СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОГО ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ
METHOD FOR THERMAL DISINFECTION

Область техники.
Изобретение относится к области термического обеззараживания отходов и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, связанных с дезинфекцией крупнотоннажных отходов биомассы, в частности навоза и помета, с обеззараживанием почв, содержащих ботулотоксины, яды столбняка, споры и семена сорных растений, с обеззараживанием и переработкой погибших животных, обеззараживанием и переработкой скотомогильников, медицинских, муниципальных и других отходов.
Предпосылка создания изобретения, аналоги изобретения. Одной из основных проблем в животноводстве сегодня является увеличение количества отходов от каждой животноводческой фермы за счет интенсивного ведения хозяйства. Интенсивное разведение животных, в частности свиней, приводит к образованию огромного количества навоза, представляющего экологическую проблему. Тенденция к интенсификации животноводства, несомненно, будет продолжаться и в будущем.
По данным Всероссийского научно-исследовательского, конструкторского и проектно-технологического института органических удобрений и торфа (ВНИПТИОУ ежедневно в Российской Федерации производится более 450 тыс. тонн помета, навоза и стоков и сегодня в РФ более 2 млн. га земли занято под хранение навоза. То есть отходами животноводства покрыта площадь, равная почти половине территории Московской области. Эти отходы содержат семена сорных растений, распространяют неприятные запахи и могут быть источниками заразных болезней.
Увеличение количества животных на одном производственном объекте, несмотря на успехи ветеринарии, чревато вспышками эпизоотий, приводящих к их массовому падежу (африканская чума свиней, птичий грипп и др.). Самыми опасными бациллами являются:
- Ботулотоксин - нейротоксин белковой природы, вырабатываемый бактериями. Сильнейший яд из известных науке органических токсинов и веществ в целом. Образуется в анаэробных условиях, например, при домашнем консервировании продуктов при отсутствии необходимых мероприятий по стерилизации сырья. Летальная доза составляет около 0,001 мг/кг веса человека. Не имеет вкуса, запаха и цвета. Разрушается при кипячении в течение 5-10 минут. Является бактериологическим оружием;
- Сибирская язва - острое инфекционное заболевание животных и человека, вызываемое бациллой Bacillus anthracis. Возбудитель сибирской язвы образует споры, которые способны годами сохраняться в почве и выдерживать кипячение до 1 ч. Для человека основной источник инфекции - больные сибирской язвой животные, Заражение может наступить при уходе за ними, вынужденном убое и разделке туши, при употреблении в пищу инфицированных продуктов животноводства (мясо, молоко) и контакте с ними (шерсть, кожа, щетина и т.д.), а также через инфицированные почву и воду. Может быть профессиональной болезнью (например, животноводов). Заражение кожной формой происходит через поврежденные кожные покровы, а также при укусах насекомыми (слепни, мухи-жигалки и др.). Известна с глубокой древности. Часто ее эпизоотии вызывали гибель огромной массы скота. В России в 1901-1914 гг. заболело свыше 660 тысяч животных (без северных оленей), из которых 84% пало. Сибирская язва регистрируется на всех континентах, особенно распространена в Восточной Африке и Западной Азии. В 1972 зарегистрирована в 99 странах. В естественных условиях заражаются грызуны. Высокая устойчивость спор возбудителя во внешней среде ведет к тому, что зараженные участки почвы десятки лет опасны для травоядных. Выносу спор из глубины почвы могут способствовать разливы рек, распашка и земляные работы в местах захоронения трупов животных. Основной путь заражения животных - с кормом и водой, чаще на пастбище. Возможно проникновение возбудителя через поврежденную кожу, слизистую оболочку рта, конъюнктиву.
- Африкáнская чумá свиней (Pestis africana suum). С 2007 года продолжается АЧС распространяется среди диких кабанов и домашних свиней на территории европейской части России. Под угрозой развития эпизоотии находятся Беларусь и Украина. Суммарно в России было зафиксировано более 500 вспышек заболевания, экономические потери превысили за последние 10 лет 30 млрд рублей, уничтожено порядка миллиона животных.
Важнейшей эпизоотологической особенностью («коварством») африканской чумы свиней является чрезвычайно быстрое изменение форм течения инфекции среди домашних свиней от острого со 100% летальностью до хронического и бессимптомного носительства и непредсказуемого распространения.
