Разработка технологической схемы переработки отходов птицеферм с получением биогаза

Выбор продолжительности пребывания массы в реакторе зависит, с одной стороны, от скорости реакции, присущей каждому конкретному виду сбраживаемого материала, с другой стороны, от заданной степени разложения, которая определяет выход газа и ослабление интенсивности запаха перебродившей массы (шлама). Кроме того, следует учитывать, что с увеличением времени брожения увеличивается содержание СН₄ в общем объеме выделяющегося газа и одновременно уменьшается содержание СО₂, что означает улучшение качества получаемого газа.

 

2.3.8 Интенсивность перемешивания

 

Интенсивное перемешивание сбраживаемой массы обеспечивает в метантенках  контакт микрофлоры с питательной  средой вследствие постоянной перемены ориентации и обновления граничных поверхностей отдельных фаз, а также затрудняется накапливание промежуточных и конечных продуктов процесса разложения; равномерное распределение микроорганизмов в объеме, смешение исходного субстрата с уже сброженным, предотвращает перегрев ферментной массы вблизи нагревательных элементов.

Перемешиванием обеспечивается равномерность  температуры по всему объему биореактора, предотвращается образование корки  на поверхности субстрата, выпадение  в осадок песка и тем самым  улучшается газообразование и интенсифицируется процесс сбраживания, т.е. перемешивание сбраживаемой массы является одной из основных предпосылок высокой скорости метаногенеза. [15, 17].

 

2.4 Интенсификация метанообразования

 

Биогаз получают в результате анаэробного разложения органических веществ самого разного происхождения в специальных реакторах – метантенках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Несмотря на сложность метанообразования, существует ряд методов интенсификации процесса [7].

Стимулирующее влияние на метанпродуцирующую микрофлору оказывают [6]:

• ультразвуковая обработка различной частоты и интенсивности субстрата;
• щелочной гидролиз субстрата;
• ферментативный гидролиз целлюлозы с помощью низших грибов рода Neocallimastix , а также бактерий-целлюлолитиков рода Fibrobacter ;
• азотная, фосфорная и серная подкормка (внесение в среду сульфата или фосфата аммония, мочевины либо D,L-аминокислот);
• биомассы и экстракты различных видов растений – лаванды, золотарника, тысячелистника, ипомеи, амаранта;
• сухая злаковая солома в количестве 2,5% ;
• отрыжка жвачных животных;
• добавление энзимов;
• внесение микробных заквасок.

Для оптимального процесса разложения биомассы в биореакторе микроорганизмам  необходима энергия, которую они получают от переработки полисахаридов, липидов, белков. Эти вещества микроорганизмы могут получать только после ферментативного расщепления более сложных веществ – биополимеров (например, целлюлозы, крахмала). Однако количество ферментов, вырабатываемых микроорганизмами-деструкторами, не всегда оказывается достаточным для достижения оптимального разложения субстрата и, стало быть, достаточного питания микроорганизмов в виде моно- и олигосахаридов. В связи с этим в перечне способов, повышающих производительность биогазовых установок, существуют биотехнологические методы, в частности, добавление в биореактор ферментных и микробиологических препаратов. Энзимы являются технологической новинкой, но уже зарекомендовали себя с положительной стороны на сотнях работающих биогазовых станций в Германии.

В естественных условиях процесс извлечения энергии и веществ из биомассы происходит стихийно. Скорость и направленность этого процесса зависит от условий  окружающей среды и возможностей конкретной микробной ассоциации. Так как процесс биодеградации органических соединений животного и растительного происхождения реализуется за счет системы «фермент – субстрат», то имеется возможность оптимизировать этот процесс путем формирования микробной ассоциации, трофически адаптированной к субстрату, и создания благоприятных условий. Направленная оптимизация процесса метанового «брожения» путем внесения лиофилизированного препарата микробной ассоциации, адаптированной к субстрату растительного и животного происхождения, способствует в течение 8-12 суток выходу 85-90% метана в составе биогаза.

Следует иметь в виду, что внесение в ферментатор активаторов метаногенеза имеет направленность на гидролитическую  и кислотообразующую стадии разложения органических веществ. Специфика метаногенеза не позволяет использовать для повышения выхода метана собственно метаногенных микроорганизмов. Кроме того, не следует забывать о сложности культивирования и наращивания биомассы метаногенов – облигатных анаэробов, а также их хранения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАЗДЕЛ 3 РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ

 

При разработке технологических схем установок метанового сбраживания  органических отходов целесообразно  использовать принцип разделения технологического процесса на отдельные этапы. Это  позволяет более точно учесть и проанализировать поэтапное влияние на процесс различных факторов с последующей их оптимизацией.

