Серия «Переработка отходов»

25

Ликбез по биорециклингу: часть 2

Ликбез по биорециклингу: часть 1


4. Вермикомпостирование. Переработки органики при помощи червей. Очень похожий на традиционное компостирование способ рециклинга, отличающийся тем, что в качествe основного двигателя переработки выступают не бактерии и микроорганизмы, а черви, поедая органику и перерабатывая ее в питательные субстраты для растений. Механика процесса схожа: сформировали бурт, запустили червей, ждем.

По истечению регламентированного времени считаем, что черви все съели, пропустили через себя и выдали готовый продукт. Теперь, в зависимости от нашей кровожадности, мы или втыкаем в один край бурта электроды и даем ток, чтобы черви ползли "на выход", где мы их и собираем, или пропускаем субстрат вместе с червями через измельчитель, тем самым повышая его питательную ценность, но испытывая некоторую неловкость перед ними.

Несмотря на то, что в настоящее время выведено множество видов червей под определенные климатические условия и виды отходов, в силу специфики процесс переработки в открытых буртах возможен только в весенне-летний период. Зимой ситуация выглядит как-то так

На мой субъективный взгляд, в открытом виде такая технология возможна на широтах южнее Москвы. Использование закрытых бункеров и модулей позволяет решить эту проблему, но вопрос об экономической целесообразности сего действа остается открытым.

Плюсы: простая технология, высокое качество конечного продукта, медитативность процесса.

Минусы: низкая интенсивность переработки, ограниченность использования в осенне-зимний период.

Вермикомпостирование при помощи красных калифорнийских червей в США

5. Термическая сушка. Чистая физика - нагреваем материал, уменьшаем влажность. За счет термообработки погибает вся патогеника, а готовый продукт - сухой и рассыпчатый. Хотим еще уменьшить влажность - повышаем температуру и срок переработки.

Подобные установки применяются во многих отраслях, в рециклинге - не очень часто в силу высокой энергоемкости процесса.

Плюсы: отлаженная и простая технология, на выходе - сухой продукт.

Минусы: конские затраты на электроэнергию, высокие потери питательных веществ.

Установка для термической сушки птичьего помета в Китае

6. Пиролиз. Загружаем отходы в бак, создаем зону разрежения (вакуум) и нагреваем отходы до 600-800°С. В результате такой шоковой терапии все, что может уйти в газообразную форму - уходит в виде пиролизного газа. Оставшаяся часть сгорает и может быть использована в виде угля. Из пиролизного газа после очистки и переработки получается метан и масло, которые могут использоваться в промышленности.

Плюсы: максимальное уменьшение количества отходов, производство широкого спектра продуктов

Минусы: адское энергопотребление, танцы с бубном вокруг комиссий СЭС и Росприроднадзора для лицензирования технологии

Пиролизная установка в Белоруссии

Показать полностью 6
12

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

Ликбез по биорециклингу: часть 2

Показать полностью 9
7588

Импортозамещение без мам, пап и кредитов: личный опыт

Всем привет.

Хочу рассказать о моем главном, на текущий момент, жизненном достижении — реализации разработки от идеи до функционирующего оборудования.

Я занимаюсь вопросами эффективного обращения с отходами, ресурсосбережения и рационального природопользования. Я начинал свою работу в агроинженерном НИИ в Санкт-Петербурге, где участвовал в 12 российских и международных проектах по агроинженерной и экологической тематике.

Меня всегда удивляла разница подходов: отечественное законодательство рассматривает навоз как отходы 3-4 классов опасности, за размещение которых предприятие должно платить взносы за негативное воздействие; законодательство ЕС рассматривает его как ценный ресурс, который, в зависимости от технологии переработки, может быть не только удобрением, но и сырьем для производства биогаза, животноводческой подстилки, кормовых добавок и т.д.

Нет возможности использования — нет стимула к развитию. Поэтому множество перспективных отечественных разработок остается на стадии патентов. Это привело к забавному парадоксу: имея потребность в оборудовании для переработки отходов, кучу наработок и производственные площадки, способные его изготовить, мы не делаем его сами, а закупаем втридорога заграницей.

Зачем вообще необходимо какое-то оборудование для переработки отходов? Чем не устраивает традиционное компостирование в полях, применяемое сотни лет? Для ЛЛ: сроками переработки и количеством потерь питательных веществ при утилизации. Ферментация в установках закрытого типа позволяет регулировать интенсивность температурного режима, сокращая сроки переработки с 3-6 месяцев до 2-3 суток. В силу закрытости процесса и отсутствия прямого контакта с окружающей средой, питательные вещества (в первую очередь, азот и фосфор) не улетучиваются в атмосферу и не проникать в почву и грунтовые воды.

С учетом всего выше сказанного, принято решение двигаться в этом направлении. Набив руку на нескольких патентах, разработанных и поданных совместно со старшими товарищами, понимаю, что можно приступать к самостоятельной работе.

Принципиальные требования, которые я ставил перед собой, были несложными:

1. Оборудование должно быть изготовлено, а не остаться идеей на бумаге;

2. Оно должно работать «плюс-минус» так же, как задумано.

