CC BY
56
УДК 631.333.92
Д. А. Ковалев, А. А. Ковалев, Ю. В. Караева, И. А. Варламова
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ГИДРОЛИЗА ОРГАНИЧЕСКОГО СУБСТРАТА
Ключевые слова: предварительный гидролиз, анаэробная обработка, биогазовая установка.
В данной работе представлены технологическая схема и описание работы экспериментальной установки для исследования процесса предварительного гидролиза органического субстрата. Приведены основные параметры элементов экспериментальной установки, а также параметры процессов, поддерживаемые в представленных элементах.
Keywords: pre-hydrolysis, anaerobic treatment, biogas plant.
This paper presents the flow diagram and description of experimental installation for investigation the preliminary hydrolysis process an organic substrate. The basic parameters of the elements of experimental installation, and process parameters supported by in the presented elements are presented.
Введение
Двухстадийная технология производства биогаза впервые была предложена Pohland and Ghosh в 1971 году [1]. Возникновение данной технологии обусловлено различием в скорости роста групп микроорганизмов, составляющих метаногенное сообщество, а также оптимального значения рН для гидролиза, ацидо- и метаногенеза
Следует отметить, что для сбраживания некоторых видов органических отходов в чистом виде также требуется двухстадийная технология. Ряд субстратов, таких как птичий помет или спиртовая барда, не перерабатываются в биогаз в обычном метан-тенке. Для переработки такого сырья необходим дополнительно реактор гидролиза, который позволяет контролировать некоторые параметры процесса (рН и скорость загрузки), соблюдая при этом оптимальные условия для жизнедеятельности микроорганизмов [2].
Двухстадийная технология производства биогаза не нашла широкого применения, однако она используется на крупных промышленных предприятиях, например, на очистных сооружениях или в процессе подкислении отходов пищевой промышленности [2, 3, 4].
Solera и др. (2002) указывают на ряд преимуществ двухступенчатых систем сбраживания [1]:
• высокая специализация микроорганизмов в каждом аппарате,
• увеличение устойчивости процесса,
• улучшение контроля на стадии ацидогенеза,
• предотвращение перегрузок и накопления токсичных материалов,
• стабильность рН для метаногенных микроорганизмов.
В данной работе, двухступенчатый процесс производства биогаза реализован в экспериментальной установке для анаэробного сбраживания различных органических субстратов, в частности, нативного навоза и осадка сточных вод. Создание оптимальных условий для гидролиза и ацидогенеза приведет к высокому уровню деградации сложных органический соединений, что затем позволит обеспечить более высокий выход биогаза в метантенке [1]. Це-
лью экспериментальных исследований является определение оптимальной температуры и продолжительности процесса предварительного термофильного гидролиза органических отходов, исходя из количества и качества получаемого биогаза.
В процессе предварительной обработки [5,6]:
- достигается температура, оптимальная для проведения последующих анаэробных стадий обработки;
- осуществляется гидролиз субстрата, в результате чего не менее 50% биоразлагаемого органического вещества (ОВ) переходит в растворенное и тонкодисперсное состояние;
- повышается щелочность субстрата;
- происходит уничтожение патогенной микрофлоры, семян сорняков.
Экспериментальная установка
Экспериментальная биогазовая установка предназначена для исследования процесса предварительного гидролиза органического субстрата, направленного на максимальный перевод органического вещества в растворенную форму (рис. 1). Основными параметрами, которые будут определяться в ходе
Рис. 1 - Общий вид экспериментальной установки
эксперимента, являются температура и продолжительность процесса гидролиза, позволяющих наибольшее количество органического вещества перевести в растворенную форму, которая останется в
жидкой фракции после разделения предварительно обработанного субстрата в сепараторе.
Экспериментальная биогазовая установка состоит из лабораторного анаэробного биореактора, гид-ролизера, отстойника эффлюента, гидрозатвора, рамы, на которой смонтировано вышеперечисленное оборудование и мокрого газгольдера для накопления выработанного биогаза, а также сепаратора для разделения субстрата на твердую и жидкую фракции (рис. 2).
Рис. 2 - Общий вид сепаратора
Технологическая схема экспериментальной биогазовой установки приведена на рис. 3.
Рис. 3 - Технологическая схема экспериментальной биогазовой установки: 1 - гидролизер; 2 -лабораторный метантенк; 3 - отстойник эффлюента; 4 - мокрый газгольдер; 5 - гидрозатвор; 6 -сепаратор
Диаметр анаэробного биореактора 400 мм, высота биореактора 500 мм, коэффициент заполнения 0,9 (объем аппарата 56 л, объем сбраживаемого субстрата 50 л). Температура процесса Т=55,2 0С, давление Ризб=100 мм вод. ст., перемешивание механическое dмешалки=300 мм, высота основной лопасти 25 мм, высота лопасти для разбития корки 25 мм, частота вращения 60 об/мин.
Предварительно обработанный субстрат загружается в анаэробный биореактор через устройство загрузки субстрата.
В биореакторе поддерживаются оптимальные условия жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов: температура, с помощью системы обогрева, и массообмен, посредством механического перемешивания.
