способ увеличения выхода биогаза в процессе сбраживания органосодержащих отходов

Формула изобретения

Способ увеличения выхода биогаза в процессе сбраживания органосодержащих отходов путем физического воздействия на водный органосодержащий субстрат, отличающийся тем, что в качестве физического воздействия используют ультразвук с частотой 22 кГц, интенсивностью 6-8 Вт/см ², время обработки составляет 4-8 мин; при этом предварительно перед обработкой ультразвуком в водный органосодержащий субстрат вводят комплексную стимулирующую добавку, включающую измельченную фитомассу амаранта багряного и аэробно стабилизированный активный ил в соотношении 1:1, из расчета 2-3 мас.%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к методам переработки отходов, в частности к методам получения биогаза из органосодержащих отходов.

Известны способы увеличения выхода биогаза, предусматривающие повышение активности метанового сбраживания органического субстрата, за счет внесения стимуляторов, в качестве которых используют комплексные соединения ацетата никеля с этилендиамином или никеля с глицином (см, например, патент РФ № 1838415, С12Р 5/02, C02F 11/04, опубл. в 1993 г.), а также стимуляторов растительного происхождения, в частности измельченной фитомассы амаранта багряного (см., например, патент РФ № 2351552, C02F 11/04, опубл. 10.04.2009, бюл. № 10).

Общим недостатком известных способов является малый выход целевых продуктов за счет низкой эффективности технологического процесса. Использование в качестве добавки соединений ацетата никеля с этилендиамином или никеля с глицином может оказать влияние на чистоту выхода биогаза.

Наиболее близким по технической сущности является способ увеличения выхода биогаза в процессе сбраживания органосодержащих отходов путем физического воздействия (высоковольтный электрический разряд) на водный органосодержащий субстрат (см., например, патент РФ № 2302378, C02F 11/04, C02F 3/30, опубл. 10.07.2007, бюл. № 19). Способ позволяет значительно ускорить процесс анаэробного сбраживания и повысить выход биогаза.

Недостатками прототипа являются многостадийность, сложность и дороговизна аппаратурного оформления, высокая энергоемкость процесса, обусловленная повышенными затратами электроэнергии на осуществление процесса активации метаногенного брожения. Кроме того, неизбежная ограниченность числа электродов приводит к тому, что обработке подвергается не весь водный субстрат, а только часть, прилегающая к каналу прохождения разряда, что снижает эффект обработки.

Задача изобретения состоит в разработке более эффективного, простого и менее затратного способа, позволяющего производить процесс активации метаногенного брожения во всем объеме загружаемого субстрата.

Поставленная задача решается тем, что в способе увеличения выхода биогаза в процессе сбраживания органосодержащих отходов путем физического воздействия на водный органосодержащий субстрат, согласно изобретению в качестве физического воздействия используют ультразвук с частотой 22 кГц, интенсивностью 6-8 Вт/см ², время обработки составляет 4-8 мин. Дополнительно в водный органосодержащий субстрат вводят комплексную стимулирующую добавку, включающую измельченную фитомассу амаранта багряного и аэробно стабилизированный активный ил в соотношении 1:1, из расчета 2-3% мас.

Ультразвук оказывает на биологические системы механическое, физическое и химическое воздействие [Хмелев В.Н., Сливин А.Н. и др. Применение ультразвука в промышленности. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. - 203 с.]. Механическое действие ультразвука приводит к размельчению и диспергированию частиц, а также усилению диффузии растворителей в биологических тканях.

Физико-химическое воздействие ультразвука проявляется в усилении проницаемости клеточных мембран, изменении концентрации водородных ионов в тканях, расщеплении высокомолекулярных соединений, ионизации молекул воды, приводящей к высвобождению высокоактивных радикалов, а также активизации обменных процессов внутри клеток.

Амарант багряный - широко распространенная, однолетняя культура из семейства амарантовых. Фитомасса амаранта является источником биологически активных веществ и природных соединений [В.И.Карбанович, Е.А.Цед. Исследования возможности использования водной вытяжки амаранта для интенсификации биохимических процессов // Пищевая промышленность: наука и технологии. - 2010. - № 1, с.51-54]: витаминов группы Е, Р, В, природных стиролов, сквалена, рутина, кверцетина, тиамина, рибофлавина, ниацина, хлорофилла, а также минеральных составляющих: кальция, железа, фосфора, магния, цинка, меди, натрия, калия, незаменимых жирных кислот, алкалоидов, пектинов, флавоноидов, пигментов и диуретических активных структур.

