THE USE OF METHANOGENIC PLANTS BASED ON SOLID COMMUNAL WASTE IN LOW-RISE CONSTRUCTION

Abstract


The authors consider the main aspects of local utilization of waste of low-rise buildings by methane fermentation with the subsequent production of secondary energy resources. Currently, the generation of methane in artificial conditions is an intensively developing industry. Previously, the authors studied the experience of the regions of Russia in the disposal of solid domestic waste. It is revealed that the processing of solid municipal waste in bioreactors can be carried out with the joint fermentation of various wastes. This is also possible by adding existing accelerators for the methane fermentation reaction. The quantitative characteristics of waste generated on the territory of individual residential low-rise buildings have been studied. From the total volume to be disposed of, waste potentially suitable for the formation of the initial substrate was isolated. The main properties of raw materials for the necessary generation of bio methane have been determined. The specific methane yield during its constant generation has been calculated for various combinations of municipal waste of low-rise buildings. The paper presents a general concept of local processing of municipal solid waste and describes the scheme of the methane generating plant. The dimensions and technical characteristics of the installation for obtaining bio methane from waste at the place of their formation in residential buildings have been determined. In addition, the calculation of thermal energy produced on the base on generated methane was carried out. And it was found that the introduction of methane-generating plants in the technical systems of low-rise buildings allows to increase their energy efficiency, reduce the load on existing landfills of solid domestic waste and achieve maximum utilization of waste from residential areas.

