CC BY
63УДК 606.628.3:620.95
И.В. Мирошниченко, кандидат биологических наук, ФГБОУ ВО «Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я. Горина», Россия, п. Майский, Белгородская обл. тел. +7-903-887-3490, e-mail: imiroshnichenko_@mail.ru I.V. Miroshnichenko, candidate of biological sciences, Belgorod state agrarian university named after V. Gor-
in, Russia, Mayskiy, Belgorod region Е.В. Снеговой, главный инженер ООО «ЭнергоПарк», Россия, г. Курск тел. +7-910-210-8504, e-mail: snegovoi evgeni@mail.ru E.V. Snegovoi, chief engineer LLC «EnergoPark», Russia, Kursk
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД В БИОГАЗ
(Increase in efficiency of processing of drainage of sewage slouge to biogas)
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках проекта № 18-47-310008 р_а и ООО «ЭнергоПарк» в рамках проекта № 6.6.46 The reported study was funded by RFBR according to the research project № 18-47-310008 р_а and LLC «EnergoPark» to the research project № 6.6.46
Изучен биогазовый потенциал осадка сточных вод городских очистных сооружений в комбинации с отходами птицеводства и свеклосахарного производства. Исследования проведены с использованием лабораторной биогазовой установки с реакторами периодического культивирования (batch-эксперимент). Специфический выход биогаза из осадков сточных вод, из их смеси с жомом сахарной свеклы и с пометом цыплят-бройлеров составил соответственно 597,97±154,7, 1089,12±195,26 и 978,39±166,32 мл/г оСВ специфический выход метана - 9,93±3,16, 16,24±8,16 и 44,75±12,97 мл/г оСВ соответственно. Установлено, что для адаптации к осадку сточных вод метанобразующей микрофлоре инокулума требуется больше времени, чем для адаптации к куриному помету или жому сахарной свеклы. Добавление этих субстратов повышает эффективность переработки осадка сточных вод в биогаз, лучшие результаты получены при использовании куриного помета.
Ключевые слова: биогаз, метан, отходы, осадки сточных вод, помет цыплят-бройлеров, жом сахарной свеклы.
Введение
В настоящее время станции очистки городских сточных вод зачастую оснащены системой аэротен-ков. При такой технологии воды очищаются в полном объеме, однако образуются и неперерабатываемые отходы - сырой осадок и избыточный активный ил [1]. Избыточный ил после фильтрации направляется на иловые площадки, что имеет ряд весомых недостатков. Его размещение требует значительных площадей. Содержащаяся в осадках сточных вод влага, проходя через почву, загрязняет её, далее попадает в грунтовые и поверхностные воды. В результате разложения избыточного ила загрязняется и воздушный бассейн.
Осадки сточных вод - это отходы, образующиеся на разного рода сооружениях водоочистки и водо-подготовки. Состав их может быть разным: грубые, тяжелые, плавающие примеси, сырой осадок, актив-
Biogas potential of sewage sludge from urban wastewater treatment plants in combination with wastes from poultry and sugar production has been studied. The studies were carried out using a laboratory biogas plant with batch reactors. The specific biogas yield of sewage sludge, from its mixture with sugar beet pulp and broiler chicken droppings amounted to 597.97 ± 154.7, 1089.12 ± 195.26 and 978.39 ± 166.32 ml / g of VS, respectively. The specific methane yield is 9.93 ± 3.16, 16.24 ± 8.16 and 44.75 ± 12.97 ml / g oVS, respectively. It has been established that it takes longer to adapt to the sewage sludge of the methane-forming microflora of the inoculum than to adapt to chicken manure or sugar beet pulp. The addition of these substrates increases the efficiency of processing sewage sludge into biogas, the best results are obtained when using chicken manure.
Keywords: biogas, methane, waste, sewage sludge, broiler chickens manure, sugar beet pulp.
ный ил и т.д. Переработке в биогазовых установках подлежат, как правило, два последних вида, представляющие собой комплекс микроорганизмов и простейших с частично окисленными взвешенными веществами. Такая технология позволяет удалить из коммунальных и животноводческих стоков до 90% органических соединений. В результате получаются качественные удобрения - в то время как при компостировании сырье теряет около 60% азота [2, 3].
По данным, полученным в ходе различных исследований, специфический выход биогаза из осадка сточных вод очистных сооружений может достигать от 400 до 700 литров на 1 кг органического вещества (л/кг оСВ), содержание в нем метана - порядка 60% (при массовой доле сухого вещества (СВ) 4%, органических веществ в сухом остатке (оСВ) - 70%). Такой субстрат целесообразно перерабатывать в смеси с
другими отходами - например, с отходами агропромышленного комплекса [4, 5, 6, 7].