Экономический ущерб, наносимый африканской чумой свиней, складывается из прямых потерь по радикальной ликвидации болезни, ограничений в международной торговле и измеряется десятками миллионов долларов. В частности, при ликвидации инфекции путем тотальной депопуляции свиней потери составили на острове Мальта $29,5 млн (1978), в Доминиканской Республике- около $60 млн (1978-79). Вследствие первичной вспышки инфекции в Кот-д′Ивуар (1996) убито 25% популяции свиней с прямым и косвенным ущербом в сумме от $13 до $32 млн. Угроза африканской чумы свиней - основной фактор, сдерживающий развитие свиноводства в Африке; до последнего времени на континенте насчитывается немногим более 1% мировой популяции свиней.
Эффективных средств профилактики африканской чумы свиней до настоящего времени не разработано, лечение запрещено. Вакцин и прививок против АЧС не существует. В случае появления очага инфекции практикуется тотальное уничтожение больного свинопоголовья бескровным методом, а также ликвидация всех свиней в очаге и радиусе 20 км от него.
В случае возникновения африканской чумы на неблагополучное хозяйство накладывается карантин. Всех свиней в данном очаге инфекции уничтожают бескровным способом. Трупы свиней, навоз, остатки корма, малоценные предметы ухода сжигают (термический метод обезвреживания). Карантин снимают через 6 месяцев с момента последнего случая падежа, а разведение свиней в неблагополучном пункте разрешается не ранее, чем через год после снятия карантина.
Существует также естественный падеж животных, который пропорционален количеству находящихся на откорме животных и птиц. Остается важной проблема новых скотомогильников, которые являются потенциальными источниками заражения окружающей среды.
Существуют старые скотомогильники, содержащие, например, споры сибирской язвы, которые десятилетиями могут сохраняться в почве и по существу могут являться бомбами замедленного действия.
Крупнотоннажные отходы от интенсивного ведения сельского хозяйства требуют на современном этапе развития сельского хозяйства проведения своевременных соответствующих интенсивных мероприятий по обезвреживанию возможных источников биологического заражения окружающей среды.
С другой стороны, при соответствующей переработке крупнотоннажные отходы сельского хозяйства и пищевой промышленности могут быть ценным сырьем для получения органоминеральных удобрений и кормов для животных. Обеззараживание почвы позволяет избавляться от сорняков и источников болезней растений, сохраняя в ней минеральные удобрения, и восстанавливать ее первоначальные свойства.
Однако известные в настоящее время технологии обращения с такого рода крупнотоннажными отходами (сырьем для переработки в товарные продукты) отстают от современных потребностей.
Одними из основных видов обеззараживания являются стерилизация и дезинфекция.
Под стерилизацией понимается полное освобождение различных предметов, пищевых продуктов от живых микроорганизмов. Наиболее распространенные в настоящее время методы стерилизации - действие высоких температур, а для жидкостей - фильтрация, в результате которой клетки микроорганизмов задерживаются на фильтрах.
Вегетативные клетки большинства бактерий, дрожжей и микроскопических грибов погибают при 50-70°C в течение 30 минут, тогда как споры ряда бактерий выдерживают продолжительное кипячение. Этим объясняется применение высоких температур при стерилизации.
Простейший способ стерилизации - обжигание металлических и стеклянных предметов в пламени горелки. Стерилизацию сухим жаром проводят в сушильных шкафах при 160-165°C в течение 2 часов. Таким методом стерилизуют лабораторную посуду, металлические предметы, не портящиеся при нагревании вещества и т.п.
Стерилизацию водяным паром под давление производят в автоклавах. Питательные среды для микроорганизмов обычно стерилизуют при давлении 0,4 МПа и температуре 120°C в течение 20-30 минут. Хирургические инструменты, перевязочные и шовные материалы, различные консервы в пищевой промышленности стерилизуют обычно при атмосферном давлении в течение 30 минут. Стерилизация почвы возможна, например, при давлении 0,2 МПа и температуре 130°C в течение 2 часов.
Некоторые жидкости и растворы нельзя стерилизовать при высоких температурах, так как при этом происходит их испарение или инактивация витаминов и других биологически активных соединений, разложение лекарственных веществ, карамелизация сахаров, денатурация белков и т.п. В этих случаях осуществляют «холодную» стерилизацию:
- фильтрацию жидкости через мелкопористые бактериальные фильтры;
2
- обработку газами пластмасс, электронной аппаратуры (этилен, СО, бромистый метил и т.п.);
- лучевую (ионизирующее излучение в дозах 3-10 млн. рад);
- ультрафиолетовым излучением (обработка помещений).
