X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение. Биогаз, горючая смесь (в основном СН₄, СО₂) – продукт анаэробного микробиологического разложения органических соединений.

Состав биогаза находится в прямой зависимости от химического состава разлагающегося органического вещества: при доминировании углеводов (простые сахара: глюкоза; высокомолекулярные полимеры: целлюлоза и гемицеллюлоза) содержание метана снижается, при доминировании жиров, наоборот, повышается.

Состав биогаза понятие гибкое и не стабильное, т.к. зависит от множества факторов (рисунок 1) [1].

Рисунок 1. Факторы, влияющие на эмиссию антропогенного биогаза [1]

Ниже приводится основная статистика по антропогенной эмиссии биогаза и метана:

1) антропогенный вклад в глобальную эмиссию метана (до 20 %):

- 0,09 – 0,8 [2],

- 1,5–73 млн. т/год [3],

2) из 1 т ТБО образуется до 180 м³ сырого биогаза, из 1 кг навоза крупного рогатого скота образуется 0,250-0,340 м³ биогаза [4];

3) из сухой массы 1 кг отходов образуется СН₄ (0,34 ÷68) · 10^-3 м³ [5],

4) при анаэробном биоразложении [6]:

- 1 г жира образует 1250 мл биогаза (68 % СН₄ и 32 % - СО₂),

- 1 г углевода – 790 мл биогаза (68 % и 32 %),

- 1 г белка – 704 мл биогаза (71 % и 29 %);

5) образование метана из жиров (до 70 %), углеводов (до 62,5 %) и белков (до 48 %);

6) основные физические свойства биогаза:

- плотность 1,07·10^-4 кг/м³, вязкость: биогаза 1,15·10^-5, метана – 1,04·10^-5 Н·с/м²,

- теплота сгорания – 1800 – 25100 кДж/м³ [7].

Поэтому антропогенный биогаз, вследствие наличия в своем составе СН₄, СО и H₂S имеет как локальный (пожары, взрывы, угнетение биоты; распространение неприятного запаха), так и глобальный (парниковый эффект, уменьшение озонового слоя) фактор воздействия на окружающую среду (рисунок 2).

Рисунок 1. Последствия (основные) для окружающей среды от аккумулятивного влияния антропогенного биогаза [1, 7]

Объект и методика исследования. Объектом исследования послужило ТБО, собранное «навалом». После сортировки, состав ТБО, использованный для биоразложения в установках, включал следующие компоненты: органические пищевые отходы 75 %, другие органические (древесные остатки в виде опилок, макулатура в виде остатков бумаги, газет, журналов, книг; остатки упаковочного картона) отходы (15 %), уличный смет (10 %).

Весомым аргументом в пользу использования подстилочного навоза крупного рогатого скота (органический гомогенный материал, состоящий из фекалии, урины, подстилочного материала, остатки корма, технической воды) в качестве добавки для интенсификации анаэробного биоразложения ТБО в установках явился тот факт, что навоз, также, как и компост, обогащен питательными веществами, которые необходимы для анаэробного разложения и получения обогащенного метаном биогаза [8].

Таблица 1 – Протокол процесса переработки ТБО

День	t, оС	Процесс переработки ТБО				Продукты переработки ТБО
		Физическое состояние	Цвет	Структура	Фильтрат		Биогаз
1-й	24	Загружено 4,2 кг	Темно-коричневое	Плотная, влажность 72 %	Не обнаружено		Не обнаружено
7-й	26	Масса осела на 3-5 %	Темно-коричневое	За потение стенок и крышки емкости	Незначительно, со 2-го дня переработки		С 3-го дня переработки
14-й	29	Масса осела на 9 %	Темно-коричневое	Оседание массы отходов происходит неравномерно. Масса начала рыхлеть	На крышке емкости скопление воды в виде капель		В биогазе стойко фиксируется наличие метана
21-й	35	Оседание массы: 20 %	Темно-коричневое		На крышке емкости капельки воды присутствовали		В биогазе стойко фиксируется наличие метана
28-й	35	Оседание массы: 33 %	Темно-коричневое	Рыхление и снижение влажности	На крышке емкости капельки воды присутствовали.		В биогазе стойко фиксируется наличие метана
35-й	37	Оседание массы: 39 %	Темно-коричневое	Рыхление и снижение влажности	На крышке емкости капельки воды исчезли		В биогазе стойко выделяется метан
40-й	31	Оседание массы: 44 %	Темно-коричневое	Масса рыхлая	На крышке емкости капельки воды отсутствовали		В биогазе выделяется метан
47-й	30	Оседание массы: 50 %	Темно-коричневое	Масса рыхлая	На крышке емкости капельки воды отсутствовали		В биогазе выделяется метан
54-й	30	Оседание массы: 59 %	Темно-коричневое	Масса рыхлая	На крышке емкости капельки воды отсутствовали.		В биогазе выделяется метан

