БЫТОВОЙ МУСОР КАК ОСНОВА ОРГАНИЧЕСКОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ
сквозная технология, позволяющая включить бытовой мусор в природный цикл оборота углерода с производством почвы для органического земледелия.
УДК: 628.4.032 : 631.147
Морозов В.А.; доктор технических наук, академик Международной академии экологии. E-mail: vmfs@bk.ru .
АННОТАЦИЯ. Предлагается сквозная технология, позволяющая включить бытовой мусор в природный цикл оборота углерода с производством почвы для органического земледелия.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: сортировка мусора, пиролиз, сверхкритическое водное окисление, хлорелла, личинки Чёрной львинки, биодизель, почва органического земледелия.
HOUSEHOLD GARBAGE AS THE BASIS OF ORGANIC FARMING
Morozov V.A.
Abstract: End-to-end technology is proposed to include household waste in the natural carbon cycle with the production of soil for organic farming.
Keywords: waste sorting, pyrolysis, supercritical water oxidation, chlorella, Black lion larvae, biodiesel, organic farming soil.
Морозов В.А.; доктор технических наук, академик Международной академии экологии. E-mail: vmfs@bk.ru .
АННОТАЦИЯ. Предлагается сквозная технология, позволяющая включить бытовой мусор в природный цикл оборота углерода с производством почвы для органического земледелия.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: сортировка мусора, пиролиз, сверхкритическое водное окисление, хлорелла, личинки Чёрной львинки, биодизель, почва органического земледелия.
HOUSEHOLD GARBAGE AS THE BASIS OF ORGANIC FARMING
Morozov V.A.
Abstract: End-to-end technology is proposed to include household waste in the natural carbon cycle with the production of soil for organic farming.
Keywords: waste sorting, pyrolysis, supercritical water oxidation, chlorella, Black lion larvae, biodiesel, organic farming soil.
Рисунок 1. Сквозная технология получения почвы для органического земледелия из бытового мусора
Концепцией [1] определены цели технологического развития нашей страны и механизмы их достижения – создание технологий, объединяющих различные тренды научно-технического развития, повышающих качество и продолжительность жизни людей, радикально меняющих ситуацию на существующих рынках. Это - т.н. «сквозные» технологии. Рассмотрим вариант такой технологии, прямо относящийся к обозначенному [1] переходу на экологически чистую и ресурсосберегающую энергетику, переходу к технологиям здоровьесбережения наших людей и экологически чистое агрохозяйство.
Одна из глобальных экологических проблем - утилизация твёрдых коммунальных отходов (ТКО), например, [2]. Эта проблема решается и пока не имеет окончательного итога. Отметим варианты решения [3], где личинками Чёрной львинки планируется переработка пищевых отходов в ОАЭ и Московской области. Одновременно мировое сообщество работает ещё над одной экологической задачей – развитием рынка органических продуктов питания, например, [4]. В нашей стране разработана стратегия развития органического производства до 2030 года [5]. В стратегии, в частности, предусмотрены способы снижения негативного воздействия этого вида производства на окружающую среду:
·предотвращение деградации земель и почв;
·эффективное обращение с отходами производства и потребления, в т.ч. – повторное применение таких отходов;
·внедрение инновационных и экологически чистых технологий, развитие экологически безопасных производств.
Рассмотрим технологическую связку, позволяющую объединить решения обозначенных выше проблем и использовать ТКО в качестве сырья для ведения производства органических продуктов питания (Рисунок 1). Сокращённый вариант такой связки показан на рисунке выше.
Одна из глобальных экологических проблем - утилизация твёрдых коммунальных отходов (ТКО), например, [2]. Эта проблема решается и пока не имеет окончательного итога. Отметим варианты решения [3], где личинками Чёрной львинки планируется переработка пищевых отходов в ОАЭ и Московской области. Одновременно мировое сообщество работает ещё над одной экологической задачей – развитием рынка органических продуктов питания, например, [4]. В нашей стране разработана стратегия развития органического производства до 2030 года [5]. В стратегии, в частности, предусмотрены способы снижения негативного воздействия этого вида производства на окружающую среду:
·предотвращение деградации земель и почв;
·эффективное обращение с отходами производства и потребления, в т.ч. – повторное применение таких отходов;
·внедрение инновационных и экологически чистых технологий, развитие экологически безопасных производств.
