29УДК 658.567.1
Мурзакулов Нуркул Абдилазизович Murzakulov Nurkul Abdilazizovich
кандидат технических наук, профессор cand. tech. sciences, professor Ысламов Мухаммадсадык Махаматражапович Yslamov Muhammadsadyk Mahamatrazhapovich
старший преподаватель senior lecturer
Ошский технологический университет Osh Technological University Кыргызстан, г. Ош Kyrgyzstan, Osh
ОБРАЩЕНИЕ С ОРГАНИЧЕСКИМИ ОТХОДАМИ И ПУТЬ УТИЛИЗАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОПРОЦЕССОВ
MANAGEMENT OF ORGANIC WASTE AND DISPOSAL ROUTE
USING BIOPROCESSES
Аннотация: В статье рассматриваются основные аспекты моделирования экологически безопасных процессов биологической утилизации органических отходов с получением энергетических ресурсов и полезных биопродуктов. Для достижения указанной цели была решена следующая задача: определить направления экологически безопасного обращения с отходами при их использовании в биопроцессах защиты окружающей среды.
Abstract: The article discusses the main aspects of modeling environmentally friendly processes of biological utilization of organic waste with the production of energy resources and useful bioproducts. To achieve this goal, the following task was solved: to determine the directions of environmentally safe waste management when using them in environmental protection bioprocesses.
Ключевые слова: биометан, органические отходы, анаэробное ферментирование.
Key words: biomethane, organic waste, anaerobic fermentation
1. Влияние фермерских хозяйств и животноводческих комплексов на окружающую среду
Содержание и разведение сельскохозяйственных животных или птицы в больших масштабах, когда их поголовье на отдельных фермах достигает тысяч, сотен тысяч или даже миллион голов считается промышленным животноводством.
Развитие животноводства, с одной стороны, обеспечивает население необходимыми продуктами питания, растениеводческую отрасль - органическими удобрениями, что способствует повышению плодородия почвы, увеличению содержания питательных элементов в нем, активизирует развитие микроорганизмов, активно участвующих в процессах гумусообразования, влияют на состав почвенного воздуха, циклы превращения азотсодержащих соединений, одним из важных звеньев которых является фиксация азота почвенными микроорганизмами. С другой стороны, развитие животноводства на промышленной основе, обеспечение сильной кормовой базы, расширение территорий выгонных пастбищ, значительное количество поголовья скота на ограниченной площади, замена привычных форм его сущности является причиной использования большого количества воды из рек, озер и других водных объектов. оставляющий существенный отпечаток на состоянии самих водоемов и прилегающих территорий в целом.
В мировом масштабе почти четвертая часть пресной воды, используемой человеком, идет на нужды животноводства или смежных отраслей. В зависимости от мощности одна промышленная ферма использует 300-500 м3 воды в сутки, что приравнивается к водопотреблению небольшого поселка.
Животноводство производит около 18% от общих выбросов парниковых газов - по сравнению с выбросами от транспорта - это
больший процент. От навоза и помета образуются выбросы 17% от общего объема выбросов оксида азота, который является одним из опасных парниковых газов. Также отрасль разведения животных считается одним из основных источников выбросов аммиака из-за накопления больших объемов навоза и помета. Аммиак попадает в атмосферу главным образом во время образования гноя и помета на пастбищах при свободновыгульном содержании животных, хранении гноя и помета в лагунах и внесении их на с/х угодья (рис. 1) [1-2].
Кроме значительного водозабора, промышленное животноводство губительно влияет на окружающую среду из-за выбросов аммиака, метана и других газов в атмосферу. Согласно оценкам Всемирной организации по продовольствию и сельскому хозяйству.
Рисунок 1 - Влияние животноводства на выбросы парниковых
газов [2]
Одной из самых больших экологических проблем промышленных ферм является образование большого количества навоза или помета. В настоящее время в Украине отсутствуют жесткие требования к утилизации отходов фермами. Следовательно, они могут накапливаться и храниться в приспособленных хранилищах (с возможным последующим компостированием или вермикультивированием части фракции), отправляться на биологическое превращение в анаэробных условиях для получения биогаза, физико-химической или механико-биологической обработке
[3].
