Ауылшаруашылығы қалдықтарынан алынатын биогаздың өнімділігін арттыру үшін белсендірілген көмірді пайдалану

Түйін

Мақалада ауылшаруашылығы қалдықтары негізінде алынатын биогаздың өнімділігін арттыру үшін белсендірілген көмірді пайдалану жағдайларын зерттеу нәтижелері келтірілген. Зерттеу нәтижесінде субстраттың органикалық қүрғақ заты және қүрғақ заты сияқты көрсеткіштері анықталды. Зерттеуде көрсетілгендей, белсендірілген көмір анаэробтық ашыту нәтижесінде, биогаздың шығысын және ондағы метанның қүрамын үлгайтуға мүмкіндік береді. Осылайша, белсендірілген көмірмен толтырылған анаэробтық реактор биогаз өндірісі үшін экономикалық тиімді болып табылды.

Кілт сөздер: биогаз, метан, технология, субстраттық қоспа, сапа.

Кіріспе

Биогаз - бүл, мал шаруашылығы, қүс шаруашылығы, түрмыстық, өсімдік, ағын сулардан және т.б. қатты және сүйық қалдықтардан алынатын айтарлықтай арзан экологиялық жанармай болып табылады. Өзінің сипаттамалары бойынша биогаз табиғи газға үқсас келеді [1].

Қалдықтарды анаэробты ыдырату арқылы алынған биогаз қүрамында метан (~60% (көл.)) және көміртек диоксиді (~40% (көл.)) бар. Газдарда күкіртті сутек, аммиак, су булары бар; оның жылу өндіру қабілеті төмен - 19,5-19,8 МДж/м³. Газды тазарту және кептіруден кейін CH₄ мөлшері 98% (көл.) кем болмауы тиіс (жылу өндіру қабілеті 33,0 МДж/м³-тан кем емес), H₂S концентрациясы (3-5)*4*10^-4% (3,5 млн^-1)аспауы тиіс.

Соңғы жылдары биогаз өндірісіне деген қызығушылық едәуір артты. Оны жоспарланып отырған немесе қүрылып жатқан биогаз қондырғыларынан ғана байқап қоймай, сонымен қатар, ауыл шаруашылық қожалық иелерінің, коммуналдық қызыметтердің, кәсіпорындардың, осы сектордың даму барысын мүқият қадағалап отырған саясаткерлермен жеке кәсіпкерлердің қызығушылығының артуынан да байқауға болады [2-3].

XXI ғасыр әлемнің көптеген елдерінде өндірістік күштің қарқынды дамуымен сипатталады. Нәтижесінде, энергияның барлық түрлеріне деген сүранысты лезде жоғарылатты. Соның ішінде, көмір, мүнай және табиғи газ сияқты қазба отын өнімдері. Табиғатты сақтауда үлкен маңызы бар дәстүрлі емес энергия түрлерінің дамуына, жаңа энегия жинақтаушы технологиялардың қүрылуына, мал шаруашылығы фермаларымен кешендердегі көңнің үлкен көлемін зарарсыздандырумен қайта қалпына келтіру мәселесіне байланысты органикалық қалдықтарды өңдеудің жаңа әдістеріне қатаң мән беруді талап етеді. Биоигаз қондырғыларын өндірістік пайдалану және ең ауқымды зерттеу тәжірибелері, осы аудан бойынша жүмыс жасайтын мамандарға айтарлықтай пайдасын тигізуі мүмкін. Дегенмен, осы талдау деректері жеке кәсіпорындардың өздеріне тиесілі болып табылады. Зерттеудің есептеу әдістері және кейбір қатысты көрсеткіштері нақты бір мақсатты көрсетеді, себебі, биогаз қондырғыларын пайдаланудың рентабельділігі - көп жақты мәселе болып табылады. Мүндай қондырғыларды белігілі бір елді мекеннің жағдайына қарай қүру мәселесіне ерекше мән беріледі.

Көң және басқа да органикалық қалдықтарды метандық ашыту мәселелеріне қызығушылық танылып отыр. Қи және ауыл шаруашылығы қалдықтарын өңдеуге арналған биогаз қондырғылары салынып жатыр [1, 4]. Ашыту камералары, газгольдер және тым ашып кеткен массаға (шламға) арналған қойма кіретін қондырғыдан басқа, шламдарды егістіктерге айдайтын сорғы станциясы және биогазбен жүмыс істейтін электр станциясы салынады.

