Природные ресурсы истощаются, а мусора становится всё больше. Куда человечеству девать свои отходы?

Многие государства вполне удачно решили проблему утилизации и даже получают от этого прибыль. Россия только начинает работать в этом направлении. Первый отечественный проект выполняла ассоциация «Аспект» по заказу Министерства образования и науки.

Сначала предполагалось, что важнейшей частью проекта станет мембранная газоразделительная установка, уникальные мембраны для которой создадут в Институте нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева. В итоге мембраны создали, но из-за дороговизны они пока не востребованы производством. Участникам проекта пришлось адаптировать комплекс, который утилизирует органические отходы и производит одновременно электрическую и тепловую энергию, для работы без мембран. Но обо всём по порядку.

Любые отходы органического происхождения подвергаются микробному разложению. Если в этом процессе не участвует кислород, то органика превращается в биогаз. Как, например, это происходит на болотах. Болотный биогаз люди начали использовать еще в 1 тысячелетии до н.э. На берегах реки Эльбы обитали племена, которые научились отводить горючий газ из болот по сшитым кожаным трубкам и готовить на нём пищу.

В наши дни биогаз делают из мусора в специализированных аппаратах – биореакторах. Выделяемый из биогаза метан технической чистоты (> 95 процентов) подают в сетевой газопровод либо направляют в газопоршневую или газотурбинную установку для получения электрической и тепловой энергии.

«Первый масштабный проект утилизации мусора был реализован в Норвегии, – рассказывает Владимир Тепляков, заведующий лабораторией физикохимии мембранных процессов Института нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН. – В 1970-е годы там была собрана установка, рассчитанная на 10 тысяч тонн мусора, который практически не требовал сортировки. Мусор засыпают в овраг с изолированными стенами и накрывают герметичным куполом. После того как его закрыли, надо ждать три года. Остатки кислорода должны уйти, введённые туда микроорганизмы должны размножиться. Через три года достигается равновесие и образуется подушка из биогаза. При сборке в установку монтируют трубы, которые через три года открывают. К этому моменту там уже создается избыточное давление и при открытии труб из них самотоком идет биогаз. В нём порядка 60–70 процентов метана. Этот биогаз идёт семь лет».

После этого срока земли рекультивируют: непереработанные остатки мусора оседают, их смешивают с естественной почвой и территорию обустраивают.

Владимир Тепляков, заведующий лабораторией физикохимии мембранных процессов Института нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН. С 70-х годов разрабатывает уникальные мембраны для разделения газов

В нашей стране, и в первую очередь в Подмосковье, существует множество полигонов, куда вывозят твёрдые бытовые отходы. Эти полигоны – такие же источники биогаза. Но при отсутствии специальных сооружений газ улетает в атмосферу. По сути, это бросовая энергия, которой мы могли бы воспользоваться.

Механизм образования биогаза

Метановое брожение, в ходе которого образуется биогаз, происходит под воздействием трёх групп микроорганизмов. В последовательной цепочке питания одни микроорганизмы едят продукты жизнедеятельности других. Первый этап осуществляют гидролизные микроорганизмы, второй – кислотообразующие, третий – метанообразующие. За последние десятилетия микробиологи создали много консорциумов (микробных сообществ), которые запускают биореактор по переработке мусора практически сразу. Период предварительной инкубации составляет уже не три года, как в Норвегии, а всего лишь дни. В биореактор подают только органические отходы, чаще всего – навоз. Кислород из реактора удаляется на начальной стадии процесса. И затем по мере расходования органики реактор пополняется. Один из первых биореакторов создали в Финляндии. В 1980-е годы финны уже продавали такие установки за рубеж.

В качестве опытного образца финский биореактор закупили для коллективного хозяйства «Узваре» Латвийской ССР, обслуживать его помогали специалисты Института микробиологии им. А. Кирхенштейна. На этой установке они отрабатывали технологию, подбирали консорциумы микроорганизмов и режимы работы.

«Когда этой проблемой занялись микробиологи, задача была – найти такие консорциумы, чтобы они перерабатывали любые отходы, – поясняет профессор Тепляков. – Оказалось, что универсального решения нет. Микроорганизмы всё-таки нужно подбирать и культивировать адресно. Переработка злаков или отходов животноводства – это один вариант. Коммунальные отходы, когда перемешана органика и неорганика, – это другая среда, и нужно подбирать соответствующий консорциум».

