживание в отстойниках Дешевизна, удобрение Анаэробная Удобрение Полужидкое (текучее) Осадки сточных вод 4000 – 6000 Анаэробная Метан, отсутствие запаха Навоз при самотечной уборке 2000 – 7000 Анаэробная Метан, удобрение, отсутствие запаха Твёрдое Твёрдые бытовые (ТБО) Анаэробная Метан Органическая часть ТБО Анаэробная Метан, удобрение Компостирование Удобрение Подстилочный навоз Анаэробная Метан, удобрение Компостирование Дешёвое, качественное удобрение

Взаимодействие микроорганизмов в анаэробных условиях Биотехнологические методы и подходы для очистки промышленных и бытовых стоков Бактерии, потребляющие: I – нитраты; II – сульфаты. Бактерии, образующие: III – пропионат; IV – ацетат; V – метан. Бактерии, катаболизирующ ие: VI – аминокислоты; VII – метилирован-ные металлооргани-ч еские комплексы. V I II V I I П р о п и о н а т + С О + А ц е т а т 2 С О 2 N H 3 Н 2 С у л ь ф и д н а я ( п и р и т н а я ) с е р а +А ц е т а т С О М е т а н о л М е т и л а м и н ы М е т а н S O ( л и м. ) + А ц е т а т + Н 42 — 2 S O 42 —