1514

нии процесса с более сухими отходами потребность в предварительной подготовке минимальна (рис. 1.9).

В процессе сбраживания сухих отходов образование избыточных сточных вод значительно ниже, что (в совокупности с потребностью минимальной предварительной подготовки отходов) значительно снижает капитальные и удельные затраты на сбраживание отходов.

Рис. 1.9. Технология получения биогаза в процессе сбраживания слабо обводненных отходов [1]

При этом в процессе сухого сбраживания отсутствуют проблемы с пенообразованием, осаждением и флотационным уносом биоразлагаемой фракции (данные проблемы приводят к нарушению гомогенности условий в реакторе

иснижению метанообразования).

Кнедостаткам сухого сбраживания следует отнести необходимость постоянного перемешивания отходов в реакторе, что повышает риск возникновения поломок и остановки процесса.

Термофильное и мезофильное сбраживание

Скорость реакции прямо пропорциональна температуре протекания процесса. Именно поэтому термофильные процессы протекают значительно быстрее, что приводит к уменьшению необходимого объема реакторов. Термофильный процесс, кроме того, обеспечивает максимальную гибель патогенной микрофлоры.

Недостатками процесса являются: высокие энергозатраты (в сравнении с мезофильным процессом) и потребность в непосредственном нагреве сбраживаемых отходовиливнешнегонагревасперемешиванием.

21

Мезофильные системы чаще применяются при сбраживании высоко обводненных отходов (так как требуется нагрев значительного объема отходов), а термофильные процессы – для сухого сбраживания.

Более подробно технологические аспекты производства биогаза рассмотрены в разделе 1.4.

Утилизация осадка

Получаемый в процессе сбраживания осадок может быть использован следующим образом: подвергнут биостабилизации и направлен на захоронение; подвергнут компостированию и использован в качестве компоста; обезвожен

ииспользован в качестве удобрения; обезвожен и направлен на сжигание.

Взависимости от объема и качества осадка, получаемого после сбраживания, в различных странах он подвергается различным технологическим переделам в зависимости от рыночной конъюнктуры, потребности в материалах, экологических требований, так, например, в Германии наиболее распространена технология, в ходе которой осадок стабилизируется и направляется на полигон.

Вряде случаев после компостирования и дозревания (технология аналогична получению биостабилизированного материала, но включает стадию дозревания) осадок может быть использован в качестве компоста.

ВИзраиле осадок после обезвоживания (без дополнительных переделов) используется в сельском хозяйстве, что вряд ли применимо в странах ЕС, имеющих более строгие стандарты качества окружающей среды.

ВИталии реализуется процесс сжигания обезвоженного осадка совместно

сRDF, получаемого на том же предприятии МБПО. Но с учетом энергетических затрат на обезвоживание осадка данный процесс является низкоэффективным с точки зрения энергетического эффекта [1].

1.3.4. Получение топлива высокого качества после биологической обработки отходов и последующего

кондиционирования полученных сухих остатков

Обычнополученныепослемеханобиологическойпереработкисмешанныхпотоковтвердыхбытовыхиприравненныхкнимотходовтвердыеостаткисодержатмного загрязняющих веществ и не пригодны для использования в сельскохозяйственных, рекультивационных, геотехнических и подобных им целях, но обладают достаточно высокойкалорийностьюиихэнергетическоеиспользованиецелесообразно.

В тех случаях, когда эти остаточные материалы, а также подобные им продукты механобиологической обработки отходов по калорийности близки к низкосортным каменным (бурым) углям и торфу, они могут быть использованы в качестве твердого топлива – RDF (Refuse Derived Fuel) и SRF (Solid Recovered

22

Fuel) – вторичного твердого топлива (из муниципальных и других органических отходов) [12].

На рынке низкосортных твердых топлив RDF и SRF имеют определенные преимущества – они дешевы, иногда они могут передаваться потребителям даже бесплатно, возможна отрицательная стоимость (доплата потребителям за их использование). Это делает их привлекательными для таких потребителей, как производители цемента, в тепловой энергетике.

