Научная статья на тему 'ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИИ АНАЭРОБНО-АЭРОБНОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД МОЛОКОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ'

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИИ АНАЭРОБНО-АЭРОБНОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД МОЛОКОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

CC BY
132
48
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПЕРЕРАБОТКА МОЛОКА / СТОЧНЫЕ ВОДЫ / АНАЭРОБНАЯ ОЧИСТКА / БИОГАЗ / ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Аннотация научной статьи по экологическим биотехнологиям, автор научной работы — Ле Х. Т., Хабибуллин Р. Э., Петров А. М.

Одним из перспективных направлений альтернативной энергетики является использование возобновляемой энергии биомассы, в первую очередь отходов агропромышленного комплекса, с получением биогаза. Биогаз представляет собой климатически нейтральный возобновляемый источник энергии, который имеет ряд преимуществ с точки зрения вклада в декарбонизацию по сравнению с другими видами «зеленой» энергетики. Последние десятилетия одним из признанных лидеров в области развития биогазовой технологии и биоэнергетики является Европа. История развития этой отрасли альтернативной энергии переживала периоды бурного роста, интенсивного развития и завоевания европейского рынка, однако в последние годы отрасль испытывает серьезные проблемы, описанные на примере Германии. С учетом этих проблем анаэробные технологии очистки сточных вод, также получающие биогаз в качестве вторичного продукта, выглядят предпочтительной альтернативой технологиям переработки органических отходов сельского хозяйства и энергетической биомассы, поскольку лишены присутствия вторичного спутника метаногенного сбраживания отходов - органической фракции, создающей основные экологические проблемы и снижающей экономическую эффективность процесса. Республика Татарстан является одним из лидеров в Российской Федерации по переработке молока, а этот процесс вызывает образование большого количества концентрированных сточных вод. В связи с этим представляло интерес оценить эколого - экономическую эффективность технологии биологической анаэробно - аэробной очистки сточных вод молокоперерабатывающего предприятия, работающего на территории Республики Татарстан. Представлена методика и исходные данные для расчета. Показано, что при очистке по усовершенствованной анаэробно - аэробной технологии годовой эколого - экономический эффект на действующем предприятии может составить 147 тысяч рублей. Представлены результаты расчета количества альтернативного климатически нейтрального источника энергии - биогаза. При внедрении усовершенствованной анаэробно - аэробной очистки сточных вод на действующем предприятии объем биогаза может составить до 104 тыс. м3 условного газообразного топлива, а в масштабах Республики Татарстан - до 8.3 млн. м3 условного топлива в год. Расчет коэффициента воспроизводства энергии показал его достаточно высокое значение (около 18.4) при реализации разработанных усовершенствований, что указывает на экономическую привлекательность анаэробно - аэробной очистки сточных вод предприятия по переработке молока с получением биогаза.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по экологическим биотехнологиям , автор научной работы — Ле Х. Т., Хабибуллин Р. Э., Петров А. М.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ECOLOGICAL EFFICIENCY OF THE MILK PROCESSING WASTEWATER ANAEROBIC - AEROBIC TREATMENT TECHNOLOGY

One of the promising areas of alternative energy is the use of renewable biomass energy, primarily waste from the agro - industrial complex, with the production of biogas. Biogas is a climate - neutral renewable energy source that has a number of advantages in terms of contribution to decarbonization compared to other types of «green» energy.In recent decades, Europe has been one of the recognized leaders in the development of biogas technology and bioenergy. The history of the development of this alternative energy industry has experienced periods of rapid growth, intensive development and the conquest of the European market, but in recent years the industry has been experiencing serious problems described by the example of Germany. Taking into account these problems, anaerobic wastewater treatment technologies, which also receive biogas as a secondary product, look like a preferable alternative to digestion of organic agricultural waste and energy biomass, since they lack the presence of a secondary companion of methanogenic waste fermentation - an organic fraction that creates major environmental problems and reduces the economic efficiency of the process. The Republic of Tatarstan is one of the leaders in the Russian Federation in milk processing, and this process causes the formation of a large amount of concentrated wastewater. It was of interest to evaluate the ecological and economic efficiency of the technology of anaerobic - aerobic wastewater treatment of a dairy processing enterprise operating in the territory of the Republic of Tatarstan. The methodology and initial data for the calculation are presented. It is shown that when cleaning using improved anaerobic - aerobic technology, the annual ecological and economic effect at the operating enterprise can amount to 147 thousand rubles. The results of calculating the amount of an alternative climate - neutral energy source biogas is also presented. With the introduction of improved anaerobic - aerobic wastewater treatment at an operating enterprise, the volume of biogas can reach up to 104 thousand cubic meters of conventional gaseous fuel, and up to 8.3 million cubic meters of conventional fuel in the Republic of Tatarstan per year. Finally, the calculation of the energy returned on energy invested coefficient showed its sufficiently high value (about 18.4) when implementing the developed improvements, which indicates the economic attractiveness of anaerobic - aerobic wastewater treatment of a milk processing enterprise with the production of biogas.

