Спосіб контрольованої утилізації парникових газів біогазу з агропромислових відходів

Реферат: UA 81058 U UA 81058 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до екологічно чистих технологій в сільському господарстві, зокрема біоконверсії відходів сільськогосподарського виробництва - тваринництва та рослинництва, а саме до способів утилізації парникових газів в процесі одержання і очищення біогазу в лабораторній установці з відходів тваринництва і рослинництва і може бути використана на підприємствах агропромислового комплексу з різними формами власності в процесі утилізації тваринницьких і рослинницьких відходів, одержання з них біогазу та його очищення. Відомий "Спосіб зменшення викидів парникових газів в атмосферу" (Патент України на винахід № 95995 С 2). Спосіб включає закачування потоку газу, який містить один або декілька парникових газів від джерела, з місця закачування на поверхні у пластову воду водоносного шару підземного пласта витримування парникових газів в підземному пласті, доки щонайменше деякі або всі з парникових газів розчиняться у пластовій воді. А для сприяння розчиненню парникових газів у водоносному шарі підземного пласта використовують одну або декілька хімічних домішок. Нагнітання потоку газу від джерела триває безперервним щонайменше протягом однієї доби, одного тижня, щонайменше одного місяця, щонайменше одного року, щонайменше п'ять років або з перервами відповідно до його утворення в процесі виробництва, наприклад нагнітання потоку газу протягом 8 годин на добу, шість днів в тиждень. Недоліком відомого способу є те, що спосіб є громіздким і у воду вносяться хімічні домішки. Відомий також "Спосіб утилізації техногенних надлишків діоксиду вуглецю, які втримуються в атмосфері Землі" (Патент України на винахід № 89972). Суть даного способу полягає у тому, що техногенні надлишки діоксиду вуглецю, які втримуються в атмосфері Землі очищують шляхом пропускання через водний абсорбер, при цьому температура води, яку брали з природної водойми знаходиться в діапазоні +4+10 °C, де 3 діоксид вуглецю розчиняється. І при досягненні концентрації діоксид вуглецю у воді 5-2,0 кг/м , підживлюють скупчення планктонів у Світовому океані, морях або закритих водоймах і трансформують техногенні надлишки діоксину вуглецю в планктонну біомасу, тобто заміщують техногенні надлишки СО2 атмосфери життєздатними бактеріями і мікроорганізмами океану. Недоліком відомого способу є можливість часткового виділення у повітря вуглекислого газу при підживленні насиченої ним води планктонів Світових океанів, морів, внаслідок неповного розчинення даного газу у воді. Спосіб громіздкий. Найбільш близьким за суттю до способу, що заявляється є "Спосіб запобігання утворенню парникових газів" (Патент України на корисну модель № 69935 U). Суть даного способу утилізації парникових газів полягає у тому, що здійснюється виготовлення якнайменше однієї свердловини у тілі звалища та подальше внесення у тіло звалища реагенту, що містить живу культуру, яка утилізує парниковий газ. Як реагент використовують композиційну суміш, яка має у своєму складі якнайменше одну культуру аборигенного психрофільного метанотрофного мікроорганізму. Відомий спосіб забезпечує запобігання утворенню парникових газів (метану), стимуляції біодеградативної активності аборигенних, адаптованих та модифікованих біологічних систем та окремих мікроорганізмів, деградації, детоксикації шкідливих речовин та утилізації муніципальних відходів. Заявлений спосіб і прототип мають спільні суттєві ознаки: спосіб включає створення елективних умов для переважного домінування аборигенних метанотрофних штамів мікроорганізмів. Недоліком є те, що потрібно вирощувати культуру мікроорганізмів та відсутність можливості точно проконтролювати динаміку утилізації парникових газів під впливом метанотрофних організмів. Заявлений нами спосіб усуває недоліки прототипу і забезпечує утилізацію всіх шкідливих складових біогазу, одержаного в лабораторних умовах і пропущеного через очисний пристрій протягом періоду бродіння - тижня часу. При цьому утилізація шкідливих газів у воді