Способ увеличения биогазового потенциала органосодержащих отходов Российский патент 2024 года по МПК C02F11/04 C02F3/32 C12N1/12 C12R1/89 C12P7/64 

Изобретение относится к способам переработки отходов, в частности к методам получения биогаза из органосодержащих отходов. Способ включает внесение в сбраживаемые органосодержащие отходы биомассы микроводорослей Chlorella, образующейся после извлечения липидов для производства биодизельного топлива (далее остаточной биомассы микроводорослей (ОБМ)).

Проблема образования отходов является одной из наиболее важных экологических проблем нашего времени. Эта проблема связана с тем, что люди потребляют все больше и больше различных товаров и продуктов, и, соответственно, производят все больше отходов.

Согласно среднему морфологическому составу ТКО в мире, органосодержащие отходы составляют приблизительно половину от образующихся отходов [Воробьев, В.И. Морфологический состав твердых коммунальных отходов / В.И. Воробьев, Г.П. Тимофеев, В.В. Чарнецкий // Наука молодых - будущее России: сборник научных статей 3-й Международной научной конференции перспективных разработок молодых ученых: в 6 т., Курск, 11-12 декабря 2018 года. Том 5. - Курск: Закрытое акционерное общество "Университетская книга", 2018. - С. 162-168. - EDN PMGRCW].

Органосодержащие отходы - это любые остатки или отбросы, которые происходят от растительной или животной жизни, такие как остатки еды, фруктовые и овощные обрезки, трава, листья, корни, кожи, шерсть, кости и т.д. Органосодержащие отходы включают в себя пищевые отходы, садовые и парковые отходы, а также отходы животного происхождения.

Получение биогаза путем анаэробного сбраживания органосодержащих отходов является одним из перспективных направлений переработки органосодержащих отходов и продвижения принципов экономики замкнутого цикла. Это связано с тем, что помимо явного экологического преимущества перед стандартным сжиганием или замораживанием на полигонах ТКО органосодержащих отходов, данный способ утилизации связан с уменьшением выбросов СО₂ и других парниковых газов в атмосферу. При использовании технологии анаэробного сбраживания органосодержащих отходов образуются ценные компоненты - биогаз и биогумус.

Биогаз - это вид биотоплива, который естественным образом образуется в результате разложения органосодержащих отходов.

Анаэробная ферментация органосодержащих отходов - экономически эффективная и проверенная технологией, позволяющая одновременно управлять отходами и производить энергию [Roubik, Н., Mazancova, J., Le Dinh, P., Dinh Van, D., & Banout, J. (2018). Biogas quality across small-scale biogas plants: A case of central Vietnam. Energies, 11(7) doi:10.3390/enl 1071794]. Важно отметить, что производство биогаза также оказывает положительное влияние на окружающую среду, в частности, сокращает выбросы парниковых газов. Метан, образующийся в биогазовых реакторах, сжигается для производства возобновляемой энергии, и при его сжигании выделяется меньше углекислого газа, чем при сжигании обычного топлива. Так, например, в Польше только в 2016 году в результате использования сельскохозяйственных биогазовых установок выбросы СО₂ в атмосферу сократились на 247 тонн [Rzeznik, W., & Mielcarek, P. (2018). Agricultural biogas plants in Poland. Paper presented at the Engineering for Rural Development, 17 1760-1765. doi: 10.22616/ERDev2018.17.N310].

Качество биогаза зависит от содержания в нем метана (СН₄). Для увеличения выхода биогаза с высоким содержанием метана используют различные добавки и инокулянты. В настоящее время остается актуальным вопрос поиска наиболее эффективной и экономически выгодногой добавки для интенсификации процесса анаэробного сбраживания органосодержащих отходов.

В заявляемом способе предлагается использовать ОБМ - отход, образующийся после извлечения липидов для производства биодизельного топлива из микроводорослей Chlorella, в качестве добавки для анаэробного сбраживания органосодержащих отходов. Данная добавка позволит увеличить выход биогаза, повысить содержание метана в нем и утилизировать ОБМ. Биомасса микроводорослей Chlorella для получения биодизельного топлива культивировалась на сточных водах пищевого производства, очищая их, Культиивирование проходило в условиях повышенного содержания СО₂, имитирубщих выбросы СО₂ от тепловых электростанций (фигура 1).

