PL247579B1

PL247579B1 - Sposób biologicznego suszenia odpadów komunalnych

Info

Publication number: PL247579B1
Application number: PL443239A
Authority: PL
Inventors: Mateusz Malinowski; Katarzyna Wolny-Koładka; Marek Zdaniewicz
Original assignee: Univ Rolniczy Im Hugona Kollataja W Krakowie
Priority date: 2022-12-22
Filing date: 2022-12-22
Publication date: 2025-07-28
Also published as: PL443239A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest proces biologicznego suszenia odpadów komunalnych polegający na wydzieleniu frakcji podsitowej o uziarnieniu poniżej 80 mm i frakcji nadsitowej o uziarnieniu powyżej 80 mm, dodaniu wypełniaczy i stosowaniu nadmuchu powietrzem o przepływie sterowanym temperaturą wewnątrz złoża, charakteryzujący się tym, że do frakcji podsitowej lub frakcji nadsitowej dodaje się wypełniacz w postaci odpadów pochodzących z produkcji piwa, czyli chmieliny z zimnym osadem lub ziemię okrzemkową, przy czym chmielin z zimnym osadem dodaje się 2% - 5% wagowych, a ziemi okrzemkowej 4% — 10% wagowych w stosunku do masy wilgotnej frakcji.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób biologicznego suszenia odpadów komunalnych zwłaszcza ich frakcji podsitowej i nadsitowej wydzielonych w procesie separacji mechanicznej na sitach, a także separacji balistycznej, pneumatycznej lub fotooptycznej z wykorzystaniem dodatku jakim są wypełniacze.

W ostatnich latach biologiczna obróbka wstępna stałych odpadów komunalnych staje się coraz częściej stosowanym procesem powodującym głównie odwodnienie odpadów i zmniejszenie ich masy i jest stosowana przede wszystkim przed składowaniem albo przed spaleniem tych odpadów.

Sposób biologicznego suszenia jest procesem autotermicznym, w którym suszenie odpadów następuje pod wpływem uwalniania energii cieplnej w procesie tlenowego rozkładu frakcji ulegającej biodegradacji, a odprowadzanie wilgoci następuje w wyniku intensywnego napowietrzania. W suszeniu konwekcyjnym rolę czynnika doprowadzającego ciepło spełnia powietrze, natomiast w biologicznym suszeniu mechanizm suszenia oparty jest na dostarczaniu energii cieplnej z rozkładu tlenowego materii organicznej prowadzonego przez mikroorganizmy. Problematyka procesu biologicznego suszenia została rozpoznana głównie dla takich odpadów jak: stałe odpady komunalne, odpady z przemysłu celulozowo-papierniczego, osady ściekowe oraz odpady zielone.

Znane z opisu patentowego KR101917315(B1) rozwiązanie polega na zastosowaniu dodatku, jakim są zużyte fusy kawy powodujące uzyskanie, w krótkim czasie, większej szybkości usuwania wody i zwiększenie wartości opałowej. Znane z opisu zgłoszenia patentowego CN 106040725(A) rozwiązanie polega na utrzymywaniu temperatury, w zakresie 50-60°C, poprzez stosowanie nadmuchu gorącym powietrzem, co również powoduje skrócenie czasu suszenia, obniżenie zawartości wilgoci i zwiększenie wartości opałowej.

Znane z opisu zgłoszenia patentowego AU2016100229(A4) rozwiązanie sposobu suszenia osadu komunalnego obejmuje następujące etapy: a) mechaniczne odwadnianie osadu do zawartości wody 80% wagowych lub mniej; b) mieszanie odwodnionego osadu utworzonego w etapie a) z co najmniej jednym materiałem zwiększającym porowatość; c) suszenie biologiczne mieszaniny utworzonej w b) w warunkach wymuszonego napowietrzania przez czas wystarczający do zmniejszenia zawartości wody do 50% wagowych lub mniej. Stosowane materiały zwiększające porowatość to słoma roślinna, której zadaniem jest przede wszystkim ułatwienie przepływu powietrza.

Celem wynalazku jest dobór odpowiedniego wypełniacza prowadzący do zwiększenia czasu trwania fazy termofilnej, co ma spowodować lepsze odprowadzenie wilgoci z odpadów, a więc w szczególności: dla frakcji podsitowej- zmniejszenie masy odpadów, oraz dla frakcji nadsitowej- ograniczenie procesu samonagrzewania się tych odpadów, co może prowadzić do samozapłonu.