На практике большинство животных используют именно вариант накопления и хранения отходов - навоз и помет накапливаются и хранятся некоторое время в лагунах (преимущественно открытом типе). После чего вносятся на поля в качестве органического удобрения. Данный тип обращения с отходами не является экологической проблемой, если ферма небольшая и не образует значительного количества отходов, полностью соблюдая правила безопасности обращения с отходами и режим внесения отходов в почву. При данных условиях отходы животных являются ценным органическим удобрением. Негативное влияние проявляется при нарушении правил обращения с органическими отходами и в случаях применения такого метода на крупных промышленных фермах. Данные хозяйства содержат поголовье в сотни тысяч голов животных или миллионы голов птиц в год, и поэтому тысячи м3 отходов помещают в лагуны и сохраняют некоторое время перед вынесением на поля.
Загрязнение компонентов окружающей среды во многом определяется составом навозных стоков, которые зависят от следующих основных факторов: вида сельскохозяйственных
животных, их численности, качества и количества кормов, роста, пола и масс животных, направления животноводства, способа содержания и способов удаления навоза. Жидкий навоз содержит большое количество патогенных организмов, в процессе анаэробного ферментирования образуются вредные газы (сероводород, аммиак и др.), а также жирные кислоты, амины и другие соединения, отличающиеся неприятным запахом. Поэтому, если надлежащего контроля над его сохранением и использованием нет, возникает реальная угроза распространения инфекционных болезней в зоне животноводческих комплексов [4].
При хранении тысяч метров кубических отходов в лагунах возможно непредсказуемое течение навоза в компоненты окружающей среды из-за разгерметизации лагун, смыв, превышение лимитов наполнения лагун. Более того, органика может вноситься в почву с частотой и объемами, превышающими нормы. При сверхурочном внесении, последующем попадании в подземные и поверхностные воды, навоз и помет становятся загрязнителями [2].
Из-за нарушения технологии содержания животных и хранения отходов, N Р и другие питательные вещества попадают в поверхностные воды, загрязняя их и нанося ущерб водно-болотным угодьям и прибрежным экосистемам. При этом начинается процесс эвтрофирования водоема, то есть его обогащение биогенными элементами. Это, в свою очередь, приводит к бурному развитию водорослей и увеличению количества зоопланктона, из-за чего прозрачность воды резко снижается, проникновение солнечных лучей уменьшается, что приводит к гибели водорослей и бактерий, которые слишком размножились в верхних горизонтах водоема. В процессе их разложения в анаэробных условиях запасы кислорода иссякают, а
вместо этого образуются сильные яды - фенолы и сероводород, вызывающие отравление всех живых организмов в водоеме [1].
Из-за пропитки N Р и других веществ из навоза или помета в подземные воды происходит загрязнение горизонтов питьевого водоснабжения [3].
При внесении больших объемов навоза в грунт происходит их зафосфачивание и загрязнение тяжелыми металлами. Такая подкормка для с/х культур в результате может привести к снижению плодородия почв.
Промышленное животноводство также является одним из потенциальных загрязнителей почв и воды патогенными микроорганизмами. С целью предотвращения болезней около половины всех антибиотиков в мире, применяемых человеком, приходится именно на отрасль животноводства [1].
Чрезмерное использование антибиотиков на животноводческих комплексах приводит к образованию и распространению вирусов и бактерий, устойчивых к антибиотикам. Попадая в окружающую среду, они вызывают заболевание животных и людей. Например, в составе отходов ферм может присутствовать смертельно опасная бактерия, устойчивая к антибиотикам - метицелин-резистентный стафилококк. Промышленные фермы могут быть также основными очагами возникновения или распространения свиного или птичьего гриппа
[1,3].
Учитывая проблемы с отходами животноводства, обращение с ними требует жесткого регулирования, особенно для промышленных ферм.
2. Привлечение возобновляемых источников энергии в сферу рециклинга органических отходов разного генезиса
В условиях обострения проблемы энергообеспечения Республики Кыргызстан (РК) возникает необходимость проанализировать структуру существующих источников энергии в пользу технологий, использующих возобновляемые ресурсы. Одним из перспективных направлений решения проблемы является производство биотоплива. РК имеет достаточно необходимые условия для развития этого направления возобновляемой энергетики. В первую очередь, в стране активно развивается сектор сельского хозяйства, являющийся источником большого объема различных отходов и остатков. Именно отходы сельского хозяйства составляют наибольшую часть потенциала биомассы, но при этом часто утилизируются без пользы. В дополнение, использование возобновляемых источников энергии будет решать ряд важных задач, таких как: снижение зависимости от импорта энергоносителей, развитие агропромышленного комплекса, создание новых рабочих мест и, наконец, улучшение экологической ситуации в стране. К сожалению, темпы развития биоэнергетики в РК не столь быстры, по сравнению с мировыми показателями.
