CC BY
111
ки научно-технических и технологических реше- количество продувочных вод и сократить потреб-
ний по обработке воды, позволяющих уменьшить ление природной воды.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Методические указания МУ 2.1.5.1183-03 "Санитарно-эпидемиологический надзор за использованием воды в системах технического водоснабжения промышленных предприятий", утв. Главным государственным санитарным врачом РФ 11 января 2003 г.
2. Ушаков Г.В. Биологически очищенные сточные воды для подпитки систем оборотного водоснабжения. // Экология и промышленность России. 2007. Сентябрь. С. 20-22.
3. Ушаков Г.В., Солодов Г.А. Технологические и санитарно-гигиенические аспекты использования
биологически очищенных сточных вод в системах технического водоснабжения промышленных предприятий. // Известия Томск. политехн. ун-та. 2007. №2. С. 140-144.
4. Временные рекомендации по оценке экологической опасности производственных объектов (утв. Госкомэкологии РФ 15 марта 2000 г.).
Авторы
Басова Галина Григорьевна -канд. мед. наук, доцент Кемеровской государственной медицинской академии. Тел. 913-304-9998
Ушаков Андрей Геннадьевич
- ассистент каф. химической технологии твердого топлива и экологии Куз-ГТУ
e-mail [email protected]
Елистратов Александр Владимирович
- соискатель каф. химической технологии твердого топлива и экологии КузГТУ Тел. 3842- 36-32-85
Ушаков Геннадий Викторович
- канд. техн. наук, доцент каф. химической технологии твердого топлива и экологии КузГТУ e-mail [email protected]
УДК 504.064.45
Е.С. Брюханова, А.Г. Ушаков, Г.В. Ушаков, А. В.Елистратов
ВЫБОР УСТАНОВКИ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К УСЛОВИЯМ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ
На сегодняшний день, животноводство превращается в технически оснащенную и высокорентабельную отрасль сельского хозяйства. Одновременно с этим значительно возрастают объемы органосодержащих отходов, утилизация которых является важной проблемой. По результатам исследований Института энергетической стратегии РФ количество органических отходов агропромышленного комплекса России в 2005 г. составило: птицеводство - 5,8 млн. т; животноводство -58,3 млн. [1]. Такая ситуация актуальна для многих районов России, в особенности для территории Сибири и в частности Кемеровской области. Это связано с наличием большого числа крупных животноводческих предприятий, занимающихся как скотоводством, так и птицеводством. Кроме того, на территории Кемеровской области функционирует большое количество частных подворных хозяйств, деятельность которых связана с выращиванием скота и птицы. Также существует большое количество фермерских хозяйств, содержащих скот и птиц, однако животноводство не является для них главным направлением деятельности. Все вышеперечисленные как крупные, так и мелкие хозяйства сталкиваются с проблемой утилизации органосодержащих отходов.
На сегодняшний день в Кемеровской области
нет общепринятого способа утилизации таких отходов. В большинстве своем отходы выбрасываются на близлежащие территории или вывозятся на поля. Однако в соответствии со статьей 47 закона №7-РФ объекты сельскохозяйственного назначения должны иметь необходимые санитарнозащитные (СЗЗ) зоны и очистные сооружения, исключающие загрязнение почв, поверхностных, подземных вод, водосборных площадей, атмосферного воздуха [2, 3].
Авторами статьи предложена перспективная технология переработки и утилизации навоза крупного рогатого скота и свиней, птичьего помета путем их анаэробного сбраживания [4]. Данная технология проработана в лабораторных условиях [5] и показано, что от реализации данной технологии возможно получение биоудобрения, биогаза и других экологически чистых продуктов [6]. Доказана рентабельность данной технологии [7].
Процесс анаэробного сбраживания органосодержащих отходов осуществляется в биогазовых установках, различающиеся конструкцией биореактора, типом газгольдера, видом запорной арматуры, наличием или отсутствием системы подогрева и перемешивания, а также отличающиеся методом загрузки сырья и т. п. Главным аппаратом для проведения этого процесса является био-
реактор. Именно от его конструкции во многом зависит время протекания процесса, его эффективность, условия труда обслуживающего персонала, капитальные затраты, часто и конструкция, расположение, специфика остальных аппаратов для обработки сброженного осадка и газа [8, 9].
Целью данной работы является анализ основных видов и конструкций биогазовых установок, принципов их функционирования, а также подбор на основании проведенного анализа наиболее подходящего типа установки для условий Кемеровской области.
