Технології анаеробної переробки тваринницької біомаси
Анаеробна обробка є багатоступінчастим процесом, що здійснюється при участі різних мікроорганізмів, і протікає в певній послідовності. Розрізняють чотири взаємозалежні стадії: стадія ферментативного гідролізу, стадія кислотоутворювання, ацетогенна стадія і метаногенна стадія [199].
Залежно від температури необхідної для процесу анаеробної обробки розрізняють наступні режими зброджування: психрофільний (10-25 °С), мезофільний (30-35 °С), термотолерантний (40-45 °С) і термофільний (50-60 °С). Найбільше практичне застосування знайшли два температурні режими мезофільний і термофільний, при цьому мезофільний вважається менш енергоємним [3, 199]. Так само, Девідс В. Є. [199] указує, що інтенсивність процесу при мезо — фільном режимі не уступає інтенсивності при термофільном, а глибина мінералізації органічних речовин більше. Це пов’язано із кращим утвором агрегованої форми біомаси.
Технології анаеробної переробки свинячої біомаси класифікують по трьом основним системам. Розрізняють проточні (безперервні) системи, з поперемінним використанням реакторів (періодичні) і система з нагромадженням газу і шламу (акумулятивні), які суттєво різняться по витратах праці, вимогам по обслуговуванню і догляду, а так само по використанню [190].
У проточній системі субстрат завантажують у реактор безупинно або через короткі відрізки часу, видаляючи відповідний обсяг шламу. Завжди постійний обсяг субстрату розраховується відповідно до заданого гідравлічними розрахунками часом перебування маси в реакторі.
Система з поперемінним використанням реакторів характеризується переривчастим процесом, що протікає не менш чим у двох однакових по розмірам і формам реакторах. У випадку щодобового завантаження свіжого субстрату реактори при утворі певної кількості шламу заповнюються свіжим субстратом і після закінчення заданого строку шумування спорожняються так, що в них залишається тільки затравочний шлам.
Система з нагромадженням газу і шламу виконується тільки з одним рідинним реактором. Останній відіграє роль бродильної камери і накопичує шлам до моменту вивезення в поле. Тому реактор ніколи не спорожняють повністю, залишок шламу служить запалом для нової порції субстрату. При новому циклі роботи максимум виробництва біогазу досягається після закінчення значного часу.
У системах з поперемінним використанням реакторів і системах з нагромадженням газу і шламу вироблення газу відбувається періодично. Крім того, подібна технологія вимагає збільшення обсягу реакторів для обробки. їхньою перевагою є те, що вони не вимагають великої уваги при експлуатації протягом доби, і в них можна завантажувати більші відходи.
Безперервний режим роботи реакторів забезпечує вихід газу протягом усього періоду експлуатації. При забезпеченні постійної концентрації здатного до шумування органічної речовини, оптимальної температури шумування і рівномірного перемішування маси, можна одержати максимальний вихід газу при безперервному процесі газоутворення [3, 190, 196]. Найбільш ефективними в роботі, є горизонтальні ферментатори безперервної дії. Потрапляючи з однієї сторони сирий матеріал проходить зону "максимальної ферментації", у якій бактерії мають найбільшу активність, і потім виходить з іншого кінця спорудження. У випадку незадовільних результатів зброджування матеріал може бути спрямований на рециркуляцію.
Так само одержали поширення технологічні схеми одноступі — нчастого і двох — або багатоступінчастого зброджування [196, 200]. Одноступінчасте зброджування застосовується в низько навантажених і високонавантажених метантенках. Низько навантажені реактори мають тривалість зброджування до 50 доби і працюють практично без перемішування з невеликим підігрівом, у зв’язку із цим мають більші обсяги і високу будівельну вартість. Високона — вантажені реактори вже обладнаються гарним підігрівом і перемішуванням, а так само передбачають безперервне завантаження або невеликі інтервали між завантаженнями. У високонавантажених реакторах не відбувається розшарування осаду і мулової води, у зв’язку із цим деякі технологічні схеми передбачають застосування реакторів другого ступеня, тобто перехід на двоступінчасте зброджування. В основі двох- і багатоступінчастого зброджування лежить поділ на стадію інтенсивного шумування з бурхливим виділенням біогазу (1 ступінь) і стадію загасання процесу, на якій припиняється газовиділення і відбувається розшаруванні осаду і мулової води (2 ступінь). При багатоступінчастому зброджуванні, доб — роджування і розшарування проводять у декількох послідовно розташованих резервуарах. Застосування двох — і багатоступінчастого зброджування дозволяє зменшити обсяги збродженого осаду, що поступає на зневоднювання і скоротити витрати на будівництво мулових майданчиків. Однак ступінчате зброджування не дає істотних переваг по виходу біогазу в порівнянні з одноступінчастим процесом при рівних обсягах метантенків. У Росії ступінчате зброджування не знайшло застосування, у наслідку більших складностей їх експлуатації при утворі на другому ступені щільної спливаючої кірки та заповнення конуса піском [195].
Основним елементом будь-якої технології анаеробної переробки біомаси, є біогазові установки різних конструкцій [190, 195]. Біогазові установки можна розділити на твердофазні (метантенки), і рідкофазні анаеробні біореактори (анаеробні фільтри). Анаеробна обробка в метантенках проводиться при вологості 90-93% з витримкою 5-50 доби і є традиційною при обробці твердої (дисперсної фази) тваринницької біомаси [1, 3]. Рідка (дисперсійна) фаза, одержувана після поділу має високу вологість 97…99,5 % і існуючі технології передбачають винятково аеробне окиснення, що має істотні недоліки. Перспективним напрямком переробки рідкої фракції тваринницької біомаси є застосування рідкофазних анаеробних фільтрів.
По класифікації, що приводиться Даниловичем Д. А. і Монгай — том Л. І. [199] рідкофазні анаеробні реактори другого покоління можна розділити на наступні види: анаеробні фільтри-реактори з висхідним потоком ( АФ-реактор); реактори з нерухливою (біо) плівкою і спадним потоком (ІС-реактор); реактори з розширеним (псевдозжиженим) шаром (ПС-реактор); гібридні реактори, що представляють собою комбінацію конструкцій ІС — і АФ-реакторів (ІСФ-реактор). Дані конструкції найбільше рекомендуються для очищення більших витрат висококонцентрованих тваринницьких стоків. Аналіз роботи реакторів показав, на ПС — реакторах наван-
о
таження може становити до 35 кг ХПК/(м доба), але вони досить чутливі до змісту зважених часток і зрідження шару носія вимагає багаторазової рециркуляції оброблюваного потоку за допомогою насосного встаткування. На ІС-реакторах при високих концентраціях азоту і при складному составі стоків відзначається погана грануляція мулового шару. АФ-реактор має навантаження до 25…ЗО кг ХПК/(м доба), і стійкий при очищенні, але має недолік, пов’язаний з небезпекою кольматірування і утворення кращих каналів протоки. ІСФ-реактор має найменше навантаження близько 6 кг ХПК/(м доба). НП-реактор менш вибагливий, ризик кольматірування менше і нагромадження суспензій на дні реактора не відбувається, але гарну роботу він показує при навантаженнях до 15.. .20 кг ХПК/(м доба) і кількість утримуваної біомаси менше ніж в АФ. Так само в порівнянні з АФ, НП- реактор вимагає ретельного вибору матеріалу завантаження [199, 200]. Дослідження з апаратного оформлення [194, 199] показали, що АФ — реактори доцільно влаштовувати у вигляді вертикальних колон із проходженням оброблюваних стоків знизу нагору. Це забезпечує нагромадження і підтримку необхідної кількості мікроорганізмів і полегшує відвід біогазу, при цьому різні популяції мікроорганізмів розташовуються просторово в послідовності, відповідної до фаз анаеробного зброджування.
Аналіз технологій і устаткування для анаеробної переробки тваринницької біомаси, дозволяє прийняти наступні висновки:
г — для анаеробного зброджування більш економічним є мезофільний режим зброджування і безперервний режим роботи реактора;
> з рідкофазних анаеробних біореакторів для переробки рідкої фази тваринницької біомаси і стоків більше застосовується вертикальний АФ — реактор з висхідним потоком.