БІОТЕХНОЛОГІЯ - В. Г. Герасименко - 2006
Частина ІІ. Спеціальні біотехнології
Розділ 22. БІОТЕХНОЛОГІЇ УТИЛІЗАЦІЇ І БІОКОНВЕРСІЇ ВІДХОДІВ АГРОПРОМИСЛОВОГО КОМПЛЕКСУ
22.3.НЕТРАДИЦІЙНІ МЕТОДИ. БІОТЕХНОЛОГІЯ ОДЕРЖАННЯ БІОГАЗУ ШЛЯХОМ АНАЕРОБНОГО ЗБРОДЖУВАННЯ ВІДХОДІВ
22.3.6.Сучасний стан виробництва біогазу в Європі та світі
Загострення проблеми забруднення навколишнього середовища різноманітними органічними відходами, в тому числі відходами тваринницької галузі, а також зростаючий дефіцит енергетичних ресурсів є головними мотивами інтенсифікації Європейських розробок у галузі виробництва та ефективного використання біогазу. Підтримується інтерес до біогазових технологій також дієвим екологічним законодавством і державним дотуванням впровадження нетрадиційних відновлювальних джерел енергії (особливо в Німеччині), а також введенням світових квот на забруднення довкілля.
Потенціал органічних відходів, придатних для одержання біогазу, у 15 країнах ЄС такий (млн т): гній - Н24; відходи муніципальних господарств - 46,9; стічні води - 22,32; індустріальні органічні відходи - 35,04 (Йенс Бо Гольм - Нільсен, Теодоріта Аль Сеаді, 2002).
У сучасній Європі найбільшого поширення набули три концепції виробництва біогазу:
1) виробниче біогазове обладнання при фермерських господарствах;
2) потужні лінії з переробки гною, розраховані на задоволення спільних потреб кількох господарств;
3) найпотужніші біогазові підприємства, що спеціалізуються на переробці органічних відходів різноманітного походження.
Обладнання для фермерських господарств розраховане на одержання біогазу з гною та на забезпечення потреб господарств в опаленні й електроенергії. Перероблений гній використовується як органічне добриво. Надлишок електроенергії може реалізуватися енергетичним компаніям і в такий спосіб приносити фермі додатковий прибуток. Як правило, таке обладнання складається з резервуарів для попереднього зберігання гною, анаеробних реакторів з системами керування й обігрівання, помп для завантажування й розвантажування, резервуарів для зберігання відпрацьованого гною, системи для зберігання і транспортування газу, а також універсального модуля для опалення та вироблення електроенергії.
Спільні переробні підприємства створюються для переробки гною, що утворюється у кількох тваринницьких господарствах - здебільшого свинарських, молочних та птахівничих (від 5 до 100 ферм). Газ можна одержувати з гною у суміші з іншими органічними відходами. Підприємство має кілька блоків. Блок попереднього зберігання містить окремі резервуари для гною та органічних відходів, а також резервуари для гомогенізації й теплообмінники, в яких тепло вже переробленої маси використовується для попереднього розігрівання сировини.
Анаеробні реактори, оснащені системами автоматичного керування, мають вигляд сталевих резервуарів з конічним дном. Температурний процес - мезофільний або термофільний. Підприємстсва, орієнтовані на термофільний процес, поширені більше через ліпшу відповідність такого зброджування санітарним вимогам, оскільки мезофільне зброджування потребує додаткового технологічного етапу пастеризації.
Отриманий біогаз перетворюється на теплову та електричну енергію за допомогою універсального переробного модуля. Теплова енергія використовується для технологічних потреб підприємства, а її надлишок постачається місцевим господарствам. Електрика реалізується енергетичним компаніям. Деякі господарства транспортують біогаз трубопроводом для використання в електро- та опалювальних станціях найближчих міст. У Швеції, Швейцарії та деяких інших країнах біогаз після додаткового очищення використовують як автомобільне пальне.
Підприємства, спеціалізовані на переробці органічних відходів різноманітного походження, оснащені найбільш технологічно досконалими виробничими лініями для одержання біогазу як з рідких, так і з твердих органічних відходів. Анаеробне зброджування не відрізняється від того, що практикується на спільних підприємствах, але в деяких випадках йому передує додатковий технологічний етап гідролізу.
Спільні переробні підприємства набули найбільшого поширення у таких північних країнах Європи, як Швеція та Данія, а також у деяких регіонах Німеччини.