Процесс анаэробного биоразложения отходов протекал в условиях биореактора 54 дня.

Результаты и обсуждение. Протокол процесса переработки ТБО изложен в таблице 1, производство биогаза при анаэробном методе переработки ТБО показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Протокол производства метана

Как видно из рисунка 1, при анаэробном методе переработки органических твердых бытовых отходов, в зависимости от температурного режима, регулируемого извне, различали три периода:

- с 1-го по 16-й день биоразложения температурный режим составил 24-29^оС;

- с 17-го по 37-й день - 35-37 ^оС;

- с 38-го по 54-й день – 30^оС.

Как видим, верхний уровень мезофильного режима благоприятно влияет на процесс анаэробного биоразложения органических отходов и, следовательно, на производство биогаза.

Если принимать во внимание температурный режим переработки отходов, то было произведено:

- при температурном режиме 24-29 ^оС – 2,67 л метана;

- при температурном режиме 30-35 ^оС – 6,43 л метана;

- при температурном режиме 30 ^оС – 5,075 л метана.

Общая выработка биогаза при разложении органических твердых бытовых отходов составило 14,175 л.

Заключение. Из 4,2 кг субстрата переработано 59 %, т.е. 2,478 кг и 41 %, т.е. 1,722 кг остается как дигестат, которое может быть использовано для производства нетрадиционного органического удобрения. Общая выработка метана составило 14,175 л.

Литература

1. Джамалова Г.А. Эмиссия токсичного и взрывоопасного биогаза полигонами твердых коммунальных отходов. Известия СПбГТИ(ТУ). № 22 (48). С.92-95.

2. Гурвич В.И., Лифшиц А.Б. Добыча и утилизация свалочного газа (СГ) – самостоятельная отрасль мировой индустрии. http: // www.ecoline.ru, 2001. 11с.

3. Лебедев В.С., Горбатюк О.В., Иванов Д.В. и др. Биогеохимические процессы образования и окисления биогаза на свалках бытовых отходов//Журнал экологической химии. 1993. № 4.С.323-334.

4. Meadows M., Gregory R., Fishfind C., Gronow J. Characterizing methane emissions from different types of landfill sites / Enviromental impact, aftercare and redemption of landfills. Vol. IV / VII International waste management and landfill symposium. Sardinia, 1999. Sardinia, V. 4. P. 25-32.

5. Лебедев В.С., Ножевникова А.Н. Объекты захоронения городских бытовых отходов как источник атмосферного метана // Экологическая химия, 1995, № 4. С. 49-60.

6. Крупский К.Н., Андреев Е.Н., Ютина А.С. Использование биогаза в качестве источника энергии: обзорная информация. М.: ЦБНТИ Минжилкомхоз РСФСР, 1988. 38 с.

7. Вайсман Я.И., Вайсман О.Я., Максимова С.В. Управление метаногенезом на полигонах твердых бытовых отходов. Пермь, 2003.- 231 с.

8. Джамалова Г.А. Анализ изменчивости качественного состава биогаза, производимого биореактором при интенсификации анаэробного разложения твердых бытовых отходов // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 4.; URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=21119 (дата обращения: 23.02.2018).

Код для цитирования: Скопировать