Стерильность объектов доказывается полным отсутствием в них живых организмов. Для этого производят посевы в жидкие или на плотные богатые питательными веществами среды, чтобы обеспечить прорастание поврежденных, но не убитых клеток.
Дезинфекция - обеззараживание, мероприятие, имеющее целью уничтожение микроорганизмов - возбудителей заразных болезней - во всей окружающей обстановке и на всех находящихся в ней предметах. Особую важность дезинфекция имеет в сельском хозяйстве для предупреждения возникновения в хозяйстве заразных заболеваний.
Дезинфекция проводится при помощи различных средств:
- механических (очистка помещений механическим путем);
- физических (солнечным светом, высушиванием, кипячением, сжиганием);
- химическим (хлорная известь, сулема, хлор, озон и др.);
- биологическим (обеззараживание навоза посредством укладывания в особые кучи для создания в них условий самосогревания).
Приведенный выше краткий обзор и анализ широкоизвестных методов обеззараживания показывает, что практически единственным универсальным методом гарантированного обеззараживания сырья является термический метод, там, где его можно применять. Нагрев до температур 120-200°C приводит к гибели всех известных опасных микроорганизмов и сорняков, а также к разрушению ядов органического происхождения.
Наряду со стерилизацией и дезинфекцией в настоящее время особое место в решении проблем обеззараживания термическим методом играет кардинальный метод решения проблем уничтожения микроорганизмов путем сжигания органической части отходов в специальном оборудовании, имеющем функции печи. Это оборудование называется инсинератором (его еще называют «сжигатель», крематор), технология - инсинерация. Главным его свойством является уничтожение отходов воздействием очень высоких температур, от 800 до 1300°C. В сельском хозяйстве с целью обеззараживания он применяется в основном для уничтожения погибших от заразных болезней животных.
Однако этот метод является достаточно энергозатратным для уничтожения крупнотоннажных отходов (скажем, крупная свиноферма производит более 3000 тонн жидких отходов в сутки, испарение 1 тонны воды требует более 1 МВт*ч энергии, т.е. на проведение обеззараживания жидкого навоза нужно тратить примерно 3 млн. кВт*ч энергии в сутки). Кроме того, работа инсинераторов сама создает экологические проблемы из-за газовых выбросов продуктов сгорания.
Прототип. Из описанных в литературе технологий обеззараживания отходов наиболее близкой к настоящему изобретению является общеизвестная технология термического обеззараживания сырья в автоклавах при повышенных давлениях воды и водяного пара. Согласно данной технологии сырье сначала измельчают, чтобы добиться более быстрого прогрева кусков сырья во всем объеме, затем его подают в термическую камеру, называемую автоклавом или дигестором, герметизируют эту камеру, нагревают сырье подачей острого пара или испарением находящейся в автоклаве воды до температур сырья 120-150°C, выдерживают камеру при таких условиях нескольких десятков минут, затем охлаждают, разгерметизируют, удаляют стерилизованный материал и при необходимости повторяют цикл с новой порцией сырья.
Повышенные давления воды и пара позволяют без сушки достигать высоких температур во всем объеме обрабатываемого материала, гарантирующих его полную стерилизацию от всех типов микроорганизмов за ограниченное время.
Однако производительность указанной технологии невысока, что делает ее малоприменимой к переработке больших количеств отходов. Кроме того, использование данной технологии требует затрат больших количеств энергии на нагрев до температур стерилизации.
Цель изобретения. Целью настоящего изобретения является повышение производительности термической технологии обеззараживания отходов и снижение энергетических затрат на ее осуществление.
Для достижения указанной цели в известном способе термического обеззараживания, включающего в себя измельчение сырья, подачу сырья в нагреваемую термическую камеру, нагрев сырья и выдержку сырья в термической камере до обеспечения стерилизации указанного выше сырья, охлаждение и последующее извлечение из термической камеры обеззараженных продуктов, измельченное сырье смешивают с водой до создания пульпы текучей консистенции, полученную пульпу непрерывно подают насосом через рекуперативный теплообменник в нагреваемую проточную термическую камеру, где установленные температура и выдержка обеспечивают обеззараживание сырья, при этом насос обеспечивает давление пульпы в указанном выше теплообменнике и термической камере выше давления насыщенных паров воды при температурах в указанных теплообменнике и термической камере, охлаждение продуктов переработки осуществляют в рекуперативном теплообменнике за счет теплообмена с поступающей на термическую обработку пульпой путем, исключающим смешение термически не обработанного сырья и термически обработанных продуктов, а извлечение обеззараженных продуктов производят через дросселирующий клапан, поддерживающий заданное давление в теплообменнике и термической камере.