Текст научной работы на тему «ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИИ АНАЭРОБНО-АЭРОБНОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД МОЛОКОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ»

УДК 628.32

12Х.Т. Ле, 1Р.Э. Хабибуллин, 3А.М. Петров

1 Казанский национальный исследовательский технологический университет, [email protected]

2 Индустриальный университет Вьет Чи, Вьетнам 3 Институт проблем экологии и недропользования АН РТ

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ТЕХНОЛОГИИ АНАЭРОБНО-АЭРОБНОЙ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД МОЛОКОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Одним из перспективных направлений альтернативной энергетики является использование возобновляемой энергии биомассы, в первую очередь отходов агропромышленного комплекса, с получением биогаза. Биогаз представляет собой климатически нейтральный возобновляемый источник энергии, который имеет ряд преимуществ с точки зрения вклада в декарбонизацию по сравнению с другими видами «зеленой» энергетики. Последние десятилетия одним из признанных лидеров в области развития биогазовой технологии и биоэнергетики является Европа. История развития этой отрасли альтернативной энергии переживала периоды бурного роста, интенсивного развития и завоевания европейского рынка, однако в последние годы отрасль испытывает серьезные проблемы, описанные на примере Германии. С учетом этих проблем анаэробные технологии очистки сточных вод, также получающие биогаз в качестве вторичного продукта, выглядят предпочтительной альтернативой технологиям переработки органических отходов сельского хозяйства и энергетической биомассы, поскольку лишены присутствия вторичного спутника метаногенного сбраживания отходов - органической фракции, создающей основные экологические проблемы и снижающей экономическую эффективность процесса. Республика Татарстан является одним из лидеров в Российской Федерации по переработке молока, а этот процесс вызывает образование большого количества концентрированных сточных вод. В связи с этим представляло интерес оценить эколого-экономическую эффективность технологии биологической анаэробно-аэробной очистки сточных вод молокоперерабатывающего предприятия, работающего на территории Республики Татарстан. Представлена методика и исходные данные для расчета. Показано, что при очистке по усовершенствованной анаэробно-аэробной технологии годовой эколого-экономический эффект на действующем предприятии может составить 147 тысяч рублей. Представлены результаты расчета количества альтернативного климатически нейтрального источника энергии - биогаза. При внедрении усовершенствованной анаэробно-аэробной очистки сточных вод на действующем предприятии объем биогаза может составить до 104 тыс. м3 условного газообразного топлива, а в масштабах Республики Татарстан - до 8.3 млн. м3 условного топлива в год. Расчет коэффициента воспроизводства энергии показал его достаточно высокое значение (около 18.4) при реализации разработанных усовершенствований, что указывает на экономическую привлекательность анаэробно-аэробной очистки сточных вод предприятия по переработке молока с получением биогаза.

Ключевые слова: переработка молока; сточные воды; анаэробная очистка; биогаз; экологическая эффективность.

DOI: https://doi.Org/10.24852/2411-7374.2022.1.76.84

Введение

Перспективным направлением альтернативной энергетики является использование биомассы, т.е. отходов растениеводства, животноводства и птицеводства с выработкой биогаза. Биогаз как климатически нейтральный возобновляемый источник энергии по отношению к прочим видам зеленой энергетики имеет ряд преимуществ с точки зрения вклада в декарбонизацию.

Во-первых, разложение органических отходов в биогазовых установках предотвращает выбросы в атмосферу метана и диоксидов азота, у которых парниковый эффект в 21 и 310 раз превышает действие С02.

Во-вторых, продукты сбраживания отходов позволяют заместить минеральные удобрения, получаемые с помощью энергоемких технологий и с выделением парниковых газов.

российский журннл ииой экологии

В-третьих, содержащаяся в биогазе углекислота может быть восстановлена водородом до метана по известной технологии «Power to gas», причем реакцию можно провести и с помощью метаногенных микроорганизмов.

Наконец, биогаз - гибкий вид возобновляемой энергии, которую можно использовать не только для постоянной когенерации тепла и электроэнергии, но и хранить и транспортировать в виде «псевдонатурального» биометана (Будущее биогаза в Европе).

До последнего времени ведущим игроком в области биогаза в Европе была Германия. В конце 90-х годов в ФРГ было построено 8 централизованных биозаводов с суммарным объемом 190 тыс. м3. В 2010 г. в ней функционировало уже более 9 тысяч установок по переработке сельскохозяйственных отходов, из которых более 400 -установки с объемом метантанка 600-800 м3. В 2018 г. в Европе число биогазовых энергетических установок (БГЭУ), генерирующих тепло- и электроэнергию, превысило 18 тысяч, а биогазовых станций, доводящих биогаз до «псевдонатурального» метана - 610. Годовая производительность по биогазу достигла 2.3 млрд. м3, суммарная установленная мощность мини-ТЭЦ на биогазе достигла 11 ГВт, а годовое производство энергии превысило 63 тыс. ГВтч.

На Германию приходится более 2/3 реализованных проектов и введенных мощностей, поэтому именно здесь формировались стандарты поддержки отрасли, бизнес-модели проектов и технологий. Но реальность показала, что европейский опыт оказался далек от идеала и непригоден для повсеместного тиражирования. Основные его особенности следующие.

1. Главным элементом финансовой поддержки из госбюджета является «зеленый» тариф, по которому осуществлялась закупка электроэнергии у собственников БГЭУ. Согласно закону ФРГ

0 возобновляемой энергии от 1.04.2000 г., было гарантировано вознаграждение за выработку альтернативной электроэнергии до 10 евроцентов за

1 кВтчас. При такой постановке вопроса основным критерием эффективности БГЭУ стала максимизация валовой выработки электроэнергии, а не их внутренняя рентабельность. Естественно, эти траты покрывались растущими тарифами для потребителей энергии, в том числе населения, и уже к 2014 г. тариф в Германии превысил 0.33 евро за 1 кВтч. Поэтому производство биогаза стало привлекательным источником дохода для многих фермеров (Demuynck, 2007; Weiland, 2003).