Положительный результат показала совместная переработка осадка сточных вод с рисовой соломой. Добавление осадка сточных вод в количестве 0,5, 1,0, 1,5 и 3,0% от массы соломы способствовало оптимизации состава сбраживаемой массы по соотношению С / N и, соответственно - увеличению выхода биогаза. Лучший эффект отмечен при добавлении 3% осадка сточных вод: выход биогаза в этом варианте в 4 раза выше, чем в варианте без добавления соломы [8].
При совместной переработке осадков сточных вод очистных сооружений с твердыми бытовыми отходами в соотношении 3:1 по массе органического вещества суточная выработка биогаза увеличивается почти в 4 раза, при этом специфический выход метана составляет 420±30 мл/г оСВ [9].
Достаточно высокую степень биодеградации органического вещества отходов показали эксперименты по анаэробной ферментации избыточного активного ила муниципальных очистных сооружений в смеси с 25% скошенной травы и 25% отходов общественного питания [10].
Однако в лабораторных исследованиях А. Wriege-Bechtold при переработке активного ила очистных сооружений в смеси с жиром из жироловок выход биогаза снизился почти на 50%. Биогазовая продуктивность смесей субстратов колебалось в среднем от 800 до 1200 л/кг оСВ в зависимости от соотношения компонентов [5].
Энергетический потенциал отходов, в том числе и осадков сточных вод, напрямую зависит от их химического состава и, соответственно, от происхождения. В настоящее время не теряет актуальности разработка способов повышения биогазовой продуктивности субстратов. Для этого, помимо составления смесей с разного рода отходами, тестируются ферментные препараты, разрабатываются режимы ферментации.
В исследованиях S. Ко1Ь1 установлено, что потенциал образования метана из осадка сточных вод составляет 319± 11 мл/г оСВ. Использование ферментных препаратов MicropanBiogas и Novozymes способствует увеличению данного показателя соответственно на 8 и 45 % [11].
При обработке осадка сточных вод очистных сооружений в термофильном режиме в двухступенчатой системе разложение органических веществ на 13% выше, по сравнению с одноступенчатой; здесь же отмечается и увеличение метановой продуктивности с 303,74 до 450,02 мл/г оСВ [12].
При анаэробной ферментации осадков сточных вод очистных сооружений в Рее^Ъа1сЬ-реакторах объемом 40 л (системы полупроточного культивирования) выход биогаза составил от 370 до 400 мл/г оСВ с содержанием метана от 55,22 до 56,56 % [13].
При переработке осадка сточных вод очистных сооружений в реакторах периодического культивирования отмечалась лучшая устойчивость микрофлоры к повышенному содержанию ХПК. Специфический выход метана составил от 273 до 483 мл/г оСВ, объемная доля метана в биогазе - от 65 до 68% [14].
Иловые площадки очистных сооружений вблизи г. Курск занимают около 40 га, и потребность в их расширении растет. Для решения проблемы здесь построен современный завод по переработке сырого осадка сточных вод и избыточного активного ила [15]. Это биогазовая станция, спроектированная компанией ZorgBiogaz AG, состоящая из четырех реакторов рабочим объемом 3600 м3 каждый, двух резервуаров для приема сырья полезным объемом 200 м3 каждый и двух резервуаров для перебродившей массы. Образующийся биогаз скапливается под куполом реакторов и через пункт газоподготовки поступает в генераторную установку для выработки электроэнергии. Сброженная биомасса сепарируется, вода возвращается в очистные сооружения, а сухая часть используется в качестве удобрения [1]. В настоящее время ведется поиск и испытание косубстратов, их оптимальных сочетаний для повышения эффективности работы биогазовой станции.
Цель исследования - изучение биогазового потенциала осадка сточных вод очистных сооружений г. Курск, тестирование данного материала в смеси с отходами агропромышленного комплекса растительного и животного происхождения.
Материалы и методы исследования
Исследования проведены на базе лаборатории по изучению биогазовых технологий Белгородского ГАУ.
Материал исследования - осадки сточных вод городских очистных сооружений, помет цыплят-бройлеров, жом сахарной свеклы.
Изучаемые показатели: массовая доля сухого вещества и органики в исходных субстратах и иноку-луме (определяли согласно [16]), валовый и специфический выход биогаза и метана из субстратов и их сочетаний, динамика образования биогаза и метана.
