Одержання біогазу з відходів спиртових заводів

Спиртова промисловість України —одна з лідируючих галузей за утворенням відходів і стічних вод. В Україні є понад 80 спиртозаводів, на яких протягом року утворюється близько 4 млн м3 мелясної та 3,6–3,8 млн м3 зернової барди, а також близько 8 млн м3 слабозабруднених стічних вод, ХCК яких становить 1100–1500 мг/дм3. Ці стічні води не можуть без очищення скидатися у водойми. Мелясна барда на більшості заводів не утилізується і без очищення разом зі стічними водами скидається у відстійники, де загниває, забруднюючи грунтові води і повітря.
Водночас слід зазначити, що на спиртових заводах найбільш сприятливі умови для організації виробництва біогазу: наявні сировина (відходи) з температурою 40–50°С, а також вторинні джерела тепла (конденсати, лютерна вода тощо). Усе це дає змогу організувати виробництво біогазу без витрат одержуваного біоенергетичного палива на підігрів середовища у метантенках.
Наш інститут має певний досвід метанового зброджування відходів спиртових заводів, оскільки ще у 1970 р. на Андрушівському спиртозаводі за нашої участі було введено в експлуатацію цех з виробництва кормового вітаміну В12, продуцентами якого є метаноутворюючі бактерії. Цех пропрацював понад 20 років (до 1991 р.), протягом року виробляючи 250–300 кг вітаміну В12 (у перерахунку на хімічно чисту речовину) і, заодно, біогаз, спалювання якого в топках котлів заощаджувало близько 13–15% палива, що його споживав комбінат у цілому.
Як засвідчили наші подальші дослідження, відходи спиртових заводів є добрим живильним середовищем для метаноутворюючих бактерій. У відходах містяться практично всі компоненти вихідної сировини, окрім цукру.
Амінокислоти, органічні кислоти, фарбувальні речовини, гліцерин, мікро- та макроелементи обумовлюють високі санітарно-хімічні показники барди. Величина ХСК стічних вод, залежно від схеми переробки сировини, досягає 50–90 тис. мг/дм3.
Вихід біогазу при зброджуванні 1 м3 цих відходів становить 28–30 м3. На одному спиртозаводі середньої потужності можна одержати за добу 24 тис. м3 газу, а за рік — близько 6 млн м3. Спалювання біогазу в котельні заводу дасть змогу заощаджувати близько 4800 т умовного палива на рік. Тобто економія теплової енергії при виробництві етанолу може досягати 40%.
Стримуючим фактором в організації біогазової технології є висока вартість типових метантенків, виготовлених з монолітного залізобетону. Так, збудовані у 1970 р. на Андрушівському заводі метантенки, місткістю 4000 м3 кожний, коштували $140 тис.
Особливістю метанового бродіння є те, що приблизно 95% біорозкладних органічних речовин трансформуються у біогаз, і лише 4–5% витрачаються на енергетичні і конструктивні потреби бактерій. Тому приріст біомаси порівняно невеликий, що спричинює велику тривалість метанового зброджування відходів. Фактичний час перебування стоків спиртових заводів у класичних контактних метантенках, які працюють у режимі очищення, становить 10–17 діб. Скорочення часу перебування стічних вод у метантенках досягається за рахунок підвищення концентрації біомаси, що здійснюється шляхом її виділення і повернення у метантенк, або іммобілізації її на спеціальних нерухомих носіях, або використання біореакторів з гранульованою біомасою. Проведені нами дослідження показали, що для стічних вод спиртозаводів найбільш прийнятними є біореактори з гранульованою біомасою анаеробних мікроорганізмів.
У верхній частині пропонованого нами біореактора (див. схему) змонтовано пристрій, який запобігає виносу біомаси з очищеними стічними водами і сприяє грануляції біомаси. Це так званий сепаратор біомаси і біогазу. Завдяки йому в біореакторі досягається велика концентрація біомаси (до 60 г/дм3), що дає змогу скоротити тривалість метанового бродіння до 2 діб. Навантаження за ХСК в цьому типі біореактора досягало 17–20 кг/м3 обсягу біореактора на добу, тоді як в контрольному (контактному метантенку) —не більше 2,5–4 кг/м3. У зв’язку з цим загальний об’єм анаеробних біореакторів може бути зменшений у 3–4 рази порівняно з контактним метантенком.
Для організації виробництва біогазу на спиртовому заводі середньої потужності найбільш доцільно установити чотири біореактори по 600 м3. Затрати на їх установку окупляться приблизно протягом 1 року за рахунок економії палива.
Метанове бродіння можна розглядати як першу сходинку біологічного очищення концентрованих промислових стічних вод, оскільки забрудненість їх за ХСК знижується на 75–80%. Істотно знижуються й інші показники.
Для дальшого доочищення застосовують аеробний спосіб. З цією метою використовують біотенки, що працюють з іммобілізацією мікроорганізмів на нерухомому носії. Цей волокнистий носій має велику питому поверхню для іммобілізації (1 кг носія — 8–10 тис. м2 площі), високу адгезійну здатність, завдяки чому на ньому закріплюється значна кількість біомаси, що сприяє інтенсифікації очищення. Крім того, носій є біологічно інертним, тобто практично не розкладається мікроорганізмами і може працювати без заміни багато років.
Поєднання анаеробного і аеробного методів дає змогу очищувати стічні води до показників, які дадуть змогу скидати їх у водойми. Таким чином вирішуються одночасно кілька проблем: енергетична, екологічна й утилізації відходів.
М. Кошель, Ю. Каранов, В. Руда,
Н. Чабан, О. Заварзіна,
Б. Добриловський,
УкрНДІспиртбіопрод