Қатты заттарды тиеудің жаңа технологияларын пайдалану, сонымен қатар қүрамында көп қатты заттар бар субстраттармен көбінесе жүмыс істеуге дағдыланбаған массаны араластыруға арналған қүрылғылар, кейбір жағдайларда технологиялық процестің техникалық және биологиялық қамтамасыз

етуінде дұрыс жүмыс істемеудің және іркілістердің қайта-қайта пайда болуына алып келеді [5]. Өте үлкен көлемде шығындар келтіретін жабдықтардың тоқтап қалуын болдырмау үшін, пайдаланылатын агрегаттарды жаңартылмалы шикізат негізіндегі субстраттардың қүрылымдық сипаттамаларына сәйкес таңдалуы тиіс.

Биогаз алу бойынша зерттеулер белсендірілген көмір қүрылымындағы саңлаулардағы микроағзалардың кең ауқымды отарлануы үшін оңтайлы жағдайларды анықтауғы мүмкіндік береді. Белсендірілген көмір саңлауларында жүтылған микроағзалар метаболикалық қабілетті жоғары деңгейіне ие. Белсендірілген көмір саңлауларындағы микроағзалардың кеңістіктік отарлануымен тез жерсінуі есебінен үшқыш майлы қышқылдардың жылдам метан газына айналуына алып келеді.

Зерттеу әдістері

Биореактор. Көлемі 250 м³ кеңейтілген биогаз қондырғысы пайдаланылды, онда үш зерттеу жасалды, оның бірі бақылаушы сынама. Қоректік орта ретінде түрлі түздардың қоспасы пайдаланылды, K₂HPO₄ ашытқы сіріндісі, цистеин, 2-меркаптоэтаносульфонат, г/л: KCl - 0,67; MgCT6H₂O - 11,2; NH₄Cl - 1; CaCk2 H₂O - 0,28; K₂HPO₄ - 14; ашытқы сіріндісі - 2; Fe(NH₄)₂(SO₄)₂/6H₂O - 0,2; резорцин - 0,1; NaCl - 293; NaHCO₃ - 5; цистеин - 0,25; 2-меркаптоэтаносульфонат - 0,25; Na₂SNH₂O - 0,5., сонымен қатар, микроағзалардың өсуі үшін ашытқылар экстракті пайдаланылды. Оңтайлы қүрамы авторлармен бірге алдын ала дайындалған [6]. Метаногенді бактериялар мәдениеті өлшемі түрлі белсендірілген көмір беттеріне жабысады. рН ортаны 7,2 асырмай Na₂CO₃ және HCl ерітінділерін қосу арқылы үстап түрды. Температуралық үрдісін 350С үстап түрды. Зерттеуді талдау органикалық жүктеменің - 2,04 ; 2,9; 4,0; 7,0; 10,2 түрлі жылдамдығы кезінде жүргізілді.

Қалдықтарды ашытуға дайындау. Қалдықтарды дайындау үшін 92%-ға дейін ылғалдандырылған массасы 7500кг сынама алынды.

Ашыту. Белсендірілген көмірдің бетіне шамалы себілген метантүзуші бактериялардың мәдениетімен дайындалған қалдықтарды реакторға енгізді. Ашыту жүйесі кезінде оңтайлы температурамен рН ортаны 7,2 асырмай Na₂CO₃ және HCl ерітінділерін қосу арқылы үстап түрды.

Тәжірибелік тексеру және қайта өңделетін энергия көздерінің мүмкіндіктерін көрсету, сонымен қатар, ірі қара малдың тезегін анаэробтық ашыту режимдерін өңдеу М.Әуезов атындағы Оңтүстік Қазақстан мемлекеттік университетінің лабораториялық жағдайында жасалды және лабораториялық диаметрі 15 см және биіктігі 40 см 2 анаэробты реакторы бар биогаз қондырғысы дайындалды. Белсендірілген көмірді пайдалану арқылы метанды алу мақсатында зерттелді.

Зерттеу нәтижелері және оларды талқылау

Қалдықтарды анаэробтық ашыту үшін арнайы қондырғы қолданылды. Дайындалған қалдықтармен метан түзуші бактериялар дақылдары биореакторға енгізілді. Ашыту үрдісі кезінде оңтайлы температурамен рН үстап түрылды.