2. Следствием политики субсидирования отрасли исключительно через «зеленый» тариф

стало введение в эксплуатацию неэффективных инвестиционных проектов и присутствие на рынке поставщиков оборудования с неоптимальными техническими решениями.

3. Для снижения стоимости станции в расчете на 1 кВт получаемой энергии предпочтительным оказалось использование субстратов с высоким выходом биогаза, к которым в первую очередь относится энергетическая биомасса - кукурузный и рапсовый силос, получившие распространение с 1999 г. Этот субстрат стал преобладающим на абсолютном большинстве БГЭУ в Германии, но законодательно была закреплена сдерживающая норма о режиме совместного сбраживания отходов животноводства и растительной биомассы, который применяется на 90% всех биогазовых установок.

4. Предприятия-производители, отказавшиеся от производства сельскохозяйственного сырья, получали дополнительные доплаты, повышающие финансовую привлекательность деятельности, связанной с эксплуатацией БГЭУ.

5. Дополнительный фактор удорожания проектов - строительство силосохранилищ для обеспечения сырьем в течение всего года.

6. Но главным препятствием, как ни парадоксально, стали экологические проблемы. На 1 кВтч получаемой электроэнергии в качестве продукта брожения образуется около 20 кг органической фракции с высоким содержанием азота, фосфора, калия и воды. Проблема сбыта возникла из-за необходимости соблюдать нормы ее внесения в почву. Проблема носит массовый характер, и сегодня более 1 млн. т этой сброженной массы не находит сбыта. Более того, по мере обеспечения прилегающих к БГЭУ земель органическим удобрением растут транспортные расходы на перевозку, которые в последний год достигли 20 евро за тонну.

7. Использование зеленой массы в качестве субстрата для БГЭУ кратно увеличивает объем сброженной массы. Кроме того, под выращивание кукурузы на силос из оборота изымалась огромная площадь плодородных земель, которые могли бы использоваться в продовольственных целях.

8. На крайне низком уровне находится их энергетическая окупаемость - соотношение произведенной энергии к затраченной. Высокий «углеродный след» этих энергетических затрат создает огромный репутационный ущерб для БГЭУ как бизнес-модели декарбонизации.

В 2014 г. под влиянием вышеуказанных проблем были приняты поправки в законодательство, обязывающие собственников БГЭУ получать удобрения в концентрированном или гранулирован-

1/2122

77

ном виде при условии доочистки жидких стоков. Станции, работающие исключительно на зеленой массе, лишились «зеленых» тарифов на энергию. После свертывания программ субсидирования множество собственников БГЭУ, производителей оборудования и девелоперов обанкротилось. Европейская биогазовая отрасль выглядит неконкурентоспособной по сравнению с традиционной энергетикой, испытывает проблемы с сырьем, с завышенной стоимостью оборудования и находится в тупике.

Молочная промышленность во всем мире обеспечивает производство множества пищевых продуктов, однако одновременно образует большие объемы концентрированных отходов и сточных вод (Ahmad et al., 2019; Slavov, 2017), создающих серьезные экологические проблемы для окружающей среды (Zhao et al., 2020, Tocchi et al., 2013).

Татарстан - крупнейший производитель молока в России, объем его производства достиг 1350 тыс. т в 2019 г., а объем переработки - 1010 тыс. т. Восемь предприятий, входящие в сотню крупнейших заводов РФ, переработали 662 тыс. т молока, то есть 65.5% объема переработки в республике или 3.3% переработки в РФ (Реестр ...).

Ранее было показано, что анаэробные процессы являются предпочтительными методами переработки органических отходов и очистки сточных вод пищевых предприятий по сравнению с аэробными (Баланов и др., 2015; Хабибуллин и др., 2010, 2011, 2014; Demirel et al., 2005, Goblos et al., 2008, Rajeshwari et al., 2000).

С учетом вышеперечисленных европейских проблем с функционированием БГЭУ, анаэробные технологии очистки сточных вод, также получающие биогаз в качестве продукта, выглядят предпочтительной альтернативой не только аэробным технологиям, но и метаногенным технологиям переработки органических отходов сельского хозяйства, тем более - энергетической зеленой биомассы. Они лишены практически всех указанных недостатков, сопряженных с образованием органической сброженной массы, ее хранением и транспортировкой.

В статье приведена оценка экологической и экономической эффективности внедрения разработанной биотехнологии анаэробно-аэробной очистки сточных вод действующего в Республике Татарстан молокоперерабатывающего предприятия. Кроме того, представлены результаты расчета энергетической эффективности использования биогаза от установки анаэробно-аэробной очистки сточных вод молокоперерабатывающего предприятия, в качестве которой выступает коэффициент воспроизводства энергии (КВЭ) (Фиапшев

и др., 2014).

Материалы и методы исследования

Предотвращённый экологический ущерб от загрязнения окружающей среды представляет собой оценку в денежной форме возможных отрицательных последствий загрязнения природной среды, которые удалось избежать или минимизировать в результате осуществления природоохранных мероприятий на проектируемом объекте.

