CC BY
29
DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.9.111.030
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АНАЭРОБНОГО СБРАЖИВАНИЯ ЖИДКИХ БИОРАЗЛАГАЕМЫХ ОТХОДОВ
Научная статья
Оковитая К.О.1, Ракульцева М.А.2' *, Суржко О.А.3 3 ORCID: 0000-0003-1944-3816;
1 2, 3 Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И.Платова,
Новочеркасск, Россия
* Корреспондирующий автор (rakultseva.marina[at]gmail.com)
Аннотация
В статье представлены результаты теоретических исследований анаэробного сбраживания биоразлагаемых отходов агропромышленных комплексов и жилищно-коммунальных хозяйств. Изучены результаты совместных исследований немецкого Центра биомасс и Казанского федерального университета. Предложена и обоснована схема двухфазной биогазоваой установки с вакуумированием и ферментацией субстрата, схема с биореактором гидролиза и пятисекционным биореактором метаногенеза. Предложено использование теплообменника для охлаждения субстрата из первого биореактора и подогрева исходного субстрата. Внедрение разработанной схемы позволит сократить время процесса анаэробного сбраживания биоразлагаемых отходов до 12-15 суток, сократить капитальные затраты на строительство биогазовах установок и повысить выход биогаза.
Ключевые слова: жидкие биоразлагаемые отходы, ферментация, метаногенез, биогаз, двухфазное анаэробное сбраживание.
IMPROVING THE EFFICIENCY OF ANAEROBIC DIGESTION OF LIQUID BIODEGRADABLE WASTE
Research article
Okovitaya K.O.1, Rakultseva M.A.2' *, Surzhko O.A.3
3 ORCID: 0000-0003-1944-3816;
1, 2, 3 Platov South-Russian State Polytechnic University, Novocherkassk, Russia
* Corresponding author (rakultseva.marina[at]gmail.com)
Abstract
The article presents the results of theoretical studies of anaerobic digestion of biodegradable waste from agro-industrial complexes and housing and communal services. The authors examine the results of joint research of the German Biomass Research Center and Kazan Federal University. The study proposes and justifies a scheme of a two-phase biogas plant with vacuuming and fermentation of the substrate, a scheme with a hydrolysis bioreactor and a five-section methanogenesis bioreactor. Also, the authors propose using a heat exchanger for cooling the substrate from the first bioreactor and heating the initial substrate. The implementation of the developed scheme will reduce the time of the process of anaerobic digestion of biodegradable waste to 12-15 days, reduce capital costs for the construction of biogas plants and increase the yield of biogas.
Keywords: liquid biodegradable waste, fermentation, methanogenesis, biogas, two-phase anaerobic digestion.
Введение
В агропромышленном комплексе и жилищно-коммунальном хозяйстве Российской Федерации ежегодно образуются миллионы тонн жидких биоразлагаемых отходов, которые не утилизируются и загрязняют окружающую среду. В экономически развитых странах такие отходы эффективно перерабатываются с получением товарной продукции.
Особенно успешны и продвинуты технологии анаэробного сбраживания биоразлагаемых сельскохозяйственных отходов и осадков канализационных очистных сооружений в Германии, Франции, Италии, Китае, США.
В Италии (г. Реус) успешно эксплуатируется биогазовая установка, позволяющая получить 1,1 млн. м3/год. метана, количество которого на 40% превышает расход энергоносителей на собственные нужды, что свидетельствует о высокой эффективности технологий. Подобные результаты достигнуты и в других странах Европейского союза.
В нашей стране наилучшие результаты по анаэробному сбраживанию осадков канализационных очистных сооружений достигнуты в МГУП Мосводоканал, где эксплуатируются 44 метантенка с общим объёмом 280 тыс. м3 для осадков первичных отстойников и активного ила. Вырабатываемого метана достаточно для покрытия только 70% собственной потребности в тепле и электроэнергии, что свидетельствует о низкой эффективности применяемой технологии анаэробного сбраживания.
В агропромышленном секторе параллельно проводятся исследования по анаэробному сбраживанию отходов животноводства и перерабатывающей промышленности [1], [2], [3]. Наибольшие успехи в этом направлении достигнуты в Белгородской области, где внедрены и успешно функционируют пять крупных биогазовых установок.