Рассмотрим технологическую связку, позволяющую объединить решения обозначенных выше проблем и использовать ТКО в качестве сырья для ведения производства органических продуктов питания (Рисунок 1). Сокращённый вариант такой связки показан на рисунке выше.
Первые технологические переделы ТКО – их сортировка, измельчение и сушка. На этапе сортировки из отходов извлекаются металлические, стеклянные предметы и направляются в накопитель вторичных ресурсов для соответствующей сырьевой переработки. Оставшиеся после сортировки углеродсодержащие отходы подвергаются измельчению и сушке.
Подготовленные таким образом отходы направляются на пиролизную переработку. Твердый остаток пиролиза, который может содержать металлы, следует в накопитель вторичных ресурсов. Другие продукты пиролиза - углерод и пиролизный пар. Последний состоит из воды, углеродсодержащих соединений и экологически опасных фтор-, хлор- и металлсодержащих продуктов. После ряда преобразований углерод и пиролизный пар приобретают форму эмульсии, которая направляется в реактор сверхкритического водного окисления (СКВО). Перед вводом в СКВО-реактор в эмульсию также вводятся добавки для связывания фтор-, хлор- и металлсодержащих компонентов в неорганические соединения.
В СКВО-реакторе при давлении выше 251 атм, температуре выше 375 град. С формируется реакционная смесь. Она состоит из водного флюида, окислителя (как правило – кислорода воздуха), азота воздуха и пиролизной эмульсии. В сверхкритической среде идёт быстропротекающая реакция разложения углеродсодержащих продуктов пиролиза на составляющие молекулы. Разложение происходит с вероятностью 99,99%. В продуктах реакции содержатся и обозначенные выше экологически опасные вещества. В итоге химических реакций опасные продукты образуют неорганические соединения. Количество окислителя выбирается таким, чтобы его хватало для полного окисления углерода до его двуокиси. Количество углерода в реакционной смеси выбирается превышающим 12% - условие автотермичности реакции.
Нерастворимые в сверхкритической воде твёрдые неорганические соединения образуют в реакторе суспензию и выпадают в осадок в нижней части реактора. Отсюда, по мере накопления, суспензия твёрдого остатка выводится во внешнюю среду и направляется в накопитель вторичных ресурсов.
При использовании воздуха для подачи окислителя окислы азота не образуются, т.к. температура реакции не превышает 600 град. С. Продукты реакции, содержащие, в основном, азот, двуокись углерода и воду находятся в состоянии высокоэнтальпийной парогазовой смеси и в такой форме выводятся за пределы реактора из его верхней части. Далее, по мере постепенного снижения энтальпии смеси, из неё выделяются азот, двуокись углерода и задействуется паровой контур турбины. Турбина приводит электрогенератор. Полученная электроэнергия направляется в электроснабжение всей технологической цепи утилизации ТКО, а при необходимости – и во внешние электрические сети. Вода и двуокись углерода обеззараживаются действием высоких давлений и температур. Вода представляет собой техническую воду, может использоваться в рецикле и дальнейших технологических переделах. Пищевая двуокись углерода направляется в формирование газовоздушной смеси, а последняя – в фотосинтез хлореллы. Отметим, что двуокись углерода в предлагаемой технологической цепи утилизации ТКО является крупнотоннажным продуктом утилизации коммунальных отходов – масса двуокиси углерода почти в четыре раза превышает массу углерода в ТКО.
Фотосинтез хлореллы – следующий технологический передел. Он выполнялся по методикам Института Физиологии Растений им. К.А. Тимирязева Российской Академии Наук. В результате интенсивного культивирования хлореллы в разработанных в ИФР РАН фотобиореакторах получается высокоплотная суспензия хлореллы. После проведения этапа центрифугирования можно получить пасту хлореллы и супернатант, богатый метаболитами микроводоросли. Использование биомассы хлореллы и её продуктов предполагается в трёх направлениях. Одно направление – традиционное - кормовая добавка к рационам кормления скота, птицы, рыбы. Поскольку такое применение исключает использование антибиотиков, делается шаг к производству органических продуктов питания.
