Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Совершенствование процесса биоконверсии углеотходов в энергоносители посредством выбора биологически активного комплекса

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Совершенствование процесса биоконверсии углеотходов в энергоносители посредством выбора биологически активного комплекса"

-8

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ 0 д РОСШСКИИ УНИВЕРСИТЕТ ДРЮШ НАРОДОВ

Ш5 • '

На правах рукописи

ЗАНИНА Ирина Александровна

УДК 631.461+663.033

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА БИОКОНШРСИИ УШЕОПОДОВ В ЭНЕРГОНОСИТЕЛИ ПОСРЕДСТВОМ" ВЫБОРА БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОГО КОМПЛЕКСА

II .00.11 - Охрана свружавдей среды и рационе льнов использование природных ресурсов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995 г

Работа выполнена ни каЗедре промышленной экологии и

бсзоиасности *.иэнедеяге.г.ьностн в Российском университете дружбы ниродов

НаучнЫ! р: коьодлтель: кандидат технических наук» 4 догент Ь.Д.Сусленков

ОЗшшампыо оппоненты:

доктор экономических наук, профессор Н. А.Архипов,

кшщидит технических наук И.В.Игнатович

Ьодудоя организация - АО "Туковугодь"

Зацлти диссертации состоится <ре$ЬСМ+1 1995г. в на заседании длссертагаонмого совета К 055.¿2.«¡6 в Российской унагерсатете дружбы народов со адресу: 117202, Москва, ул. Орджоникидзе, д.З

С диссортапаей можно ознакомиться в научной библиотеке Российского университета дружбы народов (117198, Москва, улЛ'аклухо-Ыаклая, д.6^

Ученый секретарь диссертационного совета кащгдат химических наук, допент

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность работа. Снижение в последние годы обьи.мов добычи твердых энергоносителей в связи с экономические спадом производства ие решает проблемы накопления техногенных ресурсов в виде твердых отходов угледобычи, в том числе со значительный содерм-вием органо-минеральных веществ, интенсивно воздеаствуших на окружающую природную среду и ухудшающих экологическую обстановку в угледобывающих регионах.

Так, шахтами отраслями ежегодно видается на поверхность бо-аее 250 ылн.т углеотходов, только терриконами угольных шахт высасывается в атмосферу около 5 млрд.т вредных веществ.

Йиесте с тем углеотходы - один из видов техногенных ресурсов, юлностью удовлетворяющий условиям их рационального освоения, так-;е как и природные минеральные ресурсы. За период развития угольна промышленности накоплен достаточный объем исследования, кото-ые доказывает возможность использования различных углеотходов в аэнообразных аспектах хозяйственной деятельности.

Однако, все существующие пути использования углеотходов об-адают малой экологичностьв. Внедрение в природоохранные керо-риятия биотехнологкческих процессов отвечает требованиям новых -дологически чистых технологий. Одной из возмоаных на сегодня зхнологий утилизации углеотходов, которая согласуется с аркрод-ти экологическими циклами, является технология получения нетра-щиенных энергетических ресурсов - горючего и топлива путем мик-)бноа конверсии углеотходов. К настоящему времени сведения о ре-шзации данной технологии в промышленности отсутствует.

В связи с этим -утилизация углистого вещества твердых отходов ■ольной дроэдшленности путем микробной конверсии в жидкие и гаэо-разные энергоносители, позволяющая снизить техногенную нагрузку окружающую природную среду в местах их образования и накопле-я, является актуальной научной задачей.

Диссертационная работы выполнена во исполнение НТО "Экологи-ская безопасность России" подраздела "Разработать биотехнологию илиэации отходов угледобычи" (номер государственной регистрации 590071096) раздела "Создание биотехнологии добыли, переработки сомплаксного использования полезных ископаемых" межвузовской про-шмы научно-исследовательских работ ГЬсобразовакия СССР на 1989- ' )2 гг. "Экологически чистое горное производство" ("Недра").

ü<'г.у wcotu - <1ору.аротнче наиболее активного биоценоза мик-рооршпш.ов дпл направленной биопереработки угольного сырья в о.'.ипз ¡i иргшю-улшеральние удобрения для повышения эффективности охрани округдгцеа среди и рационального использования природных ресурсов.

