БІОТЕХНОЛОГІЯ - В. Г. Герасименко - 2006

Частина ІІ. Спеціальні біотехнології

Розділ 22. БІОТЕХНОЛОГІЇ УТИЛІЗАЦІЇ І БІОКОНВЕРСІЇ ВІДХОДІВ АГРОПРОМИСЛОВОГО КОМПЛЕКСУ

22.3.НЕТРАДИЦІЙНІ МЕТОДИ. БІОТЕХНОЛОГІЯ ОДЕРЖАННЯ БІОГАЗУ ШЛЯХОМ АНАЕРОБНОГО ЗБРОДЖУВАННЯ ВІДХОДІВ

22.3.7.Стан виробництва біогазу в Україні

У державній програмі виробництва машин і технологічного обладнання для сільського господарства України на 1996-2005 рр. передбачено виготовлення комплектів обладнання для анаеробної переробки гною з реакторами від 3 до 3000 м³. У сільській місцевості України експлуатуються та на стадії будівництва знаходяться близько 20 біогазових установок різної продуктивності з реакторами місткістю від 1 до 500 м³. Цього вкрай недостатньо за сучасних потреб країни щодо використання нетрадиційних джерел енергії.

Певний досвід розробки БГУ в Україні мають підприємства УкрНДІагропроект, «Стелком», «Альтек» та інші, в яких є відповідна проектно-технічна документація. Проте, на жаль, з різних причин (переважно фінансових) великих БГУ, що їх використовували б комерційно, наразі в Україні немає.

На великих біогазових установках можна отримати достатню рентабельність, організувати механізацію та автоматизацію процесу анаеробного зброджування, досягти цілорічного споживання біогазу.

Нині запропонована концепція, яка передбачає спорудження в Україні насамперед великих біогазових установок (з об’ємом метантенка від 800 м³). Такі установки можуть бути побудовані на фермах ВРХ з поголів’ям від 600 голів, на свинофермах з поголів’ям від 6000 голів, на птахофабриках з поголів’ям від 200 тис. голів. Для забезпечення рентабельності вміст сухої речовини у гнойових стоках має становити 8-10 % (8-12 %), а органічної речовини - 85 %. Це, як правило, забезпечують скребкові (транспортерні) системи прибирання гною, і, навпаки, - не забезпечують системи гідрозмивання та гідросплавлення.

Г. Гелетуха, С. Кобзарь (2001) визначили потенціал гною (ВРХ, свиней, птиці), придатного для анаеробного зброджування в Україні (табл. 22.7).

Таблиця 22.7.

Потенціал гною в Україні (за даними 1999 р. *)

Зважаючи на потенціал гною, придатного для анаеробного зброджування, та снітовий досвід, було здійснено оцінку кількості біогазових установок, що їх можна спорудити в Україні (табл. 22.8).

Спорудження 2865 установок іа середнім об'ємом метантенка 1000 м³ дасть можливість замінити у сільських районах близько 1 млн т умовного палива та створити незалежні джерела електро і теплопостачання, джерела високоякісних органічних добрив, а також внести значний вклад у поліпшення екологічного стану в Україні.

Об'єднання УкрНДІагропроект (Смірнов О., 2000) займається розробкою установок для анаеробного зброджування гною в господарствах різної потужності: великих, фермерських та індивідуальних. Створено різноманітні модифіклці установок для фермерських господарств у вертикальному і горизонтальному виконанні. Вертикальний реактор, заглиблений в грунт, дає змогу скоротити витрати на ізоляцію корпуса і нагріванни біомаси в реакторі, але має труднощі з вивантаженням збродженої біомаси. Горизонтально розташований реактор над поверхнею землі не мєс цього недоліку, але потребує механізації завантаження вихідною сировиною у високо розташовану завантажувальну вирву. Реактор - це труба діаметром 1-1,2 м завдовжки 2,5 - 3 м, яка з торців закрита фланцями. Робоча порожнина реактора (труби) опущена до половини діаметра в місткість, заповнену водою, з системою труб для підтримання потрібної температури завдяки циркуляції у них гарячої води. У реакторі встановлено рамни змішувач, що здійснює -2 3 об./хв. упродовж 15 хвилин кожні 2 -3 год. Реактор маєзавантажувальну вирву, зливну трубу для вивантаженя шламу та газовивідну трубу, обладнану грязеводовіддільником. Установка мас газгольдер із плаваючою кришкою і котел дія підтримання тепла в реакторі. Продуктивність установки - до 4 м² біогазу на добу. Ця установка була змонтована в Обухові Київської обл. Її вартість складає $ 500 - 600 (Смірнов О., 2000).

