Управление техногенными отходами

подготовке земли к посеву. Однако следует отметить, что большинство остатков уборки урожая отличается очень высоким соотношением C/N – до 80:1, в то время как в наиболее плодородных почвах оно не превышает 20/1. Повышенное соотношение C/N может «сжечь» почвенную микрофауну и микрофлору. Во избежание этого отходы необходимо запахивать в землю сразу же после уборки урожая. Тогда до следующего сева пройдет достаточно времени, чтобы оптимизировать пропорции углерода и азота. Внесение азотных удобрений также восстанавливает указанное соотношение. Однако их применение может привести к тому, что в результате ранней вспашки, наступления сезона дождей, чередования заморозков и оттепелей возникнет опасность эрозии почвы. Сжигание – еще один метод переработки пожнивных отходов. Оно может быть организовано непосредственно на почве в местах их образования, а также в передвижных и стационарных установках. Сжигание на месте привлекательно тем, что быстро ликвидируется избыток углерода. Однако оно сопровождается сильным загрязнением воздуха. Сжигание в передвижных печах позволяет избежать этого, но оно дорого и экономически оправдано лишь на полях ценных семенных трав. За рубежом созданы разнообразные стационарные установки для сжигания растительных отходов. Отходы не содержат серы, поэтому являются достаточно «чистым» видом топлива с низшей теплотворной способностью 13–15 МДж/кг. В качестве топлива используются лузга подсолнечника и риса, сечка соломы, стержни початков кукурузы, стебли кукурузы и подсолнечника.

Еще одно направление утилизации – использование адсорбционных свойств некоторых отходов уборки урожая и его первичной обработки. В настоящее время известно эффективное применение адсорбентов растительного происхождения для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды и сточных вод. Их готовят из шелухи риса, лузги гречихи, костры льна, отходов производства оливкового масла и т.п. Емкость поглощения по нефтепродуктам у этих сорбентов изменяется от 300 до 1000 %, период насыщения – от 10 до 30 мин, повторность использования после регенерации – не менее 5 раз.

321

Отходы гидролизного производства

Одним из главных отходов производства сахара из свеклы является меласса (кормовая патока – сиропообразная жидкость темнобурого цвета с высоким содержанием сахаров и азотистых веществ). Основное направление утилизации мелассы – ее комплексная переработка на спиртовых заводах (в СССР на них ежегодно использовалось около 2 млн т этого материала). Технология производства этилового спирта из мелассы основана на ферментативном сбраживании сахаров дрожжевыми микроорганизмами. Она включает подготовку сырья и аппаратуры к сбраживанию (так как в натуральном виде меласса не сбраживается) и непосредственно сбраживание, а также перегонку бражки. Промышленные технологии утилизации мелассы дают очень хороший пример комплексной переработки, когда успешно решаются также проблемы утилизации вторичных отходов. Так, при переработке мелассы, кроме этилового спирта, образуется ряд продуктов, которые можно отнести к отходам ее производства: диоксид углерода, дрожжи-сахаромицеты, барда (густая суспензия светло-коричневого цвета от перегонки спирта). Диоксид углерода выделяется при брожении мелассы в герметически закрытых чанах; он улавливается, очищается от примесей и подвергается отверждению. В результате получают «сухой лед», имеющий в три раза большую, чем у льдосоляной смеси, холодопроизводительность, не содержащий влаги. «Сухой лед» широко применяют для обеспечения низких температур хранения, транспортирования и реализации замороженных или охлажденных пищевых продуктов. Отработавшие дрожжи–сахаромицеты, представленные живыми клетками, используются для производства прессованных хлебопекарных дрожжей в цехах при спиртозаводах. Дрожжи выделяют из зрелой спиртовой бражки перед подачей ее на перегонку, промыв водой, прессуют на рамных фильтр-прессах и затем фасуют в бруски. Отработавшие дрожжи-сахаромицеты, представленные мертвыми клетками, используются для получения дрожжевых белковых продуктов или сухих кормовых дрожжей при выделении из барды и последующем обезвоживании на сушилках.

322

Барду после отгонки и ректификации спирта упаривают (сгущают) и добавляют к кормам сельскохозяйственных животных. Она же служит хорошей средой для выращивания кормовых дрожжей. Известно также использование сгущенной барды в химическом производстве (из нее получают глицерин, глютаминовую кислоту).

Эффективность переработки мелассы в целом такова, что на спиртовом заводе из каждой ее тонны можно получить 310–320 л спирта, 10–13 кг «сухого льда», около 100 кг прессованных хлебопекарных и до 85 кг сухих кормовых дрожжей. Комплексная переработка мелассы позволяет достичь свыше 150 % прибыли в сравнении с однопродуктовым производством [3].