Анаэробную ферментацию субстратов осуществляли в биореакторах периодического культивирования (batch-реакторы) объемом 300 мл каждый, помещенных в водяную баню, оснащенную термодатчиками и измерителем-регулятором универсальным «ОВЕН ТРМ 138» (Россия). Продолжительность инкубации - 35 суток, температура - +37±0,5°С. Биогаз отводился по трубкам в пластиковые пакеты объемом 3 л каждый. Объем биогаза определяли еженедельно с помощью колбы для Хоэнхаймского теста выхода биогаза [17], состав - с помощью газоанализатора «Optima - 7 Biogas» (Германия).
Каждый субстрат исследовали в трех повторениях.
Постановка и проведение экспериментов, обработка результатов осуществлялись в соответствии с DIN 38 414 (S8) и VDI 4630 [18 - 19].
Для обеспечения сравнимости результатов исследования объем газа приводили к нормальным условиям по уравнению (1):
Vo=(P*V*To)/(T*Po), (1)
где:
Vo - объем сухого газа при нормальных условиях, млн,
V - зарегистрированный объем газа, мл, P - давление газа в момент измерения, мбар, Po - атмосферное давление при н.у.; Р0 = 1013
мбар,
^ -температура воздуха при н.у.; ^ = 273 ^ T - температура биогаза, К.
Результаты исследований и их обсуждение
Основные параметры, влияющие на биогазовую продуктивность субстратов - содержание в них сухих веществ и органики. В нашем эксперименте осадок сточных вод отличался очень низким содержанием сухого вещества (табл. 1).
Таблица 1 - Исходные параметры сырья
Субстрат СВ%НМ оСВ%СВ
Инокулум 7,32±0,03 71,95±0,40
Помет куриный 26,28±0,17 87,45±0,15
Осадок сточных вод 0,28±0,07 72,78±6,83
Жом 9,81±0,63 93,92±1,93
Нормы загрузки реакторов рассчитывали таким образом, чтобы соотношение массы оСВ инокулума и оСВ субстрата в реакторе составило 2:1 (табл. 2). Экспериментальные варианты были представлены смесью субстратов и инокулума, нулевой - инокулу-мом. Рабочий объем реактора - 250 мл.
Таблица 2 - Загрузка реакторов
Вариант Загрузка сырья, г на реактор Нагрузка по оСВ, г на реактор
инокулум субстрат оСВ инокулума оСВ субстрата оСВ в сумме
Инокулум 250,00 - 13,16 - 13,16
Помет куриный 231,78 18,22 5,61 18,11 23,72
Осадок сточных вод 17,72 232,28 0,93 0,46 1,39
Жом 194,99 55,01 10,27 5,06 15,33
Помет+ 21,72 0,49 1,14 0,11 1,71
осадок сточных вод 227,79 0,45
Жом+ 21,66 1,22 1,14 0,11 1,70
осадок сточных вод 227,12 0,45
В вариантах со смесью субстратов их соотношение по натуральной массе составило: помет : осадок сточных вод - 1:465, жом : осадок сточных вод -1:186. При этом ориентировались на соотношение, которое планируется применить в условиях производства с учётом объемов образования данных видов отходов.
Нулевой вариант закладывается для корректировки продуктивности субстратов в экспериментальных вариантах, чтобы вычислить количество биогаза или метана, образовавшегося непосредственно из внесенного органического вещества конкретного субстрата.
Биогазовая продуктивность субстратов и их смесей за 35 дней инкубации приведена в таблице 3.
Самый высокий специфический выход биогаза отмечался в варианте, представленном смесью жома и
осадка сточных вод, несколько ниже - из смеси помета и осадка сточных вод, самый низкий выход биогаза - в варианте с пометом. Данный параметр имеет скорее технологическое значение при проектировании биогазовой станции - например, для расчета объема газгольдера. Но более важным показателем с энергетической точки зрения является специфический выход метана. Наибольший специфический выход биогаза отмечен в варианте с жомом, несколько ниже (примерно на 33%) значение этого показателя в варианте со смесью помета и осадка сточных вод, далее следует вариант с пометом. Наименьший специфический выход метана - в варианте с осадком сточных вод, что ожидаемо: из-за крайне низкого содержания сухих веществ в исходном субстрате оно было низким и в биореакторе в целом.