Ефективність підприємств перебуває у прямій залежності від їхніх масштабів, тобто вартість переробки кожного кубометра біомаси є тим меншою, чим більшим є розміри підприємства. Додатковою перевагою спільних переробних підприємств порівняно з індивідуальними є висока кваліфікація та спеціалізація обслуговуючого персоналу.
У Німеччині нині понад 1300 ферм обладнано устаткуванням для одержання біогазу і в майбутньому їх кількість буде зростати. Остання генерація обладнання вирізняється конструктивною простотою та високим рівнем стандартизації. На думку німецьких фермерів, виробництво біогазу дає найбільш відчутний економічний ефект малим господарствам, у яких потужність генераторів не перевищує 500 кВт. Реалізаційна вартість виробленої фермерами енергії становить 0,2 DМ за кіловат-годину.
В Австрії кількість ферм, обладнаних устаткуванням для одержання біогазу, перевищує сотню. Тут як сировину використовують гній та пасовищні культури або лише пасовищні культури. У великих свинарських господарствах, у яких поголів’я перевершує 500 свиноматок, виникає проблема утилізації надмірної кількості гною, якого утворюється набагато більше, ніж потрібно
для використання як органічного добрива, що негативно впливає на довкілля. Особливо гостро ця проблема постала у Греції, Іспанії, Португалії, Ірландії, Великій Британії, Франції, Голландії та Данії. Ці країни зацікавлені у застосуванні біотехнології одержання біогазу, що дасть їм змогу досягти енергетичної незалежності, а також вирішити екологічні проблеми, пов’язані зі смородом та порушенням санітарно-епідеміологічних вимог.
Передбачається, що у Європі до 2010 р. питома вага електроенергії, що вироблятимється з відновлювальних джерел енергії, подвоїться. Слід очікувати на зростання закупівельних цін на «зелену електроенергію», які будуть підтримуватися на високому рівні з метою заохочення європейського фермерства до використання обладнання для переробки відходів у біогаз.
Технології переробки органічних відходів у біогаз, що активно розробляються протягом останнього десятиріччя, нині достатньо визріли для промислового впровадження. Наступним важливим кроком стане налагодження стандартизованого та масового виробництва обладнання, що дасть змогу істотно знизити його собівартість.
Що стосується складності обладнання, то, як свідчить аналіз доступних інформаційних джерел, розвиток біогазових установок у світі відбувається двома напрямами (Ясенецький В., Клименко В., 2001). Перший - це раціональне спрощення, а відповідно, і здешевлення установок, призначених для невеликих фермерських господарств. Другий напрям - це створення сучасних високопродуктивних повнокомплектних біогазових установок на основі новітніх удосконалених конструкцій біореакторів, сучасних автоматизованих систем керування технологічним процесом, високоефективного теплотехнічного, електротехнічного і технологічного обладнання.
Характерними зразками БГУ першого напряму є установки, розроблені німецькими фірмами «ІТТ Флюгт Пумпен ГмбХ» і «У.Т.С. Умвелт-Технік-Сид ГмбХ». Така установка оснащена двома послідовно з’єднаними мікробіологічними реакторами, тобто закритими зверху стандартними ємностями для зберігання гною та обладнані пропелерними змішувачами-гомогенізаторами. Подання рідкого гною в реактори здійснюється за допомогою помпа-подрібнювача. Біогаз із реакторів надходить безпосередньо в модульну теплоелектроустановку, де перетворюється на теплову та електричну енергію.
Рис. 22.8. Технологічна схема біогазової установки в містечку Небелшітц (Німеччина):
1 — гноєзбірник; 2 — насосна станція; 3 — ферментер 1;
4 — пристрій для твердих відходів; 5 — місткість для рідких органічних відходів; 6 — ферментер 2; 7 — сховище збродженої маси;
8 — газгольдер; 9 — модульна теплоелектроустановка
Фірма «У.Т.С. Умвелт-Технік-Сид ГмбХ» розробила також біогазову установку більшої продуктивності, яка експлуатується у м. Небелшітц (Німеччина). До складу установки (рис. 22.8) входять гноєзбірник, два ферментери, ємність для інших органічних відходів, відстійник збродженої біомаси, газгольдер і модульна теплоелектроустановка. Об’єм гноєзбірника - 115 м3, ферментерів - по 883 м3 кожний, які виготовлені з бетону і мають термоізоляцію. Біогаз акумулюється в газгольдері місткістю 300 м3, а звідти надходить до модульних теплоелектроустановок потужністю по 75 кВт. Продуктивність установки: 11001400 м3/добу біогазу, електроенергії - 2000-2500 кВт/год/добу, тепла - 3300-4200 кВт/год/добу. Вартість установки DM 625 на 1 м3 об’єму реактора.
