СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ВОДЫ ИЗ ВЫСОКОВЛАЖНЫХ ОТХОДОВ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА И ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФЛОКУЛЯНТОВ
METHOD FOR REMOVING WATER FROM HIGH-MOISTURE AGRICULTURAL AND FOOD INDUSTRY WASTE USING FLOCCULANTS

Изобретение относится к области утилизации органических отходов сельского хозяйства и пищевой промышленности и экологии.
Органические отходы сельского хозяйства и пищевой промышленности с влажностью более 80% обычно утилизируют на полигонах ввиду нерентабельности их переработки. Сжигание такого типа отходов требует затрат энергии и не экологично из-за образующихся выбросов пара и загрязняющих атмосферу компонентов. Компостирование этих отходов без предварительной подготовки в ферментерах затратно, а открытым способом - создается множество проблем для окружающей среды. Переработка такого рода отходов вермикулированием требует больших территорий и затратно по времени. Такая переработка невозможна в зимнее время открытым способом. В то же время, подобного рода отходы могут стать неплохой добавкой в кормлении животных. Однако без специальной подготовки этих отходов для этого их нельзя использовать. Решением вопроса по утилизации растительных отходов высокой влажности является снижение их влажности до приемлемых значений.
В журнале «Научное обозрение. Технические науки» №6, 2016, с. 10-14 (Батищева Н.В. Инновационные способы утилизации пивной дробины) описан способ обезвоживания пивной дробины в пресс-шнековом аппарате до остаточной влажности 60-70%.
Известен способ обезвоживания иловых остатков сточных вод (заявка ЕР 0151747, 21.08.1985) дозированной подачей коагулянта с последующим отжимом на фильтр-прессе в течение 3-х часов при давлении до 20 бар с получением остатка с влажностью 60%.
Известен способ обезвоживания иловых остатков (заявка DE 3820110, 14.12.1989) с использованием двух органических полимерных коагулянтов с низкой и высокой молекулярной массой с получением остатка с влажностью около 60%.
Известен способ обезвоживания осадка (патент US 4861492, 29.08.1989), в котором осадок коагулируют добавлением полимерных коагулянтов, две минуты дают отстояться, водный слой сливают, а осадок обезвоживают в фильтр-прессе с дополнительным добавлением коагулянтов. В результате получают кек с влажностью около 60%.
Известен способ обезвоживания угольных суспензий с величиной частиц менее 0,1 мм (патент RU 2165900 С1, 27.04.2001) путем последовательной обработки расчетным количеством растворов анионного и катионного флокулянтов, при этом количество одного не превышает количество другого флокулянта. Общий расход флокулянтов составляет 108 г на тонну суспензии. Указывается, что остаток стал легко отдавать воду при отжиме.
Известен способ обезвоживания осадка (патент RU 2275339 С1, 27.04.2006) путем введения в органический продукт свежеприготовленной (не ранее 20 минут) смеси двух флокулянтов (катионного и неионогенного), в котором в качестве органического продукта может быть использовано любое влажное органическое сырье, водоудаление осуществлялось на камерном пресс-фильтре, в результате двойного отжима получен остаток с влажностью 62,9%. Расход флокулянтов составляет от 3 кг до 7,2 кг на одну тонну твердого остатка.
Недостатками известных способов являются высокая влажность остатка - свыше 60%, использование камерного фильтр-пресса, создающего существенное давление - порядка 20 баррель.
2
Известен способ обезвоживания осадков углей (патент RU 2253632 С1, 10.06.2005) на ленточном фильтр-прессе с прикладываемым давлением до 10 кГс/см путем последовательной обработки суспензии двумя катионными флокулянтами с низким молекулярным весом и высокой катионной активностью и с высоким молекулярным весом и низкой катионной активностью. Расход флокулянтов составляет от 500 г до 1000 г на тонну остатка, остаточная влажность не указывается.
