from 01.01.1997 until now
Moscow, Moscow, Russian Federation
The article presents a general review of the third volume of the textbook of Doctor of technical sciences, professor Lukanin A.V. "Processes and apparatus for protecting the lithosphere from solid industrial and domestic waste". Three volumes in the aggregate, devoted to various aspects of environmental protection (processes and apparatus for cleaning air and gas emissions, sewage treatment and processes and devices for protecting the lithosphere), allow us to present such a serious educational material that covers virtually all areas of processes and apparatuses for environmental protection.
solid waste, biotechnology, microbiology, leaching, sewage sludge, composting, biogas, fodder protein, anaerobic digestion, methane.
Для большинства основных видов крупнотоннажных твердых отходов описаны экономически целесообразные технологии их утилизации на основе традиционных приемов процессов и аппаратов химической технологии.
В учебном пособии изложены различные методы переработки твердых отходов, позволяющие узнать и овладеть этими методами. Механические способы подготовки включают измельчение, классификацию, дозирование, перемещение, смешение и укрупнение. Освещены вопросы обогащения твердых отходов при помощи гравитации и флотации. Рассмотрены физико-химические методы выделения веществ при участии жидкой фазы – выщелачивание (экстрагирование), включая биосорбцию, кристаллизация. Описаны методы термической переработки промышленных и бытовых отходов – газификация, пиролиз, огневые методы. Подробно изложены вопросы биотехнологической переработки органических отходов, рассмотрены источники образования этих отходов [6, 8, 9]. Освещены вопросы получения белково-витаминных добавок [8, 9], компостирования [18], анаэробного сбраживания и метаногенерации [10], силосования при утилизации органических отходов. Приведены примеры переработки хлорорганических отходов, кислых гудронов, металлсодержащих шламов, отходов газификации топлив, резинотехнических изделий, пластмасс, отходов горнодобывающей промышленности.
В работе представлен обширный материал по утилизации твердых отходов биотехнологическими приемами.
Рассмотрены отходы, пригодные к биологической переработке [3, 6].
Древесина и ее компоненты: целлюлоза и гемицеллюлоза, лигнин, кора. Из 200 млрд т (по сухому веществу) годового прироста биомассы на земном шаре около 120 млрд т приходится на древесину. Ежегодно в мире заготавливается около 2 млрд т древесины, из которых 45% расходуется на топливо, 40% – на производство пиломатериалов, 15% – перерабатывается в химической и биотехнологической промышленности (в основном в виде отходов деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности) [3, 6].
Отходы целлюлозно-бумажной промышленности (предгидролизаты, сульфитный щелок, технический лигнин) и сельского хозяйства (солома, кукурузная кочерыжка, рисовая шелуха, подсолнечная лузга и др.) [3, 4, 6].
Отходы перерабатывающей промышленности: сахарной, крупяного производства, крахмало-паточной, спиртового, винодельческого и пивоваренного производств, плодоовощного производства, мясной, птицеперерабатывающей, рыбной, кожевенной и меховой, масложировой, табачной, эфиро-масличного производства, производства пищевых кислот, молочной [2, 3, 6].
Твердые бытовые отходы (ТБО), отходы животноводства, отходы от очистных сооружений, донные ил и осадки.
Из различных биологических методов переработки отходов наиболее широко используются микробиологические. Способность микроорганизмов и их ферментов потреблять органические вещества различного строения, разлагать или трансформировать природные биополимеры лежит в основе получения многих полезных продуктов микробиологического синтеза и переработки отходов.
