СРЕДСТВО ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ВЫХОДА БИОГАЗА
FACILITY USED TO INCREASE BIOGAS YIELD

Изобретение относится к канализации, а именно к очистным сооружениям, и может быть использовано для получения биогаза и органических удобрений из отходов очистных сооружений - осадочного ила.
В последнее время большое внимание уделяется процессам эффективной переработки органических веществ, включая отходы животного, бытового и растительного происхождения в биогаз.
Известно об увеличении конверсии органических отходов в биогаз пиролизом исходного сырья (целлюлозы) во время его загрузки в метантенк (Заявка РФ 93032012, опубл. 09.07.1995). Тепловая обработка органического материала (навоз, иловые осадки, биомасса силоса, отходы скотобойни) известью под давлением также приводит к увеличению выхода биогаза (Патент РФ 2283289, опубл. 10.09.2006).
Известен способ инициирования анаэробного процесса сбраживания органических отходов воздействием высоковольтного электрического разряда в условиях аэрации (Заявка РФ 2005125879, опубл. 20.02.2007; патент РФ 2207325, опубл. 27.06.2003).
Однако вышеупомянутые процессы требуют сложного оборудования и значительных затрат энергии, поэтому наиболее привлекательна с экономической точки зрения возможность усиления анаэробного (метанового) брожения органических отходов применением стимуляторов растительного происхождения. Предложено использовать при сбраживании навоза гидролизованные опилки, торф или солому (Патент РФ 2081865, опубл. 20.06.1997). Однако используемый процесс требует дополнительной обработки органической смеси кислородом воздуха.
Для приготовления удобрений и биогаза к навозу и экскрементам животных и птицы до их анаэробного сбраживания добавляют различные растительные отходы, например солому, опилки, стружку, листья, стебли и веточки растений (заявка РФ 2003105349, опубл. 27.08.2004). Однако образующийся биогаз в данном процессе не является целевым продуктом, а используется для подогрева при получении удобрений.
В известном уровне знаний не обнаружены сведения об использовании растительных добавок при анаэробном сбраживании осадочного ила очистных сооружений.
Расширение ассортимента эффективных средств для переработки органических отходов сельского хозяйства, городских стоков и др. в биогаз с высоким содержанием метана является актуальной экологической и энергетической задачей.
Технический результат изобретения - эффективная конверсия осадочного ила очистных сооружений в биогаз с высоким содержанием метана, достигаемый за счет применения фитомассы амаранта багряного (Amaranthus cruentus) в качестве стимулирующей добавки растительного происхождения.
Особенностью амаранта является большой прирост биомассы, что позволяет получать тонны зеленой массы на относительно небольших площадях. Большая урожайность амаранта и высокое содержание белка делают культуру амаранта перспективным воспроизводимым растительным сырьем. Известно, что употребление амаранта крупным рогатым скотом ведет к стимуляции активности метаногенной микрофлоры рубца, что связано, вероятно, с высоким содержанием белка в данном растении и с его высокой питательностью. До сих пор это явление рассматривалось как нежелательное, наносящее ущерб животноводству. Впервые используют стимуляцию метаногенеза амарантом в практических целях. Данный процесс смоделирован в лабораторных условиях. Высокое содержание белкового азота в фитомассе амаранта позволяет обходиться без специальной азотной подкормки сбраживаемой среды.
Сущность изобретения заключается в получении биогаза при анаэробном сбраживании в реакторе разжиженных водой ила очистных сооружений и измельченной фитомассы амаранта багряного в качестве стимулирующей добавки растительного происхождения. Реактор представляет собой устройство, описанное Filidei S., Masciandaro G., Ceccanti В. Anaerobic digestion of olive oil mill effluents: evaluation of wastewater organic load and phytotoxicity reduction. // Water, Air and Soil Pollution. - 2003. - Vol.145. - P.79-94, (фиг.1), где:
1 - сбраживаемая среда.