здійснюється протягом тижня часу, після очистки біогазу водою, а шкідливих газів надводного простору - протягом 1,5 місяця. В основу корисної моделі поставлена задача - створити новий ефективний спосіб утилізації парникових газів біогазу при його виробництві в лабораторній установці, який сприяв би зменшенню навантаження на довкілля шкідливих складових біогазу, які утворюються внаслідок діяльності тваринницьких (птахівничих) господарств. Поставлена задача вирішується тим, що біогаз одержують шляхом анаеробного зброджування органічних відходів в лабораторній установці з очисним пристроєм при температурі бродіння 32-34 °C, а утилізацію парникових газів біогазу у воді очисного пристрою, забезпечують відстоюванням герметично закритої ємності з водою після очищення біогазу 1 UA 81058 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 протягом 7 днів при температурі 25-23 °C, для утилізації введених у надводний простір парникових газів бактеріями, які присутні у воді, потрібно 1,5 місяця, при цьому запобігання інактивації метанотрофних штамів мікроорганізмів досягають контролюванням очисної води після кожного циклу бродіння в лабораторній установці на рівень концентрації азоту. Технічний результат заявленого способу обумовлений наявністю у біомасі, що використовується для одержання біогазу в лабораторній установці, мікроорганізмів, що здатні використовувати наявні в одержаному біогазі складові для своєї життєдіяльності. При цьому мікроорганізми фіксують метан, вуглекислий газ, ті з них яким властива азотфіксація - азот. Таким чином здійснюється природна очистка з наростанням біомаси бактерій. Парниковий газ (англ. Greenhousegas) - газ, що поглинає теплове випромінювання поверхні Землі і хмар (інфрачервона радіація) і відбиває його назад до Землі. До основних парникових газів в атмосфері Землі належать пари води (Н 2О), вуглекислий газ (СО2), закис азоту (N2О), метан (СН4), озон (О3), гексафторид сірки (SF6), гідрофторвуглець (ГФУ) і перфторвуглероди (ПФУ). Вуглекислий газ вносить основний вклад у глобальне потепління. При розробці національного кадастру ПГ в Україні згідно з рекомендаціями МГЕЗК враховувались три ПГ прямої дії: вуглекислий газ СО 2, метан СН4, закис азоту N2O та ПГ непрямої дії: моноксид вуглецю CO, оксиди азоту NOx та леткі неметанові органічні сполуки. Парникові гази непрямої дії безпосередньо не є парниковими газами, але опосередковано впливають на парниковий ефект в результаті хімічних реакцій в атмосфері. Метан – найбільш поширений на Землі органічний газ найбільшого ступеня відновності. Не дивно тому, що метаноокислюючі бактерії (метанотрофи) використовують метан як джерело вуглецю і енергії повсюдно зустрічаються у природі. Володіючи специфічними механізмами окислення метану і асиміляції вуглецю, а також здатністю до азотфіксації, метанотрофи беруть активну участь в мінералізації і біосинтезі "живої" органічної речовини. Метанотрофи метилотрофні мікроорганізми, структурно і функціонально спеціалізовані на використанні метану. Облігатні метанотрофи - метилотрофні мікроорганізми, структурно і функціонально спеціалізовані на використанні метану. Облігатні метанотрофи метилотрофні мікроорганізми, здатні використовувати як джерело вуглецю і енергії тільки метан і деякі його похідні. Облігатні метанотрофні бактерії складають фізіологічно відособлену групу мікроорганізмів, які є включені в сімейство Methylococcaceae. Найбільш загальними властивостями облігатних метанотрофів є: Грамвід'ємні палички, вібріоїди або коки. Більшість з них рухомі завдяки наявністю джгутика(ів). Утворюють - цисти типу Azotobacter, липідні цисти або екзоспори. Мають складні системи внутріцитоплазматичних мембран. Мають полібутиральні або полісахаридні включення, більшість з них утворюють позаклітинні полісахариди. Вміст ГЦ ДНК варіює в межах 46-65 мол. %. Каталазо- і оксидазопозитивні, мають цитохроми с, b, а. Строгі аероби, однак чутливі до нормального парціального тиску кисню повітря, особливо у випадках азотфіксації. Використовують метан і метанол як джерело вуглецю і енергії. Окислюють аміак, чадний газ, пропан, етиловий ефір, етанол, бутанол, форміат і ряд інших органічних сполук, зате не ростуть на них при відсутності метану або метанолу. Використовують амоній, нітрати і нітрити як джерело азоту. Деякі фіксують молекулярний азот. Відновлюють нітрати до нітритів, але не окислюють метан киснем нітратів. 