Термофильное сбраживание бытовых пищевых отходов

Тип работы: Реферат
Бесплатно: Антиплагиат
Объем: 11 страниц
В избранное:

Термофильное сбраживание бытовых пищевых отходов

В статье рассматриваются вопросы сбраживания бытовых пищевых отходов. В настоящее время объем пищевых отходов, не говоря уже о других бытовых отходах, также занимает очень большое место. С одной стороны, это большая расточительность продуктов питания, а с другой-загрязнение окружающей среды. В связи с этим в статье показано, что термофильное сбраживание бытовых пищевых отходов является одним из путей решения указанных проблем. Термофильное сбраживания - технология переработки, обеспечивающая быстрое разложение органических веществ. Процесс разложения активизируется специальными штаммами бактерий и проходит в специализированных резервуарах при температуре 50-60 градусов. Также в исследовательской статье рассматривается возможность не только утилизации бытовых пищевых отходов путем термофильного сбраживания, но и производства полезного продукта, который компенсирует потребности человечества. В частности, биологический бытовой газоотвод. В свою очередь, биогаз является незаменимым природным источником энергии. 95 процентов ресторанов и кафе выбрасывают пищевые отходы в мусорное ведро. Там разрушаются пищевые отходы, выделяются вредные вещества и парниковые газы. Тем самым загрязняя окружающую среду и подвергая опасности здоровье людей. И ускоряет процесс глобального потепления. Новые технологии термофильного сбраживания применяются в европейских странах. Эта технология заключается в переработке пищевых отходов, а именно в том, что пищевые отходы проходят стадию анаэробного вскрытия, которое под воздействием бактерий загнивает и в этот момент выделяет биогаз метана. Оставшуюся массу при производстве биогаза можно использовать в качестве удобрения.
Ключевые слова: пищевые отходы, термофильное брожение, биологический газ, утилизация отходов.

Введение

В настоящее время очень распространены бытовые пищевые отходы. Это большая расточительность, потому что в некоторых странах мира есть страны, где люди не едят сытыми и даже чувствуют голод. Поэтому реализация перечисленных видов отходов была бы важным шагом перед человечеством. Одним из способов решения этой проблемы является термофильное сбраживание бытовых пищевых отходов. Отметим, что средний комплекс по переработке пищевых отходов позволяет получать две тысячи кубометров биогаза в сутки. В среднем на одного человека приходится 100 грамм остатков пищи. Это очень масштабная проблема. Ведь на приготовление пищи уходит много энергии и воды. На Земле такие ресурсы истощаются.
В этом году глава государства К. К. Токаев в своем Послании народу обратил внимание на экологическую ситуацию: Я хочу остановиться на еще одном важном вопросе. Мир обратился к экологической очистке промышленности и экономики. Сейчас это не слова, а конкретные решения, такие как налоги, пошлины и меры технического регулирования. Мы не можем остаться за его пределами. Такие решения напрямую влияют на нашу страну через экспорт, инвестиции и трансферт технологий. По сути, это вопрос устойчивого развития Казахстана. Поэтому я ставлю задачу к 2060 году избавиться от углерода [1]. На самом деле, даже огромное количество различных бытовых отходов, не говоря уже об отходах производства, из года в год загрязняет воздух.
Всестороннее изучение проблем термофильного сбраживания бытовых пищевых отходов еще не привлекло внимание казахстанской науки. Поэтому важность и актуальность изучения нашей темы очевидна. Также в связи с этим можно констатировать, что проблема данного исследования в том, что в нашей стране нет производств по переработке отходов. Например, термофильное сбраживание и термическая сушка пищевых отходов в барабанных вакуум-фильтрах существует только в России и Китае, не говоря уже о европейских странах. В частности, только на Курьяновской станции аэрации в Москве [2].
Термофильное сбраживание бытовых пищевых отходов первыми подхватили чешские ученые. Исследования специалистов показали, что различные поверхностно-активные вещества (ПАВ) по-разному влияют на процесс мезофильного брожения осадка. Присутствие в осадке 10 мгл алкилбензолсульфонатов с прямой или разветвленной алкильной цепью существенно тормозит процесс сбраживания, а та же концентрация алкилсульфатов е отрицательно влияет на этот процесс. Влияние отложений городских сточных вод на процессы мезофильной и термофильной сбраживании глубоко изучено исследователями Российской Академии коммунального хозяйства и научно-исследовательского отдела треста Мосочиствод [3]. Ученый Д. Штраух установил, что при термофильном сбраживании патогенная микрофлора осадка несколько уменьшается. Некоторые патогены также сохраняются во время термофильного брожения [4].
Термофильное cбраживание - технология переработки, обеспечивающая быстрое разложение органических веществ. Процесс разложения активизируется специальными штаммами бактерий и проходит в специализированных резервуарах при температуре 50-60 градусов. Термофильное сбраживание бытовых пищевых отходов позволяет добиться значительного уровня дезинфекции как аэробных, так и анаэробных видов. Согласно современным теориям, аэробное брожение является наиболее подходящим процессом. При термофильном сбраживании достигается полная дегельминтизация осадка, а при мезофильной температуре уничтожается только 50-80% яиц гельминтов. В результате брожения улучшается структура осадка, который превращается в однородную и не распадающуюся массу. С санитарной точки зрения достигается безопасность и хорошее ее использование. При термофильном сбраживании обеспечивается полная дегельминтизация осадка [5].

