Особенности сырьевой базы Белгородской области для производства биогаза Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ЭКОЛОГИЯ

Евстюничев М. А., аспирант, Ильина Т. Н., д-р техн. наук, проф. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

ОСОБЕННОСТИ СЫРЬЕВОЙ БАЗЫ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗА*

ilina50@rambler.ru

Рассмотрены процессы получения биогаза путем анаэробной переработки отходов агропромышленных предприятий. Представлены состав и ориентировочные величины выхода биогаза из различных видов сырья. Рассмотрен потенциал развития биоэнергетики Белгородской области за счет переработки отходов животноводческих и перерабатывающих сельскохозяйственных предприятий.

Ключевые слова: биогазовые технологии, ферментер, метаногенез, субстрат, свекловичный жом, химия биогаза, отходы сельхоз предприятий, БГС, биогазовые станции_

Производство биогаза берет свое начало еще с древних времен, приблизительно 15 в. д.н.э. Первой промышленной биогазовой установкой нашего времени можно считать станцию, построенную в 1911 г. в г. Бирмингеме (Англия), которая утилизировала отходы городских сточных вод.

В настоящее время в большинстве развитых стран биогазовые технологии стали приоритет-

ным способом переработки отходов коммунального и сельскохозяйственного сектора. Тем самым в значительной мере сокращаются выбросы газов, влияющих на парниковый эффект.

Биогаз представляет собой смесь газов, получаемый в процессе анаэробного сбраживания органической массы (рис. 1).

Компонешы Формула Содержание %

Метан сн4 50-70

Угнскислый газ со2 25—40

Водяной пар I [2о 2(20 С) — 7(4 О С>

Кислород о2 <2

Азот N2 <2

Аммиак < 1

Водород н2 с 1

Сероводород П2Я < 3 (после очистки)

Рис. 1. Состав биогаза Процесс образования биогаза является результатом связанных между собой четырех основных этапов, при которых исходный материал постоянно разбивается из более сложных соединений на простые составляющие.

В каждом из четырех этапов присутствуют различные виды бактерий, которые последовательно разлагают продукты, получившиеся на ранних стадиях. Все эти процессы протекают

параллельно во времени и пространстве внутри биореактора (рис. 2).

Далее образовавшиеся промежуточные продукты на этапе кислотообразования, под действием ферментативных бактерий, подвергаются дальнейшему разложению на карбоно-вые кислоты, спирты, аммиак, водород и углекислый газ. Качество разложения на этом этапе напрямую зависит от концентрации образующе-

гося промежуточного водорода.

*Исследования выполнены при поддержке Совета по грантам Президента РФ (Код проекта НШ-58.2012.8).

Гидролиз

Кислотообразующая фаза

Ацетагенная фаза

Метанообразующая фаза

Метан, углекислый газ

Рис. 2. Процессы образования биогаза

Гидролиз считается первым этапом, в процессе которого сложные органические вещества (углеводы, жиры, белки), распадаются на более простые составляющие (глюкоза, жирные кис-

лоты, аминокислоты). В процессе гидролиза микроорганизмы вырабатывают гидролитические ферменты, позволяющие обеспечить биохимическое разложение материала (рис. 3).

Липазы

Целлюлаз ы„ ксиланазы, амилазы

Липазы

Жирные кислоты. 1.1111Ю Р и и

Моносахарид Аминокислоты

Рис. 3. Фаза

Продукты, полученные в ходе фазы кисло-тообразования, под действием ацетагенных бактерий, преобразуются в субстанции (уксусную кислоту, водород, углекислый газ),из которых позднее образуется биогаз. На этом этапе большее значение имеет количество свободного водорода, который препятствует образованию промежуточных продуктов на стадии ацетоген-ной фазы. При большем количестве свободного водорода органические кислоты обогащаются и тем самым замедляют процесс образования метана. Поэтому бактерии, отвечающие за образования водорода, должны быть в тесной взаимо-

гидролиза

связи с метанобразующими бактериями, которые этот водород поглощают.

Завершающим этапом образования биогаза является стадия метаногенеза, при которой гид-рогенотрофныеи ацетатные метаногены преобразуют уксусную кислоту, водород и углекислый газ в метан.

Метаногенез является важным и более медленным звеном в процессе образования биогаза. Метаногенез зависит от различных условий: состава исходного сырья, температуры, скорости подачи субстрата, интенсивности перемешивания, РН и наличия кислорода (рис. 4) [1-3].

Рис. 4. Фаза метаногенеза

Известны исследования, а также патентно подтвержденные испытания барботажного способа перемешивания биомассы в ферментере, которые позволяют повысить производительность биогазовой установки [4-8].

Производительность биогазовой станции в первую очередь зависит от исходного сырья и

основным показателем пригодности являются его физико-химические свойства. В европейских страна, в частности Германии, на протяжении многих лет проводятся лабораторные исследования и промышленные испытания различных видов сырья. Исходя из этих исследований, бы-

ли получены усредненные показатели выхода биогаза (табл. 1).

Таблица 1

Ориентировочные величины выхода биогаза из различных видов сырья

Наименование Содержание су- Содержание орга- Усредненный выход Содержание СН4

сырья хого вещества, нического сухого биогаза (%)

СВ (%) вещества оСВ (%СВ) м3/т СМ м3/т оСВ

Свиной навоз 20-25 75-80 55-65 270-450 60

Свиная навозная 5-7 75-86 20-35 300-700 60

Навоз КРС 23-25 68-76 40-50 210-300 60

Куриный помет 30-32 63-80 70-90 250-450 60

Кукурузный силос 20-35 85-95 170-200 450-700 50-55

Рожь 30-35 92-98 170-220 560-680 52-55

Свекловичный жом 15 75-85 75-100 620-800 53-54

Меласса 80-90 85-90 290-340 360-490 70-75

Опираясь на эти данные и зная количество перспективного сырья, можно смело предположить ориентировочные объемы выхода биогаза с последующим определением количества электрической и тепловой энергии, а также приступать к разработке технологического процесса и подбору оборудования.

В Российских условиях эта задача усложняется тем, что состав и качество исходного сырья значительно отличается от европейских аналогов. Это связанно с отличительной особенностью посева, уборки, заготовления и хранения энергетических культур, а также технологических особенностей удаления отходов животноводческих предприятий.

К примеру, в большинстве крупных свиноводческих предприятий, применяется гидросмывная система удаления навоза, вследствие чего влажность сырья нестабильна и содержание сухого вещества не превышает 2-3%. Что касается возобновляемого сырья, такого как кукурузный силос и свекловичный жом,их энергетическая ценность и наличие различных примесей, появляющихся вследствие обработки почвы, а также степень измельчения при заготовке и качество хранения, не позволяет ставить их в один ряд с европейскими аналогами.

В странах, где биогазовые технологии уже давно имеют широкое применения, еще на стадии проектирования агропромышленных предприятий, обязательно учитывается особенности утилизации отходов и выращивания энергетических культур сцелью максимальной пригодности их использования в качестве сырья для производства биогаза.

В России уже есть опыт строительства и эксплуатации биогазовых установок. Они расположены в Белгородской области, это биогазовая станция «Байцуры»,находящаяся в Борисовском районе и «Лучки» в Прохоровском.

Белгородская область, как один из лидирующих агропромышленных регионов, имеет

огромный энергетический потенциал биогенерации (табл.2).

На этапе начала развития биогазовой отрасли в Белгородской области и России в целом, необходимым является глубокий мониторинг имеющихся отходов и энергетических культур. Он включает в себя лабораторные и экспериментальные исследование качества, а также определения степени их пригодности. Далее, основываясь на полученные данные, можно переходить к подбору оптимального процесса производства биогаза, исходя из технологических особенностей агропромышленного сектора.

Энергетические культуры, такие как кукурузный силос или сахарная свекла, без участия которых производство биогаза малоэффективно, являются слишком дорогим продуктом. В связи с этим возникает задача поиска альтернативного органического сырья, имеющего схожие энергетические свойства с более низкой стоимостью, или чтобы он являлся конечным отходом перерабатывающего предприятия и подлежал утилизации.

Одним из таких отходов является свекловичный жом, получаемый на сахарных заводах. Ранее свекловичный жом широко использовался для подкормки крупнорогатого скота. Но в настоящее время он не востребован в связи с технологическими особенностями программ кормления.

Свекловичный жом оптимально подходит в качестве органической массы для производства биогаза. Однако, его качественный состав не постоянен, что связано со степенью его отжа-тия, измельчения и.т.д. Так же важным фактором является условия его хранения. Поэтому целесообразно провести исследования энергетических свойств свекловичного жома и других побочных продуктов перерабатывающих предприятий АПК. Кроме этого необходимо исследовать различные методы подготовки сырья,

такие как отжим, компактирование

, измельчение, выпаривание, и другие процессы, с целью

получения максимально пригодного по качеству конечного продукта.

Таблица 2

Энергетический Всего Отходы Отходы Отходы Отходы са- ТБО и от- Отходы пе-

потенциал свино- КРС птице - харного про- ходы рерабатыва-

водства водства изводства очистных сооружений ющих предприятий

Мощность, МВт 223,2 76,5 45,8 38,6 26,8 26,2 9,2

Эл.энергия, млн. 1766 605 363 306 212 207 73

кВт*ч/год

Тепловая энер- 1693 580 348 294 203 198 70

гия,

тыс. Гкал/год

Производство 7362 2524 1511 1273 885 864 305

удобрений, тыс. тонн/год

Сокращение 1324 454 272 230 160 155 54

парниковых выбросов, мл.тонн/год

Возможность 1124 385 231 194 134 132 48

обеспечить э/э

бытовых потре-

бителей, тыс.

чел.

Одним из способов получения комплексного высокоэнергетического продукта является гранулирование свекловичного жома с различными добавками на имеющемся оборудовании. [10,11].Таким образом, исследования направлены на получения нового субстрата, в состав которого будет входить максимум полезных элементов при значительно меньшей стоимости.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Biogas Handbook.Published by University of Southern Denmark Esbjerg, NielsBohrsVej 9-10, DK-6700 Esbjerg, Denmark. ISBN 978-87-9929620-0. October 2008.

2. Экологические аспекты переработки послеспиртовой зерновой барды /А.Д.Бадикова, Ф.С. Кудашева, А.М. Мусина, Р.Н. Гимаев, Т.В. Шарипов, А.Г.Мустафин // Экология и промышленность России. 2012. №1. С. 23-25.

3. Suslov D.Y., Kuschev L.A. Biogastech-nology - acontemporarymethodforpro-cessingorganigwastes // ChemicalandPetroleumEn-gineering.2010.T. 46.№5. С.308-311.02.

4. Патент на изобретение РФ №2430153.МПК С12М 1/04. Суслов Д.Ю, Кущев Л.А. Биореактор. // Патент России № 2009139543/13,опубл.27.09.2011.Бюл. №27.

5. Кущев Л.А., Суслов Д.Ю. Интенсивная технология переработки органических отходов в биореакторахбарботажного типа // Химическое и нефтегазовое машиностроение.2011. №1. С.40-42.

6. Математическое моделирование процесса получения биогаза при переработке органических отходов /Л.А. Кущев, Д.Ю. Суслов, А.И. Алифанова, Н.И. Никулин// Экология и промышленность.2011. №3. С.59-61.

7. Патент на полезную модель № 96118 РФ. Суслов Д.Ю, Кущев Л.А., Никулин Н.Ю. // Патент России. 0публ.20.07.2010. Бюл.№ 20.

8. Моделирование процесса получения биогаза в биореакторахбарботажного ти-па/Л.А.Кущев, Д.Ю. Суслов,Г.Л.Окунева,

A.А.Гравин// Химическое и нефтегазовое маши-ностроение.2011. №9. С.28-31.

9. Ьйр://акепе^о-nii.ru/docs/presentation2.pdf.

10. Технологические модули для комплексной переработки техногенных материалов / С.Н. Глаголев, В.С. Севостьянов, Т.Н. Ильина,

B.И. Уральский // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2010. №9.С.43-45.

11. Технические средства и технологии для комплексной утилизации изотропных и анизотропных техногенных материалов / С. Н. Глаголев, В.С. Севостьянов, С.В. Свергузова, В.И. Уральский, М.В. Севостьянов, Д.Д.Фетисов, Ж.А.Сапронова, Л.И.Шинкарев // Экология и промышленность России. 2012. №12. С. 6-10.