Energy Efficiency of Pretreatment of Digester Synthetic Substrate in a Vortex Layer Apparatus

Толық мәтін

Введение

«Возникновение и обострение экологических проблем, связанных с утилизацией навоза на животноводческих фермах, рост цен на отдельные энергоресурсы обусловили значительный интерес к использованию технологии анаэробного сбраживания навоза, при которой обеспечивается его обезвреживание, сохранение удобрительных свойств и получение энергии в виде биогаза. В этой связи весьма перспективно использование методов биологической конверсии органических отходов с получением биогаза и органических удобрений при одновременном решении ряда вопросов охраны окружающей среды от загрязнения»¹.

В работах ряда исследователей показано, что биомасса содержит различные органические компоненты [1–4] и может быть преобразована в энергетические носители различных фазовых состояний: от твердых и жидких [5–8] до биогаза [9; 10].

Одной из лимитирующих стадий в технологии анаэробной переработки органических отходов является предварительная обработка (подготовка) отходов к сбраживанию. Ее основные задачи:

1. Отделение грубых включений (камни, доски, крупный мусор и т.п.) для исключения поломок перемешивающего оборудования, засорения трубопроводов.
2. Гомогенизация смеси и частичный гидролиз, позволяющие обеспечить доступ питательных веществ к микроорганизмам, перевести часть органического вещества, содержащегося в исходных органических отходах, в растворимую форму, из которой и образуется биогаз.
3. Нагрев смеси до температуры процесса для снижения колебания температуры в биореакторе при загрузке субстрата.

Для предварительной обработки используется различное оборудование, которое, как правило, обладает значительной энергоемкостью (сита, центрифуги, измельчители, гомогенизаторы, теплообменники). В связи с этим разработка новых технических способов и решений для предварительной подготовки органических отходов к анаэробной биоконверсии органического вещества органических отходов является актуальной научно-технической и инженерной задачей.

«В настоящее время существует множество вариантов предварительной обработки органических отходов перед анаэробным сбраживанием, различающихся по своей эффективности и энергопотреблению» [5].

Использование биологических методов позволяет получить из биомассы продукты жизнедеятельности анаэробных микроорганизмов, включающие в себя сброженный осадок и биогаз (газообразный энергоноситель). Сброженный осадок в некоторых случаях можно использовать для получения дополнительного количества биогаза с помощью микробиологических процессов. Стоки пищевой промышленности богаты биоразлагаемыми органическими веществами, которые являются превосходным субстратом для микроорганизмов [11–13].

В работах С. Д. Варфоломеева и коллег показано, что микробиологическое конвертирование биомассы в анаэробных условиях, в том числе и для получения биогаза, – это биохимический процесс, суть которого заключается в переносе электронов на отличные от кислорода акцепторы с образованием восстановленных веществ: спиртов, кетонов, органических кислот, сероводорода, водорода, метана [14; 15]. Особый интерес представляет получение газообразного топлива – водорода и метана. Расчеты показывают, что эффективность запасания энергии в водороде при брожении не превышает 20–30 %, тогда как в метан переходит более 80 % энергии, первоначально заключенной в исходных органических веществах.

Практически любое органическое сырье, за исключением необработанных лигнина и восков, может быть подвергнуто метановому брожению² [16; 17].

Известен ряд методов предобработки органических отходов перед анаэробной обработкой в биореакторах, однако в доступной научно-технической литературе сведения о применении аппаратов вихревого слоя для предварительной обработки субстратов представлены недостаточно.

Для изучения влияния предварительной обработки органических отходов в аппарате вихревого слоя на интенсификацию процесса анаэробной биоконверсии органических отходов сельского хозяйства в лаборатории биоэнергетических и сверхкритических технологий ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» был проведен ряд экспериментальных исследований.

Цель настоящей работы – определение энергетической эффективности процесса предварительной обработки органических отходов в аппарате вихревого слоя перед анаэробным сбраживанием.

Обзор литературы

К жидким органическим отходам, наиболее часто используемым в качестве субстрата для анаэробной переработки, относятся сточные воды пищевой промышленности, навозные стоки и жидкий навоз (помет), осадки и избыточные активные илы станций механобиологической очистки коммунальных сточных вод.

