Снижение выбросов углекислого газа при компостировании пищевых отходов в столовой

руководители - Чердакова Арина Валерьевна, Кочеткова Ирина Германовна,

г. Нижний Новгород

Одной из наиболее актуальных задач современного мира является предотвращение загрязнения окружающей среды. Многие люди выбрасывают остатки еды в мусорное ведро вместе с пластиком и картоном. Когда пищевые отходы гниют и разлагаются под действием внешних факторов, выделяется сероводород и другие газы, что приводит к нарушению процессов жизнедеятельности и заболеваниям растений, животных и человека. Также к данной проблеме относятся растущие объемы пищевых отходов, снижение общих затраты на вывоз ТКО.

Цель проекта: проанализировав опыт биокомпостирования пищевых отходов школьной столовой при помощи кухонного утилизатора «Smartcara Innovation (PCS-500D)», изучить возможность снижения выбросов СО2 при установке в нашей школе двух автокомпостеров «rNATURE» с загрузкой до 25 кг ежедневно.

Материалы и оорудование: один вид биокомпоста (из плова с курицей), реактивы (NaOH, Cu(OH)2, I2, H2SO4, HNO3), штатив, спиртовка, кухонный утилизатор «Smartcara Innovation (PCS-500D)» объемом 4л. https://disk.yandex.ru/i/-5b7N0fN5ANd8Q

Наша школа вошла в число 10 экспериментальных площадок регионального грантового проекта «Передвижная экологическая станция «Экоумница».

В ноябре каждый день активисты проекта собирали сырьё и с помощью уникального прибора-дегидратора Кухонный утилизатор «Smartcara Innovation (PCS-500D)» емкостью 4 л из пищевых остатков в школьной столовой изготавливали до 800 граммов эксклюзивного органического сырья, которое мы называем биокомпостом. Он получался каждый день разным по содержанию белков, жиров и углеводов, это позволило использовать такой состав в качестве экологичного корма для птиц и домашних животных. Учащиеся 6 Б, 8 Б и 9 Г классов инициировали акцию «Поможем животным вместе», которая была направлена на поддержку обитателей приюта «Сострадание» в Нижнем Новгороде. Также были проведены экологические занятия «Покормите птиц зимой», на которых ребята начальных классов и ясельной группы детского сада научились использовать биокоспост для птичьих кормушек.
        При экспериментальном использовании двух кухонных утилизаторов «Smartcara Innovation (PCS-500D)» в кабинете биологии и в столовой школы №91 в течение месяца мы убедились, что это интересно и не сложно, а главное - очень эффективно.

  Мы узнали, что химический состав полученного компоста представляет собой преимущественно глюкозу, белки и крахмал. Это было подтверждено следующими качественными реакциями, проведенными с использованием полученного в биокомпостере сухого субстрата под руководством учителя  химии:

Субстрат+конц HNO3=>нагрев (получился осадок)

Субстрат+ CuSo4+NaOH=>голубой раствор, с бледно голубым осадком)

 Субстрат с йодом стал фиолетовым

 субстрат+ конц H2SO4=>нагрев(становится оранжево-коричневый) далее добавляли CuSO4 и NaOH (тёмный раствор)

Благодаря утилизатору из остатков пищи у нас получается рассыпчатый субстрат, который мы научились использовать так:

в качестве удобрения для растений (приготавливали рабочий раствор, затем разводили его и применяли при поливе и опрыскивании растений 1-2 раза в месяц);

в качестве корма для зерноядных птиц в зимний период (если для утилизации в компостер помещали остатки круп, макарон и хлеба),

в качестве корма для домашних животных приюта «Сострадание» (при изготовлении биокомпоста из остатков мясных блюд).

          В нескольких других школах-участницах регионального грантового проекта «Экоумница» уже прошли экспериментальные этапы по использованию бытового компостера «Smartcara Innovation (PCS-500D)» на 4 кг отходов и  автокомпостера «rNATURE» на 25 кг отходов. Мы узнали об этом из новостей проекта в соцсетях и при общении с лидерами регионального проекта.

https://vk.com/wall-178559608_1155

Первоначально в нашей большой школе на 1042 ученика предлагалось в качестве эксперимента установить автокомпостер rNATURE, который перерабатывает любую органику в премиальный компост всего за 24 часа, сокращая объем пищевых отходов на 80—97%.

