Переробка та утилізація побутових відходів

Размещено на http://www.allbest.ru/

БІОЕНЕРГЕТИКА. СТАН І ПЕРСПЕКТИВИ

Такі потрясіння, як енергетична криза 1973 р. і Чорнобильська катастрофа 1986 р., змусили більшість країн переглянути свою енергетичну політику відносно темпів і перспектив використання поновлюваних джерел енергії.

Стало ясно, що недостатньо розвити екологічно чисту енергетику тільки у своїй країні, коли сусідні країни продовжують будівництво й експлуатацію атомних об'єктів, подібних по надійності четвертому блоку Чорнобильської АЕС. Необхідне об'єднання зусиль вчених різних країн в галузі розвитку нетрадиційної енергетики.

Негативні тенденції розвитку традиційної енергетики обумовлені в основному наявністю двох факторів - швидким виснаженням природних ресурсів і забрудненням навколишнього середовища. По даним ООН, виснаження покладів вугілля передбачається в 2082-2500 рр.

Перспективні технології традиційної енергетики підвищують ефективність використання енергоносіїв, але не поліпшують екологічну ситуацію: теплове, хімічне й радіоактивне забруднення навколишнього середовища може привести до катастрофічних наслідків

Біомаса -- викопні органічні речовини біологічного походження.

Поновлюване джерело енергії -- джерело енергії, що використовує енергію Сонця, вітру, Землі, біомаси, морів і океанів, річок (з використанням міні- і мікроГЕС), які існують постійно або періодично виникають у навколишньому середовищі.

У зв'язку із цим виникає необхідність виявлення можливостей раціонального використання ресурсів традиційної енергетики з однієї сторони й розвиток науково-технічних робіт з використання нетрадиційних і поновлюваних джерел енергії - з іншої.

Всі енергетичні ресурси на Землі є в остаточному підсумку продуктами діяльності Сонця. Практично вся нетрадиційна енергетика - це перетворення й використання енергії Сонця прямими й непрямими методами.

Прямі методи використання сонячної енергії засновані на перетворенні сонячного випромінювання в електричну або теплову енергію.

Непрямі методи засновані на використанні кінетичної й потенційної енергії, які виникають внаслідок взаємодії сонячного випромінювання з геосферою. Найбільшим енергетичним потенціалом характеризуються енергія вітру, енергія річок, морських припливів і хвиль, енергія біомаси

У ряді закордонних країн прийняті національні програми по освоєнню енергії нетрадиційних джерел, роботи проводяться з ініціативи державних установ, приватних фірм, забезпечується видача кредитів під низькі відсотки.

Негативні фактори розвитку традиційної енергетики в Україні виявляються особливо гостро й збільшуються дисбалансом у розвитку енергетичного комплексу, тому використання поновлюваних джерел енергії здобуває особливу значимість.

Необхідність і можливість розвитку даного напрямку енергетики обумовлені наступними причинами:

- дефіцитом традиційних для України паливно-енергетичних ресурсів;

- дисбалансом у розвитку енергетичного комплексу України, що орієнтований на значне (до 25 - 30%) виробництво електроенергії на атомних електростанціях при фактичній відсутності виробництв по одержанню ядерного палива, утилізації й переробці відходів, а також виробництв по модернізації обладнання діючих АЕС (ядерних реакторів, котельного обладнання й т.д.);

- сприятливими клімато-метеорологічними умовами для використання основних видів поновлюваних джерел енергії;

- наявністю промислової бази, придатної для виробництва практично всіх видів обладнання для нетрадиційної енергетики.

Ресурси поновлюваних джерел енергії в Україні значні, ефективне їхнє використання може скласти досить відчутну частку в енергетичному господарстві.

Так - при використанні доцільних об'ємів енергії поновлюваних джерел і можливості заміни ними нафтопродуктів, - процентне відношення цієї енергії до загальної кількості споживаних за рік у країні нафтопродуктів (300 млн. тон. у.т./рік) становить для біогазу 0,2%.

Розташування й робочі характеристики діючих енергетичних установок наведені в таблиці 1.

Таблиця 1 - Базові установки в Україні

№	Назва	Діє м3	План м3
1	Київська обл.	250
2	Нижегородський р-н, Крим	425
3	Алчевськ, Луганська обл.	1000
4	Галмазово, Черкаська обл.	170	1500
5	Суми, з-д ім.Фрунзе	300	1500
6	Запоріжсталь, Запоріжжя	250
7	Київська птахофабрика	15
8	Одеська обл.	10

Ефективним поновлюваним джерелом енергії є біомаса.

Ресурси біомаси в різних видах є майже у всіх регіонах, і майже в кожному з них може бути налагоджена її переробка в енергію й паливо.