Основной лимитирующей стадией метанового сбраживания органического вещества органических отходов является гидролиз твердых веществ, содержащихся в органических отходах, и небольшого количества растворенного органического вещества (ОВ). Растворимые органические соединения, которые далее могут быть преобразованы в биогаз, образуются в органических отходах в процессе гидролиза. Поэтому выход биогаза при сбраживании органических отходов находится в прямой зависимости от способности отходов к биологическому разложению и, соответственно, от скорости гидролиза. Одним из способов повышения биодоступности органических отходов является их предварительная обработка перед сбраживанием в метантенках. Предварительная обработка осадка позволяет солюбилизировать твердые частицы осадков, а также частично разложить образующиеся органические полимеры до мономеров и димеров³.

Известен ряд методов предобработки органических отходов, среди которых выделяют различные способы гидролиза (кислотный, щелочной, термощелочной и термогидролиз), механическую и ультразвуковую предварительную обработку, а также их комбинации. Методы предварительной обработки органических отходов можно подразделить на:

– термические: исходный субстрат подвергается воздействию высоких температур (100–180 ^оС);

– химические: исходный субстрат подвергается химическому воздействию кислот или щелочей, а также окислителей;

– термохимические;

– механические: исходный субстрат подвергается механическому воздействию в различных технических средствах (шаровые мельницы, насосы высокого давления, лизирующие центрифуги, устройства обработки ультразвуком);

– биологические: исходный субстрат подвергается воздействию препаратов ферментов или микроорганизмов гидролитиков [5; 18–20].

«Наиболее распространенный метод – термогидролиз осадка – обеспечивает разрушение устойчивого органического вещества органических отходов перед их обработкой в метантенках» [21]. Применение этого метода позволяет повысить глубину распада беззольного вещества (БВ) и выход биогаза на 30 % [22]. «Метод термогидролиза представляет собой упрощенную версию устаревшего метода теплового кондиционирования осадка, одним из недостатков которого было образование большого количества бионеразлагаемых окрашенных соединений (refractory compounds) – продуктов взаимодействия белков и углеводов, выделяющихся при термогидролизе» [23].

«Несмотря на высокую степень разрушения клеток активного ила, термохимическая обработка недостаточно распространена в связи с высокими затратами на реагенты. Механическая предобработка направлена на измельчение твердых частиц, однако применение данной технологии влечет за собой значительные энергетические затраты. Мировая практика показывает, что ультразвуковая предобработка осадка сточных вод считается одним из новых перспективных методов повышения биодеградабельности осадков и выхода биогаза в процессе анаэробного сбраживания» [24]. Согласно мнению ряда исследователей, применение ультразвуковой предобработки позволяет повысить глубину распада беззольного вещества на 10–56 % в зависимости от условий обработки [18–20]. Однако ультразвуковая предобработка также является энергоемкой технологией. В АО «Мосводоканал» проведен сравнительный анализ методов предобработки осадка (активного ила, первичного осадка и их смеси) Курьяновских очистных сооружений. Результаты определения эффективности методов предобработки активного ила представлены в таблице 1. В качестве критерия оценки эффективности выбрано отношение полученной энергии к затраченной при различных методах предобработки. Наиболее эффективными были признаны методы термогидролиза и ультразвуковой обработки [5].

 

Таблица 1 Сравнительная оценка затраченной и полученной энергии от биогаза при различных методах предобработки активного ила

 Table 1 Comparative evaluation of energy consumpted and received from biogas in different methods of activated sludge pretreatment

 

Метод предобработки / Pretreatment methods	Показатель / Indicator
	Полученная энергия, ккал/л / Received energy, kcal/l	Затраченная энергия, ккал/л / Expended energy, kcal/l	Отношение полученной энергии к затраченной / Ratio of received energy to spent energy
Без обработки / Without pretreatment	71	53	1,36
Кислотный гидролиз / Acid hydrolysis	71	673	0,11
Щелочной гидролиз / Alkaline hydrolysis	76	1 878	0,04
Термощелочной гидролиз / Thermal alkaline hydrolysis	83	1 880	0,04
Термогидролиз / Thermal hydrolysis	84	54	1,55
Механическое измельчение/ Mechanical grinding	73	120	0,61
Ультразвук, 100 Вт∙ч/л / Ultrasound, 100 Wh/l	82	283	0,30
Ультразвук, 30 Вт∙ч/л / Ultrasound, 30 Wh/l	79	122	0,65
Ультразвук, 3 Вт∙ч/л /Ultrasound, 3 Wh/l	81	59	1,37

