Е.С. Панцхава, ЗАО Центр «Экорос», Москва

Последнее время значительное количество звонков в редакцию посвящено просьбам рассказать об израильской технологии переработки бытовых отходов ArrowBio. После ознакомления с присланным нам материалом мы с удивлением узнали, что технология двухстадийного метанового брожения отходов, используемая в ArrowBio, уже была разработана в СССР в 1961 г. и применялась в промышленности. И хотя данная технология сейчас широко не используется (по разным причинам), редакция посчитала необходимым познакомить своих читателей с ее особенностями, памятуя о том, что почти все новое - это хорошо забытое старое.

Немногим более 35 лет прошло со времени мирового энергетического кризиса, ставшего мощным стимулом к решению трех проблем:

• рационального использования всех существующих на Земле ис­точников топлива и энергии;
• более эффективного применения всех видов биомассы как источни­ков постоянно возобновляемой энергии;
• сохранения баланса С0₂ в атмос­фере Земли и уменьшения «пар­никового эффекта».

Последние две проблемы тесно связаны между собой.

На земном шаре в результате про­цессов фотосинтеза самого мощного преобразователя солнечной энергии посредством конверсии С0₂ ежегод­но продуцируется более 200 млрд т биомассы (по сухому веществу), то есть в среднем при содержании в биомассе около 50 % углерода в про­цессе фото-синтеза усваивается до 300 млрд т С0₂. Для этого необходи­мо затратить 3-Ю²⁴ Дж солнечной энергии.

Почти такое же количество С0₂ вы­деляется в окружающую среду при естественном отмирании и разложе­нии органической массы, и лишь очень незначительная часть транс­формированных органических веществ уходит из естественного кру­гооборота углерода, накапливаясь на дне болот (торф), озер (сапропель), или переносится грунтовыми и под­земными водами в более глубокие пласты земли. Данный баланс С0₂ не­обходимо сохранять, чтобы не усили­вать «парниковый эффект».

Одно из направлений по сниже­нию парникового эффекта его - это сокращение использования традици­онных источников энергии за счет расширения использования нетради­ционных энергоносителей, в том чис­ле биомассы.

Большая часть накапливаемой биомассы, постепенно трансформи­руясь, главным образом в результате сложной пищевой цепочки биосфе­ры, в конечном итоге окисляется до С0₂ По законам сохранения энергии это разложение и окисление сопро­вождаются выделением энергии, ко­торая излучается в мировое про­странство. Только на территории России ежегодно в результате естес­твенных процессов в космос рассеи­вается такое количество освобожда­емой энергии,которое эквивалентно нескольким миллиардам тонн нефтя­ного эквивалента. Можно ли каким-нибудь образом, не нарушая глобаль­ных природных процессов и баланса С0₂ в атмосфере, часть этой излуча­емой энергии аккумулировать для использования в качестве коммерческой энергии? Современная наука и техника указывают на реальность такой возможности.

В России ежегодно образуется бо­лее 229 млн т (по сухому веществу) органических отходов растительного и животного происхождения. В част­ности, в сельскохозяйственном про­изводстве они составляют 209 млн т (животноводство и птицеводство -59 млн т, растениеводство -150 млн т). В городах количество твердых быто­вых отходов (ТБО) не превышает 20 млн т. По энергосодержанию это количество отходов эквивалентно 81 млн т условного топлива.

Природа биологического процесса разложения органических веществ с образованием метана за прошедшие тысячелетия не изменилась. Но сов­ременные наука и техника создали оборудование и системы, позволяю­щие сделать эти «древние» техноло­гии рентабельными и применяемыми не только в странах с теплым клима­том, но и в странах с суровым конти­нентальным климатом, например, в России.

ТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ ТБО

Известно, что существуют следую­щие технологии переработки и обез­вреживания ТБО:

· захоронение на полигонах с естес­твенным разложением отходов в течение многих десятилетий. Пе­риод полураспада ТБО в таких условиях составляет 30-60 лет;

· мусоросжигание и газификация;

· переработка коммерчески выход­ных фракций: ПЭТФ, металла, стекла и т.д.;

· биотермирование (активное ком­постирование) - микроаэрофильный процесс с получением тепло­вой энергии и твердых органичес­ких удобрений;

· биогазификация: пассивная в земляных картах, активная - в стационарных биореакторах- метантенках;

· сжигание в газогенераторах с по­лучением горючих газов (тепловой и электрической энергии) и шла­ма, который затем используется в качестве строительного материала (дорожного покрытия).