Другое направление – растениеводство (вода с продуктами метаболизма хлореллы является органическим удобрением). Третье направление, проверенное автором статьи экспериментально, - кормление личинок Чёрной львинки пастой из хлореллы. При этом использованы технологические решения приготовления пасты хлореллы с влажностью 70%, обеспечения температурного (29…32) град.С и влажностного (70%) режимов культивирования личинок.
Как показано на Рисунке 1, личинки Чёрной львинки питаются отходами традиционных отраслей ведения сельского хозяйства и хлореллой. Личинки Чёрной львинки дают несколько полезных продуктов: зоогумус (продукт процессов диссимиляции корма личинками), масло и продукты его отжима. Возможное применение масла, полученного из питавшихся хлореллой личинок, (сравнительно, малотоннажный передел) - изготовление косметических и фармпрепаратов. Это направление требует специальных исследований и на схеме не показано. Масло, полученное из переработки личинками отходов традиционных отраслей сельского хозяйства (крупнотоннажный передел), направляется в производство биодизеля по реакции переэтерификации. Продукты отжима этого масла направляются в почвенный кондиционер - на вермикультивирование и формирование почвенной биоты.
В результате такой последовательности использования ТКО ожидается получение следующих полезных продуктов, в долях исходных отходов:
·вторичные ресурсы (стекло, чёрные, цветные металлы и их соединения, фтор- и хлорсодержащие соли, материалы для дорожного строительства), до 7%;
·электроэнергия для собственных технологических нужд переработки отходов, до 3%;
·масло для получения биодизеля, до 30%;
·зоогумус для почвы органического земледелия, до 60%.
Как видно, основным продуктом предлагаемой технологии станет здоровая почва, пригодная для органического земледелия.
Таким образом, на основе бытового мусора формируется почва – основа природного цикла оборота углерода, необходимого для производства органических продуктов питания.
Подготовленные таким образом отходы направляются на пиролизную переработку. Твердый остаток пиролиза, который может содержать металлы, следует в накопитель вторичных ресурсов. Другие продукты пиролиза - углерод и пиролизный пар. Последний состоит из воды, углеродсодержащих соединений и экологически опасных фтор-, хлор- и металлсодержащих продуктов. После ряда преобразований углерод и пиролизный пар приобретают форму эмульсии, которая направляется в реактор сверхкритического водного окисления (СКВО). Перед вводом в СКВО-реактор в эмульсию также вводятся добавки для связывания фтор-, хлор- и металлсодержащих компонентов в неорганические соединения.
В СКВО-реакторе при давлении выше 251 атм, температуре выше 375 град. С формируется реакционная смесь. Она состоит из водного флюида, окислителя (как правило – кислорода воздуха), азота воздуха и пиролизной эмульсии. В сверхкритической среде идёт быстропротекающая реакция разложения углеродсодержащих продуктов пиролиза на составляющие молекулы. Разложение происходит с вероятностью 99,99%. В продуктах реакции содержатся и обозначенные выше экологически опасные вещества. В итоге химических реакций опасные продукты образуют неорганические соединения. Количество окислителя выбирается таким, чтобы его хватало для полного окисления углерода до его двуокиси. Количество углерода в реакционной смеси выбирается превышающим 12% - условие автотермичности реакции.
Нерастворимые в сверхкритической воде твёрдые неорганические соединения образуют в реакторе суспензию и выпадают в осадок в нижней части реактора. Отсюда, по мере накопления, суспензия твёрдого остатка выводится во внешнюю среду и направляется в накопитель вторичных ресурсов.