Вскоре несколько установок для биогаза приобрели для других совхозов Латвии. Они выглядели как цистерны, открытые с одной стороны для подачи сырья. Вместимость цистерн – 50 кубометров. Отходы загружали непрерывно – животноводческие хозяйства, которыми всегда славилась эта республика, исправно выдавали сырьё. Помимо биогаза эти установки вырабатывали высококачественные удобрения. И в этом состояла чуть ли не главная их ценность для совхозов. Современные хозяйства – не исключение. Дело в том, что навоз всегда считался ценным удобрением. Традиционно, для того чтобы вносить навоз в почву, его сдабривали соломой из подстилки и компостировали. При этом происходила его естественная пастеризация: большинство патогенных микроорганизмов, яиц гельминтов – погибали, а присутствующие в навозе семена сорняков теряли всхожесть. На современной свиноферме – навоз другой, в нём нет подстилки, и смывают его водой, отчего количество стоков многократно увеличивается. Для этих отходов нужны гигантские хранилища, иначе экологических штрафов не избежать. Альтернативой хранилищу навозных стоков служит биореактор, который быстро перерабатывает отходы животноводства в удобрения. Причем удобрения получаются более питательными, чем при естественном компостировании, когда в атмосферу в виде окислов улетает до 40 процентов содержащегося в навозе азота и множество других полезных элементов.

Метановая инновация

После распада СССР и отделения Латвийской республики, исследования в области биогаза затормозились и продолжились только пятнадцать лет назад, когда в РАН появилась программа работ по энергоресурсам не нефтяного происхождения. В 2008 году была запущена программа частно-государственного партнёрства, на которую Минобрнауки выделило 150 миллионов рублей. Проект получил название «Разработки технологии и создания автономных систем комбинированного производства тепловой и электрической энергии из непищевой растительной биомассы», и на его реализацию было отпущено два года. Головной организацией проекта выступила ассоциация «Аспект» – негосударственный некоммерческий научно-производственный центр.

Цистерна с герметичным биореактором, где собственно и образуется биогаз. Фото ассоциации «Аспект»

Одним из первых результатов этого проекта должен был стать опытный образец установки и готовая технология для запуска её серийного производства. Как устроена такая установка? Внешне – это цистерна и мобильное помещение наподобие рабочей вахтовки. В цистерне находится герметичный биореактор, где собственно и образуется биогаз, все остальные агрегаты нужны для обеспечения этого процесса. Когда исходное сырьё подаётся в специальный приёмник, оно при необходимости измельчается и далее поступает непосредственно в реактор. Процесс брожения осуществляется при 55 градусах. Для первого запуска установки требуется внешний источник энергии, однако после выхода установки на заданную мощность она работает автономно, главное условие – вовремя подавать сырьё. В результате разложения органики в реакторе образуется биогаз. При первом запуске установки выпускной клапан перекрывают, чтобы в реакторе накопилось достаточное количество биогаза. Когда его давление превысит атмосферное, клапан открывают и биогаз самотоком поступает в блок кондиционирования, где метан очищается от ненужных примесей. Дело в том, что сам биогаз – малокалорийный, в нём много балласта, СО2, и его нельзя сразу подавать в сетевой газопровод. В нём также присутствуют пары воды, следы сероводорода и аммиака. Если в газе много углекислоты, на морозе она превращается в лёд, блокирует трубы, и такой газ перекачивать уже нельзя. Технический метан, который получается после переработки биогаза, можно уже использовать при низких температурах, не боясь вымораживания СО2. После очистки биогаза углекислый газ сдувается и подаётся в теплицу для ускорения фотосинтеза и роста растений, а метан по трубам поступает в сеть или когенерационную установку, где вырабатывается электрическая и тепловая энергия. Отработанное в биореакторе сырьё помещается в специальную ёмкость и используется в последующем как ценное органическое удобрение.

Специалисты «Аспекта» подбирали оптимальные параметры развития микробного консорциума, увеличив удельный выход биогаза по сравнению с европейскими аналогами. Этого удалось добиться, повысив температуру брожения с 35 до 55 градусов. Но главная инновационная часть проекта заключалась в создании принципиально нового способа очищения биогаза, не имеющего аналогов в мире. Задача – выделить из биогаза метан, затратив при этом минимум энергии.

