Герасименко В.Г., Герасименко М.О., Цвіліховський М.І. та ін. Біотехнологія

Подождите немного. Документ загружается.

В деяких країнах використовується технологія непрямої

утилізації гною. Гній піддається механічній обробці, а потім по

дається не в біогазову установку, а використовується як суб

страт для вирощування гідробіонтів, що спеціально селекціоно

вані для цих умов. Вони вирізняються високою швидкістю

фотосинтезу й ефективним використанням поживних речовин

гнойової біомаси. В Індії позитивний результат досягли при

змішуванні біомаси водяного гіацинту з гноєм у співвідношенні

2 : 3. Вихід біогазу в цьому випадку збільшився майже на 50 %,

а в шламі підвищився вміст азоту, фосфору, калію, що покращи

ло якість шламу як органічного добрива.

Технологія непрямої утилізації гною має суттєві переваги

над технологією утилізації гнойової біомаси шляхом прямої ан

аеробної ферментації з одержанням біогазу. Технологія непря

мої утилізації ефективніша за рахунок акумулювання сонячної

енергії, яка накопичується у вигляді енергії хімічних зв’язків

органічних сполук.

Використання біотехнології виробництва біомаси

гідробіонтів – є перспективним для одержання біогазу. В

1980 р. у Московському університеті була створена експери

ментальна бісолярна установка з виробництва біомаси мікрово

доростей з подальшою утилізацією її у метан. Конструкція

системи забезпечує рециркуляцію усіх біогенних елементів

(рис. 22.2). Фотосинтетичний блок бісолярної установки пло

щею 30 м

забезпечує одержання біомаси хлорели, яка після

концентрування і гомогенізації з метою руйнування клітинних

структур подається у бродильну камеру, де проходить анаероб

на ферментація біомаси й утворення біогазу, який складається з

метану (80 %), діоксиду вуглецю (16 %) і водню (2 %). На част

ку інших домішок припадає близько 2 %. Конструкція бісоляр

ної установки передбачає введення додаткових кількостей СО

повітря у фотосинтетичний блок.

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

490

Розділ22.Біотехнолоії"тилізаціїібіоонверсіївідходіваропромисловоо...

491

Рис. 22.2. Бісолярна установка (за Алексєєвим В.В., Ляміним М.Я., 1985):

1 — фотосинтетичний блок; 2 — відстійник; 3 — декомпресор; 4 — бродильна камера (метантенк); 5 — регенератор;

6 — концентратор СО

; 7 — сепаратор.

22.3.3. Технікотехнологічні аспекти виробництва

біогазу

22.3.3.1. Склад та розповсюдження БГУ у світі

Процес одержання біогазу шляхом анаеробного бродіння

відбувається у спеціальних установках, які називаються біога

зовими або біоенергетичними (БГУ або БЕУ).

БГУ – це комплект устаткування, що включає (залежно від

технікотехнологічного рівня): ємність для збирання і зберіган

ня гною, резервуар для зброджування гною (ферментер, реак

тор, метантенк, бродильна камера, дайджестер), резервуар для

збирання біогазу (газозбірник, газгольдер), нагрівальні та пере

мішувальні пристрої, системи трубопроводів, помп і газових

компресорів, центрифугових пристроїв, контрольновимірю

вальної апаратури і засобів автоматизації.

Біогазовий реактор, в якому відбувається метанова фермен

тація, – це основний елемент біогазової установки будьякого

технологічного рівня. З резервуару для збирання гною перемі

шану біомасу подають до камери ферментації, де починається

процес виробництва біогазу. Ферментаційна камера (біореак

тор) – це герметичний теплоізольований резервуар, оснащений

обладнанням для подачі нових порцій сировини, відведення

біогазу і шламу та механізмами для підтримки однорідності біо

маси в камері (пристосування для перемішування маси та роз

бивання кірки), а також системами підтримки необхідної тем

ператури процесу ферментації.