При использовании воздуха для подачи окислителя окислы азота не образуются, т.к. температура реакции не превышает 600 град. С. Продукты реакции, содержащие, в основном, азот, двуокись углерода и воду находятся в состоянии высокоэнтальпийной парогазовой смеси и в такой форме выводятся за пределы реактора из его верхней части. Далее, по мере постепенного снижения энтальпии смеси, из неё выделяются азот, двуокись углерода и задействуется паровой контур турбины. Турбина приводит электрогенератор. Полученная электроэнергия направляется в электроснабжение всей технологической цепи утилизации ТКО, а при необходимости – и во внешние электрические сети. Вода и двуокись углерода обеззараживаются действием высоких давлений и температур. Вода представляет собой техническую воду, может использоваться в рецикле и дальнейших технологических переделах. Пищевая двуокись углерода направляется в формирование газовоздушной смеси, а последняя – в фотосинтез хлореллы. Отметим, что двуокись углерода в предлагаемой технологической цепи утилизации ТКО является крупнотоннажным продуктом утилизации коммунальных отходов – масса двуокиси углерода почти в четыре раза превышает массу углерода в ТКО.
Фотосинтез хлореллы – следующий технологический передел. Он выполнялся по методикам Института Физиологии Растений им. К.А. Тимирязева Российской Академии Наук. В результате интенсивного культивирования хлореллы в разработанных в ИФР РАН фотобиореакторах получается высокоплотная суспензия хлореллы. После проведения этапа центрифугирования можно получить пасту хлореллы и супернатант, богатый метаболитами микроводоросли. Использование биомассы хлореллы и её продуктов предполагается в трёх направлениях. Одно направление – традиционное - кормовая добавка к рационам кормления скота, птицы, рыбы. Поскольку такое применение исключает использование антибиотиков, делается шаг к производству органических продуктов питания.
Другое направление – растениеводство (вода с продуктами метаболизма хлореллы является органическим удобрением). Третье направление, проверенное автором статьи экспериментально, - кормление личинок Чёрной львинки пастой из хлореллы. При этом использованы технологические решения приготовления пасты хлореллы с влажностью 70%, обеспечения температурного (29…32) град.С и влажностного (70%) режимов культивирования личинок.
Как показано на Рисунке 1, личинки Чёрной львинки питаются отходами традиционных отраслей ведения сельского хозяйства и хлореллой. Личинки Чёрной львинки дают несколько полезных продуктов: зоогумус (продукт процессов диссимиляции корма личинками), масло и продукты его отжима. Возможное применение масла, полученного из питавшихся хлореллой личинок, (сравнительно, малотоннажный передел) - изготовление косметических и фармпрепаратов. Это направление требует специальных исследований и на схеме не показано. Масло, полученное из переработки личинками отходов традиционных отраслей сельского хозяйства (крупнотоннажный передел), направляется в производство биодизеля по реакции переэтерификации. Продукты отжима этого масла направляются в почвенный кондиционер - на вермикультивирование и формирование почвенной биоты.
В результате такой последовательности использования ТКО ожидается получение следующих полезных продуктов, в долях исходных отходов:
·вторичные ресурсы (стекло, чёрные, цветные металлы и их соединения, фтор- и хлорсодержащие соли, материалы для дорожного строительства), до 7%;
·электроэнергия для собственных технологических нужд переработки отходов, до 3%;
·масло для получения биодизеля, до 30%;
·зоогумус для почвы органического земледелия, до 60%.
Как видно, основным продуктом предлагаемой технологии станет здоровая почва, пригодная для органического земледелия.
Таким образом, на основе бытового мусора формируется почва – основа природного цикла оборота углерода, необходимого для производства органических продуктов питания.
Следует обратить внимание на следующие обстоятельства выполнения настоящей работы.
1.По сравнению с идеями [3], относящимися только к утилизации пищевых отходов, предлагаемая технология позволяет использовать большую часть коммунальных отходов, куда пищевые отходы входят составной частью.
2.Двуокись углерода не является парниковым газом и важна для природного оборота углерода, опосредованного водой, воздухом и биотой почвы на планете Земля. Рассуждения относительно парникового характера этого газа имеют обыкновенную политическую направленность.
3.Предлагаемое здесь направление использования личинок Чёрной львинки отличается от предусмотренного правительственным распоряжением [6]. Обозначенный документ относит культуру этого насекомого к продукции сельскохозяйственного производства. Включение этой культуры в пищевые цепочки человека представляется малоизученным и поэтому содержащим риски для здоровья наших людей и сохранения их популяции. Предлагаемое нами решение реализацию этих рисков исключает.