Sposób biologicznego suszenia odpadów komunalnych polegający kolejno na etapie wydzielenia znanymi metodami frakcji podsitowej o uziarnieniu poniżej 80 mm i frakcji nadsitowej o uziarnieniu powyżej 80 mm, następnie etapie dodania wypełniaczy i wymieszania ich z frakcją podsitową lub nadsitową i kolejno na etapie stosowania nadmuchu powietrzem o przepływie sterowanym temperaturą wewnątrz złoża realizowanym w znanych bioreaktorach. Temperatura złoża jest utrzymana w granicach 45°C do 65°C. Sposób charakteryzuje się tym, że do frakcji podsitowej lub frakcji nadsitowej dodaje się wypełniacz w postaci odpadów pochodzących z produkcji piwa, czyli chmieliny z zimnym osadem, które to są pozostałością po procesie chmielenia piwa metodą na zimno wraz z zaabsorbowanymi na ich powierzchni cząstkami osadów lub ziemię okrzemkową, która jest produktem odpadowym z procesu filtracji piwa, przy czym chmielin z zimnym osadem dodaje się 2-5% wagowych, a ziemi okrzemkowej 4-10% wagowych w stosunku do masy wilgotnej frakcji.

Korzystnym jest, gdy chmielin z zimnym osadem dodaje się 3% wag. w stosunku do masy wilgotnej frakcji, a ziemi okrzemkowej korzystnie dodaje się 5% wag. w stosunku do masy wilgotnej frakcji.

Chmieliny z zimnym osadem są pozostałością po chmieleniu piwa tzw. metodą na zimno wraz z zaabsorbowanymi na ich powierzchni cząstkami osadów. Powstałe osady są w dużej mierze konsekwencją zimnego kondycjonowania piwa.

Ziemia okrzemkowa jest produktem odpadowym z procesu filtracji piwa. Jest to powszechnie stosowany materiał filtracyjny w piwowarstwie, otrzymywany ze skamieniałych alg jednokomórkowych okrzemek (ich szkieletów). W czasie filtrowania ziemia okrzemkowa w postaci papki dozowana jest do piwa i osadza się na elementach filtrujących np. płytach, świecach. Ziemia okrzemkowa używana jest jednorazowo i nie podlega regeneracji. Po zakończonej filtracji jest usuwana z filtrów.

PL 247579 Β1

Ponadto w zastosowanych w wynalazku wypełniaczach, zarówno w chmielinach z zimnym osadem, jak i w ziemi okrzemkowej, występują także pewne ilości komórek drożdżowych biorących udział w uprzednim procesie fermentacji i dojrzewaniu piwa oraz typowe bakterie środowiskowe charakterystyczne dla mikroflory powietrza. Wypełniacze te wolne są od obecności bakterii patogennych oraz grzybów pleśniowych, co zostało potwierdzone badaniami laboratoryjnymi.

Próbki analizowano z użyciem metody seryjnych rozcieńczeń wg Kocha w trzech powtórzeniach. Określono liczebność grup drobnoustrojów istotnych, zarówno z epidemiologicznego punktu widzenia, ale także uwzględniając fakt, iż ziemia okrzemkowa była stosowana w procesie filtracji piwa, stąd spodziewano się wykryć na niej kolonie drożdży. Po okresie inkubacji zliczono wyrośnięte kolonie, wyniki podając w jednostkach tworzących kolonie na gram suchej masy próbki (jtk/g suchej masy). Identyfikację drobnoustrojów, które wyrosły na szalkach przeprowadzono przy użyciu techniki MALDI-TOF MS (BrukerDaltonik, Niemcy).

W tabeli poniżej przedstawiono warunki hodowli mikroorganizmów.