Температура поддерживается с помощью системы обогрева состоящей из: электронагревателя, рас-
положенного в нижней части наружной стенки анаэробного биореактора, и датчика температуры.
Для интенсификации процесса сбраживания в лабораторном анаэробном биореакторе осуществляется перемешивание при помощи механической мешалки, управляемой реле времени.
Выгрузка обработанного субстрата происходит автоматически (перелив) через устройство выгрузки субстрата в отстойник при добавлении следующей порции сырья.
Образующийся биогаз, основной составляющей которого является метан, собирается в газовом колпаке и удаляется через патрубок отвода биогаза в мокрый газгольдер.
Электронагреватель обеспечивает подогрев исходной массы, компенсацию теплопотерь и поддержание температурного режима анаэробной обработки субстрата в анаэробном биореакторе.
Гидролизер представляет собой стальную цилиндрическую емкость, оснащенную устройствами для загрузки и выгрузки субстрата, устройством перемешивания субстрата, а также устройством подогрева субстрата, оборудованным температурным датчиком.
Диаметр реактора гидролиза 200 мм, высота реактора гидролиза 300 мм, коэффициент заполнения 0,9 (объем аппарата 9,4 л, объем сбраживаемого субстрата 8,5л). Температура процесса Т=56 0С, давление Рабс=1 атм, перемешивание механическое dмешалки=100 мм, высота лопасти 25 мм, частота вращения 300 об/мин. Время удержания в аппарате гидролиза от 6 до 24 часов.
Исходный субстрат загружается в гидролизер через устройство загрузки субстрата.
В гидролизере поддерживаются температура, с помощью системы обогрева, и массообмен, посредством механического перемешивания.
Температура в гидролизере поддерживается с помощью системы обогрева состоящей из: электронагревателя, расположенного в нижней части наружной стенки гидролизера, и датчика температуры.
Для интенсификации процесса предварительной обработки в гидролизере осуществляется перемешивание при помощи механической мешалки, управляемой реле времени.
Выгрузка предварительно обработанного субстрата происходит автоматически (по истечении заданного времени предварительной обработки) через устройство выгрузки субстрата в устройство загрузки сепаратора для разделения субстрата на твердую и жидкую фракции.
Отстойник эффлюента представляет собой стальную емкость прямоугольной формы, оснащенную патрубками подвода эффлюента и вывода надо-садочной жидкости и осадка.
Мокрый газгольдер представляет собой цилиндрическую металлоконструкцию, состоящую из корпуса, представляющего собой двустенную цилиндрическую емкость, в межстенное пространство которой залита запирающая жидкость, и подвижного колокола, оснащенного центральной направляющей трубой. Корпус мокрого газгольдера оснащен патрубками подвода газа, слива конденсата и слива за-
пирающей жидкости. Давление биогаза в газгольдере поддерживается за счет веса колокола и составляет 100 мм водяного столба.
Установка работает следующим образом. Исходный субстрат подается в гидролизер, где предварительно обрабатывается в течение заданного времени при заданной температуре процесса. Далее предварительно обработанный субстрат проходит через сепаратор, который представляет собой систему, состоящую из шнекового фильтр-пресса и приводного мотор - редуктора. Шнек имеет переменный диаметр и перфорированные стенки корпуса. Обрабатываемая жидкость, проходя по длине фильтр -пресса, сжимается, разделяясь на две фракции: жидкую и сгущенную. Жидкая фракция через отверстия стекает в приемную емкость, а сгущенный осадок через переднюю часть и регулировочный болт выходит в сборник сгущенного осадка.
Полученная жидкая фракция подается в лабораторный анаэробный биореактор, где обрабатывается в термофильном режиме, после чего автоматически выгружается (перелив) через устройство выгрузки субстрата в отстойник при добавлении следующей порции сырья. Образующийся биогаз собирается в мокром газгольдере и ежедневно сжигается в горелке, подсоединенной посредством трубопроводов к мокрому газгольдеру через гидрозатвор.
Результаты экспериментальных исследований
Для проведения предварительных экспериментальных исследований процесса гидролиза в лабораторных условиях использовался синтетический субстрат, состоящий из осадка сточных вод очистных сооружений (Люберецкие очистные сооружения), лигниносодержащего компонента (бумага), ко-субстрата с высоким содержанием органического вещества (комбикорм СК-8) и воды. Свойства применяемого синтетического субстрата представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Свойства применяемого синтетического субстрата
Таблица 2 - Содержание ОВ в жидкой фракции инфлюента
№ опыта Влажность, % Зольность, % Концентрация ОВ г/л
1 88,03 10,56 104,956
2 88,71 10,9 98,583
3 88,51 10,99 100,224
Среднее значение 88,417 10,817 101,254
Основными результатами эксперимента являются значения содержания органического вещества в жидкой фракции инфлюента после разделения, зависящие от времени проведения процесса гидролиза (табл. 2).
Погрешность экспериментальных значений содержания органического вещества в жидкой фракции инфлюента после разделения, зависящих от времени проведения процесса гидролиза, не превышает 3%.
