Odzysk odpadów organicznych ze ścieków spożywczych i przemysłowych

• 1. Wprowadzenie do zagadnienia odpadów organicznych pochodzenia spożywczego i przemysłowego
• 2. Cechy charakterystyczne odpadów organicznych nadających się do odzysku
• 3. Procesy odzyskiwania odpadów organicznych
• 4. Podsumowanie

1. Wprowadzenie dotyczące odpadów organicznych pochodzenia spożywczego i przemysłowego

Znaczna część surowców wykorzystywanych w przemyśle spożywczym jest tracona wraz ze ściekami powstającymi w trakcie procesów produkcyjnych.

Ma to miejsce w wielu gałęziach przemysłu, takich jak zakłady konserwowe, zakłady przetwórstwa owoców i warzyw, przemysł rybny, rzeźnie, zakłady mleczarskie czy producenci dań gotowych.

Dobrze zaprojektowana oczyszczalnia ścieków pozwala na odzyskiwanie tych produktów ubocznych, które mogą znaleźć zastosowanie w żywieniu zwierząt, produkcji składników funkcjonalnych, wytwarzaniu biogazu lub produkcji nawozów.

W związku z tym odzyskiwanie pulpy, włókien i białek ze ścieków spożywczych można traktować jako działanie na rzecz ochrony środowiska oraz szansę na obniżenie kosztów, optymalizację wykorzystania zasobów i poprawę zrównoważonego charakteru procesu przemysłowego.

Odpady organiczne powstają głównie podczas operacji mycia, obierania, tłoczenia, rozbioru, gotowania, blanszowania oraz czyszczenia sprzętu. Wody procesowe zawierają cząstki miąższu, włókna roślinne, białka, tłuszcze i cukry rozpuszczalne, które – jeśli nie zostaną odzyskane – znacznie zwiększają ładunek zanieczyszczeń w odprowadzanych ściekach.

Procesy, w których najwięcej surowców nadających się do odzysku jest wypłukiwanych wraz z wodą, to te obejmujące transport hydrauliczny, rozdrabnianie na mokro lub intensywne płukanie. W takich przypadkach ścieki zawierają znaczne ilości miazgi roślinnej, włókien lub białek, które można odzyskać poprzez przesiewanie, flotację lub separację mechaniczną.

W każdej branży do ścieków przedostają się różne ilości surowców:

1. Bardzo duże opory:

• Przemysł papierniczy. Zawiera drobne włókna celulozowe, które są uniesione wraz z wodą procesową.
• Przemysł skrobiowy (ziemniaki, kukurydza itp.). Bogate w błonnik roślinny, skrobię i białka roślinne.
• Przetwórstwo owoców i warzyw. Usuwa miąższ, skórki i włókna roślinne.

2. Duże opory:

• Rzeźnie. Białka (krew, fragmenty mięśni, tkanki).
• Przemysł rybny. Białka rozpuszczalne i włókna mięśniowe.

3. Średni opór:

Przemysł mleczarski. Tłuszcze, białka rozpuszczalne w wodzie używanej do mycia oraz systemy CIP.

Wdrożenie systemów odzyskiwania surowców i produktów ubocznych poprawia zrównoważony charakter procesu przemysłowego, sprzyja przestrzeganiu przepisów oraz wzmacnia konkurencyjność przedsiębiorstw w ramach modelu gospodarki o obiegu zamkniętym.

2. Cechy charakterystyczne odpadów organicznych nadających się do odzysku

Odpady zawarte w tych ściekach mają następujące cechy:

• Wysokie stężenia substancji organicznych i wysoka biodegradowalność.
• Typowe wartości ChZT wynoszą od 2 000 do 20 000 mg/l.
• BZT₅ w zakresie od 1 500 do 12 000 mg/l.
• Zawartość cząstek stałych w zawiesinie wynosi od 500 do 8 000 mg/l, w zależności od sektora.
• W przemyśle mięsnym i rybnym odnotowuje się ponadto wysokie stężenia tłuszczów (200–3 000 mg/l) oraz azotu organicznego.
• W owocach i sokach przeważają cukry i błonnik, a ich pH jest często kwaśne. W sektorze mleczarskim istotną rolę odgrywają laktoza, białka rozpuszczalne i tłuszcze emulgowane.