 

Аэробная предварительная обработка как метод интенсификации стоит несколько отдельно от вышеперечисленных, так как помимо  главного положительного эффекта – биологического нагрева органического субстрата до мезофильных или термофильных температур – он обладает следующими дополнительными преимуществами:

– относительно высокой скоростью гидролиза органического вещества (константа гидролиза при аэробной обработке r_v = 0,12 сут^–1; для анаэробных условий данный показатель составляет 0,06  сут^–1; для аноксидных – 0,03 сут^–1) [25], при этом скорость гидролиза возрастает в соответствии с уравнением Вант-Гоффа по мере роста температуры;

– увеличивает, в среднем на 10–15 %, значение рН субстрата [26; 27];

– изменяет гранулометрический состав субстрата в сторону увеличения доли тонко- и среднедисперсных частиц [26].

В силу указанных причин ведущие специалисты по анаэробной переработке органических отходов выделили сопряжение аэробного и анаэробного процессов как отдельное направление развития [28].

Материалы и методы

Из работы Н. В. Лимаренко видно, что аппарат вихревого слоя (АВС) представляет собой устройство, использующее энергию вращающегося электромагнитного поля высокой удельной концентрации на единицу объема обрабатываемого вещества⁴.

АВС представляет собой полый цилиндр диаметром 50–150 мм, изготовленный из неферромагнитного материала и помещенный в индуктор. В качестве индуктора, как правило, применяется статор асинхронного электродвигателя. В полом цилиндре на исходный субстрат воздействуют электромагнитное поле, создаваемое обмотками индуктора, и интенсивно двигающиеся ферромагнитные тела, движение которых хаотично, причем направление движения они меняют с частотой, равной частоте тока, подаваемого на обмотки индуктора. При этом величину силы тока, подаваемого на обмотки статора, ограничивают в соответствии с характеристиками индуктора. Так что в тех зонах полого цилиндра, где возникают электромагнитные поля, в буквальном смысле создается вихревой слой, из-за чего рассматриваемые аппараты и получили свое название. В этом слое реализуются все возможные виды воздействия на измельчаемый материал: удар, истирание, кавитация, даже происходит электролиз, если в системе есть вода⁵.

В рабочую зону АВС помещаются ферромагнитные рабочие тела, которые под воздействием вращающегося электромагнитного поля вращаются вокруг своей наименьшей оси со скоростью, близкой к скорости вращения магнитного поля, одновременно перемещаются по рабочей зоне. Таким образом, каждое ферромагнитное рабочее тело является своеобразной мешалкой, которая приводит к быстрому перемешиванию и диспергированию компонентов.

При такой обработке достигаются следующие положительные эффекты:

1. Тонкодисперсное измельчение, позволяющее улучшить реологические свойства субстрата, а также обеспечить нагрев субстрата при одновременном частичном гидролизе сложных органических соединений, что приводит к улучшенной доступности питательных веществ для микроорганизмов⁶.
2. Внесение в субстрат ферромагнитных частиц истираемых рабочих тел (стальные иглы), что позволяет сократить продолжительность периода запуска биореактора, а также обеспечить более полное разложение субстрата и снижение необходимого объема биореактора, что, в свою очередь, увеличивает скорость образования и конечный выход метана, при одновременном повышении адаптивной способности микробного сообщества к неблагоприятным условиям (снижение рН при избыточном накоплении летучих жирных кислот (ЛЖК) или водорода)⁷.

Для исследования процесса предварительной обработки органических отходов в лаборатории биоэнергетических и сверхкритических технологий ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» создана экспериментальная установка – аппарат вихревого магнитного слоя. Внешний вид и технологическая схема экспериментальной установки представлены на рисунке 1.