RDF и SRF имеют преимущества перед другими источниками энергии, где имеется выраженная сезонность их получения (например, биотопливо из растительного сырья) или зависимость их от вариабельных природных явлений (например, ветровая, солнечная, приливная или волновая энергетика) [12].

Твердое топливо из отходов имеет и такие преимущества, как возможность использования внутри локальных территорий в интересах местных органов самоуправления, так как позволяют уменьшить количество неутилизируемых отходов и снизить объем их размещения в окружающей среде.

Важным фактором при их использовании является снижение зависимости от импорта энергоносителей, а также уменьшение образования парниковых газов из-за отказа от использования для этих задач традиционных первичных углеводородных топлив.

В экономическом плане они более эффективны по ценам, чем традиционно применяемые чистые виды биотоплива, такие как древесные отходы, лузга подсолнуха, скорлупа кокосовых орехов, кукурузные кочерыжки и др.

Кнедостаткам применения RDF и SRF можно отнести неудобства при их использовании из-за гетерогенности их состава, трудностей соблюдения существующих в различных странах требований по сжиганию отходов (например, Waste Incineration Directive в Европейском союзе), из-за необходимости более полного мониторинга процесса сжигания, дополнительных процедур (например, гомогенизация), устройства сателитных топок для раздельного сбора золы, дополнительной очистки отходящих газов и др.

Дополнительные расходы на предварительную подготовку перед сжиганием, усиление контроля над эмиссиями загрязняющих веществ из-за наличия тяжелых металлов, а также возможность образования диоксинов, золы уноса первого и второго классов опасности, являются весьма существенными факторами, которые играют важную роль при принятии решений по использованию RDF и SRF

вкачестве топлива.

Ксущественным недостаткам можно отнести также возможность снижения их полезных свойств при длительном хранении, выделения дурно пахнущих газов, образования загрязненных сточных вод при выпадении над ними атмосферных осадков.

23

Анализ положительных и отрицательных моментов использования RDF и SRF в качестве твердого топлива позволяет принять компромиссные решения с учетом возникающих экономических и экологических рисков.

Опыт последних лет в зарубежных странах свидетельствует о том, что RDF и SRF применяются как дополнительное топливо на теплоэнергетических станциях в целях снижения затрат на приобретение традиционных видов топлива, получения прибыли от снижения выбросов парниковых газов, экологического имиджа предприятия от использования возобновляемых ресурсов.

Особенно много RDF и SRF используются в цементной промышленности из-за их низких (или отрицательных) цен, возможности получения прибыли от снижения выбросов парниковых газов (от 5 до 20 углеродных единиц на одну тонну сжигаемого SRF), использования золы от сжигания этих топлив в массе для получения клинкера. RDF и SRF используются в промышленных бойлерных установках, в качестве топлива в инсинераторах.

Необходимо отметить, что RDF и SRF не имеют статуса отходов и могут подвергаться экспортно/импортным операциям, не нарушая требований Базельской конвенции о запрете трансграничных перемещений опасных отходов [12].

Качество топлива, получаемого из отходов, определяется следующими параметрами: влажностью, зольностью, калорийностью, химическим составом (наличием тяжелых металлов, хлорсодержащей органики и прочих мешающих примесей). В табл. 1.6 представлено сравнение различных топлив.

24

SRF получают путем биологической обработки и последующего кондиционирования ТБО. При этом биологическая обработка заключается в сушке отходов за счет выделяющегося тепла от разложения органических компонентов ТБО. Процесс проводят в аэробных условиях в туннеле или биобарабане. При этом вода в реактор не вводится. В процессе обработки происходит частичное разложение органических компонентов (до момента достижения влажности 40 %, так как после этого уровня разложение существенно замедляется), потеря массы (на 25– 30 %) и повышение калорийности до 15–18 МДж/кг. Длительность процесса на различных предприятиях по получению SRF существенно отличается в зависимости от принятых технологий и качества входящего потока отходов и состав-

ляет 5–14 дней [12].