Таблиця 22.8..

Кількість біогазових установок, які можна спорудити в аграрниму секторі України

(Гелетуха Г. Кобзарь С. 2001)

В Кам’янець-Подільському районі Хмельницької області (Крушневич Т. та ін., 2000) розпочато будівництво біоенергетичного комплексу, що має принципово нову технологію метанового зброджування посліду птахофабрик і гною великої рогатої худоби та свиней, яка поляга в додатковій обробці продуктів зброджування для збагачення і зв’язування азоту (Інститут газу НАН України, ТОВ «Альтек»). Технологією передбачено ком- примірування, охолодження та очищення біогазу.

Товарний біогаз використовуватиметься як паливо в газодизельних електроагрегатах з виробленням електроенергії, а надлишок біогазу постачатиметься іншим споживачам чи використовуватиметься для підігрівання води. Для технологічних потреб енергокомплексу використовуватиметься тепло відпрацьованих газів двигунів і тепло системи їх охолодження.

Проведені розрахунки свідчать, що на базі тваринницького комплексу на 1200 голів великої рогатої худоби можна одержати 65 м³ біогазу/год, за добу - 1560 м³, а за рік - 569400 м³. За теплотворною здатністю ця кількість біогазу еквівалентна відповідно 42,10 та 367920 м³ природного газу і 315,4 т дизельного пального (за рік). З виробленого біогазу можна одержати за рік 1314000 кВт/год електроенергії.

Орієнтовні витрати на створення біоенергетичної установки - $ 246000. Будівництво установки виконано майже на 50 %, але роботи припинені через відсутність фінансування (рис. 22.13).

Рис. 22.13. Біоенергетичний комплекс в Камянець-Подільському районі Хмельницької області

(за Крушневич Т., Писарєвим С, Кацинським Б., 2000)

Запропонований біоенергетичний комплекс дає змогу розв’язати такі завдання: забезпечення електроенергією власного господарства; підвищення родючості ґрунтів (на 15-25 %); експорт високоякісного екологічно чистого органічного добрива; забезпечення охорони навколишнього середовища; забезпечення належного санітарно-гігієнічного стану ферм.

Велика БГУ побудована на свинофермі компанії «Агро- Овен» у селі Оленівка Магдалинівського району Дніпропетровської області (рис. 22.14) в рамках проекту технічної допомоги уряду Королівства Нідерландів. Обладнання компанії BTG (Нідерланди), а проектні роботи, шефмонтаж, налаголження і навчання виконували УкрНДІагропроект, НТЦ «Біомаса». Установка призначена для переробки 80 т/добу гнойових стоків зі свиноферми з 15-тисячним поголів’ям.

Рис. 22.14. Біогазова установка у селі Оленівка Магдалинівського району Дніпропетровської області, Україна

(за Гелетухою Г, Кобзарь С., 2001)

БГУ складатися із двох метантанків, двох котенерлінійних установок (по 80 кВт/год електричних та 160 кВт теплових кожна) та системи зневоднення збродженого гною. Об'єм реактора становить 1200 м³. Установка працюватиме на мезофільному режимі. У БГУ передбачено підігрівання і перемішування біомаси.

Гній надходить у метантанки зі свиноферми крізь змішувальну ємність. Зброджений гній після реактора виходитиме до сепаратора для розділення на тверду і рідку фракції.

Газгольдер із гнучкої пластикової плівки у вигляді «намета» над поверхнею метантанка складає з ними одне ціле. «Намет»-газгольдер має два шари плівки: зовнішній, здатний витримувати механічні навантаження і внутрішній, стійкий до дій біогазу. У простір між шарами наповнюється повітря, що додатково буде запобігати деформації купола метантанка від снігу, вітру тощо.

Біогаз від реактора надходить трубопроводом до газового двигуна з елсктрогненераторм де біогаз перетворюється на електроенергію, а вихлопні гази проходять через теплообмінник і нагрівають воду циркуляційного контуру. Вироблені двигуном тепло використовується для нагрівання метантанка, а надлишок для обігрівання ферми, теплиці, для гарячого водопостачання тощо.

Економічна ефективність експлуатації установки наведена у табл. 22.9

Таблиця 22.9.

Розрахункові фінансові показники БГУ в Оленівці

Розрахунки дійсні за комплектації БГУ нідерландським обладнанням. За часткової комплектації установки українським обладнанням термін її окупності можна знизити принаймні вдвічі.

Крім сільськогосподарських підприємств, значний потенціал впровадження БГУ мають підприємства харчової (цукрові, спиртові, молочні заводи, пивоварні тощо), фармацевтичної та ферментної промисловості, станції обробки каналізаційних стічних вод, підприємства громадського харчування, ринки, а також побутові відходи.

