Формирование пирамиды отходов свеклосахарного производства по пригодности к микробной конверсии

Для сырьевых зон сахарных заводов, осуществляющих наращивание своей производственной мощности, характерно снижение плодородия почв. А наметившийся в последние годы рост плотности посевов сахарной свеклы до 30% в специализированных зерносвекловичных севооборотах, используемых в свеклосеющих хозяйствах, создает реальную угрозу интенсивной деградации почвенного покрова в зонах свеклосеяния, т.к. сахарная свекла в процессе вегетации потребляет из почвы большое количество питательных веществ: с 1 га при урожайности 40 т/га выносится 200.. .240 кг азота, 60.. .80 кг фосфора, 300.. .350 кг калия, по 80 кг кальция и магния.

Одним из способов повышения плодородия почв является биологизация земледелия, в основу которой заложены экологически сбалансированные севообороты, применение органических и органоминеральных удобрений, компостов, отходов пищевых производств, содержащих в своем составе полезные для почвы компоненты.

В то же время свеклосахарное производство, перерабатывая растительное сырье, является источником вторичных сырьевых ресурсов (ВСР) и отходов, общий объем образования которых составляет до 130% к массе свеклы, среди которых - растительные и почвенные остатки, содержащие в своем составе ценные питательные вещества, минеральные макро- и микроэлементы, в которых нуждается почва, истощенная при формировании урожая.

Прямой возврат отходов в почву невозможен из-за малодоступной формы содержащихся в них питательных веществ. В этой связи перспективным направлением является их доработка биоконверсией с получением мелиоративного материала для восстановления плодородия почв. Для решения этой задачи возникла необходимость классификации отходов свеклосахарного производства по способности к целенаправленной микробной конверсии, причем такая работа осуществлялась впервые.

После анализа ВСР и отходов свеклосахарного производства с точки зрения источников образования, агрегатного состояния, химического состава, степени использования, сроков сохранности свойств были выделены те, объем образования которых составляет более 10% к массе сахарной свеклы. Они не находят использования, в своем составе имеют питательные вещества для микроорганизмов; к ним относятся: свекловичный жом, фильтрационный осадок, растительные и почвенные остатки.

Основными классификационными признаками отходов приняты степень технологической обработки сырья и период сохранности свойств. В качестве вариаций степени технологической обработки сырья рассматривали:

• отсутствие обработки - при этом сырье подвергается только операциям механической очистки поверхности;
• минимальную обработку, которая предусматривает видоизменение нативного состояния, но сохранение сущности сахарной свеклы;
• глубокую, при которой отход не несет в себе признаков сущности сырья.

Периоды сохранности свойств отходов определяли как длительный - сроком более 1 месяца; среднесрочньгй - до 1 месяца; краткосрочный - до 3 суток.

Как видно из рисунка 1, рассматриваемым отходам присущи все обозначенные классификационные признаки - свидетельство разнообразия их свойств и параметров.

Свекловичный жом, представляющий собой обессахаренную свекловичную стружку, оставшуюся после извлечения из нее сахарозы диффузионным способом и содержащую около 40% целлюлозы и гемицеллюлозы, до 50% пектиновых веществ, 2% белка, 2.. .3% сахара и около 2% минеральных веществ, имеет минимальную степень технологической обработки сырья и краткосрочный период сохранности свойств. Фильтрационный осадок представляет собой выделенную в процессе известково-углекислотной очистки диффузионного сока массу несахаров, сконцентрированную на осадке СаСО₃, в нем содержится^: 75...78 СаСО₃, органики - до 6,0, минеральных веществ - до 2,3; имеет глубокую степень технологической обработки сырья, длительный период сохранности свойств.

Растительные и почвенные остатки выделяются на стадиях транспортирования, очистки и мойки сырья, состоят в основном из примесей почвы, свекловичных обломков и хвостиков, содержат около 93% минеральной части, 7% органической части; у них отсутствует степень технологической обработки сырья, период сохранности свойств среднесрочный.

