CC BY
257
Производство
из органического сырья
Николай Ручай,
доцент кафедры
биотехнологии
и биоэкологии
Белорусского
государственного
технологического
университета,
кандидат технических наук
Илья Кузнецов,
магистр биологических наук,
ассистент кафедры
биотехнологии
и биоэкологии Белорусского
государственного
технологического
университета
Дефицит энергоносителей и проблемы охраны окружающей среды обусловили формирование нового научно-технического направления - биоэнергетики. Его суть - в получении и использовании энергии топлива из возобновляемого органического сырья: растительной биомассы, сельскохозяйственных, бытовых и промышленных отходов. Природоохранный аспект здесь очевиден: их энергетическая переработка приводит к значительному уменьшению загрязненности окружающей среды.
Способы получения энергии и топлива из растительной биомассы и отходов разнообразны, но наибольший интерес представляют экономичные технологии: анаэробное сбраживание с получением биогаза, биоконверсия в этанол, анаэробная ферментация с образованием ацетона, бутанола и водорода. В результате анаэробного сбраживания органические вещества отходов трансформируются в биогаз. Его состав, как и выход, зависит от природы перерабатываемого отхода и колеблется в достаточно широких пределах: СН4 - 55-80%; СО2 - 15-50%; N2 - до 5%; 02 - до 3%; - до 3%. Энергетический потенциал биогаза составляет 20-27 МДж/н. м3, плотность при нормальных условиях 0,98-1,4 кг/м3. По теплотворной способности 1 м3 биогаза эквивалентен в среднем 0,6 дм3 керосина или 1,5 кг угля
и обеспечивает выработку 2 кВч электроэнергии.
Брожение органических отходов начинается при создании анаэробных условий без специальной микробной инокуляции за счет спонтанно развивающихся микроорганизмов, присутствующих в отходах и окружающей среде. Процесс анаэробного превращения органических веществ с образованием биогаза проходит четыре стадии. На первой идет гидролиз сложных биополимерных молекул (белков, липи-дов, полисахаридов и др.) до более простых соединений: аминокислот, углеводов, жирных кислот и др. На второй, кислото-генной, образовавшиеся мономеры конвертируются бактериями-бродильщиками в ряд простых соединений: летучие жирные кислоты, спирты, молочную кислоту, метанол, СО2, Н2, NH3 и Н.Д Третья стадия - ацетогенная, на которой образовавшиеся продукты превращаются в ацетат, Н2 и С02, четвертая - метаногенная. При этом уксусная и муравьиная кислоты, а также Н2, СО2 и метанол трансформируются в метан и СО2.
За все эти превращения ответственно сложное по составу сообщество микроорганизмов, среди которых преобладают бактерии.
Следует отметить, что присутствующий в растительных тканях лигнин в анаэробных условиях практически не рас-
щепляется. Лишь небольшие его фрагменты с низкой молекулярной массой могут разлагаться с образованием СО2, СН4 и ацетата.
Стадия гидролиза тесно связана с кислотогенной (брожением), между ними нет четкой границы, так как обладающие гидролитической активностью микроорганизмы используют продукты гидролиза для накопления биомассы. Продукты кислотогенной стадии разлагают ацето-генные бактерии. Они фактически подготавливают субстрат, пригодный для жизнедеятельности метанобразующих бактерий, завершающих сложный процесс распада органического вещества. Мета-ногенные бактерии - наиболее капризная с точки зрения условий культивирования группа среди симбионтов, участвующих в анаэробном сбраживании. Они требуют строгого анаэробиоза, нейтральной или слабощелочной реакции среды (рН 6-8), могут использовать в качестве источников энергии и углерода только 8 субстратов: СО2 + Н2, формиат, закись углерода, мета-нол2, аце2тат, моно-, ди- и триэтаноламины.
Процесс анаэробной конверсии органических веществ в метан лимитируется либо скоростью гидролитического расщепления биополимеров (если таковые содержатся в перерабатываемом сырье в большом количестве), либо скоростью трансформации ацетата в метан. По-
ТЕМА НОМЕРА
Таблица. Выход биогаза из навоза 1
Значения показателя для
Показатель 1$
И _ т / сне,
молочных коров 1 Ж '■ , птицы
Выход, на 1 голову в сутки:
навоза,кг 55 0,2 3,5
биогаза, м3 1,62 0,02 0,32
Объем биогаза, м3 на 1 т сухого вещества навоза 300 600 500
следнее обстоятельство связано с низкими скоростями роста и размножения метаногенных бактерий. Например, время генерации (удвоение биомассы) бактерий рода МвМвпоМх - 200-300 ч. Для сравнения: время удвоения биомассы гидролитических микроорганизмов - 10-20 ч, кислотогенов - 1-10 ч. Общая скорость генерации биогаза определяется температурой процесса, химическим составом сырья, плотностью бактериальной ассоциации, степенью гомогенизации ферментационной среды.
