Ликбез по биорециклингу: часть 1
Всем привет!
В комментариях к прошлому посту у многих возникли вопросы по механике процесса переработки, критериям исходных материалов и получаемому конечным продуктом.
Ударим автопробегом по бездорожью и разгильдяйству и понесем свет знаний в массы.
Сразу оговорюсь: данный пост посвящен биорециклингу - переработке органических отходов за счет биологических реакций бактерий, грибов и микроорганизмов, в результате которых происходит изменение физико-химических свойств материалов и объектов.
Почему рассматриваем только органику? Потому что это наиболее распространенный вид отходов - согласно статистике, в разных странах на органические отходы приходится от 50 до 70% всех отходов. Сколько это в килограммах? Рассмотрим, наверное, наиболее близкий рядовому обывателю вид отходов - твердые коммунальные отходы (ТКО): в России ежегодно образуется около 65 млн тонн, в мировых масштабах - свыше 2 млрд тонн.
Плюсуем сюда отходы сельского хозяйства, пищевой промышленности, перерабатывающего сектора, et cetera, et cetera и получаем цифры за гранью разумного. Поэтому - органика.
Глобально, все технологии переработки направлены на одно и то же - снизить класс опасности отхода, т.е. степень его негативного воздействия на окружающую среду. В соответствии с Федеральным законом от 24.06.1998 N 89-ФЗ (ред. от 02.07.2021) "Об отходах производства и потребления" выделяют 5 классов опасности. Ранжирование идет по нисходящей: 1-й класс - самый опасный, 5-й - практически неопасный. Не буду сильно вдаваться в подробности, для желающих - краткая статья простыми словами. Ключевая задача рециклинга - максимально понизить класс опасности отхода и сделать возможным его использование в производственном цикле.
По принципу действия технологии биорециклинга разделяются на следующие группы:
1. Длительное выдерживание. Наиболее древняя технология: сваливаем отходы в кучу и оставляем на длительный срок (в среднем 8-12 месяцев, в зависимости от вида отходов). За это время происходит МАГИЯ...
...и отходы обеззараживаются. Хотя, ничего удивительного - если меня год не трогать, тоже перестану быть такой язвой по отношению к окружающим. За это время все, что может сгнить - сгниет, взойти - взойдет, обеззаразиться - обеззаразится (фьють, ха!). На выходе получается продукт, который условно безопасен для окружающей среды.
Плюсы: дешево и просто.
Минусы: долго и большие потери питательных веществ в процессе переработки.
Емкость для длительного выдерживания жидкого навоза в США
2. Аэробная ферментация (компостирование). Окисление органики под воздействием кислорода, содержащегося в воздухе. Микроорганизмы, бактерии и грибы, содержащиеся в сырье и имеющие в достаточном количестве питание, воздух и отсутствие внешнего воздействия, начинают стремительно расти и плодится, выделяя при этом тепло и производя саморазогрев материала (или "наблюдая экзотермическую реакцию", если есть желание блеснуть интеллектом).
Температура компостируемого материала поднимается до 50-70°С, патогенная микрофлора и семена сорных растений погибают (аки в геене огненной). Вуаля - продукт готов к применению.
Различают 3 основные группы микроорганизмов, наиболее активных в определенном температурном режиме:
- психофилы: температура функционирования 0-25°С, температурный оптимум 5-15°С;
- мезофилы: температура функционирования 15-55°С, температурный оптимум 30-45°С;
- термофилы: температура функционирования 40-85°С, температурный оптимум 55-75°С.
Во время компостирования материал последовательно проходит все три стадии разогрева, пик и постепенное остывание.
Динамика изменения температурного режима при компостировании
Плюсы: более сжатые сроки переработки, относительно низкий уровень потерь биогенов, высокое качество конечного продукта
Минусы: необходимость соблюдения технологии и наличие необходимой материально-технической базы (площадей, оборудования и техники).
Существующее множество способов компостирования может быть разбито на 2 основные группы: компостирование в буртах и компостирование в ферментационных установках.
В первом случае отходы вывозятся на поля (площадки, полигоны и т.д.), складываются в бурт и самоперерабатываются. Бурт - это не абы как сваленные отходы, а целое геометрическое сооружение треугольной или трапецевидной формы, имеющее определенное соотношение сторон. Как правило, их формируют при помощи фронтальных погрузчиков.
Компостирование в буртах на животноводческой ферме в Центральной Европе
Компостирование в ферментационных установках - более эффективный и экологически безопасный способ рециклинга, Переработка осуществляется в модуле с регулируемой подачей воздуха. Барабанные ферментаторы из прошлого поста относятся именно к этой технологической группе. Характеризуются более высокими температурами компостирования, меньшей эмиссией биогенов в атмосферу и более сжатыми сроками переработки, чем буртовое компостирование.
Биоферментатор барабанного типа на животноводческой ферме в Ленинградской области РФ
3. Анаэробное сбраживание (оно же анаэробная ферментация, метановое сбраживание, производство биогаза и т.д.). Процесс переработки органики в бескислородной среде, при котором образуется биогаз с высоким содержанием метана.
Очень популярная 5-10-15 лет назад в странах Европы технология, в последние году ушедшая в тень. Почему? Дорого. Нет, не так. ДОРОГО!!! И не рентабельно. Хотя, при нынешних ценах на газ...
Локомотивом биогазового движения была (и пока еще является) Германия: к концу 2017 года в стране было более 9 тыс. биогазовых установок, на которых перерабатывались около 32,5 млн т отходов. Не вдаваясь в детали, немецкие предприятия функционировали следующим образом (@Tomur4onok, поправьте, если ошибаюсь): производим биогаз, перерабатываем в электроэнергию, продаем в сеть. Закупаем электроэнергию со скидкой, поскольку мы все такие экологичные и зеленые. С каждым годом этот дисконт становился все ниже и ниже, к 2020 став несущественным. Как сейчас обстоят дела, не знаю, так как переключился на другой объект исследований. Надеюсь, коллеги в комментах дополнят.
Механика процесса: отходы загружаются в закрытый бак (метан-танк), периодически перемешиваются.
Без кислорода и солнечного света запускаются процессы брожения под воздействием трёх видов бактерий: гидролизных, кислотообразующих и метанообразующих. Каждая последующая бактерия питается продуктами жизнедеятельности предыдущей, поэтому процесс анаэробной ферментации весьма небыстр.
Получаемый на выходе биогаз, являющийся смесью газов, в которых большую долю занимает метан, перемещается в хранилище (газгольдер), затем проходит систему очистки от примесей (например, сероводорода) и подается на когенерационных блок, где сжигается и преобразуется в тепло и электроэнергию. Перебродившая масса (эффлюент) может использоваться как удобрение, но с учетом ряда особенностей: оно довольно бедное, т.к. большинство питательных веществ вышло в биогаз, и очень влажное, следовательно, проблемы с логистикой - воду возить невыгодно.
Плюсы: самая экологически безопасная технология обращения с отходами.
Минусы: дорого и сложно, не снимается проблема утилизации перебродившей массы.
Биогазовая установка в Польше