Спонсор работы НТК "ЭКОЛОГИЯ",
Автор работы В. П. Кузнецов
C.т. +79050685757. E-mail: vpk-51@mail.ru/
Abstract: В данной статье рассмотрен процесс метанообразования в биореакторе оригинальной конструкции. Кроме базового варианта биореактора рассмотрены его модификации. Первый модифицированный вариант позволяет вернуть привлекаемую промывочную воду в природные условия в качестве технической. Второй вариант биореактора позволяет получать не только возврат воды в природу, но и получать кроме биогаза с высокой концентрацией метана высококачественные биоудобрения. Это происходит благодаря использованию в качестве вегетационной массы эйхорнию.
Keywords: биореактор, отходы, утилизация, режимы мезофильный и термофильный, эйхорния, биогаз, метан, анаэробные удобрения.
1. Введение
При создании крупных (более тысячи голов крупного рогатого скота, птичников с числом голов более 100000, свиноводческих комплексов с числом голов более 5000 голов) животноводческих ферм возникают проблемы переработки их отходов. Решением данной проблемы занимаются давно и одним из подходов является перевод таких отходов а анаэробные удобрения и биотопливо. Эта технология известна с древнего Китая, но в том виде она может работать лишь в регионах с жарким климатом.
Современные установки позволяют перерабатывать отходы в странах с умеренным климатом: США (более 2000 установок); Канада (около 3000 установок); Германия (6000 установок); Китай (10000 установок).
Как известно, переработка таких отходов проводится с использованием процесса брожения, в мезофильном режиме (протекающий при температуре 33 0С в течении 35 суток), или в термофильном режиме (при температуре
53 0С в течении 5 - 10 суток). В России (58 установок) используется мезофильный режим переработки, требующий больших капитальных затрат (в 3–5 раз больше, чем в ранее названных странах). Такие установки не могут быть использованы в Сибири, так как энергетически не окупают себя и имеют большие материальные затраты.
Сам процесс брожения может проводиться постадийно с использованием различных видов микроорганизмов для анаэробного разложения субстрата. Такой процесс включает следующие стадии: гидролиз субстрата, его нейтрализацию, кислотную стадию брожения, щелочная и метановая фазы. Имеются устройства, по существу метантенки, объемы, которых разделены перегородками на обособленные камеры, в каждой из которых размещена отдельно сложившаяся симбиозная группа микроорганизмов субстрата [1-7].
Эти устройства, организующие многостадийный процесс и описанные в работах [1-7], не обеспечивают высокоэффективный высокотемпературный процесс ферментации и требуют дополнительные источники тепла, ввиду чего становятся нерентабельными, т. к. имеют большое отношение площади внешней поверхности к полному объему метантенка.
Известно устройство, включающее емкость в виде цилиндра. Эта форма позволяет минимизировать потребление тепла, а значит, в этом устройстве возможна реализация высокотемпературного анаэробного процесса [8]. В данном устройстве установлен диагональный теплообменник, который создает температурные поля с большими градиентами во всех камерах, что увеличивает тепловые потери и создает температурные мертвые зоны (зоны, где ферментация не идет). Из-за наличия температурных градиентов достичь сбалансированности в стадиях в таком устройстве сложно, а зачастую и невозможно.
Этого можно избежать путем анаэробной переработки органических отходов [9], при которой ферментация осуществляется последовательно и пофазно в режиме анаэробного сбраживания измельченных и разжиженных различных органических отходов. Устройство состоит из емкости, разделенной коаксиальной, не доходящей до дна, перегородкой в виде усеченного конуса, делящей емкость устройства на внешнюю и внутреннюю камеры сбраживания с подводом сырья во внешнюю камеру. Во внешней камере осуществляется кислая ферментации и отвод отработанного осадка из внутренней камеры. Недостатками этого устройства являются большие потери тепла, несмотря на почти оптимальную форму. Кислая ферментация (требующая большего количества тепла и более быстро протекающая (24-48 часов), чем щелочная (120-240 часов)), происходит во внешней камере, и соответственно имеет большие потери тепла в окружающую среду. Это обстоятельство, в свою очередь, не позволяет пастеризовать субстрат, уменьшить объем камеры кислой ферментации и провести более глубокую переработку, а кроме того, двухкамерный режим менее эффективен по сравнению с четырех - или пяти - камерном режимом.
