Innowacyjne technologie ściekowe dla branży mleczarskiej

1. Innowacyjne technologie ściekowe dla branży mleczarskiej prof. nadzw. dr hab. Z. B. Romanowska-Duda, Uniwersytet Łódzki prof. zw. dr hab. M. Grzesik, Instytut Ogrodnictwa w Skierniewicach mgr W. Pszczółkowski, Uniwersytet Łódzki

2. Przemysł mleczarski • Przemysł mleczarski to główna branża spożywcza w Polsce • (produkcja roczna: 12 mln litrów mleka). • Według danych GUS w 2011r. przy produkcji wyrobów mleczarskich powstało 25,4hm3 ścieków, z czego 13,8 hm3 ścieków było oczyszczanych (9.0 hm3 biologicznie, 4,8 hm3 z podwyższonym usuwaniem biogenów) i kierowanych do wód lub do ziemi. • Pozostałe 11,4 hm3, nie wymagały oczyszczania albo po podczyszczeniu były odprowadzane do kanalizacji. • Przyjmując wskaźnik ilości powstających ścieków na jednostkę produkcji na poziomie 3,5 m3/m3 przerabianego mleka, szacuje się, że w Polsce powstaje około 92 000 m3 ścieków mleczarskich na dobę[1]. [1] J. Struk-Sokołowska, Wpływ ścieków mleczarskich na frakcje ChZT ścieków komunalnych. Inżynieria Ekologiczna 2011, Nr 24; s. 130-144.

3. Fot. 1, 2, 3. Ścieki z zakładu mleczarskiego trafiające prosto do rzeki Łyny. Fot. www.naszlidzbark.pl

4. Według danych GUS (2012 rok), liczba podmiotów gospodarczych zajmujących się przetwórstwem mleka na terenie Polski wynosiła 148. • W zależności od stosowanej technologii i produkcji asortymentu zużycie wody wynosi od 3 L /L przetwarzanego mleka w produkcji napojów mlecznych, aż do 20 L/L w procesie produkcji masła i serów żółtych [2]. • Ścieki mleczarskie charakteryzują się znacznie wyższymi wartościami wskaźników zanieczyszczeń oraz zmiennością ładunku w porównaniu do ścieków komunalnych [3],[4], [5]. [2] W. Dąbrowski, Efektywność złóż hydrofitowych w oczyszczaniu ścieków mleczarskich. Society of Ecological Chemistry and Engineering 2011a; A. Opole; Vo1. 18, No 2, s.175-183. [3] A. M. Anielak, Gospodarka wodno ściekowa przemysłu mleczarskiego, Agro Przemysł 2008, 2, 57-59. [4 ] B. Bartkiewicz i A. Umiejewska, Oczyszczanie ścieków przemysłowych, PWN. W-wa 2010. [5] W. Dąbrowski, J. Wiater 2013. Określenie możliwości zmniejszenia obciążenia oczyszczalni ścieków mleczarskich przez zastosowanie wydzielonego oczyszczania odcieków z przeróbki osadów. Rocznik Ochrona Środowiska, Tom 15. 823–834.

5. Ścieki mleczarskie generowane są m. in. w procesie: • mycia urządzeń, • rozlewania mleka, • produkcji maślanki, • produkcji serwatki, • mleka paszowego. • Emisja ścieków mleczarskich może mieć negatywny wpływ na środowisko ze względu na wysokie wartości BZT5, ChZT, TSS (cząsteczki zawiesiny ogólnej) obecność biogenów (fosforu i azotu), które powodują eutrofizację wód.

6. Ilość i kondensacja ścieków mleczarskich jest uwarunkowana profilem produkcji [Tab. 1, 2, 3]. Tab. 1 Ilość ścieków (m3/1000 L mleka) w zależności od profilu produkcji Źródło: Bartkiewicz B. 2006. Oczyszczanie ścieków przemysłowych, PWN W-wa, 2006.

7. Tab. 2 Wartości koncentracji zanieczyszczeń w ściekach mleczarskich ogólnych. Źródło: Bartkiewicz B. 2006. Oczyszczanie ścieków przemysłowych, PWN W-wa, 2006.