Органические отходы можно классифицировать по основным отраслям производства и потребления:
- сельское хозяйство (растениеводство, животноводство);
- пищевая, перерабатывающая промышленность;
- деревообрабатывающая промышленность;
- муниципальный сектор.
В сельском хозяйстве органические отходы можно разделить на отходы растениеводства и животноводства.
Отходы отрасли разведения животных считаются одними из перспективных источников для получения энергии путем анаэробной ферментации в биореакторах. Они есть в любом хозяйстве, не требуют предварительной обработки и сортировки, их легко транспортировать [6].
В колебании поголовья домашнего скота закрепилась склонность к уменьшению числа животных в крупных хозяйствах, но рост их числа в малых. Таким образом, общий объем отходов на выходе, которые можно использовать в системах биоконверсии, остается почти неизменным [6].
Для производства энергии могут использоваться любые растительные отходы с высоким содержанием целлюлозы - солома, стебель кукурузы, подсолнечник и другие культуры. Полисахарид построен из элементарных цепей ангидро-глюкозы, то есть поли-1,4-Р-0 глюкопиранозил^-глюкопиранозы [7].
Многочисленные исследования показали, что солома зерновых культур, рапса, а также отходы кукурузы и подсолнечника по своим энергетическим характеристикам фактически не уступают энергетическим характеристикам древесины. Но сжигание тюков соломы считается непрактичным из-за невысокого коэффициента полезного действия установок (солома имеет низкую плотность и сравнительно высокую влажность) и неудобства из-за больших габаритов. Поэтому изготовление твердого топлива (пеллет или брикетов) из растительных остатков считается наиболее рациональным и позволяет сократить расход исчерпывающих природных ресурсов [8].
Таблица 1 - Доля отходов на 1 т производства сельскохозяйственной продукции [8]
Вид с/х культур Вид отходов Остатки производства на 1 т готовой продукции
Рис Солома, шелуха 1,5 отходов
Пшеница Солома, шелуха 1,7 отходов
Кукуруза Солома, листья 2,0 отходов
Ячмень Солома, отруби 1,2 отходов
Брикетирование соломы позволяет решить и проблему хранения сырья независимо от времени года (брикет может храниться в оптимальных условиях неограниченное количество времени), и вопросы складирования, перевозки, автоматизации загрузки в печи. При изготовлении такого вида топлива основными этапами технологического процесса являются: измельчение биомассы, сушка, гранулирование или прессование, охлаждение и упаковка.
Во время сжигания пшеничная солома продуцирует 17-18 МДж/кг (4060,38-4299,23 ккал) теплая, рапсовая солома - 16-17 МДж/кг (3821,53-4060,38 ккал), кукурузная кг (4299,23 ккал). Следует отметить, что теплоемкость древесины колеблется в пределах от 17,5 до 19 МДж/кг (4179,80-4538,07 ккал). Следует добавить, что, приняв теплотворную способность за основную топливно-технологическую характеристику можно сказать, что она зависит от нескольких факторов: генетических особенностей растений с энергетическим потенциалом, воздействия окружающей среды, условий хранения, влажности и т.д.
В пищевой и перерабатывающей промышленности появляется большой объем твердых и жидких отходов. К отходам этих отраслей относятся отходы мясной и молочной промышленности, фруктовой, овощной, алкогольной, производства растительных масел на молочных предприятиях и т.д. К отходам относятся отходы из кекса и масла, образующиеся в процессе переработки нефти (фильтрующие
порошки, а также дистиллят, образующийся при дезодорировании масел). Наиболее эффективными методами переработки таких отходов являются пиролиз и газификация с возможностью получения водорода, легковоспламеняющихся газовых смесей, активированного угля и т.д.
В процессе переработки отходов, используемых для энергетических целей, могут быть образованы разные источники энергии:
- газообразные - пиролизный газ, биогаз синтез-газ, метан;
- жидкие - горючие смолы, биодизель, биоэтанол и др.
- твердые вещества - древесный уголь, остатки угля, кокс и т.п.;
- тепловая энергия в термогенераторах, газогенераторах, пиролизных и когенерационных установках;
- электрическая энергия в паровых турбинах, газотурбинных и газопоршневых двигателях.
