CC BY
36
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ЖИВОТНОВОДСТВА ПОСРЕДСТВОМ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ БИОРЕАКТОРА
© Бахов Ж.К.*, Коразбекова К.У/
Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауезова, Республика Казахстан, г. Шымкент
Дана оценка современным тенденциям разработки конструкций биогазовых реакторов для переработки отходов животноводства. Рассмотрены наиболее перспективные пути конструктивного совершенствования биореакторов, вопросы подготовки сырья для переработки и выбора оптимального температурного режима. Дано описание разработанной упрощенной конструкции биореактора с иммобилизационным устройством.
Известно, что применение анаэробного метода при переработке отходов животноводства имеет существенный эффект по сравнению со многими другими методами, что выражается в значительном снижении загрязнения почвы, воды, воздуха химическими веществами и патогенной микрофлорой. Эффективность анаэробного процесса [1] в существенной мере зависит от правильной подготовки сырья к переработке и от конструкции биореактора.
Механические методы предварительной обработки сырья включают в себя различные способы измельчения исходного сырья, причем их применение желательно как для первичных растительных материалов, так и для отходов животноводства. Причина этого заключается в том, что размер нерастворимых частиц исходного субстрата оказывает значительное влияние на интенсивность анаэробного сбраживания и метаногенеза. Более интенсивное протекание биотрансформации может быть достигнуто при обеспечении активного обмена веществ между микроорганизмами и средой. Для этого необходимо создавать и поддерживать максимальную величину граничных поверхностей между твердой и жидкой фазами. Это достигается механическим измельчением.
В большинстве современных биогазовых установок непрерывного действия перерабатываются субстраты с содержанием сухого вещества до 12 % при максимальной длине волокнистых стеблевидных частиц до 30 мм. Твердые частицы биомассы, плотность которых значительно отличается от плотности жидкой фазы, могут образовывать осадок за счет седиментации и плавающую корку в результате флотации взвешенных частиц пузырьками
* Профессор кафедры «Биотехнология», доктор технических наук, профессор.
* Докторант PhD.
газа. Возникающие в связи с этим проблема затухания процесса ферментации потребует дополнительных энергозатрат и усложнение конструкции установки для ее решения. Эти трудности можно предотвратить посредством предварительного разделения твердых частиц от жидкой фазы, хотя это приводить к снижению выхода газа.
Наиболее интенсивно процесс сбраживания как в мезофильном, так и в термофильном режиме, идет на измельченном навозе. Процесс сбраживания навоза, пропущенного через сито, шел гораздо медленнее, а газовыделение было значительно меньшим. Следовательно, предварительное измельчение навоза существенно повышает интенсивность метаногенеза не только за счет увеличения межфазных поверхностей, но и термообработки субстрата за счет тепла, выделяющегося при механической деструкции твердых частиц.
В сельскохозяйственной практике использования биогазовых установок в основном используется мезофильный режим [2], а термофильный режим, по мнению многих специалистов, является неоправданным, хотя в подавлении патогенной микрофлоры более эффективен именно термофильный режим. Более того, использование продуктов анаэробной переработки отходов животноводства в качестве источника кормовых добавок предъявляет жесткие требования по его стерилизации. А это возможно достичь только при использовании термофильного режима переработки. Именно термофильный режим обеспечивает генерацию в продукте витамина В-12. Только производство этого витамина может окупить все затраты на установки анаэробной переработки. Но получение витамина (части кормовой добавки) требует качественной стерилизации продукта, что достижимо только в термофильном режиме. Все это свидетельствует о необходимости более детального изучения возможности использования комбинированных режимов.
В свою очередь, срок сбраживания определяет конструктивные размеры установок. Меньший срок сбраживания предопределяет меньший объем установки. Кроме того, доза загрузки в термофильном режиме практически в два раза больше, что характеризует термофильный режим как более интенсивный. Температурный уровень в реакторе определяет теплопотери через стенку, а также затраты тепла на начальный подогрев перерабатываемой биомассы.
В последнее время благодаря накопившемуся опыту по сооружению и эксплуатации установок, исследованию биологических основ этого процесса и получению удачных инженерных решений, наметились пути усовершенствования процесса анаэробной конверсии органических отходов в биореакторах с увеличением выхода биогаза в 3-4 раза. При этом методы повышения эффективности анаэробной переработки биомассы в биореакторах можно подразделить на две группы. Методы первой группы определяют технологию анаэробной системы и закладываются в конструкцию такой системы и ее сооружении. К этой группе можно отнести двухступенчатую пере-
24
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ И АГРОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС
работку с выделением стадий кислото-образования и метаногенеза в отдельных реакторах, а также термофильный режим процесса в реакторах метано-генной стадии процесса.