Исходя из проведенного нами литературного обзора, можно сделать вывод, что совместных научно -исследовательских работ по интенсификации процессов анаэробного сбраживания биоразлагаемых отходов в метантенках (ЖКХ) и биогазовых установках (АПК) недостаточно. Нам не известно о существовании в России единого научного центра, координирующего работы по анаэробному сбраживанию отходов АПК и ЖКХ.
Цель исследования
Целью работы является проведение теоретических исследований по анаэробному сбраживанию жидких биоразлагаемых отходов и обоснование предложений по повышению эффективности и экологичности процесса.
Материалы и принципы исследования
В процессе работы использовали три принципа: детерминизма, соответствия и дополнительности. Практическое применение этих принципов позволило установить недостаточно решённые задачи по теме исследования и предложить собственные технические решения по повышению эффективности анаэробного сбраживания биоразлагаемых отходов с получением биогаза. Теоретической базой исследования послужили опубликованные результаты научно -исследовательских и опытно-конструкторских работ ведущих мировых научных центров, посвящённых теме работы.
Основная часть
В Германии успешно функционирует крупный центр по исследованию биомассы с публикацией научных достижений в области анаэробного сбраживания биоразлагаемых отходов во всех высокорейтинговых научных журналах. Структура центра биомассы в Deutsche Biomasseforschungszentrum в г. Лейпциг представлена на рисунке 1.
Анализ структуры Центра позволяет сделать вывод, что НИР и НИОКР проводятся по широкому спектру исследований. Обращает на себя внимание, то, что каждый отдел оказывает научные услуги производствам по разработке документации и внедрению наилучших доступных технологий.
По нашему мнению, наибольшему эффекту по повышению выхода биогаза способствует научное взаимодействие отделов биохимической конверсии и биоэнергетических систем. В сфере наших научных интересов находятся работы по определению потенциалов различных видов биогенного сырья для биоэнергетического производства, ускорения процессов анаэробной конверсии субстратов, развитию методов оптимизаций использования различных субстратов и их смесей, исследование использования различных ферментов [4], [5], [6].
Рис. 1 - Структура Центра комплексных исследований биоразлагаемой биомассы
Необходимо отметить плодотворную совместную работу немецкого Центра исследований биомасс (DBFZ) и Казанского федерального университета, выполненную Зиганшиным А.М. в отделе биохимической конверсии, по структурной организации и закономерностям функционирования анаэробных микробных сообществ, участвующих в конверсии биоразлагаемых органических отходов. В этом отделе проводилась оценка влияния исходного субстрата и различных температурных режимов на динамику развития бактериальных и архейных сообществ, продуцирующих получение биогаза [7]. Выявлен эффект снижения времени удерживания субстрата и иммобилизации микроорганизмов на активность микробных сообществ. Установлены бактерии для стадий гидролиза и ацидогенеза, которые оптимально функционируют при рН = 5,3. В то же время отмечается наиболее эффективная работа метаногенов при рН 6,8 - 7,4.
Впервые установлены эффекты снижения времени удерживания субстрата и иммобилизации микроорганизмов на различных носителях на активность микроорганизмов и стабильность работы биореакторов.
Экспериментальные исследования с применением современных методов анализа позволили установить доминирующие метаногенные архейные ассоциации. Важно отметить, что показана целесообразность внесения ионов железа для удаления образующегося токсичного для метаногенов сероводорода в виде сульфида железа. Зиганшиным А.М. предложены практические рекомендации для ускорения процесса анаэробного сбраживания
послеспиртовой барды, навоза КРС совместно с кукурузным силосом и жмыха семян МгорИа с высоким удельным выходом биогаза.
Следует отметить и научные исследования для повышения эффективности анаэробного сбраживания биоразлагаемых отходов, проводящиеся в РФ. Направления исследований следующие: рециклинг биомассы; предварительный термогидролиз субстрата; повышенное давление в реакторе; применение носителей биомассы; рекуперация теплоты [8], [11], [14]. Эти направления способствуют созданию устойчивых систем в биоэнергетике и научно обосновывают необходимость утилизации отходов сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности с получением биогаза.