Биокомпост, получаемый в большом автокомпостере (в отличие от того, что мы производили в кухонном утилизаторе), производится с использованием ферментативных процессов, поэтому полностью готов к применению для выращивания растений. Технология переработки в нём основана на методе ускоренной ферментации путем управления развитием естественных аэробных бактерий. Процесс естественно биологический, без гниения. При переработке отходы стерилизуются, измельчаются и ферментируются, превращаясь в высокопитательный компост мелкого помола. Компактное мобильное оборудование закрытого типа может быть размещено в любом отапливаемом помещении, имеющим вентиляционный выход. Водоснабжение и водоотведение не требуется. Процесс полностью автоматический, для обслуживания требуется 1 человек.

Таблица 1. Характеристики автокомпостера rNATURE

Этот способ получения компоста очень подходит для решения проблемы утилизации пищевых отходов в нашей школе. Но, к сожалению, пока техничесокго помещения для его размещения в столовой найти не получилось. Поэтому мы решили подсчитать, насколько эффективным будет использование именно большого автокомпостера в нашей школе (если такая возможность будет в дальнейшем, так как стоимость автокомпостера «rNATURE» на 25 кг отходов - 1,125 млн рублей ).

Экономическая целесообразность применения большого автокомпостера в нашей школе

Возьмём для расчётов нашу школьную столовую, в которой питаются начальные, средние и старшие классы (1-11 классы):

1042 ученика, из которых питаются горячими блюдами примерно 625 человек.

Порция горячего блюда на человека составляет примерно 240 г, это 150 килограммов готовой еды на всех питающихся.

В среднем около 30% всего количества несъеденной пищи выбрасывают, что составляет 50 кг пищевых отходов ежедневно.

Стационарный кухонный утилизатор, который устанавливают в подсобном помещении школьной столовой, перерабатывает 25 л за 10 часов ежедневно. То есть, целесообразно установить по два утилизатора в каждой большой школе, чтобы пищевые отходы не разлагались в мусорных контейнерх и на свалках, выделяя в атмосферу неприятные запахи и значительное количество газов.

Таблица 2. Сравнительный анализ затрат при разных видахутилизации пищевых отходов

*https://calculator.carbonfootprint.com/calculator.aspx?lang=ru&tab=2 прайс-лист Экоменеджент в Нижнем Новгороде. Стоимость вывоза пищевых отходов - от 45 руб за 1 кг. Для удобства расчётов используем усреднённую цифру - 2 000 рублей

Теперь подсчитаем, сколько пищевых отходов будет накапливаться за учебный год с сентября по май включительно без учёта каникулярного времени (8 месяцев), а также выбросы углекислого газа при компостировании в школе и при вывозе пищевых отходов и их дальнейшем разложении. Данные представлены в Таблице 3.

Таблица 3. Расчет количества пищевых отходов и выбросов СО2 в школе за учебный год

        Разница в сумме оплаты электроэнергии за учебный год и оплаты вывоза мусора составит  319 872 рубля. Мы заплатим в 9 раз меньше за использование электроэнергии для работы автокомпостера, чем за вывоз пищевых отходов на свалку, а также сможем  использовать полученный биокомпост на следующие цели:

- Для озеленения школьных помещений (рассаживание комнатных растений в кабинетах и рекреациях в полученный нами грунт, а не приобретенный готовый почвенный состав)

- Для озеленения пришкольной территории (клумбы, газоны, березовые и кустарниковые аллеи)

Для этого ежегодно приобретается большое количество не только почвенного грунта, но и удобрений. Мы поинтересовались у заместителя директора по административно-хозяйственной части, сколько средств тратится на приобретение необходимых для посадки и ухода за растениями грунта и удобрений. Оказалось, что сумма в разные годы составляла от 2 000 до 20 000 рублей. Теперь и этих расходов можно избежать.

Если учесть, что стоимость автокомпостера «rNATURE25» на данный момент - 1,125 млн рублей, то приобрести его школа самостоятельно не сможет, это можно осуществить только в рамках организации экостанций в школах (эта инициатива изложена в грантовом проекте «Экоумница», в котором команда нашей школы является экологической «Точкой роста»).

Стоимость двух автокомпостеров окупится через 7 лет эксплуатации:

1 125 000 рублей за один автокомпостер * 2 /  319 872 рублей экономии в год = 7,03 лет

С учетом экономии на приобретении удобрений и почвенного грунта ( до 20 тысяч в год) этот период будет ещё короче - чуть больше 6,5 лет.