Технологии использования органических отходов постоянно совершенствуются, обеспечивая получение энергии в подходящей для потребителя форме и с максимально возможной эффективностью.
Наиболее эффективными технологиями использования биомассы для получения энергии являются: прямое сжигание; пиролиз; газификация; анаэробное сбраживание с образованием биогаза; производство спиртов и масел для получения моторного топлива
В общем, энергия из органических отходов извлекается физическими, химическими или микробиологическими методами.
Физическим методом энергию получают посредством сжигания биомассы. В основу химического метода заложено использование процессов пиролиза и газификации. Распространен микробиологический метод безотходного производства - получение
биогаза от анаэробной ферментации. Очень ценным продуктом этого производства является дигестат, считающийся органическим высококачественным удобрением.
Прямое сжигание биомассы в атмосфере воздуха или кислорода - один из самых старых способов производства тепловой энергии. Однако существует несколько проблем его практического использования, основной из которых является достижение наиболее полного сгорания топлива, в результате которого образуются СО2 и Н2О, что не наносит вреда окружающей среде. К техническим устройствам, применяемым при прямом сжигании органики, относящиеся печи, топки, камеры сгорания. Органика может применяться при прямом сжигании в энергетических установках в факеле, кипящем или уплотненном слое с получением тепловой или электрической энергии. Основная промышленная технология этого направления - прямое сжигание в котле и генерация электроэнергии в паротурбинной установке.
Пиролиз биомассы - это термический распад сырья, происходящий при отсутствии кислорода. Продукты пиролиза биомассы включают биоуголь, биомасло и газы, включая метан, водород, окись углерода и диоксид углерода. В зависимости от используемых условий (температуры, давления и времени горения) производятся разные пропорции пиролизного масла, газа и угля. Разработан ряд технологических действий пиролиза органики, эксплуатационные условия которых определяются природой сырья, способами переработки и заданными продуктами производства.
3. Использование процесса метанового брожения и ферментации в технологиях переработки отходов
Одним из перспективных направлений для Республики Кыргызстан является превращение биомассы за использование
анаэробного сбраживания с образованием биогаза, который в дальнейшем и используется для производства энергии или топлива.
Ферментация отходов на сегодняшний день очень активно развивается в странах Западной Европы, в частности в Германии [6].
В процессе метанового брожения сложные органические вещества разлагаются на СО2 и СН4 с образованием биогаза посредством смеси СО2 и СН4. При этом доля метана в смеси может достигать 70%.
Анаэробное превращение сложного органического вещества любого состава в биогаз происходит путем течения 4 основных этапов:
- стадия гидролиза сложных биополимерных молекул (белков, липидов, полисахаридов и др.) на более простые мономеры: аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.;
- стадия ферментации (брожения) образовавшихся мономеров к еще более простым веществам - низшим кислотам и спиртам, при этом образуются также углекислота и водород;
- ацетогенная стадия, на которой образуются непосредственные предшественники метана: ацетат, водород, углекислота;
- метаногенная стадия, ведущая к конечному продукту расщепления сложных органических веществ - метана.
Следует добавить, что между стадиями гидролиза и брожения отсутствует четкая граница, так как обычно микроорганизмы, обладающие гидролитической активностью, используют продукты гидролиза расщепленных ими соединений для роста.
Наилучшим образом ферментация проходит при 30 - 40°С (развитие мезофильной бактериальной флоры) и при 50 - 60°С (развитие термофильной бактериальной флоры). Выбор мезофильного или термофильного режима работы основывается на анализе
климатических условий, т.е. если для обеспечения термофильных температур требуются значительные затраты энергии, то более эффективна эксплуатация биореакторов в мезофильном режиме. Наиболее эффективными считаются реакторы, функционирующие в термофильных условиях при 43 - 52° С. На таких установках, с периодом ферментации отходов 3 дня, можно получить 4,5 л биогаза на каждый л полезного объема реактора.
Жесткость среды для нормального процесса брожения должна колебаться от 1500 до 5000 мг СаСО3 на 1 л субстрата, а значение уровня кислотности (рН) быть в пределах 6,5-7,5. Чем ниже рН, тем выше процент сероводорода (Н^) в субстрате и биогазе, и тем выше токсический потенциал. Несмотря на это, S является важным питательным элементом субстрата, поскольку она необходима для образования биомассы бактерий. Регулировка показателя рН, как правило, производится добавлением раствора извести.
