Размещено на http: //www. allbest. ru/
Молдавский госуниверситет, Научный Центр Прикладной и экологической химии
Технический Университет Молдовы
Университет Академии наук Молдовы
Теоретические и практические аспекты совершенствования процессов биогазовой технологии
Ковалев В.В., Унгуряну Д.В., Ковалева О.В.
Резюме
Сведения об авторах:
Ковалев Виктор Владимирович, Научно-исследовательский Центр прикладной и экологической химии Молдавского государственного университета, зав. лабораторией электрохимических процессов и экологически чистых технологий, ведущий научный сотрудник, доктор химических наук, область научных интересов - физико-химические и биохимические процессы в решении проблем промышленной экологии.
E-mail: viktor136cov@yahoo.com
Унгуряну Дмитрий Васильевич, Технический университет Молдовы, кафедра Экотехники, Экологического Менеджмента и Водной Инженерии ЮНЕСКО/Кусто Технического Университета Молдовы, доктор технических наук, профессор. Область научных интересов - методы и технология биологической очистки очистки различных видов органосодержащих стоков и обработки осадков, анаэробные биореакторы и затопленные биофильтры с загрузкой для прикрепления микрофлоры.
E-mail: dumitru42@yahoo.com
Ковалева Ольга Викторовна, Университет Академии наук Молдовы, ведущий научный сотрудник, доктор химических наук. Область научных интересов - процессы и аппараты природоохранной технологии и экологической химии; кинетика и катализ химико-технологических процессов; биохимия; фото- и электрохимия.
E-mail: Covaleva.Olga@yahoo.com
Рассмотрена общая концепция и пути повышения эффективности анаэробных процессов метанообразования, предложены новые решения по очистке биометана и повышению его выхода в составе биогаза за счет оптимизации технологии, биохимической конверсии газовой смеси СО2/Н2 и стимулирующих микродобавок.
Ключевые слова: биогазовая энергетика, биохимия метаногенеза, биоводород, биостимуляторы анаэробного брожения.
анаэробный метанообразование биогаз конверсия
Rezumat
aspecte teoretice Єi practice a perfecЮionгrii proceselor de obЮinere a biogaZului
*Covaliov V.V. **Ungureanu D.V., ***Covaliova O.V.
*Universitatea de Stat din Moldova, Centrul de Cercetгri Єtiinюifice оn Chimie Aplicatг єi Ecologicг
**Universitatea Tehnicг din Moldova
***Universitatea Academiei de єtiinюe din Moldova
Este propus un concept nou єi modalitгюi de ridicarea eficacitгюii proceselor anaerobe de formare a metanului, sunt elaborate soluюii noi privind epurarea biometanului єi ridicarea randamentului lui оn componenюa biogazului datoritг opimizгrii tehnologiei, conversiei biochimice a amestecului СО2/Н2 єi introducerea microadausurilor stimulгtoare.
Cuvinte-cheie: energeticг producerii biogazului, biochimia metanogenezei, biohidrogen, biostimulatoare a fermentгrii anaerobe.
Abstract
Тheoretical and applied aspects of improving the biogas technology
*Covaliov V.V. **Ungureanu D.V., ***Covaliova O.V.
*State University of Moldova, Research Center of Applied and Ecological Chemistry
**Technical University of Moldova
***University of the Academy of Sciences of Moldova
The general concept and efficiency improvement of anaerobic methane formation is discussed; new solutions on biomethane purification and increase of its yield in biogas composition are proposed, due to the technology optimization, biochemical conversion of gas mixture СО2/Н2 and introducing of stimulating micro-additives.
Keywords: biogas power engineering, methanogenesis biochemistry, biohydrogen, biostimulators of anaerobic fermentation.
Введение
Задача получения биогаза как одного из альтернативных источников энергии с использованием растительного сырья и отходов предприятий по переработке сельхозпродукции, взамен исчерпаемых видов энергетического сырья: нефти, угля, природного газа, является важной частью общей проблемы устойчивого развития. В основе биогазовой технологии лежат процессы анаэробного сбраживания органических отходов и сточных вод. При определённых условиях биохимической трансформации в биогаз также подвергаются и труднодеградируемые органические вещества (полифенолы, различные гликозиды), содержащиеся в растворённом или взвешенном состоянии в сточных водах.
Вместе с тем, существующие технологии и оборудование еще не обеспечивают получение биогаза из указанного сырья с максимально возможным выходом. По существующим технологическим подходам, превращению в биогаз подвергаются лишь 0-60% органических примесей, содержание метана в биогазе в основном достигает только 60-70 %. Для улучшения этих показателей чаще всего процесс анаэробного сбраживания нуждается в термофильных условиях его проведения (45-55 оС), что требует затрат большой части полученной энергии.
Процессы биогазовой технологии включают целый комплекс сложных биохимических превращений благодаря микроорганизмам [1-4]. Схема путей метаболизма органических веществ в условиях анаэробного сбраживания, согласно современным представлениям, приведена на рис.1.
Суммарные биохимические процессы могут быть описаны следующим уравнением:
Органические материалы + H2O > биомасса + СН4 + СО2 + Н2 + NH4+.
Рис. 1 Пути метаболизма органических соединений при анаэробном брожении [5].
Качество биогаза определяется в первую очередь содержанием метана. Двуокись углерода разбавляет биогаз и снижает его энергетические показатели. Наряду с этими газами, механизм биохимических процессов метаногенеза включает также реакции, приводящие к выделению водорода, которого, однако, в конечном составе биогаза не более 1 об.%, поскольку он взаимодействует с СО2 и конвертируется в метан. Одной из причин повышенного содержания СО2. составляющего до 30-40 об.% в составе биогаза может являться недостаточное количество образующегося водорода для биохимической конверсии смеси СО2/Н2 в СН4. Поэтому актуальным является выявление условий и разработка технологий, способствующих увеличению содержания метана в биогазе для повышения его энергетической ценности. Это может быть достигнуто несколькими путями: оптимизацией технологии получения биогаза, селективной очисткой от сопутствующих газов (СО2, H2S), дополнительному вводу водорода в процесс метаногенеза, а также, как показали наши последние исследования, путем ввода биологически активных соединений, способствующих развитию метаногенных бактерий и увеличению выхода биометана.
В рамках современной концепции двойной эффективности улучшения производства - экономической и экологической, названной еще концепцией «эко-эко», имеются два подхода к повышению эффективности производства биогаза из отходов переработки сельхозпродукции, основанных на принципах ВАТ (Вest Avialable Technics) и ВЕР (Best Environmental Practics), соответственно. Они включают постоянное улучшение производственных технологических параметров биохимических процессов и оборудования, поиск, разработка и внедрение наилучших доступных технических решений.
Целью наших исследований является интенсификация биохимического анаэробного сбраживания органического сырья и совершенствование оборудования, способствующих повышению выхода биогаза и содержания в нем биометана, снижения энергоемкости и трудоемкости процесса и повышения экономической выгоды. Объектом исследований явились анаэробные процессы обработки послеспиртовой барды.
1.Энергетическая характеристика и оптимизация биохимических процессов
Достижение конечных задач биохимической обработки органических отходов и сточных вод базируется на комплексном использовании анаэробных и аэробных процессах (рис. 2). Их различие состоит в том [6], что аэробные процессы протекают с участием строго аэробных микроорганизмов, в присутствии растворенного кислорода, обеспечиваемого с помощью энергоемких систем аэрации, а анаэробные процессы осуществляется строго - и факультативно анаэробными микроорганизмами, в отсутствии кислорода и при этом, соответственно, нет необходимости в энергоемких системах аэрации.
Рис. 2. Комбинированная анаэробно-аэробная биологическая очистка сточных вод [7].
В анаэробных же процессах, органические вещества не окисляются полностью и часть энергии исходного субстрата сохраняется в достаточно сложных промежуточных продуктах анаэробного сбраживания и в выделяющихся при этом газах брожения. Остаточные промежуточные продукты сбраживания предрасположены к последующему окислению с потреблением кислорода, что делает невозможным сброс анаэробно обработанных стоков непосредственно в водоем, т.к. могут привести к созданию кислородного дефицита в нем. Таким образом, после анаэробной очистки сточных вод необходима последующая ступень доочистки. Такая анаэробно-аэробная биологическая очистка применяется, как правило, для высоко концентрированных по биоразлагаемым органическим загрязнениям сточных вод (например, предприятий перерабатывающей пищевой промышленности).
Существует еще одно важное отличие между аэробным и анаэробным процессами, которое заключается в количестве органических веществ, превращаемых в клеточный материал, характеризующих прирост биомассы и образование осадков, требующих специальной обработки (уплотнение, стабилизация, обезвоживание и др.). Эта обработка усложняет технологическую схему очистных станций и является довольно дорогостоящей и сложной. Степень превращения органических веществ в биомассу резко отличаются для этих двух процессов. Так, при аэробной биологической очистке с помощью активного ила 50…80% органических загрязнений, выраженных через ХПК, превращается в прирост биомассы - избыточный активный ил, который нужно удалить из системы очистки и подвергнуть специальной обработке, в то время как при анаэробной очистке только 10% органических загрязнений идут в прирост биомассы, так как основную часть органических веществ анаэробные микроорганизмы потребляет для получения энергии, выход которой в реакциях энергетического обмена при анаэробном брожении невелик, поскольку органические вещества не окисляются полностью и часть энергии исходного субстрата сохраняется в достаточно сложных продуктах брожения. Именно в силу этих причин на очистных станциях систем водоотведения анаэробные процессы брожения являются более предпочтительными для обработки концентрированных субстратов осадков сточных вод.
Преимущество анаэробных процессов над аэробными обуславливается сравнением их энергетических характеристик (рис. 3).
Рис. 3 Сравнительная энергетическая характеристика аэробных и анаэробных процессов биологической очистки сточных вод
Как видно из рис.3, аэробная очистка потребляет примерно 100 кВт-час на 100 кг ХПК, содержащейся в исходной сточной воде, расходуемой для обеспечения аэробных процессов кислородом через систему аэрации. В отличие от нее, анаэробная очистка протекает с выделением биогаза (горючей смеси газов брожения), эквивалентного 190 кВт-час, который можно превратить в теплоноситель, часть которого расходуется на собственные нужды, т.е. на поддержание термического режима в анаэробных биореакторах; это количество энергии равно примерно 80 кВт-час. Таким образом, в результате анаэробной биологической очистки чистый выход получаемой энергии составляет: 190-80=110 кВт-час на 100 кг ХПК, в отличие от аэробной очистки, которая потребляет 100 кВт-час на 100 кг ХПК.
Как было отмечено [8, 9], анаэробно очищенные сточные воды содержат остаточное количество неокисленных продуктов брожения, которые необходимо удалить, перед сбросом стоков в водоемы, аэробным путем. Эти остаточные органические загрязнения составляют 10…20 кг ХПК/м3 и, возможно, потребуют не 10…20 кВт-час на свое окисление, будучи более трудно разлагаемыми, а в 2 раза больше - 20…40 кВт-час. Даже в таком случае, на комбинации анаэробно-аэробных процессов для биологической очистки сточных вод можно обеспечить получение чистой энергии 110-40 = 70 кВт-час на 100 кг ХПК, путем ее производства, утилизируя биогаз в когенерационных установках. Это обстоятельство имеет очень важное значение, как для энергосбережения, так и для повышения надежности и эффективности работы очистных станций систем водоотведения, охраной окружающей среды от выделений газов брожения, имеющий тепличный эффект.
2. Факторы, обуславливающие эффективность анаэробных процессов
Поиск конкретных решений по обеспечению повышения эффективности производства биогаза из отходов переработки сельхозпродукции основан на анализе механизма биохимической трансформации органических ингредиентов и образования биогаза в процессе анаэробного брожения. Известно [6, 10]. что процесс анаэробного брожения с образованием метана проходит в две основные стадии: ацетогенной (кислотогенной) и метаногенной.
На первой, кислотогеннной стадии, вследствие гидролитического распада органических веществ в основном образуются спирты и кислоты согласно уравнению общего вида:
Углеводы > k1H2 + k2CO2 + k3C2H5OH + k4CH3COOH + k5C2H5COOH+ k6C3H7COOH,
сопровождаемые выделением определённых количеств газообразных продуктов: углекислый газ, водород, моноксид углерода (СО2, Н2, СО).