962

Таблица 2

Концентрации вредных веществ в отходящих газах и эффективность снижения выбросов при работе дизельного

двигателя на модифицированных топливных смесях

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1.Установлено, что эффективными добавками для снижения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при горении топлив являются добавки состава Д1 – Д5, различающиеся типом и концентрацией спиртов, наличием аммиакобразующего компонента, эмульгатора.

2.Предложен и теоретически обоснован химизм действия добавок в дизельном топливе на снижение эмиссии вредных выбросов.

3.В лабораторных условиях установлен состав отходящей газовой фазы, образующейся при горении дизельного топлива. Экспериментально доказано, что вводимые добавки Д1 – Д5 позволяют снизить выбросы загрязняющих веществ в атмосферу: по оксиду углерода на 75–80 %, по оксиду азота – на 65–70 %, по оксидам серы – на 80–87 %.

4.Опытные испытания добавок в дизельном топливе в реальных условиях работы дизельного двигателя показали высокую эффективность влияния добавок на снижение выбросов загрязняющих веществ

ватмосферу.

5.Определен предотвращенный экологический ущерб (15,451 млн руб. в год) от предполагаемого снижения выбросов загрязняющих ве-

31

ществ в атмосферу дизельных двигателей внутреннего сгорания на территории Пермского края при использовании модифицирующих добавок в дизельном топливе.

Список литературы

1.Данилов А.М. Применение присадок в топливах. – М.: Мир, 2005. – 288 с.

2.Разработка состава композиционной добавки в дизельное топливо, снижающей эмиссию вредных выбросов / А.Р. Кобелева [и др.] // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. – 2008. – № 12.

–С. 48–50.

3.Крылов А.С., Втюрин А.Н., Герасимова Ю.В. Обработка данных инфракрасной фурье-спектроскопии: метод. пособие / Препринт № 832 Ф.; Ин-т физики СО РАН. – Красноярск, 2005. – 48 с.

Получено 16.08.2010

32

УДК 628.473.2:547.11

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА

О.М. Добрынина, Е.В. Калинина

Пермский государственный технический университет

Получение биогаза из отходов производства и потребления является перспективным направлением в области альтернативных источников энергии. В работе рассмотрены технологические аспекты получения биогаза, позволяющие спланировать экспериментальные исследования и разработать технологию получения биогаза.

Биогаз – смесь метана и углекислого газа (75 % метан, 25 % – СО2), получаемая в результате анаэробной (без доступа воздуха) ферментации (перепревания) органических веществ самого разного происхождения в специальных реакторах – метантенках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана [2].

Для производства биогаза возможно использовать следующие органические материалы: осадки сточных вод очистных станций городской канализации, твердые бытовые отходы, отходы сельского хозяйства, отходы животноводства и птицеводства, древесные отходы.

Получение биогаза экономически оправданно и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, растительных отходов и т. д.). Экономичность заключается в том, что нет нужды в предварительном сборе отходов, в организации и управлении их подачей; при этом известно, сколько и когда будет получено отходов.

Получение биогаза, возможное на установках самых разных масштабов, особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где существует возможность полного экологического цикла.

Процесс метанового сбраживания (стабилизации) сырого осадка подразделяют на три, а иногда и четыре этапа [5]:

1. Гидролизная фаза. Во время протекания этой фазы, в результате жизнедеятельности аэробных гидролизных (ацетогенных, например Syntrophobacter wolinii) бактерий, устойчивые субстанции (протеины,

33

жиры и углеводы) разлагаются на простые составляющие (аминокислоты, глюкоза, жирные кислоты).

2. Кислотообразующая фаза. Получившиеся составляющие на первой фазе разлагаются кислотообразующими бактериями на другие органические вещества (уксусную, пропионовую кислоты, спирты и альдегиды) и неорганические вещества H2, CO2, N2, H2S. Этот процесс протекает до тех пор, пока развитие бактерий не замедлится под действием образованных кислот.

3. Ацетогенная фаза. Под воздействием ацетогенных бактерий из образованных кислот вырабатывается уксусная кислота.

При переработке различных коммунальных и промышленных стоков пищевых производств основным субстратом для метаногенов является ацетат, который также превращается в метан:

СН3СООН → СН4 + СО2.

К этой группе метаногенов относятся Methanosarcina barkeri Methanococcus mazei, Methanothrix soengenii. При конверсии ацетата в метан с их помощью очень мало изменяется свободная энергия субстрата (AG6 = –32 кДж), поэтому скорость их роста низка и их генерация длится не менее 10 сут.[5].

