Пути повышения энергоэффективности и снижения выбросов парниковых газов на примере использования биомассы как возобновляемого источника энергии

благоприятная среда жизнедеятельности человека

Пути повышения энергоэффективности и снижения выбросов парниковых газов на примере использования биомассы как возобновляемого источника энергии*

Е.А. Гудкова

В настоящее время решение проблемы энергоэффективности — один из приоритетов национальной политики России. Для модернизации российской экономики необходимо добиться ее роста за счет повышения отдачи от каждой используемой единицы энергии.

В то же время одним из приоритетов в мировом масштабе является проблема тесно связанная с вопросами энергоэффективности-проблема уменьшения выбросов парниковых газов. Россия может сыграть ключевую роль в решении этой проблемы ввиду своих размеров, численности населения, наличия устаревших сравнительно неэффективных производственных мощностей.

Если Россия будет стремиться к диверсификации структуры мощностей в энергетике — а эта цель предусмотрена национальной энергетической стратегией, — доля использования возобносляемых источников энергии возрастет.

Одним из наиболее применимых на территории России источников возобновляемой энергии является энергия биомассы, которая может быть использована для для получения нескольких видов энергоресурсов — газа, моторного топлива, тепла, электроэнергии.

В России ежегодно образуется более 229 млн т (по сухому веществу) органических отходов растительного и животного происхождения. В частности, в сельскохозяйственном производстве они составляют 209 млн т (животноводство и птицеводство -59 млн т, растениеводство — 150 млн т). В городах количество твердых бытовых отходов (ТБО) не превышает 20 млн т. По энергосодержанию это количество отходов эквивалентно 81 млн т условного топлива.

Природа биологического процесса разложения органических веществ с образованием метана за прошедшие тысячелетия не изменилась. Но современные наука и техника создали оборудование и системы, позволяющие сделать эти «древние»

* Исследование проводится в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы по направлению «Новые и возобновляемые источники энергии» в рамках мероприятия 1.3.2 «Проведение научных исследований целевыми аспирантами»

технологии рентабельными и применяемыми не только в странах с теплым климатом, но и в странах с суровым континентальным климатом, например, в России.

Известно, что существуют следующие технологии переработки и обезвреживания ТБО:

• захоронение на полигонах с естественным разложением отходов в течение многих десятилетий. Период полураспада ТБО в таких условиях составляет 30-60 лет;

• мусоросжигание и газификация;

• переработка коммерчески выходных фракций: ПЭТФ, металла, стекла и т.д.;

• биотермирование

- микроаэрофильный процесс с получением тепловой энергии и твердых органических удобрений;

• биогазификация: пассивная в земляных картах, активная — в стационарных биореакто-рах-метантенках;

• сжигание в газогенераторах с получением горючих газов (тепловой и электрической энергии) и шлама, который затем используется в качестве строительного материала (дорожного покрытия).

Перечисленные технологии имеют определенные недостатки, препятствующие их широкому внедрению:

• сжигание ТБО практически ликвидирует ценную органическую составляющую, которая является исходным сырьем для получения органических удобрений и экологически чистого топлива - биогаза, что особенно актуально для небольших городов и крупных поселков, не имеющих промышленных предприятий и ТБО которых не загрязнены тяжелыми металлами;

• при сжигании отходов происходит выброс дымовых газов в атмосферу;

• сепарирование ТБО, с одной стороны, не решает проблему полного обеззараживания органической части ТБО, подвергающейся последующему компостированию, а с другой стороны, этот процесс (компостирование) пере-

благоприятная среда жизнедеятельности человека

водит в С02 до 50 % перерабатываемого углерода — потенциального источника топлива;

• биогазификация в буртах протекает с небольшой скоростью в течение нескольких лет, что не снимает проблему отчуждения земель, хотя и в меньших масштабах, чем при организации полигонов;

• 90% оставшихся ТБО сбрасывается в мусорные отвалы, что требует постоянного отчуждения новых земель вокруг городов, как правило, окультуренных, так как период «полураспада» ТБО составляет 30-60 лет.

Технология ArrowBІo. Современные экологические проблемы требуют решения вполне конкретной задачи: создание стационарных, непрерывно действующих, безотходных, высокорентабельных заводов с коротким сроком циклом переработки органики (не более 25-30 суток) и применение технологии переработки органической составляющей ТБО, позволяющей:

• осуществить промышленную переработку ТБО без изъятия земельных площадей;

• сократить продолжительность обработки до нескольких недель против нескольких лет;

• обеспечить полное обеззараживание в соответствии с существующими санитарными нормами;

• создать рентабельный процесс с получением товарной продукции — экологически чистых высокоэффективных органических удобрений и газообразного топлива.