К веществам, замедляющим процесс брожения и нахождению которых в субстрате необходимо не допускать, относятся соли тяжелых металлов, антибиотики, аммиак, растворители, щелочные металлы, поверхностно активные вещества, составляющие стиральные средства. Например, предельно допустимая концентрация меди составляет 10 мг на 1 литр субстрата, нитратов - 50 мг/л, аммиака - 1500 мг/л.
Чтобы избежать перекорма бактерий, субстрат в реактор лучше всего подавать в равном количестве через одинаково короткие интервалы времени. Заполнение реактора 1-2 раза в день возможно только для субстратов, имеющих высокий буферный эффект (например, экскременты животных) или при очень малой загруженности реактора, если объем самого цилиндра очень велик.
Каждый из видов органических отходов позволяет получить при анаэробном переваривании определенное количество биогаза с разным содержанием в нем метана (таблица 2).
Таблица 2 - Процент выхода биогаза и содержание метана при
сброжении отходов разного происхождения
Исходное сырье Выход биогаза на 1 кг сухого вещества, л/кг Содержание метана (СН4), %
Послед КРС 200 - 300 50
Конский навоз с соломой 250 56 - 60
Картофельная ботва 420 60
Пшеничная солома 342 58
Силос 250 84
Свежая трава 360 52
Древесные опилки 220 51
Жесткая фракция осадка СВ 570 70
Фекальный осадок 250 - 310 60
Домашние отходы и мусор 600 50
Неорганические удобрения сразу становятся доступными для растений, но они склонны к выщелачиванию - процессу, который происходит, когда удобрения смываются дождем или поливной водой ниже уровня корней растений. Тяжелые внесения могут сжигать растения и увеличивать концентрацию токсичных солей в почве, что может создать химический дисбаланс. Поэтому развитие направления биологической утилизации органически содержащих отходов с получением, кроме биотоплива, также органического удобрения является экологически целесообразным. Органическое удобрение может также увеличить концентрацию некоторых питательных веществ, но накопление токсичности маловероятно, пока органический материал может полностью разложиться. Кроме того, поскольку органические удобрения производятся из природных источников, в производстве используется лишь ограниченное
количество ископаемого топлива. Это означает, что выбрасываемый в атмосферу парниковый газ ниже в производстве органических удобрений, чем в производстве неорганических удобрений.
3.1 Процессы ферментации как способ получения биоводорода
Ферментативное производство водорода - это ферментативное превращение органического субстрата в биоводород, осуществляемое группой бактерий с помощью мультиферментативных систем в 3 этапа, напоминающих анаэробное сбраживание. Ферментация не требует световой энергии, поэтому возможно непрерывное производство водорода из органических соединений днем и ночью.
Темновое брожение - это тип (первая часть) анаэробного процесса пищеварения, где сахара или глицерин превращаются в водород, углекислый газ и летучие жирные кислоты (масляную или уксусную) и остаются, то есть не начинают процесс метаногенеза (рис. 2). Ингибирование метаногенеза часто протекает путем воздействия стрессового фактора на бактерии, например: теплового удара (кипения или замораживания), резкого изменения рН, микроволн, обработки ультразвуком, скручивания или химических агентов.
Анаеробна ферментацт
Рисунок 2 - Схема анаэробного брожения и процесса темновой
ферментации
Процесс темного брожения с гексозом протекает по одному из термодинамически возможных путей: ацетатного эквивалента (1), бутиратного эквивалента (2) или ацетат-этанолового эквивалента (3).
СбИ12Об + 2Н20 — 2СН3СООН + 2С02 + 4Н2, АО0= - 48 кДж моль-1, (1)
С6И1206 — СН3СИ2СИ2С00И- + 2С02 + 2И2, АО0= - 137 кДж моль-1, (2)
СбИ120б + И2О — СНзС00И + СИ3СИ20И + 2С02 + 2И2, АО0 =
= - 97 кДж моль-1. (3)
Ацетатный путь имеет самый высокий теоретический выход водорода: 4 моль Н2 с 1 моль гексозы. Самый эффективный способ -это ацетатный путь (1), но наиболее распространенным является бутиратное брожение (2).
В случае пентоза реакция протекает в соответствии с уравнением:
С5И1005 + 2.67 И2О —^1.67 СНзС00И + 1.67 С02 + 3.2 И2, АО0 =
= - 197,66 кДж моль-1 (4)
Хотя уравнения (1-4) отражают пути брожения, начиная с простых сахаров, в природе они встречаются довольно редко. Следовательно, простые органические соединения следует получать из сложных путем гидролиза (при различных процессах предварительной обработки).