Особенности функционирования биогазовых установок в Западной Сибири связаны с резко континентальным климатом, когда температура воздуха может опускаться до -40... -50оС. Наличие низких температур длительное время года, а также возможность их частых перепадов очень существенно сказывается на процессе анаэробного сбраживания, поскольку он должен проводиться при соблюдении строго фиксированного температурного интервала: 35-37оС, или 57оС. Важно сделать и максимально удобными условия труда для рабочих и по возможности свести к минимуму необходимость в большом количестве операций по загрузке сырье и выгрузке продуктов переработки. Низкая температура воздуха приводит к необходимости потребления дополнительного количество топлива для обогрева биореактора, что сказывается на финансовых затратах, а следовательно и на рентабельности проекта. Во многом поэтому говорят о невыгодности или вообще, о невозможности внедрения биогазовых территорий в Сибирских условиях. Однако авторы данной статьи не согласны с этим утверждением и считают что в таких условиях самым важным этапом, определяющим успешность всего проекта, является выбор типа и конструкции биореактора, благодаря чему можно значительно снизить воздействие низких температур на процесс сбраживания.
В зависимости от расположения биореактора относительно поверхности земли, можно выделить подземные и надземные установки.
Среди конструкций подземных биореакторов выделяют три основных вида биогазовых установок [8, 10]:
■ баллонная установка. Имеет пластиковый корпус, где в нижней части находится сбраживаемый отход, а в верхней - скапливается образующийся в процессе сбраживания биогаз. Давление газа достигается за счет эластичности баллона (пластикового купола) и при размещении определенного веса сверху купола. Загрузочное и загрузочные каналы находятся непосредственно в пластмассовом кожухе биореактора (рис. 1, а) [2].
Материалом для данной установки являются УФ-стойкий и стабилизированный синтетический каучук. Баллонные установки могут выполняться как в горизонтальном, так и в вертикальном исполнении.
Преимущества данного вида установки - низкая конструкционная стоимость, стойкость к высоким температурам, легко обслуживается, очищается и опорожняется. Персоналу для строительства подобной установки не требуется специального образования.
а
б в
Рис.1. Конструкции подземных биореакторов: а - баллонная установка; б - установка с фиксированным куполом, оснащенная газгольдером; в -установка с плавающим куполом (купол установлен в сбраживаемой биомассе)
Недостатки - может иметь относительно короткий срок службы (обычно не превышает 2-5 лет) из-за прорывов, трещин, т. е. из-за высокой восприимчивости к механическим повреждениям. Из-за отсутствия возможности интеллектуального и новаторского вмешательства в конструкцию и функционирование аппаратов, потенциал самоусовершенствования баллонной установки весьма ограничен.
Установки баллонного типа можно размещать на территориях, где отсутствует вероятность повреждения кожуха.
■ установка с фиксированным куполом.
Состоит из реактора, где непосредственно происходит сбраживание, и фиксированного, неподвижного газгольдера, который располагается сверху реактора.
В процессе сбраживания образуется биогаз, который вытесняет жидкий биошлам в компенсационный резервуар. Газовое давление под сводом купола увеличивается с увеличением массы собранного газа, а также с увеличением разницы между уровнем сырья в реакторе и его уровнем в компенсационном резервуаре.
Основным материалом для строительства подобных установок являются: каменная кладка, цемент и железобетон. При эксплуатации в районах с холодным климатом, установку рекоменду-
ется изолировать теплоизоляционными материалами.
Преимущества - относительно низкие стоимости конструирования. Отсутствие перемещающихся деталей и ржавеющих стальных частей, что определяет их долговечность (20 и более лет) при правильном строительстве. Подземное строительство может сэкономить место и защитить реактор от осадков и температурных изменений окружающей среды. Применение таких установок обеспечивает возможность привлечения квалифицированных рабочих, изменения и модернизации конструкции аппарата.
Недостатки - часто возникают проблемы с газонепроницаемостью кладки, поэтому строительство должно контролироваться опытными специалистами. Стенки реактора необходимо окрашивать водо- (нижняя часть) и газонепроницаемыми (верхняя часть) красками (латексные или синтетические краски). В подобных установках возможен разрыв кладки между верхней и нижней частями реактора из-за гидростатического давления поднимающихся вверх газов. Чтобы избежать этого необходимо строительство «гибкого кольца» в разрывоопасных частях установки. Затруднения вызывает и непостоянство газового давления, которое существенно зависит от объема собранного газа. Данная проблема решается установкой регулятора давления - газгольдер и т. п. (см. рис. 1, б) [11].
