Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения биогаза

Изобретение относится к способам переработки органических отходов с использованием остаточной биомассы ряски в биотехнологических процессах с целью получения биогаза с повышенным содержанием метана.

Анаэробное сбраживание для получения биогаза - это дешевый и доступный способ получения энергии, а также утилизация биогенных отходов. При этом происходит предотвращение попадания метана и углекислого газа в атмосферу. В настоящее время разработано и применяется достаточно большое количество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариантов температурного режима, влажности, концентрации микробной массы, длительности протекания реакции и т.д. Однако на сегодня актуальным остается вопрос поиска наиболее эффективных, дешевых и доступных способов интенсификации процесса получения биогаза.

Существует способ получения биогаза [патент №RU 2458868], 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%. Многостадийность процесса усложняет и увеличивает себестоимость получения биогаза.

Известен способ получения биогаза, в котором используются водные растительные материалы. Ряска, водное растение, является источником энергии и питательных веществ при кормлении сельхоз животных. Ряска содержит летучие вещества, обладает влагосодержанием, зольностью и содержанием углерода, водорода и азота. Предполагается, что обогащение ряски железом увеличивает выход биогаза. В работе [Clark, Р.В. and Hillman, P. F. (1996) 'Enhancement of anaerobic digestion using duckweed (Lemna minor) enriched with iron', Water and Environment Journal, vol. 10, no. 2, pp. 92-95] концентрация железа варьировалась от 0 до 400 мг. Наиболее высокий выход биогаза был получен при добавлении ряски, обогащенной 400 мг железа и соответствует 1050 мл биогаза. При выращивании ряски на сточных водах, следует контролировать содержание железа в растениях на определенном уровне, необходимом для интенсификации процесса получения биогаза.

В способе [Dipti Yadava, Lepakshi Barboraa, Deep Boraa, Sudip Mitrab, Latha Rangana, Pinakeswar Mahanta An assessment of duckweed as a potential lignocellulosic feedstock for biogas production//International Biodeterioration & Biodegradation September 2016 1-7 DOI: 10.1016/j.ibiod.2016.09.007], который выбран в качестве прототипа, предлагается совместное использование навоза крупного рогатого скота и ряски. Предварительно был проведен анализ свойств ряски, который показал, что летучие вещества составляют 84,24±0,2% с содержанием лигнина 12,2%, что очень благоприятно для производства биогаза.

Сбраживание проводили совместно навоза и ряски при температуре 37°С в течение 55 часов. Совокупное производство биогаза для соотношений: 100, (90:10), (75:25) и (50:50) составляет 11 620, 305, 11 695 и 12 070 мл биогаза, что указывает на то, что ряска может быть потенциальным лигноцеллюлозным сырьем при совместном переваривании с навозом крупного рогатого скота в оптимальном соотношении 1:1. Содержание метана в биогазе при совместном сбраживании сырья сопоставимо с биогазом из одного навоза крупного рогатого скота. Недостатком данного способа является использование ряски, содержащей ценные компоненты, как исходного сырья.

Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании способа получения биогаза из органических отходов с повышенным содержанием метана в биогазе.

Технический результат достигается способом получения биогаза из органических отходов, в котором в органические отходы добавляют 3% раствор активного ила и остаточную биомассу ряски при соотношении компонентов 42,5:42,5:15.

В предлагаемом способе процесс осуществляют при температуре 40,0±1°С.

В нашем случае мы используем остаточную биомассу ряски после извлечения ценных компонентов, что значительно удешевляет процесс получения биогаза, решается вопрос утилизации отхода.

Эксперимент проводился на лабораторных биогазовых установках (метантенках), вместимостью стеклянных сосудов 3 л, оснащенных системой термостатирования, температурными датчиками, перемешивающими устройствами, рН- метром, системой подачи сырья, системой удаления переброженного остатка, системой газоотведения и емкостью для накопления биогаза. Для создания анаэробных условий, перед загрузкой реактор продували азотом. На протяжении всего периода ферментации температура в метантенках поддерживалась на уровне 36,5±1; 40,0±1 и 55±1°С. Изначальное значение рН составляло 7,6±2. Длительность эксперимента составила 30 дней. В качестве сосубстрата использовали органические отходы, в качестве инокулянта использовали активный ил, остаточную биомассу ряски использовали как сырье для анаэробного сбраживания. Остаточная биомасса состоит из целлюлозы (35-50%), лигнина (14-20%), белки (28-38%) и гемицеллюлозы (23-35%), что способствует увеличению количества образующегося биогаза.

Образцы ряски весом 15-16 г каждый помещали в лабораторные биогазовые установки (метантенки), затем добавляли 2 л инокулята и органические отходы в разном соотношении.

Для проверки качества инокулята готовили эталонные образцы, для этого 0,64 г микрокристаллической целлюлозы (С₆Н₂₀О₅) добавляли в стеклянные бутыли, в которые предварительно наливали 200 мл инокулята.

Для определения количества метана (%) в биогазе, собранный газ анализировался на газовом хроматографе (HP 6890 GC System) с катетометром в качестве детектора по теплопроводности.

Таблица 1 - Результаты исследования при содержании смеси (остаточная биомасса ряски: органические отходы) при температуре 36,5±1°С (выход биогаза и чистого метана пересчитана на нормальные условия - Т=273,15 K, Р=1013 hPa)

Оптимальное соотношение остаточной биомассы ряски: органических отходов: активного ила (3%) - 42,5:42,5:15 позволяет получить 700 мл биогаза и 350 мл метана при температуре 36,5±1°С.

Таблица 2 - Результаты исследования при разном соотношении остаточной биомассы ряски и органических отходов при температуре 40,0±1°С (выход биогаза и чистого метана пересчитана на нормальные условия - Т=273,15 K, Р=1013 hPa)

Оптимальное соотношение остаточной биомассы ряски: органических отходов: активного ила (3%) - 42,5:42,5:15 позволяет получить 800 мл биогаза и 488 мл метана при температуре 40,0±1°С.

Таблица 3 - Результаты исследования при разном соотношении остаточной биомассы ряски и органических отходов при температуре 55,0±1 (выход биогаза и чистого метана пересчитана на нормальные условия - Т=273,15 K, Р=1013 hPa)

Оптимальное соотношение остаточной биомассы ряски: органических отходов: активного ила (3%) - 42,5:42,5:15 позволяет получить 810 мл биогаза и 486 мл метана при температуре 55,0±1°С.

Из таблицы 4 видно, что при повышении температуры повышает количество и качество биогаза, а также достигается гигиенизация органических отходов. Кроме того, улучшается кинетика процесса, т.е. стабильная метаногенная фаза достигается, в среднем на 2-3 дня раньше. Однако, при последующее повышении температуры с 40±1 до 55±1°С незначительно влияет на количество и состав биогаза, и таким образом, является экономически нецелесообразным. Поэтому нами выбирается оптимальная температура 40±1°С.