Полученный продукт подвергается кондиционированию, в ходе которого удаляются мешающие примеси (металлы, хлорсодержащие полимеры

ипр.) и негорючие компоненты. Степень и направление механической обработки определяются потребностями потребителя топлива. Наиболее часто SRF используют в цементной промышленности, для совместного сжигания, в печах кипящего слоя.

1.3.5.Комплексные технологические схемы МБПО

Вряде случаев технологические схемы МПБО имеют несколько ключевых элементов биологической переработки. Так, на рис. 1.10 представлен пример технологии получения биогаза с последующей переработкой осадка компостированием. При этом возможна технология совместного компостирования осадка

идревесных отходов, отбираемых на стадии механической сортировки.

Рис. 1.10. МБПО, включающая сбраживание и компостирование

25

Рис. 1.11. МБПО, включающая сбраживание, перколяцию и биосушку

Возможен вариант технологической схемы, когда получение биогаза комбинируется с биосушкой (рис. 1.11). При этом на выходе получают SRF.

1.4. Технологические аспекты получения биогаза

1.4.1.Биохимические принципы получения биогаза

Вряде литературных источников выделяют три стадии в процессе получения биогаза при деструкции отходов. Началом процесса является стадия разрушения полимеров. На этой стадии полимерные молекулы органической фракции отходов группой факультативных микроорганизмов в процессе ферментативного гидролиза переводятся в растворимые мономеры. Мономеры (с короткой цепью органические кислоты, уксусная кислота и др.) становятся субстратом для следующей стадии (ацетогенной). На ацетогенной стадии также образуется некоторое количество углекислого газа [9].

На стадии ацетогенеза происходит формирование из мономеров ацетата, водорода и углекислоты. На заключительном этапе происходит синтез метана

впроцессе использования метаногенными организмами ацетата в качестве питательного субстрата.

Метаногены являются облигатными анаэробами. Метаногенные бактерии способны синтезировать метан двумя основными способами: в процессе ферментации органических кислот (уксусной например), а также в процессе перевода диоксида углерода в метан в процессе использования водорода или фор-

26

миата, вырабатываемых прочими бактериями. Схематически процессы, происходящие на трех данных стадиях, показаны на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Схема процесса метаногенеза [11]

Как уже было изложено выше, к основным компонентам биогаза относятся СН4 и СО2, соотношение которых зависит от исходного субстрата и характеристик процесса брожения (температуры, времени пребывания массы в реакторе, загрузки рабочего пространства). Наряду с этими важнейшими компонентами биогаз содержит незначительные количества Н2 и H2S (табл. 1.7), а также N2.

Приведенные в табл. 1.7 физические свойства биогаза позволяют судить о возможностях его практического использования и необходимых для этого приемах. Объемная теплота сгорания (QB) определяется в основном содер-

27

жанием СН4, поскольку незначительные количества Н2 и H2S на этот показатель практически не влияют. Соответственно температура воспламенения и предел воспламеняемости тоже зависят от содержания СН4. При выяснении возможности сжижения газовой смеси необходимо учитывать критические значения давления и температуры отдельных ее компонентов. Эти значения показывают, что сжижение биогаза практически нецелесообразно. При использовании биогаза следует учитывать разность в плотности отдельных его компонентов.

1.4.2. Физико-химические факторы, влияющие на процесс анаэробной переработки отходов

1. Температура [13, 11, 17–19]

Метаболическая активность и репродуктивная способность микроорганизмов находятся в функциональной зависимости от температуры. Таким образом, температура влияет на объем газа, который можно получить из определенного количества органического вещества в течение заданного времени, а также на технологическое время процесса брожения, необходимое для высвобождения при соответствующей температуре определенного количества газа (рис. 1.13).

Существуют три типичных температурных режима, в которых наблюдается максимальная продуктивность соответствующих штаммов бактерий:

–психрофильные штаммы при температуре ниже 25 °С,

–мезофильные штаммы при температуре 25–45 °С,

–термофильные штаммы при температуре свыше 45 °С.

