1. Обзор научно-исследовательских разработок

Биотехнология является одним из наиболее перспективных и эффективных процессов переработки отходов, и обезвреживания на сегодняшний день [4]. В результате переработки отходов пищевой и кормовой промышленности методом биосинтеза получаем биотопливо, которое позволяет вести процесс на собственном энергообеспечении. При утилизации получается также жидкий экстракт, который предназначается для полива кормовых трав, овощей и т. п. Сухое удобрение используется по прямому назначению. Кроме того, утилизация отходов пищевых и кормовых производств методом биосинтеза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метод анаэробного сбраживания наиболее приемлем для переработки животноводческих отходов с точки зрения гигиены и охраны окружающей среды, так как обеспечивает наибольшее обеззараживание остатка и устранение патогенных микроорганизмов.

Применение этого метода представляется уместным и в сельской местности: в небольших фермерских и тепличных хозяйствах он будет особенно эффективным. Метод биодеградации широко применяется в хозяйственной практике европейских стран. Многие фермерские хозяйства Западной Европы удовлетворяют свои потребности в энергетических и органических удобрениях посредством его применения.

Метод биодеградации органических отходов в бытовых и промышленных целях используется в Норвегии и Канаде. В Китае указанный метод также получил распространение (75 млн. установок).

Все вышеизложенное позволяет судить об экономической эффективности данного метода. Прибыль при его внедрении может быть получена за счет реализации биоудобрений, которые являются ценным продуктом. При серийном выпуске специальных установок объем удобрений может быть значительным. Одна установка способна производить до 250 кг биоудобрений за 4-6 дней. За счет реализации газов энергоносителей и их применения в деградационной установке один фермент объемом 150 л может производить 10-15 м3 бытового газа за утилизацию с содержанием метана в нем до 75%. Таким образом, затраты на обслуживание и ремонт установки будут полностью возмещены в течение приемлемого периода. Итогом является значительное уменьшение объемов органических отходов. Технология метода совместима с городской индустрией.

В результате использования биогазовой установки получают:

• биогаз (биометан);

• электроэнергию, тепло;

• биоудобрения;

• горячую воду.

Биогаз – газообразный продукт, получаемый в результате анаэробного сбраживания веществ самого разного происхождения. В его состав входят метан (СН₄) - 55-70% и углекислый газ (СО₂) – 28-43% и другие газы, содержащиеся в малых количествах, например – сероводород (Н₂S).

На рисунке представлена схема работы промышленной биогазовой установки.

Рисунок. Схема промышленной биогазовой установки (zorgbiogas.ru)

Состав оборудования и сооружений промышленной биогазовой установки:

• емкость гомогенизации;

• загрузчик твердого сырья;

• реактор (другое название биореактор, метантенк, ферментатор);

• мешалки;

• газгольдер (хранилище газа);

• система смешивания воды и отопления;

• газовая система;

• насосная станция;

• сепаратор;

• приборы контроля;

• КИПиА с визуализацией;

• аварийные факельные горелки и система безопасности.

Структура бытовой биогазовой установки представляет собой упрощенную конструкцию. В ее состав входят:

• биореактор-метантенк;

• газгольдер мокрого типа;

• лестница-эстакада;

• ковш-тележка;

• ручной подъемник (таль);

• бак для хранения удобрений.

Промышленные биогазовые установки работают по следующему принципу: с помощью насосной станции или загрузчика в реактор периодически подаются отходы. Реактор – это подогреваемый и утепленный железобетонный резервуар, оборудованный миксерами, в котором живут полезные микроорганизмы, питающиеся отходами. В результате работы реактора образуется биогаз, который скапливается в хранилище (газгольдере). Далее газ проходит систему очистки и подается в котел или генератор. Для сбраживания некоторых видов сырья (например, спиртовой барды) необходим дополнительный реактор гидролиза, так как в обычном реакторе он не может быть переработан.

Известна биогазовая установка анаэробного сбраживания органических отходов, включающая многосекционный реактор, дно которого имеет уклон от узла загрузки к узлу выгрузки, причем последние выполнены в виде конвейеров с приводами мешалки, длина лопастей которых превышает уровень биомассы, расположенные в каждой секции реактора и кинематически связанные с приводом узла загрузки, и газгольдер. Установка снабжена насосом и водонагревательным котлом с газовыми горелками, сообщенными с газгольдером. Узлы загрузки и выгрузки выполнены в виде винтовых конвейеров, состоящих из кожуха и вала со спиралью, причем вал конвейера узла загрузки выполнен полым и перфорированным. Кожух конвейера узла выгрузки снабжен герметичной цилиндрической емкостью, установленной выше уровня биомассы и образующей с ним кольцевую полость, сообщенную с полостью вала конвейера узла загрузки через водонагревательный котел и насос, при этом в месте расположения емкости кожух выполнен перфорированным [5].

Данное решение показано на рисунке.