Спиртова промисловість України - одна з провідних галузей щодо утворення відходів і стічних вод. За даними М. Кошель та ін. (2002, УкрНДІспиртбіопрод), в Україні нараховується понад 80 спиртзаводів, на яких протягом року утворюються близько 4 млн м³ мелясної та 3,6-3,8 млн м³ зернової барди, а також близько 8 млн м³малозабруднених стічних вод. Мелясна барда на більшості заводів не утилізується і без очищення разом зі стічними водами скидається у відстійники, де загниває, забруднюючи ґрунтові води і повітря. В той же час на спиртових заводах найбільш сприятливі умови для організації виробництва біогазу: наявні відходи з температурою 40-50 ^оС, а також вторинні джерела тепла (конденсати, лютерна вода тощо). Усе це дає змогу організувати виробництво біогазу без витрат одержуваного біоенергетичного палива на підігрів середовища у метан- тенках.

УкрНДІспиртбіопрод має досвід проведення метанового зброджування відходів спиртових заводів, оскільки ще у 1970 р. на Андрушівському спиртзаводі за їх участю було введено в експлуатацію цех з виробництва кормового вітаміну В₁₂, продуцентами якого є метаноутворюючі мікроорганізми. Цех працював понад 20 років (до 1991 р.), виробляючи протягом року 250-300 кг вітаміну В₁₂ (у перерахунку на хімічно чисту речовину) і біогаз, спалювання якого в котлах заощаджувало близько 13-15 % палива, що його споживав комбінат у цілому.

Відходи спиртових заводів є добрим живильним середовищем для метаноутворюючих бактерій. Вихід біогазу при зброджуванні 1 м³ цих відходів становить 28-30 м³. На одному спиртзаводі середньої потужності можна одержати за добу 24 тис. м³ газу, а за рік - близько 6 млн м³. Спалювання біогазу дасть змогу заощаджувати близько 4800 т умовного палива на рік. Тобто економія теплової енергії при виробництві етанолу може сягати 40 %.

Особливістю метанового бродіння відходів спиртової промисловості є те, що приблизно 95 % органічних речовин, що розкладаються, трансформуються у біогаз і лише 4-5 % витрачаються на енергетичні та синтетичні потреби бактерій. Тому приріст біомаси бактерій порівняно невеликий, що спричинює велику тривалість метанового зброджування відходів. Скорочення терміну зброджування досягається за рахунок: підвищення концентрації біомаси бактерій шляхом її виділення і повернення в метантенк або іммобілізації бактерій на спеціальних нерухомих носіях, або використання біореакторів з гранульованою біомасою.

Для утилізації відходів спиртових заводів УкрНДІспирт- біопрод (Кошель М. та ін., 2002) був запропонований біореактор (рис. 22.15), у верхній частині якого є пристрій (сепаратор біомаси і біогазу), який запобігає винесенню біомаси з реактора і сприяє її грануляції. Завдяки йому в біореакторі досягається велика концентрація біомаси (до 60 г/дм³), що дає змогу скоротити тривалість метанового бродіння з 10-17 до 2 діб. На спиртовому заводі середньої потужності найбільш доцільно установити чотири біореактори по 600 м³. Затрати на їх установку окупляться протягом року за рахунок економії палива.

Розроблена також технологія утилізації відходів спиртзавоів, що переробляють зерно, отримуючи, крім біогазу і вітаміну В₁₂, сухий білковий корм (Кошель М. та ін., 2002). Згідно з цією технологією за допомогою центрифуги виділяється дробина, яку потім висушують на паровій сушарці. Фугат зброджується метаноутворюючими бактеріями в анаеробному біореакторі з одержанням біогазу. Вихід біогазу - 15 м³/ м³ фугату.

Аеробне доочищення фугату, що пройшов анаеробне зброджування, проводиться в біотенках (аеротенках) іммобілізованими на нерухомому носії мікроорганізмами. Волокнистий носій має велику питому поверхню (1 кг носія - 8-10 тис. м² площі), високу адгезійну здатність, завдяки чому на ньому закріплюється значна кількість мікроорганізмів, що сприяє інтенсифікації очищення. Крім того, носій є біологічно інертним і може працювати без заміни багато років.

Рис. 22.15. Біореактор для зброджування відходів спиртових заводів

(за Кошель М. та ін., 2002):

1 — корпус; 2 — сепаратор біомаси; 3 — трубопровід для біогазу;

4 — гідрозатвор; 5 — трубопровід для видалення надлишкового активного мулу; 6 — колектор для подавання стічних вод