Оценка величины предотвращенного ущерба от загрязнений водной среды проводилась на основе показателей удельного ущерба, представляющих собой удельные стоимостные оценки ущерба на единицу (1 условную тонну) приведенной массы загрязняющих веществ (Рекус, Шори-на, 2001; Методика ..., 1999, Временная ..., 1999). Общая величина ущерба от загрязнения водоема определяется в соответствии с выражением:

У = у • ок • М

где У - ущерб, наносимый окружающей среде сбросами в водоемы вредных веществ, руб./год; у - удельный ущерб, причиняемый народному хозяйству сбросом в водоемы одной условной тонны загрязняющих веществ, у = 4000 руб./усл. т; ок - показатель относительной опасности загрязнения водоема или его участка (для водохозяйственных участков Татарстана ок = 0.5); М - приведенная масса сбрасываемых в водоемы веществ (усл. т/год).

Приведенная годовая масса загрязняющих веществ рассчитывается по формуле:

М = £А.т

где Ai - показатель относительной опасности сброса в водоем .-го вещества, усл. т/т; mi - масса годового сброса в водоем .-го вещества, т/год.

Значение Ai связано с величиной ПДК соотношением:

Л=1/ПДК

где ПДК - предельно допустимая концентрация .-го загрязнителя в воде водоемов рыбохозяй-ственного значения, мг/дм3.

Количество поступающего в водохозяйственный участок .-го загрязнителя зависит от объема годового сброса сточных вод источниками загрязнения и от концентрации .-го загрязнителя в источниках загрязнения:

m

i ij ij

где с. - концентрация .-го загрязнителя в _)-ом источнике загрязнения, т/м3;

У.) - годовой сброс .-го загрязнителя _)-ом

78

российский журннл лриклнлной экологии

источником загрязнения, м3/год.

Результаты и их обсуждение

В качестве исходных были приняты характеристики реальных сточных вод действующего молокоперерабатывающего завода, параметры которых были использованы при моделировании и разработке биотехнологии их очистки. Средний суточный объем образующихся сточных вод составляет 200 м3, годовой объем промышленных стоков 71000 м3. Исходные данные для расчета эколого-экономического эффекта при использовании анаэробного метода очистки сточных вод представлены в таблице 1.

Далее рассчитывали показатели относительной опасности сброса, массы годового сброса в канализацию, приведенной массы годового сброса данного загрязняющего вещества и предотвращенного эколого-экономического ущерба по формулам (1)-(4). Результаты расчета предотвращенного эколого-экономического ущерба до и после проведения водоохранных мероприятий представлены в таблицах 2 и 3.

Результаты расчета предотвращенного эколо-го-экономического ущерба представлены в таблице 4.

Расчет энергетического потенциала сточных вод предприятия по переработке цельного молока производился с учетом следующих исходных данных для предприятия:

- средний годовой объем сточных вод предприятия - 71 тыс. м3;

- число рабочих дней в году с учетом остановки на 10 дней - 355;

- средняя загрязненность сточных вод по ХПК - 3800 гО2/м3;

- эффективность очистки на анаэробной ступени - 90%;

- выход метана из органического вещества -0.35 м3/кг ХПК;

- теплотворная способность метана - 3.6 107 Дж/м3;

- теплотворная способность условного газообразного топлива - 2.9 107 Дж/м3.

Результаты расчета образования метана на действующем предприятии и исходные данные для расчета представлены в таблице 5.

Таким образом, за год работы предприятия по переработке молока можно получить 104 тыс. м3 условного топлива с теплотворной способностью 29.3 МДж/м3.

Для расчета количества метана, образующегося в случае повсеместного внедрения усовершенствованной анаэробной биотехнологии в масштабах Республики Татарстан, примем объем перера-

ботки молока равным 1010 тыс. т в год, а величину среднего водопотребления - 5.6 м3 воды на 1 т молока. Тогда расчетный объем сточных вод всех предприятий по переработке молока составит 5.66 млн. т в год. Остальные исходные данные и результаты расчета представлены в таблице 6.

Таким образом, в случае внедрения анаэробных биотехнологий на молокоперерабатывающих предприятиях Республики Татарстан энергетический потенциал сточных вод составит 8.3 млн. м3 условного топлива в год.

Проведенные ранее расчеты (Гоголева, Бель-кова 2020) доказали эффективность использования биогаза и возможность получения экономического эффекта до 4 млн. рублей ежегодно.

Для определения эффективности получения альтернативной энергии предложен метод оценки на базе коэффициента воспроизводства энергии КВЭ (Фиапшев и др., 2014):

КВЭ = Q / Q

^-получ. ^-затрач.

где QпQпуч - величина полученной энергии, Q - величина энергии, затраченной на произ-

затрач.

водство. По результатам расчета строительство единичного объекта по выработке биогаза будет считаться оправданным, если КВЭ > 1.

Величину полученной энергии Q рассчи-

получ.

тывали, исходя из количества произведенного за год биогаза и его теплотворной способности. Исходные данные для расчетов представлены в таблице 5. Количество биогаза составило 84987 м3/год с теплотворной способностью 23 МДж/м3. Тогда Qполуч = 1.951012 Дж/год.

Величину затраченной энергии Q приняли

затрач.