Микроорганизмы обладают высокой скоростью накопления биомассы, которая в 500 – 5000 раз выше, чем у растений или животных. Микробные клетки способны накапливать очень большое количество белка (дрожжи – до 60%, бактерии – до 75% по массе). Белок биомассы дрожжей и бактерий полноценен по аминокислотному составу, содержит целый ряд биологически активных веществ (витаминов, кофакторов и т.п.), что определяет его высокую кормовую ценность. При исследовании микробной биомассы была выявлена ее чрезвычайно высокая эффективность для мясного и молочного животноводства и птицеводства. Кормовые дрожжи содержат в 5 раз больше белка, чем ячмень или овес. Кроме того, в дрожжах имеются практически все витамины группы В и целый ряд ростовых веществ. Одна тонна кормовых дрожжей (в сухом виде) обеспечивает экономию до 7 т зерна и дополнительное производство 0,8 т свинины, 5 т мяса птицы или до 15 тыс. штук яиц [1, 3, 7, 19].
Показаны возможные варианты переработки растительного сырья и целлюлозосодержащих отходов (рис. 1).
Рис. 1. Биоконверсия растительного сырья в полезные продукты
К наиболее крупномасштабным промышленным микробиологическим процессам переработки органических отходов относятся: получение кормовых продуктов, обогащенных микробным белком, силосование, компостирование, анаэробное сбраживание, биоконверсия в топливо (в этанол, получение биогаза – метаногенерация, прямая конверсия в тепло) [3, 5, 14, 15, 16, 18].
Технология микробиологической конверсии отходов в кормовой белок
Основной стадией промышленного биотехнологического производства является собственно стадия ферментации [17, 20]. Исходя из принципиального решения этой стадии, а также характера целевого продукта, требований к его чистоте, содержанию примесей, строится и вся технологическая схема производства. Типовая схема, основные стадии и реализующие их технологические процессы представлены на рис. 2.
Рис. 2.
Дано описание процесса компостирования, как экзотермического процесса биологического окисления органического вещества, в котором органический субстрат подвергается аэробной биодеградации смешанной популяцией микроорганизмов. Искусственное компостирование, как правило, происходит в аэробных условиях.
В процессе биодеградации под действием естественной микрофлоры – мезофильных и термофильных бактерий – окисляется до 60% органического вещества. Конечный продукт компостирования в виде гумифицированного стабилизированного, обеззараженного сыпучего продукта, пригоден для дальнейшей утилизации. Компостирование механически обезвоженных или подсушенных на иловых площадках осадков получило широкое применение.
Показаны преимущества компостирования с принудительной аэрацией, подробно изложена технология. Описан выход компоста в процессе компостирования и его состав [3, 6, 11, 14, 18].
Анаэробное сбраживание и метаногенерация
Описан процесс анаэробного сбраживания при переработке, обезвреживании и уменьшении объемов биомассы различного происхождения, отходов животноводческих и птицеферм, осадков очистных сооружений, бытовых отходов, целлюлозо-, белок-, жиросодержащих и других материалов с большим содержанием органических веществ. Органическое вещество минерализуется в процессе метаногенерации с образованием биогаза. Образующийся биогаз может быть утилизирован на энергетические и тепловые нужды [10, 11, 12, 13].
Метаногенерация – сложный, многостадийный процесс, в котором исходные органические вещества последовательно превращаются в более простые с переходом значительной части углерода в метан и углекислый газ и в иловую жидкость. Биохимические и микробиологические особенности анаэробного разложения органических веществ в стоках и отходах изучены достаточно хорошо, что позволяет осуществлять эффективные биотехнологические процессы. Описаны стадии метанового разложения гидролиза, кислотную (ацидогенную), ацетогенную и четвертую, метаногенную, стадию (стадию газообразования).
1. Lukanin A.V. Pererabotka othodov hleboproizvodstva s polucheniem belkovo - vitaminnoy dobavki. Ekologiya i promyshlennost' Rossii, yanvar', 2013. - S. 11-15.
2. Lukanin A.V. Processy i apparaty biotehnologicheskoy ochistki stochnyh vod. Uchebnoe posobie. M.: Universitet mashinostroeniya, 2014. - 244 s.
3. Lukanin A.V. Inzhenernaya biotehnologiya: osnovy tehnologii mikrobiologicheskih proizvodstv: uchebnoe posobie. M.: INFRA-M, 2016. - 304 s.