2 UA 81058 U Схема групової диференціації облігатних метанотрофних бактерій (Whittenbury a. Dalton, 1975) Ознаки Група І Methylomonas Methylobacter Група X Methylococcus Будова ВЦМ Стовпи везикулярних дисків Форма клітин Палички Форми зберігання Основний шлях С1-асиміляції Цисти типу Azotobacter Рибулозомонофосфатний (варіант ицл-) Сериновий + Дегідрогенази глюкозо-6-фосфату і 6фосфоглюконату Цикл трикарбонових кислот Ізоцитратдегідрогеназа Автотрофна фіксація СО2 Фіксація N2 Молярний % ГЦ в ДНК Переважають жирні кислоти (кількість атомів вуглецю в ланцюгу) 5 10 15 20 25 30 35 Коки Група ІІ Methylosinus Methylocystis Везикули по периферії клітини Палички і вибріоїди Екзоспори або ліпідні цисти Неповний (αкетоглутаратдегідрогеназа відсутня) НАД- або НАДФНАД-залежна залежна + + 50-54 60-63 16 16 Повний НАДФ-залежна + 60-63 18 На даний час біогазові установки можна вважати очисними спорудами відходів сільського господарства (гній, гноївка, стічні води), м'ясопереробних підприємств, цукрових, спиртових, рибних заводів, боєнь, тому що всі ці відходи активно переробляє анаеробна мікрофлора до нешкідливих, легкозасвоюваних рослинами форм, а гази які при цьому утворюються, людина використовує в своїх цілях. Метан впливає на парниковий ефект в 21 раз сильніше ніж СО 2 і перебуває в атмосфері 12 років. Уловлювання метану кращий короткостроковий спосіб запобігання глобальному потеплінню. Отже, наведені вище інформаційні відомості пояснюють одержання технічного результату заявленого способу. Відомості, що розкривають суть корисної моделі. При проведенні патентно-інформаційного пошуку заявником і авторами знайдено технічне рішення / Патент України на корисну модель № 69935 U, що містить найбільшу кількість суттєвих ознак, спільних із заявленим рішенням: спосіб включає створення елективних умов для переважного домінування аборигенних метанотрофних штамів мікроорганізмів. Однак наявність згаданих, спільних з прототипом ознак, недостатня для одержання технічного результату, який забезпечує заявлений спосіб. Технічних рішень, що за сукупністю ознак повністю співпадають із заявленим, - не виявлено. Це дозволяє зробити висновок про відповідність заявленого технічного рішення критерію (корисної моделі) - "новизна". В патентній і науково-технічній літературі не знайдено технічних рішень, в яких були б описані відомості, що відрізняють заявлений спосіб від прототипу і забезпечують досягнення технічного результату: біогаз одержують шляхом анаеробного зброджування органічних відходів в лабораторній установці з очисним пристроєм, а утилізацію парникових газів біогазу у воді очисного пристрою забезпечують відстоюванням герметично закритої ємності з водою після очищення біогазу протягом 7 діб при температурі 25-23 °C, для утилізації введених у надводний простір парникових газів бактеріями, які присутні у воді, потрібно 1,5 місяця, при цьому запобігання інактивації аборигенних метанотрофних штамів мікроорганізмів у воді досягають контролюванням очисної води після кожного циклу бродіння в лабораторній установці на рівень концентрації азоту. Заявлений спосіб належить до біотехнології в сільському господарстві, зокрема, біоконверсії відходів сільськогосподарського виробництва тваринництва та рослинництва в біогаз та високоефективні добрива без шкідливих для довкілля наслідків, а саме до способів утилізації 3 UA 81058 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 шкідливих парникових газів біогазу (метану, вуглекислого газу, сірководню, азоту) в процесі одержання і очищення біогазу в лабораторній установці з відходів рослинництва і тваринництва і може бути використаний на підприємствах агропромислового комплексу з різними формами власності, а тому відповідає критерію винаходу (корисної моделі) - "промислова придатність". Заявлений спосіб здійснюють