CC BY
123
УДК 621.1: 628.477
БИОМАССА И ЭНЕРГИЯ
М.М. Кабдуалиева, Б.С. Алин
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
Жанармайга биомасса энергиясыныц айналу техпологиясы к,арастырылгап. Цат ты онеркэст цалдъщ крцыстарыныц muiMdi odiciniif биогазды техпологиясы репинде к,арастырылады.
Описывается технология по преобразованию энергии биомассы в топливо. Рассматривается применение биогазовой технологии как эффективный метод обезвреживания твердых бытовых отходов.
The technology of transforming the bioniass energy into the fuel is described in the article. Usage of the biogas technology is considered as an effective method of neutralizing solid domestic wastes.
Современные проблемы энергетики могут быть решены только при рациональном использовании всех существующих на Земле и околозем--оч! пространстве источников топлива и энергии. Среди них биомасса, как постоянно возобновляемый источник топлива, занимает существенное место.
Биомасса - термин, объединяющий все органические вещества растительного и животного происхождения. Биомасса делится на первичную (растения, животные, микроорганизмы и т.д.) и вторичную - отходы при переработке первичной биомассы и продукты жизнедеятельности человека и животных.
На земном шаре в результате процессов фотосинтеза - самого мощного преобразователя солнечной энергии - посредством конверсии С02ежегод--ю продуцируется более 200 млрд. т биомассы (по сухому веществу), т.е. в среднем при содержании в биомассе около 50% углерода в процессе фотосинтеза усваивается до 300 млрд. т СО,. Это требует затраты 3-1024 Дж солнечной энергии. Почти такое же количество С02 выделяется в окружаю-шлю среду при естественном отмирании и разложении органической массы. и лишь очень незначительная часть трансформированных органичес-
ких веществ уходит из естественного круговорота углерода, накапливаясь на дне болот (торф), озер (сапропель), или переносится грунтовыми и подземными водами в более глубокие слои земли [1].
Значительная доля энергетического потенциала биомассы потребляется человеком, следовательно, бытовые отходы жизнедеятельности человека представляют существенную угрозу для самого человека и окружающей среды.
Резкий рост потребления в последние десятилетия во всем мире привел к существенному увеличению объемов образования твердых бытовых отходов (ТБО). В настоящее время масса потока ТБО, поступающего ежегодно в биосферу достиг почти геологического масштаба и составляет около 400 млн. тонн в год. Влияние потока ТБО остро сказывается на глобальных геохимических циклах ряда биофильных элементов, в частности органического углерода. Так, масса этого элемента, поступающего в окружающую среду с отходами, составляет примерно 85 млн. тонн в год, в то время как общий естественный приток углерода в почвенный покров планеты составляет лишь 41,4 млн. тонн в год.
Одним из основных способов удаления ТБО во всем мире остается захоронение в приповерхностной геологической среде. В этих условиях отходы подвергаются интенсивному биохимическому разложению, которое вызывает в частности генерацию свалочного газа (СГ).
Эмиссии СГ, поступающие в природную среду формируют негативные эффекты как локального, так и глобального характера. По этой причине во многих развитых странах мира осуществляются специальные мероприятия по минимизации эмиссии СГ. Это фактически привело к возникновению самостоятельной отрасли мировой индустрии, которая включает добычу и утилизацию СГ. [2]
Процессы разложения органических отходов с получением горючего газа и его использованием в быту известны давно: в Китае - мировом лидере -их история насчитывает 5 тыс. лет, в Индии - 2 тыс. лет.
Природа биологического процесса разложения органических веществ с образованием метана за прошедшие тысячелетия не изменилась. Но современная наука и техника создали оборудование и системы, позволяющие сделать эти «древние» технологии рентабельными и применяемыми не только в странах с теплым климатом, но и в странах с суровым континентальным климатом.
Широкому использованию биомассы как источнику экологически чистого топлива и энергии уделяется самое серьезное внимание в большин-
стве стран Западной Европы, США, Канаде, а также в ряде развивающихся стран: Китае, Индии, Бразилии и др.
Для сухого вещества простейший способ превращения биомассы в энергию заключается в сгорании - оно обеспечивает тепло, которое в свою очередь превращается в механическую или электрическую. Что касается сырого вещества, то в этом случае древнейшим и, наиболее эффективным методом превращения биомассы в энергию является получение биогаза (метйна).
Энергия, запасенная в первичной и вторичной биомассе, может конвертироваться в технически удобные виды топлива или энергии несколькими путями.