 

 

 

 

Рис. 1. Общий вид и технологическая схема экспериментальной установки по предобработке
органических отходов в аппарате вихревого слоя перед анаэробным сбраживанием:
1 – индуктор; 2 – рабочая камера; 3 – стальные иглы; 4 – патрубок выгрузки;
5 – вентилятор воздушного охлаждения; 6 – шкаф управления с частотным преобразователем;
7 – перистальтический насос; 8 – емкость исходного продукта; 9 – емкость обработанного продукта

Fig. 1. General view and technological scheme of the experimental plant for pretreatment of organic
waste in the vortex layer apparatus before anaerobic digestion: 1 – inductor; 2 – working chamber;
3 – steel needles; 4 – discharge pipe; 5 – air cooling fan; 6 – control box with frequency converter;
7 – peristaltic pump; 8 – initial product tank; 9 – processed product tank

 

 

Установка работает следующим образом. В емкость исходного продукта загружаются жидкие органические отходы. Насос прокачивает смесь со скоростью 2 л/мин по рабочей камере. В рабочую камеру предварительно внесены истираемые рабочие тела (стальные иглы) 3, которые под воздействием электромагнитного поля, создаваемого индуктором, совершают хаотичные движения. Электромагнитное поле вращается с частотой, отличной от промышленной (свыше 50 Гц, но не более 120 Гц) за счет использования частотного преобразователя, смонтированного в шкафу управления. При этом частотный преобразователь ограничивает силу тока, подаваемого в индуктор. Для охлаждения индуктора применяется вентилятор воздушного охлаждения. Предварительно обработанный субстрат после прохождения по рабочей камере через патрубок выгрузки сливается в емкость. Техническая характеристика экспериментальной установки приведена в таблице 2.

 

Таблица 2 Техническая характеристика установки

Table 2 Technical characteristics of the installation

 

Показатели / Indicator	Значение / Value
Напряжение питания, В / Supply voltage, V	380
Объем камеры, дм3 / Chamber volume, dm3	0,5
Материал камеры / Chamber material	полипропилен / polypropylene
Общая масса рабочих тел, г / Total mass of working bodies, g	100
Диаметр рабочего тела, мм / Working body diameter, mm	2
Длина рабочего тела, мм / Working body length, mm	20
Частота вращения поля, Гц / Frequency of the field, Hz	50–120
Производительность, дм3/мин / Production capacity, dm3/min	2
Гидравлическое время удержания, с / Hydraulic retention time, s	15
Установленная мощность, кВт / Installed power, kW	1,3

 

Субстратом для обработки в аппарате вихревого слоя служила смесь модели органической фракции твердых коммунальных отходов (комбикорм К-65) и водопроводной воды в соотношении 300 г/л. Субстрат изготавливался следующим образом: навеску гранулированного комбикорма заливали теплой (45 °С) водопроводной водой и выдерживали для набухания гранул в течение 2 ч при комнатной температуре. Обработку в АВС проводили с различным временем пребывания смеси воды и комбикорма К-65 в аппарате, а именно 0,5; 1,0; 2,0 и 4,0 мин. Частота вращения магнитного поля была постоянной и составляла 120 Гц. Обработанный субстрат хранили в холодильнике при температуре 4 ºС в течение 7 суток до постановки эксперимента по анаэробному сбраживанию.

Результаты исследования

Для расчета энергетической эффективности процесса предварительной обработки органических отходов в аппарате вихревого слоя перед анаэробным сбраживанием были определены материальный и энергетический балансы процесса.

Общий вид материального баланса процесса предварительной обработки органических отходов в аппарате вихревого слоя выглядит следующим образом⁸:

G_исх + G_иро = G_инф,              (1)

где G_исх – удельная суточная подача исходных органических отходов в аппарат предварительной обработки перед анаэробной биоконверсией в реакторах, кг/кг_овин, где кг_овин – килограмм органического вещества в исходных органических отходах; G_иро – удельное суточное количество истираемого рабочего органа, попадающего в субстрат, определяется по формуле (2), кг/кг_овин; G_инф – удельный выход предварительно обработанных органических отходов, кг/кг_овин.

Удельное суточное количество истираемого рабочего органа, попадающего в субстрат, будет равно:

G_иро = k · m_иро,                   (2)

где k – коэффициент истирания рабочего органа, определяется по формуле (3); m_иро – масса истираемого рабочего органа в аппарате вихревого слоя, кг/кг_овин.

Коэффициент истирания рабочего органа зависит от продолжительности предварительной обработки и частоты магнитного поля:

k = f(τ; v),                      (3)

где τ – продолжительность предварительной обработки органических отходов в аппарате вихревого слоя, с/сут; ν – частота магнитного поля аппарата вихревого слоя, Гц.