Существует способ увеличения выхода биогаза в процессе сбраживания органосодержащих отходов, патент №RU 2458868 C1, МПК C02F 11/04, опубликовано 20.08.2012, авторы которого предлагают получать биогаз из органосодержащих отходов с добавкой фитомассы амаранта багряного и с добавкой активного ила 1:1, из расчета 2-3 масс. % с последующей обработкой ультразвуком с частотой 22 кГц, и интенсивностью 6-8 Вт/см в течении 4-8 мин. Вышеописанный способ позволяет увеличить выход биогаза до 30,23%. Недостатком данного способа является дополнительная обработка смеси ультразвуком. Данный этап усложняет процесс анаэробного сбраживания и увеличивает себестоимость полученного биогаза. Также недостатком данного способа является то, что в данном способе применяется исходная фитомасса аморанта багряного, которая является ценным источником БАДов и масла с целебными свойствами, сбор данной фитомассы для сбраживание экономически не целесообразен.

Также известен способ увеличения выхода биогаза, патент №RU 2351552 C1, МПК C02F 11/04, опубликовано 10.04.2007, заключающееся в получении биогаза при анаэробном сбраживании в реакторе разжиженных водой ила очистных сооружений и измельченной фитомассы амаранта багряного в качестве стимулирующей добавки растительного происхождения. 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). Недостатком данного способа является использование исходной фитомасса аморанта, себестоимость которой в несколько раз больше себестоимости остаточной биомассы микроводорослей, являющейся отходом получения биодизеля.

Существует способ получения биогаза, патент №RU 2534243 C1, МПК C02F 11/04, опубликовано: 27.03.2013, в котором получение биогаза включает предварительную обработку органического субстрата путем доведения до влажности 92% с последующим измельчением, введение катализатора, сбраживание в анаэробной среде, сбор биогаза. В качестве катализатора используют четырехкомпонентную смесь, содержащую четыре класса ферментов протеазу, амилазу, липазу и целлюлазу в их массовом соотношении 3,2:0,3:15,6:1,0, катализатор вводят в объеме 0,01 г/кг от массы сухого органического субстрата, а сбраживание в анаэробной среде осуществляют при температуре от 17°С до 20°С. Недостатком данного способа является высокая стоимость процесса за счет использования катализатора.

Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании способа увеличения биогазового потенциала органосодержащих отходов при помощи добавления в композиционную смесь биомассы микроводорослей Chlorella, образовавшейся после очистки сточных вод пищевого предприятия и извлечения липидов для получения биодизельного топлива. Это позволит создать безотходную систему получения биогаза с высоким содержанием метана, который в дальнейшем можно использовать для энергетических целей.

Технический результат достигается внесением в сбраживаемые органосодержащие отходы добавки из ОБМ, образовавшейся после очистки сточных вод пищевого предприятия и извлечения липидов для получения биодизельного топлива. Данный способ является экологически целесообразным и экономически выгодным за счет использования отхода получения биодизельного топлива.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение выхода биогаза и увеличение содержания метана в полученном биогазе при сбраживании органосодержащих отходов путем добавления в композиционную смесь для сбраживания ОБМ.

На прилагаемых к описанию фигурах дано:

Фигура 1 - схема анаэробного сбраживания органосодержащих отходов с использованием остаточной биомассы микроводорослей Chlorella, где: 1 - предприятие пищевой промышленности, 2 - маточная культура, 3 - фотобиореактор-биофильтр с микроводорослями Chlorella, 4 - модуль получения биодизеля, 5 - метантенк, 6 - модуль очистки биогаза, 7 - компост, 8 - органосодержащие отходы, 9 - инокулянт.

Фигура 2 - принципиальная схема лабораторной установки, где: 10 -биореактор; 11 - газовый счетчик; 12 - газовые линии; 13 - емкости для сбора биогаза; 14 - термобокс; 15 - сигнальные провода; 16 - блок управления газовыми счетчиками; 17 - информационно-аналитический комплекс.

Фигура 3 - схема лабораторного биореактора где: 18 - бутыль; 19 - мешалка; 20 - смесь; 21 - резиновая пробка; 22 - газоотводная трубка; 23 - датчики подсоединения к системе.

Фигура 4 - схема подключения и измерений компонентного состава биогаза с использованием газоанализатора GA2000, где: 10 - биореактор; 24 - трехходовой кран; 25 - двухходовой кран; 11 - газовый счетчик; 26 -газовый мешок с инертным газом; 27 - газоанализатор, 28 - газовый мешок с биогазом.

