способ переработки органических отходов, содержащих жиры и белки

Формула изобретения

Способ переработки органических отходов, содержащих жиры и белки, включающий окисление указанных отходов кислородом, отличающийся тем, что перед окислением отходы доводят до влажности 85-95% на органическую составляющую и добавляют щелочь до рН 12,0-14,0, затем нагревают до температуры 160-200^oС, а окисление проводят путем пропускания кислородсодержащего газа при давлении 1,4-2,4 МПа в течение 0,5-3 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам переработки отходов, а более точно к способам переработки отходов, содержащих жиры и белки, и наиболее успешно может использоваться при создании средств переработки отходов животноводства, птицеводства, мясо-, рыбо-, молоко- и других перерабатывающих предприятий.

При промышленном животноводстве, в частности свиноводстве и птицеводстве, возникает проблема переработки отходов. Обычно выделения животных, остатки пищи собирают или смывают водой и хранят до переработки в специальных хранилищах.

Несмотря на высокую потенциальную ценность таких отходов в качестве удобрений для сельскохозяйственных культур, использование их затруднено. Прежде всего это обусловлено следующими обстоятельствами.

Свиной навоз обычно кроме полимерных углеводов (целлюлозы, гемицеллюлозы) и лигнина содержит белки и жир, которые являются хорошим субстратом для развития болезнетворных бактерий, а также сохранения яиц и инвазионных личинок гельминтов; причем, из-за особенностей физиологии свиней, эти бактерии и гельминты опасны не только для животных, но и для людей. Поэтому использользование свиного навоза в качестве удобрения без предварительной обработки невозможно.

Птичий помет содержит большое количество белковых соединений, патогенную микрофлору, включая возбудителей орнитозов, которые могут быть опасны для людей, а в процессе хранения помет может быть заселен (например, с помощью мух) яйцами и инвазионными личинками гельминтов, опасными для людей.

Использовать птичий помет без дополнительной переработки невозможно из-за вероятности инфицирования почвы патогенной микрофлорой и яйцами гельминтов.

Птичий помет обладает относительно высокой щелочностью (около 8 единиц рН), что также следует учитывать при использовании его в качестве удобрения.

Кроме того, как навоз, так и птичий помет может содержать и семена сорняков, что при удобрении полей непереработанными отходами, ведет к засорению полей, при этом вынос питательных веществ из почвы сорняками в некоторых случаях превышает количество питательных веществ, поступивших в культурные растения.

Сходные проблемы возникают и при утилизации отходов пищевых производств (переработки мяса, рыбы, молока и т.п.). Эти отходы также содержат большое количества белков и жира, и обычно заражены патогенными микроорганизмами.

Традиционным методом, особенно при переработке отходов животноводства и птицеводства, является компостирование, однако при этом требуются наполнители (например, солома, торф и др.), а температура саморазогревания компоста зачастую недостаточно велика для уничтожении всей патогенной микрофлоры и гельминтов.

В настоящее время появились новые методы переработки отходов, например, с помощью беспозвоночных животных [Покровская С.Ф. Использование дождевых червей для переработки органических отходов и повышения плодородия почв (вермикультура): Обзорная информ. / ВНИИТЭИагропром. - М., 1991, 39 с.].

Технология вермикомпостирования основана на способности червей и сопутствующих им микроорганизмов и микроскопических сапротрофных беспозвоночных животных в процессе своей жизнедеятельности ассимилировать пищевые вещества, входящие в состав органических остатков. В процессе вермикомпостирования органические остатки измельчаются, гумифицируются (т.е. химически трансформируются), обогащаются некоторыми соединениями элементов минерального питания растений, ферментами и непатогенными для растений микроорганизмами.

Заселенные червями отходы быстро перестают выделять неприятные запахи. Любой гниющий органический материал после заселения червями дезодорируется через 1 -2 дня.

При вермикомпостировании происходит ускорение процесса минерализации и гумификации органического вещества отходов (в 2-5 раз в зависимости от свойств исходного сырья), уменьшается объем отходов, происходит обеззараживание компоста, поскольку в присутствии червей создаются благоприятные условия для деятельности микроорганизмов, подавляющих развитие патогенных бактерий.

Однако, несмотря на очевидные достоинства, этот метод имеет и серьезные недостатки. Черви, культивируемые на отходах, нуждаются в определенных условиях. Важнейшие из них - температура, влажность, кислотность среды, кислородный режим, состав корма. Оптимальная температура для жизнедеятельности навозных червей - 15-25^oС. Как более низкие, так и более высокие температуры оказывают угнетающее действие на жизнедеятельность червей. Влажность субстрата, в котором разводят червей, должна поддерживаться в диапазоне от 55 до 70% от полной влагоемкости субстрата.