Как очищают биогаз

На сегодняшний день существует три основных способа очистки биогаза: метод жидкого и твёрдого химического поглощения примесей (абсорбционный и адсорбционный), метод мембранного разделения и вымораживания (криогенный метод). В первом методе часто используются жидкие химические поглотители СО2 – моно- и диэтаноламины. Они намертво «хватают» углекислый газ, не взаимодействуя с метаном. Получается фактически чистый метан, однако жидкую фазу приходится менять. Для того чтобы освободить её от поглощённой углекислоты, её нужно греть. А это значит, что энергетически такая технология начинает проигрывать. Столь же существенные потери энергии свойственны криогенному методу – для того чтобы заморозить углекислый газ, нужно потратить значительную часть энергии, произведённой установкой, а значит, снижается её общий КПД. Мембранный метод разделения основан на пропускании через мембрану сжатого компрессором биогаза.

«Известны пилотные «классические» мембранные установки, которые функционируют в Австрии, в городе Брук, – комментирует Владимир Тепляков. – Идея такова: давление биогаза при помощи компрессора повышают до 10 и более атмосфер и подают его в мембранный модуль. После первой стадии очистки концентрация метана повышается до 80–85 процентов. Это не годится. Его подают на вторую ступень. В итоге затраты на самообеспечение такой установки достигают 30 процентов от выработанной энергии».

Через мембрану лучше

В лаборатории физикохимии мембранных процессов, которой руководит Владимир Тепляков, наработки по созданию мембран для разделения газов существовали ещё со времен экспериментов в Латвии. Первоначально мембраны возникли для разделения воздуха, но широкого применения первая генерация мембран не нашла. Профессор Тепляков демонстрирует прибор, собранный опытным СКБ Института им. А.В. Топчиева около 20 лет назад. В воздухе содержится 21 процент кислорода, а после пропускания его через мембрану получается порядка 42 процентов. Этот уникальный аппарат – таких в России больше нет – в производство не пошёл. А разработка могла бы найти широкое применение в быту.

Метод разделения биогаза, созданный в лаборатории Теплякова, – мембранно-абсорбционный. Эта технология объединяет в себе достоинства абсорбционного и мембранного методов разделения. Так же как в классическом методе химического поглощения, углекислый газ здесь «захватывается» жидким абсорбентом. Однако здесь нет непосредственного контакта фаз – жидкость и газ разделяет мембрана. Благодаря такой технологии не требуется повышать давление биогаза для подачи его на мембрану – газ поступает из биореактора самотоком под давлением чуть выше атмосферного.

Полимерная мембрана, запатентованная ИНХС РАН им. А.В. Топчиева. Благодаря ей очистка биогаза проходит без дополнительных энергозатрат

«Мембрана действует как система лёгких, – объясняет профессор Тепляков. Углекислый газ проходит через мембрану лучше, чем метан. Во время движения потока биогаза вдоль мембраны углекислый газ отводится через мембрану в подвижную жидкую фазу абсорбента, и концентрация «непроникающего» метана в биогазе резко возрастает. Мембранный модуль устроен как этажерка – жидкость/газ/жидкость/газ, –- и собран в герметичный коллектор».

Если поместить мембранную систему на выходе из биореактора, то СО2 будет отводиться, и можно добиться извлечения метана требуемой чистоты. Углекислый газ в дальнейшем удаляется сдувкой и подаётся по трубам в парники.

Создав такой комбинированный метод очистки биогаза, отечественным специалистам удалось избежать дополнительных энергозатрат, которые в традиционных способах кондиционирования идут на нагрев химического сорбента, охлаждение газовой смеси (в криогенном методе очистки) или на повышение давления биогаза (в мембранном методе очистки). Суммарные затраты на самообеспечение не превышают 10 процентов общей энергии, вырабатываемой установкой. Столь высокий КПД достигли благодаря полимерным мембранам, запатентованным ИНХС РАН им. А.В. Топчиева. Энергоэффективность отечественной технологии выше аналогичных разработок за рубежом.

«Материал, разработанный в лаборатории синтеза селективно-проницаемых полимеров ИНХС РАН Валерием Хотимским, очень проницаемый и позволяет газу проходить сквозь мембрану на скорости, достаточной для работы установки, – рассказывает профессор Тепляков. – Раньше мы изготавливали мембраны из поливинилтриметилсилана, что тоже является нашей разработкой. Сейчас этот материал уже снят с производства. По проекту Роснауки мы создали новый материал – политриметилсилилпропин. Это новая генерация кремнийорганических полимеров, которые продемонстрировали свой потенциал в лабораторных экспериментах. Однако для создания производства таких соединений требуются немалые инвестиции. Проект, которым руководил «Аспект», был нацелен на то, чтобы собрать демонстрационную установку, показать, что всё это работает, и найти заказчика, который выстроил бы всю цепочку производства: синтез полимера, превращение его в мембрану, разработка и изготовление автономной энергогенерирующей установки».