Общий вид энергетического баланса предварительной обработки органических отходов в аппарате вихревого слоя выглядит следующим образом:

(G·c·t)_исх + (G·c·t)_иро + E_об = (G·c·t)_инф+ Q_охл,           (4)

где t_исх – температура исходных органических отходов, подаваемых в аппарат предварительной обработки перед сбраживанием в анаэробных реакторах, ºС; с – теплоемкость, кВт∙ч/(кг∙ºС); E_об – удельное количество энергии, затраченное на функционирование оборудования, обеспечивающего предварительную обработку органических отходов перед сбраживанием в анаэробных биореакторах, кВт∙ч^эл.эн./кг_овин; Q_охл – удельный расход энергии на компенсацию тепловых потерь с охлаждающим агентом, кВт∙ч^т.эн./кг_овин.

Удельное количество энергии, затраченное на функционирование оборудования, обеспечивающего предварительную обработку органических отходов перед сбраживанием в анаэробных биореакторах, будет равно:

E_об ‒ E_вент + E_н + E_ABC,            (5)

где E_вент – удельное количество энергии, затраченное на подачу охлаждающего агента к катушке аппарата вихревого слоя, кВт∙ч^эл.эн./кг_овин; E_н – удельное количество энергии, затраченное на подачу исходных органических отходов в рабочую камеру аппарата вихревого слоя, кВт∙ч^эл.эн./кг_овин; E_ABC – удельное количество энергии, затраченное на создание электромагнитного поля в рабочей камере аппарата вихревого слоя, обеспечивающего воздействие истираемого рабочего органа на обрабатываемые органические отходы, кВт∙ч^эл.эн./кг_овин.

Удельный расход энергии на компенсацию тепловых потерь с охлаждающим воздухом [кВт∙ч^т.эн./кг_овин] будет равен:

Q_охл=G_охл·c_охл·(t_охл^cp‒t_В)·τ,      (6)

где G_охл – удельная подача охлаждающего агента к катушке аппарата вихревого слоя, кг/(с∙кг_овин); c_охл – теплоемкость охлаждающего агента, кВт∙ч/(кг∙ºС); t_охл^cp – средняя температура охлаждающего агента, удаляемого из охлаждающих камер катушки аппарата вихревого слоя, ºC; t_B – температура наружного воздуха, ºС.

Помимо предварительной обработки органических отходов в аппарате вихревого слоя перед анаэробной биоконверсией в биореакторах, для подготовки исходных органических отходов к анаэробному сбраживанию необходимо затратить тепловую энергию на предварительный нагрев исходных органических отходов [кВт∙ч^т.эн./кг_овин] в удельном количестве, равном:

$Q^{ABC}{}_H=\frac{c_{ИНФ}\cdot G_{ИНФ}\cdot \left(t_{МТ}-t_{ИНФ}\right)}{3600}$ ,  (7)

где c_инф – теплоемкость субстрата, получаемого после предварительной обработки органических отходов в аппарате вихревого слоя, кДж/(кг∙ºС); t_МТ – конечная температура нагрева субстрата, ºС.

Энергетический анализ процесса предварительной обработки органических отходов перед сбраживанием в анаэробных биореакторах

Энергетическая эффективность процесса предварительной обработки органических отходов перед сбраживанием в анаэробных биореакторах, будет обеспечена при соблюдении следующего условия:

$\left(\frac{\left(G^{\text{ABC}}{}_{бг}\cdot {\lambda }^{\text{ABC}}{}_{бг}\right)\cdot \frac{{}_{{\eta }_i}}{100}}{3600}-Q^{\text{ABC}}{}_{\text{H}}\right)-\left(\frac{\left(G_{бг}\cdot {\lambda }_{бг}\right)\cdot \frac{{}_{{\eta }_i}}{100}}{3600}-Q_{\text{H}}\right)\ge E_{Об},\left(8\right)$

где G^ABC_бг – удельный выход биогаза из анаэробного биореактора с предварительной обработкой органических отходов в аппарате вихревого слоя, кг/ кг_овин; λ^ABC_бг – теплота сгорания биогаза, полученного при сбраживании в анаэробном биореакторе с предварительной обработкой органических отходов в аппарате вихревого слоя, кДж/кг; η_i – КПД преобразования энергии полученного биогаза в i-й вид энергии, %; G_бг – удельный выход биогаза из анаэробного биореактора без предварительной обработки органических отходов в аппарате вихревого слоя, кг/кг_овин; λ_бг – теплота сгорания биогаза, полученного при сбраживании в анаэробном биореакторе без предварительной обработки органических отходов в аппарате вихревого слоя, кДж/кг; Q_Н – удельный расход тепловой энергии на предварительный нагрев исходных органических отходов при сбраживании в анаэробном биореакторе без предварительной обработки органических отходов в аппарате вихревого слоя, кВт∙ч^т.эн./кг_овин.