Различные отходы растительного сырья (подсолнечная лузга, хлопковая шелуха, кукурузные кочерыжки, солома и т.п.) даже в тонкоизмельченном виде не могут быть использованы для производства кормов, поскольку содержат 70–75 % нерастворимых полисахаридов в виде гемицеллюлоз и целлюлозы. Лишь после удаления из этих отходов лигнина оставшиеся углеводы могут на 80 % усваиваться организмом таких сельскохозяйственных животных, как лошади, коровы, овцы, козы. Для этого вышеперечисленные растительные отходы перерабатывают путем гидролиза в присутствии катализаторов с получением важных кормовых, пищевых и технических продуктов. Главным крупнотоннажным отходом гидролизного производства является твердый нерастворимый остаток – технологический гидролизный лигнин [51]. Его выход достигает 30– 40%-ной массы перерабатываемого сырья. Технический гидролизный лигнин представляет собой весьма сложную смесь продуктов гидролитического распада растительных осадков. Помимо собственно лигнина в его состав входят трудногидролизуемые полисахариды, моносахариды, смолы, воски, жиры, зольные остатки. Технологический гидролизный лигнин используют как сырье в химической промышленности – для производства нитролигнина (компонент буровых растворов для нефтегазовой промышленности), коллактивита (адсорбента). Эти производства (как и другие химические производства) сложны и характеризуются образованием вторичных опас-

323

ных отходов. Так, для получения коллактивита лигнин высушивают, обрабатывают олеумом, затем обрабатывают 40–45%-ной серной кислотой, промывают обессоленной водой (для удаления остатков кислоты) и измельчают в шаровых мельницах до крупности 0,01–0,1 мм [3]. Небольшая часть лигнина используется для производства лигноплит и линолеума [51]. Более простой вариант утилизации лигнина – его использование в производстве топливных брикетов. Технология предусматривает двухступенчатую сушку лигнина и его брикетирование на валковом прессе [3]. Однако наиболее широко распространены такие способы обращения с лигнином, как сжигание и складирование в отвалах.

Отходы животноводства (навоз и помет)

Отходы животноводства образуются в огромных количествах в результате концентрации животных на животноводческих фермах. Сбор и удаление навоза и других выделений на фермах уже длительное время представляют серьезную проблему.

Наиболее распространенный способ удаления навоза – вывоз его на поля, т.е. возвращение в землю как удобрения. Навоз может удаляться в твердом или в жидком видах. Первый способ более дешевый, однако он отличается плохими условиями труда (сильный запах, неприятный вид отходов, источник размножения насекомых и т.д.) и требует более обширных территорий. Более популярным становится внесение навоза в жидком виде. При этом жидкие отходы смывают с пола, собирают и хранят в емкостях, затем с помощью насосов перекачивают в цистерны и вывозят на поля. Наиболее распространен метод транспортировки жидких отходов в вакуумных цистернах, куда закачивают жидкий навоз через вакуумные трубы. По этим же трубам навоз под давлением распределяют на полях. Основная проблема при внесении жидкого навоза – устранение запаха. Для этого перед транспортировкой к навозу добавляют специальные вещества, уменьшающие запах. Навоз желательно разбрызгивать в прохладный безветренный день. После внесения навоза почву необходимо обработать дисковым культиватором, что также уменьшает запах. Этот способ технически более сложен –

324

в местах содержания животных необходимо предусмотреть систему гидронавозоудаления, резервуар-хранилище, систему гидротранспорта. При использовании этого способа удаления навоза необходимо разбавлять навоз водой до концентрации твердых веществ 5–10 %, перемешивать навоз перед перекачкой, промывать всю систему чистой водой после перекачки навоза.

Однако при вывозе навоза на поля существует опасность загрязнения почвы, поверхностных и подземных вод (в частности нитратами), а также воздуха. Иногда прямое применение навоза, в частности навоза свиноферм, не приемлемо из-за высокого содержания соединений азота. Поэтому приходится либо прибегать к существенному разбавлению навозной жижи, что сильно увеличивает объем отходов и земельные площади, необходимые для утилизации, либо совершенствовать технологии заделки навоза в почву (например, неплохие результаты получают при закладке навоза в заранее подготовленные борозды глубиной 15–20 см, закрываемые плугом после внесения навоза), что заметно увеличивает затраты ресурсов на реализацию технологии [3, 54].

Другой путь обращения с отходами животноводства, в частности навозом свиноферм, заключается в их обезвреживании путем компостирования или сбраживания.

