CC BY
50
УДК 620.92
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2021-2-3-52-55
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА ПРИ УТИЛИЗАЦИИ ОСАДКОВ ОЧИСТНЫХ СООРУЖЕНИЙ ГОРОДА УФЫ
POSSIBILITY EVALUATION OF OBTAINING BIOGAS DURING THE DISPOSAL OF SEDIMENTS OF TREATMENT FACILITIES IN UFA
А.А. Киргизбаев, Р.Р. Фарухшина, В.И. Муратова
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8038-1522, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1825-5496, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9243-9878, E-mail: [email protected]
Резюме: В работе рассмотрены тенденции развития возобновляемой энергетики в Российской Федерации и в мире. Проведена оценка потенциала применения биогазовой установки на очистных сооружениях на примере ГУП РБ «Уфаводоканал». Представлен механизм получения биогаза путем анаэробного сбраживания органических отходов в метантенках на основе имитационного моделирования в расчетном комплексе GPS-X.
Ключевые слова: биогаз, биогазовая установка, альтернативные источники топлива, математическое моделирование, утилизация, защита окружающей среды.
Для цитирования: Киргизбаев А.А., Фарухшина Р.Р., Муратова В.И. Оценка возможности получения биогаза при утилизации осадков очистных сооружений города Уфы // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2021. № 2-3. С. 52-55.
D0I:10.24412/0131-4270-2021-2-3-52-55
Azamat A. Kirgizbaev, Regina R. Farukhshina, Vera I. Muratova
Ufa State Petroleum Tehnological University 450062, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8038-1522, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1825-5496, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9243-9878, E-mail: [email protected]
Abstract: The article considers the development trends of renewable energy in the Russian Federation and in the world. There was carried out an assessment of the potential for using a biogas plant at a wastewater treatment plant using the example of RB Ufavodokanal State Unitary Enterprise. The mechanism of biogas production by anaerobic digestion of organic waste in digesters based on simulation in the GPS-X computational complex is presented.
Keywords: biogas, biogas plant, alternative fuel sources, modeling, utilization, environmental protection.
For citation: Kirgizbaev A.A., Farukhshina R.R., Muratova V.I. POSSIBILITY EVALUATION OF OBTAINING BIOGAS DURING THE DISPOSAL OF SEDIMENTS OF TREATMENT FACILITIES IN UFA. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2021, no. 2-3, pp. 52-55.
DOI:10.24412/0131-4270-2021-2-3-52-55
Ускоренный темп развития промышленного производства привел к росту потребления энергии, в основном получаемой путем сжигания невозобновляемых ископаемых топлив, таких как нефть, природный газ и уголь. Следствием этого процесса явилось возникновение следующих глобальных проблем: истощение невозобновляемых энергоресурсов, увеличение стоимости разработки новых месторождений, глобальное потепление и загрязнение окружающей среды. Решением является переход на чистые технологии, связанные с улавливанием углерода, технологиями очистки и обработки, развитием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) и водородной энергетики.
По данным Международного энергетического агентства (IEA), совместная доля жидкого биотоплива, энергии ветра, солнца, биогаза, энергии городских отходов и приливов в общем объеме первичных энергоресурсов в мире растет: в 1990 году - 3,1%, в 2000-м - 7,6%, в 2010-м - 23,2% и в 2019 году - 37,2%. На долю возобновляемых источников энергии в России на сегодняшний день приходится около 3%, при этом к 2030 году ее объем в конечном потреблении может достигнуть 11,3%.
В соответствии со сведениями Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) в процессе реализации находится глобальный энергетический переход к безуглеродному энергетическому сектору к 2050 году с целью ограничения изменения климата. При
этом ВИЭ и меры по повышению энергоэффективности могут обеспечить 90% необходимого сокращения выбросов углерода [1, 2].
В связи с вышеизложенным развитие альтернативной энергетики страны, в том числе регионов, является перспективным направлением. Значительным потенциалом обладает биомасса органических отходов, продуктов растениеводства, животноводства, в результате брожения которых получают биогаз [3].
Лидирующую позицию по производству биогаза в Европе занимает Германия, где эксплуатируется около 8000 биогазовых установок [4].