Преобразуя выражение (8), получаем:

$\frac{\Delta \left(G_{бг}\cdot {\lambda }_{бг}\right)\cdot \frac{{\eta }_i}{100}}{3600}\ge E_{об}+\Delta Q_{\text{H}}$ ,   (9)

где ∆(G_бг·λ_бг) – разность удельных количеств энергий биогаза, полученного при сбраживании в анаэробных биореакторах с предварительной обработкой органических отходов в АВС и без нее, кДж/ кг_овин; ∆Q_Н – разность удельных затрат тепловой энергии на предварительный нагрев исходных органических отходов перед сбраживанием в анаэробных биореакторах с предварительной обработкой органических отходов в АВС и без нее, кВт∙ч^т.эн./ кг_овин.

$\Delta Q_{\text{H}}=Q^{\text{ABC}}{}_{\text{H}}-Q_{\text{H}}$ .            (10)

Исходя из полученных результатов анаэробного сбраживания модели органической фракции твердых коммунальных отходов, целесообразно обрабатывать соответствующие органические отходы в АВС в течение не более 0,5 минуты, так как прирост выхода метана при большей длительности обработки не существенен [29].

Предобработка в АВС приводила к значительному улучшению характеристик последующего анаэробного сбраживания субстрата. Так, удельный выход биогаза увеличивался на 25 %, а метана на 80 %. Степень анаэробного разложения органического вещества субстрата после обработки в АВС увеличилась в среднем на 16 %. Скорость образования метана при анаэробном сбраживании субстрата после обработки в АВС увеличилась на 50 % [29].

Известно, что КПД преобразования потенциальной энергии газообразных энергоносителей в теплоту составляет 80–95 % при использовании водогрейных котлов и 45–50 % при использовании когенерационных установок, а в электрическую энергию – 10–45 %⁹.

Исходя из производительности установки по предобработке органических отходов в аппарате вихревого слоя, перед анаэробным сбраживанием суточное количество предварительно обработанного в аппарате вихревого слоя субстрата составит 60 м³¹⁰.

Расход электроэнергии, затраченной на функционирование оборудования, обеспечивающего предварительную обработку органических отходов перед сбраживанием в анаэробных биореакторах, составит 30 кВт∙ч (6,55 Вт∙ч^эл.эн./кг_овин) при ежесуточной загрузке 60 м³ и времени обработки 30 секунд. При этом температура исходных органических отходов увеличится на 4 ºС.

Удельный расход теплоты на предварительный нагрев субстрата до температуры брожения Q^ABC_H составит 2 842 кВт∙ч (620,31 Вт∙ч^т.эн./кг_овин), что меньше, чем удельный расход теплоты на предварительный нагрев органических отходов при анаэробной биоконверсии в биореакторе без предварительной обработки органических отходов в аппарате вихревого слоя Q_H, равный 3 112,7 кВт∙ч (679,38 Вт∙ч^т.эн./кг_овин). Таким образом, разность удельных затрат тепловой энергии на предварительный нагрев исходных органических отходов перед анаэробной биоконверсией в биореакторах с предварительной обработкой органических отходов в АВС и без нее ∆Q_H равна 270,7 кВт∙ч (59,08 Вт∙ч^т.эн./кг_овин).

Исходя из вышеизложенного, значения левой части неравенства (9) при использовании всего биогаза в различных технических средствах преобразования энергии газообразного энергоносителя будут больше значений правой части неравенства (9), следовательно, условие энергетической эффективности процесса предварительной обработки органических отходов перед сбраживанием в анаэробных биореакторах соблюдается, несмотря на то, что для интеграции процесса предварительной обработки органических отходов перед сбраживанием в анаэробных биореакторах необходимо дополнительно затрачивать электрическую энергию.

Сравнение энергетических показателей процесса анаэробного сбраживания жидких органических отходов в метантенках с предварительной обработкой исходного субстрата в аппарате вихревого слоя и без нее с применением различных систем энергоснабжения приведено в таблице 3.