8. Tab. 3 Skład ścieków mleczarskich w zależności od rodzaju produkcji Źródło: Bartkiewicz B. 2006. Oczyszczanie ścieków przemysłowych, PWN W-wa, 2006.

9. Dla oczyszczania ścieków mleczarskich, zwykle stosowane są konwencjonalne instalacje, które powodują wiele problemów i są nierentowne. Dodatkowy problem stanowią wahania ładunku zanieczyszczeń odprowadzanych z zakładów mleczarskich. Dlatego niezbędne jest wypracowanie innowacyjnych technologii utylizacji i zagospodarowania ścieków mleczarskichw aspekcie ochrony środowiska wodnego. Ponowne zainteresowanie oczyszczalniami hydrofitowymi

10. Oczyszczalnia typu „constructed wetland” na ogół składa się z basenu lub kanału z zaporą wypełnionego medium na odpowiednią głębokość, aby zapobiec wyciekom z koryt. • Medium w postaci ścieków zaopatruje korzenie roślinne w makro i mikroelementy. • W oczyszczalniach roślinnych przez ok. 12 dni stwarza się naturalne warunki, w celu wzrostu obsadzonych gatunków roślin, takich jak np. Typha, Pistia sp , Eichhornia sp, Salvinia sp. ,a także roślin wodnych Lemnaceae Rys. 2. Oczyszczalnia typu „constructed wetland; Źródo: Natural Systems International

11. Tab. 4 Wartości parametrów (% redukcji) po zastosowaniu roślin Typha latifolia w procesie oczyszczania ścieków mleczarskich Źródło: SudarsanJ. S., DeepthaT., AshutoshD., 2012Phytoremediation of dairy-waste water using constructed Wetland Int J Pharm Bio Sci 2012 July; 3(3): (B) 745 – 755.

12. FITOTECHNOLOGIA Makrofitywodne są narzędziem ekorozwoju: Jako tania technologia neutralizacji ścieków na niskim i średnim poziomie oraz zgodnie z koncepcją ekohydrologii Jako narzędzie zwiększającezdolność ekosystemów słodkowodnychdo absorbowania zanieczyszczeń antropogenicznych. Rys. 3. Przedstawiciele rodziny rzęsowatych (Lemnaceae) występujące w Polsce

13. Rośliny z rodziny Lemnaceae charakteryzują się: • Zdolnością do akumulacji metali ciężkich, radionuklidów i innych pierwiastków (hiperakumulatory(akumulują > 1000 mg pierwiastka/kg d.w). • Dużą tolerancją do wysokich stężeń różnorodnych zanieczyszczeń. • Produkcją i wydzielaniem do środowiska niskocząsteczkowych związków organicznych, które zwiększają biodostępność i bioakumulację zanieczyszczeń. • Wysoką skutecznością w usuwaniu pierwiastków; N, P, K, Ca, Mg, Na i Fe. • 5) Efektywnością w obniżaniu wartości ChZT, BZT oraz ponad 88% redukcją zawartości amoniaku • w biooczyszczalniach. • Obecność roślin Lemnaceaezmniejszyła o 20% parowanie w porównaniu do otwartych systemów • oczyszczania ścieków.

14. Utylizacja odpadów mleczarskich. Produkcja biomasy makrofitów wodnych Lemnaceae. • Biomasa Lemnaceaei glonów może być hodowana na odpadach pochodzących z: • 2 etapów produkcyjnych w zakładzie mleczarskim (serwatka, ścieki - po myciu (1, 2); • odcieku pofermentacyjnego w produkcji biogazu proces beztlenowy-(3) • uzyskanego osadu w wyniku procesu stabilizacji tlenowej (4) • Wyhodowane rośliny mogą być wykorzystane w oczyszczalni hydrobotanicznej typu Lemna (5). Rys. 3. Zintegrowany system wytwarzania energii elektrycznej umożliwiający zagospodarowanie ścieków i odpadów mleczarskich (Mleczarnia Zarębski w Ksawerowie).