Таблица 3 - Биогазовая продуктивность субстратов
Субстрат Валовый выход биогаза, мл из 1 реактора Валовый выход метана, мл из 1 реактора Специфический выход биогаза, млн/г оСВ Специфический выход метана, млн/г оСВ
Помет куриный 1156,97±234,35 475,95±116,90 63,89±12,94 26,28±6,45
Осадок сточных вод 274,82±71,12 4,56±1,45 597,97±154,75 9,93±3,16
Жом 977,20±80,24 333,88±46,67 193,23±15,87 66,02±9,23
Помет+ осадок сточных вод 551,20±93,70 25,21±7,30 978,39±166,32 44,75±12,97
Жом+ осадок сточных вод 611,78±109,68 15,62±3,22 1089,12±195,26 16,24±8,16
Таким образом, из трех вариантов: осадок сточных вод, смесь осадка сточных вод с жомом и смесь осадка сточных вод с пометом цыплят-бройлеров оптимальным является последний.
Если сравнивать биогазовую продуктивность отдельных субстратов, то самый высокий специфический выход метана в варианте с жомом, самый низ-
кий - с осадком сточных вод. Учитывая исходные параметры субстратов, это ожидаемо.
В нашем эксперименте биогазовая продуктивность куриного помета и жома ниже приведенных в справочниках. Это связано, в первую очередь, с разницей в химическом составе. Содержание СВ в помете в справочнике на 5,72% выше, в жоме - в сред-
нем выше на 14,19%; оСВ в жоме - на 1,08% Содержание оСВ в курином помет в справочниках, напротив, на 15,95% ниже [20].
Динамика образования биогаза и метана, помимо режима ферментации, зависит от химического состава сырья - разные группы веществ разлагаются с разной скоростью. Этот показатель имеет технологическое значение - например, для определения кратности и объема загрузки субстратов.
Во всех вариантах отмечено 2 пика образования биогаза и метана (рис. 1 -2). В вариантах с куриным
пометом и жомом сахарной свеклы кривые более крутые, что свидетельствует о присутствии в их составе большого количества легкоразлагаемых веществ. Первый пик образования биогаза в этих вариантах намного выше и приходится на конец первой недели эксперимента, в варианте со смесью помета и осадков сточных вод первый пик незначительно превосходит второй. В вариантах с осадками сточных вод и со смесью жома и осадков сточных вод -напротив - выше вторые пики, приходящиеся соответственно на конец четвертой и третьей недели.
Рис 1. - Динамика образования биогаза и метана из помета цыплят-бройлеров и жома сахарной свеклы
Рис. 2. - Динамика образования биогаза и метана из комбинаций субстратов
Синтез метана во всех вариантах, включающих осадки сточных вод, сначала был незначительным -он усилился лишь во вторую половину эксперимента, пик образования метана приходится на начало четвертой недели. В вариантах с куриным пометом и жомом пик метанообразования приходится на конец первой -начало второй недели эксперимента.
Заключение
В ходе наших исследований установлено, что для адаптации к осадку сточных вод метанобразую-
щей микрофлоре инокулума требуется больше времени, чем для адаптации к куриному помету или жому сахарной свеклы. Добавление этих субстратов повышает эффективность переработки осадка сточных вод в биогаз, лучшие результаты получены при использовании куриного помета.
В целом биогазовая продуктивность осадка сточных вод невелика, что обусловлено низким содержанием в нем сухих веществ. При переработке данного отхода в биогазовой установке положительный эффект могла бы оказать его предварительная сепарация.
Литература
1. В Курске запущен новый партпроект «Чистый воздух». Kursk.er.ru, 2017. URL: https://kursk.er.ru/ news/2017/2/27/v-kurske-zapushen-nowi -partproekt-chistyj-vozduh/
2. Биогазовые установки в России. Lektsii.org. URL: https://lektsii.org/16-19171.html
3. Energieeffiziente Kläranlagen - Hochlastfaulung für Klärschlamm. Fraunhofer Institut für Grenzflächen-und Bioverfahrenstechnik. URL: https://www.igb. fraunhoer.de/content/dam/igb/de/documents/ Broschüren/Energieeffiziente Klaeranlagen Hochlast-faulung fuer Klaerschlamm.pdf
4. Gaserträge und Nährstoffgehalte - Abfall. ARCHEA New Energy GmbH. URL: https://www.archea-biogas.de/ mediafiles/9-substrate.pdf
5. Wriege-Bechtold, A. Anaerobe Behandlung von Braunwasser und Klärschlamm unter Berücksichtigung von Co-Substraten. Technische Universität Berlin. URL: https://depositonce.tu-berlin.de/bitstream/ 11303/4830/1/wriege-bechtold alexander.pdf
6. Лукьянов, А. Альтернативная энергия России -биогаз. Агробизнес: экономика - оборудование -технологии, 2013; 10: 60-69. URL: http://bit.do/eJq FC