наступним чином: Для здійснення заявленого способу потрібно застосувати лабораторну біогазову установку за ПУ на корисну модель 69130 разом із очисним пристроєм. При цьому в установку завантажують біомасу (курячий послід або гній), розводять водою у співвідношенні 3:1. Біомасу перемішують. Закривають резервуар біогазового генератора з збереженням герметичності. Регулюють терморегулятор на температуру, яка забезпечує мезофільний режим бродіння біомаси. Біогаз, який буде виділятися в біогазовому генераторі, піде по відвідній трубі в очисний пристрій (герметичний резервуар з водою) і там буде очищатися з подальшим відводом в накопичувальну ємність (камеру). При цьому разом із біогазом у герметичний резервуар з водою буде переноситись мікрофлора, яка утилізуватиме шкідливі гази у воді і фіксуватиме їх із суміші газів над водою. Після завершення циклу бродіння біогаз, який був зібраний у камеру, завдяки під'єднанню камери до полімерного патрубка, що знаходиться на кришці герметичної ємності з водою видувають назад у ємність з водою, в якій проходив очистку біогаз, при цьому залишки води під тиском вдутого газу виливаються через інший патрубок (в який подавався біогаз під час бродіння). Так, щоб половину ємності становив біогаз, а половину вода. Після виливання залишків води патрубок перекриваємо. При цьому в іншу ємність, в яку вилились залишки води таким же чином через один патрубок із камери підводимо газ до половини ємності, залишок води виливається в іншу ємність через інший патрубок, і в ємності, наповненій наполовину водою і газом, на кришці полімерні трубки перетискають. Там буде проходити процес очистки від шкідливих парникових газів у воді і у надводній газовій камері за участі занесених з біогазом мікроорганізмів. При багаторазовому пропусканні газу через одну і ту ж воду, коли концентрації азоту дуже високі 20-25 % метанотрофи інактивуються. Тому для очистки води бактеріями її потрібно витримувати герметично закритою після кожного або кількох циклів бродіння і після витримки, коли вода очистилась, її контролюють на наявність азоту і ту ж воду можна підставляти знову або розводити нею гнойову масу до бродіння. Ефективність заявленого способу підтверджується прикладом конкретного виконання способу. Заявлений спосіб був здійснений в приватному підсобному господарстві м. Рудки, вул. Самбірська 17а/36 на лабораторній біогазовій установці сконструйованій і виготовленій для здійснення одержання і очистки біогазу. В установку завантажували біомасу (курячий послід, гній), розводили водою у співвідношенні 3 частини курячого посліду (гною): 1 води. Біомасу перемішували. Закривали резервуар біогазового генератора зі збереженням герметичності. Відрегулювали терморегулятор на температуру, яка забезпечує мезофільний режим бродіння біомаси 32-34°. Біогаз, який виділився в біогазовому генераторі, по відвідній трубі проходить в очисний пристрій (герметичний резервуар з водою) і там очищався з подальшим відводом в накопичувальну ємність. Після завершення бродіння одержаний, очищений водою біогаз назад подавали з камери в герметичну ємність з водою, отриманою після очистки біогазу, так щоб половина ємності становила вода, а половина біогаз. Надлишок води виводився через другий патрубок на кришці герметичної ємності із збереженням водяного затвору для біогазу. Дослідження процесу швидкості поглинання шкідливих газів з біогазу і окремо шкідливих газів з води бактеріями проводилось при кімнатній температурі 25-23 °C. Нами було виділено і диференційовано такі штами мікроорганізмів: метанотрофи (аероби - метаноокислювачі): Methyloccocus capsulatus, Methylocystis parvus, Methulomonas rubra, Methulococcus termophilus. метаногени (анаероби): Clostridium pasterianum, Metanobacterium sp, Metanobacterium sarcinum. З них азотфіксуючими є: Methyloccocus capsulatus, Methylocystis parvus, a також Clostridium pasterianum, які беруть участь в кругообігу вуглецю і є фіксаторами атмосферного азоту. Перспективним є використання Methylococcus capsulatus в біоремедіації, а також в мікробіологічному синтезі деяких хімічних речовин і біотрансформації. Для