Удосконалення біотехнології анаеробної ферментації курячого посліду зі зниженою кількістю стоків

Abstract

Для покращення інтенсивності процесу було проведено метанову ферментацію курячого посліду з відходами виробництва біодизелю – неочищеним гліцерином, що є потенційним відходом, в разі розвитку альтернативної енергетики. Виявлено негативний вплив додавання гліцерину на метаногенез курячого посліду. У термофільному режимі інгібування метаногенезу відбувалось інтенсивніше, ніж у мезофільному. Додавання червоної глини дозволило покращити ефективність процесу при її застосуванні у кількості 25 % об’ємних частин до об’єму реакційної суміші. Однак, також характеризувалось додатковими затратами на закупівлю глини. Таким чином, застосування твердофазної ферментації у промислових умовах може викликати ряд проблем з стабільністю процесу, відповідно, та запуском біогазових установок, а її інтенсифікація характеризується погіршенням економічної привабливості процесу й доцільним є дослідження можливості рециркуляції рідкої фази в процесі метанової ферментації курячого посліду. У п’ятому розділі викладено аналіз особливостей функціонування біогазових установок за умови рециркуляції рідкої фази та вилучення амонійного Нітрогену сорбентом, розміщеним у реакторі. Виявлено, що концентрація метану за умови вилучення амонійного Нітрогену, є вищою ніж без нього. Частка метану у реакторі з вилученням амонійного Нітрогену становила 74 %, а без нього – 63 %. Загальна кількість виробленого метану значимо більшою у біореакторі з вилученням Нітрогену. Ефективність вилучення амонійного Нітрогену за умови повної рециркуляції рідкої фази ефлюенту з гідравлічним періодом утримання 5 діб з вологістю 92 % становила 12,5 %. Вміст амонійного Нітрогену наприкінці процесу становив 5,15 г/дм3 у контрольному реакторі та 4,58 г/дм3 у дослідному реакторі. Середня концентрація вільного амоніаку протягом сьомого обороту в контрольному реакторі становила 2136,8 мг/дм3, а у дослідному 1285,7 мг/дм3. Тобто, ефективність зниження вмісту вільного амоніаку становила 40 %. Тим не менш, за таких умов метаногенез курячого посліду є інгібованим та є необхідним визначення оптимальних умов проведення процесу. Для визначення оптимальних умов проведення процесу було проведено математичне моделювання результатів сорбції амонійного Нітрогену в процесі метанової ферментації ортофосфорною кислотою, розміщеною у реакторі. З результатів моделювання, видно, що запропонований метод регулювання вмісту амонійного Нітрогену, в ряді випадків, дозволяє тримати його концентрацію нижчою від небезпечного рівня навіть в умовах рециркуляції рідкої фази. Встановлено, що безпечний вміст амонійного Нітрогену може бути досягнутий за умови рециркуляції 40 % рідкої фази при проведенні процесу з гідравлічним періодом утримання 10 діб при регулюванні концентрації амонійного Нітрогену сорбентом, розміщеним у ректорі. Ступінь вилучення амонійного Нітрогену може бути суттєво збільшено за рахунок зміни геометричних розмірів біогазової установки, збільшення площі контакту сорбенту з газовою фазою та гідравлічного часу утримання. У шостому розділі проведено техніко-економічну оцінку технологій твердофазної ферментації з сорбцією амонійного Нітрогену червоною глиною та рідиннофазної ферментації курячого посліду з рециркуляцією рідкої фази. Виявлено, що рідиннофазна технологія утилізації курячого посліду з рециркуляцією рідкої фази характеризується кращими економічними показниками, ніж твердофазна ферментація. Виходячи з цього, наведено детальну характеристику технології утилізації курячого посліду за умови рециркуляції стоків. Доведено, що основними недоліками запропонованого підходу є неповна ферментація ефлюенту, що призводить до здуття ємностей з ним при зберіганні, а також незамкнутий цикл технології, що передбачає постійну закупівлю ортофосфорної кислоти та реалізацію кормового моноамонійфосфату, що в свою чергу, в разі відсутності попиту на кормовий моноамонійфосфат, може призводити до збитковості процесу. Запропоновано та обґрунтовано можливість рециркуляції сорбенту в реакторі з отриманням аміаку. Обґрунтовано потенційні підходи для поводження з аміаком. Досліджено можливість регенерації аміаку та визначено особливості процесу. Виявлено, що від температури залежить ступінь розкладання діамоній фосфату. Для вирішення проблеми недостатнього біологічного розкладання ефлюенту, досліджено підходи додаткової ферментації в ІС-реакторі та лужного каталізу ефлюенту для отримання гуматів та синтез-газу. Приведено результати детального аналізу процесу каталізу ефлюенту, що здійснювався сумісно з інститутом біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України. Виявлено, що більш економічно доцільним є підхід лужного каталізу, який характеризується утворення цінного гуматвмісного органо-мінерального добрива, що має високу вартість на ринку. Запропоновано та обґрунтовано можливість рециркуляції сорбенту в реакторі з отриманням амоніаку. Обґрунтовано потенційні підходи для поводження з амоніаком. Запропоновано вирішення проблеми газифікації ефлюенту курячого посліду шляхом лужного каталізу. Розроблена технологія дозволяє отримувати амоніак, забезпечує можливість регулювання кількості стоків біогазової установки, забезпечує можливість рециркуляції кислоти в процесі метанової ферментації курячого посліду, забезпечує знезараження посліду. Розроблено технологію утилізації курячого посліду з рециркуляцією рідкої фази, що характеризується періодом окупності 1,25 роки та щорічним прибутком 60142 тис. грн при утилізації відходів птахофабрики з поголів’ям 750 тис. голів. Наукова новизна роботи полягає у тому, що вперше доведено, що твердофазна ферментація курячого посліду характеризується низькою стабільністю за рахунок високих концентрацій амонійного Нітрогену та сірководню, встановлено, що додавання бентонітової глини дозволяє забезпечити підвищення стабільності процесу, виявлено тісний кореляційний зв’язок між концентрацією червоної бентонітової глини та вмістом амонійного Нітрогену й cірководню в твердофазних біореакторах, встановлено взаємозв’язки між кількістю рідини, що рециркулюється та вмістом амонійного Нітрогену в процесі метаногенезу курячого посліду з вилученням амонійного Нітрогену, вперше запропоновано вирішення проблеми недостатнього біологічного розкладання органічних речовин ефлюенту біогазової установки шляхом каталізу, вперше запропоновано спосіб регенерації сорбенту, який використовується для сорбції аміаку з газової фази та забезпечує замкнутий цикл.