1. Получение растительных углеводородов (растительные масла, высокомолекулярные жирные кислоты и их эфиры, предельные и непредельные углеводороды и т.д.).
2. Термохимическая конверсия биомассы (твердой, до 60%) в топливо: прямое сжигание, пиролиз, газификация, сжижение, фест-пиролиз.
3. Биотехнологическая конверсия биомассы (при влажности от 75% и ■ыше) в топливо: низкоатомные спирты, жирные кислоты, биогаз.
Современная наука и техника указывает на реальность возможности использования энергии биомассы как коммерческой энергии, не нарушая глобальных природных процессов и баланса СО,.
Метановое «брожение», или биометаногенез, - давно известный процесс превращения биомассы в энергию. С биологической точки зрения метановое «брожение» есть не что иное, как анаэробное дыхание, в ходе которого лектроны органических веществ переносятся на углекислый газ, который затем восстанавливается до метана [3].
Метановое «брожение» происходит в водонепроницаемых цилиндрических цистернах (реакторах) с боковым отверстием, через которое вводится ферментируемый материал. Над реакторами находится стальной лилиндрический контейнер, который используется для сбора газа. Контейнер препятствует проникновению внутрь воздуха, так как весь процесс должен происходить в строго анаэробных условиях, реактор изготавливаются из глиняных кирпичей, бетона или стали.
В тех случаях, когда используются отходы или жидкий навоз, соотношение между твердыми компонентами и водой должны составлять 1:1 (100 «г отходов на 100 кг воды), что соответствует общей концентрации твердых веществ, составляющей 8-11% по весу. Смесь сбраживаемых материа-юв обычно засеивают ацетоногенными и метаногенными бактериями или лстоем из другого реактора. Низкий рН подавляет рост метаногенных
бактерий и снижает выход биогаза; такой же эффект вызывает перегрузка реактора. Против закисления используют известь. Оптимальное «переваривание» происходит в условиях, близких к нейтральным (рН 6,0-8,0). Максимальная температура процесса зависит от мезофильности и термофильное™ микроорганизмов (30-40°С или 50-60°С); резкие изменения температур нежелательны. В странах с холодным климатом процесс проходит с искусственным обогревом. Желательно перемешивать суспензию сбраживаемых веществ, чтобы воспрепятствовать расслаиванию, которое подавляет брожение. Твердый материал необходимо раздробить, так как наличие крупных комков препятствует образованию метана.
Особенно большое значение биогазовых технологий, как показывает опыт Китая, имеют для модернизации сельскохозяйственного производства. Биогазовые технологии - это наиболее радикальный, экологически чистый, безотходный способ переработки, утилизации и обезвреживания разнообразных органических отходов растительного и животного происхождения.
Эти технологии одновременно решают четыре проблемы: экологическую (ликвидация отходов); энергетическую (получение топлива и энергии); агрохимическую (получение экологически чистых удобрений и повышение плодородия почв с постепенным восстановлением их экологической чистоты); социальную (улучшение условий труда и быта, получение экологически чистой продукции). [4]
Технически реализация биогазовых технологий достаточно проста, и они могут применяться в широком диапазоне: от индивидуального крестьянского подворья до крупных животноводческих комплексов, птицефабрик и городов- миллионников при любых климатических условиях.
Биогаз состоит из метана (55-85%) и углекислого газа (15-45%), его теплота сгорания составляет от 21 до 27,2 тыс. кДж/м3 (при нормальных условиях). Из 1 т органического вещества при влажности 5-10% можно получать от 250 до 600 м3 биогаза.
Переработка 1 т свежего коровьего или свиного навоза (при влажности 85%) может дать от 45 до 60 м3 биогаза, 1 т куриного помета (при влажности 75%) - до 100 м3 биогаза.
1 м3 биогаза по теплоте сгорания эквивалентен 0,7 кг мазута, 0,4 кг бензина, 0,6 кг керосина, 3,5 кг дров, 12 кг навозных брикетов. Биогаз, как и природный газ, относится к наиболее чистым видам топлива.
Сжигание 1 м3 биогаза в газоэлектрогенераторах дает до 2 кВт-ч электроэнергии и до 10,5-12,6 тыс. кДж тепловой энергии. Биогаз можно комп-
гимировать и использовать в двигателях внутреннего сгорания и в дизельных двигателях вместо бензина и мазута.
Биогазовые технологии - это реальное техническое решение проблем экологии.