Проблема разработки такой технологии — мирового масштаба, и ее разработкой занимались и

занимаются в ряде стран, в частности, в Израиле, где запатентовали технологию ArrowBio, позволяющую производить из бытовых отходов биогаз, который может использоваться в силовых установках. В течение 5 лет эту технологию испытывали в лабораторных и полевых условиях на полупромышленном заводе рядом с г. Хадера (Израиль), позже применили на заводе в Тель-Авиве. Данная технология была одобрена специалистами из Израиля, США и других стран как более эффективный и экономичный метод переработки ТБО по сравнению с традиционными.

Технология ArrowBio (Рисунок 1) при переработке бытовых отходов позволяет предотвратить такое опасное явление, как выделение в атмосферу метана и диоксида углерода (сопровождающее разложение отходов на полигонах), и предотвратить усиление «парникового эффекта», вызываемого этими газами.

Основные преимущества предлагаемой технологии:

• образование биогаза, используемого на электростанциях и в муниципальном транспортном секторе (с гораздо меньшим количеством вредных выбросов);

• возвращение в хозяйственный оборот более 90 % отсортированных бытовых отходов материалов (металлы, пластмассы, стекло) и т.д.;

• снижение эффекта «глобального потепления»;

• исключение загрязнения атмосферы, почвы и водных ресурсов;

• производство высококачественного компоста (удобрения).

Бытовые отходы

Органические Пластик

Биоорганика

Система фильтрации

Биопроцесс  Получение метана

Метанореактор

Удобрения

Вода

Биогаз

Рисунок 1. Технологическая схема процесса An'owBio

492 3 2010

Черные металлы

Неорганические Цветные металлы

Стекло

Другое

благоприятная среда жизнедеятельности человека

Твердые бытовые отходы измельчаются, далее в присутствии эффлюента (элюата-промывной воды) производится гидродробление с одновременным извлечением полимерных отходов, отходов черных и цветных металлов, стеклобоя, древесных отходов.

Очищенная органическая масса подвергается биогидролизу и кислотному анаэробному брожению с образованием летучих жирных кислот и низших спиртов. Кислотная бражка подается во второй биореактор, где протекает мезофильная метанге-нерация. А метановая бражка разделяется на жидкий эффлюент, направляемый во второй резервуар с гидродроблением. Твердый осадок используется в качестве биологического удобрения (рис. 1).

В технологии ArrowBio используют двухстадийное метановое брожение: кислотогенную и метаногенную стадии, что позволяет сократить время переработки.

Безусловно, такая технология представляет интерес, но ее приобретение требует большей детализации по основным параметрам технологического процесса и больших капитальных затрат.

Российская экспресс-технология переработки ТБО. Впервые двухстадийное метановое брожение было разработано в СССР в 1961 г. и использовалось в промышленности при переработке ацетонобутиловой барды методом термофильного метанового брожения для производства препарата витамина В12 и биогаза. В 1970-е гг. двухфазный процесс при переработке ТБО был использован в Швеции.

В конце 1980-х гг. в Институте биохимии имени А.Н. Баха АН СССР была разработана технология рецир-куляционно-твердофазной термофильной метангенерации органической составляющей ТБО в биогаз и удобрения. Фундаментальные основы такой технологии позволили создать экспресс-технологию переработки органической фракции ТБО в газообразное топливо — биогаз и органические удобрения; время переработки — 2-3 недели вместо 30—60 лет на полигонах.

Технологическая система включала два биоре-актора-метантенка: реактор для твердофазной метангенерации (влажность бродящей массы 7580%) и реактор для жидкофазной метангенерации (влажность 97-98%). Жидкая фаза с помощью насосов постоянно прокачивалась через реактор с твердой фазой, что создавало высокую скорость разложения органических веществ в термофильных стабильных условиях.

Объемы пилотных метантенков — по 110 л, температура ферментации — 55 °С. Образцы ТБО были взяты из мусорных контейнеров одного из жилых массивов Москвы. Металл и стекло не удалялись,

крупные куски бумаги предварительно измельчались.

Для более убедительного доказательства устойчивости процессов ферментации при использовании такой технологии органическая составляющая была дополнена легкоразлагаемыми органическими пищевыми отходами, включая измельченные пакеты из-под молочных продуктов.

Количество и состав газов, а также другие параметры процесса анализировались по известным методикам. Рециркуляция жидкой фазы проводилась со скоростью, чтобы общий рабочий объем в первом биореакторе (ТБО + инокулят) оставался без изменения.