/¿■¿••i рцготц заключается в том, что смешанные анаэробные ас-ссц'.'.ац;;,1. микроорганизмов позволяют получать энергоносители из твердых углеотходов с собяадеиием экологических требований.

urneч.нич задачи работы:

- виг.э.'нить анализ состояния вопроса в области биоконверсии углеотходов, обосновать актуальность рабо^, цель, идео и задачи

иссг.едокжий;

- выполнить теоретические исследования по оценке кинетики образования Сиогаза при сиодеградации углеотходов;

- исследовать процесс получения энергоносителя в зависимости от используемого биоценоза микроорганизмов, технической характеристики угля, влияния предобработки угольного субстрата}

- установить технологические рехикы, приемы и параметры процесса скоутклизоции углеотходов в энергоносители;

- пкцелнкть оценку . экономической эффективности получения энергоносителя upa биоконверсии углеотходов.

Моте,*'! ¡'.еег.едованид :

- rpa ;оа u а г. ¡: т ü ч е с к i; 2, статистического анализа, лабораторного

и натурного экспериментов.

Научные положения, зацисаемые в диссертационной работе и их новизна:

- обоснован выбор рабочих биоценозов, адаптированных к углю, стеганных анаэробных «етаиогенных ассоциаций, осуществляющих процесс биодеградациа углистого вещества углеотходов в биогаз и гуыи новые кислоты путем использования культур: CIcííhíUu+k,

■f i'a к t (¿i y J>u iú<i>*ot^-ut*ü. H*t4fpo*i¿e*a, (z) '

анаэробный консорциум ыетантенка (4);

- устаноялено положительное влияние разделения стадий кисло то- и метангенерации на процесс биоконверсии углеотходов. осущест вляемэе путем использования биореактора, состоящего из двух после довательно соединенных резервуаров, причем объем второго в зависи мости от целей биоконверсии и используемой культуры варьирует в

пределах 1,5 - 3,5 первоначального объема;

- изучение кинетика образования газообразных продуктов про-цасоа биоконверсии углеотходов позволлет определить константы дуцирования метана и углексислого газа - К, удельные скорости роста ¿и. кислотообразующих и метаногенных микроорганизмов, спрогнозировать объемы реакторов для каждой стадии процесса.

Достоверность результатов исследомни;! аодтьерадаетси:

- достаточным объемом экспериментальных данных, полученных при лабораторных и. натурных исследованиях;

- применением современных методов анализа и нормированных методик при проведении экспериментальных и аналитических исслидоьа-ний;

- достаточным уровнем надежности и сходимости для расчета параметров процесса а количеств образующегося энергоносителя с фактическими данными.

Научное значение работы заключается в:

- установлении возможности совершенствования процесса биоксн-версии углистого вещества углеотходов посредством выбора наиболее аффективного биологически активного комплекса - смешанных анаэробных сообществ микроорганизмов группы культур: Рз. «¿^¿^'«¿ича

метаногенный консорциум метантенка (4);

- доказательстве необходимости разделения стадий процесса бноконверсии углеотходов, путем реализации в последовательно соединенных реакторах, объемы которых .зависят от совокупного влияния особенностей используемых культур микроорганизмов, технические характеристик перерабатываемого угольного сырья и технологических. параметров процесса;

- установлении того факта, что в результате биоутилизации вредных для окружающей среды твердых отходов угледобычи, на основе выбора биологически активного комплекса и технологических параметров реализуются условия- перевода их в экологически чистые цюдукты в виде биогаза и гумииовых кислот;

- при утилизации одной тонны углеотходов на основе биотехно-югических процессов нагрузка на ОПС снижается'на 40 %,

Практическое значение -работы состоит в том.« что:

- разработаны принципиальные технелогические схемы получения щвргонооитедя из углистого вещества углеотходов, на основе биотех-юлогии при периодическом I непрерывном культивировании, с исполь-

30Ы1НРЛ-И приема разделения стадий кпслото- и метанообразования»

- разраоотана "Методика и рекомендации по биоконверсии угле-отходув ь газоосразные энергоносители", принятая для практического кепок эоцания в АО "Ростовугодь".

А;:.;ч-га:;;'.я работы. Основные положения диссертационной работы докладнмъ-.ись на совещаниях научно-технического Совета АО "Рос-топуж.и" а п. "Юнлейная" (1993, 1994 гг.).

Пуг г.'.ка:;-,'.к. По результатам выполненных исследований опубли-коыпш 3 печатные 'работы.