Ємність газгольдерів буває різною і залежить від добового

виробництва біогазу та його витрат. Проте вона не має бути

меншою за максимальне добове виробництво біогазу. Однак

витрати на резервуари для біогазу (газгольдери) складають сут

тєву частину загальних витрат на БГУ. Тому на практиці не бу

дують надто великих місткостей, а в разі необхідності надлишок

виробленого біогазу викидають у повітря.

Перші БГУ з’явилися ще до заснування наукових основ ме

таногенезу. В Індії вони були ще в 1900 р. Як сировину викори

стовували відходи тваринництва та рослинні рештки. Аналогіч

ні установки були збудовані в 1918 р. у Німеччині, в 1922 р. – в

Англії, а в 1930 р. – у США. Це така собі бочка, в яку з тварин

ницьких приміщень трубами та жолобами стікав гній. В бочці

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

492

відбувалось метанове бродіння тривалістю 40 діб і більше. Такі

установки давали дуже низький вихід біогазу, а в холодну пору

вони взагалі не працювали.

Вивчення основ процесу метаногенезу дало можливість пе

рейти від примітивних конструкцій до установок підвищеної

продуктивності.

Перші більш досконалі й продуктивні БГУ, з ємністю реак

тора від 300 до 2500 м

та часом зброджування 10–20 діб, були

сконструйовані в Німеччині в 1947–1950 рр. Після цього масове

виробництво установок розпочалося в багатьох країнах світу –

Китаї, Індії, Англії, США, Франції тощо.

В Україні дослідження в цій сфері розпочалися в 1949 р., а

вже в 1959 р. в Запорізькому філіалі НДІ електрифікації сільсь

кого господарства була сконструйована БГУ, яка працювала в

мезофільному режимі. В подальшому були розроблені БГУ

«Біогаз–301» для утилізації гною свиней (до 3000 гол.), уста

новка УкрНІІ агропроект, Кобос–1 та ін.

Нині у світі розроблені та експлуатуються понгад 60 різно

видів БГУ, які відрізняються між собою складністю обладнан

ня, конструкційними особливостями, принципом дії, потужні

стю – від малогабаритних сімейних установок до потужних

промислових підприємств з ємкістю реакторів відповідно від

1 до 6000 м

Загальна кількість промислових біогазових установок на

території ЄС сьогодні складає близько 750 одиниць, з них най

більше (500) знаходиться у Німеччині, Австрії – 120, Італії – 70,

Швейцарії – 59 і Данії – 40 (Дубровін В. та ін., 2004). Сьогодні

у Данії існує близько 20 великих централізованих об’єктів типу

САD (Centralised Anaerobic Digestion), що обслуговують госпо

дарства в радіусі 10–15 км. В Австрії функціонують 3 об’єкти

такого типу, у Швеції – 8, в Італії – 5 і в Німеччині – 3. Великі

САDсистеми щорічно постачають з аграрних кооперативів по

декілька сотень тонн сільськогосподарських відходів. Перевага

ми централізованих систем є можливості використання передо

вих технологій знезаражування та звільнення сировини від ве

ликої кількості баластних речовин. Такі централізовані

САDсистеми мають реактори місткістю до 10000 м

, в яких

можна виробляти енергію у кількості від кількох сотень кВт до

декількох МВт. Одним з недоліків централізованих систем є ве

ликі відстані, на які необхідно перевозити субстрати.

Розділ22.Біотехнолоії"тилізаціїібіоонверсіївідходіваропромисловоо...

493

Ферментація у невеликих реакторах без додаткового піді

гріву системи, де сировиною можуть бути гнойова біомаса та

комунальні відходи, можлива в країнах з високою середньою

річною температурою навколишнього середовища та іншими,

ніж у розвинених країнах, структурами сільського господар

ства. Реактори місткістю 4–12 м

, що обслуговують одне або де

кілька господарств, найбільш популярні у країнах Африки та

Азії. Біогаз, який виробляється в малих системах, задовольняє

енергетичні потреби господарств, використовується для приго

тування їжі та освітлення приміщень. Найбільша кількість та

ких установок (8 мільйонів ферментаційних камер) знаходить

ся у Китаї.