4. Lukanin A.V. Processy i apparaty biotehnologicheskoy ochistki stochnyh vod. Uchebnoe posobie. M.: INFRA-M, 2016. - 242 s.
5. Klyushenkova M.I., Lukanin A.V. Zaschita okruzhayuschey sredy ot promyshlennyh gazovyh vybrosov. Uchebnoe posobie. M.: INFRA-M, 2016. - 142 s.
6. Lukanin A.V. Inzhenernaya biotehnologiya: processy i apparaty mikrobiologicheskih proizvodstv: uchebnoe posobie. M.: INFRA-M, 2016. - 451 s.
7. Lukanin A.V. Ekologicheskoe sovershenstvovanie krupnotonnazhnyh proizvodstv kormovogo belka. Ekologicheskiy vestnik Rossii, №6, 2016. - s. 46-56.
8. Lukanin A.V., Tahtarova T.V. Sposob polucheniya belkovo-vitaminnoy dobavki dlya sel'skohozyaystvennyh zhivotnyh i pticy. Patent RF №2592568 ot 01.06.2016 g.
9. Lukanin A.V., Tahtarova T.V. Sposob polucheniya belkovo-vitaminnoy dobavki dlya sel'skohozyaystvennyh zhivotnyh i pticy. Patent RF №2598553 ot 01.09 .2016 g.
10. Lukanin A.V., Tahtarova T.V. Sposob razdeleniya biogaza. Patent RF №2600379 ot 28.09 .2016 g.
11. Lukanin A.V. Inzhenernaya ekologiya: Processy i apparaty ochistki stochnyh vod i pererabotki osadkov: uchebnoe posobie M.: INFRA-M, 2017. - 605 s. + dop. materialy.
12. Lukanin A.V. Zaschita vozdushnogo basseyna pri krupnotonnazhnom proizvodstve kormovogo belka. Ekologiya i promyshlennost' Rossii, mart, 2017 g. - s. 4-11.
13. Lukanin A.V. Inzhenernaya ekologiya: processy i apparaty ochistki gazovozdushnyh vybrosov: uchebnoe posobie. M.: INFRA-M, 2017. - 523 s.
14. Lukanin A.V. Kompostirovanie tverdyh bytovyh othodov gorodskogo hozyaystva. Ekologiya i promyshlennost' Rossii, yanvar', 2012 g., s. 8-11.
15. Lukanin A.V., Solomaha G.P. Gidrodinamika techeniya i massoperenos v produvaemom zakruchennom sloe zhidkosti. AN SSSR, zh.TOHT, tom HH11, №4, M., 1988. - S. 435-441.
16. Lukanin A.V. Modernizaciya promyshlennogo fermentera ADR-900-76 dlya proizvodstva belkovoy kormovoy dobavki iz rastitel'nogo syr'ya. zh. Biotehnologiya, №6, 2003 g., s. 84-88.
17. Lukanin A.V. Novyy vysokoeffektivnyy promyshlennyy fermenter bol'shoy edinichnoy moschnosti dlya proizvodstva belkovoy kormovoy dobavki zh. Nauka i promyshlennost' Rossii, №2-3, (70-71) 2003 g., s. 61-66.
18. Lukanin A.V. Poluchenie kompostov iz kommunal'nyh othodov. Prikladnaya toksikologiya. Tom III, №2 (8), 2012 g., s. 46-54.
19. Lukanin A.V. Kandidatskaya dissertaciya. «Razrabotka massoobmennyh apparatov dlya sistem proizvodstva mikrovodorosley, ih gidravlicheskie i massoobmennye harakteristiki» , 1984. 219 s.
20. Lukanin A.V. Doktorskaya dissertaciya. «Ekologicheskoe sovershenstvovanie krupnotonnazhnyh proizvodstv kormovogo belka», M., 1994. 269 s.
