Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

АНАЛИЗ ИЗМЕНЧИВОСТИ КАЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА БИОГАЗА, ПРОИЗВОДИМОГО БИОРЕАКТОРОМ ПРИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ АНАЭРОБНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

Джамалова Г.А. 1
1 Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева
В статье показаны результаты статистического исследования по анализу изменчивости качественного состава биогаза на основе полученных с 6-го по 120-й день экспериментальных данных при интенсификации процессов анаэробного разложения твердых бытовых отходов в биореакторах. Согласно проведенным исследованиям выявлено, что высокие коммерческие показатели биогаза, такие как общее производство (39,938 л) и высокое содержание СН4 (58,3125 ± 5,91 %), низкое содержание СО2 (13,125 ± 1,62 %) в составе биогаза, были получены из малого биореактора № 1. По сравнению с качеством биогаза, произведенного свалочным телом Карасайского полигона ТБО можно отметить, что в процессе интенсификации анаэробного разложения ТБО в биореакторах, содержание метана в составе биогаза увеличивается примерно на 17 – 20 %. Более рентабельным будет производство биогаза при следующих условиях работы биореактора: содержание компоста не должно быть выше 30%; соблюдение физико-химических показателей работы биореактора (рН – слабощелочная, температура – мезофильный режим) обеспечит за короткий промежуток времени высокое производство биогаза (0,600 м3/ кг ТБО с содержанием метана не менее 67 %).
твердые бытовые отходы (ТБО)
биореактор
анаэробное разложение
биогаз
метан
1. Ананившвили Г.Д. Основы биоэнергетики и биоэнергетического строительства в сельском хозяйстве. Автор. дис… д-ра с.-х.наук. – М., 1959- 29 с.
2. Баадер В. Биогаз: теория и практика / Баадер В., Доне Е., Брендоорфер М. - Пер. с нем. М., 1982. – 148 с.
3. Джамалова Г.А. Интенсификация анаэробного разложения модельных образцов твердых бытовых отходов в биореакторах. Известия СПбГТИ(ТУ), № 23 (49), СПб- 2014.С.84-86.
4. Джамалова Г.А. Количественный и качественный состав фильтрата, получаемого из биореактора при ускоренной биодеградации твердых бытовых отходов. Известия СПбГТИ(ТУ), № 24 (50), СПб- 2014.С.73-77.
5. Дубровский В.С. Метановое сбраживание сельскохозяйственных отходов/ Дубровский В.С., Виестур У.Э. - Рига: Знание,1988.- 204 с.
6. Крупский К.Н. Использование биогаза в качестве источника энергии: обзорная информация/ Крупский К.Н., Андреев Е.Н., Ютина А.С. - М.: ЦБНТИ Минжилкомхоз РСФСР, 1988. – 43 с.
7. Лакин Г.Ф. Биометрия. М., Высшая школа. 1990. – 349 с.
8. Project No.516732. Project acronym: NISMIST. Project title: Management of environmental risks associated with landfills in seismically active regions in the New Independent States (NIS) of Central Asia. 2008. 91р. URL: http://www.ist-world.org (дата обращения: 3.02.2010).
9. Whilte L.P. Biomass at fuel/ Whilte L.P., Plassnet L.G.-1981.-87 P.

Продуктом анаэробного разложения твердых бытовых отходов (ТБО) является частично стабилизированный сброженный биогаз, основными компонентами которого являются метан (до 55 – 70 %), углекислый газ (до 27 – 45 %), азот (до 1%), водород (до 1 %) и сероводород (до 3 %) [7, с.23].

Биогаз, как коммерческий продукт имеет следующие преимущества [7, с.25]: это качественно стабильный продукт, является возобновляемой энергией, представляет собой экологически безвредное среднекалорийное газовое топливо (теплотворная способность 5000-5600 ккал/нм3).

Энергетическая рекуперация биогаза эффективна только при дешевизне производства. Утилизация энергии биогаза сводится к получению тепловой (при сжигании биогаза в котлах) и электрической энергии или преобразованию химической энергии в механическую (топливо для двигателей) [6, с.25]. Например, при полном энергопотреблении станции 15,1 млн. кВт·ч в год за счет работы мотор-генераторов на биогазе производят в год 15,6 млн. кВт· ч энергии [2; 6, с.31].

Цель исследования – изучение изменчивости качественного состава биогаза при интенсификации анаэробного разложения твердых бытовых отходов в биореакторах.