22.3.3.2. Конструкційні особливості реактора БГУ

Реактори або бродильні камери є основними складовими

БГУ. Рентабельність біогазового виробництва значною мірою

залежить від конструкційних особливостей бродильної камери.

При її проектуванні необхідно враховувати об’єм біомаси, яка

підлягає утилізації, а також об’єм біогазу, необхідний для задо

волення енергетичних виробничих потреб.

В діючих БГУ використовуються реактори овальної, цилін

дричної, циліндроконічної, кубічної форми та у вигляді парале

лепіпеда. Найбільші переваги мають реактори овальної і цилін

дроконічної форми. В них краще перемішується субстрат,

вивантажується шлам, видаляється біогаз. В реакторах іншої

форми погіршуються умови для перемішування біомаси, руй

нування плаваючої кірки, видалення біогазу і шламу.

Будівельним матеріалом для виготовлення реакторів є

цегла, бетон, залізобетон, стальний лист, склопластик, полімер

на плівка. Еластичні реактори будують з прогумованого матері

алу або пластмасової оболонки і надають їм овальної форми.

При експлуатації, щоб уникнути травмування, їх закопують у

грунт або огороджують жорсткими конструкціями.

З метою підвищення ефективності одержання біогазу та

зниження його собівартості промисловість США і Німеччини

розпочала випуск дешевих штампованих швидкозбірних реак

торів, виготовлених із пластика з теплоізоляційною проклад

кою із синтетичних матеріалів. Ці реактори швидко і легко мон

туються на фермі, добре очищуються від гною і залишкового

шламу, мають низький коефіцієнт теплопередачі.

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

494

Отже, бродильна камера має відповідати наступним вимо

гам: бути абсолютно герметичною, мати досконалу теплоізоля

цію і високу корозійну стійкість. Всередині камери повинна

підтримуватися постійна температура (залежно від температур

ного режиму), бо метаноутворюючі мікроорганізми дуже чутли

ві до різких коливань температури. Тому біомаса, яка надходить

в реактор, підігрівається за допомогою спеціальних пристроїв

до необхідної температури. Для цього витрачається орієнтовно

до 30 % влітку і 60 % взимку енергії виробленого біогазу.

У відходах сільськогосподарського виробництва є різні

тверді частинки. Деякі з них, щільність яких вища за щільність

рідини (пісок, цемент, глина тощо), зумовлюють утворення оса

ду, решта утворюють на поверхні кірку.

У процесі ферментації біомаса в реакторі має тенденцію до

розділення на три фракції. Верхня – кірка утворюється з вели

ких частин, які піднімаються бульбашками утвореного біогазу.

Через деякий час вона може стати досить твердою і заважатиме

виділенню біогазу. В середній частині реактора скупчується рі

дина, а нижня грязеподібна фракція випадає в осад. Метано

утворюючі бактерії найбільш активні в середній зоні. Тому для

оптимізації умов метаногенезу у бродильній камері та підви

щення виходу біогазу біомасу в реакторі потрібно періодично

перемішувати (мінімум раз на добу, а бажано до шести разів).

Для перемішування використовуються різні механічні та

гідравлічні змішувальні пристрої, а також біогаз, який подаєть

ся в реактор компресором. Швидкість руху біомаси при

перемішуванні не повинна перевищувати 0,5 м/сек. За більш

високих швидкостей проходить розрив оболонки мікробних

клітин.

Процес перемішування дозволяє:

 підтримувати однорідність розподілу сировини, яка заван

тажується, і постійний контакт її з мікроорганізмами, що

дає можливість максимально утилізувати свіжі поживні ре

човини;

 зберегти на низькому рівні концентрацію продуктів розпаду

за рахунок рівномірного їх розподілу за всім об’ємом реактора;

 забезпечити однорідність середовища як за температурою,

так і за концентрацією поживних елементів, що створює

сприятливі умови для життєдіяльності мікрофлори;

Розділ22.Біотехнолоії"тилізаціїібіоонверсіївідходіваропромисловоо...