При разработке критериев пригодности отходов к целенаправленной микробной конверсии были выделены основополагающие факторы, которые в совокупности определяют возможность протекания процесса биоконверсии: показатель кислотности среды (рН), доступность питательных веществ и наличие простых углеводов.

Реакция среды - параметр, определяющий рост и размножение микроорганизмов, варьирует в зависимости от их вида. С учетом оптимального значения рН почвы 6,5.7,0 мелиоративный материал должен иметь такую же реакцию среды, соответственно и микроорганизмы, осуществляющие конверсию отходов свеклосахарного производств, а должны работать в этом диапазоне рН. Доступность питательных веществ и наличие простых углеводов -основные факторы питания и выполнения микроорганизмами различных функций, которые в конечном итоге обеспечат заданный результат.

Для рассматриваемых отходов свеклосахарного производства было определено их соответствие требованиям микробной конверсии, причем каждое из требований характеризовали двумя противоположными позициями: показатель кислотности среды рН - оптимальный и неоптимальный; доступность питательных веществ - легкодоступные и труднодоступные; наличие простых углеводов - достаточное и недостаточное.

Как видно из рисунка 2, реальные характеристики фактического соответствия отходов свеклосахарного производства требованиям микробной конверсии имеют сложный характер, что не позволяет в совокупности однозначно и достоверно дать оценку отходу по степени пригодности к микробной конверсии.

Для обобщенной оценки каждого отхода была использована методология, в основе которой лежит расчет интегрального показателя, представляющего собой сумму произведений численных значений индивидуальных критериев на коэффициенты их весомости, установленные методом экспертных оценок [1]. В качестве индивидуальных критериев использовали выделенные ранее факторы, определяющие возможность микробной конверсии. Численные значения позиций индивидуальных критериев и коэффициенты их весомости приведены в таблице.

Выполненные расчеты интегрального показателя дали диапазон изменения его значения от 1 до 5, что позволило выделить три уровня пригодности отходов к микробной конверсии: пригоден без ограничений, с минимальными ограничениями, с ограничениями.

Ранжирование отходов по убыванию уровня пригодности с учетом фактических объемов образования привело к формированию пирамиды (рисунок 3). В ней уровень пригодности без ограничений имеют те отходы, у которых все индивидуальные критерии имеют оптимальное значение показателей, а также те, у которых индивидуальный критерий с оптимальным значением и коэффициент весомости выше. По данной классификации с интегральным показателем в диапазоне К_и=3..5 растительные остатки и свекловичный жом пригодны к микробной конверсии без ограничений, т.е. не требуют каких-либо дополнительных манипуляций по доработке, они могут быть непосредственно использованы микроорганизмами в качестве питательной среды.

Уровень пригодности с минимальными ограничениями имеют те отходы, у которых индивидуальный критерий с наибольшим коэффициентом весомости имеет неоптимальное значение показателя. С интегральным показателем в диапазоне К_и=2...3 почвенные остатки пригодны к микробной конверсии с минимальными ограничениями из-за недостаточного количества простых углеводов, но они также не требуют манипуляций по доработке, поэтому могут быть использоваться в качестве основы питательной среды при условии ее обогащения углеводами.

Уровень пригодности с ограничениями имеют отходы, у которых все индивидуальные критерии имеют неоптимальные значения показателей. С интегральным показателем в диапазоне Ки=1.2 фильтрационный осадок пригоден к микробной конверсии с ограничениями, т.е. может быть использован в качестве отдельного компонента питательной среды с условием предварительной его подготовки путем выдержки самостоятельно или в смеси с свекловичным жомом.

Таким образом, предложена классификация отходов свеклосахарного производства по способности их к целенаправленной микробной конверсии, выполнено ранжирование отходов свеклосахарного производства по пригодности к микробной конверсии, представленное в виде пирамиды.