Фигура 5 - графики эмиссии биогаза из биореакторов, где 1-6 №биореактора.

Фигура 6 - графики удельной эмиссии биогаза из биореакторов, где 1-6 №биореактора.

Для проведения сравнительного анализа влияния количества и состава ОБМ, в качестве добавки для сбраживания органосодержащих отходов была создана лабораторная установка для получения биогаза (фигура 2), состоящая из термобокса, в который помещаются биореакторы 10 емкостью 1 л каждый (фигура 3). В качестве биореакторов использовались пластиковые банки с завинчивающейся крышкой из полиэтилена низкого давления (ПНД), который является химически стойким материалом, к действиям кислот, щелочей, растворов солей, минеральных масел и т.п.

Методика проведения экспериментов заключалась в следующем: В биореакторы (10) загружаются органосодержащие отходы и образец добавки для интенсификации процесса метанообразования при анаэробном сбраживании. Затем биореакторы заливаются водой. Для создания анаэробного режима разложения органосодержащих веществ продуваются инертным газом. Для определения эмиссии биогаза биореакторы подключаются к газовым счетчикам (11) с использованием газовых линий (12). Образующийся биогаз собирается емкости (13). Биореакторы помещаются в термобокс (14) с постоянной температурой (Т=35°С), характерной для мезофильного режима брожения. Биореакторы должны оснащаться дополнительными газовыми линиями с возможностью подключения газоанализатора для периодического контроля состава биогаза. Для предотвращения образования плавающей корки содержимое биореакторов ежедневно перемешивается. Продолжительность испытания лабораторных образцов-добавок составила 28 суток. Для удаленного контроля процессов биоразложения и слежения за экспериментом в реальном времени используется информационно-аналитический комплекс, который состоит из персонального компьютера (17), соединенного с блоком управления газовыми счетчиками (16), получающим с них данные при помощи сигнальных проводов (12).

При использовании биореакторов небольшого размера крайне важно использовать методику определения состава биогаза, позволяющую осуществлять контроль газовых компонентов в расчетный период времени с учетом относительно небольших эмиссий биогаза. Для этого была разработана схема измерений компонентного состава биогаза непосредственно в биореакторе (фигура 4) с использованием портативного газоанализатора GA2000. Важной особенностью при выполнении измерений было исключение попадания кислорода в биореактор.

Перед началом измерения перекрывался двухходовой кран (25). Затем трехходовые краны (24) переводились в положение, открывающее сброс в вытяжную систему и мешок с инертным газом (26) в целях продувки газовой линии газоанализатора. После продувки краны (24) переводились в другое положение, перекрывающее сброс в вытяжную систему и газовый мешок (26). Затем включался компрессор газоанализатора, и биогаз из биореактора прокачивался через газоанализатор (27). Биогаз, прошедший через газоанализатор, попадал обратно в биореактор (10), что позволяло производить измерения многократно, не изменяя тем самым компонентный состав биогаза.

В таблице 1 приведен перечень газов, измеряемых GA2000, и диапазон их измерений.

Ниже приводится пример последовательности расчетов количества свежей биомассы, содержащей требуемое количество органического углерода.

Пусть х₁ - это содержание органического углерода в добавке из пищевых отходов (г), тогда фактический вес закладываемого в биореактор свежей биомассы из пищевых отходов у₁ (г) определится с учетом влажности W (%) и содержания неорганического углерода D (%):

Для закладки в биореактор требуется 8 г добавки из пищевых отходов по органическому углероду. Влажность добавки составила W=68,7%. Содержание неорганического углерода составило D=7%.

Тогда фактическая масса добавки из пищевых отходов, закладываемых в биореактор, составит:

В качестве инокулянта используется свежий коровий навоз, отбираемый на ферме, содержание животных на которой соответствует санитарно-ветеринарным требованиям.

В качестве органосодержащих отходов использовали смесь пищевых отходов. Средняя норма сбора пищевых отходов у населения несколько лет назад составляла порядка 30 кг/чел в год. Эта норма в связи с улучшением качества продуктов существенно снижается. В соответствии с морфологическим составом пищевых отходов был составлен состав смеси пищевых отходов для анаэробного сбраживания (на 1 кг), Состав смеси пищевых отходов принимается по данным исследований АКХ им. Памфилова (табл. 2).