На сучасному рівні за рахунок біомаси можна перекрити 6-10% від загальної кількості енергетичних потреб промислово розвинених країн.

Щорічно на Землі за допомогою фотосинтезу утворюється близько 120 млрд. тонн сухої органічної речовини, що енергетично еквівалентно більш 400 млрд. тонн нафти.

Використання біомаси проводиться в наступних напрямках:

- пряме спалювання;

- газифікація;

- виробництво етилового спирту для одержання моторного палива;

- виробництво біогазу із сільськогосподарських і побутових відходів.

Біомаса, головним чином у формі деревного палива, є основним джерелом енергії приблизно для 2 млрд. людин. Для більшості жителів сільських районів «третього світу» вона являє собою єдино доступне джерело енергії. Біомаса, як джерело енергії, відіграє найважливішу роль і в розвинених країнах.

У цілому біомаса дає сьому частину світового об'єму палива, а по кількості отриманої енергії займає поряд із природним газом третє місце. З біомаси одержують в 4 рази більше енергії, ніж дає ядерна енергетика.

Біогазову установку доцільно будувати:

1.Сільськогосподарським підприємствам: свинофермам; фермам КРХ; птахофабрикам; рослинницьким підприємствам; підприємствам змішаного типу.

2. Переробним підприємствам: спиртовим і біоетанольним заводам; пивоварним заводам; цукровим заводам; м'ясокомбінатам; ветеринарно-санітарним заводам; крохмальопаточним заводам; заводам з виробництва дріжджів; молокозаводам; хлібобулочним комбінатам; заводам з виробництва чіпсів і переробці картоплі; виробникам соків і консервів; виноробам; рибним цехам.

3. Тепличним господарствам.

4. Виробникам біодизеля.

5.Сміттєпереробним підприємствам.

6. Комунальним підприємствам міським очисним спорудженням.

Виробництво біогазу дозволяє запобігти викидам метану в атмосферу. Метан впливає на парниковий ефект в 21 разів більш сильно, ніж С₂, і перебуває в атмосфері 12 років. Уловлювання метану - кращий короткостроковий спосіб запобігання глобального потепління.

ТЕХНОЛОГІЯ ДОБУВАННЯ Й УТИЛІЗАЦІЇ БІОГАЗУ ПОЛІГОНІВ ТПВ

Ефективне управління переробкою відходів дозволяє не тільки запобігти деградації й знищення природних комплексів, але й оздоровити соціально-економічну ситуацію в регіоні. Грамотне управління відходами спричиняє:

§ поліпшення екологічної обстановки й здоров'я населення;

§ створення нових підприємств і додаткових робочих місць;

§ скорочення відчуження земель під смітники.

У зв'язку з різким загостренням енергетичної кризи в Україні, а також погіршенням економічної обстановки, все більш актуальним стає вирішення питань залучення в народне господарство нетрадиційних джерел енергії, одним із яких є біогаз, що утворюється на смітниках і полігонах ТПВ в результаті анаеробного розкладання органічних складових похованих побутових відходів.

Основними джерелами біогазу є такі фракції сміття як харчові відходи, папір, деревина, текстиль.

Склад біогазу, отриманого при розкладанні ТПВ наступний: метан (60%); вуглекислий газ (36%); водень (0,7%); сірководень (1-2%); азот (1,5%); ароматичні вуглеводні (0,5%); галогено-ароматичні вуглеводні (0,2%).

Встановлено, що:

1. Теплотворна здатність біогазу 5,0-5,5 тис.ккал/м³ або 22 Мдж/м³.

2. При розкладанні 1 м³ ТПВ виділяється до 1,5 м³/рік біогазу в перші 15-20 років. Потім інтенсивність його виділення різко скорочується.

3. Кількість електроенергії, яку можна одержати з 1 м³ біогазу дорівнює 1,8 кВт/г.

Площадка складування (полігон), заповнена твердими побутовими відходами, являє собою біохімічний реактор, у якому при анаеробному розкладанні органічних компонентів утворюються метаноутримуючі гази «біогаз».

У більшості розвинених країн світу наявність системи збору й утилізації біогазу є обов'язковою вимогою при будівництві полігонів ТПВ.

При відсутності на полігонах ТПВ газозбірної системи біогаз, що утворюється при розкладанні відходів, потрапляє в навколишнє середовище, заражаючи його шкідливими для людини, тварин і рослин речовинами.