495

 усунути концентрацію інгібуючих речовин у певній окремій

зоні реактора, що обмежує їх вплив на процес метанового

бродіння;

 запобігти утворенню кірки на поверхні та утворенню нерухо

мого густого осаду на дні;

 зменшити кількість ділянок у біореакторі, в яких можуть

міститися нерухомі речовини, що не розклалися, і відпрацьо

вана рідина.

22.3.3.3. Класифікація БГУ за принципом дії

За принципом дії усі БГУ можна розподілити на три основ

них види:

БГУ безперервної дії або проточні БГУ. В них гній безпе

рервно або з короткими інтервалами подається у постійно

заповнений реактор, в якому оптимальні умови анаеробного

розкладання створюються механічним перемішуванням і піді

гріванням маси. Свіжий матеріал надходить у верхню частину

камери, а відводиться з нижньої частини (над дном камери).

При кожному завантаженні об’єм свіжого гною має відповідати

об’єму гною, який перебродив і вивантажується. Така техноло

гічна схема забезпечує найбільшу продуктивність БГУ і за нею

працює основна частина вітчизняних і зарубіжних установок,

які сьогодні експлуатуються. Ця технологія потребує наймен

ших ферментаційних камер, які можуть встановлюватися гори

зонтально або вертикально.

Однак вони мають певні недоліки. В установках проточно

го типу при підвищенні проходження вихідного гною через ре

актор відбувається винесення колоній метаноутворюючих мік

роорганізмів, що у свою чергу призводить до зменшення виходу

біогазу. Для усунення цього недоліку в установках проточного

типу необхідно використовувати системи автоматичного упра

вління процесом, які могли б виявити відхилення в технологіч

ному процесі, ліквідувати їх, а також підтримувати оптимальні

параметри процесу біометаногенезу.

БГУ з періодичною або циклічною системою викори

стання метантенків. Переробка гною в них проводиться у по

слідовно з’єднаних метантенках (2х або більше), які почергово

заповнюються свіжою гнойовою біомасою. Чим більше реакто

рів, тим коротші перерви між циклами виробництва біогазу.

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

496

Особливістю експлуатації установок є неповне видалення з ре

актора шламу, який відіграє роль затравки. Завдяки цьому уже

через кілька діб після заповнення бродильної камери свіжим

гноєм розпочинається метаногенез.

Використання об’єму бродильних камер при цій системі

менш ефективне. Періодичність у заповненні реакторів викли

кає необхідність мати достатній запас гною, що потребує будів

ництво гноєсховищ. Крім цього, щоб під час вивантаження шла

му в реактор не потрапило повітря, тобто, щоб не відбувалося

розгерметизації реактора, його потрібно заповнювати біогазом

із додаткових, спеціально призначених для цього ємностей (га

зозбірників).

БГУ з накопичувальною системою. В них один і той са

мий резервуар є одночасно реактором і ємністю для зберігання

шламу, аж до вивезення його на поля. Ця система має ще й іншу

назву акумулятивна або басейнова. Вона мало застосовується

для виробництва біогазу.

22.3.3.4. Технікотехнологічні рівні БГУ

Існуючі БГУ відрізняються між собою за складом споруд,

обладнання, конструкційними особливостями, принципом дії,

параметрами процесу біометаногенезу, продуктивністю тощо.

Враховуючи це, можна виділити чотири рівні БГУ.

БГУ першого рівня. Це найбільш простий технічний рівень.

Такі БГУ використовуються в країнах з тропічним кліматом. В

них метантенк і газгольдер суміщені і, як правило, заглиблені в

грунт. Зброджувана біомаса не підігрівається і не перемішуєть

ся. Відсутні також регулювання і контроль процесу анаеробно

го бродіння. Процес одержання біогазу триває 40 діб і більше.

До цього технічного рівня належить установка «Габор», яка ек

сплуатується в Китаї та Індії. Продуктивність установки –

1,7 м

біогазу на добу та 0,2–0,5 м

на 1 м

об’єму бродильної ка

мери.