■ установка с плавающим куполом.
Состоит из подземного реактора и перемещающегося газгольдера (см. рис. 1, в) [11, 12, 13]. Газгольдер может устанавливаться непосредственно на жидкой биомассе или в собственном водном бассейне. Газ, собранный в верхней части установки, поднимает вверх или опускает вниз купол (при увеличении или уменьшении количества газа). Купол удерживается в вертикальном состоянии благодаря специальной рамочной системе. Нижняя часть биореактора в основном изготавливается из кирпичей, цемента или камня; верхняя часть - из стали, окрашенной масляной или синтетической краской. Биореактор будет лучше сохранять тепло, если купол будет окрашен в черный или красный цвета, так как лучше воспринимает солнечное излучение.
Преимущества установки - установка довольно герметична, проста в строительстве и эксплуатации: объем образовавшегося газа можно увидеть непосредственно по высоте купола. Его весом определяется неизменное давление газа. Купол, оснащенный сварными уголками, при вращении способен разбивать поверхностную корку.
Недостатки - высокие материальные затраты стальной конструкции, при замене стального купола на воздушный шар можно уменьшить стоимость установки, однако возможность повреждения купола и утечки газов. Стальных части восприимчивы к коррозии, потому срок службы та-
ких установок меньше чем установок с фиксированным куполом (до 15 лет; в тропических и прибрежных областях до 5 лет).
Наибольшее распространение получили конструкции биореакторов надземного исполнения, в частности схожие с конструкцией подземных биореакторов с неподвижным колоколом [14, 15, 16,
17, 18]. Они имеют преимущества и недостатки. Отличаются легкостью в обслуживании, ремонте, обеспечивают свободный доступ персонала к установке, меньше трудностей при выгрузке продуктов. К недостаткам относится большая чувствительность к перепадам температур, необходимость в обработке поверхности (покраска, удаление ржавчины и т. д.), для строительства биореакторов больших объемов необходима достаточная территория.
Надземные установки классифицируются по конструкции (вертикальные, горизонтальные, нестандартные) и форме биореактора: цилиндрические биогазовые установки располагаются горизонтально (если установка непрерывно работающего типа), и вертикально (при циклично работающей установке). Эллипсоидные биогазовые установки имеют форму, близкую к яйцеобразной. С точки зрения процесса биометаногенеза такая форма биореактора наиболее оптимальна - в ней происходят процессы естественного перемешивания, а также отвода шлама и стока осадков. Строятся биогазовые установки подобной формы из бетона или возводятся из кирпича [8]. Кроме того, существуют биореактора нестандартной конструкции. В частности двухкамерный биореактор и-образной формы [2], биогазовые установки с реактором, разделенным на сообщающиеся между собой секции [19, 20] и другие.
По нашему мнению, подземное расположение биореактора применительно к частным фермерским подворьям для условий Сибири является наиболее приемлемым и довольно перспективным направлением. Для этого подходят установки с фиксированным куполом, оснащенные газгольдером. При строительстве их под землей, усредняются температурные перепады и снижается негативное влияние отрицательных температур, а следовательно и финансовые затраты на энергоносители для поддержания теплового режима процесса, нет необходимости в закупке дорогостоящих теплоизоляционных материалов, выдерживающих низкие температуры. Строительство установок осуществимо в условиях нехватки территории, возможно использование непригодных для иных целей герметичных емкостей, имеющиеся в наличии, что снизит капитальные затраты.
Для крупных животноводческих предприятий возможно строительство как подземных, так и надземных установок. Выбор той или иной конструкции установки диктуется наличием соответствующих экономических и материальных ресурсов, конкретными условиями эксплуатации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Панцхава Е.С., Шипилов М.М., Пауков А. П., Ковалев Н.Д., Биогаз - высокорентабельное топливо для всех регионов России // Электронный журнал энергосервисной компании «Экологические системы». - №4. - апрель 2008.
2. Федеральный закон РФ "Об охране окружающей среды" от 10.01.2002 г. № 7-ФЗ.
3. СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03.
4. Ушаков Г.В., Ушаков А.Г., Брюханова Е.С. Биотехнологические процессы в комплексной переработке отходов животноводства и птицеводства // Доклады XI международной научно-практической конференции «Химия ХХ1 век: новые технологии, новые продукты». - г. Кемерово: Кузбасский государственный технический университет, 2008 - С. 73-74.