Анализ информационных источников по биохимический конверсии биоразлагаемых субстратов позволил авторам данной статьи предложить схему двухфазной непрерывной переработки отходов (рис. 2). На первой стадии для ускорения работы бактерий, разлагающих белки, протеины и углеводы на простые органические вещества с образованием в дальнейшем органических кислот проектируем биореактор, в котором создают вакуум -минус 50 кПа. Для ускорения процесса создаём и поддерживаем температуру 50 °С. В первом реакторе осуществляется механическое перемешивание, процесс идёт при оптимальном для стадии гидролиза рН=5,3.
В зависимости от условий эксплуатации возможны два варианта ускорения биохимических процессов в биореакторе первой ступени. В случае, когда отсутствует возможность создать косубстрат за счёт использования пищевых и растительных отходов, применяют схему с ферментатором. Когда есть возможность использовать косубстраты для ускорения сбраживания на первом этапе, целесообразно внесение микробиологических препаратов (МКБ).
В реакторе второй ступени, где в основном происходит метаногенез, предлагается проводить процесс в мезофильном режиме при 30°С. Для повышения энергоэффективности работы биогазовой установки запроектирован теплообменник, в котором исходный, подаваемый в первый биореактор субстрат, подогревается за счёт тепла субстрата, перекачиваемого насосом из биореактора первой ступени. Такая технология позволяет не только охладить подаваемый субстрат с 50°С до 30°С для второго биореактора, но и подогреть исходный перед подачей в биореактор №1 от 10°С до 25°С.
Работа насосов 4 и 5 должна осуществляться с помощью АСУ ТП.
Рис. 2 - Схема двухфазной биогазовой установки с вакуумированием и ферментацией субстрата: 1 - биореактор 1-й ступени; 2 - биореактор 2-й ступени; 3 - теплообменник; 4 - насос перекачки субстрата из реактора 1 в реактор 2; 5 - насос подачи субстрата; 6, 7, 8, 9, 11 - вентили; 10 - трубы подогрева субстрата;
12 - циркуляционный насос для перемешивания
В биореакторе второй фазы гидравлическое перемешивание осуществляется циркуляционным насосом 12 и процесс метаногенеза осуществляется при рН=6,8. Строгое соблюдение рН позволяет уменьшить образование аммиака, который ингибирует метаногенез, т.к. известно, что при возрастании рН до 8 концентрация аммиака возрастает в тридцать раз.
Необходимо отметить, что при формировании косубстратов придерживаемся соотношения С/М равным 30:10. Для удаления сероводорода, образующего во втором биореакторе, предлагается введение ионов Бе3+, что приводит к образованию нерастворимого сульфида железа и повышению выхода биогаза. т.к. сероводород является клеточным ядом для метаногенов.
Во многих научных статьях, отмечается, что целесообразно использовать схемы с несколькими реакторами в которых осуществляется процесс метаногенеза, что позволяет обеспечить постоянный дебит и качество биогаза [15].
В данной статье предлагаем схему с одним биореактором гидролиза и одним пятисекционным биореактором метаногенеза (рис.3).
Рис. 3 - Схема расположения биореакторов с системой гидравлического перемешивания при двухфазном анаэробном сбраживании: 1 - стенки биореактора; 2 - трубы с теплоносителем; 3 - кольцевой, подающий субстрат; трубопровод;
4 - кольцевой отводящий субстрат трубопровод; 5 - отвод субстрата при гидравлическом перемешивании;
6 - подача субстрата при гидравлическом перемешивании
Один биореактор (№1), ёмкостью 10м3, в котором происходит гидролиз, обслуживает пять секций, по 10м3 каждая, в биореакторе №2.
В реакторе 1 процесс длится трое суток, а в секциях второго реактора - 15 суток. На стадии запуска заполняется субстратом реактор 1, в котором создаём температуру 50°С, вакуум (-50 кПа), время гидролиза - трое суток.
Гидролизованный субстрат с температурой 50°С, через теплообменник насосом подаётся в секцию 2-1, при этом его температура снижается до 30°С и после этого в 2.1 начинается процесс метанизации.
Одновременно вновь заполняется исходным субстратом (10°С), через теплообменник, реактор 1, температура субстрата при этом повышается до 25°С. Через трое суток гидролизованный субстрат из реактора 1 подаётся в секцию 2.2. Таким образом последовательно заполняются все секции биореактора 2. Получим, что после заполнения секции 2.5 и последующего трёхсуточного гидролиза в реакторе 1 закончится пятнадцатисуточное сбраживание в секции 2.1.