На Кубі розроблена й експлуатується БГУ у вигляді анае

робної лагуни, яка герметично закривається поліетиленовою

плівкою, з клапанами для виведення біогазу. Після завершення

процесу біометаногенезу в лагуні зі шламом можна вирощувати

мікроводорості.

В Західній Європі, наприклад, у Румунії та Італії, вже понад

20 років масово використовуються прості малогабаритні БГУ

Розділ22.Біотехнолоії"тилізаціїібіоонверсіївідходіваропромисловоо...

497

для індивідуальних господарств з об’ємом реактора 6–12 м

Конструкційнотехнологічні схеми таких біогазових установок

наведені на рис. 22.3. Стрілками позначені технологічні перемі

щення вихідної органічної маси, газу, мулу. Установки – це та

ка собі яма, облицьована цеглою або залізобетонними плитами,

які штукатурять цементним розчином і для герметичності по

кривають смолою (рис. 22.3, а) або покрівельним залізом, листи

якого щільно зварюють (рис. 22.3, в). Зверху ями розміщують

купол, виготовлений із пофарбованого покрівельного заліза

(жорсткий) або з поліетиленової плівки, у горішній частині яко

го встановлюють патрубок для відведення біогазу. Довкола

ямиферментера влаштовують гідростулку – бетонну канавку

глибиною до 1 м, заповнену водою, в яку занурюють нижній

бортик купола на 0,5 м.

Газ, який збирається під куполом або плівкою, надходить по

газопроводу до місця його використання. Щоб запобігати вибу

ху газу на випускному патрубку рекомендується встановити ві

дрегульований на певний тиск клапан. Однак небезпека вибуху

малоймовірна через те, що при значному підвищенні тиску газу

під куполом той буде підійматись у гідростулці до критичної

висоти і перекинеться, випустивши при цьому газ. Виробниц

тво біогазу може знижуватися через те, що на поверхні органіч

ної сировини у ферментері при її зброджуванні утворюється

кірка. Для того щоб вона не перешкоджала виходу біогазу, її

руйнують шляхом перемішування біомаси у ферментері. З цією

метою знизу до купола можна приєднати металеву вилку. Ку

пол піднімається у гідростулці на певну висоту при накопичен

ні біогазу й опускається по мірі його використання. Через си

стематичний рух купола зверхувниз з’єднані з куполом вилки

руйнуватимуть кірку.

Розроблена БГУ з підігрівом зброджуваної біомаси теплом,

яке виділяється при розкладанні гною в аеробному ферментері

(рис. 22.4). До неї входять: металевий ферментер циліндричної

форми із заливною горловиною, зливним краном, механічним

змішувачем і патрубком для виведення біогазу. Ззовні реактора

розміщується прямокутний ферментер, виготовлений з

дерев’яних розкладних конструкцій для полегшення виванта

ження відпрацьованого гною. Підлога ферментера решітчаста,

через неї по технологічному каналу продувається повітря і гній

активно аерується. Зверху ферментер закривають дерев’яними

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

498

Розділ22.Біотехнолоії"тилізаціїібіоонверсіївідходіваропромисловоо...

499

Рис. 22.3. Схеми простіших біогазових установок:

А — з пірамідальним куполом: 1 — яма для гною; 2 — канавкагідростулка;

3 — купол для збору газу; 4, 5 — патрубок для відведення газу;

6 — манометр.

Б — пристрій для відведення конденсату: 1 — трубопровід для відведення

газу; 2 — Uподібна труба для конденсату; 3 — конденсат.

В — з конічним куполом: 1 — яма для гною; 2 — купол; 3 — розширена части

на патрубка; 4 — труба для відведення газу; 5 — канавкагідростулка.

ГAЖ — схеми варіантів простіших установок: 1 — подача органічних

відходів; 2 — ємність для органічних відходів; 3 — місце накопичення газу

під куполом; 4 — патрубок для відведення газу; 5 — відведення мулу;

6 — манометр; 7 — купол із поліетиленової плівки; 8 — водяна стулка;

9 — вантаж; 10 — цільноскроєний поліетиленовий мішок