Как показали полученные данные, в процессе термофильной рециркуляционно-твердофазной обработки 2,5 кг ТБО за 33 сут. выделилось 584 л биогаза, содержащего до 68% метана; при этом во втором реакторе среднее содержание метана в процессе ферментации составило 85,5%, значение рН

— одного из основных параметров, отражающих условия протекания процесса, — поддерживалось на оптимальном для данного процесса уровне, равном 7,25-8,25. В то же время в контрольном варианте, где процесс проходил по одному из методов классической метангенерации, он остановился на пятые сутки из-за накопления кислых продуктов, ингибирующих развитие метаногенных бактерий, что подтверждалось снижением рН среды до 4,37, конечное значение рН составило 4,65. Выход биогаза не превышал 44,6 л или 4,8% количества биогаза, образовавшегося в опытном варианте. Содержание метана — 10,3, СО2 — 76,5, водорода — 13,2 %.

Все это свидетельствовало о доминировании кислотогенной стадии процесса в контрольном варианте, где конверсия по органическому веществу составила всего 16%. Выход биогаза на 1 кг обработанных ТБО составил 374 л, метана — 253 л, на 1 т — соответственно 374 и 253 м3. Выход органических удобрений (шлама) по сухому веществу достиг

0,41 кг или 16,4%, а при влажности 80 % — 2,1 кг.

За три недели ферментации (21 сут) выход биогаза составил 882 л, или 94% общего объема образовавшегося биогаза, метана — 585 л, или 92,6%. Степень разложения органических веществ ТБО, оцененная по образовавшемуся биогазу, за 21 сут равнялась 68 %, тогда как за 33 сут — 71 %, то есть обработку ТБО по предлагаемой технологии можно вести в течение 15—20 сут. Таким образом, рециркуляционно-твердофазная термофильная обработка ТБО создает стабильные условия для поддержания оптимальных значений некоторых параметров физико-химической и биологической природы, что обусловливает высокую скорость про-

благоприятная среда жизнедеятельности человека

цесса разложения органического составляющей ТБО с образованием значительного количества биогаза с высоким содержанием метана. Включения иной природы (металлы, стекло, резина и т.д.) не сдерживают этот процесс.

На основании проведенных исследований предложена технологическая схема рециркуляционнотвердофазной термофильной метангенерации ТБО, представленная на рис. 2. Срок обработки ТБО при данной технологии — 10 сут. Их размельчают, а затем шнековым транспортером подают в биоре-актор-метантенк с твердофазной ферментацией.

После загрузки ТБО первый реактор инокули-руется, то есть заполняется жидкой фракцией, содержащей метано-генный биоценоз, и общая влажность субстрата доводится до 80%, но не более.

Далее масса-субстрат подогревается до 52-53°С. Эта температура поддерживается автоматически с помощью либо тепловых рубашек, расположенных вокруг реактора, либо внутренних теплообменников. Возможны любые варианты при соблюдении лишь двух условий — рентабельности и технологичности процесса. Через сутки после инокуляции начинают процесс рециркуляции (можно периодически каждые 4-5 ч, можно непрерывно) жидкой фракции из второго биореактора (жидкофазная метангенерация).

Слабощелочная метановая бражка, содержащая активную бактериальную массу, подается самоте-

ком в верхнюю часть первого реактора, где создается активная зона, в которой легкоразлагаемые органические вещества конвертируются в кислые продукты, частично нейтрализуемые метановой бражкой и ей же выводимые из активной зоны в нижнюю не работающую часть реактора. Оттуда эти кислые продукты насосом перекачиваются во второй реактор.

Рециркуляция позволяет постоянно поддерживать в активной зоне первого реактора высокую плотность бактерий и нейтральное значение рН, оптимальное для активного развития метаногенного биоценоза и стабильного протекания процесса.

Установка, работающая по такой технологии, может быть связана со станциями аэрации по очистке городских и коммунальных стоков, где роль жидкофазных реакторов будут выполнять действующие метантенки.

По конструкции твердофазные биореакторы-метантенки могут быть вертикальными и горизонтальными. Их высота будет определяться фильтрующейся способностью самой обрабатываемой массы, которая будет зависеть от плотности последней и создаваемого ею давления. Установка, работающая по такой технологии в сочетании с заводами-сепараторами, позволит создать комплексные, экологически чистые, практически безотходные, рентабельные предприятия по переработке ТБО в

Сроки обработки ТБО — Юсут Объем разложенной массы - 90%

Производительность по биогазу - 300-350 м3/т ТБО Производительность по удобрениям - 0,35т(\^ 80%)/т ТБО

ТБО, влажность 20-40%

газ

жидкая фракция слабощелочная среда

Зона активного разложения

иммобилизация

°~о° 0-В-~0о °о °— ° о£_«Ъ °

V.