В результате осуществляется непрерывное получение биогаза в секциях второго биореактора, с предварительным гидролизом субстрата в реакторе 1 в течение двух суток и общим временем сбраживания начального субстрата 12 суток. Следующим этапом исследований является проектирование АСУ работы насосов теплообменника и насосов перекачки субстратов по секциям биореактора №2.
Заключение
Повышение эффективности анаэробного сбраживания жидких биоразлагаемых отходов возможно только на основе глубоких исследований и координации научных работ в едином центре.
Использование предложенной двухфазной системы обладает следующими преимуществами: допускаются скачки нагрузок по органическому сухому веществу; на стадии гидролиза происходит обеззараживание субстрата, при правильном подборе энзимов возможно значительное ускорение процессов.
Проектирование теплообменника между биореакторами 1 и 2, в которых температуры различаются на 20°С, позволяет значительно повысить энергоэффективность процесса получения биогаза, является элементом наилучших доступных технологий.
При использовании эффективных энзимов время протекания процесса в первой фазе может быть сокращено до 2-х суток, а во второй фазе до 10 суток, что позволит сбраживать отходы за 12 суток, значительно сократить капитальные затраты на строительство биогазовых установок и повысить выход биогаза.
Конфликт интересов Conflict of Interest
Не указан. None declared.
Список литературы / References
1. Ковалев Д.А. Повышение энергетической эффективности процесса предварительного нагрева жидких органических отходов перед анаэробной обработкой бесподстилочного навоза КРС / Д.А. Ковалев, А.А. Ковалев, Ю.А. Собченко // Вестник Всероссийского НИИ механизации животноводства. -2018.-№4.-С.92-94.
2. Федотов А.В. Перспективный носитель биомассы для систем анаэробной переработки органических отходов АПК / А.В. Федотов, В.С. Григорьев, Д.А. Ковалев и др. // Электротехнологии и электрооборудование АПК.-2020. Т.67. №1 (38). С.148-155.
3. Ковалев Д.А. Интенсификация процесса анаэробной обработки органических отходов животноводства в биогазовых установках блочно-модульного типа / Д.А. Ковалев // Инновации в сельском хозяйстве. 2016 (5). С.369-374.
4. Майер С. Подходы к оптимизации баланса парниковых газов биодизеля, производимого из семян рапса / С. Майер, К. Умехен // Конференция "Топливо будущего", Берлин, 2011 г.
5. Майер С: Производство электроэнергии из жидкого биотоплива / С. Майер // Симпозиум по биоэнергетике в Буэнос-Айресе, Буэнос-Айрес, Аргентина, 2011 г. /
6. Протер Я. Биологическое удаление азота из жидких остатков ферментации / Я. Протер., Р. Плат, М. Хилле // Международная научная конференция по случаю 120-летия инженерной подготовки: «Возобновляемые источники энергии как технологии будущего», Кетен, 2011 г.
7. Зиганшин А. М. Анаэробные микробные сообщества, участвующие в конверсии органических отходов / А. М. Зиганшин : автореферат д.б.н.- Казань, 2015.- 52с.
8. Ковалев Д.А. Экспериментальное исследование процесса предварительного гидролиза органического субстрата / Д.А. Ковалев, А.А. Ковалев, Ю.В. Караева и др. // Вестник Технологического университета. 2016.-Т.19. №8. С.130-133 (Казанский научный центр РАН).
9. Ножевникова А.Н. Состав микробного сообщества на разных стадиях компостирования, перспектива получения компоста из муниципальных органических отходов / А.Н. Ножевникова и др. // Прикладная биохимия и микробиология. 2019, т.55. №3, С.211-221.
10. Зиганшина Е.Е. Влияние гранулированного активированного угля на анаэробное совместное сбраживание жомам сахарной свёклы и зерна дистилляторов с растворимыми веществами / Е.Е. Зиганшина, Д.Е. Белостоцкий и др. // Процессы-2020. Т.8. -С.1-16.
