поэтому в массе отходов протекают сначала аэробные, а затем анаэробные микробиологические процессы. Условно микробиологические процессы, происходящие в свалках, можно разделить на четыре этапа, различающиеся по газовому составу (рис. 8). Сначала между частицами мусора находится воздух, содержащий около 20 % кислорода. Через некоторое время он поглощается аэробной микрофлорой и начинается деятельность анаэробной микрофлоры — сначала не образующей метан, а затем метаногенов. В зависимости от местных условий через несколько месяцев или через год наступает стабильное метановое брожение, и в выделяющемся газе содержится 50—55 % СН4, около 40 % СО2 и 5 % N2.
В 70-х годах в США и странах Европы для получения энергии начали использовать газ, выделяющийся при разложении мусора в свалках. Для этого на различной глубине устанавливают перфорированные трубы, через которые откачивают газ.
В Дании проведено обследование городских свалок и сделано заключение, что 45 из них пригодны для получения биогаза {WiMumsen, 1985). На этих свалках около 38 млн т мусора, и биогаз может образовываться в течение 25 лет.
В годы перестройки в г. Выборге изготовлена опытная установка по получению электроэнергии из выделяющегося в городской свалке биогаза. Данная свалка занимает площадь около 1 га, толщина слоя мусора 6—12 м, масса мусора 400 тыс. т. Для эксперимента был выделен участок с массой мусора около 50 000 т, на котором сделаны 8 отверстий, соединенных при помощи трубопроводов, насосов и фильтров с дизелем мощностью 32 кВт и способностью тепло-генерирования 60 кВт. При скорости сбора газа 20 м3/ч дизель работал хорошо. На основании этого опыта выполнен проект получения энергии на свалке г. Выборга. При этом можно получать ежегодно 24 000 кДж энергии, что заменит 600 т нефти. Данное мероприятие оказалось экономически выгодным, но дальнейшего развития к сожалению не получило.
Получение биогаза на городских свалках относится к типу твердофазной ферментации. Аналогично можно ферментировать и отходы сельскохозяйственного производства, например солому влажностью около 60 %. При температуре 35 °С деструкция органического вещества на 90 % достигается за 120—200 сут, при 55 °С — за 60—90 сут (R. С. Loehr, 1984).
Экономические аспекты переработки отходов
В некоторых странах Азии широко распространены небольшие биогазовые установки объемом 1 — 2 м3 и производительностью 2—3 м3/сут. Конструкции таких биореакторов несложны, поэтому их изготовляют в основном силами семьи. В связи с этим стоимость их невелика, следовательно, они экономически оправданы, так как обеспечивается газом кухня и к тому же обезвреживаются отходы. В Китае и Индии начат промышленный выпуск биореакторов объемом 5—10 м3, производительностью по биогазу около 10 м3/сут. Такие биореакторы используют кооперативно. В Юго-Восточной Азии, где широко применяются эти установки, благоприятны и климатические условия, что позволяет обеспечить мезофильный режим без подогрева.
В странах Европы к концу 20 века действовали 546 крупных биогазовых установок, причем 77 % их были установлены на фермах для утилизации сельскохозяйственных отходов {Demuyncket. al., 1984). При обследовании 150 установок выявлено, что капиталовложения зависят от их комплектации. Если в комплект входит генератор электроэнергии, то стоимость увеличивается на 30—70 %. Однако эксплуатация биогазовых установок в Европе показала преимущества трансформации энергии биогаза в электрическую. Если установки изготовлены силами хозяина, стоимость на 26 % ниже, чем при заводском изготовлении. Установлено также, что удельная стоимость 1 м3 полезного объема биореактора снижается при увеличении объема аппарата и стабилизируется при объеме 100 м3. Стоимость оборудования существенно влияет на стоимость получаемого биогаза. В странах Общего рынка удельная стоимость установки в расчете на 1 м3 реактора не должна превышать 300—400 европейских единиц валюты (ECU—EuropeanCurrencyUnit). Немаловажное значение имеют система биореактора и принцип его работы. Был проведен сравнительный анализ продуктивности и стоимости оборудования следующих трех систем:
1) анаэробный контакт в одном реакторе (французская система) ;
2) механическое перемешивание и рециркуляция биомассы;
3) проточная система с флокуляцией биомассы без носителя
(табл. 11). Данные получены при метановом сбраживании
сточных вод сахарного производства.
Таблица 11.Производительность и стоимость биореакторов различных систем
| Система | Продуктивность, мэ/(ма-сут) | Стоимость 1 м3 биореактора, ECU |
Анаэробный контакт в одном реакторе0,88248
С механическим перемешиванием и рециркуля-0,64436
цией биомассы
Проточная с флокуляцией биомассы5,42159
Была изучена также окупаемость биогазовых установок. Обследованы 32 установки, из которых 5 самодельные и 3 явно экономически выгодные (срок окупаемости 3—4 года). 27 установок, изготовленных различными фирмами, по окупаемости оказались менее выгодными.