Главное преимущество анаэробной обработки – способность разрушать большее количество органического материала на единицу объема, чем при аэробной обработке, а также возможность в определенных условиях получать полезный продукт – биогаз, содержание метана в котором достигает 60–80 % (остальная часть приходится на углекислый газ с небольшими количествами различных промежуточных продуктов). К числу анаэробных систем, применяемых при обработке отходов животноводства, относят анаэробные водоемы, анаэробные автоклавы (в которых получают биогаз) и септические резервуары. Наиболее распространенными конструкциями являются анаэробные водоемы, популярные благодаря их низкой стоимости и простоте оборудования. Эти водоемы представляют собой природные или искусственные резервуары с непро-

325

ницаемыми стенками и основанием (т.е. либо организованные в непроницаемых грунтах, либо снабженные противофильтрационной защитой) шириной до 15 м (в целях удобства откачки отходов)

иглубиной обычно 3,0–3,5 м. Отходы вводят в водоемы через сливную трубу так, чтобы твердые вещества распределялись равномерно и не накапливались по краям. Поступающие органические вещества необходимо перемешивать с уже накопившимся в водоеме илом. Сток из анаэробных водоемов в естественные водные источники не допускается. Поверхностный сток дождевых и талых вод необходимо отводить от водоема, так как он способствует его переполнению. При понижении уровня в водоеме добавляют воду для того, чтобы твердые вещества постоянно находились под водой. Для увеличения скорости анаэробных процессов в водоем вводят «затравку» из другого действующего анаэробного водоема либо из действующего автоклава (аэротенка) станции очистки городских сточных вод. Лучше вводить отходы непрерывно, а не накапливать их. Продолжительность разложения отходов в водоеме при температуре 21 °С составляет 50 суток, поэтому этот метод предпочтительнее для районов с теплым климатом. Использование анаэробных водоемов не всегда бывает успешным: иногда возникает сильный запах; содержимое водоемов может загрязнять поверхностные

игрунтовые воды, водоемы склонны к заилению вследствие неполного разложения отходов.

Кроме того, навоз и помет могут быть переработаны по другим технологиям сбраживания – на специальных установках с получением биогаза (см. предыдущий пункт).

Основное преимущество аэробного разложения – отсутствие запаха. Поэтому некоторые виды аэробной обработки перспективны для многих систем обработки животноводческих отходов. В частности, наряду с анаэробными водоемами используются аэробные,

втом числе с принудительным аэрированием, когда в водоеме устанавливают плавающий аэратор, с помощью которого происходит вспенивание отходов, способствующее более полному разложению органических веществ.

326

Существует также способ обезвреживания животноводческих отходов в открытых окислительных канавах. Канава для окислительных процессов – это открытый канал, содержащий отходы. Аэрирующий ротор перемешивает их, вводя воздух, содержащий кислород, необходимый для аэробных бактерий. Функция ротора – поддерживать циркуляцию в канаве, чтобы твердые частицы не оседали, т.е. ротор должен работать непрерывно. Наиболее распространены канавы овальной формы или в виде кольца. Перед эксплуатацией канаву заполняют водой и ротор опускают на необходимую глубину. Навоз следует вводить в канаву аккуратно, чтобы предотвратить или уменьшить вспенивание, вводя специальные антипенные вещества, такие как растительные и минеральные масла,

атакже распыляя воду. По истечении нескольких месяцев с начала действия окислительной канавы часть ила необходимо удалить, чтобы предотвратить накопление твердых веществ, вызывающих запах. На выходе из канавы размещают иловую ловушку. Как только поток попадает в ловушку, скорость его уменьшается, и твердые частицы оседают на дно. Иловую ловушку необходимо периодически очищать, перекачивая ил либо прямо на поля для разбрызгивания, либо на подсушку. После иловой ловушки содержимое окислительной канавы направляют в канал или хранилище для сбора воды. Если необходимо, то воду перекачивают из хранилища в цистерну,

апотом вывозят на поля.

Кпреимуществам аэробного разложения относятся также частичное разложение летучих (органических) веществ, разрушение большей части (иногда полностью) патогенных организмов, концентрирование минеральной части отходов. К сожалению, аэробные бактерии обычно разлагают лишь до 40–50 % органических твердых веществ.