характеристики швидкості утилізації основного компонента біогазової суміші – метану (насиченого вуглеводню) у надводному просторі, використовували газовий хроматограф ЛХМ 8 МД. При цьому на початку досліду кількість метану становила 10 %, через 10 днів - 4 %, через три тижні він був відсутній. Сірководень у біогазі був відсутній, так як біогаз, що утворювався за один цикл бродіння, проходячи через воду, повністю очищувався від нього з подальшою утилізацією його бактеріями у воді. При аналізі загального азоту біогазу на хроматографі 4 UA 81058 U 5 10 спостерігали величину азотфіксації бактеріями через кожні 3 дні. Одержані результати подані в таблицях 1-3. Бактерії, наявні у воді, утилізують розчинні у воді гази, а також фіксують шкідливі гази, які знаходяться над водою в замкнутому резервуарі. При цьому бактерії утилізують метан, вуглекислий газ, а ті з них, яким властива азотфіксація - азот. Тут здійснюється природна очистка з збільшенням біомаси бактерій. В нашому випадку, так як серед газів надводного простору присутній кисень, а також він присутній у воді, діють аеробні форми мікроорганізмів азотфіксаторів, можуть діяти факультативні анаероби, при низьких концентраціях кисню. При дослідженні утилізації метану встановлено, що даний газ протягом трьох тижнів досліджень повністю фіксується метанотрофними бактеріями (таблиця 1). Таблиця 1 Швидкість утилізації метану метанотрофними бактеріями К-ть днів 1 день 10 день 21 день Зменшення к-ті метану, в % за об'ємом 10 4 0 Швидкість фіксації азоту аеробними бактеріями - азотфіксаторами із зниженням рівня кисню за рахунок активного дихання при азотфіксації подано у таблиці 2. 15 Таблиця 2 Швидкість фіксації азоту із біогазу із зниженням рівня кисню Зменшення к-ті азоту загального, в % за об'ємом 34,070 ± 0,113 28,792 ± 0,096 23,443 ± 0,058 К-ть днів 1 день 3 день 6 день 20 25 Зменшення к-ті кисню, в % за об'ємом 8,995 ± 0,057 6,558 ± 0,014 4,325 ± 0,006 У таблиці 3 подано результати утилізації шкідливих газів біогазу у воді очисного пристрою (герметичного резервуару з перевареною водою) закваскою бактерій, які заносяться туди з біогазом. В даному випадку, через воду пройшов біогаз одного циклу бродіння, який тривав сім днів. Після завершення циклу бродіння очисний пристрій від'єднали від біоустановки зі збереженням герметики, де проходила очистка води від наявних газів і солей бактеріями протягом 7 днів, причому рН зростає в лужну сторону, вуглекислий газ, фосфати, аміак (амоній), сірководень майже повністю утилізується, а саме кількість вуглекислого газу зменшується у 15,9, фосфатів у 16,8, аміаку (амонію) у 53,4, сірководню у 2,63, гідрокарбонатів у 1,57 разу. Таблиця 3 Швидкість утилізації шкідливих газів біогазу у воді очисного пристрою бактеріями, які були занесені туди біогазом № з/п Показник 1 рН, одиниці рН 2 Вміст розчиненого кисню, мг 3 О2/дм 3 Вміст СО2, мг/дм 3 0 5,81± 0,027 /25 °C 3,7± 0,016 465,2± 1,296 5 Вміст речовин і газів у воді 1 доба 3 доби 5,98±** 6,2±** 0,019° 0,037 /24 /24° 2,3±*** 2,3± 0,009 0,013 265,8±*** 157,8±*** 0,815 0,266 6 діб 7,12±*** 0,021 /23° 6,4±*** 0,025 29,1±*** 0,043 UA 81058 U Продовження таблиці 3 Швидкість утилізації шкідливих газів біогазу у воді очисного пристрою бактеріями, які були занесені туди біогазом № з/п Показник 4 Вміст гідрокарбонатів (НСО3 ), 3 мг/дм 5 СО2, мг/дм (гідрокарбонатів) 6 Вміст фосфатів (РО4 ), мг/дм 7 перерахунок на Р, мг/дм 8 Вміст аміаку і іонів ΝΗ4+, мг/дм 9 перерахунок на Ν, мг/дм 3 3 2 3 3 3 10 Вміст сульфатів (SO4 ), мг/дм 3 Вміст сірководню і сульфідів (в 11 3 перерахунку на H2S), мг/дм 3 0 302,2± 1,396 216,5± 1,225 0,168± 6Е-04 0,055± 0,0001 2,67± 0,011 2,075± 0,007 16,1 0,016 3,16 0,017 Вміст речовин і газів у воді 1 доба 3 доби 300,2± 288±** 0,752 1,395 216,5± 207,7±*** 0,239 0,964 0,114±*** 0,025±*** 0,0006 0,0001 0,037± 0,008± 0,0001 0,0001 1,57±*** 0,658±*** 0,003 0,002 1,22±*** 0,51±*** 0,0063 0,001 17,67*** 16,94** 0,0642 0,0896 2,05*** 1,2*** 0,0057 0,0059 6 діб 263,3±*** 0,991 190,1±*** 0,62 0,01±*** 0,0001 0,003± 0,0001 0,05±*** 3Е-04 0,04±*** 2Е-04 ** - Р≤0,01; *** - Р