При концентрації біогазу в повітрі понад 15%, воно може самозайнятися й вибухнути. Наслідки вибухів самі різні, але всі вони викликають необхідність відбудовних робіт. Для запобігання цих явищ, і для одержання нетрадиційного поновлюваного джерела енергії пропонується біогаз витягати з полігона ТПВ й утилізувати його як моторне паливо у двигунах-генераторах, а також використовувати його в котельнях для одержання тепла для потреб госпдвору полігону ТПВ.

Організується мережа вертикальних газодренажних свердловин, які з'єднуються лініями газопроводів. Компресорна установка створює в газопроводі розрідження, необхідне для транспортування газів. У такий спосіб газ подається до блоку компримірування й, далі, до блоку утилізації.

До споживача направляється готовий продукт у вигляді тепла або електроенергії.

Рисунок 1 - Блок-схема установки для видобутку й утилізації біогазу

Як приклад збору й утилізації біогазу полігона ТПВ розглянемо проект інституту "Укркомунндіпрогрес".

Біогаз, що утворився в товщі похованих на полігоні ТПВ, витягається через спеціально пробурені свердловини за допомогою вакуум-насосів і по системі трубопроводів надходить у газозбірні пункти й потім через вологовідділювач і установку очищення в газорегуляторну установку й далі на утилізацію.

До складу комплексу споруджень входять:

- група газозбірних свердловин;

-газозбірні пункти із запірно-регулюючою й контрольно-вимірювальною апаратурою;

- насосна станція з водокільцевими вакуум-насосами в якій розміщені вологовідділювачі і адсорбери;

- будівлю двигун-генераторної, де виробляється з біогазу електроенергія;

- газорегуляторна установка.

Всі спорудження, крім свердловин і газозбірних пунктів, розташовуються за межами зони складування ТПВ на території госпподвір'я.

Пристрій і принцип збору біогазу.

Для збору й відведення біогазу з товщі ТПВ на полігоні буровим способом споруджують свердловини із кроком 30 м по всій площі полігона, які з'єднуються між собою трубопроводами.

Свердловини буряться на всю глибину шару складованих відходів до протифільтраційного екрана. У якості газовідводних труб використовуються перфоровані поліетиленові труби. Отвори або пропили розташовуються в шаховому порядку. Верхня частина труби довжиною 1,5-2,0 м повинна бути суцільною, без перфорації. Нижня частина свердловини засипається щебенями великих фракцій, потім в неї опускається труба.

Простір між трубою й стінкою свердловини засипається щебенями. Площа навколо свердловини радіусом 1,5 - 2,0 м ізолюється шаром глини товщиною 0,3 - 0,4 м.

Устя свердловини обладнується з/б плитою ПО-2 і камерою, у якій розташовується запірно-регулюючі арматури й пробоввдбірник для контролю хімічного складу біогазу.

1. Зі свердловини біогаз по магістральному трубопроводу, що об'єднує до 9 свердловин, надходить до газозбірних пунктів.

2. Свердловина підключається до магістрального газопроводу за допомогою гумово-тканинного рукава.

3. Насосна станція (дегазаційна установка ДУ) призначена для добування біогазу з товщі сміття шляхом відсмоктування через свердловини й забезпечує його стабільне надходження на установку утилізації.

Вакуум-насоси прийняті з електродвигунами у вибухобезпечному виконанні.

Вакуум-насоси створюють у системі трубопроводів незначне зниження тиску (близько 10 см водяного стовпа), достатнє для того, щоб газ дифундував зі сміттєвої товщі в газозбірники й на подолання місцевих опорів газопроводів.

4. У будівлі насосної встановлені вологовідділювачі й установка для очищення біогазу (адсорбер і фільтр).

Вологовідділювач - горизонтальна циліндрична ємність із поперечними перегородками.

За рахунок різкого зменшення швидкості газового потоку, волога осаджується на пластинах, стікає в нижню частину ємності й періодично видаляється.

5. Очищення біогазу відбувається в адсорберах - вертикальних циліндрах зі знімною кришкою. Усередині знаходяться контейнери, у які завантажується сорбент. Днище контейнера виконане з металевої сітки з осередками 2 - 4 мм. Завантаження - активоване вугілля АГ-3 (АГ-5) або цеоліт.

Швидкість руху біогазу через шар сорбенту 5 - 7 мм/с; час контакту газу із сорбентом - 5 хв.

6. Для згладжування нерівномірності надходження й споживання біогазу служить газорегуляторна установка ( резервуари-накопичувачі) з регуляторами тиску газу.

БІОГАЗОВА УСТАНОВКА НА ТВЕРДИХ ПОБУТОВИХ ВІДХОДАХ

При сортуванні сміття, серед іншого, утворюється велика кількість харчових відходів до 30%-35% від загального об'єму. Харчові відходи при анаеробному бродінні дають біогаз.

Таким чином, сміттєпереробний завод може користуватися біогазом або електрикою при спалюванні біогазу.

Харчові відходи отримані після відділення на сміттєпереробному заводі мають деякі відмінності від інших органічних відходів:

1. Наявність неорганічних з'єднань до 15% від загального об'єму.2. Морфологія й розмір фракцій.

Тому харчові відходи переробляються за спеціальною двостадійною технологією. Особливість полягає в наявності додаткової ділянки попередньої підготовки харчових відходів.

1. Після розподілу харчові відходи з різним фракційним складом транспортуються до механічного подрібнювача.

2. Утворена в результаті здрібнювання однорідна маса із залишками неорганічних і мінеральних включень надходить на наступну ділянку видалення неорганічних включень.

Видалення неорганічних фракцій (із щільністю меншою, ніж вода) забезпечується за допомогою гідравлічного відстоювання в спеціальному резервуарі. Неорганічні включення щільністю менше 800 кг/м³ спливають у верхній шар і приділяються спеціальним пристроєм.

3. Нейтралізація водяного розчину органічних сполук від вірусів і бактерій провадиться в трубчастому стерилізаторі при температурі близько 700⁰С протягом 1 години.

4. Насосом з резервуара водяний розчин транспортується в критий резервуар, що є акумулятором на період стерилізації.

5. З акумулятора розчин насосом подається на трубчастий стерилізатор на вході якого встановлений теплообмінник. Нагрівання розчину відбувається в теплообміннику й витримується необхідний час у трубчастому стерилізаторі. У такий спосіб розчин циркулює протягом 1 години по замкнутому контуру акумулятор - насос - стерилізатор.

Під час нагрівання в критому резервуарі водяний розчин знижує щільність до 850 кг/м³, що робить більш якісним процес осадження фракцій з більшою щільністю. Для реалізації цього процесу напрямок потоку змінюється під кутом 90⁰, і в нижній частині збираються дрібні частки важких фракцій. Ці частки вивантажуються шнековим транспортером, що встановлений у нижній частині резервуара.

Підготовлений водяний розчин органічних речовин здобуває якість живильного субстрату для мікроорганізмів.

6. Далі субстрат після витримки на ділянці стерилізації транспортується насосом на ділянку гідролізу (реактор гідролізу), у якому він перебуває 8-10 діб. Там створюються спеціальні температурні умови, підвищується вологість і контролюється рівень рН.

7. З реактора гідролізу йде дозована подача у ферментатор, що є найважливішим чинником для збереження бактеріального балансу.

8. Біогаз збирається в зовнішніх газгольдерах, виготовлених з міцного розтяжного матеріалу.

Необхідною умовою протікання реакції є температура розчину 25-28⁰С и ретельне перемішування. Тому резервуар обладнаний внутрішнім настінним радіатором опалення й системою механічного перемішування.

Субстрат містить найпростіші спирти й ацетат, які розчинні у воді.

Отриманий субстрат під тиском завантажується в герметичний ферментатор бродіння, де проходить остаточна стадія переробки гною в біогаз й біодобрива протягом 30 діб.

Необхідною умовою проходження реакції є температура розчину 36-38 С^o і рівномірне завантаження субстрату по всій площі реактора. Подача сировини у ферментатор відбувається 8-12 разів на добу в програмно-тимчасовому режимі за допомогою насоса.

Всередині реактора знаходиться система змішування, що гарантує повне й дбайливе перемішування. Вивантаження перебродженого субстрату відбуваються автоматично з такою ж періодичністю, як і завантаження. Керування роботою всієї біогазової станції провадиться по командах від центрального програмного модуля в програмно-тимчасовому режимі й по датчиках граничних значень.

Вироблений біогаз збирається в газгольдері. Газгольдер використовується як перекриття ферментатора біогазової установки й виконує функцію зберігання газу. Мембрана має високу стійкість до ультрафіолету й озону, і низьку пропускну здатність біогазу. Матеріал стійкий до підпалу і є надзвичайно розтяжним.

Відведення біогазу відбувається по трубопроводу, що оснащений пристроями автоматичного відводу конденсату й запобіжних пристроїв, які захищають газгольдер від перевищення припустимого тиску. Пристрої працюють по датчиках граничних значень.

З газгольдера йде безперервна подача біогазу на когенераційну установку або систему очищення газу. Перероблений субстрат після установки подається на сепаратор. Система механічного розділення працює від 8-12 разів у добу в програмно-тимчасовому режимі й розділяє залишки бродіння після ферментатора на тверді й рідкі біодобрива.

Транспортування твердої фракції біодобрив здійснюється навантажувачем, а транспортування рідкої фракції - за допомогою насоса й трубопроводу в лагуну для зберігання. Тверді добрива можна використовувати на власних полях або підсушувати, запаковувати в мішки й продавати.

Рисунок 2 - Газгольдер

З однієї тони харчових відходів можна отримати 160-200 м³ біогазу

Рисунок 3 - Загальний вигляд біогазової установки на харчових відходах

ПЕРЕРОБКА БІОМАСИ (ОРГАНІЧНИХ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ І ПОБУТОВИХ ВІДХОДІВ) МЕТАНОВИМ ШУМУВАННЯМ З ОДЕРЖАННЯМ БІОГАЗУ

Відходи сільського господарства й харчової промисловості також дозволяють одержувати енергію. Енергію з нічого. Такими відходами можуть бути гній худоби, свиней, пташиний гній, відходи боєнь, пивна дробина, післяспиртова барда, буряковий гніт, каналізаційні стоки й ін.

У нетрадиційній енергетиці особливе місце займає переробка біомаси (органічних сільськогосподарських і побутових відходів) метановим шумуванням з одержанням, біогазу, що містить близько 70% метану, і знезаражених органічних добрив. Надзвичайно важлива утилізація біомаси в сільському господарстві, де на різні технологічні потреби витрачається велика кількість палива й безупинно зростає потреба у високоякісних добривах. Усього у світі в цей час використовується або розробляється біля 60-ти різновидів біогазових технологій.

Біогаз -- це суміш метану й вуглекислого газу, що утворюється в спеціальних реакторах -- метантенках, улаштованих і керованих таким чином, щоб забезпечити максимальне виділення метану. Енергія, одержувана при спалюванні біогазу може досягати від 60 до 90% тієї, котрою володіє вихідний матеріал. Однак біогаз одержують із рідкої маси, що містить 95% води, так що на практиці вихід досить важко визначити.

Інше, і дуже важливе, достоїнство процесу переробки біомаси полягає в тому, що в його відходах утримується значно менше хвороботворних мікроорганізмів, ніж у вихідному матеріалі.

Одержання біогазу економічно виправдано і є кращим при переробці постійного потоку відходів (стоки тваринницьких ферм, боєнь, рослинних відходів і т.д.). Економічність полягає в тому, що немає потреби в попередньому зборі відходів, в організації й управлінні їхньою подачею; при цьому відомо, скільки й коли буде отримано відходів.

Переробка відходів на біогазових установках дозволяє одержати: біогаз, електроенергію, тепло, біодобрива, утилізацію або очищення, паливо для автомобілів.

У процесі шумування з біовідходів виробляється біогаз. Цей газ може використовуватися як і звичайний природний газ для обігріву, виробітку електроенергії. Його можна стискати, використовувати для заправлення автомобіля, накопичувати, перекачувати.

1. З одного м³ біогазу можна виробити 2 кВт• год електроенергії ( біо-газ при спалюванні в генераторі дає електроенергію).

Електрика утворюється без перепадів, як у суспільній мережі. Для роботи когенераційної^* установки біогаз очищається від сірки й вологи.

^*Когенераційні установки - являють собою обладнання для комбінованого виробництва електроенергії й тепла, у них застосовуються газопоршневі двигуни внутрішнього згоряння, пристосовані до роботи на біогазі.

2. В установці від охолодження електрогенератора виробляється тепло без додаткового спалювання газу.

Тепло можна використовувати:

· для обігріву приміщень,

· технологічних цілей,

· одержання пару.

Тепло можна одержувати при охолодженні двигуна в когенераційній установці. Так само біогаз можна спалювати напряму.

Як варіант, тепло може використовуватися для приведення в дію випарників рефрижераторів.

3. Переброджена маса - це екологічно чисті рідкі й тверді добрива (біогумус).

Будь-які відходи ще не є добривом. Основна частина органічних відходів накопичується в місцях виробництва, їхні об'єми великі, а для того, щоб вони стали добривом повинний пройти час. За тривалий період їх накопичується величезна кількість. І чим довше вони лежать, тим більше втрачають живильних речовин. Тому виникає потреба в ефективній їхній переробці.

Біогазова технологія дозволяє прискорено одержати за допомогою анаеробного зброджування натуральне біодобриво, що містить біологічно активні речовини й мікроелементи. Основною перевагою біодобрив у порівнянні із традиційними добривами, є форма, доступність і збалансованість всіх елементів живлення, високий рівень гуміфікації органічної речовини.

Органічна речовина служить потужним енергетичним матеріалом для ґрунтових мікроорганізмів, тому після внесення в ґрунті відбувається активізація азотофіксуючих і інших мікробіологічних процесів.

Фактори, перераховані вище, позитивно впливають на ґрунт, поліпшують фізико-механічні властивості грунту, і як наслідок при використанні збалансованих біодобрив після біогазової установки, урожайність підвищується на 30-50%.

4. Біогаз після очищення від С₂ - це метан, яким заправляють автомобілі.

Для заправлення автомобілів встановлюється додаткова система очищення біогазу до біометану. Після такого очищення, отриманий газ - аналог природного газу (90-95 % метану CH₄) тільки різниця в його походженні. Таким метаном можна й варто заправляти техніку.

Сьогодні вже існує величезна мережа метанових заправних станцій. В умовах подорожчання дизельного палива використання метану стає більш вигідним.

По своїх характеристиках 1 м³ метану - еквівалент 1 л солярки.

При очищенні біогазу на тім же обладнанні крім метану виходить СО₂, залежно від потреб його можна одержати в газоподібному або зрідженому стані. У кожному разі цей газ є товаром і теж іде в прибуток.

1. Утилізація або очищення

Біогазова установка - це сама активна система очищення.

Будь-які інші системи очищення споживають енергію, а не виробляють. Продукти будь-якої системи очищення потрібно ще продавати, а продукт біогазової установки потрібний підприємству самому.

Оскільки процес відбувається без доступу повітря (ферментатори повністю герметичні), то запахи при переробці не поширюються.

Біогазова установка дозволяє усунути основну масу забруднюючих органічних речовин, тому після установки відходи не мають огидного специфічного запаху.

Після звичайних систем очищення відходи так і залишаються відходами. Після біогазової установки - це високоякісні добрива.

Одержання біогазу, можливе в установках самих різних масштабів, особливо ефективно на агропромислових комплексах, де існує можливість повного екологічного циклу.



Рисунок - Схема бродіння органічних речовин

переробка біогаз природний побутовий

*Одна група мікроорганізмів, звичайно називана кислотоутворюючими бактеріями, або бродильними мікроорганізмами, розщеплює складні органічні сполуки (клітковину, білки, жири й ін.) у більш прості, при цьому в середовищі, що бродить, з'являються первинні продукти шумування -- летучі жирні кислоти, нижчі спирти, водень, оксид вуглецю, оцтова й мурашина кислоти й ін.

Ці менш складні органічні речовини є джерелом живлення для другої групи бактерій

--** метаноутворюючих, які перетворюють органічні кислоти в необхідний метан, а також вуглекислий газ і ін.

«Метанове зброджування» відбувається при розкладанні органічних речовин у результаті життєдіяльності двох основних груп мікроорганізмів. Хоча в цьому складному комплексі перетворень бере участь безліч мікроорганізмів, за деяким даними -- до тисячі видів, але головні з них все-таки метаноутворюючі бактерії. Вони значно повільніше розмножуються й більш чутливі до змін навколишнього середовища, ніж кислотоутворюючі мікроорганізми-бродильщики, тому спочатку в зброджуваному середовищі накопичуються летучі кислоти, а першу стадію метанового зброджування називають кислотною. Потім швидкості утворення й переробки кислот вирівнюються, так що надалі розкладання субстрату й утворення газу йдуть одночасно. І природно, від умов, які створюються для життєдіяльності метаноутворюючих бактерій, залежить інтенсивність газовиділення.

Як кислотоутворюючі, так і метаноутворюючі бактерії зустрічаються в природі повсюдно, зокрема в екскрементах тварин. Вважається, що в гної великої рогатої худоби є повний набір мікроорганізмів, необхідних для йогозброджування. І підтвердженням цьому є те, що в рубці й кишечнику жуйних тварин постійно йде процес метаноутворення. Отже, немає необхідності застосовувати для одержання біогазу чисті культури метаноутворюючих бактерій для того, щоб викликати процес шумування. Досить лише забезпечити вже наявним у субстраті бактеріям відповідні умови для їхньої життєдіяльності.

При анаеробному зброджуванні органічні речовини розкладаються у відсутності кисню. Цей процес містить у собі два етапи (рисунок 8).

На першому етапі складні органічні полімери (клітковина, білки, жири й ін.) під дією природного співтовариства різноманітних видів анаеробних бактерій, розкладаються до більш простих сполук: летучих жирних кислот, нижчих спиртів, водню й окису вуглецю, оцтової й мурашиної кислот, метилового спирту.

На другому етапі метаноутворюючі бактерії перетворюють органічні кислоти в метан, вуглекислий газ і воду.

