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

Подождите немного. Документ загружается.

1) речовини, які є у вихідній сировині й захищені від дії мі

кроорганізмів лігніном і кутіном;

2) нові бактеріальні клітини;

3) невелика кількість летких жирних кислот.

Шлам є цінним органічним, азотним і мінеральним добри

вом, в якому поживні речовини знаходяться в більш доступній

формі. При анаеробному зброджуванні зберігаються необхідні

для рослин біогенні елементи (N, P, K), натомість при компо

стуванні їх втрати складають до 40 %.

Головна перевага анаеробного зброджування над аеробним

полягає у збереженні в органічній або амонійній формі майже

всього азоту, який містився у вихідній гнойовій біомасі. Так, з

37 кг азоту, який містився у гноєві, після його аеробної обробки

у ґрунт повертається тільки 12–15 кг, а після анаеробної фер

ментації у ґрунт повертається 36 кг (Алексєєв В.В., Лямін М.Я.,

1985). Співвідношення органічного та аміачного азоту в шламі

залежить від їх співвідношення у біомасі, яка зброджується.

Щоб звести до мінімуму втрати аміачного азоту, шлам зберіга

ють у глибоких ямах або резервуарах з мінімальною площею по

верхні, з якої звітрюється аміак. Найкраще азот зберігається,

коли шлам вносять у ґрунт за декілька днів до посіву або куль

тивації. Якщо шлам розкидається по поверхні ґрунту і при цьо

му тривалий час не випадають опади, майже весь аміачний азот

звітрюється.

В багатьох випадках його висушують, що дає змогу транс

портувати шлам на значну відстань.

Шлам використовується як білкова і вітамінна (вітамін В

)

кормова добавка. Цей спосіб широко розповсюджений у США

не тільки для забезпечення потреб власних господарств, але й

для комерційного продажу. Так, в США існує компанія «Термо

тенікс», яка виробляє зі шламу кормові добавки з умістом про

теїну до 12 %, а в перспективі – від 26 до 28 %.

На комплексі з відгодівлі 10 тис. голів молодняку великої

рогатої худоби компанії Kaplan Industries у Флориді США при

переробці відходів у біогаз методом анаеробного зброджування

як побічний продукт одержують кормовий білок, що за пожи

вною цінністю перевершує муку з насіння бавовника, яка широ

ко використовується як кормова добавка.

Аналіз шламу на наявність патогенної мікрофлори

свідчить, що кишкові мікроорганізми гинуть при температурі

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

510

зброджування 37

С (тобто при мезофільному режимі). Віро

гідність зараження сільськогосподарських культур патогенни

ми мікроорганізмами може бути зведена нанівець пастериза

цією шламу.

Крім цього, шлам може використовуватися як субстрат для

черв’яків без попередньої підготовки (ферментації).

22.3.4.3. Рідка фракція, склад і використання

Рідка фракція після анаеробної переробки гною відповідає

вимогам, які висуваються органами охорони природи щодо яко

сті стічних вод. Вона, як і шлам, не має специфічного запаху і

містить органічних речовин на 80 % менше, а її біологічна по

треба в кисні на 80 % нижча, ніж до анаеробної ферментації. Са

нітарногігієнічні показники надосадової рідини дозволяють

складати їх у каналізаційну мережу або водоймища. Але це не

раціонально, тому що вона містить значну кількість поживних

речовин і може використовуватись як рідке органічне добриво.

Рідка фракція гною містить в середньому (%): сухої речовини –

1,0–5,0; органічної речовини – 0,25–4,2; азоту – 0,3–1,1; фосфо

ру – 0,05–0,7; рН – 6,5–8,3.

Крім того, рідка фракція може бути субстратом для виро

щування мікроводоростей (хлорели, спіруліни – синьозеленої

водорості), біомаса яких є цінною білковою і вітамінномікромі

неральною кормовою добавкою до раціонів сільськогосподарсь

ких тварин, а спіруліна – сировиною для фармацевтичної про

мисловості. Біомаса гідробіонтів може використовуватись

також для виробництва біогазу.

При визначенні економічної ефективності біотехнології

метанового зброджування необхідно враховувати не тільки зна

чення біогазу у вирішенні енергетичних проблем, особливо у

сільській місцевості, а й ефект від знезараження гною, вироб

ництва високоякісних добрив і захисту навколишнього сере

довища. Розрахунки показують, що незважаючи на значні

капітальні вкладення, термін окупності промислової біогазової

установки складає приблизно три роки (Дубровін В. та ін.,

2004).

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

511

22.3.5. Шляхи вдосконалення біогазового виробництва

1. Створення активних метаногенних штамів мікроорганізмів з

використанням методів генетичної інженерії, тобто з викори

станням технологій рекомбінантних ДНК.