5. Брюханова Е.С., Ушаков А.Г. Биогазовые технологии - решение проблемы качественной утилизации органических отходов // Труды Х Всероссийского студенческого научно-технического семинара «Энергетика: экология, надежность, безопасность. - Томск: ТПУ, 2008. - С. 255-259.
6. Брюханова Е.С., Ушаков А.Г. Получение биогаза из органосодержащих отходов птицеводства в лабораторном биореакторе // Сборник трудов XIV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». - Томск: Томский политехнический университет, 2008. - С. 340-342.
7. Брюханова Е.С., Ушаков А.Г. Биотехнология утилизации органосодержащих отходов птицеводства и животноводства // Материалы XIII международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий». - Новосибирск: Новосибирский государственный университет, 2008. - С. 126-127.
8. В. Баадер, Е.Доне, М. Бренндерфер. Биогаз: теория и практика (Пер. с нем.).- М.: Колос, 1982. -148 с.
9. Веденев А.Г., Веденева Т.А. ОФ «Флюид». Биогазовые технологии в Кыргызской Республике. — Б. Типография «Евро», 2006. — 90с.
10. Веденев А.Г., Маслов А.Н. Строительство биогазовых установок. Краткое руководство. - Б.: «Евро», 2006. - 28 с.
11. Werner Kossmann, Uta Ponitz. Biogas Digest// V. 1. - 2004. - 51 р.
12. А. с. RU 2226047 МКИ A01C3/02, 2003. Реактор для анаэробного сбраживания жидких органических отходов, А.Г. Пузанков [и др.] - Опубл. в 2004.
13. А. с. 2004952 МКИ RU C1 5 A01C3/00, 1992. Биогазовая установка анаэробного сбраживания фекальных масс / Промышленно-внедренческая коммерческая фирма «ПРОНКОМ», Л.Г. Голубев [и др.] -Опубл. в Б.И., 1993. - №. 47-48.
14. А. с. 112233 СССР, МКИ A1 6 A01C3/02, 1958. Резервуар-бродильник для сбраживания навозной массы и получения биогаза, И.Б. Крепис, 1957.
15. А. с. 552308 СССР, МКИ A1 6 C02F11/04, C02F103:00, 1975. Метантенк / Всесоюзный научноисследовательский институт по охране вод, М.И. Невзоров [и др.] - Опубл. в Б.И., 1977. - №. 12.
16. А. с. 791652 СССР, МКИ A1 7 C02F11/04, C02F103:00, C02F103:20, C02F103:22, 1978. Метантенк / Киевский технологический институт пищевой промышленности, С.Г. Кучеренко - Опубл. в Б.И. № 48.
17. А. с. 1684264 СССР, МКИ A1 7 C02F11/04, C02F103:20, 1991. Устройство для сбраживания биомассы / Московский научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт «Мосводоканал НИИпроект», Л.И.Монгайт [и др.] - Опубл. в Б.И., 1991. - №.38.
18. А. с. RU 2162626 МКИ C1 A01C3/00, C02F11/04, 1999. Способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов и устройство для его осуществления, Т.Я. Андрюхин - Опубл. в 2001.
19. А. с. 165017 СССР, МКИ A1 C02F11/04. Устройство для производства биогаза из навозной жижи / Научно-производственное объединение «Солнце» АН ТССР, К. Келов [и др.] - Опубл. в Б.И., 1991. - № 19.
20. А. с. 2065408, МКИ C02F3/28, 1996. Биогазовая установка / Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН, А.К. Ильин [и др.] - Опубл. 1996.
□Авторы статьи:
Брюханова Ушаков Ушаков Елистратов
Елена Сергеевна Андрей Геннадьевич Геннадий Викторович Александр Владимирович
- соискатель каф. химиче- - аспирант каф. химиче- - канд. техн. наук, доц. - соискатель каф. химиче-
ской технологии твердого ской технологии твердого каф. химической техноло- ской технологии твердого топлива и экологии. Куз- топлива и экологии. гии твердого топлива и топлива и экологии
ГТУ. Тел. 89236161636, . Тел. 3842-36-32-85, экологии КузГТУ. КузГТУ
[email protected] [email protected] Тел. 3842-36-32-85, Тел. 3842- 36-32-85
