Звіт по практиці в УкрНДІспиртбіопрод

В основі роботу у біогазоторенні закладені біологічні процеси бродіння та розкладання органічних речовин під впливом метаноутворючих  бактерій в анаеробних умовах, які характеризуються відсутністю вільного кисню, високої вологості і температурного середовища 15-20˚ для  психофільних, 30-40˚ для  мезофільних і 50-70˚ для термофільних бактерій.

Анаеробне бродіння здійснюється в герметичній ємності – реакторі

(метантанку) звичайно циліндричної  форми горизонтального або вертикального  розташування. Для ефективного бродіння  в порожнині  реактора необхідно  підтримувати постійну температуру  відповідно до прийнятого режиму  бродіння: мезофільного або термофільного і здійснювати регулярне перемішування зброджуваної сировини.

Слід зауважити, що мезофільний режим вимагає менше  затрат тепла, але розпад органічних речовин при такій температурі відбувається повільніше і не в повному обсязі.

Термофільний режим переробки сировини вимагає більше затрат тепла, має вищу швидкість розпаду, більший вихід біогазу і найменше шкідливий для навколишнього середовища. Однак цей режим трохи складніший для реалізації і контролю.

В процесі бродіння відбувається виділення біогазу,  який містить 40-70% метану, 30-60% вуглекислого газу, біля 1% сірководню і невелику кількість азоту та водню. Об’ємна теплота згорання біогазу складає біля 22 МДж.

Кількість утворюваного біогазу для процесу, який нормально проходить при температурі 35-37˚С і середньому часі утримання сировини в реакторі протягом 10 днів, знаходиться в межах 30-70 м 3 біогазу на тонну сировини на добу.

Метанове бродіння стічних вод і органічних відходів починається при створенні анаеробних умов без спеціальної мікробної інокуляції за рахунок мікроорганізмів, що спонтанно розвиваються, присутніх у воді або відходах і довкіллі. Процес анаеробного перетворення органічних речовин з утворенням біогазу (метанове бродіння або біометаногенез) протікає через 4 послідовних стадії :

1. стадія гідролізу складних біополімерних молекул (білків, ліпідів, полісахаридів та ін.) на простіші оліго- і мономери : амінокислоти, вуглеводи, жирні кислоти та ін.;
2. кислотогенна стадія - мономери, що утворилися, конвертуються бактериями-бродільщіками в ряд простих з'єднань : леткі жирні кислоти, спирти, молочну кислоту, метанол, Н2, NH3 і H2S;
3. ацетогенная стадія - продукти, що утворилися на попередній стадії, конвертуються в ацетат, Н2, С02;
4. метаногенная стадія - оцтова кислота, Н2 і СО2, мурашина кислота і метанол трансформуються в метан і С02.

Всі ці перетворення здійснюють складні за складом спільноти мікроорганізмів ( декілька сотень видів ), серед яких переважають бактерії.

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Технологічні аспекти виробництва біогазу

У сучасних умовах для людства є дуже важливо дві проблеми: дефіцит енергоносіїв і охорона довкілля. Саме ці проблеми зумовили формування нового научково-технічного напряму – біоенергетики, суть якого полягає в отриманні і використанні енергії палива з поновлюваної органічної сировини: - рослинної біомаси, сільськогосподарських, побутових і промислових відходів. Запаси рослинної біомаси на Землі оцінюються в 1836 млрд. т, що по енергозмісту эквівалентно 640 млрд. т нафти.                    

Природоохоронний аспект біоенергетики очевидні: енергетична переробка відходів призводить до значиному зменшенню забрудненості довкілля.

Способи отримання енергії і палива з рослинної біомаси і відходів різноманітні: спалювання, суха перегонка, гідроліз з наступною біоконверсією продуктів гідролізу, ферментативне анаеробне розкладання.

Найбільший інтерес представляють економічні анаеробні технології: метанове зброджування з отриманням біогазу; біоконверсія в етанол; анаеробна ферментація з утворенням ацетону, бутанола і водню. Одним з найбільш ефективних методів переробки органічних відходів є метанове зброджування, в результаті якого органічні речовини відходів перетворюються на біогаз. Склад біогазу, а також його вихід сильно залежать від природи (хімічного складу) відходу, що переробляється, і коливається в досить широких межах. Енергетичний потенціал біогазу складає 20-27 МДж/н.м3, щільність за нормальних умов 0,98-1,40 кг/м3. По теплотворній здатності 1 н. м3 біогазу еквівалентний 0,6 дм3 гасу, або 1,5 кг вугілля.

Відомо, що розвиток біогазових технологій дозволяє вирішувати проблеми, які особливо характерні для сільської місцевості:

• екологічну - утилізація відходів агропромислового комплексу, побутових відходів;
• енергетичну - отримання газоподібного палива, электри-ческой і тепловій енергії;
• біореактори з прикріпленою біомасою - анаеробні біофільтри з нерухомим шаром завантаження, біореактори з псевдозрідженим шаром носія;
• біореактори з гранульованою біомасою активного мулу;

комбіновані биореакторь:

Як завантаження (носія) для закріплення біоплівки і уловлювання флокул активного мулу використовують найрізноманітніші матеріали: пластмасові керамічні елементи (гофровані або гладкі кільця, труби, листи), пенополиуретан, "Йоржі" і "Вии" із скловолокна або синтетичних ниток, гранули із спінених і композиційних матеріалів, синтетичні тканини і неткані матеріали, активоване вугілля, спеціальні носії з обпаленого пористого скла (матеріал SIRAN) і т. д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. Переваги та недоліки анаеробних технологій очистки стічних вод порівняно з аеробними

Перевагами анаеробних технологій очистки стічних вод перед традиційними аеробними такі:

• Низька потреба у електропостачанні, бо відсутні аерація стоків та циркуляція активного мулу.
• Малий приріст біомаси активного мулу, який являється відходом. У аеробних процесах утворюється приблизно 1,0-1,5 кг мулу на 1 кг деструктивних забруднювачів ( по БСК), а в анаеробних –  0,1-0,2  кг.
• Утворюваний надлишковий анаеробний мул є стабільми, тому може зберігатися досить тривалий час при температурі 15 ᵒС без значних потреб активності.
• Це єдиний спосіб очистки стічних вод, частково, а іноді повністю компенсувати затрати, котрі йдуть на організацію цього процесу. Це відбуваєть за рахунок генерації біогазу, який використовується як енергоносій.
• Анаеробні методи пригодні для очистки висококонцентрованих стічних вод. Допустимими є досить високі нагрузки, а саме до 30 кг ХСК/м3*добу.
• Сучасні анаеробні біореактори досить малу виробничу площу, стійкі до довгих переривів подачі стічних вод, що дозволяє використовувати їх підприємствам сезонного виробництва.

Але метод анаеробної очистки також має свої недоліки, а саме:

• Цей метод придатний для попередньої очистки стічних вод  до зниження величини БСК на 80-90%.
• Анаеробні бактерії, особливо метаногенні, ростуть дуже повільно. Пуск біореактору потребує досить тривалого часу, якщо відсутній інокулят с аналогічних установок.
• При очистці стоків с високою концентрацією сульфатів  утворюються продукти з неприємним запахом, що потребує герметизації обладнання.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Фактори, що впливають на процес анаеробної очист стічних вод

• Склад і концентрація забруднень:

Різноманіття складу метаногенного біоценозу дозволяє при певних умовах можливо здійснити очистку практично любого виду стоків, що містять органічні забруднення, але швидкість і голубина процесу будуть визначатися  хімічною природою забруднень. Найбільш благополучне для очистки стоків – вміщуючи розчинені забруднювачі. Присутність зважених речовин у високій концентрації негативно впливає на роботу біореактору. Зважені речовини можуть забити насадку, призначену для закріплення мікроорганізмів, образивно діють на біоплівку, сприяють виштовхують із реакційної зони біореактору флокул активної біомаси.

• Величина рН стічних вод і температура процесу:

Метаногенез можливий при рН ферментаційного середовища 6-8. В умовах стабільного функціонування біореактор анаеробної системи здатні до саморегулювання рН середовища у оптимальних границях збалансованих процесів утворення закислюючих і залужнюючих метаноболітів.

Підвищення температури підвищує швидкість біохімічних процесів, у зв’язку з тим, що термофільний режим ( 50-55ᵒС) функціонування біоректору стає найбільш продуктивною. Але отриманий ефект от інтенсифікації процеса, як правило не компенсує затрат на підтримку потрібної температури у метантенку. Крім того, формуючий у термофільних умовах метаногенний біоценоз відрізняється значно менше видовим різноманіттям і це у случаях широкого спектру забруднень досить добре впливає на очистку стічних вод . Тому більшість анаеробних біоректорів функціонують у мезафільному режимі ( 30-40 ᵒС), при якому вигідно поєднуються досить висока швидкість деструкції забруднень та невеликі затрати енергії на стабілізацію температурного режиму.

• Наявність у стічних водах біогенних елементів, інгібіторів та токсичних речовин:

Анаєробний біоценоз у зв’язку з низьким приростом біомаси має меншу потребу до наявності у реакційному середовищі біогенних елементів, порівняно з аеробним мулом. Якщо для аеробного процесу потрібна певна кількість азоту та фосфору, що відповідає співвідношенню БСК:N:P=100:5:1, то при анаеробній очистці достатньо цих елементів у меншій кількості (БСК:N:P= 100:1:0,2).

Сильним інгібітором є водень. При порушенні балансу в утворенні та споживанні, та наближення його концентрації у газовій фазі 0,2-0,5% метаногенез заморожується. Присутність у стічній воді сірки призводить до розвитку сульфатутворюючих  бактерій, продукуючих сірководень, котрий розподіляється між газовою та рідкою фазами. Токсичність набуває розчинений сірководень при концентрації 200 мг/дм3.

У числі потенційних  токсичних зв’язків є також важкі метали, антибіотики, галогеновмісні органічні речовини та інші ксенобіотики. У той же час встановлено, що мікроорганізми метанового біоценозу маєть досить високі адаптаційні здібності і проблема інгібірування біометаногенезу не така серйозна, як важалося раніше.

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Конструкції сучасних анаеробних біореакторів

Типовим представником анаеробних біореакторів першого покоління є метантенк, який широко застосовується і нині у виробництві біогазу зброджуванням сільськогосподарських відходів і опадів стічних вод. Анаеробні біореактори другого покоління принципово відрізняються тим, що їх конструкція передбачає утримання біомаси метанового біоценозу в реакційному просторі шляхом використання різноманітних інженерно-технічних рішень.

Концентрація мікроорганізмів в реакційному об'ємі є найважливішим чинником, що визначає продуктивність анаеробного біореактора і тривалість обробки стоків. У біореакторах другого покоління низька питома метаболічна активність метанового біоценозу компенсована високою концентрацією біомаси в апараті. У сучасних анаеробних біореакторах концентрація активного мулу по сухій масі досягає 100 кг/м3 і більше (для порівняння в аеротенках - 2-4 кг/м0). Така висока концентрація мулу недосяжна в аеробних спорудженнях із-за лімітації зростання і розмноження мікроорганізмів киснем.

Розроблені різні методи утримання біомаси мікроорганізмів в реакційному об'ємі біореактора :

1. формування біоплівки на поверхні часток носія (рухливих (псевдозріджених) або нерухомих);
2. утримання флокул біомаси в порожнечах нерухомого завантажувального матеріалу;
3. ультрафільтрація рідини, що виводиться з апарату, через синтетичні мембрани;

 

• Анаеробний біофільтр з висхідним потоком рідини

Є найбільш простим анаеробним реактором з прикріпленою біомасою мікроорганізмів. Має нерухомий шар завантаження, через який висхідним потоком проходить стічна вода (мал. 30), що очищається. Біомаса анаеробного ^активного мулу утримується у вигляді флокул в порожнечах завантажувального матеріалу і біоплівки на його поверхні. Основну роль в очищенні стічної води виконують флокулы. Тому визначальним чинником є не адгезійна здатність матеріалу завантаження, а питомий об'єм порожнеч в завантаженні і їх здатність затримувати флокулы біомаси. Велика пустотність завантаження (90-95%) обумовлює низьку швидкість руху рідини через матеріал, що сприяє утриманню флокул в порожнечах. Велика частина біомаси скупчується в нижніх шарах завантаження. Гідравлічний режим в апараті близький до режиму ідеального витіснення, що призводить до формування значних градієнтів концентрацій біомаси, забруднень і продуктів метаболізму (ЛЖК) по висоті біореактора.

 

 

Мал. 1. біореактор з низхідним потоком стічної води : 1 - підтримувальні грати;

2 - шар вертикально орієнтованого завантажувального матеріалу;

А - початкова стічна вода; б - біогаз; У - очищена стічна вода

 

 

• Біореактор з псевдозрідженим шаром носія

Серед сучасних систем анаеробного очищення стоків біореактор з псевдозрідженим шаром носія біоплівки є найбільш продуктивним. Біореактори такого типу нині успішно застосовуються в усіх видах біологічного очищення води - аеробне і анаеробне очищення, нитрифікація і денитрофікація, глибоке доочищення стічних і природніх вод.