Термофильный процесс (40-55 °С) протекает в 2-3 раза быстрее, чем ме-зофильный (20-40 °С). При температуре ниже 20 °С активность анаэробной биомассы значительно уменьшается. При наличии в ферментационной среде только растворенных соединений скорость ме-тангенерации выше, чем в средах, содержащих твердые органические включения.
Экономически целесообразно разделение процесса на две стадии - кислотную (рН 6,0-6,5) и метановую (рН 6,5-8), осуществляемые в двух последовательно соединенных аппаратах. Это технологическое решение требует увеличения капитальных вложений, но за счет пространственной локализации микроорганизмов общая скорость анаэробной трансформации субстрата возрастает примерно в 1,5 раза. С каждой тонны сброженного сухого органического вещества образуется 300-600 м3 биогаза. Чем больше содержится в перерабатываемом сырье восстановленных органических соединений, тем выше концентрация метана в биогазе. В частности, при анаэробном сбраживании 1 кг углеводов можно получить 0,8 м3 биогаза (с содержанием метана 60%), из 1 кг протеина - 0,7 м3 (70% метана), из 1 кг жира - около 1,2 м3 (67% метана).
Мировой объем выпуска биогаза составляет более 700 млрд м3 в год. Технологии для его производства широко распространены в Китае, Индии, США, Канаде, Германии, Англии и в других странах. В Беларуси данные технологии только начинают внедряться. При этом пока речь идет о закупке единичных биогазовых установок за рубежом, в то время как их количество в Китае и Индии исчисляется миллионами.
Сырье для изготовления биогаза - отходы, содержащие биологически разлагаемое органическое вещество, имеющие высокую влажность (90-94%), нейтральную или близкую к ней величину рН и без токсичных химических соединений (антибиотиков, СПАВ и др.) в концентрациях, ингибирующих рост и размножение бактерий. Прежде всего это отходы животноводческих комплексов и птицефабрик, осадки коммунальных сооружений по очистке сточных вод и промышленные (крупнотоннажный отход производства этанола и т.п.). Один из основных сырьевых ресурсов для получения биогаза - навоз. Анаэробное сбраживание - рациональный способ обезвреживания навозных отходов с одновременным получением экологически чистого органического удобрения и газообразного энергоносителя. Данный метод обеспечивает дезодорацию, дегельминтизацию навоза, потерю способности семян сорных растений к всхожести, практически полное сохранение важнейших питательных элементов - азота, фосфора, калия.
Основное оборудование биогазовой установки - камера сбраживания (метантенк) с нагревательным и перемешивающим устройствами и емкость для хранения биогаза - газгольдер. Метантен-ки имеют объем от одного десятка до нескольких тысяч кубических метров. Аппараты должны быть герметичными, иметь хорошую теплоизоляцию. Наиболее благоприятные гидродинамические условия для перемешивания жидкости создаются в метантенках овальной формы. Цилиндрические камеры с коническими нижней и верхней частями проще в изготовлении. Перемешивание содержимого требует
больших удельных затрат энергии. Повышение температуры увеличивает скорость сбраживания субстрата. Одновременно возрастает потребность в тепловой энергии на поддержание требуемой температуры ферментационной среды в метантенке. В среднем на стабилизацию мезофильного процесса расходуется 15-25% образующегося биогаза, а термофильного - 35-50%.
При переработке навоза перемешивание сбраживаемого материала - непременное условие эффективной ферментации. Степень разложения органического вещества при этом - 30-40%, процесс занимает 20-25 суток. Повышению выхода биогаза способствует предварительное диспергирование твердых включений в потоке поступающего в метантенк навоза с помощью измельчителя. Наиболее рациональна технология двухстадийной ферментации со смешанным температурным режимом. Первую стадию - кислотоген-ную - проводят при температуре 30-37 °С, вторую - метаногенную - при 50-57 °С. Это позволяет экономить энергию при сохранении высокой скорости генерации биогаза (табл.).