Кислотность субстрата рекомендуется поддерживать в интервале от 5 до 7,5 единиц рН. В естественных условиях виды червей, пригодных для вермикомпостирования, обитают в поверхностном слое почвы. Поэтому для обеспечения снабжения культивируемых червей кислородом отходы необходимо раскладывать относительно тонким слоем.

Важный фактор, влияющий на жизнедеятельность червей, - состав отходов, служащих им кормом. В состав пищевого субстрата должны входить белки (не менее 15%), углеводы, разнообразные минеральные вещества, витамины. Выявлена особая потребность червей в веществах, богатых азотом.

Такая технология переработки отходов, как следует из сказанного выше, является относительно дорогой, и, несмотря на высокую степень переработки сырья и высокое качество полученного продукта, используется не очень широко.

Для переработки сельхозотходов, в частности свиного навоза, также достаточно широко применяются методы биологической их переработки, например микробной утилизации, в специальных установках.

Такой способ описан, например, в заявке РФ 99103878, касающейся установки для утилизации сельскохозяйственных отходов.

В соответствии с описанным способом жидкие отходы (смытые водой экскреты животных и остатки пищи) ненормируемой влажности поступают в сборник, затем в метантенк. В метантенке процесс переработки отходов происходит в несколько этапов, причем температура в течение всего процесса переработки поддерживается в пределах 20-25^oС.

На первом этапе под действием сбраживающих бактерий происходит частичное окисление липидной фракции навоза с образованием низкомолекулярных кислот (масляной, уксусной и др.), углекислого газа и воды. Белковая составляющая органических отходов частично разрушается (окисляется) с образованием серной, сернистой, азотной и азотистой кислот, а также углекислого газа и воды. При этом неспорообразующие патогенные бактерии погибают, а спорообразующие могут цистироваться. Яйца гельминтов остаются практически жизнеспособными.

На следующих этапах происходит бескислородное окисление органического субстрата с образованием аммиака, сероводорода и газообразного метана. Очищенный метан направляют для дальнейшего использования.

Этот способ обеспечивает уменьшение объемов органической составляющей отходов, однако оставляет без изменения неорганическую часть, в частности соединения тяжелых металлов. Таким образом, этот способ не является безотходным. Кроме того, данный способ не обеспечивает уничтожение яиц гельминтов и полное обеззараживание от патогенных микроорганизмов, поскольку, как указано выше, температура поддерживается в пределах 20-25^oС, что обусловлено необходимостью сохранения жизнеспособности полезных для процесса микроорганизмов. Следует также отметить, что такой процесс переработки протекает достаточно длительное время - от одних суток до недели. Помимо этого, накапливающийся в процессе переработки минеральный осадок время от времени необходимо удалять, в противном случае он способен оказывать угнетающее действие на метаногенные микроорганизмы, процесс переработки органического материала замедляется и может даже полностью прекратиться. Обычно, поскольку осадок является достаточно опасным (содержит патогенные микроорганизмы, жизнеспособные яйца гельминтов, соединения тяжелых металлов и др.), его сжигают, что ведет к дополнительному загрязнению атмосферы и требует дополнительных расходов.

Задачей настоящего изобретения является создание способа, который бы обеспечивал безотходную переработку отходов животноводческих, птицеводческих, мясо-, рыбо-, молоко- и других перерабатывающих предприятий, и получение безопасного для человека и окружающей среды полезного конечного продукта при одновременном сокращении времени переработки.

Поставленная задача решается тем, что в способе переработки отходов, содержащих жиры и белки, включающем окисление отходов кислородом, в соответствии с изобретением перед окислением отходы доводят до влажности 85-95% на органическую составляющую и добавляют щелочь до рН 12,0-14,0, а затем нагревают до температуры 160-200^oС, после чего проводят окисление путем пропускания кислородосодержащего газа при давлении 1,4-2,4 МПа, в течение 0,5-3 ч.

На первом этапе под воздействием щелочи при повышенной температуре происходит гидролитическая деструкция, а именно деполимеризация органических соединений, при этом образуются мономеры макромолекул: аминокислоты, фенольные соединения, карбоновые кислоты и т. п.

На втором этапе происходит синтез гуминовых веществ (которые с химической точки зрения представляют собой темноокрашенные органические соединения арилгликопротеидной природы). При этом соли тяжелых металлов образуют нерастворимые соединения.