Перечисленные технологии имеют определенные недостатки, препятс­твующие их широкому внедрению:

• сжигание ТБО практически ликви­дирует ценную органическую со­ставляющую, которая является исходным сырьем для получения органических удобрений и эколо­гически чистого топлива - биогаза, что особенно актуально для не­больших городов и крупных посел­ков, не имеющих промышленных предприятий и ТБО которых не загрязнены тяжелыми металлами;
• при сжигании отходов происхо­дит выброс дымовых газов в ат­мосферу;
• сепарирование ТБО, с одной сто­роны, не решает проблему полно­го обеззараживания органической части ТБО, подвергающейся пос­ледующему компостированию, а с другой стороны, этот процесс (компостирование) переводит в С0₂ до 50 % перерабатываемого углерода - потенциального источ­ника топлива;
• биогазификация в буртах проте­кает с небольшой скоростью в течение нескольких лет, что не снимает проблему отчуждения земель, хотя и в меньших масш­табах, чем при организации поли­гонов;
• 90 % оставшихся ТБО сбрасыва­ется в мусорные отвалы, что тре­бует постоянного отчуждения но­вых земель вокруг городов, как правило, окультуренных, так как период «полураспада» ТБО со­ставляет 30-60 лет.

Современные экологические про­блемы требуют решения вполне кон­кретной задачи: создание стационар­ных, непрерывно действующих, без­отходных, высокорентабельных заводов с коротким сроком циклом переработки органики (не более 25-30 суток) и применение технологии пе­реработки органической составляю­щей ТБО, позволяющей:

• осуществить промышленную переработку ТБО без изъятия зе­мельных площадей;
• сократить продолжительность об­работки до нескольких недель против нескольких лет;
• обеспечить полное обеззаражива­ние в соответствии с существую­щими санитарными нормами;
• создать рентабельный процесс с получением товарной продукции -экологически чистых высокоэф­фективных органических удобре­ний и газообразного топлива.

Проблема разработки такой техно­логии - мирового масштаба, и ее раз­работкой занимались и занимаются в ряде стран, в частности, в Израиле, где запатентовали технологию ArrowBio, позволяющую производить из бытовых отходов биогаз, который может использоваться в силовых ус­тановках. В течение 5 лет эту техно­логию испытывали в лабораторных и полевых условиях на полупромыш­ленном заводе рядом с г. Хадера (Из­раиль), позже применили на заводе в Тель-Авиве. Данная технология была одобрена специалистами из Израиля, США и других стран как более эффек­тивный и экономичный метод пере­работки ТБО по сравнению с тради­ционными.

Технология ArrowBio при перера­ботке бытовых отходов позволяет предотвратить такое опасное явле­ние, как выделение в атмосферу ме­тана и диоксида углерода (сопровож­дающее разложение отходов на поли­гонах), и предотвратить усиление «парникового эффекта», вызываемо­го этими газами.

Основные преимущества предла­гаемой технологии:

• образование биогаза, используе­мого на электростанциях и в му­ниципальном транспортном сек­торе (с гораздо меньшим количес­твом вредных выбросов);
• возвращение в хозяйственный оборот более 90 % отсортирован­ных бытовых отходов материалов (металлы, пластмассы, стекло) и т.д.;
• снижение эффекта «глобального потепления»;
• исключение загрязнения атмосфе­ры, почвы и водных ресурсов;
• производство высококачествен­ного компоста (удобрения).

Твердые бытовые отходы измель­чаются, далее в присутствии эффлюента (элюата) производится гидро­дробление с одновременным извле­чением полимерных отходов, отходов черных и цветных металлов, стекло­боя, древесных отходов.

Очищенная органическая масса подвергается биогидролизу и кислот­ному анаэробному брожению с обра­зованием летучих жирных кислот и низших спиртов. Кислотная бражка подается во второй биореактор, где протекает мезофильная метангенера-ция. А метановая бражка разделяется на жидкий эффлюент, направляемый во второй резервуар с гидродробле­нием. Твердый осадок используется в качестве биологического удобрения (рис. 1).

В технологии ArrowBio используют двухстадийное метановое брожение: кислотогенную и метаногенную ста­дии, что позволяет сократить время переработки.

Безусловно, такая технология представляет интерес, но ее приобре­тение требует большей детализации по основным параметрам технологи­ческого процесса и больших капи­тальных затрат.

РОССИЙСКАЯ ЭКСПРЕСС-ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТБО

Впервые двухстадийное метано­вое брожение было разработано в СССР в 1961 г. и использовалось в промышленности при переработке ацетоно-бутиловой барды методом термофильного метанового броже­ния для производства препарата ви­тамина В₁₂ и биогаза. В 1970-е гг. двухфазный процесс при переработ­ке ТБО был использован в Шве­ции.