Первинні анаероби представлені різноманітними фізіологічними групами бактерій: клітиноруйнуючими, вуглецьзброджуючими (типу маслянокислих бактерій), аммоніфіцируючими (розкладаючими білки, пептиди, амінокислоти) бактеріями, що розкладають жири й т.д. Завдяки цьому складу, первинні анаероби можуть використовувати різноманітні органічні сполуки рослинного й тваринного походження, що є однією з найважливіших особливостей метанового співтовариства. Тісний зв'язок між цими групами бактерій забезпечують достатню стабільність процесу.

Метанове шумування протікає при середніх (мезофільне) і високих (термофільне) температурах.

Найбільша продуктивність досягається при термофільному метановому шумуванні. Особливість метанового консорціуму дозволяє зробити процес шумування безперервним.

Для нормального протікання процесу анаеробного шумування необхідні оптимальні умови в реакторі: температура, анаеробні умови, достатня концентрація живильних речовин, припустимий діапазон значень рН, відсутність або низька концентрація токсичних речовин.

Температура в значній мірі впливає на анаеробне шумування органічних матеріалів. Щонайкраще шумування відбувається при температурі 30--40 °С (розвиток мезофільної бактеріальної флори), а також при температурі 50--60 °С (розвиток термофільної бактеріальної флори). Вибір мезофільного або термофільного режиму роботи ґрунтується на аналізі кліматичних умов. Якщо для забезпечення термофільних температур необхідні значні витрати енергії, то більш ефективною буде експлуатація реакторів при мезофільних температурах.

Метанові бактерії проявляють свою життєдіяльність у межах температури 0-70?С. Якщо температура вище вони починають гинути, за винятком декількох штамів, які можуть жити при температурі середовища до 90⁰С. При мінусовій температурі вони виживають, але припиняють свою життєдіяльність. У літературі як нижню границю температури вказують 3-4⁰С.

Поряд з температурними умовами на процес метанового шумування й кількість одержуваного біогазу впливає час обробки відходів.

При експлуатації реакторів необхідно проводити контроль за показником рН, оптимальне значення якого перебуває в межах 6,7-7,6. Регулювання цього показника здійснюється шляхом додавання вапна.

При нормальній роботі реактора одержуване біогаз містить 60-70% метану, 30-40% двоокису вуглецю, невелику кількість сірководню, а також домішки водню, аміаку й окислів азоту.

Найбільш ефективні реактори, що працюють у термофільному режимі при 43--52 °С. При тривалості обробки гною 3 дні вихід біогазу на таких установках становить 4,5 л на кожний літр корисного об'єму реактора. У вихідну масу для інтенсифікації процесу анаеробного шумування гною й виділення біогазу додаються органічні каталізатори, які змінюють співвідношення вуглецю й азоту в масі, що шумує (оптимальне співвідношення С/N=20/1 - 30/1). Як такі каталізатори використовуються глюкоза й целюлоза.

Одержуваний при шумуванні біогаз має теплоту згоряння 5340--6230 ккал/м³ (6,21+7,24 кВт.г/ м³).



Рисунок - Схема біогазової установки ZORG™

Розглянемо принцип роботи біогазової установки на прикладі установки ZORG™.

1. Рідкі біовідходи перекачуються на біогазову установку фекальними насосами по бардопроводу або трубопроводу гноєвидалення (каналізаційна насосна станція (КНС) перебуває в спеціальному технологічному приміщенні).

Рідкі відходи попадають не прямо в реактор, а в попередню ємність. У цій ємності відбувається гомогенізація маси й підігрів (іноді охолодження) до необхідної температури. Звичайно об'єм такої ємності на 2-3 дня.

2. Тверді відходи (наприклад, гній) доставляються по транспортерній стрічці, а із сховища гною - трактором. Тверді відходи можуть завантажуватися в ємність із рідкими відходами й перемішуватися з ними. Або тверді відходи завантажуються в спеціальний шнековий завантажник.

3. З ємності гомогенізації й завантажника твердих відходів біомаса (гній або барда) надходить у реактор (інша назва біореактор, метантенк, ферментатор). Реактор (біореактор, метантенк, ферментатор) є газонепроникним, повністю герметичним резервуаром з кислотостійкого залізобетону. Всередині реактора (метантенка, ферментатора) підтримується фіксована для мікроорганізмів температура. Температура в реакторі мезофільна (30-41°С). В окремих випадках застосовуються реактори з термофільним режимом (близько 55°С).

Перемішування біомаси усередині реактора провадиться декількома способами. Спосіб перемішування вибирається залежно від типу сировини, вологості й інших параметрів. Реактори бувають із дерев'яним або залізобетонним зводом. Термін служби реактора більш 25-30 років.

4. Підігрів реактора ведеться теплою водою.