Благодаря указанным режимам переработки происходит полное обеззараживание отходов, а в результате применения способа получаются только полезные вещества: в виде жидкости - гуминовые вещества, которые в дальнейшем могут найти применение как в сельском хозяйстве, так и в промышленности, и твердый осадок, который может найти применение как компонент строительных материалов.

Способ в соответствии с изобретением осуществляется следующим образом.

Отходы, например смесь воды и экскретов животных, сгущают, например, с помощью выпаривателя, или разбавляют водой, доводя до влажности 85-95% на органическую составляющую. В случае, если влажность отходов более 95%, то процесс переработки дорожает (поскольку тепловой энергии требуется существенно больше). В том случае, если влажность сырья менее 85 %, то органические отходы неполностью перерабатываются, поскольку процесс гидролиза затрудняется.

Затем в смесь указанной влажности добавляют сухую или в виде 40% раствора щелочь в количестве, обеспечивающем достижение рН 12,0-14,0. Обычно используют едкий натр или едкое кали. Щелочность смеси определяется тем, что в заданном диапазоне рН происходит оптимальная трансформация органической составляющей сырья. В том случае, если кислотность реакционной массы менее 12,0, то деполимеризация исходного материала происходит неполностью, выход полезного продукта (гуминовых веществ) уменьшится. В том случае, если рН среды более 14,0, то преобладают процессы окисления органического материала до углекислого газа и воды. Количество гуминовых веществ в этом случае также уменьшится.

Затем подщелаченную смесь загружают в реактор. При этом может использоваться известный реактор, например газлифтный аппарат, описанный в патенте РФ 2091154. В реакторе реакционную массу при постоянном перемешивании нагревают без доступа воздуха до температуры 150-220^oС. При этом давление в реакторе самопроизвольно повышается до величины парового давления.

На этом этапе жир, содержащийся в отходах, гидролизуется до низкомолекулярных карбоновых кислот и углекислого газа, а белок гидролизуется до аминокислот и пептидов. Углеводы гидролизуются до низкомолекулярных карбоновых кислот и углекислого газа. Лигнин (как один из компонентов растительного материала, который входит в остатки неперевариваемой пищи) гидролизуется до бензолполикарбоновых кислот. Мочевина и ее производные под действием высокой температуры и давления химически пришиваются к органическим соединениям, способствуя образованию амино-, амидо- и иминогрупп.

На втором этапе реакционную массу при постоянной температуре окисляют кислородосодержащим газом, например компримированным воздухом. Для этого воздух под давлением подают в реактор, одновременно обеспечивая постоянное перемешивание реакционной массы. Давление поддерживают в диапазоне 1,4-2,4 МПа, а температуру - в указанном диапазоне. Продувку воздухом проводят до полной трансформации продукта в течение 0,5-3,0 ч. Время продувки определяется особенностями биохимического состава сырья. В процессе трансформации после гидролитического расщепления органических макромолекул (целлюлозы, лигнина, белка, жиров и др.) на составляющие их мономерные и/или олигомерные компоненты происходит взаимодействие этих низкомолекулярных составляющих друг с другом, что приводит к синтезу гуминовых веществ. Одновременно тяжелые металлы, содержащиеся в отходах, образуют нерастворимые соединения, которые выпадают в осадок.

После окончания окисления реакционную массу охлаждают в реакторе, сбрасывают давление и сливают продукт в приемную емкость.

Полученный продукт разделяют на твердую и жидкую фракции известными методами, например отстаиванием, центрифугированием, фильтрацией и т.д.

По окончании переработки отходов в растворе оказываются гуминовые вещества, которые могут использоваться, например, напрямую, путем жидкофазного распыления непосредственно на полях, или как компонент удобрений и/или мелиорантов для внесения в почву. Нерастворимый осадок содержит аморфный кремнезем и нерастворимые соединения металлов. Осадок может утилизироваться, например, как компонент строительных материалов.

Результаты переработки отходов (свиного навоза) приведены в таблице.

Как видно из приведенной таблицы, конечный продукт не содержит патогенных микроорганизмов, яиц и инвазионных личинок гельминтов, а также белков и жиров. Содержание солей тяжелых металлов в жидкой фазе продукта снизилось до величины менее 0,1%, что не опасно для человека и окружающей среды при использовании продукта в качестве удобрения. Нерастворимые же соли металлов не представляют опасности для окружающей среды и могут, как указано выше, в составе нерастворимого осадка использоваться, например, при изготовлении строительных материалов.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет разработать технологию безотходной переработки отходов, содержащих трудноразлагаемые обычными способами липидные и белковые компоненты, а также патогенные микроорганизмы, яйца и инвазионные личинки гельминтов.