■ С'("-1'л/ и структура диссертации: Диссертационная работы состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных настраницах маинокиснохчэ текста, содерлиТчЗ<2 рисунка , 41 таблицу,спи-сск г.: т с] а гуру (00 наименования, Два приложения.

ОСйиШОБ С0£ЬК£А1БЕ РАБОТЫ

Технология кс.улг.ексного .использования минеральных ресурсов при ¡а:<гас"огк_' м.есторсйдениг полезных ископаемых должна органич-); о с^-итйтюч с сро^ессам развит ад экосистемы и базироваться как 'ни ракшах развитая вещества, так и на законах функ-

ипонирг-ьинид сиос4*гры, которой свойственны устойчивость и саыо-рсгул.:; синие во времени. »¡менно биотехнология, возникла я на стыке сп.-'Г.српческпх, химических к технических наук, обеспечивает выполнение всех требования, предьявляелвд к новым 1экологически чистым) технология;.!, призванных ликвидировать нехватку энергии, "минеральных ресурсов и улучшить состояние окружагцей природной среды.

Одним из интенсивно развивавшихся направлении биотехнологии является б'.'.ггоотгхиог.огпл, изучаемая геохимическую деятельность микроорганизмов, участвуг^нх в геологических процессах.

Большой вклад в развитие биогеотехнологии внесли А.Д.Агате, С.Н.Грудев, У.В.¡Иванов, Г.М.КараваИсо, Н.К.Ляликова, Э.М.Моска-лсико, В./..!'1и:еиьхиц, А.¡1.Нестеров, Дх.Росси, А.Е.Горма и другие исследователи.

Биоконьерскя твердых у?леотходов до хидких и газообразных энергоносителей - одно из начинающие развиваться научных и прикладных направлений биогеотехнологии. Видовое многообразие форм микрофлоры, развивающейся на поверхности угля, и существенная роль микроорганизмов в формировании угольных месторождений делает возможной задачу бактериальной деградации угольного вещества, В природных условиях происходит процесс формирования естёственно-

£о биоценоза в сочетании с облагораживанием угля (в результате действия соответствующей микрофлоры), снижением содержания водорода за счет выделения метана, уменьшением доли кислорода при виде лении'углекислого газа. В то же время при добыче угля, когда естественное состояние пластов нарушено производственной деятельностью человека, происходит спонтанное, хаотичное развитие других форм микрофлоры на поверхности угля, приводящее к некоторому химическому и структурному его преобразованию. Интенсифицирование таких процессов с целью биотрансформациа угля возможно путем развития активных по отношению к углю форм микрофлоры.

Поэтому формирование экологически сбалансированного биоценоза микроорганизмов для направленной оиоконверсии угля в целевые продукты является актуальной научной задачей.

Анализ литературных источников показал, что научные разработки во всем мире в области биоконверсии углеогходов находятся на стадии фундаментальных исследований. Поэтому . целесообразно изучить процесс биоконверсии органической составляющей углеотхо-'дов в целевые продукты (биогаз и органо-шнералыше удобрения) в промышленных объемах, что дозволит в местах накопления углеотхо-дов подучать экологически чистое топливо, улучшить экологическую обстановку п угледобывающих регионах и рационально использовать природные реоурсы.

Таким образом, концепция развития биотехнологических методов утилизации углеотходов сводится к следующему:

- формирование наиболее активного биоценоза микроорганизмов для направленной биотрансформации угольного сырья;

- отработка технологических условий осуществления процесса "биопереработки;

- регушфование направленности и глубины процесса биоконвер-оаи для; получения продуктов топливного и нетопливного назначении;

- реализация процесса биопереработки в промышленных масштабах. ,

Среди бактерий, визнедеятеньность которых приводит к разрушению угля, имеются представители разнообразных таксономических и физиологических групп. Однакр, наиболее активными считаются аовадомовады, опорообразующае бациллы, тиобациллы, бактерии, плесневелые грибы родов Ре+и-сЛ ¿¿ст*. и ^/эеърь

Анаэробный мвтаногеняый консорциум омешанных культур микроорганизмов наиболее приемлем для деструкции органического вещест-

ьа угля, что подтверждается икеицимкся научными публикациями.

