диплом для архива (Утилизация твердых бытовых отходов в городе Советская Гавань), страница 5

  Поскольку разложение органических отходов происходит за счет деятельности определенных типов  бактерий, существенное влияние на него оказывает окружающая среда. Так, количество вырабатываемого газа в значительной степени зависит от температуры: чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации органического сырья. Именно поэтому, вероятно, первые установки для получения биогаза появились в странах с теплым климатом. Однако применение надежной теплоизоляции, а иногда и подогретой воды, позволяет освоить строительство генераторов биогаза в районах, где температура зимой опускается до – 20 ^оС.

Существуют  определенные требования и к сырью: оно должно быть подходящим для развития бактерий, содержать биологически разлагающееся органическое вещество и в большом количестве воду (90-94 %). Желательно, чтобы среда была нейтральной и без веществ, мешающих действию бактерий: например, мыла, стиральных порошков, антибиотиков.

Для получения биогаза можно использовать растительные и хозяйственные отходы, навоз, сточные воды и т. п. В процессе ферментации жидкость в резервуаре имеет тенденцию к разделению на 3 фракции. Верхняя – корка, образованная из крупных частиц, увлекаемых поднимающимися пузырьками газа, через некоторое время может стать достаточно твердой и будет мешать выделению биогаза. В средней части ферментатора скапливается жидкость, а нижняя, грязеобразная фракция выпадает в осадок.

Бактерии  наиболее активны в средней зоне. Поэтому содержимое резервуара необходимо периодически перемешивать хотя бы один раз в сутки, а желательно до шести раз. Перемешивание может осуществляться с помощью механических приспособлений, гидравлическими средствами (рециркуляция под действием насоса), под напором пневматической системы (частичная рециркуляция биогаза) или с помощью различных методов самоперемешивания [9].

Для эффективной работы установки, производящей биогаз, кроме строго анаэробной среды, придется соблюдать ряд требований. Во-первых, поддерживать в реакторе оптимальные температурный и кислотный режимы. Во-вторых, постоянно следить за наличием питательных веществ в сбраживаемой среде, обеспечивая низкое содержание в данной среде веществ-ингибиторов, то есть веществ, препятствующих жизнедеятельности микроорганизмов.

Образование метана идет в достаточно широком интервале температур (8 - 60 °С), при этом при опре­деленных температурах в процессе сбраживания участвуют определенные виды бактерий [10].

Обычно различают три характерных уровня температур, предпочтительных для отдельных видов бактерий. Психрофильный режим идет при температуре 8 - 20 °С, мезофильный - при 30- 40 °С, термофильный - при 45 - 60 °С. Более производительны термофильный и мезофильный режимы сбраживания, однако все три режима имеют как свои преимущества, так и недостатки. Режимы с более высокими температурами требуют больших затрат энергии на поддержание оптимальной температуры, зато благодаря сокращению продолжительности сбраживания удается значительно сократить объем биореактора и таким образом увеличить производительность биогазовой установки. Однако часто поддержание в биомассе высоких температур на практике связано с большими затратами энергии на обогрев и терморегуляцию биореакторов, что в свою очередь значительно удорожает процесс получения биогаза. Так, стоимость энер­гии, необходимой для подогрева содержимого бродильной камеры при термофильном сбраживании, настолько велика, что превышает всякие выгоды, связанные с более быстрым, чем в других случаях, сбраживанием. Отсюда следует, что в условиях домашнего хозяйства практическое значение имеет только мезофильное (30 - 40 °С) или психрофильное (8 - 20 °С) метановое сбраживание. (О способах обеспечения соответствующих температурных режимов этих способов сбраживания будет рассказано ниже) [9].

Для нормального протекания брожения необходима слабощелочная реакция среды (рН=6,7 – 7,6). При оптимальной (ровной) активности кислотообразующих и метановых бактерий (то есть при установившемся процессе брожения) значение рН поддерживается в желательных пределах «автоматически». Однако иногда кислотообразующие бактерии начинают размножаться быстрее, чем метановые, из–за чего концентрация летучих жирных кислот в бродильной камере возрастает и происходит так называемое «закисление», в результате чего выход биогаза снижается, а кислотность био­массы увеличивается. В этом случае в содержимое биореактора следует добавить горячую воду, известковое молоко, соду. При нарушении баланса между азотом и углеродом его восстанавливают добавлением в биомассу коровьей мочи.