7. Gerden, E. Bioenergy in Russia: Potential for a leading position. Sun&Wind Energe, 2011; 12.
8. Atta, N.N., El-Baz, A.A., Said, N., Abdel Daiem, M.M. Anaerobic Co-Digestion of Wastewater Activated Sludge and Rice Straw in Batch and Semi Continuous Modes. Journal of Fundamentals of Renewable Energy and Applications, 2016. URL: https:// www.researchgate.net/publication/300001498 Anaer obic Co-Digestion of Wastewater Activated Sludge and Rice Straw in Batch and Semi Continuous Modes
9. Björn, A., Yekta, S.S., Ziels, R.M., Gustafsson K., Svensson B.H., Karlsson,-A. Feasibility of OFMSW co-digestion with sewage sludge for increasing biogas production at wastewater treatment plants. Euro-Mediterr J Environ Integr. 2017; 2: 21 URL: https:// link.springer.com/article/10.1007/s41207-017-0031-z
10. Szucs,B. R., Simon,M., Füleky, G. Co-Digestion of Organic Waste and Sewage Sludge by Dry Batch Anaerobic Treatment. Management of Organic Waste, 2012; 97-112. URL: http://cdn.intechopen.com/ pdfs/27159/InTech-Co digestion of organic waste and sewage sludge by dry batch anaerobic treatm ent.pdf
Поступила в редакцию: 22.02.2019
11. Kolbl, S. Usage of hydrolytic enzymes for anaerobic digestion optimization in a wastewater treatment. Acta hydrotechnica, 2015; vol. 28, no. 48: 65-76. URL: http://ksh.fgg.uni-lj.si/ksh/acta articles/a 28sk. htm
12. Lu, J. Optimization of Anaerobic Digestion of Sewage Sludge Using Thermophilic Anaerobic Pre-Treatment. DTU Orbit - The Research Information System. URL: http://orbit.dtu.dk/files/4692519/ The-sis.pdf.
13. Lebiocka, M., Montusiewicz, A., Cydzik-
Kwiatkowska, A. Effect of Bioaugmentation on Biogas Yields and Kinetics in Anaerobic Digestion of Sewage Sludge. International Journal of Environmental Research and Public Health, 2018. URL: https:// www.ncbi.nlm. nih. gov/pubmed/30103443
14. Girault, R., Bridoux, G., Nauleau, F., Poullain, C., Buffet, J., Peu, P., Sadowski, A.G., Beline, F. Anaerobic co-digestion of waste activated sludge and greasy sludge from flotation process: Batch versus CSTR experiments to investigate optimal design. Bi-oresource Technology, Elsevier, 2012; 105: 1 - 8. URL: https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00736422
15. Под Курском строится завод по производству газа из отходов. Курские известия, 2017. URL: http://kursk-izvestia.ru/news/25463/
16. Pfeiffer, D.; Dittrich-Zechendorf, M. Messmethodensammlung Biogas: Methoden zur Bestimmung von analytischen und prozessbeschreibenden Parametern im Biogasbereich. Leipzig: Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH (DBFZ), 2012. 151 S.
17. Hellfrich, D., Oechsner, H. Hohenheimer Biogaser-tragstest. Vergleich verschiedener Laborverfahren zur Vergärung von Biomasse. Agrartechnische Forschung (9) Heft 3: 27 - 30.
18. DIN 38 414 (S8): Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung; Schlamm und Sedimente (Gruppe S); Bestimmung des Faulverhaltens (S 8). Beuth Verlag. URL: https:// www.beuth.de/de/norm/din-38414-8/1209064
19. VDI 4630: Vergärung organischer Stoffe - Substratcharakterisierung, Probenahme, Stoffdatenerhebung, Gärversuche. Beuth Verlag. URL: https:// www.beuth.de/de/technische-regel/vdi-4630/ 244849582
20. Handreichung. Biogasgewinnung- und Nutzung. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., 2013; 232.
Мирошниченко Ирина Владимировна, кандидат биологических наук, доцент кафедры технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции, заведующий лабораторией по изучению биогазовых технологий ФГБОУ ВО «Белгородский государственный аграрный университет имени В.Я. Горина», Россия, п. Майский, Белгородская обл., тел. +7-903-887-3490, e-mail: imiroshnichenko_@mail.ru
Снеговой Евгений Владимирович, главный инженер ООО «ЭнергоПарк», Россия, г. Курск, тел. +7-910-2108504, e-mail: snegovoi evgeni@mail.ru