Одним из подходящих (сложных) источников простых сахаров является лигноцеллюлоза, основная составляющая растений. Другой, первоначально предварительно обработанный, лигноцеллюлозный материал можно извлечь из помета растительноядных животных [5].
В качестве основных субстратов могут использоваться различные органические соединения - такие как углеводы, сахара, белки и жиры, комплексные органические субстраты, например сточные воды (СВ), богатые органическими веществами: СВ пищевой промышленности, СВ коммунальных предприятий, отходы, содержащие целлюлозу и лигнинцеллюлозу, СО животных ферм, сахаросодержащие СО, а также СО, содержащие остатки масел и глицерола [6].
Выход водорода во время темнового брожения в значимой степени зависит от парциального давления продукта. При высоких значениях парциального давления водорода метаболизм смещается в сторону производства более восстановленных продуктов, таких как лактат или аланин, тем самым снижая выход Н2 [11].
В ферментативном образовании водорода участвуют многие микроорганизмы. Ключевую роль в регуляции метаболических путей микроорганизмов играют параметры внешней среды. Продуцирование водорода может осуществляться смешанными культурами, полученными из природных сред, таких как почва, активный ил, компост или чистые специально селекционированные культуры.
Среди водородпродуцирующих микроорганизмов выделяют облигатные анаэробы: C. Butyricum, C. acetobutyricum и C. beijerinckii, C. Thermolacticum, C. tyrobutyricm, C. thermocellum и C. Paraputrificum, Clostridium tyrobutyricum, и. археи, факультативные анаэробы: E. coli, Ent-erobacter (E. aerogenes и E. cloacae), Citrobacter, Klebsiella и даже аэробы (Alcaligenes, Bacillus) [11].
Процесс обычно протекает в мезофильном диапазоне (33°C -40°C), однако последние сообщения о более высоком производстве метана и возможных более ценных побочных продуктах (например, молочная кислота) вызвали интерес к увеличению теплового диапазона температур (55°C - 60° C). Оптимальный рН для производства водорода при темновой ферментации колеблется в зависимости от субстрата в пределах 5,0-6,0, тогда как для производства метана он находится в пределах 7,0-9,0. Также было установлено, что во время брожения субстратов с высшим содержанием лигнина (более 10%), благодаря увеличению рН, метаногены стимулируются к высшему производству метана (а производство азота уменьшается).
Аэрация (или микроаэрация) - это техника добавления воздуха, применяемая во многих биологических процессах, таких как компостирование, фотоферментация, микробный электролиз и даже анаэробное ферментирование. Добавление 2-8% кислорода облегчает производство водорода в процессе ферментации. Установлено, что добавление кислорода в небольших количествах используется в анаэробном пищеварении для ингибирования сероводорода в реакторах. Оптимальная скорость микроаэрации зависит от субстрата и типа реактора. Микроаэрация также улучшает скорость гидролиза и увеличивает степень превращения гидролизата. Таким образом, следует исследовать, какой процесс, метаногенез или гидрогенез (оба
анаэробные), более чувствителен к присутствию кислорода, что может облегчить контроль этих процессов во время темной ферментации [12].
Процесс темнового брожения отличается своими преимуществами. Бактерии - сбраживатели обладают высоким потенциалом к образованию водорода. Кроме того, процесс не требует света и может проходить непрерывно в течение длительного времени. В результате, кроме водорода, образуются и промежуточные метаболиты - уксусная кислота, также находящие широкое применение. Для процесса могут быть использованы разные субстраты. Ферментативное выделение водорода выгодно, по сравнению с фотохимическим выделением водорода микроорганизмами. Но по мере увеличения парциального давления водорода его количество уменьшается и происходит сдвиг в сторону получения промежуточных продуктов, таких как молочная кислота, этиловый спирт, ацетон, бутанол и др. Другим недостатком является выделение СО2, которое должно быть удалено из полученной газовой смеси [11].
4. Сравнительная характеристика аппаратной оснастки для анаэробной биологической переработки органических отходов
Выбор биореактора имеет решающее значение в процессе производства биогаза. В зависимости от технологии подготовки и брожения сырья существуют 2 вида современных биогазовых установок: редкофазная (влажность сбраживаемой органической массы более 85%) и твердофазная (влажность органической массы менее 85%) [10].