Full Text

Введение Современный технический прогресс благодаря синтезу инжиниринга и экологии позволяет использовать отходы в качестве полезного сырья, трансформируя их в тепловую или электрическую энергию. Генерация метана в искусственных условиях - интенсивно развивающаяся отрасль. Так, по данным [1] прирост в использовании биометана составляет 2,2 % ежегодно. Согласно [2] в 2018 г. в Евросоюзе было установлено 18 202 биогазовых установки общей мощностью 2,28 млрд м3 биометана, что позволило генерировать 11 082 МВт электроэнергии. Различные методики получения метана на базе сельскохозяйственных отходов с применением микрокультур и разнообразных добавок широко представлены за рубежом в материалах [3-5]. Огромное внимание удаляется также подготовке полученного биогаза к использованию, процессам очистки и кондиционирования биометана в [6], техническим и экономическим аспектам применения биотоплива в [7-9]. Развитие технологий утилизации отходов производства и потребления актуально и для современной России. На данном этапе задано направление совершенствования нормативного-правового регулирования сферы обращения с отходами [10]. По сути, в России дан старт для создания новой технологичной отрасли российского производства, требующей актуальных технологий рекуперации отходов. Российские источники рассматривают различные способы утилизации ТКО путем метанового брожения и различные способы интенсификации процесса (Г.А. Джамалова [11], Б.Б. Идигенов [12]; А.В. Садчиков [13]; Н.Ю. Курнакова [14], К.О. Оковитая [15], В.М. Кошелев [16]). Из перечисленных источников следует, что переработка твердых коммунальных отходов централизованно или локально в биореакторах возможна при совместном сбраживании различных отходов или при добавлении акселераторов реакций метанового брожения. Таким образом, опыт других регионов может быть перенесен в Тюменскую область, ресурсный потенциал которой ежегодно составляет около 2,5 млн т отходов, из которых 56 % могут подвергаться метановому сбраживанию. На данном этапе развития отрасли вторичных материальных и энергетических ресурсов в Тюмени обезвреживаются только 73,5 % [17]. Основным способом обезвреживания промышленных и коммунальных отходов на территории Тюменской области служат полигоны, из которых только 74 % соответствуют санитарно-экологическим нормам. Остальная часть отходов распределяется по несанкционированным местам размещения, число которых ежегодно приближается к 200 [18]. Научная новизна предлагаемого исследования определяется тем, что в первую очередь создаваемые на основе разработанных нами проектных решений установки метаногенеза позволяют утилизировать до 75 % отходов селитебных территорий. Переработка отходов в анаэробных условиях позволяет решать еще одну актуальную проблему - создание новых источников возобновляемой энергии [19]. Кроме того, при сжигании биогаза можно получать как электричество, так и тепло, что приводит к экономии ресурсов. Этот аспект можно учитывать при сооружении автономных источников энергии в отдаленных регионах. Основная часть Целью работы стало моделирование метаногенерирующей установки с загрузкой комбинированных отходов домохозяйств. Данная установка позволят не только вырабатывать метан в результате переработки отходов селитебных территорий и экономить до 17 % тепловой энергии на отопление зданий, но также решает вопрос с утилизацией побочных продуктов метаногенеза (углекислый газ и гумусообразный продукт). Качественный и количественный состав отходов, образующихся на территории города Тюмени, изучался авторами ранее в [19; 20]. Субстрат для синтеза биогаза формировался из твердых коммунальных отходов, предварительно отсортированных, и отбросов бытовых сточных вод, представляющих собой влагонасыщенную смесь пищевых отходов, бумаги, текстиля и биоматериалов. На первой стадии из твердых отходов путем ручной сортировки были извлечены перерабатываемые компоненты (пластик, стекло, металл и т.д.). Отбросы бытовых сточных вод подвергаются декантации, после чего смесь отходов измельчается. Сравнение компонентов, подлежащих метановому сбраживанию в бытовых сточных водах (БСВ) и твердых коммунальных отходах (рис. 1), показывает наличие питательной среды для первого этапа выработки метана. В табл. 1-3 приведены расчеты количества исходного сырья для получения метана в малоэтажном здании с коэффициентом семейности 4 и расчетное количество образующегося биометана. Поскольку сбраживание проходит в четыре этапа, важно контролировать загрузку метаногенерирующей установки по мере образования твердых отходов. Поэтому необходимо оценивать поступление компонентов субстрата в разные промежутки времени для регулирования неравномерности поступления отходов. Рис. 1. Содержание биогенных компонентов в различных видах исходного сырья для метаногенеза Fig. 1. The content of biogenic components in various types of feedstock for methanogenesis Таблица 1 Компоненты сточных вод, служащие питательной средой для метаногенеза Table 1 Wastewater components serving as a nutrient medium for methanogenesis Наименование показателя Количество загрязняющих веществ г/ч г/сут кг/сут кг/нед кг/мес кг/год Взвешенные вещества 10,83 260,00 0,26 1,82 7,28 87,36 БПК5 10,00 240,00 0,24 1,68 6,72 80,64 Общее количество 20,83 500,00 0,50 3,50 14,00 168,00 П р и м е ч а н и е : БПК5 - биохимическое потребление кислорода за 5 сут. Таблица 2 Количество твердых коммунальных отходов от одного домохозяйства Table 2 The amount of municipal solid waste from one household Наименование показателя Количество загрязняющих веществ кг/сут кг/нед кг/мес кг/год Твердые коммунальные отходы 3,57143 25 100 1200 Отбросы бытовых сточных вод 4,75 33,25 133 1596 Общее количество 8,32143 58,25 233 2796 Таблица 3 Общий выход метана на базе смешанного субстрата Table 3 Total Methane Yield Based on Mixed Substrate Наименование показателя Удельное количество метана Общий выход метана Общий выход метана кг/кг кг/сут кг/год м3/сут м3/год Загрязнения сточных вод 0,219 0,11 36,72 0,09 30,10 Твердые коммунальные отходы 0,262 0,94 314,65 0,77 257,91 Отбросы бытовых сточных вод 0,181 0,86 288,876 0,70 236,78 Общее количество - 1,91 640,246 1,56 524,79 В данном случае метаногенерирующую установку можно будет использовать как оборудование для создания тепловой энергии. Данная установка сможет обеспечить отоплением малоэтажное строительство с этажностью не более двух-трех этажей. По габаритам установка имеет следующие параметры: установка в разрезе с комплектующим оборудованием и со всех сторон, представленные на рис. 2-4. Рис. 2. Габариты метаногенерирующей установки Fig. 2.Dimensions of the methane generating plant Рис. 3. Установка в разрезе Fig. 3. Sectional installation Рис. 4. Установка в четырех видах Fig. 4. Installation from all sides Существующие метаногенерирующие установки (МГУ) используются в основном для сбраживания жидких и пастообразных отходов, чаще всего сельскохозяйственных. Особое место занимают сооружения метанового брожения осадков очистных сооружений бытовой канализации. Особенностью таких МГУ являются значительные размеры и субстраты с другим соотношением биогенных компонентов (белков, жиров, углеводов), рассчитанные на другою влажность и зольность исходного сырья. В существующих установках метаногенеза процесс получения метана протекает, по сути, в естественных условиях, без устройств, позволяющих влиять на процесс, увеличивая выход биометана. Установок для генерирования метана на базе отходов селитебных территорий на российском технологическом рынке пока не представлено. Максимальная загрузка установки 200-250 кг отходов в месяц. Установка способна производить до 500-600 м3 биометана в год. Количество тепловой энергии, получаемой на базе произведенного биометана, составляет 4129,608 кВт в год. Выводы 1. Представленная установка может интегрироваться в систему жизнеобеспечения зданий. 2. Использование отходов для генерации вторичных энергетических ресурсов демонстрирует эффективность от 5 до 17 %. 3. Внедрение утилизации отходов селитебных территорий по месту образования имеет синергетический эффект, складывающийся из снижения площади полигонов ТКО, уменьшения логистических затрат на транспортировку отходов и увеличения общей энергоэффективности жилищно-коммунального хозяйства. 4. Внедрение раздельного сбора и установок локальной утилизации отходов повышает экологическую культуру населения в целом, что в конечном итоге повышает качество окружающей среды урбанизированных территорий.