В России биогазовая технология находится на стадии становления. Разработано несколько биогазовых установок, работающих на отходах животноводческих комплексов (основные действующие биогазовые станции - «Лучки» и «Байцуры»).
По химическому составу биогаз схож с природным газом (рис. 1), является его аналогом и представляет собой смесь газов, среди которых наибольший процент составляют метан и углекислый газ [5]. Содержание метана в биогазе варьируется от 55 до 75%.
Также в составе присутствуют водород, сероводород и др. Возможно повышение содержания СН4 в газовой смеси путем его осушки, очистки от Н^ и других примесей. Биогаз может представлять собой биометан или биоводород,
I Рис. 1. Компонентный состав биогаза, %
70 60 50 40 30 20 10 0
63
СИ,
CO,
NH,
который можно использовать для технологических целей, обогрева, выработки тепло- и электроэнергии, также его можно накапливать и перекачивать. При этом теплота сгорания 1 м3 биогаза в среднем эквивалентна теплоте сгорания 0,7 м3 природного газа, 0,5 кг бензина, 0,6 кг мазута.
Состав и количество биогаза не являются постоянными и зависят от вида перерабатываемого субстрата и технологии производства биогаза. Наиболее стабильным составом характеризуется газ, получаемый в метантенках городских канализационных очистных сооружений.
Метантенк, выполняющий роль биореактора, является основным элементом специальных установок, в которых осуществляется анаэробное сбраживание органических отходов. Процесс протекает следующим образом: после предварительного смешения и измельчения полужидкая гомогенная масса подвергается биологическому разложению органических веществ под воздействием группы анаэробных бактерий в условиях отсутствия кислорода и при определенной температуре. Стоит отметить, что при анаэробной переработке биомасс в качестве побочных продуктов образуются высокоэффективные минеральные удобрения, необходимые для агропромышленного комплекса.
Расмотрим потенциал получения биогаза из осадков от сточных вод отходов очистных сооружений ГУП РБ «Уфаводоканал».
В результате механической и биологической очистки городских сточных вод на очистных сооружениях ГУП РБ «Уфаводоканал» образуются различного вида осадки, содержащие органические вещества. В качестве сырья для получения биогаза предусмотрено использование сырого осадка с первичных отстойников и избыточный активный ил с вторичных отстойников блоков биологической очистки воды. Рассматривая в этом аспекте иловые площадки для хранения осадков после очистки воды, важно отметить, что одним из основных видов его антропогенного воздействия является загрязнение атмосферного воздуха различными газами, образующимися в процессе биодеградации отходов.
Состав осадков зависит от состава очищаемой воды, поэтому содержание белков, жиров и углеводов в осадках изменяется в значительной степени, особенно при поступлении в городскую канализацию производственных сточных вод. Химический состав осадков, по данным службы очистных сооружений канализации ГУП РБ «Уфаводоканал», приведен в табл. 1. Согласно многочисленным исследованиям и экспериментам в области биоэнергетики, наибольшая масса биогаза образуется при расщеплении жиров, а наименьшая - при расщеплении белков. Из углеводов же получается газ с большим содержанием угольной кислоты. Поскольку в химическом составе активного ила преобладают белки, выход газа при его сбраживании оказывается меньшим, чем при использовании осадка из первичных отстойников (табл. 2).
Для получения представления о поведении объекта в динамических условиях управлением технологическими процессами проведено имитационное моделирование. К основным программным продуктам для математического моделирования процессов очистки сточных вод относятся GPS-X, Bio Win, STOAT, WEST, SIMBA, ASIM [6]. С учетом единообразия математического описания процессов очистки сточных вод, доступности определенных моделей в общем расчетном комплексе, удобства использования и обслуживания поставщиками программного продукта комплекс GPS-X (Канада) рекомендуется к применению как наиболее
I
Таблица 1
Химический состав осадков сточных вод
Вид осадка Белки Жиры Углеводы Азот Фосфор общий (Р2О5) Содержание бактерий Coli в 1 г сухого
% беззольного вещества % сухого вещества вещества
Сырой осадок из первичных отстойников 28-32 25-30 14-18 5-6 3-4 2,9105
Активный ил из вторичных отстойников
40-44
18-23
4-7
8-10
8-9
4106
I
Таблица 2
Масса и состав газа, выделяющегося при анаэробном сбраживании углеводов, жиров и белков
Компоненты осадка Удельный выход газа, мл/г Состав газа,% СН4 СО2 Плотность газа, г/м3, при н.у. Масса газа, г, получаемого с 1 г распавшегося вещества
Углеводы 790 50 50 1,25 х 103 0,985
Жиры 1250 68 32 1,05 х 103 1,31
Белки 704 71 29 1,01 х 103 0,71
2
H2S
H
2-3
• 202 1
53
Метакгенк
Simulation Results
содержательный математическим продукт.