равной годовому расходу энергии для электроснабжения насосов для перекачки сточных вод, затрат на освещение, вентиляцию помещений, на работу КИПиА. Дополнительно к вышеуказанным исходным данным для расчета приняли, что использовались насосы для сточных вод марки Нота ТР-30 производительностью 36.7 м3/ч и установленной мощностью 1.2 кВт. Время работы насосов в сутки составило: 200 м3/сут / 36.7 м3/ч = 5.5 ч/сут. Величина потребленной электроэнергии в сутки составила: 1.2 кВт х 5.5 ч/сут = 6.6 кВтч/сут, за год 6.6 кВтч/сут х 355 сут/год = 2343 кВтч/год, что эквивалентно 3600000 Дж/ кВтч х 2343 кВтч = 8.43109 Дж/год.

Часовые затраты электроэнергии на освещение, вентиляцию рабочих помещений и работу КИПиА по данным действующего предприятия не превышали 3.2 кВтчас. За год это составило 3.2 кВт ч х 24 час/сут х 355 сут/год = 27264 кВт ч/ год, что эквивалентно 9.81010 Дж/год.

Q = 8.43 109 + 9.8 1010 = 1.061011 Дж/год.

затрач.

Расчетный коэффициент КВЭ = Q /Q =

получ. затрач.

1/2022

79

Таблица 1. Исходные данные для расчета эколого-экономического эффекта Table 1. Initial data for calculating the ecological and economic effect

Компоненты сточных вод Waste water components Концентрация в сточных водах, мг/дм3 Concentration in wastewater, mg/dm3

До очистки с. 1 Before treatment с 1 После очистки с. 2 After treatment с/2

Взвешенные вещества / Suspended matter 1426.0 9.0

ХПК/COD* 3799.0 35.0

БПК /BOD . полн. compl. 2137.2 3.0

nh4+ 76.2 1.5

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

no2- 1.3 0.06

АСПАВ / Synthetic anionic surfactants 0.6 <0.1

* COD - chemical oxygen demand, BOD - biological oxygen demand

Таблица 2. Приведенные массы годового сброса до очистки сточных вод Table 2. The given annual discharge weights before wastewater treatment

Компоненты сточных вод Waste water components Показатель относительной опасности сброса А(, усл. т/т Relative danger indicator of dumping A,, conditional tons per tone Масса годового сброса в канализацию mi1 = cu-V, т/год The mass of the annual discharge into the sewer mi1 = ci1 •V tons annually Приведенная масса годового сброса загрязняющего вещества Mi1 = Aimi1, усл.т/ год The reduced mass of the annual discharge of the pollutant A'E„ conditional tons i i,1 annually Ущерб У1, руб./год Damage U1, rubles annually

Взвешенные вещества / Suspended matter 0.10 101.25 10.12 20249.2

ХПК/COD* 0.03 269.73 8.99 17981.9

БПК / полн . BOD . compl. 0.33 151.74 50.58 101159.4

NH4+ 0.50 5.41 2.70 5406.7

no2- 12.5 0.10 1.19 2378.5

АСПАВ / Synthetic anionic surfactants 10 0.04 0.41 823.6

Итого У1 / Total U1 147999.3

* COD - chemical oxygen demand, BOD - biological oxygen demand

80

российский журннл ИМ! экологии

Таблица 3. Приведенные массы годового сброса после очистки сточных вод Table 3. The given annual discharge weights after wastewater treatment

Компоненты сточных вод Waste water components Показатель относительной опасности сброса A., усл. т/т Relative danger idi-cator of dumping Aj; conditional tons per tone Масса годового сброса в канализацию m., = c.,V, т/год i,i 1,1 ' ^ The mass of the annual discharge into the sewer mi1 = ci1 •V tons/year Приведенная масса годового сброса загрязняющего вещества Mi1 = A-mn, усл. т/год The reduced mass of the annual discharge of the pollutant Mi 1 = aimi1, conditional tons annually Ущерб У2, руб./год Damage U2, rubles annually

Взвешенные вещества / Suspended matter 0.10 0.64 0.06 127.80

ХПК/COD 0.03 2.49 0.08 165.67

БПК /BOD . полн. compl. 0.33 0.21 0.07 142.00

NH4+ 0.50 0.11 0.05 106.50

no2- 12.5 0.00426 0.05 106.50

АСПАВ/ synthetic anionic surfactants 10.0 0.0071 0.07 142.00

Итого У2 / Total U2 790.47

* COD - chemical oxygen demand, BOD - biological oxygen demand

Таблица 4. Результаты расчета предотвращенного экологического ущерба (У) Table 4. Results of calculation of the prevented ecological damage (U)

Параметр У, руб./год Parameter U, rubles annually Предотвращенный эколого-экономический ущерб У^У^ руб./год Prevented environmental and economic damage Uj-U2, rubles/year

До мероприятий У руб./год Before the introduction U1, rubles/year После мероприятий У руб./год After the introduction U2, rubles/year

147999.26 790.47 147208.80

Таблица 5. Результаты расчета образования метана на действующем предприятии Table 5. Results of calculation of methane formation at operating enterprise

Объем сточных вод The volume of waste water ХПК сточных вод COD* of waste water Степень очистки The degree of purification Выход CH4 The yield of CH4 ХПК потребленный COD consumed Продукция CH4 CH4 production Продукция условного топлива The production of conventional fuel

м3/сутки m3/day м3/год m3/year кг/м3 kg/m3 м3/кг m3/kg кг в год kg/year м /год m3/year м3/год m3/year

200 71000 3.8 0.90 0.35 242 820 84987 104420

* COD - chemical oxygen demand

Таблица 6. Результаты расчета образования метана на предприятиях Республики Татарстан Table 6. Results of calculation of methane formation at enterprises of the Republic of Tatarstan

Объем сточных вод The volume of waste water ХПК сточных вод COD* of waste water Степень очистки The degree of purification Выход CH4 The yield of CH4 ХПК потребленный COD consumed Продукция CH4 CH4 production Продукция условного топлива The conventional fuel production

м3/год m3/year кг/м3 kg/m3 м3/кг m3/kg кг/год kg/year м3/год m3/year м3/год m3/year

5656000 3.8 0.90 0.35 19343520 6770232 8318374

* COD - chemical oxygen demand

1/2122

81

1.951012 Дж/год / 1.061011 Дж/год = 18.4.