Материал и методы исследования. Материалом исследования послужил биогаз, вырабатываемый в процессе интенсификации анаэробного разложения ТБО в биореакторах (№ 1, 2 и 3) объемом 8,8 л при разных условиях загрузки: 2200 г (70% ТБО и30 % компоста), 2304 г (50 % ТБО/ % компоста) и 3000 г (100 % компоста) [3, 4, 8].

В целях изучения количества и качественного состава биогаза во времени пробы отбирались на 6, 12, 20, 34, 40, 46, 53, 60, 67, 74, 81, 87, 95, 101, 115 и 120-й день эксперимента (таблица 1) [8]. Качество биогаза оценивали по содержанию (%) в его составе СН4 и СО2.

Анализ изменчивости химического состава проб биогаза был проведен с использованием методов математической статистики [7].

Результаты и обсуждение. Анализ изменчивости количества и качественного состава биогаза при интенсификации анаэробного разложения ТБО проводили с помощью вариационно-статистического метода исследования (таблицы 2 и 3, рисунки 1 – 4).

Как видим из таблицы 2 и 3, изучение количества ежедневной и общей эмиссии биогаза в исследуемый период показало, что:

- среднестатистическая суточная эмиссия биогаза была максимальной для малого биореактора № 1 (0,363568 ± 0,13 л), минимальной – для малого биореактора № 3 (0,002 ± 0,002 л), тогда как малый биореактор № 2 занимал по данному исследуемому параметру промежуточное между малыми биореакторами № 1 и № 3 положение (0,2482 ± 0,07 л);

- изменчивость была относительно высока для всех трех биореакторов, при этом была максимальной для малого биореактора № 3 (398 %), средней – для малого биореактора № 1 (135,8 %) и наименьшей – для малого биореактора № 2 (103 %);

Таблица 1

Количество и качественный состав биогаза, производимых малыми биореакторами [8]

День эксперимента

Малый биореактор № 1

Малый биореактор № 2

Малый биореактор № 3

Количество

биогаза, л

Качество биогаза, %

Количество биогаза, л

Качество биогаза, %

Количество

биогаза, л

Качество биогаза, %

Суточная

Общая

СО2

СН4

Суточная

Общая

СО2

СН4

Суточная

Общая

СО2

СН4

6

0

0

0

0

0

0

40

48

0

0

0

0

12

0

0,1275

0

0

0,7325

2,135

23

60

0,0025

0,0825

0

0

20

0

0,1275

15

70

0,8475

7,385

12

60

0

0,1575

8

0

34

1,14

3,1825

20

73

0,37375

17,35375

20

65

0

0,68

8

0,1

40

1,35375

11,41125

20

70

0,500227

20,16864

14

58

0

0,68

7

0,05

46

1,3

19,96

20

68

0,3325

22,46227

14

55

0,03

0,71

5

0

53

0,6775

26,8375

20

70

0,22875

24,22227

14

58

0

0,7425

5

0

60

0,43

31,4025

18

68

0,1525

25,58727

16

58

0

0,7725

5

0

67

0,4775

34,5575

16

68

0,2325

26,87727

16

58

0

0,8025

5

0

74

0,23

36,5925

14

67

0,07

27,97727

16

58

0

0,8325

4

0,1

81

0,1625

37,85

12

66

0,1

28,84727

13

56

0

0,8625

5

0

87

0,0075

38,6575

12

66

0,2525

29,77227

10

52

0

0,8925

5

0,4

95

0

39,3675

9

60

0,065

30,59227

10

58

0

0,9225

5

0,3

101

0,015

39,6225

12

65

0,01

31,03727

11

50

0

0,9525

5

0

115

0,011667

39,87967

11

61

0,036667

32,86144

11

50

0

1,0125

5

0

120

0,011667

39,938

11

61

0,036667

33,04477

11

50

0

1,0125

5

0


Таблица 2

Вариационно-статистический анализ количества и качественного состава биогаза, производимого биореактором при интенсификации процессов биоразложения ТБО

Малый биореактор

Показатель

Суточная эмиссия, л

Качественный состав биогаза, %

СО2

СН4

№ 1

0,363568 ± 0,13

13,125 ± 1,62

58,3125 ± 5,91

Сv, %

135,8

48,2

39,5

№ 2

0,2482 ± 0,07

15,6875 ± 1,90

55,875 ± 1,19

Сv, %

103

47,2

8,3

№ 3

0,002 ± 0,002

4,8 ± 0,56

0,06 ± 0,03

Сv, %

368

46

202

- эмпирический высокий размах по суточной эмиссии биогаза был зафиксирован для малого биореактора № 1 (лимиты: от 0 л на 6, 12, 20 и 59-й день до 1,35375 л на 40-й день эксперимента), средний – для биореактора № 2 (от 0 на 6-й день до 0,8475 л на 20-й день эксперимента) и низкий – для биореактора № 3 (лимиты: от 0 в большинстве и до 0,03 л на 46-й день эксперимента).