Материалы и методы исследования

Объектами исследования эффективности анаэробного сбраживания при высокой нагрузке и низкой влажности были процессы использования различных органических отходов (субстратов): модель органической фракции твердых бытовых отходов (ОФ-ТБО) (комбикорм СК-8), пищевые отходы, модель первичного ОСВ (корм для собак), избыточный активный ил, ОСВ (смесь первичного и вторичного осадка); и инокуляты: Грунт полигона ТБО (Кокшетау), теплолюбивый ферментированный ОСВ (Кокшетау). Объектами исследования в микробиологической части работы стали метаногенные консорциумы, устойчивые к высоким концентрациям летучих жирных кислот (ЛЖК) из лабораторного термофильного ферментированного ОСВ.
В эксперименте анаэробного сбраживания органических отходов в качестве субстрата в периодическом режиме использовались пищевые отходы и избыток активной настойки в соотношении OВ 8020. В качестве инокулята использовались 5 суспензий, приготовленных из уплотненных сброженных ОСВ, прессованных сброженных ОСВ и грунта анаэробной зоны полигона ТБО. Количество инокулята составляло от 20% до 50% по ОВ. Начальная влажность сбраживаемых смесей составила 92-93%. Опыты проводились во флаконах по 500 мл при температуре 50°С. В экспериментах по определению оптимального соотношения инокулята к субстрату и определению влияния катионного полиакриламидного флокулянта (ПАА) на процесс анаэробного брожения ОСВ при низкой влажности в качестве субстрата использовали модельный исходный осадок и избыточный активный осадок, а в качестве ферментированного ОСВ-инокулят. Эксперименты по определению биодеградабельности и токсичности ПАА-флокулянта проводились во флаконах объемом 120 мл. В качестве инокулята использовали уплотненный сброженный ОСВ (3 г), который разбавляли витаминно-минеральной средой до объема 50 мл. При определении токсичности ПАА в качестве субстрата использовали смесь ацетата, пропионата и бутирата. Эксперименты по ОФ-ТБО и ОСВ ко-ферментации проводились на лабораторном биогазовом реакторе объемом 0,05 м3. В качестве субстрата использовались пищевые отходы, ТБО, модельная органическая фракция ОСВ, а в качестве инокулята - сброженный ОСВ. Сбраживание производится при температуре 55°С. Загрузка новой порции субстрата проводилась 1 раз в день. Время хранения - 10 дней.
Метаногенные консорциумы, устойчивые к высоким концентрациям ЛЖЖ, получали путем постепенного пересева в среду пфеннига (Pfennig, 1965) с увеличением концентрации субстрата (пропионат, бутират). Источником анаэробных микроорганизмов был сброженный ОСВ (10%). Проверка эффективности полученных консорциумов проводилась в эксперименте по сбраживанию органической фракции твердых отходов с исходным отношением инокулята к субстрату 5050 и 2080. Основной инокулят (сбраженный ОСВ) вводился смешанным метаногенным консорциумом в соотношении 11 по объему. Разделение чистых культур проводили посевом на плотную питательную среду с использованием метода последовательного разбавления-модифицированного метода Хангейта (Hungate, 1969) с использованием специфических ингибиторов роста (антибиотики, бромэтансульфоновая кислота). Описание новых бактерий проводили по общепринятой схеме. Изучение морфологии и подсчет количества клеток проводили с помощью микроскопов. Для исследования микроструктуры клеток, включений и жгутиков использовался трансмиссионный электронный микроскоп.
Аналитические методы. Общее количество сухого вещества (СВ) в образцах определяли до постоянной массы при температуре 105°C после сушки. Остаток золы определяли после обжига сухого образца в мини-печи муфельного типа до постоянной массы при 650°С. Содержание газообразных продуктов (Н2, СН4, СO2) и летучих жирных кислот (ЛЖК) определяли на хроматографе. Содержание общего азота аммония в жидкой фракции определяли с помощью методов производителя для спектрофотометра. Измерение pН проводили с помощью pH-метра 320.
Молекулярные методы. Исследование микробного состава накопительных культур и определение новых изолятов проводили путем интенсификации гена рРНК 16S, молекулярного клонирования и систематизации по методу Сэнгера (Sanger, 1977). Редактирование и анализ полученных данных проводили с помощью следующих программ: Chromas, NCBI Blast, Find Chimeras, BioEditv 7.0.0, Mega 5.2. SP2 геномные библиотеки для анализа генома штамма были созданы с помощью набора NEBNext DNA library prep, а затем отрегулированы с помощью секвенатора. Оценка качества исходной цепи, сбор длинных фрагментов и филогенетический анализ проводились по ранее описанным методикам (Bankevich et al., 2012; Tatusova et al., 2013; Nguyen et al., 2015).