Также известен способ обезвоживания на камерных или мембранных фильтр-прессах (патент RU 2195436 С2, 27.12.2002) пульпы с содержанием сухого вещества от 0,5% до 15% с введением растворов неорганических коагулянтов (соли железа, кальция) и органических коагулянтов (предпочтительно катионоактивные коагулянты) с предварительным подбором в лаборатории их количества, в результате чего расход коагулянтов составляет 4,5 кг на 28 м3 осадка сточных вод (или это составляет около 1 кг на тонну твердого остатка), влажность остатков после отжима под давлением до 15 баррель составляет от 58% до 70%.
Недостатками данных способов является достаточно высокая влажность получаемых остатков (более 58%).
3
Наиболее близким к предложенному является способ обезвоживания осадка сточных вод, включающий осветление предварительно смешанных с избыточным илом стоков посредством их реагентной обработки с последующим механическим обезвоживанием осадка с добавлением флокулянта, при этом в качестве реагента для обработки стоков перед осветлением используют коагулянт - аминоэпихлоргидриновую смолу, которую подают на обработку стоков в таком количестве, которое обеспечивает ее остаточное содержание в осветленных стоках не более чем 0,24 мг/дм, а в процессе механического обезвоживания в осадок вводят флокулянт Праестол 853 ВС в количестве 3,2-5,0 кг/тн сухого вещества осадка, причем механическое обезвоживание осадка сточных вод осуществляют центрифугированием (RU 2498946 C2, 20.11.2013). Данный способ принят за прототип.
Недостатком данного способа также является высокая влажность получаемых остатков (75-78%).
2
Необходимо отметить, что органические отходы - это сложные отходы, состоящие из комплекса разнотиповых компонентов - белки, жиры, углеводы и минеральные составляющие. Они имеют разную величину молекул, разную полярность и разные физико-химические свойства. Вода в пищевых отходах в значительных количествах может содержаться в неразрушенных клетках. Однако установлено, что удаление воды из замороженных до -20°С овощей и измельченных до величины частиц менее 1 мм, но не прошедших заморозку овощей, приводит к остатку с приблизительно одинаковой влажностью (расхождение составляет порядка 1%). Пульпа, полученная из органических отходов, содержащая менее 20% сухого вещества, наряду с дисперсными частицами содержит большой объем коллоидной массы. При отжиме измельченных органических отходов в пресс-фильтрах при прикладываемом давлении 20 кГс/см удается получить жмых картофельных отходов с влажностью 50%, жмых салата с влажностью 60% и жмых кофе-шлама с влажностью 52%, мясные отходы отжиму не подвергаются.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является переработка высоковлажных отходов растительного и животного происхождения с содержанием воды более 80% в сырье с влажностью около 30%, которое востребовано и может быть использовано без дополнительных затрат в качестве кормовых добавок для животных при операциях экструзии или гранулирования.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является снижение прикладываемого давления при отжиме до 10 кГс/см2, с целью удешевления используемого оборудования, повышение эффективности его работы за счет уменьшения объема остатка, получение остатка с влажностью менее 40%, что снижает энергозатраты при дальнейшем его использовании.