В конце 1980-х гг. в Институте био­химии имени А.Н. Баха АН СССР была разработана технология рецир-куляционно-твердофазной термо­фильной метангенерации органичес­кой составляющей ТБО в биогаз и удобрения. Фундаментальные основы такой технологии позволили создать экспресс-технологию переработки органической фракции ТБО в газооб­разное топливо - биогаз и органичес­кие удобрения; время переработки - 2-3 недели вместо 30—60 лет на полигонах.

Технологическая система включа­ла два биореактора-метантенка: ре­актор для твердофазной метангене­рации (влажность бродящей массы 75-80 %) и реактор для жидкофазной метангенерации (влажность 97-98 %). Жидкая фаза (с помощью на­сосов) постоянно прокачивалась че­рез реактор с твердой фазой, что создавало высокую скорость разло­жения органических веществ в термофильных стабильных условиях. Результаты одного из таких пилот­ных экспериментов приведены в табл. 1, 2.

Объемы пилотных метантенков - по 110 л, температура фермента­ции - 55 °С, образцы ТБО были взя­ты из мусорных контейнеров одного из жилых массивов Москвы. Металл и стекло не удалялись, крупные кус­ки бумаги предварительно измель­чались.

Для более убедительного доказа­тельства устойчивости процессов ферментации при использовании такой технологии органическая со­ставляющая была дополнена легкоразлагаемыми органическими пище­выми отходами, включая измельченные пакеты из-под молочных продуктов.

Количество и состав газов, а также другие параметры процесса анализи­ровались по известным методикам. Рециркуляция жидкой фазы проводи­лась со скоростью, чтобы общий рабочий объем в первом биореакторе (ТБО + инокулят) оставался без из­менения.

Как показали полученные данные, в процессе термофильной рециркуляционно-твердофазной обработки 2,5 кг ТБО за 33 сут выделилось 584 л биогаза, содержащего до 68 % метана; при этом во втором реакторе среднее содержание метана в процессе фер­ментации составило 85,5 %, значение рН - одного из основных параметров, отражающих условия протекания процесса, - поддерживалось на оп­тимальном для данного процесса уровне, равном 7,25-8,25. В то же время в контрольном варианте, где процесс проходил по одному из ме­тодов классической метангенерации, он остановился на пятые сутки из-за накопления кислых продуктов, ингибирующих развитие метаногенных бактерий, что подтверждалось сни­жением рН среды до 4,37, конечное значение рН составило 4,65. Выход биогаза не превышал 44,6 л или 4,8 % количества биогаза, образовавшего­ся в опытном варианте. Содержание метана - 10,3, С0₂ - 76,5, водорода -13,2 %.

Все это свидетельствовало о доми­нировании кислотогенной стадии процесса в контрольном варианте, где конверсия по органическому вещес­тву составила всего 16 %. Выход био­газа на 1 кг обработанных ТБО соста­вил 374 л, метана - 253 л, на 1 т - со­ответственно 374 и 253 м³. Выход органических удобрений (шлама) по сухому веществу достиг 0,41 кг или 16,4 %, а при влажности 80 % - 2,1 кг.

За три недели ферментации (21 сут) выход биогаза составил 882 л, или 94 % общего объема образовавшегося биогаза, метана - 585 л, или 92,6 %. Степень разложения органических веществ ТБО, оцененная по образо­вавшемуся биогазу, за 21 сут равня­лась 68 %, тогда как за 33 сут - 71 %, то есть обработку ТБО по предлага­емой технологии можно вести в тече­ние 15-20 сут. Таким образом, рециркуляционно-твердофазная термофильная обра­ботка ТБО создает стабильные условия для поддержания оптимальных значений некоторых параметров фи­зико-химической и биологической природы, что обусловливает высокую скорость процесса разложения органического составляющей ТБО с об­разованием значительного количест­ва биогаза с высоким содержанием метана. Включения иной природы (металлы, стекло, резина и т.д.) не сдерживают этот процесс. На основании проведенных ис­следований предложена технологи­ческая схема рециркуляционно-твердофазной термофильной ме­тангенерации ТБО, представленная на рис. 2. Срок обработки ТБО при данной технологии - 10 сут. Их размельчают, а затем шнековым транспортером подают в биореактор-метантенк с твердофазной ферментацией.

Рисунок 2 - Схема экспресс-технологии по переработке ТБО методом рециркуляционно-твердофазной термофильной биометангенерации

После загрузки ТБО первый реактор ино-кулируется, то есть заполняется жид­кой фракцией, содержащей метано-генный биоценоз, и общая влажность субстрата доводится до 80 %, но не более.

Далее масса-субстрат подогрева­ется до 52-53 °С. Эта температура поддерживается автоматически с по­мощью либо тепловых рубашек, рас­положенных вокруг реактора, либо внутренних теплообменников. Воз­можны любые варианты при соблю­дении лишь двух условий - рента­бельности и технологичности процес­са. Через сутки после инокуляции начинают процесс рециркуляции (можно периодически каждые 4-5 ч, можно непрерывно) жидкой фракции из второго биореактора (жидкофаз-ная метангенерация).