Пример: Для расчета загружаемой массы в биореакторы по формуле 1 были определены показатели влажности и содержание органического углерода для исходной биомассы микроводорослей Chlorella, ОБМ и инокулянта. Общая масса загружаемых в биореакторы образцов в пересчете на органический углерод составляла 8 г. Для проведения сравнительного анализа было использовано 2 добавки из биомассы микроводорослей Chlorella: 1) исходная биомасса микроводорослей (культивирование осуществлялось в питательной среде) (далее ИБМ); 2) ОБМ (культивирование осуществлялось на сточных водах пищевого предприятия в условиях повышенного содержания СО₂ с последующим извлечением липидов). Содержание композиционных смесей для загрузки биореакторов в пересчете на органический углерод представлено в таблице 3.

Согласно результатам определения доли влаги по массе и содержания органического углерода производилась закладка влажной навески композиционных смесей в биореакторы (таблица 4).

На фигуре 5 приведены графики эмиссии биогаза (в литрах) из биореакторов с различной закладкой композиционных смесей.

На фигуре 6 приведены графики удельной эмиссии биогаза (л/г орг.углерода) из биореакторов с различной закладкой композиционных смесей.

Анализ графиков показал, что в течение первых 10 дней наблюдалась малая интенсивность выхода биогаза практически из всех биореакторов. Из биореакторов №1 и №2 интенсивный выход биогаза наблюдался на 12-е сутки со времени их загрузки. В биореакторах №3 и №4 интенсивный выход биогаза наблюдался примерно на 15-е сутки. Сравнительно замедленный выход биогаза из биореактора №6 начался на 2-е сутки после загрузки и прекратился на 9-е сутки. Интенсивный выход биогаза наблюдается на 28-е сутки.

В таблице 5 приведены данные состава биогаза в биореакторах на 28-е сутки с начала эксперимента.

Анализ данных, представленных в таблице 5, показывает, что:

- при использовании ИБМ композиционного состава «ИБМ (50%) + инокулянт (50%)» (по органическому углероду) удельный выход биогаза за 28 суток составил 0,095 л/г орг.углерода, при содержании метана 58,7% об.; (биореактор №1)

- при использовании ОБМ композиционный состав «ОБМ (50%) + инокулянт (50%)» удельный выход биогаза составляет 0,088 л/г орг. углерода (на 8% меньше по сравнению с исходной биомассой), но при этом содержание метана достигает 60,0% об.; (биореактор №2)

- в случае использования ОБМ относительно высокий удельный выход биогаза 0,066 л/г орг.углерода достигается в композиционном составе при соотношении «ОБМ (25%) + инокулянт (50%) + пищевые отходы (25%)» по органическому углероду. Содержание метана составляет 60,0% об.; (биореактор №4)

- при другом соотношении компонентов в композиционной смеси «ОБМ (33,3%) + инокулянт (33,3%) + пищевые отходы (33,3%) удельный выход биогаза составляет 0,063 л/г орг.углерода, содержание метана составляет 58,3% об. (биореактор №3)

- данные полученные ректорах №5 и №6 использовались для расчета чистого выхода биогаза с использованием добавок из биомассы микроводорослей Chlorella. Эмиссия биогаза без добавок значительно мала.

Таким образом, по результатам проведенных экспериментов можно сделать вывод: оптимальный состав композиционной смеси «ОБМ + инокулянт + пищевые отходы» определяется соотношением 25/50/25% по органическому углероду (биореактор №4). Следует отметить, что содержание инокулянта в композиционной смеси оказывает более существенное влияние на удельный выход биогаза, по сравнению с пищевой добавкой.

Изобретение относится к сельскому хозяйству. Способ получения биогаза из органосодержащих отходов характеризуется тем, что из биомассы микроводорослей Chlorella, образовавшихся после очистки сточных вод пищевого предприятия, извлекают липиды и добавляют в композиционную смесь для анаэробного сбраживания, при этом в композиционной смеси процентное соотношение по органическому углероду составляет, %: микроводоросли - 25, инокулянт - 50, пищевые отходы - 25. Изобретение позволяет повысить выход биогаза и увеличить содержание метана в полученном биогазе. 6 ил., 5 табл., 1 пр.

Способ получения биогаза из органосодержащих отходов, отличающийся тем, что из биомассы микроводорослей Chlorella, образовавшихся после очистки сточных вод пищевого предприятия, извлекают липиды и добавляют в композиционную смесь для анаэробного сбраживания, при этом в композиционной смеси процентное соотношение по органическому углероду составляет, %:

микроводоросли 25 инокулянт 50 пищевые отходы 25