Экологическая целесообразность использования больших автокомпостеров в школе

При гниении пищевых отходов на свалках выделяется свалочный газ -  биогаз, образующийся в результате разложения органических веществ. Гниение  происходит под воздействием бактерий, принадлежащих к двум большим семействам: ацидогенов и метаногенов. Ацидогены производят первичное разложение мусора на летучие карбоновые кислоты, метаногены перерабатывают летучие карбоновые кислоты в метан (CH4) и диоксид углерода (CO2). В результате свалочный газ состоит из примерно 50–75 % метана (CH4), 25–50 % CO2 и примесей азота, сероводорода и органических веществ.

Одной из характерных особенностей мусорных свалок является их неоднородность. В среднем около 75 % муниципальных отходов — это биоразлагаемые органические материалы. Вещества, содержащиеся в отходах, существенно различаются по скорости разложения. Отходы пищи разлагаются быстро (Рекомендации по расчету образования биогаза и выбору систем дегазации на полигонах захоронения твердых бытовых отходов, Москва, 2003)

Рассчитаем количество биогаза, который образуется при разложении всех пищевых отходов столовой за учебный год (8 месяцев):

В статье https://cyberleninka.ru/article/n/raschet-obrazovaniya-biogaza-pri-utilizatsii-othodov-na-poligonah/viewer (Горбовская А.Д., Хмиш В., СПбГПУ, Расчет образования биогаза при утилизации отходов на полигонах,  стр.2) находим, что Модель Табасарана - Реттенбергера  позволяет определить удельное количество биогаза на тонну отходов и его общее количество, образовавшееся к определенному моменту времени:

G = 1,868 C . (0,014 T + 0, 28)   м3,

 где G - удельная эмиссия биогаза (м 3 /т отходов);

1,868 – количество биогаза, образующегося из 1 кг органического углерода, м 3 /кг;

C - общий органический углерод (кг/т отходов) колеблется, в зависимости от морфологического состава, времени и способа хранения отходов в широких пределах, для организованных полигонов находится в диапазоне 150-220 кг/т). Зная, что в составе исследуемых пищевых отходов преобладают углеводы и белки, для  расчетов мы взяли значение 220 кг/т;

T - температура (°С). Мы предположили, что с учётом сезонов за учебный год (с осени до конца весны) температура при разложении пищевых отходов не поднимется выше 20 0С.

Рассчитаем общее количество биогаза, выделяющееся из тонны пищевых отходов:

 1,868 . 220 (0,014 . 20  + 0,28) = 230,1 м3/т

Тогда при разложении образовавшихся в нашей школе за 8 месяцев 8 400 кг (8,4 т) пищевых отходов образуется:

230,1 м3/т  . 8,4 т =  1 933 м3 биогаза

Как указано в статье  https://ru.wikipedia.org/wiki/Свалочный_газ#Состав,

количество  углекислого газа в биогазе составляет 25-50%. На начальном этапе разложения пищевых отходов образуется максимальное количество углекислого газа, значит, его количество за учебный  год составит до 50%:

   1 933 : 2 =  966,5 м3 или  0,966 т

По калькулятору углеродного следа https://calculator.carbonfootprint.com/calculator.aspx?lang=ru&tab=2 мы подсчитали, что выбросы углекислого газа при работе автомобильного двигателя, осуществляющего перевозку пищевых отходов к месту утилизации (50 км от города Нижнего Новгорода и столько же в обратную сторону) за 8 месяцев составят 6.34 тонны.  Общая сумма выбросов СО2 при утилизации пищевых отходов школьной столовой за год составит:

6,34 т + 0,966 т  = 7,306 т

Снижение выбросов углекислого газа при ежедневном компостировании пищевых отходов в двух автокомпостерах с загрузкой по 25 кг  составит

7,306 т  - 3,36 т = 3,946 тонн в год

Вывод

Мы убедились, что компостирование пищевых отходов школьной столовой в двух больших автокомпостерах  «rNATURE25» будет более экологичным, чем традиционный вывоз пищевых отходов, а также более выгодным с экономической точки зрения (если учесть, что их стоимость окупится через 7 лет эксплуатации).

Снижение выбросов углекислого газа при компостировании пищевых отходов двумя автокомпостерами «rNATURE» загрузкой по 25 кг каждый в школе составит 3,946 тонн за учебный год.

На данный момент региональный проект «Передвижная экологическая станция «Экоумница» получил поддержку правительства Нижегородской области, поэтому внедрение биокомпостирования в школах - это ближайшая перспектива экологического образования.