Энергия из корочки хлеба

Полигоны ТКО – неподходящее место для утилизации пищевых отходов

В 2025 г. более четверти продуктов питания, купленных среднестатистическим потребителем в США, были выброшены. Потери и отходы от продуктов питания образуются на каждом этапе цепочки поставок, причем бóльшая их часть приходится на продуктовые магазины, рестораны, другие предприятия, продающие и обслуживающие клиентов, а также на жилые дома. Из всего объема лишь очень небольшой процент этой пищи передается на питание малообеспеченным семьям. Данные американской некоммерческой организации ReFed, которая занимается сокращением пищевых потерь и отходов в продовольственной системе страны, показывают, что 80% выброшенных в мусор излишков продуктов питания составляют скоропортящиеся продукты, включая фрукты и овощи, мясо, готовые свежие деликатесы, морепродукты, молоко и молочные продукты, а также хлебобулочные изделия.

Несъеденные продукты и несъедобные части съеденных продуктов (стебли, косточки, кожура и т.п.) могут попасть на утилизацию одним из перечисленных способов: компостирование, анаэробное сбраживание (биологический процесс разложения органических веществ в герметичных реакторах – метантенках в отсутствие кислорода под действием микроорганизмов), сжигание, спускаются в канализацию, выбрасываются на полигоны и просто разбрасываются по земле.

Бóльшая часть пищевых отходов поступает на полигоны. Под землей органический материал разлагается без кислорода и выделяет метан – недолговечный, но мощный парниковый газ. В среднем полигоны ТКО способны разлагать лишь 58% выбрасываемого метана – остальное уходит в атмосферу. К тому же при разложении пищевых отходов на полигонах образуется фильтрат – токсичная жидкость, которая проникает в почву и грунтовые воды, нанося вред экосистемам. Гниющие пищевые отходы издают неприятный удушливый запах. Кроме того, пищевые отходы на полигонах ТКО привлекают крыс, мышей, тараканов и других вредителей, которые могут переносить опасные заболевания. И наконец, влажные и жирные пищевые остатки, сваленные в общие контейнеры, загрязняют другие ТКО и снижают возможность извлечения вторсырья (например, макулатуры и текстиля).

Таким образом, вместо того, чтобы превращать пищевые отходы в полезную энергию или удобрения, значительную их часть утилизируют на полигонах, что способствует глобальному потеплению.

Почему очистные сооружения подходят для утилизации пищевых отходов?

Можно ли превратить эти пищевые отходы во что-то полезное? Именно этим вопросом задалась группа американских исследователей из Технологического института Джорджии. Их внимание привлекли водоочистные комплексы.

Многие современные водо­очистные сооружения эволюционировали из простых систем канализации в предприятия по переработке вторичных ресурсов, которые вырабатывают электроэнергию, утилизируют материалы и уменьшают загрязнение окружающей среды. Как же работают такие очистные комплексы? В них обрабатывают сточные воды, используя микробные сообщества, которые естественным образом разлагают органические вещества (так называемая «биологическая очистка»). Во многих очистных сооружениях при этом улавливают метан, образующийся в процессе биоочистки, и превращают его в полезную энергию. В некоторых очистных сооружениях извлекают питательные вещества, например фосфор, которые можно превратить в сельскохозяйственное удобрение, используются и другие технологии обработки органических веществ.

Исследователи проанализировали преимущества перенаправления сточных вод, образующихся на свалках после захоронения пищевых отходов, на установки по восстановлению сточных вод для их вторичного применения. Они использовали реальные данные с действующего предприятия, которое перерабатывает пищевые отходы вместе со сточными водами.

Обычная очистная станция утилизирует более 95% метана, образующегося из пищевых отходов, снижая почти вдвое объем выбросов парниковых газов в атмосферу по сравнению с утилизацией пищевых отходов на полигонах. К тому же предприятия с очистными станциями используют собранный биогаз для выработки электроэнергии, снижая необходимость закупки электроэнергии из сети. На полигонах ТКО отмечается самый высокий объем выбросов парниковых газов в атмо­сферу, способствующих глобальному потеплению (в среднем 58,2 кг CO2-экв/ на тонну пищевых отходов), в то время как переработка пищевых отходов и сточных вод на любом из упомянутых типов предприятий (по переработке пищевых отходов, по очистке сточных вод) предотвращает выбросы метана в атмосферу практически полностью.

По сравнению со сточными водами пищевые отходы имеют меньшую плотность, но по результатам исследования, производительность предприятия при переработке сточных вод и пищевых отходов отличалась незначительно: всего на 0,43%. Экономический анализ показал, что утилизация пищевых отходов на предприятиях по переработке пищевых отходов и очистке сточных вод остается рентабельной даже при снижении тарифов за утилизацию на 25% по сравнению с тарифами полигонов ТКО, при этом чистая прибыль за весь жизненный цикл для установок CAS составила $2,45/ за тонну пищевых отходов, а для установок AnMBR – $2,33/ за тонну пищевых отходов.

CAS – это традиционная система биологической очистки сточных вод, одна из наиболее распространенных и проверенных технологий, который применяется как в муниципальных, так и в промышленных системах. Система CAS состоит из двух основных резервуаров: аэрационного (биореактора) и отстойника (вторичного осветлителя). AnMBR (анаэробный мембранный биореактор) – это технология очистки сточных вод различных типов (промышленных, сельскохозяйственных и бытовых), которая сочетает анаэробное сбраживание с мембранной фильтрацией. Она позволяет эффективно удалять органические загрязнения, получать биогаз и снижать образование осадка.

По подсчетам исследователей, показатели извлечения вторичного сырья, хотя и скромные, составили для установок CAS 0,19 кг/день струвита (фосфат магния и аммония, рассматривается как альтернативный источник фосфора для удобрений) и энергии 129 кВт∙ч/день, а для установок AnMBR: 6,1 кг/день струвита и энергии 116,8 кВт∙ч/день. Энергетическая отдача от инвестиций (соотношение количества полезной энергии, получаемой из источника энергии, и количества энергии, затраченной на получение этого энергетического ресурса) достигла 18,8% для установок CAS и 16,7% для установок AnMBR, в то время как извлечение фосфора было существенно выше у установок AnMBR (70,4%) по сравнению с установками CAS  (7,9%).

В процессе очистки и утилизации на рассматриваемом предприятии извлекались питательные вещества, которых было достаточно для удобрения в течение года около 9,3 гектаров сельскохозяйственных угодий. Таким образом, очистка и переработка пищевых отходов и сточных вод снижает потребность сельского хозяйства в синтетических удобрениях, добыча и переработка которых требуют больших затрат энергии.