11. Григорьев В.С. Производство биоводорода в двухстадийном процессе анаэробной биоконверсии органического вещества жидких органических отходов с рециркуляцией эффлюента метантенка / В.С. Григорьев, А.А. Ковалев // Междунар. науч. журнал «Альтернативная энергетика и экология». 2020. №7-18 (330-341). С.87-100.
12. Ковалев Д.А. Предварительное исследование анаэробной биоконверсии органических отходов в реакторе при повышенном давлении / Д.А. Ковалев, Ю.В. Караева // Труда Академэнерго. 2018. №2. С.98-103.
13. Козлов М.Н. Основные результаты промышленных испытаний технологии сбраживания осадка с рециклом биомассы / М.Н. Козлов // ВСТ. - 2015. - №5. - С.60-65.
14. Куликова М.А. Переработка жидких отходов свинокомплексов на основе принципов наилучших доступных технологий / М.А. Куликова, К.О. Оковитая, О.А. Суржко // Международный научно-исслед. журнал №4 (106). 2021. Апрель, ISSN 2305-9870 PRINT.
15. Вайланд П. Программа научных измерений для оценки биогазовых установок в сельскохозяйственном секторе; (FNR-FKZ: 00N179); 3-й промежуточный отчет / П. Вайланд, Ч. Ригер: Институт технологий и системной инженерии / Федеральный исследовательский центр сельского хозяйства (FAL); Брауншвейг; 2001 г.
Список литературы на английском языке / References in English
1. Kovalev D. A. Povyshenie jenergeticheskoj jeffektivnosti processa predvaritel'nogo nagreva zhidkih organicheskih othodov pered anajerobnoj obrabotkoj bespodstilochnogo navoza KRS [Improving the energy efficiency of the preheating process of liquid organic waste before anaerobic treatment of bespodstilochny cattle manure] / D. A. Kovalev, A. A. Kovalev, Yu. A. Sobchenko // Vestnik Vserossijskogo NII mehanizacii zhivotnovodstva [Bulletin of the All-Russian Research Institute of Animal Husbandry Mechanization]. -2018. - No. 4. - p. 92-94. [in Russian]
2. Fedotov A.V. Perspektivnyj nositel' biomassy dlja sistem anajerobnoj pererabotki organicheskih othodov APK [A promising carrier of biomass for systems of anaerobic processing of organic waste of the agro-industrial complex] / A.V. Fedotov, V. S. Grigoriev, D. A. Kovalev et al. // Jelektrotehnologii i jelektrooborudovanie APK [Electrotechnologies and electrical equipment of the agro-industrial complex]. -2020. Vol. 67. No. 1 (38). pp. 148-155. [in Russian]
3. Kovalev D. A. Intensifikacija processa anajerobnoj obrabotki organicheskih othodov zhivotnovodstva v biogazovyh ustanovkah blochno-modul'nogo tipa [Intensification of the process of anaerobic treatment of organic animal waste in block-modular biogas plants] / D. A. Kovalev // Innovacii v sel'skom hozjajstve [Innovations in agriculture]. 2016 (5). pp. 369-374.