Слабощелочная метановая браж­ка, содержащая активную бактери­альную массу, подается самотеком в верхнюю часть первого реактора, где создается активная зона, в кото­рой легкоразлагаемые органические вещества конвертируются в кислые продукты, частично нейтрализуе­мые метановой бражкой и ей же вы­водимые из активной зоны в ниж­нюю не работающую часть реактора. Оттуда эти кислые продукты насо­сом перекачиваются во второй ре­актор.

Рециркуляция позволяет постоян­но поддерживать в активной зоне первого реактора:

· нейтральное значение рН, опти­мальное для активного развития
метаногенного биоценоза и ста­бильного протекания процесса.

Установка, работающая по такой технологии, может быть связана со станциями аэрации по очистке город­ских и коммунальных стоков, где роль жидкофазных реакторов будут вы­полнять действующие метантенки.

По конструкции твердофазные биореакторы-метантенки могут быть вертикальными и горизонтальными. Их высота будет определяться филь­трующейся способностью самой об­рабатываемой массы, которая будет зависеть от плотности последней и создаваемого ею давления. Установка, работающая по такой технологии в сочетании с заводами-сепараторами, позволит создать ком­плексные, экологически чистые, практически безотходные, рента­бельные предприятия по переработ­ке ТБО в любом климатическом по­ясе, в любом городе и поселке с по­лучением черных и цветных металлов, строительных материалов, газооб­разного топлива, электрической и тепловой энергии, удобрений без не­обходимости отчуждения полезных земель.

Наибольшее распространение та­кая технология может получить в не­больших городах или поселках, где сведено к минимуму попадание про­мышленных отходов, содержащих, как правило, тяжелые металлы в ко­личествах, превышающих предельно допустимые нормы, и где полученный после переработки шлам можно ис­пользовать как органические удобре­ния, которые существенно повышают рентабельность таких комплексных заводов.

В небольшом городе с населением 20 тыс. чел. образуется 14-17 т/сут или 5-6 тыс. т/год ТБО. Их перера­ботка может дать 1,75-2,1 млн м³ био­газа в год и до 4-4,8 тыс. т/год орга­нических удобрений при влажности 80 96.

Практический опыт использова­ния биогазовых технологий в разных регионах России показал, что это - не только один из инструментов полу­чения технического топлива из био­массы, но и реальный путь к увели­чению прироста самой биомассы при применении получаемых с помощью этих технологий удобрений, содер­жащих природные высокоактивные стимуляторы роста растений класса ауксинов, служащих дополнительной утилизации образующихся избыточ­ных количеств углекислоты в атмос­фере.

Твердые бытовые отходы - посто­янный бич всех городов мира - при использовании новейших биогазовых технологий смогут не только полно­стью перерабатываться за короткие сроки без ущерба для окружающей среды и агрокомплекса, но и стать хорошим сырьем для получения стро­ительных материалов,топлива,энер­гии и удобрений. Россия не будет ис­ключением (среди стран, создавших рыночную экономику) в части ис­пользования биомассы (разнообраз­ные органические отходы сельскохо­зяйственного производства и ТБО), которая сможет использоваться для получения топлива и энергии, особен­но в местах, удаленных от источников централизованного энергоснабже­ния, а также для получения высоко­качественных органических удобре­ний, несущих в себе огромный потен­циал прироста исходной первичной биомассы.

1. Pantskhava E.S. The use ofbiomass energy in Russia: The problems and perspec-tives / E.S. Pantskhava, N.L. Koshkin //Renewable sources of energy and their significance for energy polici in Germany and Russia. Freiburg in Breisgau. 24 October 1994.

2. Панцхава E.C. Техническая био­энергетика: Биомасса как дополни­тельный источник топлива. Получе­ние биогаза / Е.С. Панцхава, И.В. Бе-резин // Биотехнология. 1986. № 2. С. 1-12.

3. Семенов Н.Н. Наука и общество /Н.Н. Семенов. - М.: Наука, 1973.

4. Горбунова Н.В. Формальво-ки-нетическая модель процесса метан-генерации механически обезвожен­ных, осадков городских сточных вод при использовании спонтанной ана­эробной микробной ассоциации /Н.В. Горбунова, Э. Ф. Брин, С. О. Варосян и др. // Прикладная биохимия и мик­робиология. 1990. Т. 26. Вып. 5. С. 635-641.

4. Панцхава Е.С. Метангенерация твердых органических отходов горо­дов /Е. С. Панцхава, Е.В. Давиденко // Биотехнология. 1990. № 4. С. 49-53