Так как вычисленные значения достоверности () намного больше табличных значений t на трех уровнях вероятности (2,13; 2,95;4,07) [7, 323 с], то можно считать полученные средние арифметические высоко достоверными.

При сравнительном анализе суточной эмиссии биогаза (л) между тремя биореакторами мы наглядно из графика рисунка 1 видим, что по данному показателю лидирует биореактор № 1, т.к. начиная с 20-го дня эксперимента (0 л) мы прослеживаем подъем в выбросе биогаза до 1,14 л на 34-й и далее до 1,35375 л на 40-й день эксперимента, после – планомерное снижение эмиссии до 87-го дня эксперимента. Тогда как производительность второго малого биореактора по суточной эмиссии биогаза в процессе исследования претерпевает менее резкие колебания: подъем производительности отмечается уже на 12-й день эксперимента (0,7325 л) и далее с незначительными колебаниями производительность варьирует в пределах от 0,8475 л на 20-й день до 0,2525 л на 87-й день эксперимента. Производительность третьего малого биореактора была наихудшей, т.к. суточный выброс биогаза был отмечен только на 12-й (0,0025 л) и 46-й (0,03 л) день эксперимента, тогда как в другие исследуемые дни эмиссии биогаза обнаружено не было.

Рис.1. Суточная эмиссия биогаза в сравнительном аспекте между тремя малыми биореакторами, л

Рис.2. Общая эмиссия биогаза в сравнительном аспекте между тремя малыми биореакторами, л

Рис.3. Содержание в составе биогаза СО2, %

Рис.4. Содержание в составе биогаза СН4, %

Следовательно, общая производительность по биогазу (рисунок 2) первого малого биореактора была максимальной (39,938 л), далее по производительности следовал второй малый биореактор (33,04477 л) и наименьшая производительность была отмечена для третьего малого биореактора (1,0125 л).

За исследуемый период изучение среднестатистического качественного состава биогаза (таблица 3, рисунки 3 – 4) показало, что по метану наибольшее содержание было отмечено в биогазе, произведенного первым малым биореактором (58,3125 ± 5,91 %) при лимитах от 0 % на 6-й день эксперимента до 73 % – на 34-й день эксперимента. В произведенном за исследуемый период биогазе среднее содержание СО2 в рассматриваемом биореакторе составляла 13,125 ± 1,62 % и варьировала от 0 (6-й день эксперимента) до 20 % (от 34 – 53-го дня эксперимента). Тогда как второй малый биореактор по качественным показателям уступал первому по содержанию СН4 (55,875 ± 1,19 %) при лимитах 48% (6-й день эксперимента) и 60% (12 – 20-й день эксперимента), но превосходил по содержанию СО2 (15,6875 ± 1,90 %) при вариации от 10 % (87 – 95-й день эксперимента) до 40 % (6-й день эксперимента). Наихудший по качеству биогаз в исследуемый период был произведен третьим малым биореактором, т.к. среднестатистическое содержание СН4 составляла 0,06 ± 0,03 % при вариации от 0 (6 – 20-й день эксперимента) до 0,4 % (87-й день эксперимента), а СО2 – 4,8 ± 0,56 % при лимитах от 0 (6 – 12-й день эксперимента) до 8 % (20 – 34-й день эксперимента).

Исходя из вышеизложенного можно отметить, что качество биогаза по содержанию СН4 претерпевает во времени существенные изменения. Так, на примере биореактора № 1 можно отметить, что качественное развитие биогаза во времени претерпевает периоды от полного отсутствия в составе биогаза метана (по 12-й день эксперимента) до периода, когда состав биогаза «обогащен» метаном (этап максимального производства метана – это с 20-го по 53-й день эксперимента, когда среднее содержание метана в биогазе составляло 70,2 % и с 60 по 87-й день эксперимента, когда среднее содержание метана все еще находился на высоком уровне – 67%) и далее, период спада (со 101-го дня эксперимента), характеризующаяся планомерным снижением содержания метана в биогазе (61,75 %).

