Исследование процесса подготовки водоорганических веществ методом кавитации в ротационном реакторе для анаэробного брожения в метатенке

Д.т.н. профессор Тлебаев М.Б., преподаватель, магистр Айтбаева З К.

Таразский государственный университет имени М.Х.Дулати, Тараз.

Для развития современного общества необходимо все большее количество энергии. В этом направлении ученые всего мира ведут исследование в создании альтернативных источников энергии. Таким источником успешно становится биогаз. Биогаз является высококачественным и полноценным носителем энергии и может многосторонне использоваться как голубое топливо в домашнем хозяйстве, как сырье для производства электроэнергии и теплоэнергии, как моторное топливо для автомобилей.

В этой связи значительное место в производстве энергии занимают технологические процессы, основанные на анаэробном брожении, которые представляют собой микробиологический процесс, в ходе которого осуществляется преобразование различных органических веществ в энергоноситель, которым является биогаз, в первую очередь метан. Особенностью данного процесса является использование продукта анаэробного метаногенного сбраживания в качестве органического удобрения.

Анализ современного состояния процесса получения биогаза из сельскохозяйственных и промышленных отходов и возникающих при этом проблем показывает следующие актуальные направления исследований: поиск путей интенсификации газообразования, анаэробная биодеградация ксенобиотиков, поиск эффективных стимуляторов и ингибиторов процесса газообразования, наиболее эффективное использование сброженных субстратов

Для обеспечения крупномасштабного развития предприятий по производству биогаза в Казахстане необходимо решить целый ряд биохимических, микробиологических и технологических проблем. Важная задача биотехнологии - интенсификация процессов как за счет повышения потенциала биологических агентов и их систем, так и за счет усовершенствования технологии подготовки водоорганического вещества методом кавитации в ротационном реакторе/1,2/.

Решение вышеперечисленных задач является необходимым и актуальным на сегодняшний день, и мотивирует проведение исследований в данной области.

Анаэробное брожение в метатенке протекают без доступа кислорода и проходит по следующей схеме/3/:

Основная реакция метанообразования

где Н₂A - органическое вещество, содержащее Н₂.

Метан может образовываться в результате распада уксусной кислоты

При денитрификации в анаэробных условиях

Анаэробный процесс денитрификации происходит в две стадии:

Для анаэробного сбраживания органических веществ используют два температурных режима: мезофильный при температуре 30...35 °С и термофильный при температуре 52...55 °С. Полного сбраживания органических веществ при анаэробном сбраживании достичь нельзя. В среднем степень распада органических веществ составляет около 40%.

Основой интенсификации данного процесса является использования эффекта кавитации в ротационном реакторе. Благодаря управляемому процессу кавитации в деструкторах биомассы, они нашли широкое применение в производстве биогаза. Специально спроектированная конструкция деструктора позволяет использовать разрушительный эффект кавитации для придания исходному сырью однородной и гомогенной массы.

Под воздействием направленной и управляемой кавитации, в биологическом сырье рвутся сложные связи волокон органических веществ на молекулярном уровне (лигнин, целлюлоза). Как следствие этого процесса дисперсность биологического сырья значительно увеличивается, и его частицы уменьшаются в размерах до 0,1-8 мкм. Таким образом, всем штаммам бактерий участвующих в процессе образования биогаза, на всех его этапах, становится легче разлагать биогенные материалы, т.к. их однородная структура разрушена и соответственно увеличивается площадь покрытия бактериями биологического сырья.

К важнейшим положительным результатам предварительной обработки водоорганического вещества, перед его направлением в метатенк, можно отнести следующие показатели:

1. Высокая степень измельчения и гомогенизации сырья, как следствие увеличение количества частиц на поверхности позволяет увеличить и интенсифицировать производство биогаза на 30-50%.

2. Благодаря высокой дисперсности и интенсификации процессов анаэробного брожения, значительно уменьшается период сбраживания биомассы. Результатом уменьшения периода сбраживания, является возможность строительства биореакторов меньших объёмов и размеров, что приводит к значительной экономии затрат на капитальные строения.

3. При деструкции биомассы из клеточных и субклеточных материалов интенсивнее высвобождаются природные энзимы, которые являются биологическими катализаторами процесса сбраживания биомассы. Этот эффект также увеличивает объём производимого биогаза.

4. Существенно стабилизируются биологические процессы, что приводит к отсутствию пенообразования и плавающей корки в верхней части биореактора. Таким образом, весь полезный объём реактора используется эффективно.  

5. Процентное содержание метана в биогазе увеличивается до 70-75%. Этот показатель содержания метана свойственен обычному природному газу в зависимости от его географического происхождения.

Эффективность этих процессов в значительной степени определяется также поддержанием оптимальной температуры и количеством бактерий на каждом уровне брожения субстрата в метатенке биогазовой установки представленной на рисунке 1/4/.

Рисунок 1 - Технологическая схема способа получение биогаза и биошлама в биогазовой установки: 1-метантенк, 2-газгольдер, 3-газовый водонагреватель, 4-тепло обмен повторного нагрева субстрата, 5 рекуператор - теплообмен, 6- отстойник, 7- блок сушки, 8- регенерирующий и восстанавливающий блок, А субстрат, Б переброженная жидкость, В биошлам, Г биогаз, АС – оборотная вода, К – восстановление и добавленние термофильными, мезофильными бактериями.

Эффективность этих процессов в значительной степени определяется уровнем автоматизации и управления технологическим процессом предподготовки водоорганических веществ в ротационном реакторе и восстановлением субстрата мезофильными и термофильными бактериями, которые позволяют интенсифицировать и оптимизировать процесс анаэробного брожения в метатенке, повысить его эффективность и возможность адаптации к реальным производственным условиям.

Автоматический режим переключения подачи, прошедшей предподготовку в ротационном реакторе водоорганических веществ при поддержании определенной температуры, в метатенке для анаэробного сбраживания с помощью стандартных управляющих вентилей и газоанализаторов в качестве датчика состава биогаза делает возможным осуществлять процесс легко управляемым и надежным.

Таким образом, первичная обработка водоорганических веществ сельскохозяйственных отходов с ротационного реактора обеспечивает ей высокую степень измельчения и гомогенизации и уменьшает период сбраживания, что повышает общую эффективность данного процесса.

Литература:

1. Пат. МД № 3062. Анаэробный метантенк для обезвреживания труднодеградируемых органических соединений. Ковалев В.В., Ковалева О.В., Унгуряну Д.В., Суман И., Оника В., Опубл. BOPI, №5, 2006.

2. Пат. МД № 3272. Анаэробный биореакор. Ковалев В.В., Унгуряну Д.В., Ковалева О.В., Суман И., Мереуца Г.К., Плугару И.Ф., Дука Г.Т. Опубл. BOPI, № 3, 2007.

3. Наумова Ольга Валерьевна. Совершенствование электроимпульсной технологии при получении биогаза из органических отходов : Дис. ... канд. техн. наук : 05.20.02 : Саратов, 2005 126 c. РГБ ОД, 61:05-5/3757

4. Абдувалова Айнур Жумабаевна, Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук, 25. 05. 11 Тараз, 2010