Процесс анаэробной конверсии углистого вещества углеотходов в газообразные энергоносители состоит из нескольких последовательно протикип^шс стадия: растворение и гидролиз органических соединений, ацэдогенез и метаногенез. Основными группами бактерий, ихедящими в состав анаэробного сообщества, являются: гидролитическая, кнслотосорозуидая и метаиогенная микрофлора. Первая группа проьрицает сложные органические субстраты в пропионовую, масляную кислоты, вторая трансформирует эти кислоты в ацетат, метанол, во-до;од к углекислый газ, которые являьтся субстратами для метано-rt'HCD. В простейшем случае метаиогенная ассоциация может быть представлена парой культур, одна из которых является водородооб-Газую-?,, а другая принадлежит к группе кетаногенов.

Б работе для изучения процесса биоконверсии углеотходов были ьысршш следуем ие пары культур: CtcjtncUu^tu у

-U'-tHutfcvtUi^tic ({]■ РлисСст-снщ (wutyt-¡t а a / frwUîluS " f> -fи ч ut-^ /sutftat, <>¿3 ¿¿¿¿ut Ottuièsc^sÂ^Ù

4 /'!{/ {ft с J' CiejiricUuvK,

,1/, cif~ct./¡'ticcan. v ¡¡(t-tk+ix.

и анаэробный консорциум метантенка {4)# Кроме того, учитывая многочисленные успесные результаты по биоожижению угля аэробными микроорганизмами, особенно грибными культурами, в работе с целью предварительной аэробной трансформации угля был использован гриб

В периодическом режиме культивирования при допущении о со-пряхенности клеточного роста с продуцированием продукта кинетика образования метана совпадает с кинетикой накопления биомассы.

Состояние популяции клеток в наиболее активней - экспоненциальной - 4азе роста в периодическом процессе описывается соотношением:

Предположим, что при сопряжении продуцирования метаиа о клеточным ростом экспоненциальная фаза начинается в нулевой момент времени и заканчивается при достижении максимума накопления продукта, тогда отношение (I) после преобразования будет иметь ввд:

(2)

где ЗСр , £ - начальная и конечная концентрация клеток, моль/л;

- продощительность (}ази экспоненциального рости; уИ - удельная скорость роста микроорганизмов, сутки-1. Аналогичным образом получим уравнение для накопления продуктов жизнедеятельности:

/С = (3)

где Со, С _ начальная и конечная концентрация газа,

/С - константа продуцирования продуктов жизнедеятельности.

Следовательно, объединив уравнения (2) и (3), получим:

- 2в _ - ¿и. Со ,

Л ~ /С Отсвда имеем, что показатель продуктивности Р равен:

(4)

л .с • А С _ Со .

~ . -Сн-х -

Все приведенные выше -уравнения характеризуют периодический процесо культивирования микроорганизмов. Однако, они применимы и при использовании проточных реакторов при условии пребывания биомассы и субстрата в рабочем объеме реактора на период наиболее активной экспоненциальной фазы развития микроорганизмов.

Скорость потока, протекающего через реактор, составляет:

Р = ■ ^ , (6)

где V- объем реактора, Л;

объемная скорость потока л/сут. Подставив в уравнение (5) значение, согласно-уравнению (2), получим:

Р ^ А- . (7)

или ' -

А = • ' (8)

Чтобы обеспечить оптимальное течение-процесса биоконверсии углеотходов, осуществляемое микроорганизмами, связанными единой

пищевой цегль, целесообразно использовать прием разделения стадий ккслотоосразоБания и метангеиерации. Данный технологический прием предотвращает возможное ингибмрование избыточной концентрацией водорода деятельности кислотообразующей микрофлоры й обеспечивает п'лддерьлние необходимого равновесия между стадиями процесса био-конисрски углестходов. Гак как разделять гидролитическую и кисло-Toocpajyii^yi? микрофлору нет необходшюсти, то фактически имеем два реактора: I - реактор, где работают riuipo логические,бродящие микроорганизмы; 2 - реактор у.етангенерации.

Исходя из условий непрерывности потока, имеем //=-^8.

Объем каждого реактора, исходя из соотношений (7) и (8), равен:

у. = F {¿ИХ,--Ut Я*}.

yd

ami

У, к F(, (I0)

Таким образом, при условии сопряженности клеточного роста с кинетикой vivjiticrcii'-saугольного' субстрата, можно определить сле-дуизке параметры: константы продуцирования продуктов жизнедеятельности ¿г продуктивность процесса Р, удельные скорости роста кислотообразупцкх микроорганизмов и метаногенов , которые в свое очередь позволяют спрогнозировать объемы реакторов для каждой ¡»азы процесса биоконверсии углеотходов.