Результаты исследований и их обсуждение

Термофильное сбраживание бытовых пищевых отходов характеризуется высокой интенсивностью разложения органических веществ и заканчивается примерно в 2 раза быстрее, за счет чего необходимый объем структур уменьшается вдвое. Зависимость времени сбраживание от температуры свидетельствует о ходе мезофильного и термофильного процесса брожения. Термофильное сбраживание осадка эффективно обеззараживает осадок, обеспечивает полную гибель болезнетворных бактерий кишечной группы и яиц гельминтов в течение нескольких часов. При мезофильном брожении этот период увеличивается до нескольких дней. Поскольку выгрузка осадка из метантенка производится один раз в сутки, только применение термофильной сбраживании может гарантировать обеззараживание перерабатываемых осадков. Однако теплолюбивое сбраживание также характеризуется недостатками, ограничивающими его применение. Расчет теплового баланса таких метантенков в два раза увеличил теплопотери по сравнению с мезофильным режимом работы. Кроме того, выделяющихся зимой газов может быть недостаточно для выработки необходимого тепла. Кроме того, в теплолюбивых условиях сброженный осадок плохо высыхает [6].
Целью эксперимента являлось определение наиболее эффективного инокулята для начала процесса анаэробного брожения смеси пищевых отходов низкой влажности и избыточного активного ила во флаконах объемом 0,5 л. В качестве инокулята исследовались: 1) уплотненный сброженный ОСВ, 2) прессованный сброженный ОСВ, 3) грунт полигона ТБО, а также смеси ТБО и грунта ОСВ. Высокая начальная концентрация ОВ (71,2+-1,5 г ОВл), низкая влажность (92-93%) и низкое отношение инокулята к субстрату (15+-585+-5 по ОВ) привели к резкому накоплению ЛЖК (9,8 - 14,0 гл) и снижению рН до 5,4 - 6,0 во всех вариантах сбраживаемых смесей. Это привело к полному прекращению метаногенеза, который со временем не восстанавливался. Примерно 39,8-48,9% сброженных примесей распадалось до летучих компонентов (ЛЖК, спирты, СО2, Н2).
Восстановление метаногенеза в исследуемых образцах было достигнуто после частичной сепарации брожаемой массы (снижение концентрации сухого вещества на 15,8+-0,8% от первоначальной), увеличения доли инокулята до 30-40% в расчете суммарной ОВ смеси и химического выщелачивания с помощью раствора 1н NaOH. Влажность сбраживаемой смеси увеличилась до 93,5 - 94,0%.
После стабилизации процесса метаногенеза этапы кислотогенного ЛЖК превращались в метан (рисунок 1). Максимальная скорость образования метана наблюдалась при использовании в качестве инокулята прессованной сброженной смеси ОСВ с активированной суспензией почвы полигона ТБО (4,77+-0,24мМ СН4(г ОВ сут)) и прессованной сброженной смеси ОСВ с активированной суспензией почвы полигона ТБО (4,08+-0,20мМ СН4(г ОВ сут)). Показана относительно высокая скорость метаногенеза (3,57+-0,18мМ CH4 (г ОВ сут)) для смеси с инокулированной суспензией почвы полигона ТБО. Скорость метаногенеза, уплотненного или прессованного в качестве инокулята, при добавлении ОСВ составила 0,53+-0,03 и 1,72+-0,09 мМ СН4(г ОВ сут) соответственно. Степень разложения об в исследуемых смесях составила 75-85%, содержание метана в биогазе достигло 60-65%.

Рисунок 1. Динамика накопления метана (млг ОВ исх) в ходе термофильного сбраживания (50°С) смеси пищевых ... продолжение

Вы можете абсолютно на бесплатной основе полностью просмотреть эту работу через наше приложение.