Кроме того разделение процесса на этапы  позволяет точнее определить перечень технологических операций, которые  необходимо выполнить на том или ином этапе, что создает предпосылки для оптимальных конструктивных решений отдельных аппаратов совмещающих иногда в себе несколько операций.

Аппаратурное оформление этапов технологической  схемы должно обеспечивать выполнение определенных технологических операций, позволяющих достичь при этом оптимальных значений факторов.

При комплексном решении вопроса  переработки отходов методом метанового сбраживания можно выделить следующие основные этапы технологического процесса, а именно:

1.   Сбор и подготовка исходного сырья

2.   Метановое сбраживание

3.   Сбор и использование  биогаза

4.   Разделение сброженной  массы

5.   Сбор и использование  обезвоженного   шлама после  разделения

6.   Сбор и использование  жидких стоков после разделения.

Кроме того при разработке технологической схемы необходимо экономически обоснованно использовать и другие решения.

В том случае, если конструктивное решение метантенка позволяет осуществить сбор биогаза в полости метантенка, тогда функции сбора биогаза из этапа 3 перейдут в этап 2. Такие решения существуют, но они требуют соответствующих конструктивных решений по метантенку. При разработке технологической схемы необходимо учитывать и эксплуатационные факторы. Как известно во всех системах соединяющих основные аппараты процесса используются насосы, задвижки, трубы.

Учитывая высокую склонность перерабатываемого  сырья к осадкообразованию, необходимо в отдельных местах предусматривать  промывку, т.е. на всю технологическую  схему установки нужно наложить систему промывок. В этом случае функции этапа 6 - использование жидких стоков могут учитываться на других этапах. Например, промывка застойных зон, промывка устройства для разделения сброженной массы, выгрузка сброженной массы из метантенка и т.д.

В системах обвязки аппаратов самым уязвимым местом с точки зрения эксплуатации являются течи в сальниковых и другого типа уплотнений арматуры и насосов. Поэтому разработка технологической схемы должна вестись с таким расчетом, чтобы было достигнуто решение, при котором не было лишних включений насосов и переключений задвижек.

Процесс управления должен быть оптимальным  и удобным для аппаратчика. В  практике проектирования установок  производительностью до 100 т/сутки  по перерабатываемому сырью не используется высокая степень автоматизации, а, как правило, используется кнопочное включение насосов и ручное переключение задвижек.

В каждом конкретном случае необходимо использовать то решение, которое дает оптимальный результат.

 

3.1. Сбор и подготовка

Подготовка исходного сырья во многом определяет дальнейший ход процесса и в значительной степени  определяет построение технологической схемы в целом.

Основными факторами процесса, определяющими  схему установки на этапе подготовки сырья для анаэробного сбраживания, являются:

•    суточный объем отходов, доза суточной загрузки в метантенк, доза разовой загрузки;

•    содержание в отходах  сухого вещества.

•    состав отходов;

•    свежесть отходов;

•    начальная температура  отходов;

•    значение водородного  показателя рН;

•    наличие, размер и количество крупных включений;

•    соотношение С:N.

С учетом этих факторов на этапе подготовки должны быть решены следующие задачи:

•    сбор и накопление исходного  сырья с учетом его суточного выхода;

•    доведение сырья до требований технологии по соотношению С: N  и по влажности;

•    отделение крупных  твердых включений;

•     измельчение твердых  частиц и гомогенизация сырья.

•    подогрев исходного сырья  до температуры процесса.

 

3.1.1. Сбор и накопление исходного  сырья

Для сбора и накопления ила чаще всего используют емкости горизонтального типа с перемещающими устройствами (что более предпочтительное) либо без них.

Основными характеристиками сборников  для сбора и временного хранения исходного сырья является их вместимость  и материал, из которого они изготовлены. Они могут быть железобетонными и металлическими.

На этапе подготовки исходного  сырья важным является определить состав оборудования, который необходим для выполнения всех операций, которые определяются технологическим процессом.