15. Uprawa roślin Lemnaceae z wykorzystaniem ścieków mleczarskich i odpadów organicznych pochodzących z produkcji biogazu, jest ekonomicznym systemem produkcji biomasy o wysokiej jakości i szerokim spektrum zastosowań: w fitoremediacji, bioenergetyce (biopaliwa ciekłe i gazowe) i rolnictwie (pasza, nawóz). A B Rys. 4. Lemna minor L. (A)i Spirodela polyrrhiza L. (B) hodowane w kulturach in vitro z wykorzystaniem ścieków mleczarskich, odpadów biogazowych (foto. Z.B. Romanowska-Duda)

16. + CO2 Schemat produkcjii wykorzystania biomasy Lemnaceae Produkcja biomasy roślinwodnych z rodziny Lemnaceae Układ zamknięty Bioreaktor Zbiorniki otwarte Biomasa Biodiesel Biogaz Rys. 5. Schemat wg:Romannowska-Duda Z. i Pszczółkowski W. Bioetanol Biorafineria Pasza Fitoremediacja

17. Oczyszczalnie ścieków typu Lemna (RPM S.A.)

18. Ścieki mleczarskie i algi to: Opłacalność Niskie zapotrzebowanie na energię Zmniejszenie powstawania osadów Redukcja emisji gazów cieplarnianych Produkcja użytecznej biomasy glonów

19. Zawartość lipidów w różnych gatunkach alg Ankistrodesmus sp. Żródło: Renewable and Sustainable Energy Reviews 14:217-232, 2010.

20. Źródło: Fraunhoffer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB

21. Otwarte bioreaktory algowe • Otwarte reaktory to z reguły naturalne jeziora i laguny oraz sztuczne stawy i inne zbiorniki. • Zalety:stosunkowo nieduże koszty i prosta obsługa, • Wady:ryzyko negatywnej interakcji ze środowiskiem (np. krzyżowanie się różnych gatunków • glonów, ingerencję organizmów wodnych) • parowanie wody, • dyfuzja wprowadzanego CO2 do atmosfery. • reaktory typu otwartego są w stanie wyprodukować: 20 - 50 g ś.m./1 m2 w ciągu doby. • Teoretycznie do wyprodukowanie 1g biomasy alg potrzeba 2g CO2 (objętość 1012 cm3 w warunkach normalnych), to oznacza pobieranie CO2 na poziomie40 do 100g m-2dzień-1 (0,46-1,16mg m-2 s-1).

22. Zamknięte bioreaktory algowe • Zalety: Możliwość kontroli upraw • Doświetlanie przez całą dobę • Ograniczona możliwość zanieczyszczeń • Większe zagęszczenie biomasy alg • Redukcja powierzchni pod uprawy • Wady: Wysokie nakłady inwestycyjne W przypadku bioreaktora usuwanie rozpuszczonego CO2 przez algi np. Chlorella vulgaris LEB-104 => 624mg CO2 L−1 dzień−1 [Yun et al. 1997] do 251,64mg CO2 L−1 dzień−1[Sydney et al. 2010]

23. Algi jako surowiec energetyczny Żródło: Oilgae.com

24. Potencjał wykorzystania alg • Jako dodatki spożywcze (proteiny, karoten, olej omega, witaminy, biopierwiastki) • Suplementy diety • Utylizacja CO2 • Produkcja biopaliw III generacji • Karma dla zwierząt • Produkcja pigmentów, bioplastików, wyrobów kosmetycznych itp.

25. Podsumowanie • Innowacyjne technologie ściekowe • dla branży mleczarskiej stwarzają możliwość: • Komercyjnego wdrożenie upraw alg i roślin Lemnaceae: • Efektywną utylizację CO2 i jego wydajną konwersję na biomasę roślinną • Uruchomienie technologii produkcji biopaliw III generacji • Kreowania atrakcyjnych ekonomicznie miejsc pracy w nowej, innowacyjnej dziedzinie gospodarki, • Produkcji nowych zasobów biomasy roślin i alg, która może być dostępna na obszarach wiejskich i nie kolidować z priorytetową funkcją rolnictwa jaką jest produkcja żywności. • Realizacji nowych projektów badawczych w dziedzinie biotechnologii, inżynierii genetyczne, chemii i farmacji.

26. Projekty przyszłości Dziękuję za uwagę !