Однако, как показали результаты проведённых иссследований экономически оправданы лишь биогазовые установки, которые обеспечивают продуктивность не ниже 1 м3/(м3-сут) и имеют удельные капиталовложения не более 300—400 ECU за 1 м3 биореактора.
Экономические аспекты получения биогаза при современных животноводческих фермах изучены также в Швейцарии (Э. Эдельманн, 1985). Автор приходит к выводу, что практически все виды отходов сельскохозяйственного производства могут быть переработаны в биогаз и получаемая таким образом энергия может покрыть основные потребности хозяйства. Однако невыгодно ориентироваться только на энергию биогаза, так как для утилизации различных отходов требуется применение специальных технологий и оборудования. Получение биогаза и отходов выгодно тем, что переработке подвергаются влажные субстраты.
Э. Эдельманн отдает предпочтение мезофильному режиму ферментации, при котором на поддержание процесса тратится меньше энергии и не нужна столь тщательная изоляция оборудования и коммуникаций. В отдельных случаях допустим даже психрофильный режим (15—20 °С), но в этом случае потребуется биореактор большого объема. Чем больше животных на ферме, тем меньше удельные капиталовложения. Так, при поголовье крупного рогатого скота 20—30 ежегодные удельные расходы на выращивание одного животного в условиях Швейцарии составляет около 2500 швейцарских франков, а при 70 животных — 1500. 40—50 % капиталовложений идут на работу биореактора, коммуникаций и насосов. Для эксплуатации биореактора удельные расходы на одно животное составляют 150—300 швейцарских франков.
Рентабельность эксплуатации биогазовых установок во многом зависит от конкретных условий и умелого проектирования установки. Э. Эдельманн приводит ряд случаев, когда были созданы слишком большие биореакторы и биогаз использовался нерационально, особенно в летний период. Автор считает, что государство должно поощрять создание биогазовых установок, выделяя дотации, так как это мероприятие направлено на оздоровление окружающей среды.
Весьма положительным фактором при оценке экономики метанового сбраживания сельскохозяйственных отходов является использование жидких отходов после ферментации в качестве удобрения или в качестве корма для рыб и других животных (Marambaet. a!., 1983; Marchaim, 1983).
На основании данных работ опытной установки в Калабрии (Италия) был сделан расчет стоимости биогаза. Биомассу водорослей получили в морской воде в бассейне площадью 500 м2 и сбраживали ее в метан в биореакторе объемом 1 м3. При выходе метана из 1 кг растворенного сухого вещества биомассы 0,35 м3 оказалось, что стоимость 1 кДж энергии такого биогаза составляет 10 долл. Выход энергии при получении метана из водорослей выше, чем при получении этанола из сахарного тростника или метанола из древесины (Wagner, 1985).
Необходимо отметить, что биологическая очистка коммунальных и промышленных стоков должна стать обязательным условием хозяйствования. Выбор системы очистки — дело инженерного расчета с учетом экономической оценки вариантов. Но главным критерием всегда должно быть получение безвредных для природы стоков. При одинаковом экологическом результате экономически более оправданы системы анаэробной обработки стоков (табл. 12), при которых в анаэробной установке перерабатывается 1,1 т ХПК/сут и обеспечивается БПКб очи щенной воды около 4,5 мг/л. Годовой доход от такой системы около 3000 руб. Аэробная система очистки стоков никакой прибыли не дает.
Чтобы стимулировать оздоровление экологической ситуации, государство должно не только обеспечить контроль за соблюдением экологических нормативов, но и централизованно покрыть часть расходов на установление таких систем. Такого подхода требуют интересы современного общества и будущих поколений российских учёных.
Таблица 12. Сравнительная оценка систем очистки стоков
| Показатель | Аэробная | Анаэробно-аэробная |
| Капитальные вложения, тыс. руб. | 270 | 270 |
| Расход энергии, кВт-ч/сут | 600 | 120 |
| Количество избыточного ила, кг/сут | 330 | 85 |
| Количество метана, нм3/сут | — | 260 |
| Годовые эксплуатационные расходы, руб. | ||
| Итого | 11 470 | 2530 |
| В том числе | ||
| на энергию | 2800 | 570 |
| на химикаты | 5400 | 330 |
| на обслуживающий персонал | 1600 | 800 |
| на техобслуживание | 1670 | 830 |
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
А и а л а Ф., К а и г е р Дж. Современная генетика. В 3-х томах: перевод с английского/под ред. Ю. П. Алтухова, Е. В. Ананьева. — М.; Мир, 1987. Т. 1 -295 с., Т. 2 — 368 с.