4.Все технологические переделы предлагаемого способа утилизации твёрдых коммунальных отходов апробированы с положительным результатом. Это позволяет считать предлагаемую технологию реализуемой. Практическое использование технологии представляется наиболее целесообразным в структуре потребительской кооперации [7], связывающей все звенья технологии: от производства отходов населением до потребления этим же населением органических продуктов питания.
За пределами настоящей работы осталось определение количества оборотов репродукции Чёрной львинки, необходимых для закрепления безопасных для человека свойств культивирования личинок на хлорелле. Следующие шаги реализации технологии – создание демонстрационной установки с производительностью по ТКО, примерно, 100 кг/час, уточнение массовых характеристик процесса и получение органических продуктов питания.
Автор выражает благодарность профильным специалистам за участие в обсуждении технологии получения почв для органического земледелия из твёрдых коммунальных отходов:
1.По сравнению с идеями [3], относящимися только к утилизации пищевых отходов, предлагаемая технология позволяет использовать большую часть коммунальных отходов, куда пищевые отходы входят составной частью.
2.Двуокись углерода не является парниковым газом и важна для природного оборота углерода, опосредованного водой, воздухом и биотой почвы на планете Земля. Рассуждения относительно парникового характера этого газа имеют обыкновенную политическую направленность.
3.Предлагаемое здесь направление использования личинок Чёрной львинки отличается от предусмотренного правительственным распоряжением [6]. Обозначенный документ относит культуру этого насекомого к продукции сельскохозяйственного производства. Включение этой культуры в пищевые цепочки человека представляется малоизученным и поэтому содержащим риски для здоровья наших людей и сохранения их популяции. Предлагаемое нами решение реализацию этих рисков исключает.
4.Все технологические переделы предлагаемого способа утилизации твёрдых коммунальных отходов апробированы с положительным результатом. Это позволяет считать предлагаемую технологию реализуемой. Практическое использование технологии представляется наиболее целесообразным в структуре потребительской кооперации [7], связывающей все звенья технологии: от производства отходов населением до потребления этим же населением органических продуктов питания.
За пределами настоящей работы осталось определение количества оборотов репродукции Чёрной львинки, необходимых для закрепления безопасных для человека свойств культивирования личинок на хлорелле. Следующие шаги реализации технологии – создание демонстрационной установки с производительностью по ТКО, примерно, 100 кг/час, уточнение массовых характеристик процесса и получение органических продуктов питания.
Автор выражает благодарность профильным специалистам за участие в обсуждении технологии получения почв для органического земледелия из твёрдых коммунальных отходов:
- Сорокопуду С.А., разработчику технологии сортировки твёрдых коммунальных отходов;
- Блинову А.В., разработчику технологии непрерывного среднетемпературного пиролиза;
- Писареву И.В., предоставившему яйцекладки мух Чёрной львинки для опытов с культивированием личинок на хлорелле и давшему ряд практически ценных советов о культивировании;
- Базарову Е.И. за участие в обсуждении работы обозначенной выше технологии в составе социально-экономической технологии потребительской кооперации.
- Габриеляну Д.А., предоставившему пасту хлореллы для опытов с культивированием личинок.
Библиография
1.Распоряжение Правительства Российской Федерации от 20 мая 2023 г. № 13150-р.2.https://ecoportal.info/problema-utilizacii-musora/, https://www.un.org/ru/observances/zero-waste-day.
3.https://dzen.ru/b/ZXqZLjRTy1zNv8CE, https://www.vedomosti.ru/press_releases/2023/05/23/lichinki-muh-budut-pererabativat-55-tisyach-tonn-prosrochennoi-edi-i-drugoi-organiki-ezhegodno-v-ekopromparke-v-moskovskoi-oblasti
4.https://dzen.ru/a/Zczdmg4HsA7QTn9d
5.Распоряжение Правительства Российской Федерации от 04 июля 2023г. № 1788-р.
6.Распоряжение Правительства РФ от 10 октября 2023 г. № 2761-р.
7.Е.И. Базаров, Г.М., Золотарёв, В.А. Морозов, А.В. Морозов. Утилизация углеродсодержащих отходов территорий опережающего развития реактором Золотарёва. Ж. «Экологический вестник России», 2018 г., №2, с.с. 12-17.