4. Метаногенез. Уксусная кислота разлагается на метан, углекислый газ и воду. Водород и углекислый газ преобразуются в метан и воду.

Весь этот сложный комплекс превращений осуществляет большое количество микроорганизмов – до нескольких сотен видов. Из них преобладающими являются гидролитические, бродильные, синтрофные и метановые группы. Количественный и качественный состав микроорганизмов сильно зависит от состава сбраживаемых органических веществ и условий, которые создаются в окружающей среде.

Все эти реакции протекают одновременно, причём метанобразующие бактерии предъявляют к условиям своего существования значительно более высокие требования, чем кислотообразующие (рис. 1).

Все стадии метанового сбраживания сводятся к двухфазной схеме процесса брожения, предложенной Баркером (рис. 2).

В первой фазе кислотообразующие бактерии из сложных органических веществ – белков, углеводов и жиров – с участием воды образуют кислоты (уксусную, муравьиную, молочную, масляную, пропионовую и др.), спирты (этиловый, пропиловый, бутиловый и др.), газы (углекислый газ, водород, сероводород, аммиак), аминокислоты, глицерин и проч. Во второй фазе метанобразующие микроорганизмы исполь-

34

зуют промежуточные соединения кислотопроизводящих бактерий и осуществляют их дальнейшее разложение. При этом выделяется биогаз, состоящий из метана, углекислоты, азота и водорода.

Органическиевещества (протеины, углеводы, липиды, целлюлоза)

Аэробные

гидролизные

бактерии

Легкоокисляемые

органические

вещества

Разложение

кислотообразующими

бактериями

Жирные кислоты и водород

Разложение

метанобразующими

бактериями

Метан, диоксид углерода и вода

Рис. 1. Анаэробная деструкция органических соединений

35

Рис. 2. Этапы разложения и анаэробного преобразования [5]

Сущность процесса получения биогаза заключается в разложении биомассы под воздействием трёх видов бактерий: гидролизных, кислотообразующих, метанобразующих.

Органическиесоединения+ Н2О→СН4+СО2+С5Н7NО2+NH4+HCO3. Основную реакцию метанообразования можно записать в виде

CO2 +4H2A → CH4 ↑ +4A +2H2O .

В этом уравнении под Н2А подразумевается органическое вещество, содержащее чистый водород. В итоге реакция восстановления имеет вид

CO2 +4H2 → CH4 ↑ +2H2O .

Продуктами производства биогаза являются: биогаз, перебродивший субстрат (шлам), при определенных качестве шлама используемый как удобрение. Во время брожения аммиак выделяется из органических азотистых соединений и вместе с соединениями фосфора и калия преобразует бродильную массу в богатый органическими веще-

36

ультразвуковая, термощелочная и термическая обработка, а также механическая гомогенизация [4].

2.Выбор аппаратурного обеспечения. Наиболее целесообразно использовать метантенк с непрерывной подачей сырья, так как при этом получается наибольшая интенсивность разложения. Количество органического вещества, которое добавляется в единицу времени к находящемуся в реакторе субстрату, соответствует уже разложившемуся

кданному моменту количеству органического вещества.

3.Водородный показатель. Оптимальным значением прохождения процесса получения биогаза является pH = 6,5–7,5. Обычно величина pH благодаря буферным свойствам субстрата при неравномерном образовании кислот поддерживается на постоянном уровне. Буферные свойства обусловлены образованием карбонатов в количествах, превышающих количество выделившегося при брожении СО2.

4.Температурные условия. Температура около 33–44 °С. При повышении температуры до 54 °С условия для образования газа улучшаются, но доля метана в общем объёме выделяющихся газов снижается. Микробиологическая активность почти прекращается, если температура падает примерно до 15 °С. К перепадам температуры, особенно к её внезапным понижениям, микроорганизмы весьма чувствительны и реагируют на это снижением метаболической активности и способности

квоспроизведению [2].

Температурный режим анаэробного брожения играет важную роль в выборе конструкции основного аппарата и расчёте его основных характеристик. По отношению к температурному фактору все метанобразующие микроорганизмы можно разделить на три группы по оптимальной температуре роста и развития: термофилы (45–70 °С), мезо-

филлы (15–45 °С), психрофилы (ниже 15 °С) [2].

Мезофильный режим наиболее выгоден с точки зрения как скорости утилизации органических загрязнений, так и энергетических затрат на подогрев метантенка.

Средний состав газа, который можно получить при оптимальной температуре брожения 34 °С, соответствует соотношению СН4/СО = 2. В зависимости от доли способной к сбраживанию органической массы в реакторе разлагается лишь 40–50 % всей закладываемой в неё органической массы [4].