Одновременно с получением газообразного топлива биогазовые техно-огни решают некоторые локальные проблемы экологии:
1. Сравнительный анализ выхлопных газов, полученных на работающем с номинальной мощностью биогазбензоэлектрогененераторе при сжигании в нем последовательно бензина и биогаза, показал, что при сжигании биогаза содержания СО в 45 раз меньше, углеводородов в 30 раз меньше, оксидов азота в 1,5 раза меньше, чем при сжигании бензина. Пробы выхлопных газов отбирались сначала при сжигании бензина, а затем после работы в течении 1 ч на биогазе в газовые бюреты, их состав гпределялся на газовых хроматографах. Таким образом, биогаз можно ;тнести к наиболее экологически чистым видам топлива органического происхождения.
2. Метангенерация органических отходов приводит к полной минерализации азота, фосфора, калия и других микроэлементов, делая их более доступными для усвоения растениями, т.е. позволяет из любых органических отходов получать высокоэффективные экологически чистые органические удобрения, лишенные патогенной микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, нитратов и нитритов. Применение таких удобрений значительно снижает использование минеральных удобрений и различных ядохимикатов, что позволяет получать экологически чистые продукты питания. Кроме того, органические удобрения являются универсальными и могут применяться для любых сельскохозяйственных и декоративных культур, обеспечивая минимальное повышение урожайности в 2-2,5 раза.
Разработка современных, экономически эффективных биогазовых технологий базируется на сочетании следующих основных принципов:
• фундаментальные знания сложнейшего биологического процесса ме-тангенерации органических веществ растительного и животного происхождения, включая достижения микробиологии, биохимии, молекулярной биологии,биотехнологии;
• особенности механического состава используемого сырья;
• конструкторское решение оборудования, направленное на снижение металлоемкости и энергоемкости;
• экономические, экологические, энергетические особенности конкретного региона.
Интеграция указанных принципов позволила создать серию наиболее перспективных биогазовых технологий, которые можно разделить на три группы.
Первая группа технологий по обработке супержидких стоков (отходы перерабатывающей промышленности: молочной, сахарной, бумажной, кожевенной, консервной, текстильной и т.д.) при влажности последних 98-99% основана на использовании: осаждения бактериальных гранул и контакта поступающего сырья с образующимся активным илом; неподвижного слоя ила (бактериальные гранулы) и поступления сырья в реактор снизу вверх или реактора с восходящим слоем; анаэробного фильтра с закреплением-иммобилизацией метанобразующих сообществ на неподвижных носителях; биореакторов с псевдоожиженным и увеличенным слоем бактериальной массы, закрепленной на мелких инертных частицах; биореактора с закрепленной пленкой.
Процесс непрерывный, температура ферментации от 18 до 55°С, время удерживания от несколько часов до нескольких суток, выход газа до 20-30 м3 на 1 м3 реактора в сутки.
Преимущества этих технологий - высокие скорости обработки, снижение объемов реакторов, сокращение капитальных затрат на единицу массы обрабатываемых стоков.
Впервые в промышленных масштабах технология, сочетающая использование неподвижного слоя ила (бактериальных гранул) и восходящего потока жидкости, была применена в СССР при создании производства кормового препарата витамина В—12 с одновременным получением биогаза (18000 м3/сут) при переработке жидких стоков (до 3000 м3/сут) на двух ацетонобутиловых заводах в 1960-1969 гг.
Вторая группа технологий основана на использование классической технологии вытеснения субстрата. Они могут быть использованы при обработке субстратов с влажностью в пределах от 85 до 96%. Процесс периодический, полупериодический, непрерывный. Температура ферментации от 15 до 55°С. Время удерживания от 3 до 30 суток. Выход биогаза от 1 до 5 м3 на 1 м3 реактора. Недостатки: возможное образование «корки», необходимость перемешивания и большой расход энергии на поддержании температуры процесса.
Классическая технология получила интенсивное развитие, и на ее основе создано несколько перспективных, более экономичных технологий, такие как: рециркуляционная технология и технология многостадийной ме-тангенерации.
рециркуляционная технология используется при обработке концентрированных, вязких органических отходов (например, куриного помета), требующих разведения для создания оптимальных физико-химических условий процесса. Процесс периодический, полупериодический, непрерывный. Температура ферментации от 18 до 55°С. Субстрат имеющий влажность 75-80%, разбавляется рециркулятором (кульгуральной жидкостью) до влажности 93-94% и после подогрева до температуры ферментации подается в реактор. Время удерживания от 5 до 50 суток. Выход газа от 1 м7м3 реактора в сутки и более. Именно внедрение технологии рециркуляции позволило успешно обрабатывать отходы птицеводства, содержащие высокие концентрации азотосодержащих органических соединений. Преимущества; отсутствие избыточной жидкой фазы.