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способ удаления воды из высоковлажных органических отходов, заключающемся в  последовательном введении в органические отходы растворов коагулянта и органического катионного флокулянта с последующим отделением воды, согласно изобретению измельчают исходные органические отходы с получением пульпы, в качестве коагулянта используют оксихлорид алюминия, в качестве органического катионного флокулянта используют катионный полиакриламидный флокулянт Flopam FO 4490 или FO 4350,введение растворов коагулянта и флокулянта в полученную пульпу осуществляют в количествах, определенных в результате экспериментов, в ходе которых проводят обработку серии проб полученной пульпы путем введения отдельно раствора коагулянта и раствора флокулянта, причем для определения соотношения массы коагулянта к массе пульпы проводят обработку и фильтрацию серии из 14 проб пульпы, с построением графика зависимости влажности остатка после отжима на фильтр-прессе от используемого количества коагулянта, полученного по результату для 50 мг/100 мг/150мг/200 мг/250 мг/300 мг/350 мг/400 мг/450 мг/500 мг/550 мг/600 мг/650 мг/700 мг коагулянта на кг пульпы, а для определения соотношения массы флокулянта к массе пульпы осуществляют обработку и фильтрацию серии из 7 проб пульпы, с построением графика зависимости влажности остатка после отжима на фильтр-прессе от используемого количества флокулянта для 50 мг/100 мг/150 мг/200 мг/250 мг/300 мг/350 мг флокулянта на кг пульпы, определяют соотношение масс М(к) коагулянта и пульпы и соотношение масс М(ф) флокулянта и пульпы для проб с наименьшей влажностью остатка, рассчитывают соотношение К масс коагулянта и пульпы и соотношение Ф масс флокулянта и пульпы для введения в пульпу из условия равенства суммы К + Ф большему из значений М(к) и М(ф) или любому из этих значений при их равенстве и из условия равенства отношений К/Ф и М(к)/М(ф), и по рассчитанным соотношениям К и Ф определяют значения масс коагулянта и флокулянта для введения в пульпу.
Предпочтительно осуществлять измельчение органических отходов до размера частиц в пульпе не более 1 мм с содержанием сухого вещества не более 20 мас. %.
Также предпочтительно отделение воды осуществлять путем фильтрования и последующего отжима остатка.
При этом отжим остатка можно осуществлять с помощью центрифуги или ленточного фильтр-пресса.
Сущность изобретения заключается в следующем.
2
В предлагаемом способе исходное высоковлажное растительное сырье дроблением превращают в пульпу с размером частиц твердого вещества менее 1 мм, в полученную пульпу при перемешивании последовательно прибавляют растворы 0,25-0,5% неорганического катионного коагулянта и 0,1% органического катионного флокулянта в количествах, предварительно определяемых экспериментально в лаборатории, так как это влияет на эффективность водоудаления. Влажность остатков при использовании подобранного количества только одного флокулянта составляет для картофеля - 40%, для салата - 58%, для мясных отходов (давление при отжиме до 5 кГс/см) - 45%. При использовании коагулянта и флокулянта в расчетном количестве и соотношении позволяет дополнительно снизить влажность остатка почти на 12%. В качестве неорганического высокоионного коагулянта могут выступать соли алюминия или железа. В качестве экспериментального примера использован оксихлорид алюминия марки V1. В качестве органических катионных флокулянтов были исследованы полиакриламидные флокулянты марки «Flopam» (производства Франции).
2