Основой беспрепятственного размножения анаэробных бактерий служит, естественно, наличие питательных веществ в сбраживаемой среде. И почти все питательные вещества, необходимые для роста метановых бактерий, содержат экскременты животных, являющиеся основным сырьем для производства биогаза. Разнообразие видового состава метанообразующих бактерий позволяет использовать практически все виды жидких и твердых органических отходов. Но лучшая органическая масса для получения биогаза - навоз крупного рогатого скота в смеси с растительными остатками (влажность биомассы не менее 85 - %).

Сбраживаемая органическая масса не должна содержать веществ (антибиотики, растворители и т. п.), отрицательно влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов. Не способствуют «работе» микроорганизмов и некоторые не органические вещества, поэтому нельзя, например, использовать для разбавления навоза воду, оставшуюся после стирки синтетическими моющими средствами [9].

Выработка биогаза зависит и от многих других причин. Например, на поверхности органической массы периодически образуются плавающая корка, мешающая выходу биогаза. Поэтому ее необходимо устранить, перемешивая содержимое биореактора 1 - 2 раза в сутки. Перемешивание способствует также равномерному распределению температуры и кислотности в биомассе, находящейся в камере сбраживания.

Для полного разложения органического вещества, как правило, необходимо длительное время. А при этом продолжительность сбраживания, учитывая присущую данному виду отходов скорость разложения, зависит от требуемой степени разложения органического вещества. Обычно максимальный выход биогаза и лучшие по качеству удобрения наблюдаются при разложении органического вещества (навоза) до 30 - 33 %. Заметим, что при пребывании биомассы в биореакторе в течении 14 - 15 дней полнота ее разложения составляет 25%.

При непрерывном способе сбраживания, когда выгрузка определенного объема «отработавшего» в реакторе органического вещества происходит одновременно с загрузкой такого же объема свежего материала, выделяется наибольшее количество биогаза, и при такой организации процесса для малогабаритных биогазовых установок в приусадебных хозяйствах доза ежесуточной загрузки обычно не превышает 4% полезного объема камеры сбраживания [10].

4.3.1 Разновидность биогазовых установок

Установок для получения биогаза довольно много, каждая из которых обладает своей уникальностью, но в основном это установки, работающие на навозе, траве, отходах, получаемых на фермах или в сельском хозяйстве, по типу это больше похоже на компост.

Установки для производства биогаза из органических отходов обычно подразделяют на четыре основных типа:

• без подвода тепла и без перемешивания сбраживаемой биомассы:

• без подвода тепла, но с перемешиванием сбраживаемой массы;

• с подводом тепла и с перемешиванием биомассы;

• с подводом тепла, с перемешиванием биомассы и со средствами контроля и управления процессом сбраживания.

Понятно, что обязательные компоненты биогазовой установки – сам биореактор и газгольдер для сбора биогаза, ну а устройства для подогрева биомассы, ее перемешивания, а также средства контроля – вещи весьма полезные, но можно обойтись и без них.

 Установка, предложенная мной, сделана путем сбора и отвода биогаза на полигоне твердых бытовых отходов с многослойным противофильтрационным экраном. За основу взят Патент RU №2242299, МКИ В09В 1/00, 3/00; опубликован 20.12.2004 (приложение В).

4.3.2 Биогазовая установка

Патент RU №2242299, МКИ В09В 1/00, 3/00; опубликован 20.12.2004[12].

Изобретение относится к обезвреживанию твердых бытовых отходов (ТБО) допускаемых к размещению с ними промышленных отходов, а именно к способу сбора и отвода биогаза, образующегося в процессе разложения отходов на полигоне ТБО.

Известен способ сбора и отвода биогаза с помощью системы вертикального газового дренажа в виде скважин, оборудованных с поверхности сформированного полигона и дополняемой системой горизонтального газового дренажа в виде развитой сети горизонтальных дрен, прокладываемых под изолирующим покрытием в верхнем слое отходов.

Недостаток данного способа заключается в том, что организованный отвод биогаза осуществляется только после достижения толщей отходов проектной высоты, результатом чего является низкая эффективность отбора газа из глубоко залегающих слоев отходов и отсутствие средств дегазации массива отходов по мере его формирования.