Таким образом, расчеты показывают высокую эффективность получаемой альтернативной энергии биогаза.

Заключение

Годовой экологический эффект от внедрения разработанной анаэробно-аэробной биотехнологии очистки сточных вод молокоперерабатыва-ющего предприятия составит 147 тысяч рублей. При внедрении анаэробной биотехнологии очистки сточных вод на предприятии объем образующегося альтернативного климатически нейтрального источника энергии биогаза может составить до 104 тысяч кубометров в год, а в масштабах Республики Татарстан - до 8.3 млн. кубометров условного топлива в год. Расчетный коэффициент воспроизводства энергии равен 18.4, что многократно превосходит его критическое значение.

Список литературы

1. Баланов П.Е., Смотраева И.В., Иванченко О.Б., Ха-бибуллин Р.Э. Биотехнология и биоэнергетика в решении вопросов экологии // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т. 18, № 5. C. 229-232.

2. Будущее биогаза в Европе. Часть 1. Декарбонизация htpps://blog.nordicecocentre.com/2020/04/15/будущее-биога-за-в-европе-часть-1-декар (дата обращения 20.02.2022).

3. Временная методика определения предотвращенного экологического ущерба. М., 1999. 41 с.

4. Гоголева Н.А., Белькова С.В. Анализ использования биогаза в качестве альтернативного топлива на предприятии пищевой промышленности // Актуальные вопросы энергетики. 2020. Т. 2, №1. С. 126-131. doi: 10.25206/2686-6935-20202-1-126-131

5. Методика определения предотвращенного экологического ущерба. М., 1999. 32 с.

6. Реестр перерабатывающих предприятий Республики Татарстан. https://www.dairynews.ru/news/v-top-100-zavodov-po-kolichestvu-lidiruet-tatarsta.html (дата обращения 20.02.2022).

7. Рекус И.Г., Шорина О.С. Основы экологии и рационального природопользования. М.: Изд-во МГУП, 2001. 146 с.

8. Фиапшев А.Г., Темукуев Т.Б., Кильчукова О.Х., Хамо-ков М.М. Энергетическое обоснование использования биогаза // Известия Горского государственного аграрного университета. 2014. Т. 51, № 4. С. 207-211.

9. Хабибуллин Р.Э., Петров А.М., Князев И.В. Анализ энергетической эффективности анаэробно-аэробной технологии очистки сточных вод молочного производства // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17, №1. С. 232-234.

10. Хабибуллин Р.Э., Петров А.М., Князев И.В., Крапивина Н.Ю. Влияние разделения фаз на эффективность процесса очистки сточных вод молочного производства // Георесурсы. 2011. Т. 41, №5. С. 22-26.

11. Хабибуллин Р.Э., Князев И.В., Хасанова Э.Ф., Петров А.М. Энергетический потенциал сточных вод пищевых производств Республики Татарстан в процессе их анаэробной очистки // ЕвразияБио-2010 / Сборник трудов II международного конгресса. М., 2010. С. 201-203.

12. Ahmad T., Aadil R.M., Ahmed H., Rahman U., Soares B.C.V., Souza S.L.Q., Cruz A.G. Treatment and utilization of dairy industrial waste: A review // Trends in food science and technology. 2019. Vol. 88. P. 361-372. doi:10.1016/j. tifs.2019.04.003

13. Demirel B., Yenigun O., Onay T.T. Anaerobic treatment of dairy wastewaters: A review // Process biochemistry. 2005. Vol. 40, №8. P. 2583-2595. doi:10.1016/j.procbio.2004.12.015

14. Demuynck M. Biogas plants in Europe: A practical handbook. Springer, 2007. 361 p.

15. Goblos S., Portoro P., Bordas D., Kalman M., Kiss I. Comparison of the effectivities of two-phase and single-phase anaerobic sequencing batch reactors during dairy wastewater treatment // Renewable energy. 2008. Vol. 33, №5. P. 960-965. doi: 10.1016/j.renene.2007.06.006

16. Slavov A.K. General characteristics and treatment possibilities of dairy wastewaters - a review // Food technology and biotechnology. 2017. Vol. 55, №1. P. 14-28. doi: 10.17113/ ftb.55.01.17.4520

17. Rajeshwari K.V., Balakrishnan M., Kansal A., Lata K., Kishore V.V.N. State-of-the-art of anaerobic digestion technology for industrial wastewater treatment // renewable and sustainable energy reviews. 2000. Vol. 4, №2. P. 135-156. https://doi. org/10.1016/S1364-0321(99)00014-3

18. Tocchi C., Federici E., Scargetta S., D'Annibale A., Petruccioli M. Dairy wastewater polluting load and treatment performances of an industrial three-cascade-reactor plant // Process biochemistry. 2013. Vol. 48, №5-6. P. 941-944. doi: 10.1016/j.procbio.2013.04.009

19. Weiland P. Production and energetic use of biogas from energy crops and wastes in Germany // Applied biochemistry and biotechnology. 2003. Vol. 109, №1-3. P. 263-274. doi: 10.1385/ abab:109:1-3:263.