Рисунок. Схема биогазовой установки

Известна биогазовая установка анаэробного сбраживания органических отходов, содержащая реактор, разделенный на сообщающиеся между собой секции, имеющие колоколообразные сборники газа с лопастями, узлы загрузки и выгрузки. Каждая секция содержит стаканы, в которых установлены с возможностью вертикального перемещения относительно друг друга посредством привода колоколообразные сборники газа, имеющие в верхней части регулируемые клапаны и сетку. Стаканы в нижней части имеют отверстия с клапанами, между которыми установлена перегородка с лопастями, расположенными в шахматном порядке относительно дополнительных лопастей, установленных на стенках колоколообразных сборников газа, где нижняя лопасть выполнена длиннее верхних. Узел загрузки выполнен в виде емкости с входным патрубком для подачи исходного сырья, лотком для отвода нерастворимых твердых легких фракций и выходными патрубками на нижнем уровне для сброса излишней жидкости, твердых тяжелых нерастворимых фракций и подачи сырья на переработку через отверстия в стакане [6].

Данное решение показано на рисунке.

Рисунок. Схема биогазовой установки

Известен так же способ получения биогаза и удобрения из органических отходов.Техническим результатом является упрощение способа переработки органических отходов в биогаз и удобрение, обеспечение надежности отбора биогаза из массива биомассы и цикличности процесса переработки отходов. Способ включает подготовку основания из гидроизолирующего материала, монтаж газодренажной конструкции из жестко связанных труб, совмещающей функции вертикального и горизонтального газового дренажа. Сортировку и измельчение отходов, засеивание их метаногенными микроорганизмами и увлажнение, укладку послойно насыпкой с верхней части газодренажной конструкции с пересыпкой слоев газоводонепроницаемым материалом; биогаз отводят через газодренажную конструкцию, а фильтрат - гидродренажной системой, вмонтированной в основание. Переработанную анаэробными микроорганизмами биомассу можно использовать в качестве удобрения [7].   

Для утилизации отходов животноводческих производств известна биогазовая установка анаэробного сбраживания органических отходов. Сущность изобретения заключается в том, что, с целью повышения эффективности процесса сбраживания, биогазовую установку выполняют в виде расположенного под землей реактора 1, разделенного на секции 2 и узлов загрузки и выгрузки 3 и 4. Секции реактора 1 снабжены мешалками 10, связанными между собой и приводом 7 загрузочного транспортера 5 цепной передачей. Загрузочный 5 и разгрузочный 6 транспортеры введены в донную часть крайних секций 2 реактора 1. Реактор 1 выполнен в виде емкости [8].

Данное решение показано на рисунке.

Рисунок. Схема биогазовой установки

Для использования в сельском хозяйстве известен способ анаэробного сбраживания органических отходов и устройство для его осуществления. Применим для анаэробного сбраживания навоза, помета, фекалий и различных растительных отходов с выработкой на них высококачественных обеззараженных от патогенной микрофлоры и семян сорняков органических удобрений и горючего биогаза. Сущность изобретения состоит в том, что анаэробное сбраживание органических отходов осуществляют последовательно во внешней и внутренней камерах метантенка, а перемешивание сбраживаемых отходов во внешней камере осуществляют путем подачи в нее вводимых в метантенк органических отходов. В резервуаре устройства для осуществления способа на куполе закреплена не доходящая до днища концентрическая перегородка, образующая сообщающиеся снизу внешнюю и внутреннюю камеры. Расположенный в нижней части резервуара и разделяющий камеры элемент выполнен в виду усеченного конуса, с прикреплением большего его основания к боковым стенкам корпуса, а меньшим - обращен с линии резервуара. Диаметр меньшего основания разделительного элемента выполнен меньше диаметра концентрической перегородки, патрубок подачи отходов введен во внешнюю камеру и имеет разнонаправленные отходы [9].

Данное решение показано на рисунке.

Рисунок. Схема биогазовой установки

Предлагается [10] для непосредственного выделения CO₂ из биогаза (с содержанием его до 60 об.%) использовать колонку с размерным соотношением длина - диаметр=10-20, в которую засыпаны шарики из полипропилена диаметром 5-8 мм с контактной площадью 600-1200 м²/м³. Биогаз подается снизу, а сверху промывная жидкость, содержащая воду и 20 вес.% диэтиламина. Скорость прохождения биогаза в колонке должна составлять >25 м³/час. CH₄ собирается в верхней части колонки. После такой очистки и обезвоживания содержание метана в биогазе составляет 99,8%, а CO₂ 0,12% (содержание метана в биогазе до очистки составляло 40-50 об.%). Преимущество такой конструкции и метода в том, что она позволяет проводить процесс отделения при комнатной температуре и атмосферном давлении, что приводит к значительной экономии энергии по сравнению с известными методами.

Патентуется конструкция устройства по переработке органических отходов [11], благодаря которому большие объемы отходов подвергаются непрерывной ферментации в аэробных условиях, превращаясь в компост.

Изобретение [12] предназначено для производства биогаза из пищевых отходов предприятий. Упрощенная конструкция данного биореактора позволяет повысить его производительность. Биореактор содержит корпус в виде стальной трубчатой емкости, разделенной на три части: загрузочную, рабочую и выгрузочную с перегородками-сегментами, не доходящими до дна емкости. Внутри рабочей части, подключенной к газгольдеру, установлена горизонтально мешалка, смещенная от центра емкости. Торцевая стенка правой секции рабочей части снабжена дополнительно резервуаром для горячей воды.

Недостатками данных устройств является громоздкость конструкции и возможность переработки моно сырья. В данной дипломной работе разработана и исследована методика утилизации комплекса отходов пищевой и кормовой промышленности в пропорциях производства разные по дисперсному составу и агрегатному состоянию.