Tabela 1

Lp.	Mikroorganizm	Pożywka	Temperatura hodowli	Czas hodowli
1,	Bakterie	agar TSA, BTL Polska	37°C	24h
2.	Grzyby pleśniowe	agar MEA, BTL Polska	28°C	72h
3.	Staphylococcusspp.	agar Champana, BTL Polska	37°C	24h
4.	Escherichia coli	agar ΤΒΧ, BTL Polska	44°C	24h
5.	Salmonella spp.	agar SS, BTL Polska	37°C	24h
6.	Clostridium perfringens	agar SC, BTL Polska	37°C	24h
7.	Drożdże	agar YPD, BTL Polska	28°C	48h

W analizowanych próbkach nie wykryto obecności bakterii patogennych, tj. Staphylococcus spp., E. coli, Salmonella spp., C. perfringens oraz grzybów pleśniowych mogących produkować mykotoksyny. Na tej podstawie można uznać, iż wypełniacze w postaci chmielin z zimnym osadem i ziemi okrzemkowej są bezpieczne pod względem epidemiologicznym i nie zawierają mikroorganizmów chorobotwórczych.

W efekcie przeprowadzonych analiz mikrobiologicznych ustalono, że wypełniacze zastosowane w procesie biologicznego suszenia są zasiedlone przez dwie grupy mikroorganizmów: bakterie i drożdże. Identyfikacja gatunkowa wykazała, że są to typowe bakterie środowiskowe (różne gatunki, charakterystyczne dla mikroflory powietrza) oraz drożdże z gatunku Saccharomyces cerevisiae, pochodzące z procesu produkcji piwa. Liczebność bakterii i drożdży była zauważalniewiększa w ziemi okrzemkowej, niż w chmielinach z zimnym osadem. Jest to związane z faktem, iż ziemia okrzemkowa, ze względu na porowatą strukturę, zatrzymuje na swojej powierzchni podczas procesu filtracji drożdże stosowane w produkcji piwa, a także te bakterie, które dostają się do roztworu podczas rutynowych prac technologicznych.

Poniższa tabela przedstawia wyniki liczebności (jtk/g'¹s.m.) mikroorganizmów zasiedlających użyte w badaniach i przykładach wykonania wypełniacze.

Tabela 2

Lp.	Mikroorganizm	Chmieliny z zimnym osadem	Ziemia okrzemkowa
1.	Bakterie	42 000	504 000
2.	Drożdże	73 000	1 005 000

Frakcja podsitowa - to odpady o uziarnieniu najczęściej poniżej 80 mm, wydzielone ze zmieszanych odpadów komunalnych w procesie separacji mechanicznej na sicie bębnowym, wibracyjnym lub innym. W składzie materiałowym zawiera głównie odpady organiczne (pochodzenia roślinnego i zwierzęcego), drewno, papier, tekstylia, a także zanieczyszczenia takie jak: tworzywa sztuczne, szkło, metal, piasek, popiół, kamienie, glebę, inne odpady wielomateriałowe. Odpady te w specjalistycznych instalacjach poddawane są procesowi biologicznego suszenia, stabilizacji tlenowej lub fermentacji metanowej i w dalszej kolejności składowane na składowisku lub oddawane (bardzo rzadko) do cementowni lub spalarni odpadów.

Frakcja nadsitowa- to odpady wydzielone na sicie bębnowym, wibracyjnym lub innym ze strumienia zmieszanych odpadów komunalnych o uziarnieniu powyżej 80 mm i poddane separacji balistycznej, pneumatycznej lub fotooptycznej w celu wydzielenia materiałów balastowych (takich jak: kamienie, ceramika i materiały budowlane). Frakcja ta zawiera lekkie odpady ulegające biodegradacji, trawy, lekkie tekstylia, suchy papier, folie polietylenowe i inne lekkie tworzywa sztuczne. Odpady te ze względu na ich kaloryczność (wartość opałowa powyżej 15 MJ/kg^-1) przeznaczone są do zagospodarowania w cementowniach lub spalarniach odpadów. Ze względu na zawartość mikroorganizmów odpady te, w niektórych zakładach posiadających specjalne pozwolenia lub zezwolenia (decyzje), są poddawane biologicznemu suszeniu celem odprowadzenia wody i zmniejszenia masy tego odpadu.