Для расчета количеств метана н углекислого газа, выделяющегося в процессе биогазкфикации угля, в работе были использованы соотношения: ^

аМ¥ = se'O-fiJfi

Усиф-^ся.; (12)

йсс& = Усъ/яМЯ-, (13)

где й - зольность, д.ед.;

_уЗ - степень конверсии органического вещества;

Кяр- коэ^ацкент пористости; *

М - масса, Т}

^р - плотность, т/м3;

й- плотность газа в уоловиях протекания процесса, моль/л» Хаф • Ус&А' - экономические коэффициенты образования метана 14,79 моль СИ4/мояь клеток и углекислого газа .10,98 моль ОО^/моль клеток, В работе изложена-методика и результаты лабораторных иооледо-ваний, выполненных о целью выбора наиболее активного биоценоза мис- • рооргализмов для биоконверсии углистого вещества углеотходов, исследования процесса получения энергоносителя в зависимости от технических характеристик угля, предобработки угольного субстрата химическими реагентами и аэробными культурами, эксперимента иного подтверждения позитивного влияния разделения стадий кислою- и ме-тангенерации на процесс бирконверсии углеотходов.

Температурный режим исследований выбирался в соответствии о принадлежностью используемых культур к- определенной группе микроорганизмов (мезофаяы, термофилы). Продолжительность процесса в среднем составляла 30 суток. Исследования проводились на оубстра-те как антрацита, тая и бурого угля.

Первая серия экспериментов имела своей целью получение исходных, сведенийо работоспособности культур. Наилучшие результаты были подучены при утилизации антрацита путем использования культур: /У. {игмдьм&а. + М * Мх,

и анаэробного консорциума метантенка, максимальная концентрация метана достигала 35 %. Цри метаногенезе бурого угля термофильной парой (I):

а анаэробным сообществом метантенка, концентрация метана превышала 40

Теоретические исследования, выполненные в работе, позволили установить, что биогазификация угля является многостадийным процессом, Целесообразность разделения стадий процеоса для членов анаэробного сообщества микроорганиэмовподтвердиявсь в опытах на специально разработанной установке*

Сравнение максимальных концентраций в атом ояучае при утилизации антрацита анаэробным консорциумом метантенка составило 1:2р2 по отношению к исходной пробе, лад культур группы (2): /У. лмл^г-ш субстрате бурого угли 1:1,3., Опыт с предварительной аэробной трансформацией угля культурой гриба а^-^г. и дальнейшей метанизацией группой:

позволил поднять выход метана до 65 % .при биоконверсии бурого угля и до 30 % при утилизации антрадита. Опыт сопровождался анализом культуральной жидкости на наличие карбоновых кислот, который выявил значительное их содержание после аэробного воздействия (процесс длился 14 суток) - 4,2 да/л летучих и 268 мг/л нелетучих, в качестве субстрата был использован бурый уголь. Далее на 10—в сутки анаэробной ферментации их количество возросло до 12,4 мг/л и 308 мг/л, что указывает на активную жизнедеятельность ацидогенной микрофлоры, к концу Процесса.концентрация летучих кислот составляла 2,65 мг/л и нелетучих 272 мг/л.

Изучение воздействия химических реагентов на угольный субстрат, а именно дальнейшую утилизацию анаэробным сообществом, дало положительные результаты в случае обработки растворами X % л^аОН, 5 % л-'аОН, и температурного гвдролиза (Т = 180°С) в растворе 5 % ЮН. Наилучшие результаты были достигнуты, когда предобработка пр изводилась 5 % л^аОН, выход метана при этом возрастал в 44,4 раза

Изменения характеристик угля при наличии газовыделения (таблица I) свидетельствуют о переходе углерода из угля в метан, угле кислый газ и гумьновые кислоты.

