СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ВЫХОДА БИОГАЗА В ПРОЦЕССЕ СБРАЖИВАНИЯ ОРГАНОСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ Российский патент 2012 года по МПК C02F11/04 

Изобретение относится к методам переработки отходов, в частности к методам получения биогаза из органосодержащих отходов.

Известны способы увеличения выхода биогаза, предусматривающие повышение активности метанового сбраживания органического субстрата, за счет внесения стимуляторов, в качестве которых используют комплексные соединения ацетата никеля с этилендиамином или никеля с глицином (см, например, патент РФ №1838415, С12Р 5/02, C02F 11/04, опубл. в 1993 г.), а также стимуляторов растительного происхождения, в частности измельченной фитомассы амаранта багряного (см., например, патент РФ №2351552, C02F 11/04, опубл. 10.04.2009, бюл. №10).

Общим недостатком известных способов является малый выход целевых продуктов за счет низкой эффективности технологического процесса. Использование в качестве добавки соединений ацетата никеля с этилендиамином или никеля с глицином может оказать влияние на чистоту выхода биогаза.

Наиболее близким по технической сущности является способ увеличения выхода биогаза в процессе сбраживания органосодержащих отходов путем физического воздействия (высоковольтный электрический разряд) на водный органосодержащий субстрат (см., например, патент РФ №2302378, C02F 11/04, C02F 3/30, опубл. 10.07.2007, бюл. №19). Способ позволяет значительно ускорить процесс анаэробного сбраживания и повысить выход биогаза.

Недостатками прототипа являются многостадийность, сложность и дороговизна аппаратурного оформления, высокая энергоемкость процесса, обусловленная повышенными затратами электроэнергии на осуществление процесса активации метаногенного брожения. Кроме того, неизбежная ограниченность числа электродов приводит к тому, что обработке подвергается не весь водный субстрат, а только часть, прилегающая к каналу прохождения разряда, что снижает эффект обработки.

Задача изобретения состоит в разработке более эффективного, простого и менее затратного способа, позволяющего производить процесс активации метаногенного брожения во всем объеме загружаемого субстрата.

Поставленная задача решается тем, что в способе увеличения выхода биогаза в процессе сбраживания органосодержащих отходов путем физического воздействия на водный органосодержащий субстрат, согласно изобретению в качестве физического воздействия используют ультразвук с частотой 22 кГц, интенсивностью 6-8 Вт/см², время обработки составляет 4-8 мин. Дополнительно в водный органосодержащий субстрат вводят комплексную стимулирующую добавку, включающую измельченную фитомассу амаранта багряного и аэробно стабилизированный активный ил в соотношении 1:1, из расчета 2-3% мас.

Ультразвук оказывает на биологические системы механическое, физическое и химическое воздействие [Хмелев В.Н., Сливин А.Н. и др. Применение ультразвука в промышленности. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. - 203 с.]. Механическое действие ультразвука приводит к размельчению и диспергированию частиц, а также усилению диффузии растворителей в биологических тканях.

Физико-химическое воздействие ультразвука проявляется в усилении проницаемости клеточных мембран, изменении концентрации водородных ионов в тканях, расщеплении высокомолекулярных соединений, ионизации молекул воды, приводящей к высвобождению высокоактивных радикалов, а также активизации обменных процессов внутри клеток.

Амарант багряный - широко распространенная, однолетняя культура из семейства амарантовых. Фитомасса амаранта является источником биологически активных веществ и природных соединений [В.И.Карбанович, Е.А.Цед. Исследования возможности использования водной вытяжки амаранта для интенсификации биохимических процессов // Пищевая промышленность: наука и технологии. - 2010. - №1, с.51-54]: витаминов группы Е, Р, В, природных стиролов, сквалена, рутина, кверцетина, тиамина, рибофлавина, ниацина, хлорофилла, а также минеральных составляющих: кальция, железа, фосфора, магния, цинка, меди, натрия, калия, незаменимых жирных кислот, алкалоидов, пектинов, флавоноидов, пигментов и диуретических активных структур.

Аэробно стабилизированный активный ил представляет собой микробную суспензию, обладающую высокой деструктивной активностью в отношении многих сложных (включая трудно окисляемые) органических соединений, за счет наличия в иле широкого спектра ферментных систем, в том числе из групп оксиредуктаз: каталаз, дегидрогеназ, цитохромов и др. [Инженерное оборудование зданий и сооружений. Энциклопедия. Под ред. С.В.Яковлев, Богословский В.Н., Гладков В.А. и др. - Изд-во: Стройиздат, 1994. - 512 с.].

Установлено, что внесение в водный органосодержащий субстрат комплексной добавки, включающей аэробно стабилизированный активный ил и амарант, с последующей обработкой полученной смеси ультразвуком позволяет значительно ускорить процессы метаногенного брожения, снизить температуру начала прохождения химических реакций, а также значительно повысить выход биогаза.