Для брожения необходимо предусмотреть следующие устройства: бродильный резервуар (метантенк), газгольдер (для давления газа), устройство управления и безопасности.
Бродильный резервуар должен быть газо- и водонепроницаемым, противостоять агрессивному воздействию ила, быть изготовлен из бетона, стали, пластмасс. Для ускорения выделения газа сбраживаемую массу нужно перемешивать. Это можно производить механическим, гидравлическим способом или подачей образовавшегося газа. Для дополнительного подогрева субстрата широко используются энергия полученного биогаза или подогрев происходит за счет загрузки свежего навоза. Газгольдер нужен для сбора газа, он задает определенное давление (0,05-200 бар) [8].
Как правило, реальные установки имеют два метантенка. Метановое превращение проходит в первичном метантенке (ферментере), температура в котором должна колебаться в пределах 35-40о С. Поступающая сюда смесь перемешивается до однородного состояния. Окончательное благотворение и последующее хранение происходит во вторичном реакторе, также подключенном к газовой сети установки. Очистка биогаза от сернистых соединений происходит путем надувания небольшого количества воздуха в метантенке. Это приводит к тому, что микроорганизмы окисляют газообразный сероводород (H2S) в элементарную серу, которая, в свою очередь, является ценным минеральным удобрением. После прекращения брожения воду сливают, высушивают осадок и гранулируют [8].
10
Рисунок 4 - Схема жидкофазной биогазовой установки: 1 - бункер для сыпучего субстрата; 2 - подающий винтовой транспортер; 3 - весовая платформа; 4 - нижний винтовой транспортер; 5 - винтовой транспортер; 6 - воздушный купол; 7 -биогазовый купол; 8 - уровень наполнения; 9 - вертикальная подвижная мешалка; 10 - центральная опора; 11 - труба для подачи воздуха; 12 - патрубок для биогаза; 13 - труба для подачи жидкого навоза; 14 - опора для мешалки; 15 - наклонная мешалка; 16 - патрубок для отведения биомассы; 17 - система регулировки температуры; 18 - система подогрева биомассы [12]
Установки для производства биогаза, оснащенные анаэробными реакторами такой конструкции сейчас являются основным элементом современного, безотходного производства во многих отраслях сельского хозяйства и пищевой промышленности.
Твердофазное брожение — комбинация последовательных операций (рис. 5), заключающаяся в том, что субстрат, например биологические отходы, навоз, шлам, жиры или биомасса, поступают в герметично закрытый биореактор и, как правило, нагреваются и перемешиваются. При этом в результате анаэробных химических превращений образуется биогаз. В настоящее время такой биореактор
применяется в основном для комбинированного производства электроэнергии и тепла в блочных мини-ТЭЦ [12].
I-__
1
1 1__ N Л- г-й ь 1
0 " — —
—____
1
Рисунок 5 - Схема твердофазной биогазовой установки: 1 - ферментер; 2 - биомасса; 3 - загрузочно - разгрузочное отверстие; 4 - выход биогаза; 5 - клапан; 6 - газопровод; 7 - блок ТЭЦ; 8 - линия отходящего газа ТЭЦ; 9 - вентилятор; 10 - линия свежего воздуха; 11 - пульт управления; 12 - датчик метана; 13 -датчик концентрации углекислого газа; 14 - датчик для определения объемного расхода биогаза [12]
Очищенная от сероводорода (Н2S) газовая смесь подается к газопоршневому двигателю, который заставляет генератор вращаться. При этом производится электрический ток, поступающий в сеть. Тепло из охлаждающей системы двигателя и тепло выходных газов отводится теплоносителем для последующей утилизации. Часть этого тепла (15-30%) необходима для подогрева биомассы и обеспечения оптимальной температуры ферментации, так как бактериальные штаммы, разлагающие сырье, наиболее продуктивны в диапазоне температур от 37°С (мезофильные) до 55°С (термофильные). Избыток тепла может быть использован для других целей.
Своей эффективностью отличаются установки с круглогодичным использованием тепла. Во многих проектах биогаз после обогащения направляется в газопровод. В результате повышаются шансы для создания биогазовых установок в зонах, где нет производителей тепла. Дополнительно обогащенный биогаз может использоваться в качестве топлива для автотранспорта. У субстрата, остающегося после метановой ферментации, практически отсутствует неприятный запах, поэтому он может применяться как органическое удобрение [12].
Чтобы организовать систему получения биогаза с поэтапным использованием камер резервуара можно использовать обычный резервуар цилиндрической формы, предварительно разделив его поперечной вертикальной перегородкой пополам (рис.6). Такая конструкция будет дешевле, чем строительство двух отдельных резервуаров. При данном соединении уменьшается значение тепловой изоляции наружных стен резервуара, а в перегородку, изготовленную из теплопроводного материала, легко сконструировать любое нагревательное устройство, которое даст установке конструктивным преимуществам [6].
Рисунок 6 - Двухкамерная биогазовая установка проточного типа: 1 - насос; 2 - приемная камера; 3 - бродильная камера; 4 -устройство для перемешивания; 5 - подогреватель биомассы; 6 -камера окончательного сбраживания; 7 - сборник сброженной
массы; 8 - шнек [6]
В резервуаре, расположенном горизонтально, биомасса перемешивается в продольном направлении. Для малых установок используются цилиндрические реакторы, изготовленные из стали или стеклопластика. Бетонные горизонтальные резервуары большого объема имеют форму параллелепипеда. Из-за наклона данных резервуаров облегчается отток сброженной массы в выгрузочное отверстие. Такая конструкция удобна для размещения простого перемешивающего механизма.
Сейчас, в странах Юго-Восточной Азии широкое распространение получили эластичные реакторы (рис. 7) [6].
Рисунок 7 - Эластичный биогазовый реактор [6]
Реакторы (емкости) такой конструкции изготовлены из прочной прорезиненной ткани или синтетической пленки. Для функционирования биогазовых реакторов такого типа, их необходимо углублять в грунт или размещать внутри достаточно прочного ограждения [6].
Заключение. Проанализировано экологическое влияние комплексов животноводства и растениеводства на компоненты окружающей среды, выделены существующие направления экологически безопасного обращения с органическими отходами, в том числе с использованием методов биотехнологии, а также обоснована эффективность использования органических отходов различного генезиса как восстановительного источника энергии и приведена классификация технологий. превращение энергии биомассы. Исследованы основы процесса темновой ферментации как способа получения биоводорода. Дополнительно охарактеризованы аппаратные оснастки, необходимые для анаэробной биологической переработки органических отходов.
Библиографический список:
1. Авизов А. Х., Синяк Ю. В. Экономическая эффективность технологии конверсии биомассы в топливо и удобрения. Биотехнология кормопроизводства и переработки отходов. Рига. 1987. С. 197- 202.
2. Бойлс Д. Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки. / пер. з англ.Москва : Агропромиздат, 1987. 152 с.
3. Врагова Е.В., Синьминь Ню. Расчетные методы оценки работы биогазовых установок // Новосибирск: Инновации в жизнь № 1 2013г. С.39-51
4. Диксон Д., Скура Л., Карпентер Р., Шерман П. Экономический анализ воздействий на окружающую среду / Москва : Витапресс, 2000. 270 с.
5. Abbasi T., Tauseef S. M., Abbasi, S. A. Biogas energy. Springer science and business media. 2011. № 2.
6. Eder Barbara. Biogas-Praxis: Grundlagen, Planung, Anlagenbau, Beispiele, Wirtschaftlichkeit / mit Beiträgen von Andreas Krieg. 3. vollständig überarbeitete underweiterte Aufl. - Staufen bei Freiburg: Ökobuch, 2006. - 238 str.
7. Kim M. Effects of supplement additives on anaerobic biogas production // Korean Journal of Chemical Engineering. - 2017. - Vol. 34 . -р. -1-8.
8. Lu X. Effects of an iron oxide-zeolite additive on process performance of anaerobic digestion of swine waste at mesophilic, ambient and psychrophilic temperatures // Environmental Science: Water Research & Technology. - 2018. Vol. 4 (7).
9. Shulipa, Ye. O. Ontological tools in anaerobic fermentation technologies: Bioinformation database applications // Journal of Engineering Sciences. - 2020. -Vol. 7(1). - p. H1-H8,
10. Van Eck NJ. VOSviewer Manual // Leiden, 2013. Р. 52
11. Vandevivere P., De Baere L., Verstraete W. Types of anaerobic digesters for solid wastes // Biomethanization of the Organic Fraction of Municipal Solid Wastes, J. Mata-Alvarez, Editor. - Barcelona: IWA Publ., 2002. - Р. 111-140.
12. Weiland P. Biogas production: Current state and perspectives. Applied microbiology and biotechnology. 2010. P. 849-860.