Количества и соотношение коагулянта и флокулянта для каждого вида отхода определяют индивидуально, так как от этого зависит влажность остатка после процесса отжима. Для определения данных параметров строят графики зависимости влажности остатка пробы после предварительной фильтрации в течение 10 минут с последующим отжимом на фильтр-ткани при прикладываемом давлении 10 кГс/см (имитация ленточного фильтр-пресса) от количества прибавленного коагулянта и от количества прибавленного флокулянта (фиг. 1-6). Для построения графика для коагулянта берут 14 образцов пульпы измельченного отхода, для построения графика для флокулянта - 7 образцов пульпы. В соответствии с полученными данными производят расчет необходимых количеств коагулянта и флокулянта на 1 кг приготовленной для водоудаления пульпы отхода. Для этого на графиках определяют точки оптимальных значений количеств реагентов для максимального удаления воды из пульпы, соответствующих минимальной влажности остатка. Сумма количеств реагентов (коагулянт + флокулянт) должна быть равна большему значению одного из этих реагентов. Это может быть объяснено тем, что частицы вещества имеют фиксированное количество зарядов. Незаряженные частицы легко отделяют воду (пример: все жиры). Это количество зарядов может быть нейтрализовано определенным количеством противоионов. При большем количестве противоионов наблюдается перезарядка частиц, что приводит к притягиванию диполей воды, а следовательно, к появлению дополнительной влаги в веществе. В данном случае коагулянта требуется больше или столько же, чем флокулянта. Расчет количеств реагентов производят следующим образом:
1 - находят коэффициент отношения необходимой массы коагулянта на кг пульпы к требуемой массе флокулянта на кг этой же пульпы (массы коагулянта и флокулянта используют из таблиц или графиков, фиг. 1-6); так для картофельной пульпы мы имеем 400 мг коагулянта на кг пульпы или М(к) (влажность остатка 32.6%) и 250 мг флокулянта на кг пульпы или М(ф) (влажность остатка 34%), их коэффициент отношения составит М(к)/М(ф)=400/250=1,6;
2 - количество необходимого флокулянта условно принимают за 1, тогда их общее количество условно будет М(к)/М(ф)+1; в случае с картофельной пульпой получается 1,6+1=2,6;
3 - наибольшую массу одного из реагентов для наилучшего водоудаления или М(к) делят на полученную в пункте 2 величину и получают необходимое количество флокулянта для процесса водоудаления или Ф=М(к)/(М(к)/М(ф)+1). Вставляя в формулу вместо 1=М(ф)/М(ф) получаем Ф=М(к)М(ф)/(М(к)+М(ф)). В случае с картофельной пульпой получилось 400:2,6=154 мг/кг пульпы или Ф=400*250/(400+250)=100000/650=153,8 мг или 154 мг, тогда количество коагулянта составит 400 мг - 154 мг = 246 мг/кг пульпы или К=М(к)М(к)/(М(к)+М(ф))=400*400/(400+250)=160000/650= 246,1 мг или 246 мг.
Готовят растворы реагентов и вводят их в пульпу в расчетном количестве последовательно. Полученную после введения реагентов смесь подвергают водоудалению известными методами.
Изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 представлены таблица и график №1 зависимости влажности остатка после отжима на фильтр-прессе от используемого количества коагулянта для пульпы картофеля.
На фиг. 2 представлены таблица и график №2 зависимости влажности остатка после отжима на фильтр-прессе от используемого количества флокулянта для пульпы картофеля.
На фиг. 3 представлены таблица и график №3 зависимости влажности остатка после отжима на фильтр-прессе от используемого количества коагулянта для пульпы салата.
На фиг. 4 представлены таблица и график №4 зависимости влажности остатка после отжима на фильтр-прессе от используемого количества флокулянта для пульпы салата.
На фиг. 5 представлены таблица и график №5 зависимости влажности остатка после отжима на фильтр-прессе от используемого количества коагулянта для мясной пульпы.
На фиг. 6 представлены таблица и график №6 зависимости влажности остатка после отжима на фильтр-прессе от используемого количества флокулянта для мясной пульпы.
Способ удаления воды из высоковлажных органических отходов осуществляется следующим образом.