Пример 1. Для проведения опыта готовились модельные образцы водных органосодержащих субстратов, с различным исходным содержанием биоразлагаемой органической части, % мас. по абсолютно сухому веществу: 25, 50, 75 и 100. Полученные образцы обрабатывали в соответствии с рекомендациями, описанными в заявляемом способе (частота 22 кГц, интенсивность 7 Вт/см², время обработки 6 мин), прототипе и аналогах. Культивирование образцов проводили в анаэробных условиях, в термостате при 40°С, в течение 20 суток. Эффективность процесса метаногенного брожения оценивали по увеличению выхода биогаза в сравнении с контролем. В качестве контроля использовали водный органосодержащий субстрат без предварительной обработки. Результаты обобщены в табл.1

Как видно из табл.1, обработка ультразвуком с предварительным внесением добавки, включающей амарант багряный и аэробно стабилизированный активный ил, позволяет увеличить выход биогаза в сравнении с контролем и другими видами обработок. При этом увеличение выхода биогаза для субстратов, предварительно обработанных в соответствии с заявляемым способом и содержащих 25, 50, 75 и 100% мас. биоразлагаемой органики, составило - 8,3; 17,2; 22,4 и 30,2% соответственно.

Пример 2. Опыт ставился по схеме примера 1. Предварительно в модельные образцы вносили комплексную стимулирующую добавку, включающую измельченную фитомассу амаранта багряного и стабилизированный активный ил. Полученные смеси обрабатывали ультразвуком с частотой 22 кГц и интенсивностью 5-9 Вт/см². Время обработки составляло 3-9 мин. Эффективность процесса метаногенного брожения оценивали по увеличению выхода биогаза в сравнении с контролем.

Результаты представлены в табл.2.

Табл.2 Влияние условий ультразвуковой обработки модельных образцов на выход биогаза Условия обработки Увеличение выхода биогаза, % Содержание органической части, % мас. Интенсивность, Вт/см² Время обработки, мин 25 50 75 100 5 3 7,97 13,76 17,93 24,16 4 8,01 14,94 19,47 26,22 6 8,07 16,72 21,79 29,36 8 8,03 14,98 19,52 26,29 9 7,98 13,78 17,96 24,19 6 3 8,09 13,97 18,20 24,52 4 8,13 15,16 19,76 26,62 6 8,19 16,97 22,12 29,79 8 8,15 15,20 19,81 26,68 9 8,10 13,99 18,23 24,56 7 3 8,21 14,18 18,47 24,89 4 8,25 15,39 20,05 27,01 6 8,31 17,22 22,44 30,20 8 8,27 15,42 20,10 27,08 9 8,22 14,19 18,50 24,92 8 3 8,14 14,06 18,31 24,68 4 8,18 15,26 19,88 26,78 6 8,24 17,07 22,25 29,95 8 8,20 15,29 19,93 26,85 9 8,15 14,07 18,34 24,71 9 3 7,98 13,78 17,95 24,19 4 8,02 14,96 19,49 26,26 6 8,08 16,74 21,82 29,36 8 8,04 14,99 19,54 26,33 9 7,99 13,79 17,98 24,22

Как видно из табл.2, наибольшее увеличение выхода биогаза наблюдается при интенсивности ультразвукового воздействия 6-8 Вт/см², оптимальное время обработки 4-8 мин.

Таким образом, внесение комплексной стимулирующей добавки, включающей измельченную фитомассу амаранта багряного и стабилизированный активный ил в соотношении 1:1, из расчета 2-3% мас., с последующей обработкой полученной смеси ультразвуком с частотой 22 кГц и интенсивностью 6-8 Вт/см², при длительности обработки 4-8 мин позволяет значительно повысить выход биогаза при сбраживапии органосодержащих отходов.

Изобретение относится к методам переработки отходов, в частности к методам получения биогаза из органосодержащих отходов. Способ включает внесение в сбраживаемые органосодержащие отходы комплексной стимулирующей добавки, содержащей измельченную фитомассу амаранта багряного и аэробно стабилизированный активный ил в соотношении 1:1, из расчета 2-3% мас., с последующей обработкой полученной смеси ультразвуком с частотой 22 кГц и интенсивностью 6-8 Вт/см, при длительности обработки 4-8 мин. Способ позволяет значительно ускорить процессы метаногенного брожения, снизить температуру начала прохождения химических реакций, а также значительно повысить выход биогаза. 2 табл., 2 пр.

Способ увеличения выхода биогаза в процессе сбраживания органосодержащих отходов путем физического воздействия на водный органосодержащий субстрат, отличающийся тем, что в качестве физического воздействия используют ультразвук с частотой 22 кГц, интенсивностью 6-8 Вт/см², время обработки составляет 4-8 мин; при этом предварительно перед обработкой ультразвуком в водный органосодержащий субстрат вводят комплексную стимулирующую добавку, включающую измельченную фитомассу амаранта багряного и аэробно стабилизированный активный ил в соотношении 1:1, из расчета 2-3 мас.%.