Способ выделения жиромассы из сточных вод и её подготовки для производства биодизеля
METHOD FOR SEPARATING FATTY MASS FROM WASTEWATER AND PREPARING IT FOR BIODIESEL PRODUCTION

Заявленный способ относится к области утилизации жидких отходов производств, содержащих высокие концентрации растительных или животных жиров с их последующей подготовкой для получения биодизеля.
В производственных сточных водах предприятий различных отраслей промышленности присутствуют высокие концентрации жиров (животного или растительного происхождения- масла), например:
- сточные воды кожевенных заводов содержат до 1700 мг/л (среднее значение 550 мг/л);
- сточные воды рыбоперерабатывающих предприятий содержат до 1940 мг/л, в общем стоке 1800 мг/л;
- сточные вод масло-жировой промышленности содержат в общем стоке 1000 мг/л;
- сточные воды предприятий парфюмерно-косметической промышленности содержат 775 мг/л;
- сточные воды предприятий мясной промышленности содержат до 1000 мг/л
Допустимые концентрации жиров для биологической очистки сточных вод, в зависимости от технологической схемы, составляют 50-100 мг/л, следовательно, эти вещества необходимо выделять из сточных вод, как правило этот ценный продукт как отход производства вывозится на полигоны. В масштабе страны количество жиров, как отходов производств составляет не менее 1600 т/сут. (584000 т/год).
На сегодняшний день имеются технологии, позволяющие перерабатывать жиры растительного и животного происхождения в биодизельное топливо, однако, для того, чтобы рассматривать отход производства - жиромассу, выделенную из сточных вод как BMP для получения биодизельного топлива, необходимо разработать технологию подготовки выделенной жиромассы для дальнейшей переэтерификации.
Известны традиционные способы переработки чистых растительных масел или животных жиров в сложные эфиры жирных кислот и низкомолекулярных спиртов путем проведения реакции переэтерификации с метанолом или этанолом, при этом реакцию проводят с использованием щелочного катализатора [Biodiesel production from oils and fats with high free fatty acids. / M. Canakci, J.V. Gerpen. // Trans ASAE. - 2001 - Vol. 44, No. 6. - P. 1429-1436., патент RU 2632671, опубл. 09.10.2017; патент RU 2538647, опубл. 10.01.2015; патент RU 2404230, опубл. 20.11.2010]. Однако, эти способы предусматривают использование чистого продукта и не могут быть применены непосредственно к отходам производства. Таким образом, жиры как растительного, так и животного происхождения, содержащиеся в производственных сточных водах должны быть извлечены и подготовлены как BMP. Наиболее важным показателем жиросодержащих отходов является кислотное число жира, определяющее концентрацию свободных жирных кислот. Известно, что для достижения высокого выхода продуктов переэтерификации максимальная концентрация жирных кислот в сырье не должна превышать 0,5-1% мас., Повышенное содержание жирных кислот способствует омылению жиров, в результате чего не только нейтрализуется катализатор, но и значительно затрудняется последующая сепарация продуктов реакции переэтерификации.
Из уровня техники известен способ снижения кислотного числа жира посредством его нейтрализации с необходимым количеством NaOH. Нейтрализацию проводили при температуре 50°С в течение 15 минут при постоянном перемешивании. После нейтрализации жир, содержащий мыла и остатки щелочи, направляли на промывку 10%-м раствором соли и воды с соблюдением соотношения жира и раствора 1:1. При этом промывка солевым раствором осуществлялась 1 раз, водой 2 раза (температура воды 90-95°С) общей продолжительностью 90 минут. Промывные растворы от жира отделяли методом отстаивания. Из выделенного жира удаляли остатки воды посредством кратковременного испарения при его перемешивании. Очищенный жир был направлен на переэтерификацию с добавлением 25% этанола 96%-го, катализатора - 0,75% сухой щелочи NaOH с поддержанием температуры 60°С продолжительностью 60 минут.(Способ получения биодизеля из жиросодержащих рыбных отходов методом проведения реакции переэтерефикации) Чан Ньюнг Тхи, М.Д. Мукатова, Н.А. Киричко ISSN 2073-5529. Вестник АГТУ (рыбное хозяйство) 2011. №1).
Данный способ позволяет получить биодизель из жира внутренних органов сайки. Установлено, что биодизель из жира рыбы имеет высокую температуру вспышки - 120°С, низкую вязкость - 5,0 мм2/с, что соответствует требованиям ГОСТ Р 52368-2005 «Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия».
Недостатком данного способа является отсутствие устройств, обеспечивающих возможность выделения жиросодержащей массы из сточных вод. Также данные способ предполагает нейтрализацию жирных кислот и вывод их из состава жиросодержащей массы, что снижает возможное количество получаемого биодизеля.
Известен способ переработки жиросодержащих отходов растительного происхождения (растительных масел), проведением одностадийной операции, включающей совмещенные кислотно-катализируемые реакции этерификации свободных жирных кислот и переэтерификации триглицеридов этанолом с получением этиловых эфиров жирных кислот. Реакции проводят при температуре 70-75°С и с использованием серной кислоты в качестве катализатора, ее концентрация устанавливается в диапазоне 1,5-2% мас., при массовом отношении триглицериды: спирт от 1:6 до 1:10 и при содержании воды в этаноле до 3,8% мас. Содержание свободных жирных кислот в сырье может колебаться в пределах от 0 до 40% мас. Реакции этерификации и переэтерификации проводят в одном аппарате и в одну стадию. Отличительной особенностью предлагаемого процесса является проведение его в гомогенизированных системах, с использованием в качестве гомогенизатора смесей сложных эфиров спиртов и жирных кислот, в составе которых содержится не менее 50% полиненасыщенных углеводородных радикалов с количеством двойных связей две или более (патент RU 2720410 «Способ получения сложных эфиров жирных кислот и этанола из жиросодержащих отходов», опубликован 29.04.2020).
Данное изобретение обеспечивает переработку жиросодержащих отходов с примесью свободных жирных кислот, при совмещении реакции этерификации и переэтерификации и получении за одну стадию эфиры жирных кислот и этанола с выходом не менее 95% и реакционным временем до 12 часов вместо 40-96 часов, однако для достижения заявляемого эффекта рассматриваемый аналог обладает недостатком, которым можно считать отсутствие устройств, обеспечивающих возможность выделения жиросодержащей массы из сточных вод и ее подготовки к совмещенной реакции этерификации и переэтерификации.
Известен способ получения биодизельного топлива. Способ предусматривает предварительную обработку мезопелагических рыб с получением липидов, трансэстерификацию полученных липидов и отделение получившегося биодизельного топлива. Из выловленных рыб механическим способом формируют биомассу. Затем прессованием получают рыбий жир, который подвергают ферментативному гидролизу в присутствии протеазы. Полученный продукт фильтруют с отделением липидов. Трансэстерификацию полученных липидов проводят обезвоженным раствором метилата калия или натрия в метаноле (патент RU 2404230 «Способ получения биодизельного топлива», опубликован 20.11.2010).
Изобретение позволяет получить биодизельное топливо, которое можно использовать в автотранспорте в зимних условиях.
Недостатком данного аналога, не позволяющим его использовать в заявляемом способе, является то, что ферменты быстро теряют свою активность, целесообразно использовать ферменты, иммобилизованные на носителе, но они проявляют меньшую активность, по сравнению с чистыми ферментами, так же в каждом конкретном случае необходимо подбирать фермент. Также данный способ не учитывает процессы подготовки и извлечения жиров из производственных сточных вод.
Известен метод переработки жиромассы с целью получения технического жира («Утилизации жиросодержащих осадков сточных вод мясокомбината "РКЗ-Тавр" К.О. Оковитая, международный научный журнал «Инновационная наука» №5/2016 ISSN 2410-6070), принятый заявителем за прототип по наибольшему количеству сходных существенных признаков, направленных на обработку жиромассы, выделенной из производственных сточных вод: использовании устройств для реализации процессов нагрева жиромассы, отделения твердых веществ, сепарировании.