Мембранный контактор для разделения газов. Технология, заложенная в его основе, позволяет не повышать давление биогаза для подачи его на мембрану – газ поступает из биореактора самотоком под давлением чуть выше атмосферного

Испытание удобрением

Мембранные контакторы лаборатории Теплякова не имеют аналогов за рубежом. Но эта потенциально самая дешёвая технология будет такой в действительности только при условии запуска серийного производства полимера. Сейчас стоимость одного килограмма полимера оценивают в 20 тысяч евро, а при массовом малотоннажном производстве он будет стоить уже 200 евро за один килограмм.

Опытная установка, имеющая мощность порядка 100 киловатт и способная обеспечить электроэнергией небольшой посёлок. Фото ассоциации «Аспект»

Опытная установка, созданная «Аспектом», рассчитана на производство и переработку порядка 100 кубов биогаза в сутки. Такая установка может обеспечить электроэнергией небольшой посёлок. По мощности это порядка 100 киловатт.

«Когда мы создавали системы очистки биогаза для латвийских хозяйств, они делали проект для хуторов в несколько домов, – комментирует профессор Тепляков. – Получаемый метан обеспечивал все бытовые нужды хозяйства. Газ использовали для отопления, он поступал в общую газовую сеть. Все машины фермера работали тоже на этом газе – на машины монтировали баллоны, куда этот газ закачивали под давлением 100–150 атмосфер».

Побочный продукт работы биореактора – органические удобрения. Это то, что остаётся от жидкой биомассы после её переработки микроорганизмами. Эти удобрения испытывали в 2010 году в Нижегородской области во время засухи. Посевы пшеницы, обработанные препаратом, полученным на установке, дали урожай на 40 процентов выше, чем не обработанные. Урожайность кукурузы, обработанной препаратом, была выше на 80 процентов. Это не хуже, чем при обработке минеральными удобрениями.

Для того чтобы мембранная технология дошла до потенциального заказчика – автономных фермерских хозяйств, молочно-товарных, животноводческих ферм, пивных и спиртовых производств, необходимы инвестиции и запуск серийного производства всей технологической цепочки: полимер-мембрана-модуль-мембранная установка. Но участники проекта не стали терять время и, отложив мембраны до лучших времен, приспособили свою установку для работы по другой технологии. Ведь итог любого инновационного проекта – вернуть в госбюджет деньги через налогооблагаемую базу и создание рабочих мест.

По завершении проекта «Аспект» создал совместное предприятие, объединившее производителей Татарстана, Чехии и Германии. Его задача – производить когенерационные установки для получения электрической и тепловой энергии из биомассы. Созданное СП послужит коммерциализации разработки, в которую государство вложило немало денег. Установки будут выпускать в Татарстане, а некоторые комплектующие для них будут закупать в Германии и Чехии. Импортные газопоршневые турбины придётся переделать для эксплуатации на биогазе. Всё это производство создаётся частным бизнесом, но поскольку установки поступят в продажу, деньги в виде налогов будут возвращаться в бюджет нашей страны.

Когда же будут востребованы уникальные мембраны, созданные нашими химиками? Возможно, что их ждёт более перспективное будущее, чем использование в установках по очистке биогаза, – биотопливо. Энергетика, основанная на биотопливе третьего поколения, только начинает развиваться. Суть её – в производстве компонентов моторного топлива из биомассы растений. Лучше всего здесь подходят водоросли, которые накапливают биомассу в 20–30 раз быстрее наземных растений. Водоросли поглощают углекислый газ, накапливают липиды, из которых можно получить компоненты топлива. Для водорослей не нужны мощные установки, потому что они питаются углекислым газом паровых котельных. То есть там не так много газа, но самих источников газа – очень много. Мембранные технологии будут здесь незаменимы. Задача мембранщиков переходит совсем в другую сферу: не в очистку большого объёма природного газа, а в сферу очистки корма для водорослей, чтобы они не «травились» метаном, а «ели» только удобный для них СО2. Ведущие нефтяные компании – Shell, BP, Shevron – уже инвестируют в развитие биоэнергетики. Возможно, и в нашей стране в ближайшем будущем нефтяной бизнес заинтересуется производством биотоплива, в основе которого будут мембранные технологии