Известен способ сбора и отвода биогаза и фильтрата на полигоне ТБО, который включает подготовку основания, монтаж вертикального газового дренажа, послойную укладку отходов с пересыпкой изолирующими слоями, монтаж системы горизонтального газового дренажа, устройство изолирующего покрытия поверхности сформированного полигона, при этом отвод биогаза и фильтрата производят из колодца, верхний конец которого оборудован заглушкой с отверстиями для трубопроводов, при помощи газосборника и эрлифта, установленных внутри колодца (Патент RU №2242299, МКИ В09В 1/00, 3/00; опубликован 20.12.2004).

Недостатками данного способа являются ограниченные технологические возможности, вероятность нарушения стыков на примыканиях горизонтальных дренажей к вертикальному вследствие неравномерных осадок отходов, непригодность для строительства полигонов большой площади.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ сбора и отвода биогаза и фильтрата на полигоне ТБО, который включает подготовку основания, монтаж системы вертикального газового дренажа из скважин с перфорированными стенками. Распределенных по площади полигона, формирование горизонтального газового дренажа в виде дрен, расположенных на поверхности каждого завершенного слоя отходов и примыкающих к внешней дренирующей обсыпке скважин, наращивание скважин до отметки, превышающей высоту следующего слоя отходов, и далее повторение цикла до достижения полной высоты полигона, установленной проектом, причем в последнем цикле скважины наращивают выше поверхности сформированного полигона и оборудуют их съемным дефлектором (Патент RU №2198745, МКИ В09В 1/00, Бюл. №5, 2003 г.).

Недостатком данного способа является отсутствие возможности извлечения и отведения биогаза для утилизации до окончания формирования массива отходов, а также ухудшение экологической обстановки при выбросе биогаза в атмосферу.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в снижении вредного воздействия на окружающую среду за счет снижения выбросов в атмосферу и отвода биогаза на утилизацию при эксплуатации полигона ТБО одновременно с размещением отходов и осуществлением мероприятий по регулированию и очистке фильтрата с использованием многослойного противофильтрационного экрана с фильтрующим верхним слоем.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе сбора и отвода биогаза на полигоне твердых бытовых и промышленных отходов, включающий подготовку основания, монтаж системы вертикального газового дренажа из сети распределенных по площади полигона скважин, собранных из секций и имеющих перфорированные стенки, послойную укладку отходов, наращивание скважин на высоту каждого слоя отходов с применением скользящей опалубки, перекрытие заглушками верхних концов скважин вертикального газового дренажа в каждом цикле наращивания. при этом отвод биогаза из вертикального газового дренажа осуществляют но трубчатым дренам горизонтального дренажа, расположенного в основании полигона. При этом нижние секции труб скважин вертикального газового дренажа выполняют сплошными и присоединяют к дренажным колодцам горизонтальных трубчатых дрен, а верхний конец нижней секции скважины вертикального газового дренажа располагают выше уровня фильтрата над противофильтрационным экраном.

Соединения между секциями выполняют с возможностью взаимных угловых и линейных перемещений секций.

Колодцы, трубы и соединения элементов горизонтального и вертикальною дренажа выполняют из антикоррозионных материалов, например, из стеклопластика.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где изображено сечение скважины вертикального газового дренажа с примыкающими горизонтальными трубчатыми дренами.

Полигон твердых бытовых и допускаемых для совместного с ними размещения промышленных отходов (полигон ТБО) оборудован многослойным противофильтрационным экраном. Полигон состоит из подготовленного грунтового основания 1; многослойного противофильтрационного экрана с нижним водоупорным слоем 2; дренажного прослоя 3 с трубчатыми дренами 12, верхнего фильтрующего слоя 4 и защитного слоя 5, системы распределенных по площади полигона фундаментов 10, на которых монтируют дренажные колодцы 11 с открытым верхним концом.

К колодцам 11 примыкают горизонтальные трубчатые дрены 12, по которым биогаз и фильтрат отводят к газосборному и дренажному коллекторам в направлении 13. К каждому дренажному колодцу 11 присоединены скважины вертикального газового дренажа, набираемые из секций (звеньев труб) 15, 18 с дренажной обсыпкой 16 вокруг них, создаваемой при помощи трубчатой скользящей опалубки 19, верхний конец которой перекрывают съемным колпаком-заглушкой 20.

Нижнюю секцию (нижнее звено трубы) 15 скважины вертикального газового дренажа выполняют сплошной без дренажных отверстий (без перфорации стенок) и герметично присоединяют к дренажному колодцу 11, а соединения между секциями скважины вертикального газового дренажа выполняют с возможностью взаимных угловых и линейных перемещений секций.