W procesie biologicznego suszenia mechanizm suszenia oparty jest na dostarczaniu energii cieplnej z rozkładu tlenowego materii organicznej prowadzonego przez mikroorganizmy. W rozwiązaniu według wynalazku wprowadza się wypełniacze, które zwiększają powierzchnię właściwą materiału poddawanego biologicznemu suszeniu tworząc korzystne warunki dla rozwoju i pracy mikroorganizmów. Jednak, co najważniejsze, dodając wypełniacze według wynalazku do odpadów komunalnych (odpowiednio do frakcji podsitowej lub nadsitowej) wzbogacamy je dodatkowo o unikatowe mikroorganizmy, co powoduje co najmniej dwukrotny wzrost ilości mikroorganizmów w pierwszych 7 dniach procesu (w stosunku do początkowej ich zawartości odpowiednio we frakcji podsitowej i nadsitowej). Co potwierdzono wynikami badań laboratoryjnych. Mikroorganizmy te korzystnie wpływają na proces zwiększając czas trwania fazy termofilnej co najmniej o 48 godzin.

Zwiększona aktywność mikroorganizmów pozwala na utrzymywanie się wyższej temperatury przez dłuższy okres, co generalnie sprzyja szybszemu i skuteczniejszemu odprowadzaniu wilgoci z odpadów.

Ponadto wykorzystanie chmielin z zimnym osadem lub ziemi okrzemkowej w procesie biologicznego suszenia odpadów komunalnych daje, nieznaną dotąd w branży browarniczej ani odpadowej, metodę zagospodarowania odpadów z procesu produkcji piwa.

Wynalazek ilustrują następujące przykłady wykonania:

Wszystkie przykłady wykonania zostały przeprowadzone w tej samej aparaturze i w takich samych warunkach technologicznych, w szczególności procesu sterowania przepływu powietrza w zależności od temperatury złoża.

Procedura prowadzenia sposobu biologicznego suszenia:

Odpady komunalne (frakcja nadsitowa lub frakcja podsitowa) wymieszane uprzednio z dodanym wypełniaczem umieszczane są w szczelnie zamykanym bioreaktorze ujawnionym w polskim wzorze użytkowym nr Ru.068729, wyposażonym w perforowane dno. Perforowane dno oddziela w bioreaktorze dwie przestrzenie. Górna przestrzeń wypełniana jest odpadami, a w dolną przestrzeń wtłaczane jest powietrze (w temperaturze otoczenia), które następnie przedostaje się przez perforowane dno i infiltruje odpady dostarczając w ten sposób tlen niezbędny mikroorganizmom do namnażania się oraz przetwarzania materii organicznej zawartej w odpadach, któremu to procesowi towarzyszy emisja ciepła.

Powietrze procesowe w pierwszym etapie procesu podawane jest periodycznie celem dostarczenia tlenu do mikroorganizmów, czego efektem jest wzrost temperatury odpadów. Po osiągnięciu temperatury 65°C rozpoczyna się 2 faza, w której ponownie włączone są wentylatory celem schłodzenia odpadów o 2-5°C. Następnie odpady ponownie zagrzewają się w wyniku pracy mikroorganizmów i po osiągnięciu około 65°C cykl się powtarza. Napowietrzanie prowadzone jest powietrzem procesowym oczyszczanym w biofiltrach i podawanym w ilości 1-2,5 m³ na dobę i na kilogram suchej masy organicznej.

Sposób biologicznego suszenia zachodzi w temperaturach termofilnych (powyżej 45°C).

W warunkach przemysłowych proces prowadzony jest przez okres do 7 dni.

O powodzeniu procesu świadczy wskaźnik BI (biodrying index - wskaźnik biosuszenia), który stanowi stosunek ubytku wody do ubytku masy organicznej. Pożądana wartość wskaźnika wynosi powyżej 5.

W przykładach wykonania w fazie 2 schładzano odpady o 2°C przy napowietrzeniu 2,5 m³ na dobę i na kilogram suchej masy organicznej.

PL 247579 Β1

Wyniki badań osiągnięte w kolejnych przykładach są zilustrowane w Tabeli III. Tabela IV ilustruje wyniki porównawcze dla procesu bez zastosowania wypełniaczy i z wypełniaczami, ale spoza zastrzeganego zakresu.

