CC BY
72
УДК 631.1.004.18:636.22/28
УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ГИБРИДНЫЙ БИОРЕАКТОР ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
Д.А. Ковалев, кандидат технических наук А.А. Ковалев, кандидат технических наук ФГБНУ ФНАЦ ВИМ E-mail: kovalev [email protected]
Аннотация. Данная статья посвящена совершенствованию конструкции анаэробных биореакторов. Описаны стадии процесса разложения органического вещества, а также один из способов улучшения условий жизнедеятельности консорциума анаэробных микроорганизмов. Предложено техническое решение для осуществления процесса анаэробного сбраживания органических отходов при повышенном давлении. Приведена технологическая схема биореактора для анаэробной переработки органических отходов под повышенным давлением. Биореактор представляет собой герметичную цилиндрическую стальную емкость, работающую под избыточным давлением до 0,2 МПа, оснащенную системами подогрева, подачи и удаления субстрата, сбора, удаления и рециркуляции биогаза. Предложено техническое решение для разрушения плавающей корки в биореакторе для анаэробной переработки органических отходов под повышенным давлением. Приведена схема газосборного колпака со встроенной сеткой на границе раздела фаз для разрушения плавающей корки. Приведено описание работы биореактора для анаэробной переработки органических отходов под повышенным давлением и показаны основные преимущества предлагаемой конструкции анаэробных биореакторов по сравнению с существующими.
Ключевые слова: анаэробная обработка, жидкие органические отходы, повышенная нагрузка по органическому веществу, повышенное давление в биореакторе.
Согласно Паспорту Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013-2020 годы, а именно Паспорту подпрограммы 5 "Техническая и технологическая модернизация, инновационное развитие", целью подпрограммы является повышение эффективности и конкурентоспособности продукции сельскохозяйственных товаропроизводителей за счет технической и технологической модернизации производства; создание благоприятной экономической среды, способствующей инновационному развитию и привлечению инвестиций в отрасль; выход агропромышленного комплекса России на лидирующие позиции в области сельскохозяйственной биотехнологии. Одной из задач, которые необходимо решить для достижения поставленной цели, является доведение удельного веса отходов сельскохозяйственного производства, переработанных методами биотехнологии, до 11,5% [1]. При устойчивом развитии сельских территорий, вклю-
чающем в себя создание комфортных условий жизнедеятельности, а также развитие животноводства, неизбежно увеличение количества органических отходов. Анаэробная обработка отходов животноводства (навоза) во всем мире признана как наиболее энергетически эффективная и позволяющая обеспечить высокое качество получаемых удобрений при одновременном получении газообразного энергоносителя - биогаза, который можно использовать для получения тепловой или электрической энергии.
Процесс разложения органического вещества в анаэробных условиях осуществляется консорциумом микроорганизмов, разрушающих углерод-углеродные связи, и разделяется на четыре последовательных стадии:
- стадия гидролиза (расщепления) сложных биополимерных молекул (белков, липи-дов, полисахаридов и др.) на более простые олиго- и мономеры: аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.;
- стадия ферментации (брожения) образовавшихся мономеров до еще более простых
веществ - низших кислот и спиртов, при этом образуются также углекислота и водород;
- ацетогенная стадия, на которой образуются непосредственные предшественники метана: ацетат, водород, углекислота;
- метаногенная стадия, которая ведет к конечному продукту расщепления сложных органических веществ - метану.
Первичные анаэробы осуществляют разложение органических веществ до предшественников метана: водорода и углекислоты, ацетата, метанола, метиламидов, формиата. Ввиду субстратной специфичности метано-генов, их развитие без трофической связи с бактериями предыдущих стадий невозможно. В свою очередь, метановые бактерии, используя вещества, продуцируемые первичными анаэробами, определяют возможность и скорость реакций, осуществляемых этими бактериями. Центральным метаболитом, осуществляющим регуляторную функцию в ме-танообразующем сообществе, является водород. За счет поддержания низкого парциального давления водорода в системе становится возможным его межвидовой перенос, меняющий метаболизм первичных анаэробов в сторону образования непосредственных предшественников метана. Если водород из системы не удаляется, то образуются более восстановленные продукты - летучие жирные кислоты и спирты. Метаболизм этих соединений осуществляется синтрофными бактериями, для жизнедеятельности которых необходимо связывание образующегося водорода метановыми бактериями [2].
Для эффективного связывания образующегося водорода метановыми бактериями необходимо обеспечить высокую концентрацию микроорганизмов в реакторе и доступность субстрата (углекислого газа и водорода) для микроорганизмов. При подаче сжатого газа в метантенке повышается концентрация растворенной углекислоты, которая, являясь акцептором водорода, снижает его парциальное давление и тем самым улучшает условия жизнедеятельности консорциума микроорганизмов, в результате чего повышается выход метана. Повышение концен-
трации углекислоты может быть достигнуто введением топочных газов, а также повышением давления в метантенке.
В работе, выполненной в МИСИ [3], показано, что для эффективного протекания процесса брожения необходимо поддерживать некоторое предельное минимальное соотношение между общим количеством растворенной углекислоты и массой органического вещества загружаемых отходов, равное 1:40. Для этого необходимо уменьшить отток газообразной углекислоты и повысить количество растворенной углекислоты одним из указанных выше методов. Поднимая давление в метантенке до 0,15 МПа, можно обеспечить хорошие показатели термофильного сбраживания при более высоких (в 2-3 раза) нагрузках (13,5-18 вместо 6 кг/м3сут) [3].
Согласно СНиП 2.04.03-85, герметичные резервуары метантенков рассчитаны на избыточное давление газа до 5 кПа, давление газа под колпаком составляет от 1,5 кПа до 2,5 кПа [4]. В метантенках очистных сооружений давление газа равно 3-3,5 кПа [5]. В работе [6] указано, что типичное давление в метантенке может варьироваться в зависимости от типа субстрата.