Німецька фірма «Фарматік Біотех Енергі АГ» розробила і збудувала понад 20 БГУ різної продуктивності для утилізації рідкого гною та інших органічних відходів, які тепер експлуатуються не тільки в Німеччині, а й в інших країнах Західної Європи та Азії. У 2000 році в містечку Нойбуков (Німеччина) введено в дію БГУ для двоступеневої мезофільної коферментації рідкого гною та органічних відходів. Річна продуктивність установки - 80000 т відходів, вартість - DM 9,8 млн. Установка
Рис. 22.9. Біогазова установка в містечку Нойбуков (Німеччина) розробки фірми «Фарматік Біотех Енергі АГ»
(за Ясенецьким В., Клименко В., 2001)
складається з двох ферментерів об’ємом по 2300 м3 кожний, двох гідролізерів по 550 м3, змішувального резервуара місткістю 550 м3, газгольдера об’ємом 1000 м3, сховища на 5000 м3 збродженої біомаси та модульної теплоелектроустановки. Санітарна обробка відходів здійснюється витримуванням їх за температури 70 оС упродовж години (за необхідності - 90 оС). БГУ обладнана системою автоматичного керування (рис. 22.9).
Оригінальну БГУ розробила данська фірма «Біоскан А/С». Технологія «Біорек» дає змогу переробляти рідкий гній тваринницьких ферм і рідкі органічні відходи (стічні води та осад стічних вод) на очищену воду, добриво і енергію. Зброджений стік з біореактора надходить на ультрафільтраційну установку, яка пропускає тільки воду з розчиненими в ній речовинами, а бактерії і нерозщеплені залишки органічних речовин повертає на повторну переробку до біореактора. Відфільтрований стік надходить на аміачну установку, де відбувається виділення наявного азоту у формі аміачного концентрату, а потім на установку зворотного осмосу, де стік розділяється на очищену воду і калійно-фосфорне добриво.
Для переробки твердих і пастоподібних органічних відходів розроблено технологію «Бабрек». У ній передбачено додатково технологічні операції гомогенізації, гідролізу і санітарної обробки вихідної біомаси.
Повністю автоматизовану БГУ розробила німецька фірма «ТЕВЕ-Електронік ГмбХ і КоКГ» спільно з фірмою «Ліпп ГмбХ» (рис. 22.10). Особливістю цієї технологічної схеми є попереднє підігрівання біомаси перед зброджуванням. Підігрівач субстрату - це ємність з високоякісної сталі габаритними розмірами 4,0 х 2,0 х 2,1 м і масою 1000 кг. Усередині ємності розміщено циліндричний резервуар-нагромаджувач біомаси місткістю 2000 л зі змішувачем і змійовик, по якому біомаса надходить до нагромаджувача. Субстрат підігрівається гарячою водою (90-95 оС), яка подається в ємність. Конструкція підігрівача дає змогу регулювати температуру вихідного субстрату.
Рис. 22.10. Технологічна схема повністю автоматизованої біогазової установки модульного збирання розробки фірм «ТЕБЕ-Електронік ЕмбХ» і «Ліпп ЕмбХ»:
1 — гноєзбірник із мішалкою; 2 — ємкість для рідкої консервованої біомаси кормових культур; 3 — пристрій для подрібнення інших видів біомаси; 4 — вагодозувальний пристрій із мішалкою; 5 — підігрівай субстрату; 6 — біореактор із мішалкою «Ліпп» і вбудованим газгольдером; 7 — модульна теплоелектроустановка; 8 — сховище збродженої маси
До складу цієї установки входить метантенк із вбудованим газгольдером «КомБіо-Реактор» (рис. 22.11). Об’єм реактора може становити від 100 до 800 м3 залежно від кількості біомаси, що підлягає переробці. Система перемішування з використанням запатентованого механічного змішувача «Ліпп» дає змогу водночас горизонтально і вертикально перемішувати біомасу і запобігає утворенню кірки та осаду. Використання такого біоре- актора сприяє зменшенню кількості технологічних трубопроводів і виробничої площі для розташування установки, а також знижує капіталовкладення в будівництво. Метантенки з убудо- ваним газгольдером використовують також і в біогазових установках німецьких фірм «ЕнвіТекМалл ГмбХ», «БІОГАЗ верес- емс ГмбХ і КоКГ», «Хенце Харвесторе ГмбХ».