И уже на этом этапе возникли сложности — были введены новые правила закупок оборудования и материалов за бюджетные средства, а вдобавок — при сокращении финансирования институту поставлена задача кратно увеличить среднюю з/п научным сотрудникам, поэтому все закупки режутся, а полученные средства — перераспределяются в ФОТ. Таким образом, примерно за год до знаменитого выступления Дмитрия Анатольевича я оказался в ситуации

Пришлось выкручиваться. Огромную помощь в этом мне оказал мой научный руководитель, при помощи хоз.договоров отыскавший средства на покупку мотор-редуктора и трубы для барабана. Итак, дело за малым — приобрести все остальное. Тут я с головой ушел в подготовку заявок в различные научные фонды и программы, дающих деньги на перспективные разработки. Ближайшая — программа УМНИК Фонда содействия инновациям. Итак, направление понятно, цели известны — готовим заявку. Полуфинал, финал, победа. Ура, у меня есть деньги. Целых 200 тысяч.

Сейчас я на них как изготовлю все, что надо, думал я. Короче, этих средств хватило только на металл и электрику. Сборка оборудования проводилась силами сотрудников института. И вот он, ШЕДЕВР!

В сухом остатке: оборудование изготовлено и может выполнять свою функцию. Однако, обнаружились и минусы: высокая металлоемкость, притирание металла при вращении барабана подклинивает торцы, а люки, выполненные на боковой поверхности барабана, предусматривают загрузку только в одном положении.

Ладно, будем решать проблемы по мере поступления. Направляем в Фонд промежуточный отчет, получаем второй транш (еще 200 тысяч), покупаем тензодатчики и допиливаем установку — у нас же как-никак исследовательское оборудование.

Патентуем оборудование, попутно решая вопросы с правообладанием: по условиям конкурса, патентообладателем не может быть институт. Договариваемся с администрацией НИИ, что патент оформляется на меня, а установка — ставится на баланс института. Ура, я теперь не только автор изобретения, но и полноценный патентообладатель.

Проводим серию опытов с различными видами отходов и убеждаемся, что оборудование работает. Попутно защищаем кандидатскую диссертацию по этой теме. Возвращаемся к железу. Взвешиваем недостатки, придумываем решение. Надо делать проще и надежнее. Путь известен — идем в Фонд содействия инновациям.

Поскольку у нас за плечами успешно реализованный УМНИК, подаемся на СТАРТ: финансирование больше, ответственность — выше. Заочная экспертиза, очное выступление, победа. Заключаем договор с Фондом и сталкиваемся с первой проблемой — на данном этапе Фонд взаимодействует только с юр. лицами. Попадаем под волну отказов в регистрации, пишем письмо в Фонд о продлении сроков заключения договора. Готовим письмо в ФНС за подписью директора НИИ, что фирма открывается с целью выполнения научного проекта под курированием института. С третьей попытки создаем ООО, заключаем договор с Фондом.

Далее, по отработанной схеме — транш, комплектующие, изготовление. Берем институт на субподряд на изготовление особо сложных элементов.

Патентуем оборудование, готовим заявку на СТАРТ-2. Проводим серию опытов по переработке пищевых отходов.

Исходный материал: пищевые отходы

Конечный продукт

Изучаем плюсы и минусы предыдущих моделей, компилируем достоинства и убираем недостатки. Готовим новый патент. В это время первый ферментатор отправляется на Дальний Восток — перерабатывать птичий помет.

Параллельно с этим работаем над инфраструктурным проектом EcoAgRAS: совершенствование системы обращения с навозом на животноводческом комплексе Ленинградской области. Изначально в проекте предусматривается использование австрийской установки BRU,

но рост цен, произошедший между утверждением сметы проекта и началом работ, не позволяет вписать его в бюджет. Идем к руководителю проекта и предлагаем рассмотреть возможность внедрения нашего оборудования. Естественно, промышленное исполнение подразумевает участие завода, обладающего необходимыми производственными мощностями. Находим в СПб такое производство, обсуждаем возможность изготовления оборудования согласно новому патенту.

Вуаля — у нас есть производство. Институт заключает договор с заводом для изготовления ферментатора. Вроде бы все идет неплохо...

Март 2020. На основную сцену выходит Его Величество COVID: локдауны, нарушение логистики, рост цен на комплектующие.

Руководители производства смотрят на индекс цен на металл

Несмотря на это все, успешно реализуем проект. Автоматизированный биоферментатор полезным объемом 36 куб. м встает на площадку животноводческой фермы. Запуск линии производится администрацией региона. Большие чины жмут друг другу руки,  поздравляют и хвалят. Я в 100 км от места событий утираю слезу гордости.

Параллельно изготавливаем еще несколько биоферментаторов поменьше (объемом 3 куб. м.), которые разъезжаются по России.

Что имеем в сухом остатке? Запущена линейка оборудования для переработки отходов, при этом его конечная стоимость для потребителя в 1,5 -2 раза дешевле зарубежных аналогов, а функционал — как минимум, не ниже. Ферментаторы перерабатывают широкий спектр органических отходов: от птичьего помета и навоза КРС до пищевых отходов, а полученный продукт может использоваться как удобрение, животноводческая подстилки или кормовые добавки. Потери питательных веществ составляют: азота 4-8%, фосфора — 0-1,5%. В силу особенностей технологического процесса, энергоемкость переработки составляет до 6 кВт·ч/т.

Совершенствуем дальше =)

Показать полностью 17 2
Отличная работа, все прочитано!