Для осуществления процесса анаэробного сбраживания органических отходов при повышенном давлении предлагается следующее конструктивное решение биореактора, показанное на рисунке 1. Биореактор 1 представляет собой герметичную цилиндрическую стальную емкость, работающую под избыточным давлением до 0,2 МПа, оснащенную системами подогрева 5, подачи 6 и удаления 7 субстрата, сбора, удаления и рециркуляции биогаза 3.
Корпус биореактора разделен на две секции: нижняя секция предназначена для переработки исходного субстрата с высоким содержанием органического вещества при давлении 0,15 МПа, верхняя секция предназначена для обработки надосадочной жидкости, образующейся в результате разделения исходного субстрата в нижней секции, и представляет собой биофильтр с восходящим потоком. Давление в нижней секции поддерживается с помощью газового колпака, со-
Лоигпа! оГ УШТ^Н №4(32)-2018
133
единенного с ресивером биогаза, а также за счет гидростатического напора надосадоч-ной жидкости. В верхней секции установлены вертикально ориентированные полотна углеродной ткани, являющиеся носителями микробной биомассы.
Работает биореактор следующим образом: из емкости подготовки 2 винтовым насосом подготовленный (гомогенизированный, гидролизованный, нагретый до температуры процесса) субстрат подается в нижнюю секцию биореактора, при этом осадок из донной части удаляется через патрубок густой фракции, а надосадочная жидкость, проходя между газосборным колпаком и направляющей перегородкой, поступает в верхнюю секцию биореактора. Биогаз, образующийся в процессе обработки, собирается в газосборном колпаке и по трубопроводу поступает в ресивер. В ресивере поддерживается избыточное давление биогаза. Газосборный колпак оснащен сеткой для разбивания плавающей корки (рис. 2).
Рис. 1. Технологическая схема биореактора для анаэробной переработки органических отходов под повышенным давлением
Рис. 2. Схема газосборного колпака с встроенной сеткой на границе раздела фаз для разрушения плавающей корки
Периодически биогаз из ресивера сбрасывается в нижнюю часть верхней секции, над газосборным колпаком, обеспечивая интенсивное перемешивание в верней секции, при этом происходит поднятие уровня жидкости в газосборном колпаке, что позволяет разрушать образующуюся плавающую корку. Надосадочная жидкость, проходя через промежутки между полотнищами углеродной ткани, собирается в верхней части биофильтра и выводится из биореактора через патрубок жидкой фракции. Биогаз собирается под крышкой биореактора и удаляется через патрубок биогаза. Процесс анаэробного сбраживания в нижней секции биореактора осуществляется без перемешивания, поскольку эта секция работает при высокой нагрузке по органическому веществу. Таким образом, усовершенствованный гибридный биореактор позволит перерабатывать органические отходы с получением жидких органических удобрений, очищенной сточной жидкости, подготовленной к аэробной до-очистке, и энергоносителя - биогаза, с повышенным содержанием метана.
Литература:
1. Ковалев А.А., Ковалев Д.А. Применение компрессионного теплового насоса в системе очистки навозных стоков с использованием предварительной аэробной обработки // Инновации в с.х. 2014. №3. С. 184.
2. Калюжный С.В. Итоги науки и техники. М., 1991.
3. Гюнтер Л.И., Гольдфарб Л.Л. Метантенки. М.,1991.
4. СНиП 2.04.03-85. Канализация. М., 1996. 141 с.
5. Канализация / С.В. Яковлев и др. М., 1975. 632 с.
6. Parajuli P. Biogas measurement techniques and the associated errors. Finland, 2011.
Literatura:
1. Kovalev A.A., Kovalev D.A. Primenenie kompression-nogo teplovogo nasosa v sisteme ochistki navoznyh sto-kov s ispol'zovaniem predvaritel'noj aehrobnoj obrabotki // Innovacii v s.h. 2014. №3. S. 184.
2. Kalyuzhnyj S.V. Itogi nauki i tekhniki. M., 1991.
3. Gyunter L.I., Gol'dfarb L.L. Metantenki. M.,1991.
4. SNiP 2.04.03-85. Kanalizaciya. M., 1996. 141 s.
5. Kanalizaciya / S.V. YAkovlev i dr. M., 1975. 632 s.
6. Parajuli P. Biogas measurement techniques and the associated errors. Finland, 2011.
IMPROVE HYBRID BIOREACTOR FOR LIQUID ORGANIC WASTE TREATMENT D.A. Kovalev, candidate of technical sciences A.A. Kovalev, candidate of technical sciences FGBNY FNAC VIM
Abstract. Given article is devoted to anaerobic bioreactors' design improving. The organic matter stages decomposition, as well as one of the ways of anaerobic microorganisms consortium living conditions improving are described. A technical solution of anaerobic organic waste digestion process at high pressure is proposed. The bioreac-tor's technological scheme for organic waste anaerobic processing under increased pressure is given. Bioreactor is a sealed cylindrical steel container operating under overpressure up to 0,2 MPa, equipped with substrate's heat, supply and removal systems, bio-gas collection, removal and recycle. A technical solution of floating crust destruction in a bioreactor for organic waste's anaerobic processing under high pressure is proposed. The scheme of the gas-collecting cap with the built-in grid on floating crust's phases interface destruction is given. The bioreactor operation description for anaerobic processing of organic waste under high pressure is given and the of the proposed design of anaerobic bioreactors' main advantages in comparison with the existing ones are shown. Keywords: anaerobic treatment, liquid organic waste, increased load on organic matter, increased pressure in the bioreactor.
Journal of VNIIMZH №4(32)-2018
135