Технология многостадийной метангенерации основана на разделении природного биологического процесса метангенерации в соотвествии с его бпктериально-биохпмическпми особенностями (с целью интенсификации процесса) на стадии: бактериального гидролиза, кислотообразовапия и метангенерации. Процесс непрерывный, время удерживания 3-5 суток. Объемы последовательно расположенных реакторов увеличиваются в соотношении 1:2:4 с повышением температуры в каждом реакторе 40:45:55 "С. В первом реакторе происходит бактериальный гидролиз, во втором -кислотогенный процесс, в третьем - метангенерация. Выход газа увеличивается до 500-600 м3 с 1 т навоза (на абсолютно сухое вещество) вместо 200-250 м7т при использовании обычной технологии. Преимущества: ускорение процесса, снижение металлоемкости и энергозатрат, увеличение газоотдачи, отсутствие коркообразования, полная гарантия экологической чистоты получаемых удобрении.
К третьей группе технологий относится технология твердофазной метангенерации. Вопреки широко распространенному мнению было экспериментально установлено, что процесс образования метана может активно протекать при влажности субстрата менее 85% (вплоть до 10%), причем при влажности в пределах 5-10%, количество образующегося метана прямо пропорционально количеству воды в субстрате. Твердофазный процесс может быть непрерывным, полупериодическим и периодическим. Температура ферментации от 18 до 55°С. Время удерживания от 5 до 30 суток. Выход биогаза от 0,5 до 1,5 м3/м3 реактора в сутки. Загрузка и выгрузка осуществляется с помощью шнеков. При ферментации субстрата необходимо постоянное перемешивание. Преимущества: отсутствие дополнительной воды; отсутствие коркообразования; уменьшение объемов реакторов
и капитальных затрат. Недостатки: снижение газоотдачи и увеличение времени удерживания.
Технология твердофазной метангенерации получила свое дальнейшее развитие и в качестве субстратов используются: обезвоженные осадки сточных вод, подстилочный навоз, смесь навоза, помета с соломой, твердые бытовые отходы.
Как показывает зарубежный опыт, технологии биогазификации могут успешно использоваться и при утилизации и обезвреживании твердых бытовых отходов городов (ТБО), являющихся «ахиллесовой пятой» всех городов мира. Существует несколько технологий их переработки и обезвреживания: мусорные свалки; мусоросжигательные заводы и газификация; биотермическая обработка с получением удобрений и тепловой энергии; биогазификация в закрытых емкостях.
Перечисленные технологии имеют определенные недостатки, препятствующие их широкому внедрению:
Сжигание ТБО, практически, ликвидирует ценную органическую составляющую: исходное сырье для получения органических удобрении и экологически чистого топлива - биогаза. При сжигании отходов происходит выброс дымовых газов в атмосферу;
Сепарирование ТБО, с одной стороны, не решает проблему полного обеззараживания органической части ТБО, подвергающейся по технологии компостированию, а с другой - это процесс (компостирование) переводит в С02 до 50% перерабатываемого углерода - потенциального источника топлива.
Биогазификация в буртах протекает с большой скоростью в течении нескольких лет, что не снимает проблему отчуждения земель, хотя и меньших масштабах, чем при организации мусорных свалок.
В настоящее время в мусорных отвалах обрабатывается до 90% ТБО, в которых основную опасность представляют органические вещества, составляющие до 60%. Период их полураспада колеблется от 30 до 60 лет, т.е. любой город, не имеющий современных технологий переработки и обезвреживания ТБО, ежегодно вынужден отчуждать на непроизводственные нужды значительные земельные площади. Помимо отчуждения полезных земель мусорные свалки - это постоянный источник инфекций, эпизоотий, пожаров, отравление атмосферы и грунтовых вод.
В городе Павлодаре существующая общегородская свалка ТБО эксплуатируется крайне неудовлетворительно, с нарушением санитарных правил «Устройства и содержания полигонов для ТБО» и не обеспечивает сани-
тарную надежность в эпидемиологическом отношении обезвреживания бытовых отходов. Технология по обезвреживанию ТБО не соблюдается из-за отсутствия спецтранспорта для выемки и доставки грунта, средств для ее нормальной эксплуатации и содержания. На свалке производится работа только по разравниванию и уплотнению ТБО. Прилегающая к городской свалке территория замусорена легко перемещающимися бытовыми отходами. Постоянно отмечаются факты самовозгорания отбросов, нахождения посторонних лиц, что категорически запрещается. Территория свалки не имеет ограждения, освещения, озеленения. Не функционирует имеющаяся скважина. Со стороны селитебной зоны нет полосы дре-весно-кустарниковых насаждений.