Основной аппарат этапа подготовки сырья должен обеспечить подготовку сырья в необходимом объеме равном дозе разовой загрузки метантенка. Количество загрузок в сутки должно определяться технологией. При этом коэффициент использования оборудования должен быть максимально возможен.

 

3.1.2. Подготовка исходного  сырья по влажности и соотношению  углерод-азот

Влажность  исходного  сырья - это один  из основных  факторов процесса метанового сбраживания.  Подготовка сырья к метановому сбраживанию сводится к доведению его до влажности принятой по технологии.

При этом возможны следующие варианты:

•    исходное сырье имеет  высокую влажность - необходимо сгущение;

•    исходное  сырье  имеет  низкую   влажность  -  требуется  разбавление;

Для сгущения субстрата применяются такие сооружения, как отстойники.

Отстойники подразделяют на горизонтальные и вертикальные. По СНиП 11-32-74 расчет отстойников всех типов и конструкций  проводят по единой методике основанной на кинетике выпадения взвеянных веществ в осадок с учетом необходимого эффекта осветления.

Однако использование отстойников  значительно усложняет технологическую  схему, делает ее весьма громоздкой и  в этом случае требуется раздельная переработка осветленной и сгущенной  массы. Например, анаэробная переработка сгущенной массы и химическая обработка осветленной, либо использование других технологий.

Разбавление исходного сырья до нужной влажности может выполняться  в любой из емкостей, с перемешивающим устройством.

 

3.1.3. Отделение крупных  включений

Размер и концентрация твердых частиц в исходном сырье в значительной степени определяют режим работы установки метанового сбраживания.

Поэтому при подготовке исходного  сырья необходимой операцией является отделение грубых крупных включений в специальных устройствах. К таким устройствам относятся решетки различных конструкций. Они изготавливаются из круглых и прямоугольных стержней и подразделяются на подвижные и неподвижные, с механической и ручной очисткой, устанавливаемые вертикально и наклонно (как при самотечном, так и при напорном поступлении стоков).

 

 

 

 

3.1.4. Измельчение исходного  сырья

Процесс предварительной гомогенизации  сырья в сборнике производится с  целью получения однородной массы, взмучивания осадка перед измельчением твердых частиц.

Как правило сборники оборудованы устройствами для перемешивания.

Существует несколько способов перемешивания жидких сред, например, циркуляционное перемешивание - многократным прокачиванием жидкости через систему, (сборник - циркуляционный насос - сборник) и механическое перемешивание с использованием мешалок различных типов.

В зависимости от частоты вращения, мешалки могут быть быстроходные (частота вращения до 40 с^-1) и тихоходные (частота вращения не более 1 с^-1) К тихоходным относятся лопастные, рамные, якорные мешалки, быстроходным - турбинные и винтовые. Мешалки располагаются вертикально, на одном валу могут устанавливаться несколько ярусов, мешалок. Как правило, масса избыточного активного ила достаточно гомогенна.

 

3.1.5. Подогрев исходного  сырья

Одним из основных технологических параметров метанового сбраживания является температурный режим, который во многом определяет экономичность процесса и установки в целом.

Необходимо применять системы  с предварительным подогревом исходного  сырья за счет утилизации тепла параллельно проходящих процессов и доведением температуры исходного сырья до температуры сбраживания.

Загрузка метантенка исходным сырьем без подогрева требует четкого  соответствия дозы загрузки, температуры  исходного сырья и температуры в метантенке исключая резкие нарушения температурного режима в метантенке.

Подогрев исходного сырья до температуры сбраживания может  осуществляться различными теплоносителями  с использованием различных конструктивных решений.

Наибольшее распространенные получили трубчатые теплообменники. Однако кожухотрубчатые теплообменники в стандартном исполнении неудобны в эксплуатации, быстро забиваются, так как взвешенные твердые частицы налипают на поверхности труб и ухудшают, условия теплообмена. Поэтому используются теплообменники с прямыми трубами и увеличенным диаметром, с их вертикальным или наклонным расположением, с заниженной до 65-70 ºС температурой теплоносителей в межтрубном пространстве.

Конструкция кожухотрубного теплообменника позволяет создать большую поверхность теплообмена, а выполнение теплообменника двух - трех или более ходовым позволяет увеличить время контакта ила с теплоносителем и следовательно, улучшить теплопередачу.

 

Интенсивный теплообмен может быть достигнут в двухтрубных теплообменниках, в так называемых теплообменниках "труба в трубе".