На следующем этапе был проведен статистический анализ многомерных (суточная/общая эмиссия биогаза, содержание в биогазе СН4 и СО2) корреляционных связей. Силу связи одного из них (Х – суточная/общая эмиссия биогаза) с двумя другими признаками (Y – содержание в биогазе СН4; Z – содержание в биогазе СО2) измеряли с помощью коэффициента множественной корреляции [7, 251 с.].

Согласно произведенным расчетам выявлено, что связь между суточной эмиссией биогаза и содержанием СН4 и СО2 была положительной. А по силе связи коэффициент был выше среднего для малого биореактора № 1 (0,63) и № 2 (0,6), тогда как для малого биореактора № 3 – рассчитанный коэффициент был низким (0,14). Критерий достоверности (tф) для биореактора № 1 составил 2,94, № 2 – 2,73 и № 3 – 0,52 (tst = 2,16 для k = 16 – 3 = 13 и α = 5 % [7, 323 с.]). Следовательно, нулевая гипотеза отвергается для малых биореакторов № 1 и № 2 на 5 %-ном уровне значимости.

При рассмотрении частных коэффициентов корреляции наиболее высокой по силе связи оказался коэффициент корреляции между содержанием метана и углекислого газа при исключении влияния на эту связь суточной эмиссии биогаза (0,95; биореактор № 1) и коэффициент корреляции между суточной эмиссией биогаза и содержанием метана при исключении влияния на эту связь содержания углекислого газа (0,8; биореактор № 1; 0,61; биореактор № 2 и № 3). Наименьший коэффициент частной корреляции был отмечен для малого биореактора № 3 по всем исследуемым сочетаниям (от 0,01 до 0,1). Критерий достоверности (tф) для биореактора № 1 составил 3,43, № 2 – 0,41 и № 3 – 0,44 (tst = 2,16 для k = 16 – 3 = 13 и α = 5 % [7, 323 с.]). Следовательно, нулевая гипотеза отвергается для малого биореактора № 1 на 5 %-ном уровне значимости. Исходя из полученных данных можно дать следующее утверждение, что исследуемые признаки для малого биореактора № 3 независимы друг от друга и в выборке связаны косвенно.

Заключение. Согласно проведенным исследованиям можно заключить, что высокие коммерческие показатели биогаза, такие как общее производство (39,938 л), высокое содержание СН4 (58,3125 ± 5,91 %), низкое содержание СО2 (13,125 ± 1,62 %), были получены из малого биореактора № 1. При сравнении с качеством биогаза, произведенного свалочным телом в условиях Карасайского полигона ТБО г. Алматы можно отметить, что в процессе интенсификации анаэробного разложения ТБО в биореакторах, содержание метана в составе биогаза увеличивается примерно на 17 – 20 %. Более целесообразным будет производство биогаза при следующих условиях работы биореактора: соотношение компоста в составе биогаза не должно быть выше 30 %, соблюдение физико-химических показателей работы биореактора (рН – слабощелочная, температурный режим – мезофильный) обеспечит за короткий промежуток времени высокое производство биогаза (0,600 м3/ кг ТБО [1, 9] с содержанием метана не менее 67 %). При этом, из 1 м3 биогаза, как коммерческого продукта, можно будет получить от 1,6 до 2,3 кВт·ч [5, с.97] или 1.95 кВт.ч [6, с.31] электроэнергии. Как известно, 1 м3 биогаза с содержанием 60 % метана дает примерно 22 МДж, а 70% – 25 МДж энергии [5, с.97].

Рецензенты:

Еликбаев Б.К., д.б.н., профессор, профессор, Казахский национальный аграрный университет, г. Алматы;

Тлеукулов А.Т., д.с.-х.н., профессор, профессор, Казахский национальный аграрный университет, г. Алматы.


Библиографическая ссылка

Джамалова Г.А. АНАЛИЗ ИЗМЕНЧИВОСТИ КАЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА БИОГАЗА, ПРОИЗВОДИМОГО БИОРЕАКТОРОМ ПРИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ АНАЭРОБНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 4. ;
URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=21119 (дата обращения: 21.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074