Изучение кинетики образования газообразных продуктов процесса биоконвсрсииуглеотходов путем анализа кривых газовыделения поз водило определить время продолжительности экспоненциальной фазы (о надежностью 90 %), Согласно соотношениям (3), (5), (8) были определены константы продуцирования метана и углекислого газа, удельные скорости роота киояотообразующих и метаногенных микроорганизмов, а также соотношения объемов реакторов для каждой стадии процесса (табл.2). Как показано в табл.2, объем второго реактора варьирует о»-1,Б до 3,5 величины первоначального объема в зависимости от субстрата, целей биоконверсии и используемой культуры. Данные таблицы подтверждают известный факт, что удельная скорость роста строго специфична для конкретных условий и утилизируемого субстрата.

Максимальная производительность по метану была достигнута пр осуществлении предварительной аэробной трансформации угля культу рой гриба с последующей газификацией анаэробным

консорциумом состава: ^ ¿Ь.

¿м^й^к«^ и составляет 0,337 мэ СН4/т сут ,г для антра-

цита; 0,586 м3 СН4 т/сут для бурого угля. Степень конверойи органической поставпшцей. углеотхо^ов, определенная по изменению

Зольности до обработки и после бактериального воздействия, была индивидуальна для каждой группы культур и варьировала в пределах от 3,27 % до 10,22 % при биоутилизации антрацита, й от 4,89 до 12,2 % в случае бурого угля.

Таблица" I

Результаты технического анализа угля до и после бактериального воздействия

Бурый уголь Показатель ^

исходная1 к-р I Ц>.2 1 гр.4 ' 1Р.2 Гр.1

Влажность, % 32,6 15,4 16,2 13,2 12,2 14,6

Зольность, % 10,6 17,8 16,9 19,9 20,1 15,45

Содержание серы, % 0,5 0,98 0,91 1*27 0,99 0,88

Содержание гу- миновых кислот, % 1,86 3,95 4,08 4,48 5,68 ■ '4,12

Фракция, мм - 0-0,16 0-0,16 -1,6±0,4

Технологический прием разделе* ния стадий - - - > +

Антрацит

исходная гр.1 гр.2 • гр»4 ГР.4 гр.2

Влажность, % 4,8 3,5 3,32 3,4 2,9 2,71

Зольность, % 20,6 25,3 27,32 26,92 28,1 28,72

Содержание серы, % 1Д 1,34 1,32 1,3 1,32 1,31

Гуминовые кислоты, % 0 0,11 0,412 0,165' 0,198 1,25

Разделение стадий _ +

Фракция, ш - 0 _ 0,16 -1,6 ± 0,4 .

Предварительная аэробная трансформация - - - - +

Таблица 2

Сравнительная таблица параметров биоконверсии угяеотходов

Субст- Техеологи-

Васчетные величины

Культура фактор % *2 Р1 •Р2. • ¿¿г сут."*1 >^2 сут.-1

Группа А Исходные 0Д24 0,133 0,932

культур I . условия — —

процесса

Группа 0,151 0,216

культур 2 А — «■ - . - — 0,7

1$.к-р 4 А — « _ *» . 0,151 0,134 0,127 0,073 1,046 0,701

Гр.к-р I Б ~ » —• 0,156 - 0,130 - 1,268

' 2 £ — «' - 0,22 ■ - 0,26 - 0,839

Гр.К-^р 4 Б . » п - ' 0,128 0,167 0,09 0,159 1,046 1,05

А Разделение 0,167 0,128 0,178 0,184 1,049 0,695

стадий

ГР.я-р 2 Б Разделвняз 0,3 0,12? 0,143 0,151 2,09 0,841

стадий

I Б 0,36 . • 0,265 0,086 0,221 4,186 1,2

Гр.к-р 2 Б > Првдвари- 0,097 0,126 0,06 0,033 2,11 1,051

вая аэробная трансформация

Грас-р 2 А — •« - ОД €5 0,197 0,118 0,235 1,398 0,84

Соотношение

объемов реакторов

1,5^

V-1.3"»

Лабораторные исследования доказали возможность использовать в качестве рабочих консорциумов микроорганизмов с достаточной эффективностью, осуществляющих биоконверсию углеотходов в биогаз и гуминовые кислоты, •следующие метаногенные ассоциации:

2. Р4. сигс^апо^и. 4 Л. . * пи^А&ъСсО';

4. Метаногенный консорциум метантенка.

Дш проведения натурных исследований были использованы группа культур 2 и микроорганизмы, функционирующие в метянтенке.