4. Mayer S. Podhody k optimizacii balansa parnikovyh gazov biodizelja, proizvodimogo iz semjan rapsa [Approaches to optimizing the balance of greenhouse gases of biodiesel produced from rapeseed] / S. Mayer, K. Umehen // Konferencija "Toplivo budushhego" [Conference "Fuel of the Future"], Berlin, 2011 [in Russian]
5. Mayer S.: Proizvodstvo jelektrojenergii iz zhidkogo biotopliva [Production of electricity from liquid biofuels] / S. Mayer // Simpozium po biojenergetike v Bujenos-Ajrese [Symposium on Bioenergy in Buenos Aires], Buenos Aires, Argentina, 2011. [in Russian]
6. Proter Ja. Biologicheskoe udalenie azota iz zhidkih ostatkov fermentacii [Biological removal of nitrogen from liquid fermentation residues] / Ya. Proter., R. Plath, M. Hille // Mezhdunarodnaja nauchnaja konferencija po sluchaju 120-letija inzhenernoj podgotovki: «Vozobnovljaemye istochniki jenergii kak tehnologii budushhego» [International Scientific Conference on the occasion of the 120th anniversary of engineering training: "Renewable energy sources as technologies of the future"], Keten, 2011 [in Russian]
7. Ziganshin A.M. Anajerobnye mikrobnye soobshhestva, uchastvujushhie v konversii organicheskih othodov [Anaerobic microbial communities involved in the conversion of organic waste] / A.M. Ziganshin: abstract of Doctor of Biological Sciences-Kazan, 2015. - 52c. [in Russian]
8. Kovalev D. A. Jeksperimental'noe issledovanie processa predvaritel'nogo gidroliza organicheskogo substrata [Experimental study of the process of preliminary hydrolysis of an organic substrate] / D. A. Kovalev, A. A. Kovalev, Yu. V. Karaeva et al. // Vestnik Tehnologicheskogo universiteta [Bulletin of the Technological University]. 2016. - Vol. 19. No. 8. pp. 130-133. [in Russian]
9. Nozhevnikova A. N. Sostav mikrobnogo soobshhestva na raznyh stadijah kompostirovanija, perspektiva poluchenija komposta iz municipal'nyh organicheskih othodov [The composition of the microbial community at different stages of composting, the prospect of obtaining compost from municipal organic waste] / A. N. Nozhevnikova et al. // Prikladnaja biohimija i mikrobiologija [Applied biochemistry and microbiology]. 2019, vol. 55. No. 3, pp. 211-221. [in Russian]
10. Ziganshina E. E. Vlijanie granulirovannogo aktivirovannogo uglja na anajerobnoe sovmestnoe sbrazhivanie zhomam saharnoj svjokly i zerna distilljatorov s rastvorimymi veshhestvami [the Effect of granular activated carbon for anaerobic digestion of the joint Amam sugar beet and grain distillers with Solubles] / E. E. Ziganshina, D. E. Bialystok, et al. // Processy [Processes] - 2020. Vol. 8. -P. 1-16. [in Russian]
11. Grigor'ev V. S. Proizvodstvo biovodoroda v dvuhstadijnom processe anajerobnoj biokonversii organicheskogo veshhestva zhidkih organicheskih othodov s recirkuljaciej jeffljuenta metantenka [the Production of biostorage in the two-stage process of anaerobic bioconversion of organic matter liquid organic waste recycling the effluent of the digester] / V. Grigoriev, A. A. Kovalev // Mezhdunar. nauch. zhurnal «ATternativnaja jenergetika i jekologija» [Intern. nauch. the journal "Alternative energy and ecology"]. 2020. No. 7-18 (330-341). pp. 87-100. [in Russian]
12. Kovalev D. A. Predvaritel'noe issledovanie anajerobnoj biokonversii organicheskih othodov v reaktore pri povyshennom davlenii [Preliminary study of anaerobic bioconversion of organic waste in a reactor at elevated pressure] / D. A. Kovalev, Yu. V. Karaeva // Truda Akademjenergo [Labor of Akademenergo]. 2018. No. 2. P. 98-103. [in Russian]
13. Kozlov M. N. Osnovnye rezul'taty promyshlennyh ispytanij tehnologii sbrazhivanija osadka s reciklom biomassy [The main results of industrial tests of the technology fermentation of sludge with biomass recycle] / M. N. Goats // VST. - 2015. -No. 5. - P. 60-65. [in Russian]
14. Kulikova M. A. Pererabotka zhidkih othodov svinokompleksov na osnove principov nailuchshih dostupnyh tehnologij [treatment of liquid wastes of pig farms based on the principles of best available technologies] / M. A. Kulikova, K. O. Okowita, Surzhko O. A. // Mezhdunarodnyj nauchno-issled. zhurnal [International Scientific and Research Center. Journal] No. 4 (106). 2021. April, ISSN 2305-9870 PRINT. [in Russian]
15. Weiland P. Programma nauchnyh izmerenij dlja ocenki biogazovyh ustanovok v sel'skohozjajstvennom sektore; (FNR-FKZ: 00N179); 3-j promezhutochnyj otchet [Program of scientific measurements for the evaluation of biogas plants in the agricultural sector; (FNR-FKZ: 00N179); 3rd interim report] / P. Weiland, Ch. Rieger: Institute of Technology and System Engineering / Federal Research Center for Agriculture (FAL); Braunschweig; 2001 [in Russian]