Рассмотрим такой вариант биореактора, в котором вышеперечисленные недостатки учтены.
2. БАЗОВЫЙ ВАРИАНТ БИОРЕАКТОРА
К решению этой проблемы можно подойти с другой стороны: для утилизации отходов деятельности животноводческих ферм Сибирского региона необходимо использовать термофильный режим с применением бактериальной переработки остаточных органических отходов. Целью разработки биореактора является: снижение потерь тепла, глубокая температурная пастеризация сырья и его гидролиз в начале процесса, обеспечение равномерной подачи сырья из камеры в камеру, минимизация мертвых зон, ликвидация температурных градиентов в объеме и, как следствие, получение более качественных биогаза и удобрений при одинаковых сроках утилизации сырья.
Предлагаемый биореактор предназначен для обеззараживания и последовательного, фазного, анаэробного разложения измельченных биологических отходов жизнедеятельности сельскохозяйственных животных, птицы, человека и отходов производства пищевой перерабатывающей промышленности с получением биогаза и обеззараженных (от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян растений) минерализованных органических удобрений, а также биокормовых добавок и витаминов группы В. Устройство может найти широкое применение для животноводческих и птицеводческих ферм, коммунальных служб городского хозяйства, а также для предприятий, перерабатывающих растительную и животную биомассу. Конечная цель разработки – получение комплексных биоудобрений и недорогого энергоносителя – биогаза.
Для разработки способа и устройства была выполнена работа по изучению процесса метанового брожения органического сырья в стационарных условиях. Это позволило выявить закономерности, присущие метановому брожению, отражённые на графиках ниже (рис. 1).
Рис. 1. Результаты биосинтеза в стационарных устройствах.
На основании полученных закономерностей разработан способ и устройство, лишённое указанных выше недостатков и на которые получен патент на изобретение [10].
Устройство содержит резервуар цилиндрической формы, разделенный внутри попеременно не доходящими до низа и верха резервуара перегородками на проточные камеры ферментации с образованием над каждой их парой обособленных газовых секций, загрузочный и разгрузочный патрубки, нагреватели субстрата и присоединенный к газовым секциям газопровод. Резервуар имеет высоту, равную его диаметру, а его объем разделен коаксиальными перегородками на пять коаксиальных камер, объемы которых равны соответственно: 3, 3, 5, 74, 15 % объема устройства, причем загрузочная камера расположена в центре устройства, а разгрузочная на периферии. Устройство обеспечивает снижение потерь тепла, глубокую температурную пастеризацию сырья и его гидролиз в начале процесса, равномерную подачу сырья из камеры в камеру, минимизацию мертвых зон, ликвидацию температурных градиентов в объеме и, как следствие, получение более качественных биогаза и удобрений при одинаковых сроках утилизации сырья.
Первая загрузочная камера является ферментатором (высокотемпературная с рабочей температурой 65-75°C, в которой проходит гидролиз и пастеризация сырья) и расположена в центре устройства и образована первой перегородкой. Объем этой камеры составляет 3% объема устройства. Вторая камера (для кислой ферментации) изолирует первую камеру от тепла и образована первой и второй коаксиальными цилиндрическими перегородками. Объем этой камеры составляет 3% от объема устройства. Третья камера (для нейтрализации) изолирует от тепла вторую камеру и образована второй и третьей коаксиальными цилиндрическими перегородками. Объем этой камеры составляет 5% от объема устройства. Четвертая камера (для щелочного метанового брожения) изолирует от тепла третью камеру и образована третьей и четвертой коаксиальными цилиндрическими перегородками. Объем этой камеры составляет 74% от объема устройства. Пятая разгрузочная камера (камера накопления отработанного сырья) образована четвертой коаксиальной цилиндрической перегородкой и корпусом устройства. Объем этой камеры составляет 15% от объема устройства.
Устройство оснащено патрубками (4-8 шт.), соединяющими периферийную придонную часть (мертвая зона) четвертой камеры с серединой, по высоте, третьей камеры. Первая перегородка является теплообменником, нагревателем сырья в камере гидролиза и камере кислой ферментации до температуры 65-75°C, не доходит до пола устройства на 5%. Зазор, созданный таким образом, является проходом сырья из первой камеры во вторую. Вторая перегородка является теплообменником, рекуператором тепла и во второй и третьей камерах охлаждает сырье до температуры протекания процесса 43-55°C. Эта перегородка не доходит до потолка на 10%. Зазор, созданный таким образом, является уровнем перелива сырья из второй камеры в третью и объединяет верхнюю часть второй и третьей коаксиальные камеры, образуя первую коаксиальную газовую секцию.
Рис 2. Симметричный коаксиальный пяти камерный реактор. Вертикальный разрез по диаметру.
Первая коаксиальная газовая секция соединена с газопроводом клапаном, управляемым датчиком давления первой секции и датчиком уровня четвертой камеры. Третья перегородка, являющейся ограждающе-сплошной, имеет на уровне пола обратные клапана, позволяющие проходить сырью только в четвертую камеру из третьей. Четвертая перегородка, теплообменник нагреватель поддерживает температуру процесса 43-55°C в четвертой камере, не доходит до потолка на 10%. Зазор, созданный таким образом, является уровнем перелива сырья из четвертой камеры в пятую разгрузочную камеру для сбора отработанного сырья. Разгрузочная камера образована между четвертой перегородкой и корпусом устройства и является периферийной. Зазор четвертой перегородки объединяет верхнюю часть четвертой коаксиальной камеры и пятой, образуя вторую коаксиальную газовую секцию. Вторая коаксиальная газовая секция соединена с газопроводом клапаном, управляемым датчиком давления второй секции и датчиком уровня четвертой камеры. Диаметры перегородок соответствуют их объемам. Для удаления неорганических веществ (песка, камня, глины) первая камера оснащена коническим дном, в которое встроен шнек с затвором-выгружателем для удаления минеральных осадков. Поступающая в первую камеру ферментатора биомасса, двигаясь сверху вниз, подвергается термическому обеззараживанию и гидратации. В нижней части первой камеры расположен шнек — устройство, собирающее и удаляющее из ферментатора тяжелые, небиологические частицы, не участвующие в процессе анаэробного сбраживания.
Обработанная и очищенная биомасса попадает во вторую камеру — камеру кислотного брожения, где двигаясь снизу вверх, начинает
Рис 3. Симметричный коаксиальный пяти камерный реактор. Горизонтальный разрез.
работать первый этап бактериального воздействия на органическое сырье. Вторая и все последующие камеры имеют верхнее закрытое газовое пространство — так называемый первичный газгольдер.
Третья камера представляет собой камеру нейтрализации, где происходит регулирование уровня pH с помощью подмеса биомассы из четвертой камеры, и вводятся спецдобавки, а также симбиоз культуры бактерий. Эта камера называется камерой кислого брожения и в ней происходит метаногенез, а так же первичное превращение органических отходов в анаэробные удобрения.
В четвертой камере (щелочного брожения) процесс завершается: выделяется метан, образуется огромная масса вымерших бактерий, представляющая из себя биогумус, выделяется вода, соединения: азотистые, калийные, фосфорные и другие, переведенные бактериями и их ферментами в легко усваиваемые компоненты для растений.
В пятую камеру — отводную попадает готовая к употреблению масса, разбавленная выделившейся водой анаэробных удобрений и представляющая собой готовое удобрение, которое впоследствии собирается в емкости для сбора удобрения.
Метановое разложение биомассы происходит под воздействием симбиоза метаногенных бактерий. В естественных условиях этот процесс слишком продолжителен. Создав бактериям оптимальные условия, процесс ускоряют в сотни раз.
В цепочке питания последующие бактерии используют продукты жизнедеятельности предыдущих и это также ускоряет процесс утилизации и позволяет полнее утилизировать сырье. Первый вид бактерий — бактерии гидролизные, второй — кислотообразующие, третий — метанообразующие.
При утилизации органики участвуют не только бактерии класса метаногенов, но и многие другие виды, образующие вместе с метаногенными бактериями симбиозы. Перерабатывая органику, эти симбиозы переводят ее без потерь в привычные для растений состояния с большим содержанием минеральных форм азота, фосфора, калия и других полезных для растений соединений, которые становятся естественными состояниями почвы. Кроме того, органика насыщается стимуляторами роста и витаминами, необходимыми растениям.
3. ПЕРВАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПРИМЕНЕНИЯ БИОРЕАКТОРА
Дальнейшая работа над темой утилизации позволила разработать общую технологическую схему (рис. 2) переработки различного вида измельченных биологических отходов жизнедеятельности сельскохозяйственных животных, птицы, человека и отходов производства пищевой перерабатывающей промышленности. Реализация этой схемы воплотилась в установке, которая позволяет осуществлять возврат воды на технические нужды в систему (рис. 3).
Рис. 4. Технологическая схема применения биореактора.
Работа биореактора осуществляется следующим образом:
· подготовка и накопление субстрата. Исходная биомасса с помощью насоса-измельчителя подается в емкость для сырья. По необходимости из емкости в ферментатор поступает определенная порция сырья. Емкость рассчитана на несколько порций.
· сбор и очистка биометана. Образующийся биогаз попадает в систему фильтрации. Фильтры дублируются, для обеспечения непрерывности процесса очистки при обслуживании. Биогаз сушится, из него извлекается сероводород, удаляются излишки углекислого газа. После очистки метан попадает в газгольдер, где происходит накопление газа, для последующего сбора.
· энергообеспечение. Метан после очистки используется для работы газового электрогенератора, обеспечивающего работу всех электрических систем, в том числе служащих источником тепла, для подогрева биомассы в ферментаторе. В реакторе реализуется термофильный режим ферментации органического сырья.
Выполненные работы позволили разработать схему утилизации отходов свиноводческого комплекса на 50000 голов с возвратом воды на технические нужды для промывки корыт свинарников в объеме 800 м3 (рис. 3).
Рис. 5. Механическая схема переработки отходов свинокомплекса на 50000 голов. Переработка основана на получении биогаза и анаэробных комплексных удобрений. Проект полностью механизирован за счет собственной энергии, срок окупаемости 2 – 3 года.
4. ВТОРАЯ МОДИФИКАЦИЯ ПРИМЕНЕНИЯ БИОРЕАКТОРА
Применение вегетационной массы упрощает технологическую схему утилизации и возврат технологической воды (рис. 4). В качестве таковой выбрана эйхорния (лат. Eichhórnia crássipes), как наиболее соответствующая поставленной цели. Данная культура имеет очень высокое содержание протеина, каротина, белков, клетчатки и витаминов А, В, С, Е, что соответствует по составу кормам 1-ого класса (ГОСТ 18691-88). Непременным условием вегетации растений является вода, загрязненная различными промышленными или бытовыми стоками и отходами, которые играют роль питательной среды.
Это плавающее водное растение, часть которого состоит из листьев и цветка (другое название эйхорнии – водный гиацинт). Ее уникальность заключается в сверхбыстром вегетационном размножении и способностью очищать воду от практически любых химических и бактериологических загрязнений. Эйхорния усваивает из воды не только навоз, фекалии, бензин и другие ГСМ, моющие вещества, различные яды. Она также убивает вредные бактерии, кишащие в водоемах, делая любую воду пригодной для купания и питья. А еще она обогащает воду кислородом, полученным в результате биосинтеза, а все вредные вещества расщепляет на составные химические элементы, становясь отличным кормом для скота и птицы.
Рис. 6. Эйхорния г. Кемерово озеро Красное июнь 2015 г.
Растения при проверке на токсичность показали содержание ниже ПДК, что позволяет сделать вывод о возможности применения растений после сушки и соответствующей обработки в качестве добавки к кормам животным и птицам при разработке рациона их питания.
Рис. 7. Схема утилизации отходов (для свинокомплекса на 50000 свиней или птицефабрики на 350000 кур). Схема основана на биореакторе (патент 2544700 и гидра теплице с эйхорнией).
Рис.8. Результаты исследования динамики размножения эйхорнии (зеленый график) и поглощающей способности вредных веществ. Здесь: N– количество растений (треугольники диаграммы) вертикальная ось слева, рождаемых в процессе воспроизводства эйхорнии; P– текущая и P0 – начальная концентрации, азотсодержащих БПК (ромбики), нефтепродуктов (квадраты), взвешенных веществ (круги) и параметра токсичности (крестики – фенол и другие). Некоторые возможности применения вегетационной массы показаны на этом рисунке. Данные для этого рисунка были получены в нашей лаборатории.
