Изобретение относится к способу утилизации растительных отходов, полученных из уязвимых зон алюминиевого производства, с применением остаточной биомассы с целью получения биогаза с повышением основного компонента относящихся к биогазу (метан).
При изучении экологической оценки влияния газовых и аэрозольных отходов алюминиевого производства на уязвимых территориях (на примере ГУП Талко), выявлено, что в случае применения растений в качестве корма животным наблюдается накопление фторсодержащих компонентов в их организме. Как известно высокое содержание этих соединений в организме обусловливает к интоксикации в последствии которого могут разрушатся костные ткани животных. Применение этих животных в качестве пищи (мясные и колбасные изделия) могут аналогичным образом отрицательно влиять на человеческий организм. В связи с этим разработка эффективного способа получения биогаза из растительного сырья, произрастающих в уязвимых зонах алюминиевого производства является одним из приоритетных направлений.
Известен способ увеличения выхода биогаза в процессе сбраживания органосодержащих отходов (патент RU2458868, заявка №2010151066, дата приоритета 13.12.2010 г., дата публикации 20.08.2012 г.) Способ включает внесение в сбраживаемые отходы стимулирующей добавки, содержащей измельченную фитомассу амарант багряный и последующую обработку полученной смеси ультразвуком с частотой 22 кГц. При этом усиливается проницаемость клеточных мембран, активизируются обменные процессы внутри клеток. За счет этого ускоряется процесс метанового брожения.
Способ достаточно сложен и является дорогостоящим для применения мелкими фермерскими хозяйствами.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является способ переработки органического материала фирмы DSM ip ASSETS (заявка РСТ/ЕР2012/0623 86, WО 2013/000928, дата приоритета 29.06.2011 г., дата публикации 03.01.2013 г). Способ предлагает переработку органического материала с использованием ферментов, а именно протеазы, липазы, фитазы, гемицеллюлазы, целлюлазы. Процесс состоит из двух стадий. На первой стадии органический материал подвергают тепловой обработке при температуре от 65°С до 120°С и влажности субстрата 95%. Делается это для того, чтобы уменьшить количество жизнеспособных бактерий и снизить их активность. Предполагается, что снижение количества жизнеспособных бактерий не влияет на выход биогаза в дальнейшем. На втором этапе проводится ферментация смеси. При этом выбирается один или более ферментов из числа предложенных. Процесс производства биогаза происходит при температуре от 40°С до 60°С. При этом предлагается производить расчет количества вносимых ферментов в зависимости от кислотно-щелочного баланса перерабатываемой смеси. По указанному выше способу предлагается перерабатывать сельскохозяйственные отходы, сточные воды, бытовые отходы.
Недостатком данного способа является сложность и высокий температурный режим проведения процесса получения биогаза. Не предложен универсальный ферментный состав. Для проведения этого процесса в условиях предприятия требуется хорошо укомплектованная лаборатория. Также следует отметить, что в данном способе применяется органические материалы, которые не обладают токсичными свойствами и не могут отрицательно влиять на жизнедеятельность животного мира.
Целью предлагаемого изобретение является утилизация растительных ресурсов уязвимых зон алюминиевого производства с последующим получением биогаза с наибольшим выходом метана по сравнению с существующими способами.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является интенсификация биотехнологического процесса метанового брожения исходного сырья (различные фракции листьев и стеблей растений) в результате которого можно получить более качественный биогаз.
Сущность способа заключается в том, что растительное сырьё собирают в фазе до полного созревания с последующим их измельчением до размеров 1-5см и увеличением влажности до 90-95% путем добавления воды. К приготовленной биомассе добавляют смесь ферментов протеаза - амилаза – липаза - целлюлазу с массовым соотношением в граммах 3:1:10:2 в 1 тонну исходного сырья (растительного сырья). Процесс метаногенез осуществляется в анаэробной среде при температуре 23-250С в течение 10-15 дней. Применяемая система катализаторов обусловливает ферментативное разложение основных компонентов состава растительного сырья, таких как целлюлоза (клетчатка), крахмал, дубильные вещества, пектиновые вещества и ряд высокомолекулярных органических компонентов растительного происхождения. Физико-химические аспекты процесса получения биогаза по предлагаемому способу можно характеризовать с применением приведенной технологической схемы (Фигура 1).
Здесь следует отметить, что такой биохимический процесс обусловливает не только получению метана, а также и других газов таких как монооксид углерода (СО), диоксид углерода (СО2), сероводород (H2S), аммиак (NH3) и некоторых оксидов азота. Эти компоненты являются результатом ферментативного разложения, и окисления белков, в составе которых присутствуют кроме углерода, водорода и кислорода также азот и сера в связанном виде. При горении биогаза содержащий эти соединения образуются не только СО2, а также оксиды серы (SO3) и азота (NO2). Образующие оксиды NO2 и SO3 могут взаимодействовать с атмосферной влагой в результате, которого образуют соответствующие кислоты. Эти кислоты обусловливают изменению рН дождя, которые являются причиной образования кислотных дождей.
Для очистки сопутствующих компонентов состава биогаза (СО2, H2S и NH3) полученный биогаз пропускают через специальные жидкости (3% NaОН, 10% Са(ОН)2 и 5% СН3СООН) в результате которого происходит процесс хемосорбции. Химизм сорбирования нежелательных компонентов состава
биогаза можно характеризовать с применением следующего уравнения:
Н2S + NaОН Na2S + Н2О
NН3 + СН3 - СООН СН3 - СОО NН4
Техника и технология получения биогаза согласно рекомендованному способу можно характеризовать на основе схемы (Фигура 2).
На основе результатов анализа химического состава полученного биогаза определено, что применение данной технологии обусловливает увеличению концентрации метана от 62% до 94,3%. Детали этого анализа приведены в таблице.
Таблица
Изменение химического состава полученного биогаза в случае применения разработанной технологии представленой в фигуре 2
|
Образец биогаза
|
Массовая доля компонентов состава биогаза (в %)
|
|
СН4
|
СО2
|
Н2S
|
NН3
|
Н2
|
Другие газы
|
|
Полученный биогаз перед пропусканием через хемосорбентов
|
62
|
34
|
1,5
|
0,8
|
0,7
|
1
|
|
Полученный биогаз после пропускания через хемосорбентов
|
94,3
|
-
|
следы
|
следы
|
2,3
|
2,9
|
Таким образом, при применении разработанного способа можно получать более качественный биогаз с наибольшим выходом по сравнению с существующими способами.
Пример. Для получения биогаза необходимо собрать растительное сырьё и измельчить его до размеров 1-5см и доводят до влажности 90-95% с применением воды. Исходное сырьё загружают в металлическую герметически закрытую емкость с краником для выхода образовавшегося биогаза. В зависимости от используемой емкости в расчете на 1 тонну
добавляют смесь ферментов протеаза-амилаза-липиза-целюлазу с массовыми соотношениями в граммах 3:1:10:2. После такого технологического подхода осуществляется процесс метаногенез при температурах 23-250С в течение 10-15 дней. Далее образовавшийся биогаз пропускают через три ёмкости содержащие 3% раствор NaОН, 10% раствор Са(ОН)2 и 5% раствор СН3СООН в которых происходит процесс очистки метана и водорода от других сопутсвующих газов. Полученный биогаз можно применять в качестве топлива.