Рис. 1.13. Влияние температуры брожения и продолжительности процесса брожения на выход и состав получаемого газа [20]

28

Большинство установок работают в мезофильном режиме при температурах 38–42 °С. Психрофильный режим работы из-за длительного времени брожения и небольшого выхода биогаза на практике реализуется редко, в то время как установки с термофильным режимом работы пользуются все большим спросом.

Температура также влияет на качество газа. Так, при возрастании температуры было установлено снижение доли СН4 в общем объеме выделяющихся га-

зов (рис. 1.13).

2. Содержание кислот, pH, буферные свойства (щелочность) [11, 13, 21]

Поскольку метаболическая активность и уровень воспроизводства метановых бактерий ниже, чем кислотообразующих, при нарастании количества образующихся органических веществ может получиться избыток летучих кислот, который снижает активность метановых бактерий, как только значение pH опустится ниже 6,5. В качестве оптимальных значений могут быть названы:

–щелочность 1500–5000 мг СаСО3 на 1 л субстрата;

–pH 6,5–7,5;

–содержание летучих кислот 600–1500 мг на 1 л субстрата.

3. Ингибиторы [11, 13,16, 20]

К веществам, которые в слишком большой концентрации препятствуют

жизнедеятельности микроорганизмов, относятся прежде всего тяжелые металлы и их соли, щелочные металлы, щелочно-земельные металлы, аммиак, нитраты, сульфиды, детергенты, органические растворители, антибиотики (табл. 1.8).

Таблица 1 . 8

Предельные концентрации веществ, препятствующих процессу метанового брожения [13, 15, 16, 20]

29

В табл. 1.8 для некоторых веществ приведены значения концентрации, которые ведут к существенному замедлению метанообразования. Имеется обширный массив данных о максимально допустимых концентрациях антибиотиков и синтетических препаратов в субстрате, подвергаемом брожению [20]. Но данная проблема более актуальна при сбраживании отходов животноводства.

Для детергентов, органических растворителей, лекарственных форм, содержащихся в бытовых отходах, не имеется точных данных о критических значениях концентрации. Однако в литературе указывается, что эти вещества даже в самых незначительных количествах препятствуют процессу брожения.

4. Состав питательной среды [11, 13, 20, 22]

Предпосылкой беспрепятственного размножения бактерий служит наличие питательной среды, которая содержит как углерод и кислород для обеспечения этого процесса энергией, водород, азот, серу и фосфор – для образования белка, так и щелочные металлы, железо и микроэлементы. При этом активность микробной реакции в значительной мере определяется соотношением углерода и азота. Наиболее благоприятные условия соответст-

вуют значениям C : N : P = 75 : 5 : 1 или 125 : 5 : 1 [20].

Если в исходном субстрате углеводов больше, чем белковых веществ, то образуется мало аммонийного азота. Вследствие этого выделяется меньше СН4 и больше Н2 и СО2, что ведет 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 к затуханию процесса метанообразования.

Количество и состав газа, образующегося в результате полного разложения органического вещества, зависит от соотношения С : Н : О : N в исходном материале и от температуры процесса брожения. Из важнейших соединений, входящих в состав органического вещества, жиры обусловливают наибольший выход газа с высоким содержанием СН4, белковые вещества – немного меньший, но тоже с высоким содержанием СН4, и углеводы – относительно мало газа с наименьшим содержанием СН4.

Точно в соответствии с процентом веществ каждой группы: протеинов, жиров и углеводов определяются выход газа и процент метана в биогазе. На рис. 1.14 представлена диаграмма, отражающая образование биогаза при сбраживании различных видов субстрата

5. Концентрация твердых частиц [13, 15, 16, 20]

Предпосылкой высокой интенсивности реакции служит беспрепятственный обмен веществ на граничных поверхностях фаз, который должен поддерживаться непрерывным обновлением этих поверхностей благодаря перемешиванию субстрата. Однако это можно обеспечить только в том случае, если вязкость субстрата допускает свободу перемещения жидкости, взвешенных твердых

30