В предлагаемом способе размеры измельченного сырья составляют не более 5 см, предпочтительно не более 1-3 мм, относительное содержание воды в пульпе создают выше 30%, предпочтительно 85-99%, температуру обеззараживания поддерживают в пределах 50-200°C, давление в теплообменнике и термической камере поддерживают в пределах 0,1-2,5 МПа, время выдержки сырья в термической камере при температуре стерилизации обеспечивают в пределах 1-1000 с.
Вода является естественной составляющей большинства крупнотоннажных органических отходов - биомасс различного типа, подвергаемых заражению болезнетворными микроорганизмами. В животной и растительной массе, а также в навозе и помете обычно содержится от 70% до 95% воды. Текучая водяная пульпа в предлагаемом способе является движущимся по каналам теплообменника теплоносителем, позволяющим по мере движения нагревать до заданных температур и охлаждать обрабатываемое сырье. Повышенное давление необходимо, чтобы, во-первых, не происходило в процессе стерилизации высушивания сырья и, во-вторых, в каналах теплообменника на происходило образование паровых пробок, снижающих эффективность теплообмена.
На фиг. 1 представлен пример принципиальной технологической схемы для осуществления предлагаемого способа.
Сырье, исходная биомасса, поступает в измельчитель 1, где размеры кусков сырья уменьшают, как правило, до 1-10 мм. Измельченное сырье смешивается с водой в смесителе 2 до получения текучей среды - пульпы. Эта пульпа с помощью насоса высокого давления 3 через рекуперативный теплообменник 4 подается в термическую камеру 5, где при заданной температуре происходит стерилизация сырья. Подогрев сырья в термической камере производится от внешнего источника энергии. Выходящие непрерывно из термический камеры обеззараженные продукты выходят через теплообменник 4, отдавая тепло через стенку поступающему в термическую камеру сырью. Разгрузка стерилизованных продуктов производится через дросселирующий клапан 6, который служит также для поддержания повышенного давления, создаваемого насосом 3.
Еще одно из существенных преимуществ предлагаемого изобретения перед прототипом то, что вход сырья в аппарат обеззараживания и выход продуктов переработки сырья пространственно разнесены друг от друга, что исключает возможность случайного вторичного заражения стерилизованных продуктов от исходного сырья. Все сырье практически без перемешивания проходит через термическую зону стерилизации. Таким образом гарантированно обеспечивается обеззараживание сырья.
Эффективность. В отличие от аналогов и прототипов данное изобретение позволяет существенно уменьшить затраты энергии на обеззараживание отходов. В Таблице 1 приведены типичные экспериментальные и расчетно-теоретические значения энергозатрат на стерилизацию крупнотоннажных отходов (жидкого свиного навоза) при различных способах стерилизации, приведенные на 1 тонну (1 м3) сырья. Аппарат для обеззараживания отходов, изготовленный согласно настоящему изобретению, перерабатывал 75 тонн свиного навоза в сутки средней влажностью 92%. Температура в термическом реакторе поддерживалась в первой серии опытов на уровне 130°C и во второй серии опытов около 160°C. Давление пульпы составляло около 1 МПа, время переработки (прохождения пульпы через термическую камеру) около 20 минут. В обоих случаях достигалась полная стерилизация исходного сырья. Разница температур продукта на выходе и сырья на входе составила в первом случае 5°C, во втором - 8°C, при температуре исходного сырья около 18°C.
Из приведенной Таблицы видно, что по энергетическим характеристикам предлагаемая технология существенно превосходит известные в применении для обеззараживания крупнотоннажных отходов.
Существенно, что при стерилизации отходов влажность исходного сырья (если не добавлять воду) практически не меняется и испарения влаги в окружающую среду не происходит. Работа аппарата не ухудшает экологическую обстановку в месте переработки сырья, а получаемые стерилизованные продукты в зависимости от состава сырья уже могут использоваться как в качестве органоминеральных удобрений, так и на кормовые добавки в рацион животных и птиц после переработки мясных отходов.