жидкая фракция, кислые продукты

Преимущества: Бункер измельченных ТБО

1) ускорение процесса

2) отсутствие на выходе избыточной воды

твердая фракция (удобрения) влажность - 80%

Рисунок 2. Схема экспресс-технологии по переработке ТБО

методом рециркуляционно-твердофазной термофильной биометангенерации

494 3 2010

благоприятная среда жизнедеятельности человека

любом климатическом поясе, в любом городе и поселке с получением черных и цветных металлов, строительных материалов, газообразного топлива, электрической и тепловой энергии, удобрений без необходимости отчуждения полезных земель.

Наибольшее распространение такая технология может получить в небольших городах или поселках, где сведено к минимуму попадание промышленных отходов, содержащих, как правило, тяжелые металлы в количествах, превышающих предельно допустимые нормы, и где полученный после переработки шлам можно использовать как органические удобрения, которые существенно повышают рентабельность таких комплексных заводов.

В небольшом городе с населением 20 тыс. чел. образуется 14-17 т/сут или 5-6 тыс. т/год ТБО. Их переработка может дать 1,75-2,1 млн м3 биогаза в год и до 4-4,8 тыс. т/год органических удобрений при влажности 80-96%.

Практический опыт использования биогазовых технологий в разных регионах России показал, что это не только один из инструментов получения технического топлива из биомассы, но и реальный путь к увеличению прироста самой биомассы при применении получаемых с помощью этих технологий удобрений, содержащих природные высокоактивные стимуляторы роста растений класса ауксинов, служащих дополнительной утилизации образующихся избыточных количеств углекислоты в атмосфере.

Твердые бытовые отходы — постоянный бич всех городов мира — при использовании новейших биогазовых технологий смогут не только полностью перерабатываться за короткие сроки без ущерба для окружающей среды и агрокомплекса, но и стать хорошим сырьем для получения строительных материалов,топлива,энергии и удобрений. Россия не будет исключением (среди стран, создавших рыночную экономику) в части использования биомассы (разнообразные органические отходы сельскохозяйственного производства и ТБО), которая сможет использоваться для получения топлива и энергии, особенно в местах, удаленных от источников централизованного энергоснабжения, а также для получения высококачественных органических удобрений, несущих в себе огромный потенциал прироста исходной первичной биомассы.

Литература

1. Pantskhava E.S. The use ofbiomass energy in Russia: The problems and perspectives / E.S. Pantskhava, N.L. Koshkin //Renewable sources of energy and their significance for energy policy in Germany and Russia. Freiburg in Breisgau. 24 October 1994.

2. Панцхава E.C. Техническая биоэнергетика: Биомасса как дополнительный источник топлива. Получение биогаза / Е.С. Панцхава, И.В. Бе-резин // Биотехнология. 1986. № 2. С. 1-12.

3. Семенов Н.Н. Наука и общество /Н.Н. Семенов. — М.: Наука, 1973.

4. Горбунова Н.В. Формальво-ки-нетическая модель процесса метан-генерации механически обезвоженных, осадков городских сточных вод при использовании спонтанной анаэробной микробной ассоциации /Н.В. Горбунова, Э. Ф. Брин, С. О. Варосян и др. // Прикладная биохимия и микробиология. 1990. Т. 26. Вып. 5. С. 635-641.

4. Панцхава Е.С. Метангенерация твердых органических отходов городов /Е. С. Панцхава, Е.В. Давиденко // Биотехнология. 1990. № 4. С. 49-53

Пути повышения энергоэффективности и снижения выбросов парниковых газов на примере использования биомассы как возобновляемого источника энергии

Рассматривается технология использования биомассы как возобновляемого источника энергии и как эффективный и экологически чистый способ переработки отходов.

Ways of increase of energy efficiency and decrease of greenhouse gas emission by using biomass as renewable energy source by E. Gudkova

The article considers the biomass densification as an effective and environmentally friendly way of waste conversion and renewable energy source.

Ключевые слова: биомасса, возобновляемый источник энергии, парниковый эффект, энергоэфек-тивность, эффлюент (элюат-промывная вода).

Keywords: biomass, renewable energy source, greenhouse gas emission, energy efficiency, eluate.