2. Використання збалансованої асоціації мікроорганізмів для

скорочення часу виведення БГУ на робочий режим.

3. Введення в зброджувану біомасу органічних каталізаторів

для інтенсифікації анаеробного бродіння – глюкози, целюло

зи, ацетату, метанолу.

4. Створення системи автоматичного управління БГУ і про

грам ЕОМ для оптимізації параметрів бродильного процесу.

5. Іммобілізація або адгезія метаногенів (мікроорганізмів

третього етапу) на носіях (щітках з капронових волокон, гра

нулах) з метою підвищення швидкості росту метаноутворю

ючих бактерій. Дослідженнями доведено, що на щітках уже

через 2–3 тижні ферментації накопичується удвічітричі

більше метаногенів, ніж у рідині.

6. Інтенсифікація метанового бродіння шляхом розділення

процесу на дві стадії: першу – попередню, у якій в окремій

ємності проводиться гідроліз субстрату до ацетату (тобто

перші два етапи) і другу – власне метаногенез.

Це дозволяє локалізувати специфічну для кожної стадії

мікрофлору і забезпечити найбільш сприятливі умови для її

розвитку.

22.3.6. Сучасний стан виробництва біогазу в Європі та

світі

Загострення проблеми забруднення навколишнього середо

вища різноманітними органічними відходами, в тому числі від

ходами тваринницької галузі, а також зростаючий дефіцит

енергетичних ресурсів є головними мотивами інтенсифікації

Європейських розробок у галузі виробництва та ефективного

використання біогазу. Підтримується інтерес до біогазових тех

нологій також дієвим екологічним законодавством і державним

дотуванням впровадження нетрадиційних відновлювальних

джерел енергії (особливо в Німеччині), а також введенням сві

тових квот на забруднення довкілля.

Потенціал органічних відходів, придатних для одержання

біогазу, у 15 країнах ЄС такий (млн т): гній – 1124; відходи

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

512

муніципальних господарств – 46,9; стічні води – 22,32; індустрі

альні органічні відходи – 35,04 (Йенс Бо Гольм – Нільсен, Тео

доріта Аль Сеаді, 2002).

У сучасній Європі найбільшого поширення набули три кон

цепції виробництва біогазу:

1) виробниче біогазове обладнання при фермерських госпо

дарствах;

2) потужні лінії з переробки гною, розраховані на задово

лення спільних потреб кількох господарств;

3) найпотужніші біогазові підприємства, що спеціалізу

ються на переробці органічних відходів різноманітного похо

дження.

Обладнання для фермерських господарств розраховане на

одержання біогазу з гною та на забезпечення потреб госпо

дарств в опаленні й електроенергії. Перероблений гній викори

стовується як органічне добриво. Надлишок електроенергії

може реалізуватися енергетичним компаніям і в такий спосіб

приносити фермі додатковий прибуток. Як правило, таке облад

нання складається з резервуарів для попереднього зберігання

гною, анаеробних реакторів з системами керування й обігріван

ня, помп для завантажування й розвантажування, резервуарів

для зберігання відпрацьованого гною, системи для зберігання і

транспортування газу, а також універсального модуля для опа

лення та вироблення електроенергії.

Спільні переробні підприємства створюються для перероб

ки гною, що утворюється у кількох тваринницьких господар

ствах – здебільшого свинарських, молочних та птахівничих (від

5 до 100 ферм). Газ можна одержувати з гною у суміші з іншими

органічними відходами. Підприємство має кілька блоків. Блок

попереднього зберігання містить окремі резервуари для гною та

органічних відходів, а також резервуари для гомогенізації й

теплообмінники, в яких тепло вже переробленої маси викори

стовується для попереднього розігрівання сировини.

Анаеробні реактори, оснащені системами автоматичного ке

рування, мають вигляд сталевих резервуарів з конічним дном.

Температурний процес – мезофільний або термофільний. Під

приємстсва, орієнтовані на термофільний процес, поширені

більше через ліпшу відповідність такого зброджування санітар

ним вимогам, оскільки мезофільне зброджування потребує до

даткового технологічного етапу пастеризації.

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

513

Отриманий біогаз перетворюється на теплову та електрич

ну енергію за допомогою універсального переробного модуля.

Теплова енергія використовується для технологічних потреб

підприємства, а її надлишок постачається місцевим господар

ствам. Електрика реалізується енергетичним компаніям. Деякі

господарства транспортують біогаз трубопроводом для викори

стання в електро та опалювальних станціях найближчих міст.

У Швеції, Швейцарії та деяких інших країнах біогаз після до

даткового очищення використовують як автомобільне пальне.