Однако, с переходом от малых объемов к промышленным скорость и интенсивность биохимических реакций может претерпевать значительные изменения. Поэтов целью натурных экспериментов являлись разработка методики биоконверсии углеотходов, изучение процесса микробной конверсии больших объемов угля в газообразные энергоносители о целью создания технологий переработки угольных отходов.

В качестве объекта исследования были выбраны углеотходы ш. "Юбилейная" АО "Ростовуголь", которые удовлетворяют требованиям для использования их в качестве субстрата для жизнедеятельности анаэробного сообщества микроорганизмов. Температурный режим натурных исследований обусловлен выбором биологически активного ' комплекса, поэтому для группы культур 2 температура в биореакторе должна составлять 35-40°С, при использовании культур метантенка -40-45°С. Эксперимент осуществлялся о применением приема разделения стадий и без него, раздельному культивированию подвергались члены метаногенной .ассоциации - 2. Натурные исследования проводились в реакторе объемом 3 м3, при разделении стадий объем первого составил 2 м3, второго - 3 м3. В первом случае утилизации подвергалось 675 кг антрацитового штыба, во втором - 320 кг. В технологическом цикле промышленной биопереработки использовался иноку- . лят о содержанием сырой биомассы 0,03-0,04 г/л. Исходная водоугояь-ная смесь формируется из следующих компонентов: твёрдая фаза (уголь определенной фракции) до 40 %, жидкая фаза - 60 %, из них инокулят адаптированных микроорганизмов в виде водоугольной смеси до 30 %, остальное - вода я корректирующие добавки минеральных солея. Цри разделении стадий процесса основные технологические параметры следующие: соотношение Т:Х - 1:6,5} начальная концентрация клеток 0,015 г/л, при этой средняя концентрация метана составила 20 %, производительность по 0,204 ма/т сут. При проведении' процео-

оа без раздельного культивирования кислотообразующей' и метаноген-ноя микрофлоры средняя концентрация метана достигла 12 %, при использовании группы культур 2, и 17 %, когда биогазификация осуществлялась консорциумом метантенка, производительность по метану а * этом случае собтветствзнно составила 0,138 м3/т сут.^и 0,155 м3/т сут.

Таким образом, в результате выношенных натурных исследований подтверждены теоретическая разработка по моделированию процесса биоконверсии углеотходов о использованием разделения стадий процесса и возможность совершенствования техноло1'Ии путем выбора наиболее активного биоценоза микроорганизмов, при воздействии на штыб антрацита анаэробных сообществ возрастают зольность, содержание серы и гуминовдх кислот в ферментационном шламе.

В работе показано, что продукты, получаемые в ходе биоконверсии, находят доотаточно широкое применение. Газообразные продукты пригодны для использования в бытовых целях, могут служить топливом для котельных и двигателей внутреннего сгорания. Ферментационный шлам, обогащенный гуминовыми кислотами, пригоден для рекультивации земель, нарушенных горными работами, а также в качестве удобрения в сельском и лесном хозяйстве.

В результате утилизации I тонны угпеотходов объем техногенной на^узки на окружащую ореду снижается на 40 %. _____ _____

Предотвращенный экономический ущерб, определяемый по снижению платы за выбросы загрязняющих веществ с породнкх отвалов в окружающую среду составил 37,829 млн.руб., в год, а расчетный экономический эффект 168,299 млн.руО, в год /на ш."Юбилейная" АО "Ростовуголь"/. ' ■

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований в диссертационной работе решена актуальная научная задача по совершенствованию процесса биоконверсии углеотходов в энергоносители на основе биотехнологии путем формирования наиболее активного биоценоза микроорганизмов дня направленной биопереработки угольного сырья в биогаз и органо-шшерашше удобрения дяя повышения эффективности охраны окружаю-ое| среды я рационального использования природных ресурсов.

Основные научные и практические результаты заключаются в сае-

I. Устеножиено, что твердые отходы угведобычи, содержащие уг-

Чшогне вещества, являются источником получения нетрадиционных дополнительных видов энергии в ввде жидких и газообразных энергоносителей, на основе реализации бйотехнологических методов, путем биоконверсии органической составляющей в аэробши и анаэробных условиях различными видами микроорганизмов.

2. Обоснован выбор рабочих биоценозов, адаптированных к углю, смешанных анаэробных метаногенных ассоциаций, осуществляющих процесс биодеградации углистого вещества углеотходов в биогаз путем использования культур: СбоЛ&Яс'****-

Анаэробный консорциум метантенка.