W poniższej tabeli przedstawiono typowe wyniki analiz odpadów nadających się do odzysku w podziale na sektory:

Przemysł/procesy	Odpady	DQO (mg/l)	BOD (mg/l)	TSS (mg/l)	FOG (mg/l)
Przetwórstwo owoców i warzyw ( mycie, obieranie, blanszowanie, rozdrabnianie, krojenie i czyszczenie).	Miąższ. Włókna roślinne, cukry rozpuszczalne, skrobia.	2 000–10 000	1 500–6 000	500–5000
Zakłady mięsne i rzeźnie ( krwawienie, parzenie, rozbiór, gotowanie, mycie i CIP).	Krew, tłuszcze, białka, tkanki i kolagen.	5 000–20 000	3 000–12 000	1 000–8 000	200–3 000
Produkty mleczne ( odsiarczanie sera, straty mleka, lakierowanie i czyszczenie).	Laktoza, białka (kazeina, serwatka), tłuszcze mleczne. Substancje stałe rozpuszczone.	2 000–15 000	1 500–10 000	200–1 000	100–1 500
Przetwórstwo rybne ( patroszenie, filetowanie, gotowanie, mycie).	Białka, oleje, fragmenty ryb, łuski	4 000–15 000	2 500–10 000	200–1 500	300–2 500

Chociaż stężenia surowców nadających się do odzysku zazwyczaj mieszczą się w przedziale od 0,1% do 2%, wartości te odpowiadają znacznym ilościom surowców nadających się do odzysku w przypadku dużych przepływów przemysłowych.

Odpowiednia charakterystyka analityczna (DQO, BOD₅, TSS, tłuszcze, azot i fosfor) ma zasadnicze znaczenie dla projektowania systemów selektywnego odzyskiwania, które pozwalają zmniejszyć obciążenie zanieczyszczeniami i wykorzystać zasoby o wartości ekonomicznej przed oczyszczaniem biologicznym.

3. Procesy odzyskiwania odpadów organicznych

Odzysk pulpy, włókien, białek i tłuszczów odbywa się przy użyciu technologii fizycznych, fizykochemicznych oraz zaawansowanych metod separacji, które zazwyczaj stosuje się przed przetwarzaniem biologicznym. Wybór zależy od charakteru pozostałości (w postaci cząstek stałych, koloidalnej lub rozpuszczonej), ich stężenia oraz przewidywanego zastosowania produktu ubocznego.

Typowy schemat leczenia składa się zasadniczo z następujących etapów:

3.1.Obróbka wstępna

Technologie takie jak przesiewanie (0,25–1 mm) oraz sita (grube i drobne) są wykorzystywane do odzyskiwania pulpy roślinnej, włókien, resztek mięsnych i gruboziarnistych cząstek stałych. Są to procesy charakteryzujące się niskimi kosztami i prostotą obsługi.

3.2. Oczyszczanie fizykochemiczne

• Oczyszczanie: Stosuje się je do oddzielania osadów i cząstek pływających, przede wszystkim w przemyśle roślinnym oraz w niektórych gałęziach przemysłu mięsnego, np. przy odzyskiwaniu tłuszczów i białek w rzeźniach oraz przy oddzielaniu drobnych cząstek stałych w przemyśle mleczarskim i rybnym.
• Koagulacja – flokulacja: Bardzo często stosuje się koagulanty (sole żelaza, glin) oraz polimery (polielektrolity) w celu destabilizacji koloidów i utworzenia floków, które można oddzielić.
• Flotacja z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza (DAF): Jest to jedna z najczęściej stosowanych technologii w przemyśle spożywczym. Wydajność separacji tej metody jest znacznie wyższa niż w przypadku osadników (90–95%), a powstające osady charakteryzują się znacznie wyższym stężeniem (3–4%).

3.3. Stężenie odpadów

Odpady posortowane mają postać półstałą, co utrudnia ich przetwarzanie, a ponadto zajmują znaczne objętości, dlatego konieczny jest proces zagęszczania lub odwadniania. Najczęściej stosowane systemy to:

• Odśrodkowanie: Służy do oddzielania cząstek stałych za pomocą siły odśrodkowej. Urządzenia te charakteryzują się stosunkowo wysokim zużyciem energii, ale jednocześnie wysoką wydajnością i kompaktową budową. Znajdują szerokie zastosowanie w oddzielaniu tłuszczów, zagęszczaniu białek oraz odzyskiwaniu drobnych cząstek stałych.
• Filtry prasowe: Są to urządzenia składające się z płyt z tkaninami filtracyjnymi, które poddają osady działaniu wysokiego ciśnienia za pomocą zespołów elektrohydraulicznych i odwadniają je poprzez filtrację. Stopień wysuszenia jest wysoki (30–40 % suchej masy), zużycie energii jest umiarkowane, a urządzenia te są szeroko stosowane do odzysku odpadów.