Многостадийная переработка в метаногенной стадии процесса в многосекционных реакторах или серии последовательных реакторов с формированием в каждом реакторе сообщества микроорганизмов, приспособленных к понижающимся концентрациям субстрата [3].
Рекуперация тепла выгружаемого продукта для подогрева загружаемого субстрата. Применение процессов анаэробной переработки нового поколения для всего или отдельных потоков перерабатываемой биомасса. Равномерное распределение температурного поля в реакторах, а также исключение застойных зон.
Другая группа методов включает организационные и режимные мероприятия (большинство из них как методы первой группы должны быть предусмотрены конструкцией анаэробной системы, но в основном исполнение их является режимным мероприятием):
- подготовка биомассы к переработке путем механической деструкции (дробление, разрыв, истирание и т.п.), предварительное удаление не перерабатываемых включений;
- строгое выдерживание концентрации твердой фракции (9,5-12 %), исключение излишнего разжижения субстрата;
- равномерная загрузка реактора, непрерывная подача при заданной производительности подающих устройств или периодическая загрузка порциями одинакового объема и одной концентрации через равные промежутки времени, исключение перебоев в загрузке как и превышение подачи свежей биомассы;
- оптимизация факторов, влияющих на процесс сбраживания со строгим контролем и поддержанием всех параметров переработки (контроль температуры, давления, влажности, показателя рН и др.).
Большое значение для повышения эффективности работы биореакторов имеет использование методов иммобилизации микроорганизмов [4] с тем, чтобы повысить выход биогаза при анаэробной переработке отходов. Основная задача таких биореакторов - интенсификация теплообмена и гомогенизация ферментационной среды, что способствует ускорению метаноге-неза за счет закрепления метаногенной микрофлоры в аппарате.
Конструкция разработанного нами биореактора обеспечивает более эффективное протекание процесса анаэробного сбраживания отходов живот-новодства,улучшение процесса образования биогаза и удобрений.
Основным техническим результатом данной разработки является упрощение конструкции биореактора, который представляет собой корпус в виде вертикального цилиндра, иммобилизационного устройства в виде слоя колец
из полимерных инертных материалов, расположенных между двумя решетками, рециркуляционной и нагревательной системами, газгольдера. Иммо-билизационное устройство располагается в нижней части биореактора.
Поддержание температурного режима в биореакторе осуществляется посредством подачи горячей воды, которая циркулируется при помощи насоса. Перемешивание в биореакторе осуществляется непрерывно. Проточная линия направляет жидкую фазу в верхнюю часть биореактора, то есть биореактор работает в «downflow» системе и при обратной циркуляции обработанного отхода частота соприкосновения между клетками бактерий и иммобилизационным устройством в биореакторе увеличивается. В результате этого образуется единородная среда для дальнейшего развития и активности биопленки. Кроме того, улучшается процесс рассеивания субстрата и питательных веществ в биопленке.
В этом сложном комплексе превращения главными микроорганизмами являются метанобразующие бактерии, которые превращают органические кислоты (летучие жирные кислоты, уксусная и муравьиная кислоты), образованные при помощи кислотообразующих бактерий во втором этапе метанового сбраживания, в биогаз и при брожении субстрата сложные органические соединения расщепляются в простые вещества.
Иммобилизационное устройство, представляющее собой матрицу из инертных носителей, позволяет накапливать метаногенные бактерии в виде биопленки на поверхности носителей. Это обеспечиваетсохранение биомассы независимо от времени гидролитического удержания, а микроорганизмы, иммобилизованные в кольцах менее, подвергаются раневому стрессу и повреждению клеток пузырьками газа.
При анаэробном брожении отходов животноводства и птицеводства в данном биореакторе может производиться биогаз с содержанием CH4 - 6090 %, CO2 - 15-30 %, а также небольшого количества сероводорода. Кроме того, в данном биореакторе происходит полный переход питательных веществ в удобрение.
Список литературы:
1. Bra S.R., Ferra M.I.A., Pinheiro H.M., Goncalves I.C. Bioreactor performance in anaerobic digestion of fruit and vegetables waste // Process Biochem. -2001. - № 40. - P. 989-995.
2. Баадер В., Доне Е., Брендорфер М. Биогаз. Теория и практика: перев. с немец. - М.: Колос, 1982. - 148 с.
3. Дубровский В.С., Виестру УЭ. Метановое сбраживание сельско-хо-зяйственных отходов. - Рига: Зинатне, 1988. - 240 с.
4. Demakov VA., Yu.G. Maksimova, A.Yu. Immobilization of Microbial cells: Biotechnological Aspects // Biotechnology in Russia. - 2008. - Р. 40-62.