На городских очистных станциях Беларуси ежегодно образуется более 190 тыс. т сухого вещества осадков, которые являются обременительным не-утилизируемым отходом. На сегодня около 4 млн т накоплено на иловых площадках и полигонах, что представляет серьезную угрозу для окружающей среды. Осадки подвергаются механическому обезвоживанию с последующим захоронением концентрата, на что затрачивается большое количество энергии и реагентов. Наиболее перспективен метод анаэробного сбра-
16 НАУКА И ИННОВАЦИИ №9(115) Сентябрь 2012
живания с получением биогаза. Данный процесс в мировой практике чаще всего осуществляется в мезофильном режиме. Российские ученые разработали технологию двухфазного сбраживания осадков городских сточных вод, основанную на экстратермофильном режиме работы метан-тенков первой фазы (температура 65 °С, продолжительность процесса 0,6-1 сутки) и мезофильном режиме второй фазы (температура 30 °С). При этом увеличивается степень распада органического вещества осадков в 1,2-1,6 раза.
В БГТУ создана технология их ферментативно-микробиологической переработки в интенсивном режиме, позволяющая получить 10-12 м3 биогаза из 1 т смеси сырого осадка и избыточного активного ила.
Производство этанола из зернового сырья сопровождается образованием крупнотоннажного отхода - послеспир-товой барды. Ее количество общим объемом около 1,3 млн м3 в год во много раз превосходит выход продукта и достигает 135-150 м3 на 1 м3 этанола. Из-за высокого содержания органических веществ (6-8%) сырье невозможно направить на биологические очистные сооружения, и требуется обязательная утилизация отхода. Экономически целесообразна технология комплексной переработки послеспиртовой барды с получением белоксодержащего кормового продукта (50-55 кг на 1 т барды) и биогаза (12-13 м3 на 1 т). Опытно-промышленный техно-
логический регламент для этого процесса разработан в БГТУ.
Бурное развитие анаэробных технологий очистки сточных вод объясняется их серьезными преимуществами перед традиционными методами. Первые требуют мало электроэнергии ввиду отсутствия аэрации сточных вод, невелик прирост биомассы активного ила, а образующийся избыточный анаэробный ил стабилен, может долго храниться без значительной потери активности, что очень важно для предприятий с периодическим циклом производства. Это единственный способ очистки сточных вод (даже высококонцентрированных), позволяющий частично (иногда даже полностью) компенсировать затраты, связанные с организацией процесса за счет генерации биогаза, используемого в качестве энергоносителя. Из 1 кг деструктированных загрязнений образуется 0,26-0,34 м3 метана (или 0,3-0,45 м3 биогаза). Современные биореакторы занимают небольшие площади, устойчивы к длительным перерывам в подаче сточной воды, что позволяет эффективно применять их в периодически действующих производствах. Тем не менее метод имеет свои недостатки: он пригоден для предварительной очистки сточных вод со снижением уровня загрязненности на 80-90%, кроме того, анаэробные бактерии, особенно метаногенные, растут очень медленно, вследствие чего запуск биореактора требует длительного времени (5-7 месяцев), если отсутствует инокулят с аналогичных установок.
Конструкция анаэробных биореакторов второго поколения предусматривает удержание биомассы анаэробных бактерий в реакционном пространстве путем использования разнообразных инженерно-технических решений. В европейских странах для очистки сточных вод широко применяется высокоэффективный UASB-реактор с восходящим потоком сточной воды через слой анаэробного ила. Удержание активного ила в биореакторе производится за счет встроенного в верхней части аппарата газоилоотделительного устройства. Процесс оказался настолько эффективным, что к настоящему времени эксплуатируется более 500 реакторов в составе промышленных установок по очистке сточных вод предприятий пищевой, фармацевтической, спиртовой, целлюлозно-бумажной, химической и других отраслей промышленности.
У UASB-реакторов простая конструкция, они высокопроизводительны, но не без недостатков: период формирования гранулированного активного ила в достаточно высокой концентрации составляет 5-7 месяцев. Ускорить запуск биореактора можно внесением в ферментационную среду частиц инертного материала (например, угольной пыли), инициирующих образование гранул, или инокулированием активным илом из другого анаэробного биореактора. В последнем случае продолжительность периода запуска UASB-реактора сокращается до двух недель.
В БГТУ разработана, апробирована в опытных масштабах и предложена для промышленного использования технология анаэробной очистки сточной воды молокоперерабатывающих предприятий. В соответствии с произведенными расчетами для очистки 100 м3/сут требуется UASB-реактор объемом 30 м3. Количество генерируемого биогаза при этом составит 90-95 м3/сут. Кроме того, на кафедре биотехнологии и биоэкологии БГТУ более 10 лет проводятся исследования по созданию анаэробных технологий переработки органических отходов, послеспиртовой барды, осадков городских очистных сооружений и очистки сточных вод молоко-перерабатывающих предприятий с получением биогаза. ■