20. Zhao K., Wu Y.W., Young S., Chen X.J. Biological treatment of dairy wastewater: A mini review // Journal of environmental informatics letters. 2020. Vol. 4. P. 22-31. doi: 10.3808/jeil.202000036

References

1. Balanov P.E., Smotrayeva I.V., Ivanchenko O.B., Khabibullin R.E. Biotehnologiya I bioenergetika v reshenii vo-prosov ekologii [Biotechnology and bioenergy in solution of environmental problems] // Vestnik Kazanskogo tekhnologichesk-ogo universiteta [Bulletin of Kazan Technological University]. 2015. Vol. 18, № 5. P. 229-232.

2. Buduscheye biogaza v Evrope. Chast 1. Dekarbonizaciya [The future of biogas in Europe. Part 1. Decarbonization] htpps:// blog.nordicecocentre.com/2020/04/15/6ygy^ee-6nora3a-B-eBpone-nacTt-1-geKap (accessed: 20.02.2022).

3. Vremennaya metodika jghtltktybz predotvraschennogo ekologicheskogo uscherba [Temporary methodology for determining prevented environmental damage]. Moscow, 1999. 41 p.

4. Gogoleva N.A., Bel'kova S.V. Analiz ispol'zovaniya biogaza v kachestve al'ternativnogo topliva na predpriyatiyi pischevoy promyshlennosti [Analysis of the use of biogas as an alternative fuel in the food industry] // Actual'nye voprosy ener-getiki [Current issues of energy]. 2020. Vol. 2, №1. P. 126-131. doi: 10.25206/2686-6935-2020-2-1-126-131

5. Metodika opredeleniya predotvraschennogo ekologich-eskogo uscherba [Methodology for determining the prevented environmental damage]. Moscow, 1999. 32 p.

6. Reyestr pererabatyvayuschikh predpriyatiy Respubliki Tatarstan [Register of processing enterprises of the Republic of Tatarstan] https://www.dairynews.ru/news/v-top-100-za-vodov-po-kolichestvu-lidiruet-tatarsta.html (accessed: 20.02.2022).

82

российский журнал прикладной экологии

7. Rekus I.G., Shorina O.S. Osnovy ekologiyi I ratsional'no-go prirodopoFzovaniya [Fundamentals of ecology and rational nature management]. Moscow: MSUP, 2001. 146 p.

8. Fiapshev A.G., Temukuyev T.B., Kil'chukova O.Kh., Khamokov M.M. Energeticheskoye obosnovaniye ispollzovani-ya biogaza [Energy justification for the use of biogas] // Izvestiya Gorskogo gosudarstvenoogo agrarnogo universiteta [Proceedings of the Gorsky state agrarian university]. 2014. Vol. 51, №4. P. 207-211.

9. Khabibullin R.E. Petrov A.M., Knyazev I.V. Analiz en-ergeticheskoy effektivnosti anaerobno-aerobnoy tekhnologiyi ochistki stochnykh vod molochnogo proizvodstva [Analysis of energy efficiency of anaerobic-aerobic wastewater treatment technology of dairy production] // Vestnik Kazanskogo tekhno-logicheskogo universiteta [Bulletin of Kazan Technologicl university]. 2014. Vol. 17, №1. P. 232-234.

10. Khabibullin R.E., Petrov A.M., Knyazev I.V., Krapivina N.Yu. Vliyaniye razdeleniya faz na effektivnost' processa ochistki stochnykh vod molochnogo proizvodstva [Effect of phase separation on the efficiency of dairy wastewater treatment] // Georesursy [Georesources]. 2011. Vol. 41, №5. P. 22-26.

11. Khabibullin R.E., Knyazev I.V., Khasanova E.F., Petrov

A.M. Energeticheskiy potencial stochnykh vod pischevykh proizvodstv Respubliki Tatarstan v processe ikh anaerobnoy och-istki [Energy potential of wastewater from food production in the Republic of Tatarstan in the process of their anaerobic treatment] // EurasiaBio-2010. Proceedings of the II international congress. Moscow, 2010. P. 201-203.

12. Ahmad T., Aadil R.M., Ahmed H., Rahman U., Soares

B.C.V., Souza S.L.Q., Cruz A.G. Treatment and utilization of dairy industrial waste: A review // Trends in food science and technology. 2019. Vol. 88. P. 361-372. doi:10.1016/j. tifs.2019.04.003

13. Demirel B., Yenigun O., Onay T.T. Anaerobic treatment of dairy wastewaters: A review // Process biochemistry. 2005. Vol. 40, №8. P. 2583-2595. doi:10.1016/j.procbio.2004.12.015

14. Demuynck M. Biogas plants in Europe: A practical handbook. Springer, 2007. 361 p.

15. Goblos S., Portoro P., Bordas D., Kalman M., Kiss I. Comparison of the effectivities of two-phase and single-phase anaerobic sequencing batch reactors during dairy wastewater treatment // Renewable energy. 2008. Vol. 33, №5. P. 960-965. doi: 10.1016/j.renene.2007.06.006