Аэробно стабилизированный активный ил представляет собой микробную суспензию, обладающую высокой деструктивной активностью в отношении многих сложных (включая трудно окисляемые) органических соединений, за счет наличия в иле широкого спектра ферментных систем, в том числе из групп оксиредуктаз: каталаз, дегидрогеназ, цитохромов и др. [Инженерное оборудование зданий и сооружений. Энциклопедия. Под ред. С.В.Яковлев, Богословский В.Н., Гладков В.А. и др. - Изд-во: Стройиздат, 1994. - 512 с.].

Установлено, что внесение в водный органосодержащий субстрат комплексной добавки, включающей аэробно стабилизированный активный ил и амарант, с последующей обработкой полученной смеси ультразвуком позволяет значительно ускорить процессы метаногенного брожения, снизить температуру начала прохождения химических реакций, а также значительно повысить выход биогаза.

Пример 1. Для проведения опыта готовились модельные образцы водных органосодержащих субстратов, с различным исходным содержанием биоразлагаемой органической части, % мас. по абсолютно сухому веществу: 25, 50, 75 и 100. Полученные образцы обрабатывали в соответствии с рекомендациями, описанными в заявляемом способе (частота 22 кГц, интенсивность 7 Вт/см², время обработки 6 мин), прототипе и аналогах. Культивирование образцов проводили в анаэробных условиях, в термостате при 40°С, в течение 20 суток. Эффективность процесса метаногенного брожения оценивали по увеличению выхода биогаза в сравнении с контролем. В качестве контроля использовали водный органосодержащий субстрат без предварительной обработки. Результаты обобщены в табл.1

Как видно из табл.1, обработка ультразвуком с предварительным внесением добавки, включающей амарант багряный и аэробно стабилизированный активный ил, позволяет увеличить выход биогаза в сравнении с контролем и другими видами обработок. При этом увеличение выхода биогаза для субстратов, предварительно обработанных в соответствии с заявляемым способом и содержащих 25, 50, 75 и 100% мас. биоразлагаемой органики, составило - 8,3; 17,2; 22,4 и 30,2% соответственно.

Пример 2. Опыт ставился по схеме примера 1. Предварительно в модельные образцы вносили комплексную стимулирующую добавку, включающую измельченную фитомассу амаранта багряного и стабилизированный активный ил. Полученные смеси обрабатывали ультразвуком с частотой 22 кГц и интенсивностью 5-9 Вт/см². Время обработки составляло 3-9 мин. Эффективность процесса метаногенного брожения оценивали по увеличению выхода биогаза в сравнении с контролем.

Результаты представлены в табл.2.

Табл.2
Влияние условий ультразвуковой обработки модельных образцов на выход биогаза
Условия обработки	Увеличение выхода биогаза, %
Содержание органической части, % мас.
Интенсивность, Вт/см2	Время обработки, мин	25	50	75	100
5	3	7,97	13,76	17,93	24,16
4	8,01	14,94	19,47	26,22
6	8,07	16,72	21,79	29,36
8	8,03	14,98	19,52	26,29
9	7,98	13,78	17,96	24,19
6	3	8,09	13,97	18,20	24,52
4	8,13	15,16	19,76	26,62
6	8,19	16,97	22,12	29,79
8	8,15	15,20	19,81	26,68
9	8,10	13,99	18,23	24,56
7	3	8,21	14,18	18,47	24,89
4	8,25	15,39	20,05	27,01
6	8,31	17,22	22,44	30,20
8	8,27	15,42	20,10	27,08
9	8,22	14,19	18,50	24,92
8	3	8,14	14,06	18,31	24,68
4	8,18	15,26	19,88	26,78
6	8,24	17,07	22,25	29,95
8	8,20	15,29	19,93	26,85
9	8,15	14,07	18,34	24,71
9	3	7,98	13,78	17,95	24,19
4	8,02	14,96	19,49	26,26
6	8,08	16,74	21,82	29,36
8	8,04	14,99	19,54	26,33
9	7,99	13,79	17,98	24,22

Как видно из табл.2, наибольшее увеличение выхода биогаза наблюдается при интенсивности ультразвукового воздействия 6-8 Вт/см², оптимальное время обработки 4-8 мин.

Таким образом, внесение комплексной стимулирующей добавки, включающей измельченную фитомассу амаранта багряного и стабилизированный активный ил в соотношении 1:1, из расчета 2-3% мас., с последующей обработкой полученной смеси ультразвуком с частотой 22 кГц и интенсивностью 6-8 Вт/см ², при длительности обработки 4-8 мин позволяет значительно повысить выход биогаза при сбраживапии органосодержащих отходов.