5. ВЫВОДЫ
Разработан патентозащищенный биореактор, позволяющий перерабатывать измельченные биологические отходы жизнедеятельности сельскохозяйственных животных, птицы, человека и отходов производства пищевой перерабатывающей промышленности с получением биогаза и обеззараженных (от патогенной микрофлоры, гельминтов, их яиц и семян растений) минерализованных органических удобрений (Эффлюент), а также биокормовых добавок. В нем используются различные виды бактерий: гидролизные, кислотообразующие и метанобразующие, специально подобранные для стабильного протекания всего процесса утилизации.
6. Заключение
Пилотная установка, изготовленная по данной разработке, показала полное соответствие с расчетными данными и позволила начать практическое использование в промышленных масштабах.
Литература:
1. Пат. 2062299 Российская Федерация, МПК6 С 12 М 1/107. Биореактор / Мазенко В.И.; патентообладатель Мазенко В.И. - № 5019328/13; заявл. 24.12.1991; опубл. 20.06.1996, Бюлл. № 10, 2002 г. – 5 с.
2. Пат. 2098481 Российская Федерация, МПК6 С 12 М 1/00. Бытовой метантенк / Тумченок В.И.; патентообладатель Тумченок В.И. - № 95103109/13; заявл. 28.02.1995; опубл. 10.12.1997, Бюлл. № 16, 2002 г. – 3 с.
3. Пат. 2099414 Российская Федерация, МПК6 С 12 М 1/107. Бытовой метантенк / Тумченок В.И.; патентообладатель Тумченок В.И. - № 95100620/13; заявл. 17.01.1995; опубл. 20.12.1997, Бюлл. № 16, 2002 г. – 3 с.
4. Пат. 2099415 Российская Федерация, МПК6 С 12 М 1/107. Бытовой аппарат метанового брожения / Тумченок В.И.; патентообладатель Тумченок В.И. - № 95100621/13; заявл. 17.01.1995; опубл. 20.12.1997, Бюлл. № 16, 2002 г. – 3 с.
5. Пат. 2148080 Российская Федерация, МПК7 С 12 М 1/00, А01С3/00. Установка метанового брожения / Тумченок В.И.; патентообладатель Тумченок В.И. - № 98123748/13; заявл. 30.12.1998; опубл. 27.04.2000, Бюлл. № 34, 2004 г. – 4 с.
6. Пат. 2234468 Российская Федерация, МПК7 C 02 F 3/28, C 02 F 11/04. Метантенк / Андрюхин Т.Я.; патентообладатель Андрюхин Т.Я. № 2003125928/15; заявл. 22.08.2003; опубл. 20.08.2004, Бюлл. № 23, 2010 г. – 4 с.
7. Пат. 2254700 Российская Федерация, МПК7 А 01 С 3/02. Биогазовая установка анаэробного сбраживания органических отходов / Сафин Р.Г. и др.; патентообладатель Научно-техн. Центр по разработке технологий и оборудования. – № 2003138035/12; заявл. 29.12.2003; опубл. 27.06.2005, Бюлл. № 03, 2007. – 4 с.
8. Пат. 2315721 Российская Федерация, МПК С 02 F 3/28, С 02 F 11/04. Способ анаэробной переработки органических отходов и установка для его осуществления / Мохов В.В., Фомичева Е.В.; патентообладатели Мохов В.В., Фомичева Е.В.- № 2006110378/15; заявл. 03.04.2006; опубл. 27.04.2000,– 6 с.
9. Пат. 2236106 Российская Федерация, МПК7 А 01 С 3/00, C 02 F 11/04. Способ последовательного пофазного анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов и устройство для его осуществления / Андрюхин Т.Я.; патентообладатель Андрюхин Т.Я. № 2003108559/12; заявл. 27.03.2003; опубл. 20.09.2004, Бюлл. № 09, 2010 г. – 6 с.
10. Пат. 2544700 Российская Федерация, МПК С 02 F 3/28, С 02 F 11/04. Устройство для утилизации органических отходов / Кузнецов В.П., Евдокимов А.Н.; патентообладатели Кузнецов В.П., Евдокимов А.Н. - № 2013134331/05; заявл. 22.07.2013; опубл. 20.03.2015. – 6 с.
11. ГОСТ 33380-2015 Межгосударственный стандарт. Удобрения органические. Технические условия. М.: Стандартинформ. 2016. -15 с.