Птичий помет можно высушивать (до влажности 10–15 %) и использовать как готовое органическое удобрение. Обезвоживают помет механическим (в пресс-фильтах или на центрифугах) или термическим (в сушилках) способом. Перед термическим обезвоживанием помет необходимо предварительно просушить хотя бы до

327

влажности 40–60 %. Кроме того, для обезвреживания отходов птицефабрик можно использовать метод аэробного компостирования. Желаемый диапазон влажности птичьего помета для компостирования – 35–50 %. Для обеспечения стабильного процесса компостирования органических отходов отношение C/N должно быть равно 20 (у птичьего помета оно обычно колеблется от 8 до 12). Нормальная температура компостирования – 50–60 °С. Компостирование проводят частично в биостабилизаторах с последующим дозреванием в буртах. Процесс компостирования отходов птицеводства можно организовать и на открытых площадках в буртах с еженедельным «перелопачиванием» всей массы компоста [54].

Отходы мясоперерабатывающих производств

Здесь логично также рассмотреть некоторые вопросы обращения с отходами мясопереработки, несмотря на то что эти производства формально относятся к пищевой промышленности. Поток отходов от мясопереработки очень велик и в мировых масштабах достигает 0,1 млрд т/г.

Впищевых продуктах используют мясную и, не полностью, костную части, субпродукты, кровь. Все остальные отходы имеют непищевой характер. Их составляют традиционные жидкие (кровь, шлам, бульон), твердые (кость и мясокостные конфискаты, рогокопытное сырье, щетина и волосы), мякотные неутилизированные органы животных и нетрадиционные материалы (каныга, яичная скорлупа и др.).

Внастоящее время на мясоперерабатывающих предприятиях сложилась достаточно традиционная схема переработки отходов, обычно реализуемая в специализированных цехах или участках основного производства и включающая несколько стадий. На рис. 6.5 представлена схема работы мясокомбината с образованием отходов.

Втех случаях, когда отходы не могут быть отправлены на переработку в течение суток, предусматривается их консервирование или, в зимний период, естественное замораживание. Для консервирования свежее сырье измельчают до крупности 20–30 мм и менее,

328

затем смешивают в фаршмешалке с консервантом (пиросульфит натрия или калия) в количестве 1,5–2,0 % от исходной массы и раскладывают в деревянные бочки. Допускается также консервирование поваренной солью (20 % от исходного сырья). Для этого свежий, остывший до 18–20 °С материал плотно укладывают в бочки, пересыпая каждый ряд солью. Чем плотнее укладка, тем продолжительнее допустимый срок хранения сырья.

Рис. 6.5. Схема технологических связей производств мясокомбината: А – база предубойного содержания скота: а – прием скота; б – предубойная выдержка скота; Б – мясожировое производство; I – цех убоя скота и разделки туш, переработки пищевой крови; II – субпродуктовый цех; III – жировой цех; IV – кишечный цех; V – шкуроконсервировочный цех; VI – цех кормовой и технической продукции;

VII – экспедиции [55]

329

Полученное сырье транспортируют в специализированных цех (или предприятие) и перерабатывают (без удаления консерванта – при использовании пиросульфита, а при использовании поваренной соли – после промывки в проточной воде). Консервированный материал можно передавать на заводы по производству мясокостной муки (там же могут утилизироваться некоторые виды биологических отходов, например трупы павших животных).

Основная стадия переработки пищевых отходов в традиционной схеме – получение из них кормовых и технических продуктов. При производстве сухих кормов кишечные конфискаты и желудки предварительно освобождают от содержимого. Остаточную кровь и шлам коагулируют в отдельной емкости острым паром в течение 15–20 мин и в количестве до 15 % добавляют в массу сырья перед его подачей на измельчение. На измельчение до частиц размером менее 50 мм обычно поступает смесь, состоящая из 70 % мякотного сырья и 30 % кости. После этого она поступает на тепловую обработку в обезвоживатель. При продолжительности варки 20 мин сырье с температурой не ниже 90 °С непрерывно выгружается из обезвоживателя и поступает на дополнительное измельчение в молотковую дробилку. При тепловой обработке выделяется также до 3 % жира и до 20 % бульона. Через решетку в днище обезвоживателя они непрерывно отводятся в жироуловитель, отделенный в нем жир сливается, а бульон при наличии потребителей используется в рационах свиней. После обезвоживателя продукт крупностью менее 30 мм элеватором доставляется в шнековую сушилку. Высушенный продукт с влажностью не более 10 % остужается холодной водой. После этого он измельчается в молотковой дробилке, просеивается через сито с отверстиями диаметром 3 мм, очищается от металломагнитных примесей и упаковывается. Выход кормовой муки составляет около 30 % исходной массы.

Возможности типовой технологической схемы в настоящее время использованы далеко не полностью. Один из современных приемов улучшения ее показателей – обработка непищевых отходов в среде расплавленного жира, обеспечивающая стерилизацию сырья

330