 

Таблица 3Сравнение энергетических показателей применяемых систем

Table 3 Comparison of energy performance of the systems

 

Параметры / Parameters	ТМТ/ TMT*	АВС / АVL**	Отношение АВС к ТМТ / Ratio of AVL to TMT
Выход биогаза Gбг / Biogas yield Gбг: – м3/сут / m3/day; – м3/кговин / m3/kg omin.	875,544 0,191	1 030,860 0,225	1,18 1,18
Теплотворная способность биогаза λбг, кДж/ м3 / Calorific value of biogas λбг, kJ/m3	14,375	20,583	1,43
Энергия полученного биогаза Qбг / Energy of biogas Qбг: – кВт∙ч/сут / kWh/day; – Вт∙ч/кговин / Wh/kg omin.	3 496,096 762,674	5 893,940 1 286,440	1,69 1,69
Затраты тепловой энергии на собственные нужды системы Qсн / Thermal energy costs for system’s own needs Qсн: – кВт∙чт.эн./сут / kWhthermal/day; – Вт∙чт.эн./кговин / Whthermal/kgomin.	3 292,000 718,530	3 022,000 659,590	0,92 0,92
Затраты электроэнергии на собственные нужды системы Есн / Electricity costs for system’s own needs Есн: – кВт∙чэл.эн./сут / kWhelectrical/day; – Вт∙чэл.эн./кговин / Whelectrical/kg omin.	101,000 22,040	131,000 28,590	1,30 1,30
Примечание / Note: * анаэробное сбраживание без предобработки / anaerobic digestion without pretreatment; ** анаэробное сбраживание с предварительной обработкой в аппарате вихревого слоя / anaerobic digestion with pretreatment in the vortex layer apparatus

 

Результаты энергетического анализа процесса предварительной обработки органических отходов в аппарате вихревого слоя перед анаэробной биоконверсией в биореакторах с применением различных систем энергоснабжения, включающие в себя значения увеличения удельного количества товарной энергии, приведены в таблице 4.

 

Таблица 4 Увеличение выхода товарной энергии различных видов (результаты энергетического анализа)

Table 4 Increasing the yield of commodity energy of different types (results of the energy analysis)

 

Виды товарной энергии / Types of commercial energy	Энергоснабжение / Energy supply
	ЭЭ* и ТЭ** от внешних источников / EE and TE from external sources	ЭЭ от внешних источников, ТЭ от собственной котельной / EE from external sources, TE from own boiler house	собственное, от когенерационной установки / own, from cogeneration plant
Биогаз Тбг / Biogas Тбг: –Вт∙ч/кгов. ин. / Wh/kg omin; –кВт∙ч/сут / kWh/day.	523,36 2 397,85	– –	– –
Теплота TQ / Heat TQ: – Вт∙чт.эн./кгов ин / Whthermal/kg omin; – кВт∙чт.эн./сут / kWhthermal/day.	59,08 270,70	556,28 2 548,65	320,76 1 469,62
Электричество TE / Electricity TE : – Вт∙чэл.эн./кговин /  Whelectrical/kg omin; – кВт∙чэл.эн./сут / kWhelectrical/day.	–6,55 –30,00	–6,55 –30,00	150,46 689,35
Примечание / Note: * электроэнергия / electrical energy; ** тепловая энергия / thermal energy.

 

 

Полученные значения увеличения выхода товарной энергии биогаза справедливы для анаэробной переработки 60 м³/сут субстрата, предварительно подготовленного в аппарате вихревого слоя при времени удержания в последнем не менее 30 с.

Обсуждение и заключение

Интеграция процесса предварительной обработки органических отходов перед анаэробной биоконверсией в биореакторах в систему анаэробной обработки органических отходов позволяет повысить как энергетическую эффективность системы при условии использования технических средств преобразования потенциальной энергии газообразного энергоносителя с КПД не ниже, чем КПД технических средств, применяемых при расчете, так и степень анаэробного разложения органического вещества органических отходов за счет тонкодисперсного измельчения. При этом следует учитывать довольно узкий диапазон нагрузок по органическому веществу анаэробных биореакторов первого поколения, а также количество органического вещества, переведенного в растворенную форму при предварительной обработке в аппарате вихревого слоя, что напрямую будет влиять на выход биогаза из анаэробных биореакторов.