About the authors

K. V Afonin

Industrial University of Tyumen

T. S Zilina

Industrial University of Tyumen

A. A Zagorskaya

Industrial University of Tyumen

M. N Pavlova

Industrial University of Tyumen

References

  1. Статистический отчет Европейской биогазовой ассоциации, 2020: Возобновляемый газ - истории успеха. - URL: https://www.europeanbiogas.eu/wp-content/uploads/2020/12/EBA_Renewable-Gas-Success-Stories-2020.pdf (дата обращения: 15.12.2020).
  2. Возобновляемые источники энергии 2019. Отчет о состоянии дел в мире. - URL: https://www.ren21.net/wp-content/uploads/2019/05/gsr_2019_full_report_en.pdf (дата обращения: 15.12.2020).
  3. Rajesh K. Srivastava. Bio-energy production by contribution of effective and suitable microbial system // Materials Science for Energy Technologies. -2019. - Vol. 2. - P. 308-318.
  4. Siamak Farhad, YeongYoo, Feridun Hamdullahpur. Effects of fuel processing methods on industrial scale biogas-fuelled solid oxide fuel cell system for operating in wastewater treatment plants // Journal of Power Sources. - 2010. - Vol. 195, iss. 5. - P. 1446-1453.
  5. Thermodynamic, economic and environmental assessment of energy systems including the use of gas from manure fermentation in the context of the Spanish potential / Anna Skorek-Osikowska, Mario Martín-Gamboa, Diego Iribarren, Diego García-Gusano, Javier Dufour // Energy. - 2020. - Vol. 200, № 117452.
  6. Deep removal of sulfur and trace organic compounds from biogas to protect a catalytic methanation reactor / Adelaide S. Calbry-Muzyka, Andreas Gantenbein, Jörg Schneebeli, AlwinFrei, Amy J. Knorpp, Tilman J. Schildhauer, Serge M.A. Biollaz // Chemical Engineering Journal. - 2019. - Vol. 360. - P. 577-590.
  7. Renewable energy, institutional stability, environment and economic growth nexus of D-8 countries / Mahjabeen, Syed Z.A. Shah, Sumayya Chughtai, Biagio Simonetti // Energy Strategy Reviews. - 2020. - Vol. 29, № 100484.
  8. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1876610217327911-! Biogas as a co-firing fuel in thermal processing industries: implementation in a glass melting furnace / Marcel Fiehl, Jörg Leicher, Anne Giese, Klaus Görner, Bernhard Fleischmann, Simone Spielmann //Conference: 11th European Conference on Industrial Furnaces and Boilers. - Albufeira, Portugal, 2017.
  9. Combustion and Emission Characteristics of a Spark Ignition Engine Fuelled with Biogas from Two-Phase Anaerobic Digestion (T-PAD) / Yang Zhang, Mingming Zhu, Zhezi Zhang, Dongke Zhang // Applied Thermal Engineering. - 2018. - Vol. 129. - P. 927-933.
  10. Стратегия экологической безопасности Российской Федерации на период до 2025 года, утвержденная Указом Президента РФ от 19 апреля 2017 г. № 176. - URL: http://static.kremlin.ru/media/acts/files/0001201704200016.pdf (дата обращения: 15.12.2020).
  11. Джамалова Г.А. Анализ изменчивости качественного состава биогаза, производимого биореактором при интенсификации анаэробного разложения твердых бытовых отходов // Современные проблемы науки и образования. - 2015. - № 4.
  12. Идигенов Б.Б., Садчиков А.В., Кокарев Н.Ф. Применение субстратов с быстрым расщеплением для повышения метаноотдачи биогазовых установок с комбинированной загрузкой // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - № 613.
  13. Садчиков А.В. Повышение энергетической эффективности биогазовых установок // Фундаментальные исследования. - 2016. - № 10, ч. 1. - С. 83-87.
  14. Анализ развития производства биоэнергетического топлива / Н.Ю. Курнакова, Д.С. Католиченко, О. Сухарев, А.А. Волхонский // Фундаментальные исследования. - 2016. - № 9, ч. 2. - С. 268-272.
  15. Оковитая К.О., Суржко О.А. Аналитический обзор получения и использования биогаза. - URL: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_204_Surzko.pdf_89e5431c14.pdf (дата обращения: 30.03.2020).
  16. Кошелев В.М., Нургалиев Т.И. Оценка рисков проектов по производству биогаза в России // Известия ТСХА. - 2016. - № 5. - С. 108-118.
  17. Доклад об информации правительства Тюменской области о реализации в Тюменской области Федерального закона «Об отходах производства и потребления»: постановление № 775: принято Тюменской областной Думой 20 декабря 2012 г. - URL: http://docs. cntd.ru/document/428569920 (дата обращения: 15.12.2020).
  18. Щуркова Н.И. Биогаз как источник чистой энергии. - URL: http://elib.sfu-kras.ru/ handle/2311/5955 (дата обращения: 30.03.2020).
  19. Zhilina T., Afonin K., Zagorskaya A. Reduction of environmental impact of solid domestic landfills of residential area due to their recycling // MATEC Web of Conferences. - 2017. - Vol. 106. - № 07004.
  20. Афонин К.В., Жилина Т.С., Загорская А.А. Переработка отходов селитебных территорий с целью получения вторичных энергетических и материальных ресурсов // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. - 2017. - № 4 (33). - С. 65-73.

Statistics

Views

Abstract - 0

PDF (Russian) - 5

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2022 Afonin K.V., Zilina T.S., Zagorskaya A.A., Pavlova M.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies