 |
|
Глава 7. Установки и системы для получения и использования биогаза
В настоящее время Россия имеет более 10 типов основных биореакторных технологий и их комбинаций для разных видов органических отходов.
Эти технологии можно разделить на 3 большие группы, взяв за основу механо-химические свойства субстрата:
1). Технологии по обработке "супержидких" стоков (в основном перерабатывающей промышленности: молочной, сахарной,консервной и др.) при влажности этих стоков 98-99 %.
2) Технологии по обработке жидких отходов с влажностью 85-96%;
3) Твердофазные технологии по обработке отходов с влажностью менее 85 %.
Первая группа технологий (рис. 25) базируется на использовании:
а) анаэробных контактных реакторов с отстойником и
рециркуляцией биомассы; принцип работы: седиментация бактериальных гранул и контакт поступающего сырья с образующимся активным илом.
 |
Рис. 25.Технология "анаэробных фильтров" (влажность стоков более 97 %)
б) реактора с неподвижным слоем ила и поступлением сырья в реактор снизу вверх или реактора с восходящим слоем (реактора Леттинги).
Работа реактора основана на спонтанном получении бактериальных гранул, образующих плотный слой на дне реактора; сточные воды, содержащие хорошо растворимые органические вещества, переходят через относительно плотную зону бактериальных гранул; минимальное время удержания субстрата 4-24 ч.
в) анаэробного фильтра, или затопленного фильтра Мак-Карти, основанного на иммобилизации метаногенных сообществ на неподвижных носителях, через которые пропускаются низкоконцетрированные жидкие стоки;
г) реакторов с псевдоожиженным и увеличенным слоем бактериальной массы, иммобилизованной на мелких инертных частицах, которые сильным потоком падающей в реактор жидкости удерживаются во взвешенном состоянии; время удержания 1 ч, производительность до 30 м3 биогаза в сутки на 1 м3 реактора.
д) реактора с неподвижно закрепленной падающей пленкой; Учтены недостатки анаэробного фильтра; носителем для бактерий является неподвижно закрепленная пленка; избыток бактерий и твердых частиц уносится потоком жидкости.
Указанные технологии позволяют значительно повысить скорость обработки (до 10 раз) субстратов, что приводит к уменьшению объемов реакторов и, соответственно, капиталовложений и эксплуатационных расходов. Процесс непрерывный, температура ферментации от 18 до 55 оС, время удерживания от нескольких часов, до нескольких суток. Нагрузка по органическому веществу на единицу объема рабочего реактора повышается с нескольких килограммов до нескольких десятков килограммов в сутки. Выход биогаза возрастает с нескольких кубометров до 20-30 м3 на 1 реактора в сутки. Преимущества этих технологий: высокие скорости обработки, снижение объема реакторов, снижение капитальных затрат.
Впервые технология, сочетающая использование неподвижного слоя ила и восходящего потока жидкости, была использована в СССР в 1960-1969 г.г. при создании производства кормового витамина Б12 с одновременным получением биогаза при переработке отходов (3000 м3 в сутки) ацетонобутиловых заводов в г. Грозном и в г. Ефремове. В последние годы эти технологии используются для создания проектов различными НИИ, а также на двух биогазовых станциях по обработке стоков свинофермы в г. Нижнегорске, в Крыму.
Вторая группа технологий основана на использовании классической технологии полного вытеснения субстрата (рис. 26). Они могут быть использованы при обработке субстратов с влажностью в пределах от 85 до 96 %. Процесс периодический, полупериодический, непрерывный. Температура ферментации от 15 до 55 оС. Время удерживания от 3 до 30 суток. Выход биогаза: минимальный - 1 м3/м3 реактора в сутки;
максимальный - от 3 до 5 м3/м3 реактора в сутки. Объемы реакторов - от 1 до 10.000 м3 . Недостатки: возможно образование "корки", необходимость перемешивания и большой расход энергии на поддержание температуры процесса.
Классическая технология получила интенсивное развитие, и на её основе создано несколько перспективных, более экономичных технологий, две из которых внедрены и внедряются в России при обработке сельско-хозяйственных отходов.
 |
Рис. 26. Технология полного вытеснения (классическая).
Рециркуляционная технология разработана Т.Я.Андрюхиным (рис. 27).
Технология используется при обработке концентрированных, вязких органических отходах (например, куриного помета), требующих разведения для создания оптимальных физико-химических условий процесса.
Рис. 27. Рециркулярная технология метангенерации куриного помета
Процесс периодический, полупериодический, непрерывный. Температура ферментации от 18 до 55 оС. Объёмы реакторов от 1 до 10.000 м3. Субстрат, имеющий влажность 75-80 %, разбавляется рециркулятом (культуральной жидкостью) до влажности 93-94 % и после подогрева до температуры ферментации подается в реактор. Время удерживания - от 5 до 50 суток. Выход биогаза от 1 м3/м3 реактора в сутки и более.