3.4. Technologie specjalne

Gdy produkty, które mają zostać odzyskane, występują w postaci rozpuszczonej lub trudno je oddzielić, stosuje się systemy o większej wydajności separacji.

• Separacja membranowa, która może obejmować mikrofiltrację (MF) służącą do zatrzymywania bardzo drobnych cząstek stałych i bakterii, ultrafiltrację (UF) służącą do odzyskiwania białek i makrocząsteczek (szeroko stosowaną w przypadku serwatki mlecznej), nanofiltracji (NF) lub odwróconej osmozy (RO) do zagęszczania związków rozpuszczonych i ponownego wykorzystania wody. Stosuje się je ze względu na ich wysoką selektywność oraz możliwość uzyskania skoncentrowanych strumieni o wysokiej wartości.
• Procesy termiczne, takie jak odparowywanie próżniowe, krystalizacja czy suszenie termiczne, które znajdują zastosowanie w przypadku, gdy chce się uzyskać stałe produkty uboczne, takie jak mączki białkowe lub koncentraty. Charakteryzują się one wysokim zużyciem energii i są zazwyczaj stosowane po wcześniejszym etapie zagęszczania.

Technologie odzysku pozwalają przekształcić strumień odpadów w źródło surowców wtórnych.

Połączenie wstępnej separacji mechanicznej, flotacji z wykorzystaniem rozpuszczonego powietrza oraz, w razie potrzeby, technologii membranowych stanowi zazwyczaj najskuteczniejsze rozwiązanie pozwalające zmaksymalizować odzysk i zminimalizować obciążenie oczyszczalni biologicznej.

4. Podsumowanie

Ścieki powstające w przemyśle spożywczym — w sektorach owocowo-warzywnym, mięsnym, mleczarskim, rybnym i napojowym — zawierają cenne frakcje organiczne, które przedostają się do wody podczas operacji mycia, obierania, tłoczenia, rozbioru, gotowania i czyszczenia. Strumienie te charakteryzują się wysokimi stężeniami substancji organicznych (zwykle ChZT w zakresie od 2 000 do 20 000 mg/l), zawiesin, tłuszczów i białek, które wykazują wysoką biodegradowalność.

Chociaż stężenia procentowe pulpy, włókien, białek lub tłuszczów są zazwyczaj stosunkowo niskie (rzędu dziesiątych części do kilku punktów procentowych), duże przemysłowe natężenia przepływu sprawiają, że całkowita ilość możliwa do odzyskania jest znaczna. Dlatego charakterystyka analityczna (ChZT, BZT₅, substancje stałe, tłuszcze, azot, fosfor oraz frakcja rozpuszczalna/cząsteczkowa) ma zasadnicze znaczenie dla określenia strategii odzysku.

Wdrożenie technologii fizycznych (przesiewanie, filtracja, dekantacja, flotacja powietrzem rozpuszczonym), fizykochemicznych lub separacji membranowej pozwala na odzyskanie frakcji nadających się do ponownego wykorzystania przed oczyszczaniem biologicznym, co również znacznie zmniejsza rozmiar reaktora, zużycie energii oraz ilość wytwarzanych osadów.

Odzysk odpadów organicznych obecnych w ściekach ma kluczowe znaczenie w modelu gospodarki o obiegu zamkniętym. Ścieki te zawierają cenne składniki, takie jak miazga, włókna roślinne, tłuszcze i białka, które można oddzielić i ponownie wprowadzić do łańcucha produkcyjnego lub wykorzystać jako produkty uboczne.

Bibliografia i źródła

Europejskie modele gospodarowania odpadami spożywczymi i ich utylizacji – Podmioty zajmujące się gospodarką odpadami

https://www.refood.es/wp-content/uploads/2023/05/ReFood_jerarquia-de-residuos-1200×440.png