38

5. Содержание различных компонентов:

Кислород. Все метаногены – строгие анаэробы, рост некоторых из них полностью подавляется при появлении в газовой фазе 0,004% кислорода, первые выделенные в чистые культуры виды росли при окис- лительно-восстановительном потенциале среды менее 300 мВ [2].

Твёрдые вещества. Верхняя граница концентрации твёрдых веществ для субстрата с мелкодисперсной взвесью твёрдых веществ соответствуtт 10–15 %, при которой ещё возможно свободное перемещение фаз. При больших значениях выход газа значительно уменьшается [5].

Органические и минеральные компоненты. В сырье должны содер-

жатьсяорганическиеиминеральныевеществавобъеме75–85/15–25 % [5]. Щелочность. Концентрация гидрокарбоната и ионов карбоната в

воде должно составлять 1500–5000 мг СаСО3 на 1 л субстрата [5]. Содержание летучих кислот. Содержание летучих кислот долж-

но находиться в пределах 600–1500 мг на 1 л субстрата [5].

Содержание питательных веществ. Соотношение углерода

(двуокиси углерода СО2) и азота (азотистых соединений (углекислый (NH4)2CO3 и хлористый (NH4Cl) аммоний)) в перерабатываемом сырье. Оптимальным значением является соотношение равное 10/16. Если в исходном субстрате углеводов больше, чем белковых веществ, то образуется мало аммонийного азота. Вследствие этого выделяется меньше CH4 и больше H2 и CO2, что ведёт к увеличению выхода кислот, снижению pH и тем самым к дальнейшему уменьшению интенсивности метанового брожения. С другой стороны, избыток белка и аминокислот обусловливает возрастание значения pH более 8, что также приводит

кзатуханию процесса метанообразования.

6.Время пребывания в реакторе. Время выбирают в зависимости от температуры сбраживания и состава сырья в следующих интервалах: психрофильный температурный режим – 30–40 и более сут., мезофильный – 10–20 сут., термофильный температурный режим – 5–10 сут.

7.Разложение органического вещества. Разложение до 30–33 %

обычно обеспечивает максимальный выход биогаза и лучший по качеству перебродивший субстрат (шлам). При пребывании биомассы в биореакторе в течение 14–15 дней полнота ее разложения составляет 25 %. При непрерывном способе сбраживания, когда выгрузка определенного объема «отработавшего» в реакторе органического вещества происходит одновременно с загрузкой такого же объема свежего материала, выделяется наибольшее количество биогаза.

39

8.Предел сбраживания. Данный параметр соответствует органическому веществу осадка 50–60 %, избыточному активному илу – 42–45 %. Стабилизированным считается осадок, степень сбраживания которого в метантенке составляет ~90 % предела сбраживания [5].

9.Перемешивание. На поверхности органической массы периодически образуется плавающая корка, мешающая выходу биогаза. Поэтому ее необходимо устранять, перемешивая содержимое биореактора 1–2 раза в сутки. Перемешивание способствует также равномерному распределению температуры и кислотности в биомассе, находящейся

вкамере сбраживания [5].

Анализ научно-технической информации позволил определить основные условия, влияющие на процесс производства биогаза: выбор аппаратурного обеспечения, температурные условия, pH среды и содержание различных компонентов в исходном сырье (содержание твердых и питательных веществ, летучих кислот и др.). Постановка лабораторных экспериментальных исследований получения биогаза из избыточно активных илов позволяет модернизировать существующие технологии и решить вопрос утилизации отход коммунальной отрасли.

Список литературы

1.Вайсман Я.И., Глушанкова И.С. Условия образования и очистка фильтрационных вод полигонов захоронения твердых бытовых отходов. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2003. – 168 с.

2.Виноградова А.В., Козлова Г.А., Аникина Л.В. Биотехнология топлив: учеб. пособие – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. – 212 с.

3.Мосин О.В. «Экологические аспекты современной биотехно-

логии». – URL: http://library.ksu.ru/library/book/17853.html.

4.Зыкова И.В., Панов В.П. Утилизация избыточных активных илов // Экология и промышленность России. – 2001. – № 12. – С. 20–25.

5.Анализ факторов, влияющих на производство биогаза при сбраживании осадка сточных вод / А.В. Седнин [и др.] // Изв. высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ – ЭНЕРГЕТИКА: Теплоэнергетика. – 2009. – № 5 (сентябрь – октябрь). – С. 49–58.

Получено 19.07.2010

40