Повышение эффективности переработки осадков сточных вод в биогаз

ный ил и т.д. Переработке в биогазовых установках подлежат, как правило, два последних вида, представляющие собой комплекс микроорганизмов и простейших с частично окисленными взвешенными веществами. Такая технология позволяет удалить из коммунальных и животноводческих стоков до 90% органических соединений. В результате получаются качественные удобрения – в то время как при компостировании сырье теряет около 60% азота [2, 3].

По данным, полученным в ходе различных исследований, специфический выход биогаза из осадка сточных вод очистных сооружений может достигать от 400 до 700 литров на 1 кг органического вещества (л/кг оСВ), содержание в нем метана – порядка 60% (при массовой доле сухого вещества (СВ) 4%, органических веществ в сухом остатке (оСВ) – 70%). Такой субстрат целесообразно перерабатывать в смеси с другими отходами – например, с отходами агропромышленного комплекса [4, 5, 6, 7].

Положительный результат показала совместная переработка осадка сточных вод с рисовой соломой. Добавление осадка сточных вод в количестве 0,5, 1,0, 1,5 и 3,0% от массы соломы способствовало оптимизации состава сбраживаемой массы по соотношению C / N и, соответственно – увеличению выхода биогаза. Лучший эффект отмечен при добавлении 3% осадка сточных вод: выход биогаза в этом варианте в 4 раза выше, чем в варианте без добавления соломы [8].

При совместной переработке осадков сточных вод очистных сооружений с твердыми бытовыми отходами в соотношении 3:1 по массе органического вещества суточная выработка биогаза увеличивается почти в 4 раза, при этом специфический выход метана составляет 420±30 мл/г оСВ [9].

Достаточно высокую степень биодеградации органического вещества отходов показали эксперименты по анаэробной ферментации избыточного активного ила муниципальных очистных сооружений в смеси с 25% скошенной травы и 25% отходов общественного питания [10].

Однако в лабораторных исследованиях А. Wriege-Bechtold при переработке активного ила очистных сооружений в смеси с жиром из жироловок выход биогаза снизился почти на 50%. Биогазовая продуктивность смесей субстратов колебалось в среднем от 800 до 1200 л/кг оСВ в зависимости от соотношения компонентов [5].

Энергетический потенциал отходов, в том числе и осадков сточных вод, напрямую зависит от их химического состава и, соответственно, от происхождения. В настоящее время не теряет актуальности разработка способов повышения биогазовой продуктивности субстратов. Для этого, помимо составления смесей с разного рода отходами, тестируются ферментные препараты, разрабатываются режимы ферментации.

В исследованиях S. Kolbl установлено, что потенциал образования метана из осадка сточных вод составляет 319±11 мл/г оСВ. Использование ферментных препаратов MicropanBiogas и Novozymes способствует увеличению данного показателя соответственно на 8 и 45 % [11].

При обработке осадка сточных вод очистных сооружений в термофильном режиме в двухступенчатой системе разложение органических веществ на 13% выше, по сравнению с одноступенчатой; здесь же отмечается и увеличение метановой продуктивности с 303,74 до 450,02 мл/г оСВ [12].

При анаэробной ферментации осадков сточных вод очистных сооружений в Feed-batch-реакторах объемом 40 л (системы полупроточного культивирования) выход биогаза составил от 370 до 400 мл/г оСВ с содержанием метана от 55,22 до 56,56 % [13].

При переработке осадка сточных вод очистных сооружений в реакторах периодического культивирования отмечалась лучшая устойчивость микрофлоры к повышенному содержанию ХПК. Специфический выход метана составил от 273 до 483 мл/г оСВ, объемная доля метана в биогазе – от 65 до 68% [14].

Иловые площадки очистных сооружений вблизи г. Курск занимают около 40 га, и потребность в их расширении растет. Для решения проблемы здесь построен современный завод по переработке сырого осадка сточных вод и избыточного активного ила [15]. Это биогазовая станция, спроектированная компанией ZorgBiogaz AG, состоящая из четырех реакторов рабочим объемом 3600 м³ каждый, двух резервуаров для приема сырья полезным объемом 200 м³ каждый и двух резервуаров для перебродившей массы. Образующийся биогаз скапливается под куполом реакторов и через пункт газоподготовки поступает в генераторную установку для выработки электроэнергии. Сброженная биомасса сепарируется, вода возвращается в очистные сооружения, а сухая часть используется в качестве удобрения [1] . В настоящее время ведется поиск и испытание косубстратов, их оптимальных сочетаний для повышения эффективности работы биогазовой станции.