2 - электрод для определения рН.
3 - шприц для взятия проб расщепляемого материала.
4 - термометр.
5 - биологическая фильтрующая мембрана.
6 - клапан.
7 - газометр.
8 - магнитная вращающаяся мешалка.
9 - термостат.
10 - отверстие в латексной крышке для выделения биогаза.
Процесс метаногенеза проводят при постоянной температуре 35°С в термостате при определенном весовом соотношении ила, фитомассы амаранта и воды: весовое соотношение массы сухого сырья (ил и амарант) и воды 1:(15-20), а соотношение стимулирующей добавки растительного происхождения - амаранта к сухому илу составляет 1:(2-5).
Приводим конкретные примеры осуществления заявляемого изобретения в оптимальных условиях: весовое соотношение массы сухого сырья и воды 1:17, а соотношение амаранта к илу составляет 1:2.5.
Пример 1. Берут 122 г осадочного ила (влажность 90%) из водоочистного сооружения (в пересчете на сухой вес 12.2 г), вносят его в реактор емкостью 0.25 л и добавляют 100 мл водопроводной воды. Процесс метаногенеза проводят при постоянной температуре 35°С в термостате. Ежедневно определяют объем выделившегося биогаза. Содержание метана устанавливают методом ГЖХ. Продолжительность эксперимента 40 дней, выделение газа наблюдалось в течение 23 дней.
Пример 2. Берут 87.2 г осадочного ила (влажность 90%) из водоочистного сооружения (в пересчете на сухой вес 8.72 г) и 3.9 г сухой фитомассы амаранта с влажностью 10%, вносят его в реактор емкостью 0.25 л и добавляют 130 мл водопроводной воды. Процесс метаногенеза проводят при постоянной температуре 35°С в термостате. Ежедневно определяют количество выделившегося биогаза и содержание в нем метана. Продолжительность эксперимента 48 дней.
Кинетика выделения биогаза и метана по примерам 1 и 2 представлена на фиг.2 и 3.
Из данных диаграмм, представленных на фиг.2 и 3, видно, что амарант является сильным стимулятором метаногенеза. Так, в первый день эксперимента осадочный ил с фитомассой амаранта выделил 79 мл биогаза, а без фитомассы амаранта - только 30 мл (приблизительно в 2.6 раза меньше), на восьмой день значения различались почти в три раза (50 и 17 мл, соответственно). После десятого дня эксперимента осадочный ил без амаранта практически перестал выделять газ, тогда как ил с амарантом на двадцать первые сутки дал 100 мл газа. Содержание метана в газе, выделенном средой без фитомассы амаранта, на двадцать третий день составляло 14.7%, а с фитомассой амаранта - 58.4%, т.е. больше в 4.0 раза: на тридцать третий день ил с амарантом выделял газ с содержанием метана 67.6%, однако выход биогаза снизился до 62 мл.
Общее количество биогаза, полученного метановым брожением осадочного ила по примеру 1, составляет 288 мл (23.6 мл газа на 1 г сухого вещества сырья), тогда как по примеру 2 с использованием фитомассы амаранта багряного в качестве стимулирующей добавки растительного происхождения для метанового брожения осадочного ила общий выход биогаза составляет 2466 мл (202.1 мл газа на 1 г сухого вещества сырья).
Анаэробное сбраживание отходов положительно влияет на качество перебродившего остатка в реакторе, так как происходит полное уничтожение патогенных бактерий Streptococcus faecalis за 15 дней, Salmonella typhi - за 10 дней, a Shigella dysenteriae - всего за пять дней, и этот остаток можно использовать в качестве органического удобрения. Полученный в данном случае переработанный ил с добавлением фитомассы амаранта также может быть использован в качестве эффективного удобрения.
Таким образом, применение амаранта в качестве стимулирующей добавки при метановом брожении осадочного ила очистных сооружений позволяет существенно повысить выход биогаза и содержание в нем метана.