Программное обеспечение Hydromantis GPS-X 7.0 позволяет сформировать любую необходимую схему очистки сточных вод с обработкой осадков на базе математических модулей сооружений. На рис. 2 изображена блок-схема процесса производства биогаза на очистных сооружениях, которая включает в себя поступающий сток, установку дозирования щелочи, анаэробный мембранный биореактор (метан-тенк), резервуар полного смешивания, вторичный отстойник, отвод очищенной воды и удаление отработавшего осадка.
Первым шагом построения модели является поэтапное детальное описание поступающего стока и сооружений, входящих в существующую технологическую схему. На рис. 3 приведено окно управления биореактором. В качестве входных качественных, количественных и других технологических параметров использовались усредненные годовые значения.
Конечным результатом моделирования являются графики, которые описывают основные технологические параметры. На этапе формирования модели существующего режима работы биогазовой установки наибольший интерес вызывают графики тех параметров, которые можно будет сравнить с изученными в экспериментальных условиях. Например, зависимость скорости газообразования от времени (рис. 4).
Из графика видно, что при термофильном режиме будет максимальный суточный выход газа.
В табл. 3 приведены результаты оценочного расчета при проектировании биогазовой станции для нужд газопотребления очистных сооружений канализации ГУП РБ «Уфаводоканал». Выход биогаза при мезофильном режиме составит 37 703 м3 в сутки, а при термофильном - 38 407 м3. Для экономического оправдания биогазовой станции принято решение выбрать мезофильный режим (недостатком термофильного способа является потребность в тепловой энергии, которая по сравнению с мезофильным способом приблизительно в два раза больше).
Исходя из анализа потребления электричества на собственные нужды и проектных расчетов эффективности применения технологий выработки биогаза, приходим к выводу о том, что количество энергии, которое можно вырабатывать из доступного количества топлива, более чем в три раза превышает нужды предприятия.
Излишки полученного биогаза предлагается использовать в теплогенераторных цехах осушки осадка, в
I Рис. 2. Блок-схема процесса производства биогаза на очистных сооружениях
I Рис. 3. Окно управления мембранным биореактором
Display: Расход;Поток
s mîia
3
feed : 600.9 m3<d
anseigas. 1695 m3/d 67:350.6 m3Jd anaermbr : 1255 m3/d
n anaerwas-18.02 mS/d
Influent I reactor | effluent I pump I
Расход; Поток m3it) 926.4 - 3895 34.66 -i
TS5 mgiL 158.6 8776 1.066 27330
VSS rng/L 58.6 8136 3.091 5743
Ope rational Variaöles
Mass Flows
Teed 67 I anaermbf anaerwas anaergas Tola! In 1 Tolal Oui I
TS3 kg/d 315.9 - 9 035 387.5 0.0 182.8 992 2
ХПК kg/d 784E - 700,1 913.4 4952 1947 8386
TN kg/d 113.7 - 122.8 57.39 46.01 171.4 234 3
TP kg/d 151.2 • 50 44 3237 0 0 25.1 107.1
I Рис. 4. График скорости образования биогаза по времени
Таблица 3
Основные расчетные технико-экономические показатели деятельности очистных сооружений канализации ГУП РБ «Уфаводоканал» с учетом использования биогазовой установки
Показатель Значение
Общая производительность сооружений очистки воды, тыс. м3/сут 530
Общий объем осадков, м3/сут 2612
Влажность субстрата, W, % 95
Температура процесса ферментации, °С 33
Выход биогаза, м3/сут 37 703
Годовая выработка биогаза, м3/год 13 761 595
Выход электрической энергии из полученного объема биогаза (без учета собственных нужд), МВтч 121
Выход тепловой энергии из полученного объема биогаза (без учета собственных нужд), Гкалч 3770,3
отопительной котельной, для работы воздухоподогревателей в системе приточной вентиляции в холодный период года, а также для получения горячей воды на технологические и бытовые нужды с отбором из теплового контура биогазовой установки. Оставшуюся часть биогаза можно хранить в газгольдерах для последующего использования по мере необходимости или перевозить.