Преимущества: отсутствие избыточной жидкой фазы.
Рассмотренная технология рекомендуется прежде всего для обработки отходов птицеводства и внедрена на Октябрьской птицефабрике Глебовского ППО в Московской области.
Технология многостадийной метангенерации разработана АО "Агромед" (рис. 28). Основана на разделении природного биологического процесса метангенерации в соответствии с его бактериально-биохимическими особенностями с целью интенсификации процесса на стадии: бактериального гидролиза, кислотообразования и метангенерации.
Рис. 28. Технология многостадийной метангенерации.
Процесс непрерывный, время удерживания - 3-5 суток. Объёмы последовательно расположенных реакторов увеличиваются в соотношении 1:2:4 с повышением температуры в каждом реакторе 40 : 45 : 55 оС. В первом реакторе происходит бактериальный гидролиз; во втором - кислотогенный процесс, в третьем - метангенерация. Выход биогаза увеличивается до 500-600 м3 с 1 т навоза (на абсолютно сухое вещество) вместо 200-250 м3/т при использовании обычных технологий.
Преимущества: ускорение процесса, снижение металлоемкости и энергозатрат, увеличение газоотдачи, отсутствие коркообразования, полная гарантия экологической чистоты получаемых удобрений.
По данной технологии построены 3 биогазовые станции: в Тверской области и в Казахстане.
К третьей группе технологий относится технология твердофазной метангенерации, разработанная в институте биохимии им.А.Н.Баха РАН совместно с Академией коммунального хозяйства для обработки обезвоженных осадков сточных вод (рис. 29). Детальные исследования, проведенные в институте биохимии по научным основам твердофазной метангенерации, показали, что эти процессы могут активно протекать при влажности субстрата менее 85 % вплоть до 10 %.
Твердофазный процесс может быть непрерывным, полупериодическим и периодическим. Температура ферментации от 18 до 55 оС. Время удерживания от 5 до 30 суток. Загрузка и выгрузка осуществляется с помощью шнеков. При ферментации субстрата необходимо постоянное перемешивание. Преимущества: отсутствие дополнительной воды; отсутствие коркообразования, уменьшение объемов реактора и капитальных затрат. Недостатки: снижение газоотдачи и увеличение времени удерживания.
Рис. 29. Технология твердофазной метангенерации.
(при влажности субстрата менее 80 %)
Технология твердофазной метангенерации получила свое дальнейшее развитие и в качестве субстратов; кроме обезвоженных осадков сточных вод можно использовать: подстилочный навоз, смесь навоза, помета с соломой, твердые бытовые отходы.
В зернопроизводящих районах, где солома практически не используется, она может быть использована при совместном сбраживании с субстратом. Применение соломы увеличивает валовый выход биогаза, органических удобрений, и, что самое ценное, позволяет получать удобрения с заранее прогнозируемым соотношением азота и углерода, особенно при обработке куриного помета или жидких стоков птицефабрик.
Пример: в блок-модуле биогазовой станции по переработке 50 т куриного помета в сутки: 30 т помета (при влажности 75 %) смешивается с 15 т измельченной соломы, и смесь загружается в биореактор для твердофазной метангенерации объемом 120 м3, 20 т помета разводится 51 т воды (в дальнейшем центрифугатом) до влажности 93 % и загружаются в жидкофазный биореактор, откуда сброженная масса при влажности 96-97% поступает в реактор твердофазной метангенерации, увеличивая влажность субстрата в последнем до 80 % и одновременно обсеменяя субстрат активной анаэробной микрофлорой, создавая оптимальные физико-химические условия процесса. Истекающая жидкая фракция после дополнительного центрифугирования поступает на разбавление новых порций свежего помета. Такой блок модуль может давать в сутки до 70 т органических удобрений с влажностью 80 %, готовых к пакетированию без дополнительной сушки. Суточный выход биогаза - 11.000 м3 вместо 5.000 при обработке только помета.
 |
Для обработки твердых бытовых отходов городов разработана технология рециркулярно-твердофазной метангенерации (рис. 30). Процесс может быть периодическим и непрерывным. Влажность субстрата 60-80 %. Температура ферментации субстрата 35-55 оС. Система включает два реактора-метантенка. Реактор 1 - для твердофазной метангенерации. Загрузка сырья и выгрузка сброженной массы периодическая или непрерывная. Реактор 2 - для жидкофазной метангенерации ("анаэробный фильтр"). Жидкая фаза, обогащенная активной бактериальной массой, пропускается периодически или непрерывно через твердую фазу реактора 1, увеличивая плотность биологического катализатора, поддерживая рН среды на оптимальном уровне, благодаря постоянному удалению из зоны реакции образующихся кислых продуктов, что значительно повышает активность разложения субстрата. Выход биогаза составляет 400 м3 на 1 т обрабатываемых ТБО., биогаз содержит до 85 % метана, степень разложения органических веществ ТБО до 90-95 %.
|