Підприємства, спеціалізовані на переробці органічних від

ходів різноманітного походження, оснащені найбільш техноло

гічно досконалими виробничими лініями для одержання біога

зу як з рідких, так і з твердих органічних відходів. Анаеробне

зброджування не відрізняється від того, що практикується на

спільних підприємствах, але в деяких випадках йому передує

додатковий технологічний етап гідролізу.

Спільні переробні підприємства набули найбільшого поши

рення у таких північних країнах Європи, як Швеція та Данія, а

також у деяких регіонах Німеччини.

Ефективність підприємств перебуває у прямій залежності

від їхніх масштабів, тобто вартість переробки кожного кубо

метра біомаси є тим меншою, чим більшим є розміри підприєм

ства. Додатковою перевагою спільних переробних підприємств

порівняно з індивідуальними є висока кваліфікація та спеціалі

зація обслуговуючого персоналу.

У Німеччині нині понад 1300 ферм обладнано устаткуван

ням для одержання біогазу і в майбутньому їх кількість буде

зростати. Остання генерація обладнання вирізняється кон

структивною простотою та високим рівнем стандартизації. На

думку німецьких фермерів, виробництво біогазу дає найбільш

відчутний економічний ефект малим господарствам, у яких по

тужність генераторів не перевищує 500 кВт. Реалізаційна вар

тість виробленої фермерами енергії становить 0,2 DМ за кіло

ватгодину.

В Австрії кількість ферм, обладнаних устаткуванням для

одержання біогазу, перевищує сотню. Тут як сировину викори

стовують гній та пасовищні культури або лише пасовищні куль

тури. У великих свинарських господарствах, у яких поголів’я пе

ревершує 500 свиноматок, виникає проблема утилізації надмірної

кількості гною, якого утворюється набагато більше, ніж потрібно

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

514

для використання як органічного добрива, що негативно впливає

на довкілля. Особливо гостро ця проблема постала у

Греції, Іспанії, Португалії, Ірландії, Великій Британії, Франції,

Голландії та Данії. Ці країни зацікавлені у застосуванні біотехно

логії одержання біогазу, що дасть їм змогу досягти енергетичної

незалежності, а також вирішити екологічні проблеми, пов’язані зі

смородом та порушенням санітарноепідеміологічних вимог.

Передбачається, що у Європі до 2010 р. питома вага елек

троенергії, що вироблятимється з відновлювальних джерел

енергії, подвоїться. Слід очікувати на зростання закупівельних

цін на «зелену електроенергію», які будуть підтримуватися на

високому рівні з метою заохочення європейського фермерства

до використання обладнання для переробки відходів у біогаз.

Технології переробки органічних відходів у біогаз, що ак

тивно розробляються протягом останнього десятиріччя, нині

достатньо визріли для промислового впровадження. Наступ

ним важливим кроком стане налагодження стандартизованого

та масового виробництва обладнання, що дасть змогу істотно

знизити його собівартість.

Що стосується складності обладнання, то, як свідчить ана

ліз доступних інформаційних джерел, розвиток біогазових уста

новок у світі відбувається двома напрямами (Ясенецький В.,

Клименко В., 2001). Перший – це раціональне спрощення, а

відповідно, і здешевлення установок, призначених для невели

ких фермерських господарств. Другий напрям – це створення

сучасних високопродуктивних повнокомплектних біогазових

установок на основі новітніх удосконалених конструкцій біоре

акторів, сучасних автоматизованих систем керування техноло

гічним процесом, високоефективного теплотехнічного, електро

технічного і технологічного обладнання.

Характерними зразками БГУ першого напряму є установ

ки, розроблені німецькими фірмами «ІТТ Флюгт Пумпен

ГмбХ» і «У.Т.С. УмвелтТехнікСид ГмбХ». Така установка ос

нащена двома послідовно з’єднаними мікробіологічними реак

торами, тобто закритими зверху стандартними ємностями для

зберігання гною та обладнані пропелерними змішувачамиго

могенізаторами. Подання рідкого гною в реактори здійснюється

за допомогою помпаподрібнювача. Біогаз із реакторів надхо

дить безпосередньо в модульну теплоелектроустановку, де пе

ретворюється на теплову та електричну енергію.

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

515

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

516

Рис. 22.8. Технологічна схема біогазової установки

в містечку Небелшітц (Німеччина):

1 — гноєзбірник; 2 — насосна станція; 3 — ферментер 1;

4 — пристрій для твердих відходів; 5 — місткість для рідких ор

ганічних відходів; 6 — ферментер 2; 7 — сховище збродженої

маси; 8 — газгольдер; 9 — модульна теплоелектроустановка

Фірма «У.Т.С. УмвелтТехнікСид ГмбХ» розробила також

біогазову установку більшої продуктивності, яка експлуатуєть

ся у м. Небелшітц (Німеччина). До складу установки (рис. 22.8)

входять гноєзбірник, два ферментери, ємність для інших органіч

них відходів, відстійник збродженої біомаси, газгольдер і модуль

на теплоелектроустановка. Об’єм гноєзбірника – 115 м

, фермен

терів – по 883 м

кожний, які виготовлені з бетону і мають

термоізоляцію. Біогаз акумулюється в газгольдері місткістю

300 м

, а звідти надходить до модульних теплоелектроустановок

потужністю по 75 кВт. Продуктивність установки: 1100–

1400 м

/добу біогазу, електроенергії – 2000–2500 кВт/год/добу,

тепла – 3300–4200 кВт/год/добу. Вартість установки DМ 625

на 1 м

об’єму реактора.