Ситуация достаточно серьезная, но есть несколько реальных путей ее решения. В основе их лежит, прежде всего, сортировка ТБО, как это делается в некоторых городах Западной Европы, в Минске и Санкт-Петербур-ге, с выделением черных и цветных металлов, стекла, пластмасс и органических остатков.
Далее могут быть применены следующие методы переработки и обезвреживания органических отходов.
При содержании солей тяжелых металлов выше норм ПДК они сжигаются в газогенераторах с получением генераторного газа, который используется для производства тепловой или электрической энергии и шлама, объемы последнего резко сокращаются.
При содержании солей тяжелых металлов ниже уровня ПДК обрабатывать органические остатки после сортировки ТБО можно компостированием методом активного вентилирования с получением удобрений. Близка к этому методу технология биотермирования - биологическое окисление в шахтах с выделением значительных количеств тепловой энергии и получением удобрений или обработкой по экспресс-технологии методом термофильной метангенерации.
Метод экспресс-технологии, разработанный Российским научно-производственным Центром «ЭкоРос» на основе фундаментальных исследований, проведенных в 80-х годах в Институте биохимии имени А.Н. Баха АН СССР, позволяет перерабатывать органическую составляющую ТБО за 15-20 суток вместо 30 лет с получением до 350 м3 биогаза на 1 т ТБО и до 250-300 кг высокоэффективных органических удобрений. Указанный метод даст возможность получать газообразное топливо (в количествах, максимально обеспечивающих потребности всего мусороперерабатывающего комплекса) и органические удобрения [5].
Использование на мусоросортировочных заводах экспресс-технологий позволит создать экологически чистые высокорентабельные предприятия по переработке й обезвреживанию ТБО с получением черных и цветных металлов, стекла, строительных материалов, газообразного топлива, электрической и тепловой энергии, органических удобрений, и навсегда избавиться от заимствования новых земель под мусорные полигоны.
Биогазовые технологии и станции в отличие от других систем, использующих возобновляемые источники энергии, могут функционировать круглогодично в любое время суток практически везде, где есть органические отходы или доступная энергетическая биомасса.
Реализация и внедрение биогазовых технологий в народное хозяйство требует определенных разовых инвестиций, но они окупаются за очень короткий срок и далее работают на накопление капитала.
Потребность современного мирового сообщества в коммерческой энергии составляет 3-1020 Дж. Биомасса ежегодно в виде энергии химических связей накапливает до 3,2-1021 Дж или в 10 раз больше [6].
Внедрение биогазовых технологий как завершающий цикл переработки твердых бытовых отходов на городских свалках, позволит не только снять экологическую напряженность, но дает возможность получения дополнительно экологически чистого топлива - биогаза и так необходимого в сельском хозяйстве высокоэффективного, экологически чистого удобрения.
Надеюсь, в скором будущем, мы построим мусороперерабатывающий завод в городе Павлодаре, который будет работать по производственному циклу: МУСОРОСОРТИРОВКА-РЕЦИКЛИНГ-МЕТАНГЕНЕРАЦИЯ. Тем самым позволит создать экологически чистые высокорентабельные предприятия по переработке и обезвреживанию ТБО.
ЛИТЕРАТУРА
1. Паицхава Е С., Пожарное В.А., Зысин JI.B., Фарберов В.Г., Шрамков В.М., Майоров H.H., Школа И.И. Преобразование энергии биомассы. Опыт России // Теплоэнергетика.- 1996 - № 5-С. 33-38.
2. Гурвич В Н., ЛифшицА.Б. Добыча и утилизация свалочного газа (СГ) -самостоятельная отрасль мировой индустрии // сайт Центра координации и информации СоЭс.
3. Дебабова В.Г. Биотехнология: свершения и надежды-М.: Мир, 1987.-411 с.
4. Паицхава Е. С. Биогазовые технологии - радикальное решение проблем экологии, энергетики и агрохимии//Теплоэнергетика - 2001-№ 11-С. 36-42.
5. Паицхава Е.С., Пожарное В.А., Кошкин Н.Л. Биомасса -реальный источник
коммерческих топлив и энергии. Ч. II. Потенциальные возможности России //Теплоэнергетика- 2002 - № 1.- С. 19-23.
6. Попцхава Е. С., Пожарное В. А., Майоров И.И., Школа И.И. Биогазовые технологии п решение проблем биомассы и «парникового эффекта» в России //Теплоэнергетика.- 19-99.- № 2.- С. 30-39.