Согласно данному методу, предусматривается подготовка уловленного жира из сточных вод мясокомбината для переработки в товарный продукт, для этого уловленный в жироловках жир поступает в отстойник-декантатор, где происходит дальнейшее отстаивание и отделение жира от сточной воды и взвесей. После отстойника-декантатора всплывший жирошлам направляется в бак для сбора жира, после чего направляется в непрерывно действующую установку для вытопки жира. Массу нагревают до 70-80°С, а затем при помощи вакуум-насоса при остаточном давлении 90 кПа закачивают в напорный бачок. После заполнения напорного бачка открывают задвижку, и жировая масса самотеком поступает в грязеотделитель, в качестве которого используют отстойник жира ОЖ-1,6. Внутри грязеотделителя смонтирован фильтр. Массу в грязеотделителе нагревают, подавая пар в рубашку аппарата в течение 2-3 ч. По истечении этого времени открывают трехходовой кран и жировую массу при температуре 60-70°С с помощью насоса направляют в центрифугу ОГШ-321К-01 для дальнейшего отделения твердых веществ. Очищенная жироводная эмульсия из центрифуги самотеком поступает в машину АВЖ-245, где происходит окончательная тепловая обработка острым паром, подаваемым под давлением 0,2-0,3 МПа, далее жир очищают на сепараторах. Очищенный жир перекачивают в сборники, откуда его затаривают в бочки или насосом направляют в автоцистерну для транспортирования наливным способом. Жир, полученный из жировой массы производственных стоков, имеет темный цвет, резкий специфический запах, высокое кислотное число, и относится к техническому жиру III сорта.
Обработка полученных жиросодержащих осадков в грязеотделителе, центрифуге, сепараторе, машине для вытопки жира АВЖ-245, позволяет получить технический жир и экологизировать производство.
Общими для заявленного и известного способов являются признаки: нагрев жиромассы, отделения твердых веществ, очистка в сепараторе.
Недостатком принятого за прототип, известного метода, не позволяющим добиться заявляемого технического решения является отсутствие устройств, направленных на снижение концентрации свободных жирных кислот в жиромассе и возможности реализации полной подготовки жиромассы как BMP для получения биодизельного топлива.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение является повышение экологической безопасности производств, снижение эксплуатационных расходов предприятий на утилизацию жиромассы, трансформация отхода производства в ресурс для производства биодизеля.
Данная задача решается за счет того, что заявленный способ выделения жиромассы из сточных вод и ее подготовки для производства биодизеля осуществляется при помощи устройства концентрирования жиров из сточных вод (жироловки, флотаторы), усреднителя, мацератора, плавильной трубки, трикантера, сепаратора, узла реагентной обработки жиромассы (при содержании свободных жирных кислот в жиромассе от 1% до 40% мас.), установка по производству биодизеля, узел подготовки и дозирования спирта, щелочного реагента, кислотного реагента, трубопроводов и оборудования для подачи жиромассы на сооружения.
При подготовке жиросодержащего стока для производства биодизеля при концентрации жирных кислот в жиромассе от 1% до 40% мас. может использоваться узел реагентной обработки жиромассы, включающий этерификацию свободных жирных кислот с раствором серной кислоты.
При подготовке жиросодержащего стока для производства биодизеля при концентрации жирных кислот от 1% до 10% мас. может использоваться узел выделения жирных кислот из жира методом экстракции.
При подготовке жиросодержащего стока для производства биодизеля при наличии узла выделения жирных кислот из жира методом экстракции может использоваться узел кислотной этерификации выделенных жирных кислот и узел щелочной переэтерификации нейтрального жира.
При подготовке жиросодержащего стока для производства биодизеля при наличии узла выделения жирных кислот из жира методом экстракции может использоваться щелочной переэтерификации нейтрального жира и узел получения моющих средств из выделенных жирных кислот.
Проведенные патентные исследования показали, что ни в патентной, ни в научно-технической литературе нет сведений о техническом решении, предложенном в формуле изобретения, что дает основание утверждать, что предлагаемое техническое решение отвечает критерию патентоспособности «новизна».
Сравнительный анализ устройств, которые используются в известных технических решениях и в том числе в прототипе, показал на существенные признаки, отличающие предлагаемое решение.
Преимущества, которые достигаются, свидетельствуют о том, что задачи, которые решаются, выполнены на изобретательском уровне, поскольку они не вытекают, явно, из известных в данной области техники решений и поэтому отвечают критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Заявленный способ подготовки жиромассы производственных сточных вод поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена технологическая схема подготовки жиромассы производственных сточных вод в соответствие с заявляемым способом.
Обозначения позиций на чертежах, следующие:
1 - реагентный флотатор (установка флотации);
2 - накопитель осадка;
2.1 - мешалка;
2.2 - насос подачи жирового стока на переработку;
3 - цеховая и внутриплощадочная жироловка;
4 - мацератор;
5 - плавильная труба;
6 - парогенератор;
7 - трикантер;
7.1 - контейнер для кека;
7.2 - насос подачи жирового стока на сепаратор;
8 - сепаратор;
8.1 - трубопровод подачи сточных вод с низким содержанием жирных кислот;
8.2 - трубопровод подачи сточных вод с высоким содержанием жирных кислот;
9 - узел реагентной обработки жиромассы с содержанием свободных жирных кислот (при содержании свободных жирных кислот в жиромассе от 1% до 40% мас.);
10 - узел приготовления реагента;
11 - установка производства биодизеля;
12 - узел дозирования метанола/этанола;
13 - узел дозирования катализатора;
14 - узел дозирования сорбента;
15 - биологические очистные сооружения.
Способ реализуется следующим образом: производственные сточные воды после механической очистки, поступают на установку флотации (реагентный флотатор) (1), где производится выделение жиромассы, взвешенных веществ, органических примесей и пр., образуя флотошлам влажностью 97-96%. Осветленная вода подается на дальнейшую биологическую очистку в биологические очистные сооружения (15), а флотошлам поступает в резервуар накопитель - усреднитель (накопитель осадка) (2), в который также поступает жиромасса из цехового или внутриплощадочного жироуловителя (жироловка) (3), а также другие жировые потоки с производства, в накопителе-усреднителе происходит усреднение концентрации жиромассы из резервуара накопителя-усреднителя, жиромасса влажностью 97-96% поступает в мацератор (4), в котором происходит измельчение грубодисперсных примесей, из мацератора однородная жиромасса поступает в плавильную трубу (5), в которой за счет прямой инжекции водяного пара, из установленного парогенератора (6), жиромасса нагревается до 90°С и поступает далее в трикантер (7), в котором происходит разделение жиромассы на три составляющие части - фугат, осадок, жир, при этом фугат поступает в голову сооружений по очистке производственных сточных вод, осадок выгружается в контейнеры для кека (7.1) для дальнейшей утилизации на полигоны промышленных отходов.
Выделенная жировая фаза, насосом (7.2) подается в сепаратор (8), в котором жир отделяется от взвешенных частиц, и обезвоживается до влажности не более 1%. При наличии в жировой массе свободных жирных кислот не более 1% по мас., она через трубопровод (8.1) поступает в установку по производству биодизеля (11), куда дополнительно дозируется метанол/этанол, т.е. спирт (12), катализатор едкий калий (13) и сорбент (14), на выходе из установки образуются биодизель, а также глицерин, который в дальнейшем утилизируется.
При наличии в выделенном из сепаратора жире свободных жирных кислот от 1% до 40% мае., жир, перед поступлением в установку по производству биодизеля, поступает по трубопроводу (8.2) в узел обработки жиромассы (9) с содержанием свободных жирных кислот, в котором происходит снижение концентрации свободных жирных кислот по одному из следующих приемов:
- при концентрации жирных кислот в жиромассе от 1% до 40% мас. может использоваться узел реагентной обработки жиромассы (10), включающий этерификацию свободных жирных кислот с раствором серной кислоты;
- при концентрации жирных кислот от 1% до 10% мас. может использоваться узел выделения жирных кислот из жира методом экстракции (10), при этом после экстрагирования, могут использоваться узлы: кислотной этерификации выделенных жирных кислот, щелочной переэтерификации нейтрального жира, щелочной переэтерификации нейтрального жира, получения моющих средств из выделенных жирных кислот.