Метаногенез үшін қолайлы ылғалдылық 85% және одан жоғары болып табылады, сондықтан 9096% ылғалдылық мәні оңтайлы болып саналады. Биогаз өнімділігін тестілеу жүйесінде қадағаланып отырған биогаздың тәуліктік өнімділігімен метанның пайыздық көрсеткіші бойынша түзілген метан мөлшерінің тәуліктік мәні есептелді. Кесте 1 субстрат ретінде түрлі қалдықтарды пайдаланғандағы биогаздың өнімділігі келтірілген.

Кесте 1 - Түрлі субстратты пайдаланған кездегі биогаз өнімділігі

Жарықсыз 35°C температураны үстап түру үшін арнайы инкубатор пайдаланылды. Зерттеу жүргізу барысыда Methanosarcina barkeri микроағзасының бар екендігі анықталды.

Реакторлардағы өлшенген үшқыш заттардың (Ө¥З) соңғы концентрациясын 6,0 г/л дейін жеткізді, Ө¥З жалпы қүрғақ өлшенген заттарға (ҚӨЗ) қатынасы 66% қүрады. Әрбір реактордан алынған биогаз үш тәулік ішінде газды баллондармен сіңірілді. СН₄, CO₂ және H₂ қүрамын газды хроматографтың (GCMS-QP2010 Ultra (Shimadzu) көмегімен анықтады.

¥шқыш майлы қышқылдардың (¥МҚ) концентрациясы жоғары тиімділіктегі сүйықтық хроматографиясының (VarianProStar) көмегімен анықталды. Белсендірілген көмірге біріктірілген микроағзаларды сканерлеуші электронды микроскоптың (JSM-6490LV) көмегімен қадағаланды. Зерттеу 82

үшін өрік сүйектерінен алынған үнтақ тәріздес белсендірілген көмір пайдаланылды. Белсендірілген көмірдің концентрациясы 7 г/л қүрайды.

83

БАО белсендірілген көмірінің бастапқы және микроағзалармен қоректік ортада ІҚМ тезегі
негізінде алынған сүзіндіде өндірілген түрі

Қорытынды

Сынаманың беткі қабатын жетілдіру, оның саңлауларының кеңістігінің өзгеруіне әсер етеді. Оған белсендірілген көмірдің адсорбциялық қабілеті байланысты болады. Соған қарамастан, әрбір сорбентке оның қүрылымын, іс жүзінде өлшемін анықтауын және саңлаулардың пішінін есепке ала отырып, дербес көзқарас қатаң болуы тиіс. Жоғары қысым кезіндегі адсорбенттің өтпелі саңлауларының фазалық өтуі капилярлық конденсация механизімі бойынша жүзеге асады.

Белсендірілген көмірдің енгізілуі метаногенездің қосылуын жылдамдатады, соның салдарынан белсендірілген көмір санлауларында микроағзалардың кеңісгікте колонизациялануы есебінен ҰМҚ метанды газға айналуының жылдамдауына алып келеді.

Әдебиеттер

1. Барбара Эдер, Хайнц Шульц. Биогазовые установки. Практическое пособие. Основы планирования. Строительные работы. Типы установок. Экономическая обоснованность. // перевод с немецкого. - 2008 г.
2. Биогаз - электроэнергия, тепло, биоудобрение. 11 шагов к цели.: практическое руководство. - Ташкент, 2011 г.
3. Виноградова А.В., Козлова Г.А., Аникина Л.В.. Биотехнология топлива: учеб. Пособие. Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008. - 212 с.
4. А. К. Курманов, К. С. Рыспаев, М. К. Рыспаева. Перспективы производства биогаза в Казахстане / Агроинженерные науки. Известия Оренбургского Государственного Аграрного Университета. Выпуск № 4 (42) / 2013, С. 78-80.
5. Биогаз на основе возобновляемого сырья. Сравнительный анализ шестидесяти одной установки по производству биогаза в Германии. Изд-во Специальное агентство возобновляемых ресурсов (FNR). - С. 115
6. Миндубаев А.З., Минзанова С.Т., Скворцов Е.В., Миронов В.Ф.,Зобов В.В., Ахмадуллина Ф.Ю., Миронова Л.Г., Белостоцкий Д.Е., Коновалов А.И. Стимулирующее влияние сухой фитомассы амаранта Amaranthuscruentus на биометаногенез в трудноферментируемых субстратах. Технология и аппараты пищевых производств. Р220-226.