Таким образом, применение биогазовых технологий на ГУП РБ «Уфаводоканал» позволит снизить количество сжигаемого топлива для производства тепловой и электрической энергии, производить высококачественные безвредные удобрения и улучшить экологическую обстановку. При применении данной технологии экологический эффект от проекта будет обусловлен снижением загрязнения окружающей среды парниковыми газами (метан и закись азота) и сокращением количества отходов третьего и четвертого класса опасности, которые складируются и загрязняют окружающую среду.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
IEA (2020), Energy Technology Perspectives 2020, IEA, Paris. URL: https://www.iea.org/reports/energy-technology-perspectives-2020 (дата обращения 07.06.2020).
Global Renewables Outlook: Energy transformation 2050. https://www.irena.org/publications/2020/Apr/ Global-Renewables-Outlook-2020
Киргизбаев А.А., Фарухшина Р.Р. Биогаз как альтернативный источник топлива // Мат. 71-й науч.-техн. конф. студ., аспир. и молодых ученых УГНТУ «Трубопроводный транспорт - 2020», Уфа: Изд-во УГНТУ, 2020. Т. 1. С.469.
Карасевич В.А., Албул А.В., Акопова Г.С. Биогаз как комплексное решение экономических и экологических
задач // Науч. журн. Рос. газ. общества, 2014. № 2. С.148-152.
Семенко И.В. Проектирование биогазовых установок. М.: МакДен, 1996. 347 с.
Баженов В.И., Эпов А.Н., Носкова И А. Использование комплексов имитационного моделирования для технологий очистки сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника, 2014. № 2. С. 62-70.
REFERENCES
1. IEA (2020), Energy Technology Perspectives 2020, IEA, Paris Available at: https://www.iea.org/reports/energy-technology-perspectives-2020 (accessed 07 June 2020).
2. Global Renewables Outlook: Energy transformation 2050 Available at: https://www.irena.org/publications/2020/Apr/ Global-Renewables-Outlook-2020
3. Kirgizbayev A.A., Farukhshina R.R. Biogaz kak al'ternativnyy istochnik topliva [Biogas as an alternative fuel source]. Trudy 71-y nauch.-tekhn. konf. stud., aspir. i molodykh uchenykh UGNTU «Truboprovodnyy transport - 2020» [Proc. of 71st sci. tech. conference of students, postgraduates and young scientists of the USPTU "Pipeline transport -2020"]. Ufa, 2020, p. 469.
4. Karasevich V.A., Albul A.V., Akopova G.S. Biogas as a complex solution of economic and environmental problems. Nauchnyy zhurnal Rossiyskogo gazovogo obshchestva, 2014, no. 2, pp.148-152 (In Russian).
5. Semenko I.V. Proyektirovaniye biogazovykh ustanovok [Design of biogas plants]. Moscow, Izdatel'skiy tsentr PF MakDen Publ., 1996. 347 p.
6. Bazhenov V.l., Epov A.N., Noskova I A. The use of simulation modeling complexes for wastewater treatment technologies. Vodosnabzheniye isanitarnaya tekhnika, 2014, no. 2, pp. 62-70 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Киргизбаев Азамат Айбулатович, магистр кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Фарухшина Регина Радиковна, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет
Муратова Вера Ивановна, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Azamat A. Kirgizbaev, Undergraduate of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University. Regina R. Farukhshina, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
Vera I. Muratova, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
2-3 • 2021
55