Німецька фірма «Фарматік Біотех Енергі АГ» розробила і

збудувала понад 20 БГУ різної продуктивності для утилізації

рідкого гною та інших органічних відходів, які тепер експлуату

ються не тільки в Німеччині, а й в інших країнах Західної Євро

пи та Азії. У 2000 році в містечку Нойбуков (Німеччина) введе

но в дію БГУ для двоступеневої мезофільної коферментації

рідкого гною та органічних відходів. Річна продуктивність уста

новки – 80000 т відходів, вартість – DМ 9,8 млн. Установка

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

517

Рис. 22.9. Біогазова установка в містечку Нойбуков (Німеччина)

розробки фірми «Фарматік Біотех Енергі АГ»

(за Ясенецьким В., Клименко В., 2001)

складається з двох ферментерів об’ємом по 2300 м

кожний,

двох гідролізерів по 550 м

, змішувального резервуара місткістю

550 м

, газгольдера об’ємом 1000 м

, сховища на 5000 м

збро

дженої біомаси та модульної теплоелектроустановки. Санітарна

обробка відходів здійснюється витримуванням їх за температу

ри 70

С упродовж години (за необхідності – 90

С). БГУ облад

нана системою автоматичного керування (рис. 22.9).

Оригінальну БГУ розробила данська фірма «Біоскан А/С».

Технологія «Біорек» дає змогу переробляти рідкий гній тварин

ницьких ферм і рідкі органічні відходи (стічні води та осад стіч

них вод) на очищену воду, добриво і енергію. Зброджений стік з

біореактора надходить на ультрафільтраційну установку, яка

пропускає тільки воду з розчиненими в ній речовинами, а бак

терії і нерозщеплені залишки органічних речовин повертає на

повторну переробку до біореактора. Відфільтрований стік над

ходить на аміачну установку, де відбувається виділення наявно

го азоту у формі аміачного концентрату, а потім на установку

зворотного осмосу, де стік розділяється на очищену воду і ка

лійнофосфорне добриво.

Для переробки твердих і пастоподібних органічних відходів

розроблено технологію «Бабрек». У ній передбачено додатково

технологічні операції гомогенізації, гідролізу і санітарної оброб

ки вихідної біомаси.

Повністю автоматизовану БГУ розробила німецька фірма

«ТЕВЕЕлектронік ГмбХ і КоКГ» спільно з фірмою «Ліпп

ГмбХ» (рис. 22.10). Особливістю цієї технологічної схеми є по

переднє підігрівання біомаси перед зброджуванням. Підігрівач

субстрату – це ємність з високоякісної сталі габаритними розмі

рами 4,0 х 2,0 х 2,1 м і масою 1000 кг. Усередині ємності розмі

щено циліндричний резервуарнагромаджувач біомаси місткі

стю 2000 л зі змішувачем і змійовик, по якому біомаса

надходить до нагромаджувача. Субстрат підігрівається гарячою

водою (90–95

С), яка подається в ємність. Конструкція підігрі

вача дає змогу регулювати температуру вихідного субстрату.

До складу цієї установки входить метантенк із вбудованим

газгольдером «КомБіоРеактор» (рис. 22.11). Об’єм реактора

може становити від 100 до 800 м

залежно від кількості біомаси,

що підлягає переробці. Система перемішування з використан

ням запатентованого механічного змішувача «Ліпп» дає змогу

водночас горизонтально і вертикально перемішувати біомасу і

ЧастинаII.Спеціальнібіотехнолоії

518

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

519

Рис. 22.10. Технологічна схема повністю автоматизованої біогазової установки модульного збирання

розробки фірм «ТЕВЕЕлектронік ГмбХ» і «Ліпп ГмбХ»:

1 — гноєзбірник із мішалкою; 2 — ємкість для рідкої консервованої біомаси кормових культур; 3 — пристрій

для подрібнення інших видів біомаси; 4 — вагодозувальний пристрій із мішалкою; 5 — підігрівач субстрату;

6 — біореактор із мішалкою «Ліпп» і вбудованим газгольдером; 7 — модульна теплоелектроустановка;

8 — сховище збродженої маси