По сравнению с анаэробной обработкой в традиционных метантенках применение предварительной обработки органических отходов в аппарате вихревого слоя перед сбраживанием в анаэробных биореакторах позволяет повысить удельный выход биогаза не менее чем в 1,18 раза при одновременном увеличении содержания метана в биогазе и, как следствие, его теплотворной способности, что соответствует увеличению удельного количества энергии полученного биогаза не менее чем в 1,69 раза. При этом удельное потребление электроэнергии увеличивается на 30 % при снижении удельного потребления теплоты на 8 %, а общее энергопотребление составляет не более 60 % от энергии полученного биогаза при условии использования технических средств преобразования потенциальной энергии газообразных энергоносителей с КПД не ниже, чем КПД технических средств, применяемых при расчете.

Таким образом, удельное количество энергии биогаза, полученного в процессе сбраживания в анаэробных биореакторах с применением предварительной обработки субстрата в аппарате вихревого слоя, полностью компенсирует затраты энергии на предварительную обработку субстрата в аппарате вихревого слоя. При этом удельный выход товарной энергии увеличивается на 70 %, по сравнению с анаэробной обработкой в традиционных метантенках.

Однако следует учитывать, что значения удельных выходов биогаза получены в периодическом режиме при термофильных условиях сбраживания субстрата с высокой степенью разложения.

 

 

¹           Биотехнология и микробиология анаэробной переработки органических коммунальных отходов: коллективная монография / под общ. ред. А. Н. Ножевниковой. М.: Университетская книга, 2016. 320 с. URL: http://www.logosbook.ru/books/nojevnikova_-_biotehnologiya.pdf (дата обращения: 20.02.2020).

²           Модификация лигнина аминированием / С. В. Хитрин [и др.] // Теоретическая и экспериментальная химия глазами молодежи: тезисы докладов всероссийская научной конференции, 23–26 мая 2013 г. Иркутск: Изд-во ИГУ, 2013. С. 151–152. URL: http://chem.isu.ru/ru/science/conf/docs/thgm_2013.pdf (дата обращения: 20.02.2020).

³           Биотехнология и микробиология анаэробной переработки органических коммунальных отходов...

⁴           Лимаренко Н. В. Обоснование параметров активатора обеззараживания стоков животноводческих предприятий: дис. … канд. техн. наук. Ростов-на-Дону, 2018. 160 с.

⁵           Там же.

⁶           Там же; Логвиненко Д. Д., Шеляков О. П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем. Киев: Техника, 1976. 113 с.

⁷           Лимаренко Н. В. Обоснование параметров активатора обеззараживания стоков животноводческих предприятий; Логвиненко Д. Д., Шеляков О. П. Интенсификация технологических процессов в аппаратах с вихревым слоем; Адошев А. И. Ферровихревой аппарат для обеззараживания жидкого свиного навоза: дис. ... канд. тенх. наук. Ставрополь, 2011. 190 с.

⁸           Методы оценки энергопотенциала возобновляемых источников по сельским регионам. Теоретические и конструкционные основы функционирования инновационных преобразователей энергии и возобновляемых источников различного типа с определением их основных параметров в составе автономных (локальных) энергосетей, различных способов биоэнергетической переработки органических отходов / Л. Ю. Юферев [и др.]. Отчет о НИР / НИОКР, рег. № АААА-А17-117091540015-4, 2017. 198 с.

⁹           Ковалев А. А. Повышение энергетической эффективности биогазовых установок: дис. ... канд. техн. наук. М., 2014. 119 с.

¹⁰          Лимаренко Н. В. Обоснование параметров активатора обеззараживания стоков животноводческих предприятий

Авторлар туралы

Andrey Kovalev

Energy Efficiency of Pretreatment of Digester Synthetic Substrate in a Vortex Layer Apparatus

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: kovalev_ana@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1983-3454
Scopus Author ID: 57205285134
ResearcherId: F-7045-2017

Senior Researcher of Laboratory of Bioenergy and Supercritical Technologies,Ph.D. (Engineering)

Ресей, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

Dmitriy Kovalev

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: vestnik_mrsu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3603-3686
ResearcherId: K-4810-2015

Senior Researcher of Laboratory Director of Bioenergy and Supercritical Technologies,Ph.D. (Engineering)

Ресей, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

Victor Grigoriev

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: 7458358@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6555-1864
ResearcherId: B-4331-2019

Chief Researcher of Laboratory Director of Bioenergy and Supercritical Technologies,D.Sc. (Engineering)

Ресей, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар