Биогаз и удобрения при переработке органических отходов

Эффективная переработка отходов связана с получением из них новой продукции или энергии. Анаэробное сбраживание органических отходов является уникальной технологией их утилизации, позволяющей одновременно получить энергию от сжигания выделяющегося биогаза и ценные органические удобрения.

Эта технология позволяет осуществить экологически безопасную и безотходную переработку любых органических отходов. Она позволяет перерабатывать такие трудноутилизируемые виды отходов, как остатки от убоя животных, переработки рыбы, молочную сыворотку, осадки очистных сооружений и др.

В настоящей статье будет рассказано об особенностях анаэробной переработки органических отходов, составе биогазовых установок для осуществления такой переработки, факторах, определяющих эффективность этого процесса, и мерах безопасности при работе с биогазовыми установками.

Как происходит процесс получения биогаза (метанообразование)

Для получения биогаза суспензию измельченных органических отходов в воде помещают в специальный биореактор, позволяющий проводить процессы разложения органики в отсутствии кислорода. Могут использоваться практически любые виды органических отходов. Однако, для начала процесса метанообразования наилучшим сырьем являются навоз или помет.

Навоз и помет являются сложными веществами, содержащими остатки непереваренной пищи и сообщества различных микроорганизмов. В биореакторе эти микроорганизмы начинают активно разлагать органические вещества, поглощая имеющееся количество кислорода. Это процесс гидролиза или брожения, превращающие сложные органические соединения в спирты и кислоты.

При падении содержания кислорода эти микроорганизмы гибнут и в работу вступают сообщества анаэробных микроорганизмов, не нуждающиеся в кислороде. Активность этих микроорганизмов зависит от температуры среды:

• при температуре 5-25 град. С действуют только психотропные метаногены, отличающиеся минимальной производительностью. Однако, активны гнилостные бактерии, что приводит к значительному снижению доли метана в биогазе;
• нагрев до 30-45 град. С (мезофильный процесс) активизирует метанообразование, но и основные конкуренты-гнилостные бактерии сохраняют активность;
• при  температуре 50-60 град. С (термофильный процесс) действуют термофильные метаногены, обладающие наибольшей производительностью, а гнилостные бактерии погибают. Скорость процесса увеличивается примерно в 2-3 раза по сравнению с мезофильным  процессом, а содержание метана становится максимальным и составляет 50-75% в зависимости от видов перерабатываемых органических отходов.

При использовании мезофильной переработки отходов производственный цикл составляет 12-30 суток, а при термофильном процессе- 5-10 суток.

Биогазовая установка

Для производства биогаза используются промышленные установки. Современная биогазовая установка состоит из следующих узлов:

• резервуар для приема органических отходов;
• измельчитель сырья;
• смеситель (при использовании различных видов отходов);
• реактор (метантенк);
• система обогрева реактора;
• перемешивающее устройство;
• газгольдер для хранения биогаза;
• систему очистки биогаза для сжигания;
• насосное оборудование;
• когенерационную установку сжигания очищенного биогаза с получением тепла и электроэнергии;
• контролирующие приборы;
• систему безопасности.

Промышленная биогазовая установка основана на периодической загрузке подготовленных органических отходов в реактор с использованием насосов или загрузчика сырья. Реактор представляет собой герметичный утепленный и подогреваемый резервуар, оснащенный тихоходным перемешивающим устройством.

Для поддержания эффективного процесса метанообразования органическое сырье подогревается до температуры 30-45 град. С или 50-60 град. С и периодически перемешивается. Полученный биогаз подается в газгольдер. После очистки он поступает в котел или электрогенератор. Полученное тепло частично используется для обогрева реактора.

Получение биогаза при анаэробной переработке органических отходов является полностью безотходным. После завершения брожения в нижней части реактора остаются ценные твердые и жидкие органические удобрения. Для их разгрузки и разделения на фракции применяют шнековый сепаратор.

Твердая фракция образующегося удобрения обогащает почву гуминовыми веществами и микроэлементами. Ее применение повышает урожайность сельскохозяйственных культур на 50-60%. Жидкая фракция служит биостимулятором роста растений.

Подробнее с переработкой органических отходов в биогазовой установке можно познакомиться на следующем видео:

Предварительная подготовка отходов

Согласно ГОСТ Р53790-2010 «Общие технические требования к биогазовым установкам» исходное сырье (различные виды органических отходов) должно удовлетворять следующим требованиям:

• содержание сухого вещества не более 12% (оптимально 4-6%);
• размер твердых частиц не более 30 мм (реально, чем меньше размер твердых частиц, тем эффективнее, часто стараются использовать фракцию не более 0,5 мм);
• оптимальное соотношение между углеродом и азотом, составляющее 16-19 к одному;
• рН от 6,5 до 8,5

Подготовку сырья (отходов) начинают с контроля их качества, Отходы не должны содержать моющих веществ, ПАВ, растворителей, антибиотиков. Эти вещества угнетают микрофлору. Затем отходы подвергают предварительной подготовке:

• измельчение;
• подогрев;
• гомогенизация;
• разбавление чистой нехлорированной водой до оптимального соотношения твердых и жидких фракций.

Для измельчения используют любые подходящие измельчители, обеспечивающие тонкое измельчение (не более 0,5 мм). Наиболее эффективным является применение кавитационных измельчителей, сочетающих сверхтонкое измельчение и активацию сырья.

Предварительный подогрев способствует более равномерному распределению температуры в реакторе и более быстрому началу процессов разложения органических отходов.

Гомогенизация способствует равномерному перемешиванию сырья и имеет особое значение при одновременном использовании различных видов органических отходов.

Сколько биогаза выделяется при переработке различных отходов

Обычно биогазовые установки ассоциируются с переработкой навоза. Он действительно является наилучшим сырьем для запуска процесса анаэробного сбраживания органики. Однако, выход биогаза из 1 тонны свежего навоза составляет 50-70 куб. м, при концентрации метана 30-50%. Применение зеленых отходов (трава, овощи и др.) позволяют увеличить выход биогаза до 200-230 куб. м (концентрация метана 50-55%).

Наибольший выход биогаза происходит при использовании жиров (растительные масла, глицерин (отход производства биодизеля), отходов жиров и отходов при разгрузке жироотделителей). Он составляет от 850 до 1200 куб. м при концентрации метана 65-70%.

Однако, не всегда определяющее значение имеет максимальный выход биогаза. Отходы цехов рыбопереработки, убоя животных, молокозаводов дают выход биогаза на уровне навоза и даже ниже. Но анаэробная переработка является наиболее эффективным способом утилизации таких отходов.

Комбинация различных видов органических отходов позволяет не только оптимизировать выход биогаза и расширить перечень утилизируемых отходов, но и позволяет сделать процесс анаэробной переработки более устойчивым в течение рабочего цикла.

Факторы, определяющие эффективность процесса

Эффективность анаэробной переработки органики зависит от следующих факторов:

• температуры процесса;
• соотношения твердой и жидкой фракций органических веществ;
• оптимального соотношения между углеродом, азотом и фосфором, обеспечивающим наличие подходящего питания для метаногенов;
• размер твердых частиц;
• перемешивание реактора, обеспечивающее достаточное количество питательных веществ для микроорганизмов во всех зонах реактора.

Проведение процесса при температурах 50-60 град. С (психотропный режим) в 2-3 раза увеличивает скорость разложения органики и увеличивает долю метана в биогазе. Большое значение имеет качественное измельчение органических отходов, так как метаногены плохо переваривают крупные фрагменты органики.

Очистка и использование биогаза

Выделяющийся при анаэробном сбраживании органики биогаз содержит:

• 60-75% метана;
• 21-35% углекислого газа;
• 4-5% прочих газов (сероводород, азот, водород, аммиак, водяные пары).

При использовании биогазовых установок для домашнего хозяйства такой газ можно применять для получения энергии без очистки. По теплотворной способности 1 куб. м биогаза соответствует:

• 0,6 куб. м природного газа;
• 0,74 л нефти;
• 0,65 л дизельного топлива;
• 0,48 л бензина.

1 куб. м биогаза при сжигании выделяет 9 кВт тепловой энергии или до 2 кВт*ч электроэнергии.

В промышленных биогазовых установках газ подвергается очистке методом адсорбции или с использованием полупроницаемых мембран. Очистка биогаза снижает его объем, но значительно увеличивает его теплотворную способность до уровня природного газа. Такой очищенный биогаз может быть использован для заправки автомобилей на газовом топливе (после сжатия в компрессоре).

Меры безопасности при работе с биогазовыми установками

Легкая воспламеняемость метана, составляющего основу биогаза и его взрывоопасность в смеси с воздухом (пределы взрывоопасности метана с воздухом от 4,4 до 17% объемных) обуславливают повышенную опасность эксплуатации биогазовых установок.

Согласно ГОСТ Р 53790-2010 «Общие технические требования к биогазовым установкам» в помещении реактора (метантенка) должны быть предусмотрены следующие средства защиты:

• комплект противопожарного инвентаря;
• газоанализаторы (газосигнализаторы);
• средства индивидуальной защиты;
• взрывобезопасные аккумуляторные фонари;
• аптечка первой доврачебной помощи.

Газовые сети каждого реактора (метантенка) должны быть оборудованы устройствами отключения от общего газопровода. Ежедневно должен проводиться осмотр газовой сети и газовых устройств, оборудования и приборов биогазовой установки.

Газопровод должен быть оснащен предохранительно-сбросными клапанами, выпускающими биогаз в атмосферу при повышении давления более 0,5 кг/кв. см. Избыток биогаза сжигается в факельной горелке.

При срабатывании датчика загазованности помещения автоматически включается система оповещения персонала и происходит аварийное отключение систем биогазовой установки (срабатывает предохранительный клапан, перекрывающий подачу биогаза.

Заключение

Анаэробная переработка органических отходов является полностью безотходным процессом, позволяющим одновременно получить энергию от сжигания биогаза и ценную продукцию-органические удобрения. Утилизация отходов на биогазовой установке позволяет получить следующие преимущества:

• улучшение экологических и санитарно-гигиенических условий за счет безотходной утилизации органических отходов, включая отходы трудно утилизируемые другими способами (отходы молокозаводов, рыбных цехов, птицефабрик, крупных животноводческих комплексов и др.);
• использование биоудобрений повышает продуктивность сельского хозяйства и восстанавливает плодородие почвы;
• производство биогаза способствует экономии ископаемых топлив и снижает выбросы парниковых газов;
• использование биогаза улучшает бытовые условия сельских регионов и снижает стоимость сельскохозяйственной продукции.