Зависимость максимального выхода биогаза от продолжительности гидролиза представлена на рис. 4.
Время гидролиза т,ч Содержание ОВ в жидкой фракции инфлюента после разделения, г/л
Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3 Опыт 4 Среднее значение
0 49 47,08 48,51 47,56 48,04
6 51,51 50 51 49,49 50,5
12 52,36 52,89 51,33 50,81 51,85
18 52,83 50,75 52,3 51,27 51,79
24 51,67 50,15 52,19 50,66 51,17
120
2 100 о
ю
О
X
т
х .0
с; и
2
О 1С (I
80
60
40
20
^ 0 . ,
0 ч 6 ч 12 ч 18 ч 24 ч
Продолжительность гидролиза
Рис. 4 - Зависимость теоретического максимального выхода биогаза от продолжительности гидролиза
Как видно из представленных данных, количество вырабатываемого биогаза возрастает с увеличением времени гидролиза. Однако при продолжительном гидролизе имеют место потери органического вещества, что приводит к снижению выхода биогаза. Поэтому рекомендуемое время предварительного термофильного гидролиза составляет 18 часов для синтетического субстрата.
В ходе исследования процесса предварительного гидролиза синтетического лигноцеллюлозного субстрата определена рекомендуемая продолжительность процесса гидролиза, которая составила 18 часов.
Потенциальный выход биогаза при использовании процесса предварительного гидролиза синтетического лигноцеллюлозного субстрата выше на 21% по сравнению с традиционной схемой. Полученные данные позволяют утверждать, что проведение гидролиза синтетического лигноцеллюлозного субстрата продолжительностью 18 часов позволяет перевести значительную часть органического вещества субстрата в растворенное состояние при незначительных потерях органического вещества с разложением.
Выводы
Предложена и испытана экспериментальная биогазовая установка, позволяющая исследовать процесса гидролиза различных субстратов с целью по-
вышения выхода биогаза за счет максимального перевода органического вещества в растворенную форму. Экспериментально показано, что параметры процесса гидролиза, а именно температура и его продолжительность, значение pH, степень разложения органического вещества определяют количество и качество получаемого биогаза, а также содержанием органического вещества в эффлюенте.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки России, идентификационный номер RFMEFI60714X0024.
Литература
1. Colussi, A. Cortesi, C. Del Piccolo, V. Gallo, A. S. Rubesa Fernandez, R. Vitanza, CHEMICAL ENGINEERING TRANSACTIONS, 32, 151-156 (2013).
2. Introduction to innovative technology of biogas production. // Интернет-
pecypc:http://blogs.qub.ac.uk/atbest/2015/03/23/introduction -to-innovative-technology-of-biogas-production/
3. Холин К.В., Миндубаев А.З., Галеева Э.И., Минзанова С.Т., Волошина А. Д., Белостоцкий Д.Е., Зобов В.В., Миронов В.Ф., Коновалов А.И., Алимова Ф.К., Нефедьев Е.С. Физико-химический и биохимический анализ биогазовых субстратов и их практическая значимость // Вестник Казан. технол. ун-та. 2010. №2. С. 457-464.
4. Миндубаев А.З., Минзанова С.Т., Скворцов Е.В., Миронов В.Ф., Зобов В.В., Ахмадуллина Ф.Ю., Миронова Л.Г., Белостоцкий Д.Е., Коновалов А.И. Оптимизация параметров выработки биогаза в лабораторном масштабе. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2009. № 4. С. 233 -240.
5. Пат. РФ 2542107 (2013).
6. Ковалев Д.А., Ковалев А.А., Караева Ю.В., Трахунова И.А. Анализ энергетической эффективности биогазовой установки с рекуперацией отбросной теплоты эффлюен-та // Альтернативная энергетика и экология. 2015. №5 (169). С. 45 -54.
© Д. А. Ковалев, к.т.н., заведующий Отделом биоэнергетики, охраны окружающей среды и нанотехнологий, Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, kovalev_da80@mail.ru; А. А. Ковалев, к.т.н., с.н.с. лаборатории биоэнергетических установок, Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства; Ю. В. Караева, к.т.н., с.н.с. лаборатории Энергосберегающих технологий и перспективных источников энергии, Казанский научный центр РАН, julieenergy@list.ru; И. А. Варламова, к.т.н., м.н.с. той же лаборатории, irseen2@yahoo.com.
© D. A. Kovalev, PhD, Head of the Department of bioenergy, environment and nanotechnologies Federal State Budgetary Institution of Science Russian Research Institute for Electrification of Agriculture, kovalev_da80@mail.ru, A. A Kovalev, PhD, Senior Researcher Federal State Budgetary Institution of Science Russian Research Institute for Electrification of Agriculture; Ju. V. Karaeva, PhD, Senior Researcher Federal State Budgetary Institution of Science Kazan Scientific Centre of Russian Academy of Sciences, julieenergy@list.ru; I. A. Varlamova, PhD, Junior Researcher Federal State Budgetary Institution of Science Kazan Scientific Centre of Russian Academy of Sciences, irseen2@yahoo.com.