2
2
2
Исходное органическое сырье измельчают в дробилке-пастоприготовителе до размера частиц в пульпе не более 1 мм и с содержанием сухого остатка не более 20% (желательно менее 15%), перекачивают в флокулятор любого типа (это может быть емкость на 500 л с вертикальной мешалкой и нижним сливом). От перемешанной в течение не менее 5 минут массы отбирают пробу количеством 2-3 кг, но не менее 1 кг. В лаборатории проводят обработку и фильтрацию серии проб пульпы количеством по 50 г приготовленным раствором неорганического коагулянта - оксихлорида алюминия марки V1 (ОХА) с концентрацией 50 мг вещества в 10 мл раствора, получая результаты для 50 мг/100 мг/150мг/200 мг/250 мг/300 мг/350 мг/400 мг/450 мг/500 мг/550 мг/600 мг/650 мг/700 мг ОХА на кг пульпы. Для этого берут 14 стаканчиков объемом 100 мл, помещают в каждый стаканчик по 50 г перемешанной пульпы и вносят 0,5 мл/1 мл/1,5 мл/2 мл/2,5 мл/3 мл/3,5 мл/4 мл/ 4,5 мл/5 мл/5,5 мл/6 мл/6,5 мл/7 мл водного раствора коагулянта, все образцы хорошо перемешивают 1-2 минуты и быстро выкладывают в воронки с фильтрами (синяя лента), помещенные в мерные цилиндры на 50 мл, устанавливают таймер на 10 минут, через 10 минут замеряют объемы отделенной жидкости во всех цилиндрах. Остатки с фильтров (14 проб) отжимают на фильтр-ткани при прикладываемом давлении 10 кГс/см (для мяса при давлении до 5 кГс/см), создавая имитацию отжима на ленточном фильтр-прессе. Определяют остаточную влажность образцов любым методом. Строят график для коагулянта (см. графики №1, 3, 5 на фиг. 1, 3 ,5). Производят обработку и фильтрацию серии проб пульпы количеством по 50 г приготовленным 0,1% раствором флокулянта, получая результаты для 50 мг/100 мг/150 мг/200 мг/250 мг/300 мг/350 мг флокулянта на кг пульпы аналогично вышеописанной методике для коагулянта. Строят график для флокулянта (см. графики №2, 4, 6 на фиг. 2, 4, 6). Наилучшие данные по остаточной влажности отжатых проб для коагулянта и для флокулянта используют в расчетах необходимых количеств реагентов на кг исследуемой пульпы. После этого проводят два контрольных опыта (но не менее), взяв по 50 г или 100 г пульпы, прибавляют рассчитанные количества коагулянта и флокулянта, производят предварительное отделение воды на фильтре и отжим остатков на прессе при 10 кГс/сми определяют влажность остатков. Производят расчет необходимых количеств коагулянта и флокулянта для 200 кг пульпы. В флокулятор с 200 кг пульпы при перемешивании прибавляют расчетное количество раствора коагулянта, массу перемешивают 2-4 минуты, прибавляют расчетное количество раствора флокулянта, массу перемешивают 2-4 минуты. Полученную массу выгружают на фильтр-ткань в центрифугу или в емкость для предварительного отделения воды, где в течение 30 минут происходит основное отделение воды. Остаток центрифугируют или отжимают на ленточном фильтр-прессе при давлении до 10 кГс. Полученный жом может быть использован в дальнейшем при приготовлении кормовых добавок различными методами без подсушивания или подсушен в сушилке любого типа для растительного сырья.
Примеры осуществления способа.
Пример 1.
Отходы картофеля измельчают в дробилке-пульпоприготовителе (количество твердых частиц на сетке 1 мм не более 5%, содержание сухого вещества 18%), перекачивают или переливают в смеситель на 500 кг с вертикальной лопастной мешалкой, вращающейся со скоростью не более 60 оборотов в минуту, и нижним сливом с диаметром не менее 25 см, массу перемешивают и производят подбор в лаборатории коагулянта и флокулянта и их количеств. Наилучшее водоотделение происходило при количествах пошедшего на титрование флокулянта и коагулянта М(ф)=250 мг на кг пульпы и М(к)=400 мг на кг пульпы соответственно (фиг. 1 и 2), влажность остатков после отжима 34% и 32,6% соответственно. Наилучшие результаты получены при использовании катионного полиакриламидного флокулянта Flopam FO 4350. Соотношение коагулянт (ОХА) - флокулянт (FO 4350) М(к):М(ф) равно 1,6. Результаты расчетов исходя из наилучшего показателя по коагулянту следующие: коагулянт = 1,6 части, флокулянт = 1 часть, всего = 2,6 части; 400 мг/кг делим на 2,6 и получаем Ф = 154 мг/кг или 150 мг/кг, требуемое количество флокулянта, тогда требуемое количество коагулянта составит К=400-154=246 мг/кг или 250 мг/кг. Мы использовали коагулянта 250 мг на кг картофельной пульпы, количество флокулянта - 150 мг на кг пульпы. В 200 кг перемешиваемой пульпы прибавляют 5000 мл раствора коагулянта с концентрацией 1 г вещества в 100 мл раствора, массу перемешивают 2-4 минуты до визуальной коагуляции, прибавляют 30 л раствора флокулянта с концентрацией 100 мг вещества в 100 мл раствора, массу перемешивают 2-4 минуты до визуального отделения воды, пульпу подают в декантер или сливают в центрифугу на фильтр-ткань Р 4406 ТС или аналогичную и производят водоудаление. После центрифуги массу дожимают на ленточном фильтр-прессе с давлением до 10 кГс/см2. Получают остаток с влажностью 27%.