3. Изучение кинетики образования газообразных продуктов процесса биоконверсии углеотходов позволяет определить константы продуцирования метана и углекиолого газа К- , удельные скорости роста -М* кислотообразующих и метаногенных микроорганизмов, и спрогнозировать объемы реакторов для каждой стадии процессу.

4. Установлено положительное влияние разделения стадий кисло-то- и метангенерации на процесс биоконверсии углеотходов^ осуществляемое путем использования биореактора, соотйящего из двух, последовательно соединенных резервуаров, причем объем второго в зависимости от особенностей используемой культуры, субстрата и технологических параметров процесса варьирует в пределах 1,5-3,5 первоначального объема. •

5. Разработаны принципиальные технологические схемы получения энергоносителя из углеотходов на основе биотехнологии, о использованием приема разделения стадий кислото- и метаногенеза.

6. Определены основное технологические параметры: ори разделении стадий процесса - начальная концентрация клеток 0,015 г/л, соотношение Т:Х - 1:6,5; температурный режим мезофильный, процесс осуществляется культурами: /

+ Л5>. . При этом производи-

тельность по метану составила 0,204 сут. При осуществлении провеса без раздельного культивирования киолотообразующей и ме-таногенной микрофлоры основные параметры следуюцие: уголь - до 40 %, инокулят в виде водоугоньной смеси - до 30 %, остальное -вода и корректирующие добавки минеральных солей, соотношение Т:Ж -1:3,3, начальная концентрация клеток 0,015 г/л, культура - анаэроб-

ный консорциум метантенка. Производительность по iceiaüy составила 0,16 м3 / т суг.

7. Разработана "Методика и рекомендации по биоконверсии твердых углеотходов в газообразные энергоносители", принятая для практического использования в АО "Ростовуголь", Расчетный экономический эффзкт составил 168,299 млн.руб. в год.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Боярский Д.А., Михина Т.В.. Занина И.А., Похлебин A.B. Натурные иооледовайия биоконвергирования углеотходов // Эколого-экономичеокие аспекты рационального природопользования в горной промышленности. - М., ЦП БНТГО, 1991. - C.I77-I82.

2. Занина И.А. 0 возможности биоутилизации антрацита // Экологический веотник. , Изд-во РУДЙ. 1995. - Уол.печ.я. 0,5. (В печати.)

3. Занина И.А., Сусленков Б.Д. Экологизация процессов горного производства при утилизации техногенных ресурсов // Экологический вестник. - М.: Изд-во РЭДН, 1995. - Уол.печ.я. 0,125. (В печати.)

Irlna A. Zanina

The itnprovment of the biooonversion's process of coal'я wast»In power-carrierea through choosing of biologically active complex

In this dissertation work was suhstatlated the choice of worked biozenoses, bein adapted to ooal, mixed anaerobioal assooiati-on. It makes the biodegradation's process of organic canponents of coal's wastes in biogas aid gunln-aoldea through the use of following cultures: Clostridium thermocellum + M.thermoformlolumi Ps. aeriginosa + B.megaterium + M.Omeliaaskii + Ms.methanica, anaerobic association msthanetenk. It was found out, there is po3itiv separation's effekt of acid and methane stages on the biooonverslon's process of coal's wastes. A such separation can be made thro- , ugh the use of bioreactor, being made up of. two parallel-connected reservoires. As this takes place, a volume of the second reservoirs varyes according to bioconvertion's purposes and used culture . in limites from 1.5 to 3.5 of initial volume. The investigation into kinetics of gaseous product's generation during the' biocon-vertion 's process of coal's wastes allow to define constentes of , methane's and carbon dioxides production, specifid growth's rate . of acid-constituent and methane microorganisees to predicts reac- j-tor's volumes for §ach stage of the process.

The author worked up the conceptual texnological schemes to obtain biogas fran coal's wastes relying oh biotexnology and using j method of stage's separation. j

In this work was laid down " The procedure for bioconvertion of coal'a wastes in gaseous poirer-carrierea". This method was al- i ready taken to be practically used in Stock Company "Rostovugol".

29.-I2.94r» Объем 1гг. д^ ' Тир. ТОО Заку 584. Тит» ШД, Орджонжидзе, 3