Рис. 22.11. Схема метантенка з вбудованим газгольдером «Ком-Біо-Реактор» розробки фірми «Ліпп ГмбХ»
(за Ясенецьким В., Клименко В., 2001)
Оригінальну конструкцію біореактора вертикального типу розробила австрійська фірма «Ентек ГмбХ». Біореактор «БІМА-ферментер» (рис. 22.12) має дві камери - головну бродильну і камеру дозброджування, які розділені проміжною перегородкою. Між собою камери з’єднуються за допомогою вертикальної центральної труби із змішуючими лопастями знизу і змішуючої шахти, розташованої біля бічної стінки біореактора, а також газового ковпака з автоматичним клапаном. Реактор
Рис. 22.12. Схема біореактора «БІМА-Ферментер»
(за Ясенецьким В., Клименко В., 2001):
1 — головна бродильна камера; 2 — центральна труба; 3 — камера дозброджування; 4 — лопатевий змішувач;
5 — завантажувальний трубопровід; 6 — зливний трубопровід; 7 — газовий ковпак з автоматичним клапаном;
8 — змішувальна шахта; 9 — газовідвід
має також завантажувальний трубопровід, з’єднаний з центральною трубою, а також зливний і газовивідний трубопроводи, з’єднані з камерою дозброджування. Процес змішування біомаси в такому реакторі відбувається завдяки перетіканню рідини при відборі біогазу.
Біореактори такої конструкції об’ємом від 750 до 1700 м3 успішно експлуатуються в складі біогазових установок у Нідерландах та Австрії. Залежно від виду відходів (комунальні стоки, суміш відходів тваринницьких ферм з органічними промисловими відходами, рідкі відходи переробної галузі) навантаження цих біореакторів становить від 2,0 до 6,5 кг сухої органічної речовини на 1 м3 об’єму реактора за добу при експозиції зброджування від 6,5 до 30 діб.
Деякі фірми («Новатех ГмбХ», «Шмак Біогаз ГмбХ», «Борсіг Енергі») застосовують у біогазових установках реактори горизонтального типу (як металеві, так і бетонні) з механічним перемішуванням біомаси. Деякі з них обладнані також похилими шнековими транспортерами для вилучення шламу.
В описаних конструкціях біогазових установок переважно використовуються стандартні ємності для приймання, нагромадження та витримування відходів і зберігання продуктів переробки або ці ємності певного об’єму збираються з відповідних елементів конструкцій. Нерідко це стосується і конструкцій біореакторів.
Аналіз технологічних і технічних рішень сучасних біогазових установок у світі показав наступні основні тенденції їх розвитку:
- спрощення конструкцій прифермерських біогазових установок завдяки переведенню їх на психрофільний режим і компонування серійним обладнанням (стандартні суцільні або збірні металеві ємності, помпи-подрібнювачі, пропелерні змішувачі);
- розробка високопродуктивних промислових повнокомплектних повністю автоматизованих БГУ для переробки різних видів органічних відходів;
- подальше вдосконалення конструкцій біореакторів, спрямоване на зниження енергоємності процесу перемішування субстрату і створення оптимальних умов для нагромадження активної біомаси;
- широке застосування біореакторів із вбудованим газгольдером, що знижує потреби в технологічних трубопроводах і виробничій площі;
- виготовлення ємностей різного призначення, що входять до складу БГУ, у тому числі й біореакторів зі збірних елементів, виготовлених з листового або гофрованого металу з високоякісним антикорозійним покриттям;
- зменшення частки біореакторів горизонтального типу у БГУ;
- розробка і широке впровадження при створенні БГУ нових технологічних рішень, спрямованих на підвищення їх ефективності: післяферментаційне витримування біомаси в додаткових ємностях, коферментація (ферментація сумішей різних видів органічних відходів), попереднє перегрівання вихідної біомаси (до 79 оС) з подальшим термостатуванням у біореакторі тощо.
За умов достатніх інвестицій у науково-дослідні розробки та програми, спрямовані на подальший розвиток технологій виробництва та утилізації біогазу, уже протягом кількох наступних років (починаючи з 2002 р.) очікується підвищення загальних європейських біоенергетичних потужностей до 1000 МВт.