Цель исследования – изучение биогазового потенциала осадка сточных вод очистных сооружений г. Курск, тестирование данного материала в смеси с отходами агропромышленного комплекса растительного и животного происхождения.

Материалы и методы исследования

Исследования проведены на базе лаборатории по изучению биогазовых технологий Белгородского ГАУ.

Материал исследования – осадки сточных вод городских очистных сооружений, помет цыплят-бройлеров, жом сахарной свеклы.

Изучаемые показатели: массовая доля сухого вещества и органики в исходных субстратах и иноку-луме (определяли согласно [16]), валовый и специфический выход биогаза и метана из субстратов и их сочетаний, динамика образования биогаза и метана.

Анаэробную ферментацию субстратов осуществляли в биореакторах периодического культивирования (batch-реакторы) объемом 300 мл каждый, помещенных в водяную баню, оснащенную термодатчиками и измерителем-регулятором универсальным «ОВЕН ТРМ 138» (Россия). Продолжительность инкубации – 35 суток, температура – +37±0,5ºС. Биогаз отводился по трубкам в пластиковые пакеты объемом 3 л каждый. Объем биогаза определяли еженедельно с помощью колбы для Хоэнхаймского теста выхода биогаза [17], состав – с помощью газоанализатора «Optima – 7 Biogas» (Германия).

Каждый субстрат исследовали в трех повторениях.

Постановка и проведение экспериментов, обработка результатов осуществлялись в соответствии с DIN 38 414 (S8) и VDI 4630 [18 – 19].

Для обеспечения сравнимости результатов исследования объем газа приводили к нормальным условиям по уравнению (1):

V 0 =(P*V*T 0 )/(T*P 0 ), (1)

где:

V 0 – объем сухого газа при нормальных условиях, мл н ,

V – зарегистрированный объем газа, мл,

P – давление газа в момент измерения, мбар,

P 0 – атмосферное давление при н.у.; P 0 = 1013 мбар,

T 0 –температура воздуха при н.у.; T 0 = 273 K,

T – температура биогаза, K.

Результаты исследований и их обсуждение

Основные параметры, влияющие на биогазовую продуктивность субстратов – содержание в них сухих веществ и органики. В нашем эксперименте осадок сточных вод отличался очень низким содержанием сухого вещества (табл. 1).

Таблица 1 – Исходные параметры сырья

Субстрат	СВ%НМ	оСВ%СВ
Инокулум	7,32±0,03	71,95±0,40
Помет куриный	26,28±0,17	87,45±0,15
Осадок сточных вод	0,28±0,07	72,78±6,83
Жом	9,81±0,63	93,92±1,93

Нормы загрузки реакторов рассчитывали таким образом, чтобы соотношение массы оСВ инокулума и оСВ субстрата в реакторе составило 2:1 (табл. 2). Экспериментальные варианты были представлены смесью субстратов и инокулума, нулевой – инокулу-мом. Рабочий объем реактора – 250 мл.

Таблица 2 – Загрузка реакторов

Вариант	Загрузка сырья, г на реактор		Нагрузка по оСВ, г на реактор
	инокулум	субстрат	оСВ инокулума	оСВ субстрата	оСВ в сумме
Инокулум	250,00	-	13,16	-	13,16
Помет куриный	231,78	18,22	5,61	18,11	23,72
Осадок сточных вод	17,72	232,28	0,93	0,46	1,39
Жом	194,99	55,01	10,27	5,06	15,33
Помет+ осадок сточных вод	21,72	0,49 227,79	1,14	0,11 0,45	1,71
Жом+ осадок сточных вод	21,66	1,22 227,12	1,14	0,11 0,45	1,70

В вариантах со смесью субстратов их соотношение по натуральной массе составило: помет : осадок сточных вод – 1:465, жом : осадок сточных вод – 1:186. При этом ориентировались на соотношение, которое планируется применить в условиях производства с учётом объемов образования данных видов отходов.

Нулевой вариант закладывается для корректировки продуктивности субстратов в экспериментальных вариантах, чтобы вычислить количество биогаза или метана, образовавшегося непосредственно из внесенного органического вещества конкретного субстрата.

Биогазовая продуктивность субстратов и их смесей за 35 дней инкубации приведена в таблице 3.