16. Slavov A.K. General characteristics and treatment possibilities of dairy wastewaters - a review // Food technology and biotechnology. 2017. Vol. 55, №1. P. 14-28. doi: 10.17113/ ftb.55.01.17.4520

17. Rajeshwari K.V., Balakrishnan M., Kansal A., Lata K., Kishore V.V.N. State-of-the-art of anaerobic digestion technology for industrial wastewater treatment // renewable and sustainable energy reviews. 2000. Vol. 4, №2. P. 135-156. https://doi. org/10.1016/S1364-0321(99)00014-3

18. Tocchi C., Federici E., Scargetta S., D'Annibale A., Petruccioli M. Dairy wastewater polluting load and treatment performances of an industrial three-cascade-reactor plant // Process biochemistry. 2013. Vol. 48, №5-6. P. 941-944. doi: 10.1016/j.procbio.2013.04.009

19. Weiland P. Production and energetic use of biogas from energy crops and wastes in Germany // Applied biochemistry and biotechnology. 2003. Vol. 109, №1-3. P. 263-274. doi: 10.1385/ abab:109:1-3:263.

20. Zhao K., Wu Y.W., Young S., Chen X.J. Biological treatment of dairy wastewater: A mini review // Journal of environmental informatics letters. 2020. Vol. 4. P. 22-31. doi: 10.3808/jeil.202000036

Le H.T., Khabibullin R.E., Petrov A.M. Ecological efficiency of the milk processing wastewater anaerobic-aerobic treatment technology.

One of the promising areas of alternative energy is the use of renewable biomass energy, primarily waste from the agro-industrial complex, with the production of biogas. Biogas is a climate-neutral renewable energy source that has a number of advantages in terms of contribution to decarbonization compared to other types of «green» energy.

In recent decades, Europe has been one of the recognized leaders in the development of biogas technology and bioenergy. The history of the development of this alternative energy industry has experienced periods of rapid growth, intensive development and the conquest of the European market, but in recent years the industry has been experiencing serious problems described by the example of Germany. Taking into account these problems, anaerobic wastewater treatment technologies, which also receive biogas as a secondary product, look like a preferable alternative to digestion of organic agricultural waste and energy biomass, since they lack the presence of a secondary companion of methanogenic waste fermentation - an organic fraction that creates major environmental problems and reduces the economic efficiency of the process. The Republic of Tatarstan is one of the leaders in the Russian Federation in milk processing, and this process causes the formation of a large amount of concentrated wastewater. It was of interest to evaluate the ecological and economic efficiency of the technology of anaerobic-aerobic wastewater treatment of a dairy processing enterprise operating in the territory of the Republic of Tatarstan. The methodology and initial data for the calculation are presented. It is shown that when cleaning using improved anaerobic-aerobic technology, the annual ecological and economic effect at the operating enterprise can amount to 147 thousand rubles. The results of calculating the amount of an alternative climate-neutral energy source biogas is also presented. With the introduction of improved anaerobic-aerobic wastewater treatment at an operating enterprise, the volume of biogas can reach up to 104 thousand cubic meters of conventional gaseous fuel, and up to 8.3 million cubic meters of conventional fuel in the Republic of Tatarstan per year. Finally, the calculation of the energy returned on energy invested coefficient showed its sufficiently high value (about 18.4) when implementing the developed improvements, which indicates the economic attractiveness of anaerobic-

1/2022

83

aerobic wastewater treatment of a milk processing enterprise with the production of biogas.

Keywords: milk processing; waste water; anaerobic treatment; biogas; environmental efficiency.

Раскрытие информации о конфликте интересов: Aвтор заявляет об отсутствии конфликта интересов / Disclosure of conflict of interest information: The author claims no conflict of interest

Информация о статье / Information about the article.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Поступила в редакцию / Entered the editorial office: 22.02.2022

Одобрено рецензентами / Approved by reviewers: 28.02.2022

Принята к публикации / Accepted for publication: 02.03.2022

Информация об авторах

Ле Xbrom1 Тхао, аспирант, Казанский национальный исследовательский технологический университет, 420015, Россия, г. Казань, ул. Толстого, 8; Индустриальный университет Вьет Чи, Вьетнам, г. Вьет Чи, ул. Тьен Шон, 9. E-mail: lehuongthao2706@ gmail.com.

Xабибyллин Рустем Эдуардович, доктор технических наук, профессор, Казанский национальный исследовательский технологический университет, 420015, Россия, г. Казань, ул. Толстого, 8. E-mail: [email protected].

Петров Aндрей Mихайлович, кандидат биологических наук, зав. лабораторией, Институт проблем экологии и недропользования AH РТ, 420087, Россия, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: [email protected] .

Information about the authors

Thao H. Le, Graduate Student, Kazan National Research Technological University, 8, Tolstoy st., Kazan, 420015, Russia; Viet Tri University of Industry, 9, Tien Son St., Viet Tri city, Vietnam, E-mail: [email protected].

Rustem E. Khabibullin, D.Sci. in Technics, Professor, Kazan National Research Technological University, 8, Tolstoy st., Kazan, 420015, Russia, E-mail: [email protected].

Andrey M. Petrov, Ph.D. in Biology, Head of Laboratory, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: [email protected].

84

российский иол oрик■ой экологии

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.