5. Якщо біогазова установка комплектується когенераційною установкою (теплоелектрогенератором), то вода від охолодження генератора використовується для підігріву реактора. Вода спеціально підготовлена й рециркуляційна.

У зимовий період біогазовій установці потрібно до 70% вторинного тепла відведеного від теплоелектрогенератора. У літній - близько 10%.

6. Якщо біогазова установка працює тільки на виробництво газу, тоді тепла вода береться від спеціально встановленого водогрійного казана. Витрати теплової й електричної енергії на потреби самої установки становлять від 5 до 15% всієї енергії, що дає біогазова установка.

Середній час гідравлічного відстоювання усередині реактора (залежно від субстратів) - 20-40 днів. Протягом цього часу органічні речовини усередині біомаси метаболізуються (перетворюються) мікроорганізмами. Для кукурудзяного силосу період шумування складає 70-160 днів. Період шумування визначає об'єм реактора.

Всю роботу зі шумування відходів пророблять анаеробні мікроорганізми. У біореактор мікроорганізми вводяться один раз при першому запуску. Далі ніяких добавок мікроорганізмів і додаткових витрат не потрібно. Введення мікроорганізмів провадиться одним із трьох способів:

1) введення концентрату мікроорганізмів;

2) додавання свіжого гною;

3) додавання біомаси з іншого діючого реактора.

Звичайно використовується 2 і 3 спосіб через дешевину. У гної мікроби присутні й потрапляють у нього ще з кишечника тварин. Ці мікроорганізми корисні й не приносять шкоди людині або тваринам. До того ж реактор - це герметична система. Тому реактори, а точніше їх назвати ферментерами, розташовуються в безпосередній близькості від ферми або виробництва.

На виході маємо два продукти: біогаз й біодобрива (компостируваний і рідкий субстрат).

7. Біогаз зберігається в ємності для зберігання газу - газгольдері. Тут у газгольдері вирівнюються тиск і склад газу. Термін служби газгольдера 15 років. Газгольдер герметично накриває реактор зверху. Над газгольдером накривається додатково тентове накриття. У простір між газгольдером і тентом накачується повітря для створення тиску й теплоізоляції. Запас об'єму газгольдерів звичайно 0,5-1 день.

8. З газгольдера йде безперервна подача біогазу в газовий або дизель-газовий теплоелектрогенератор. Тут уже виробляється тепло й електрика. Великі біогазові установки мають аварійні смолоскипові установки на той випадок, якщо двигун/двигуни не працюють і біогаз треба спалити. Газова система може містити в собі вентилятор, конденсатовідводчик, десульфулізатор і т.п.

9. Всією системою управляє система автоматики. Система контролює роботу насосної станції, мішалок, системи підігріву, газової автоматики, генератора. Для управління досить усього 1 чоловіка 2 години на день. Ця людина веде контроль за допомогою звичайного комп'ютера. Після 2-х тижневого навчання на установці може працювати людина без особливих навичок, тобто після училища.

10. Маса, що перебродила, - це біодобрива, готові до використання. Рідкі біодобрива відділяються від твердих за допомогою сепаратора й зберігаються в ємності для зберігання біодобрив. У Німеччині цей субстрат - аміачна вода в основному використовується як добриво через високу концентрацію аміаку (NH₄).

11. З ємності зберігання рідких добрив насосами маса перекачується в бочки-причепи й вивозиться на поля або на продаж. Як варіант можливий комплектація біогазової установки лінією фасування й упакування біодобрив у склянки по 0,3; 0,5, 1,0 л.

11. Тверді добрива зберігаються на спеціальній ділянці. Якщо біодобрива не представляють ніякого інтересу для власника й потрібно позбутися від рідкого субстрату, тоді біогазова установка комплектується пристроями з додатковими ступенями очищення.

Список літератури

1. Сабитов Р. Отчет по проекту «Оценка потребностей местных сообществ» в Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды. Август, 2001 г.

2. Тодорова Н. “Энергия... из мусорной кучи?” Газета «Казахстанская правда» № 192 от 16 августа 2001 г.

3. Інтернет-джерела:

- http://www.ecologylife.ru

-www.ecologylife.ru/utilizatsiya-2003.

-www.rav.com.ua/ru/news/company/archive/2008-/22

-www.aris.ru

-www.ccssu.ccssu.crimea.ua

-www.energobaza.newmail.ru

-www.enviro-chemie.ru

-www.frunze.com.ua

-www.ic.sci-nnov.ru

-www.kcn.ru

-www.lib.cango.net.kg

-www.mte.gov.ru

-www.osib.elektra.ru

-www.unilib.neva.ru

Размещено на Allbest.ru