Самый высокий специфический выход биогаза отмечался в варианте, представленном смесью жома и осадка сточных вод, несколько ниже – из смеси помета и осадка сточных вод, самый низкий выход биогаза – в варианте с пометом. Данный параметр имеет скорее технологическое значение при проектировании биогазовой станции – например, для расчета объема газгольдера. Но более важным показателем с энергетической точки зрения является специфический выход метана. Наибольший специфический выход биогаза отмечен в варианте с жомом, несколько ниже (примерно на 33%) значение этого показателя в варианте со смесью помета и осадка сточных вод, далее следует вариант с пометом. Наименьший специфический выход метана – в варианте с осадком сточных вод, что ожидаемо: из-за крайне низкого содержания сухих веществ в исходном субстрате оно было низким и в биореакторе в целом.

Таблица 3 – Биогазовая продуктивность субстратов

Субстрат	Валовый выход биогаза, мл из 1 реактора	Валовый выход метана, мл из 1 реактора	Специфический выход биогаза, мл н /г оСВ	Специфический выход метана, мл н /г оСВ
Помет куриный	1156,97±234,35	475,95±116,90	63,89±12,94	26,28±6,45
Осадок сточных вод	274,82±71,12	4,56±1,45	597,97±154,75	9,93±3,16
Жом	977,20±80,24	333,88±46,67	193,23±15,87	66,02±9,23
Помет+ осадок сточных вод	551,20±93,70	25,21±7,30	978,39±166,32	44,75±12,97
Жом+ осадок сточных вод	611,78±109,68	15,62±3,22	1089,12±195,26	16,24±8,16

Таким образом, из трех вариантов: осадок сточных вод, смесь осадка сточных вод с жомом и смесь осадка сточных вод с пометом цыплят-бройлеров оптимальным является последний.

Если сравнивать биогазовую продуктивность отдельных субстратов, то самый высокий специфический выход метана в варианте с жомом, самый низ- кий – с осадком сточных вод. Учитывая исходные параметры субстратов, это ожидаемо.

В нашем эксперименте биогазовая продуктивность куриного помета и жома ниже приведенных в справочниках. Это связано, в первую очередь, с разницей в химическом составе. Содержание СВ в помете в справочнике на 5,72% выше, в жоме – в сред- нем выше на 14,19%; оСВ в жоме – на 1,08% Содержание оСВ в курином помет в справочниках, напротив, на 15,95% ниже [20].

Динамика образования биогаза и метана, помимо режима ферментации, зависит от химического соста- ва сырья – разные группы веществ разлагаются с разной скоростью. Этот показатель имеет технологическое значение – например, для определения кратности и объема загрузки субстратов.

Во всех вариантах отмечено 2 пика образования биогаза и метана (рис. 1-2). В вариантах с куриным пометом и жомом сахарной свеклы кривые более крутые, что свидетельствует о присутствии в их составе большого количества легкоразлагаемых веществ. Первый пик образования биогаза в этих вариантах намного выше и приходится на конец первой недели эксперимента, в варианте со смесью помета и осадков сточных вод первый пик незначительно превосходит второй. В вариантах с осадками сточных вод и со смесью жома и осадков сточных вод – напротив – выше вторые пики, приходящиеся соответственно на конец четвертой и третьей недели.

Рис 1. - Динам ика образования биогаза и метана из помета цыплят-бройлеров и жома сах арной свеклы

Рис. 2. - Динамика образования биогаза и метана из комбинаций субстратов

Синтез метана во всех вариантах, включающих осадки сточных вод, сначала был незначительным – он усилился лишь во вторую половину эксперимента, пик образования метана приходится на начало четвертой недели. В вариантах с куриным пометом и жомом пик метанообразования приходится на конец первой – начало второй недели эксперимента.

Заключение

В ходе наших исследований установлено, что для адаптации к осадку сточных вод метанобразую- щей микрофлоре инокулума требуется больше времени, чем для адаптации к куриному помету или жому сахарной свеклы. Добавление этих субстратов повышает эффективность переработки осадка сточных вод в биогаз, лучшие результаты получены при использовании куриного помета.

В целом биогазовая продуктивность осадка сточных вод невелика, что обусловлено низким содержанием в нем сухих веществ. При переработке данного отхода в биогазовой установке положительный эффект могла бы оказать его предварительная сепарация.

Биология в сельском хозяйстве №1 (22), 2019