Пример 2.
Отходы капусты (салата), хранившиеся сутки и более в теплом помещении, измельчают в дробилке-пульпоприготовителе до фракции с размером частиц не более 1 мм (содержание сухого вещества 5%), перекачивают в флокулятор или в смеситель на 500 кг с вертикальной лопастной мешалкой и нижним сливом, массу перемешивают и отбирают пробу пульпы в количестве не менее 1 кг для лабораторного подбора флокулянта и его количества и количества коагулянта (ОХА) требуемых для лучшего водоудаления (фиг. 3 и 4). Наилучшие результаты были получены с катионным полиакриламидным флокулянтом Flopam FO 4490. М(к) = 650 мг на кг пульпы, М(ф) = 100 мг на кг пульпы, с остаточной влажностью 58 % и 58 %. Соотношение коагулянт : флокулянт = 6,5. Берем коагулянта К = 560 мг на кг пульпы салата, а флокулянта - Ф = 90 мг на кг пульпы салата. В 200 кг перемешиваемой пульпы прибавляют 11,2 л раствора коагулянта с концентрацией 1 г вещества в 100 мл раствора, массу перемешивают 2-4 минуты до визуальной коагуляции, прибавляют 18 л раствора флокулянта с концентрацией 100 мг вещества в 100 мл раствора, массу перемешивают 2-4 минуты до визуального отделения воды, пульпу подают в декантер или сливают в центрифугу на фильтр-ткань Р 6528 ТС или аналогичную и производят водоудаление. После центрифуги массу дожимают на ленточном фильтр-прессе с давлением до 10 кГс/см2. Получают остаток с влажностью 37%.
Пример 3.
2
Отходы мясопродуктов с влажностью 55-56% измельчают предварительно в мясорубке, а затем в промышленном миксере с добавлением воды для получения пульпы с содержанием сухого вещества 20% и менее. На каждые 500 кг мясных отходов используют 600 л воды. 200 кг пульпы перекачивают в флокулятор на 500 л с вертикальной лопастной мешалкой и нижним сливом. От перемешиваемой пульпы отбирают пробу в количестве не менее 1 кг для лабораторных исследований. Подбирают необходимые количества коагулянта и флокулянта в соответствии с диаграммой (фиг. 5 и 6). Наилучшие результаты из испытанных образцов катионных полиамидных флокулянтов марки «Flopam» получены с флокулянтом FO 4490. Соотношение М(к) : М(ф) равно 100:100=1. Требуемые количества К и Ф по 50 мг на кг пульпы. В 200 кг перемешиваемой пульпы прибавляют 2 л 0,5% раствора коагулянта, массу перемешивают 2-4 минуты, прибавляют 10 л 0,1% раствора флокулянта, массу перемешивают 2-4 минуты до визуального изменения ее состояния, пульпу подают в декантер или сливают в центрифугу на фильтр-ткань P1003CQ или аналогичную и производят водоудаление. После центрифуги массу дожимают на ленточном фильтр-прессе с давлением до 5 кГс/см. Получают остаток с влажностью 38%.