	Wskaźnik BI	5,9-8,8	5,6-6,6	4,6-6,9	4,8-5,8	7,6-9,8	7,7-8,9	3,6-5,6	3,1-5,2
	Wilgotność końcowa [%]	20,2-22,8	20,9-26,9	28,0-36,1	30,5-38,8	rd Ol 1 CO ocf T^-	18,5-25,9	28,3-33,9	27,4-38,8
	Maksymalna temperatura [°C]	65	65	65	65	LO ω	65	65	65
	Długość fazy termofilnej [godz]	112-133	118-128	130-144	122-140	00 Τ- Ι ΙΌ Ol s^-	116-136	129-138	136-152
nania	Udział dodatku [% wag.]	co	LO	co	UD	LO	10	LO	10
O I' s Ό σ ra N	Dodatek	Chmieliny i osad zimny	Chmieliny i osad zimny	Chmieliny i osad zimny	Chmieliny i osad zimny	Ziemia okrzemkowa	Ziemia okrzemkowa	Ziemia okrzemkowa	Ziemia okrzemkowa
wyniki badań pr	Suszony odpad	Frakcja nadsitowa	Frakcja nadsitowa	Frakcja podsitowa	Frakcja podsitowa	Frakcja nadsitowa	Frakcja nadsitowa	Frakcja podsitowa	Frakcja podsitowa
Tabela III-	Numer przykładu		Ol	co	TJ-	LO	ω		CO

PL 247579 Β1

Wskaźnik BI [-]	5,5-8,5	1,5-3,5	4,1-5,2	2,2-3,6	2,6-3,8	V	3,3-4,2	3,9-5,8	1,8-3,2	2,0-2,4	1,8-2,3	V
Wilgotność końcowa [%]	o OJ o	ok. 30	22,0-28,2	σ> co π^- CO co	31,6-39,5	48,1-53,7	21,7-29,7	OJ ά OJ OJ	35,5-38,2	33,5-37,4	35,0-40,2	52,1-60,4
Maksymalna temperatura [°C]	65	65	65	o co 00	65	OJ CD 1	65	65	42-47	65	65	46-54
Długość fazy termofilnej [godz.]	ok. 62	ok. 76	58-77	o	78-92	O	57-98	55-89	o	68-75	69-85	o
Udział dodatku [% wag.]	o	o	T”	10		10		co	20	T”	00	20
Dodatek	Brak	Brak	Chmieliny i osad zimny	Chmieliny i osad zimny	Chmieliny i osad zimny	Chmieliny i osad zimny	Ziemia okrzemkowa	Ziemia okrzemkowa	Ziemia okrzemkowa	Ziemia okrzemkowa	Ziemia okrzemkowa	Ziemia okrzemkowa
Suszony odpad	Frakcja nadsitowa	Frakcja podsitowa	Frakcja nadsitowa	Frakcja nadsitowa	Frakcja podsitowa	Frakcja podsitowa	Frakcja nadsitowa	Frakcja nadsitowa	Frakcja nadsitowa	Frakcja podsitowa	Frakcja podsitowa	Frakcja podsitowa

Wynalazek może być zastosowany w procesie biologicznego suszenia odpadów komunalnych w bioreaktorach różnego typu, a także w innych procesach biologicznego przetwarzania odpadów, takich jak kompostowanie, stabilizacja tlenowa i fermentacja metanowa.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób biologicznego suszenia odpadów komunalnych polegający kolejno na etapie wydzielenia znanymi metodami frakcji podsitowej o uziarnieniu poniżej 80 mm i frakcji nadsitowej o uziarnieniu powyżej 80 mm, następnie na etapie dodania wypełniaczy i wymieszania ich z frakcją podsitową lub z frakcją nadsitową i kolejno na etapie stosowania nadmuchu powietrzem o przepływie sterowanym temperaturą wewnątrz złoża w granicach 45°C do 65°C realizowanym w znanych bioreaktorach, znamienny tym, że do frakcji podsitowej lub frakcji nadsitowej dodaje się wypełniacz w postaci odpadów pochodzących z produkcji piwa, czyli chmielny z zimnym osadem, które to są pozostałością po procesie chmielenia piwa metodą na zimno wraz z zaabsorbowanymi na ich powierzchni cząstkami osadów lub ziemię okrzemkową, która jest produktem odpadowym z procesu filtracji piwa, przy czym chmielin z zimnym osadem dodaje się 2-5% wagowych, a ziemi okrzemkowej 4-10% wagowych w stosunku do masy wilgotnej frakcji.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że chmielin z zimnym osadem korzystnie dodaje się 3% wag. w stosunku do masy wilgotnej frakcji.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ziemi okrzemkowej korzystnie dodaje się 5% wag. w stosunku do masy wilgotnej frakcji.