Использование дымовых газов, образующихся в процессе термической переработки твердых бытовых отходов, для выращивания микроводоросли Spirulina platensis/Use of Smoke Fumes Formed by Thermal Processing of Solid Domestic Waste for Cultivation of Microalgae

Использование дымовых газов, образующихся в процессе термической переработки твердых бытовых отходов, для выращивания микроводоросли Spirulina Platensis

Трифонов В. Ю., ЧП «Научно-производственная фирма "ПРОМБИОТЕХНИКА"». Мариуполь, Донецкая обл., Украина

При выращивании микроводоросли Spirulina Platensis в искусственных замкнутых биологических системах низкое содержание углекислого газа ограничивает интенсивность фотосинтеза и рост биомассы. Дефицит СО₂ — более серьезная проблема, чем дефицит элементов минерального питания. Микроводоросли синтезируют из воды и углекислого газа 94 % массы сухого вещества, остальные 6 % получают из растворенных в воде веществ. При образовании 1 кг сухой биомассы поглощается около 1,83 кг СО₂.

Покрыть дефицит СО₂ можно за счет искусственных источников углекислого газа. Наша компания занимается разработкой и производством бытовых и промышленных систем биологической регенерации воздуха. При выборе источника углекислого газа, альтернативного природным, было предложено использовать дымовые газы, образующиеся в процессе термической переработки отходов. При проведении исследований мы использовали дымовые газы печей, которые обеспечивают следующие температуры сгорания:
— 1 250—1 280 °С (такие печи применяют для сжигания мусора и уничтожения опасных отходов);
— до 700—750 °С (такие режимы имеют место в большинстве печей, эксплуатируемых на различных объектах).

В процессе исследований наблюдали значительное изменение состава дымовых газов, зависящего от режима работы печи, конструкции горелки, количества подаваемого в топку кислорода. Содержание СО₂ колебалось от 6 до 11 %. Сжигая древесину, пропитанную парафином бумагу, промасленную ветошь, куски автомобильной резины при разных температурных режимах, установили средний химический состав дымовых газов, который использовали при проведении экспериментов. Измерения производили с помощью газоанализаторов СЕАН производства ООО «Бюро аналитического приборостроения "ХРОМДЕТ-ЭКОЛОГИЯ"» (Москва).

Водоросли были помещены в плоскостные фотобиореакторы (рис. 1).

Рис. 1. Две модели фотобиореакторов

Концентрации токсичных компонентов в дымовых газах (окиси углерода СO, оксидов азота NO, NO₂, N₂O, диоксида серы SO₂) могут значительно превышать предельно допустимые. При неполном осушении дымового газа конденсат в подающих газопроводах образует кислоты, которые при попадании в фотобиореактор провоцируют гибель микроводорослей. Использование дымового газа возможно только при полной очистке его от токсичных примесей.

Нами разработана и изготовлена установка, в которой осуществляются следующие процессы:
— охлаждение газа и его очистка от твердых частиц и оксида серы (в дальнейшем его используют для питания микроводорослей; как известно, сера — важный биогенный элемент);
— нагрев и насыщение воды SO₂, СO₂ и NO₂в блоке подготовки питательной смеси;
— очистка газа от оксидов азота (степень очистки при использовании палладиевого катализатора 40—50 %);
— выделение, осушение, очистка и сжижение углекислоты, которую накапливают в специальном резервуаре.

Тепло, образующееся при сжигании твердых бытовых отходов, частично используют для подогрева воды в фотобиореакторе. В технологической схеме мы применяли подачу как очищенного и осушенного дымового газа, так и чистой углекислоты из резервуара. Разработаны технологические режимы дозированной подачи углекислого газа в фотобиореактор, обеспечивающие рациональную утилизацию углекислоты, и система автоматического контроля этого процесса. Контролируемые параметры — степень освещенности, температура, рН воды, содержание СО₂и О₂ в воде.

Термический процесс должен осуществляться в постоянном режиме и обеспечивать полное сгорание отходов и нагрев фотобиореакторов. Подача дымового газа через систему газопроводов позволяет постоянно поддерживать определенный уровень СО₂. При подаче углекислоты из резервуара точность дозирования достаточно высока, чтобы считать процесс управляемым. При подаче осушенного и прошедшего очистку дымового газа точность дозирования резко снижается, так как содержание СО₂ недостаточно велико для устойчивого поддержания рекомендуемой концентрации его в воде и зависит от температуры сжигания. Резкие изменения концентрации СО₂ в воде тормозят или полностью останавливают процесс фотосинтеза.

Равномерное распределение СО₂ по всему объему фотобиореактора достигается путем использования специальной аэролифтной системы, исключающей травмирование клеток микроводорослей.

Затраты на создание промышленного варианта предлагаемой системы определяются стоимостью:
—   специальных котлов с возможностью отбора отходящих газов;
—   высокотехнологичных газовых горелок импортного производства;
—   палладиевых катализаторов;
—   химически стойких материалов и комплектующих.

Разработанный технологический регламент подачи углекислого газа позволяет получить значительный прирост биомассы микроводорослей. При достаточной обеспеченности элементами минерального питания подача углекислого газа в воду увеличивает прирост биомассы микроводорослей до 80 %, период удваивания биомассы сокращается в 1,5—2 раза. В ходе экспериментов мы получали в сутки до 50 мг сухой биомассы на 1 м² поверхности фотобиореактора, что в несколько раз больше, чем при обычном способе выращивания микроводорослей (рис. 2).

Рис. 2. Биомасса Spirulina Platensis:
a — на фильтре; б — 25 мг сухой биомассы

Увеличение содержания углекислого газа в воде снижает содержание нитратов в микроводорослях и компенсирует недостаток освещенности.

Использование углекислого газа можно рассматривать как эффективный инструмент управления процессом фотосинтеза. Нами найдены режимы, при которых микроводоросли выделяли до 2 мл О₂ на 1 мкг биомассы. Часть кислорода направляется в печь для интенсификации процесса горения, часть выделяется в воздух помещения.

Экспериментальная установка по утилизации дымового газа находится в офисном помещении и в рабочем режиме никаких запахов не создает. Ее можно рассматривать как систему биологической регенерации воздуха с использованием биофильтров, содержащих фотосинтезирующие микроорганизмы. Таким образом, нами создана действующая модель искусственной замкнутой биологической системы, принципы функционирования которой могут быть использованы для утилизации дымовых газов, образующихся при сжигании твердых бытовых и опасных отходов. Разработан комплект технической документации на промышленный образец установки.

В производственных условиях функцию фотобиореактора может выполнять бассейн, специально спроектированный для выращивания микроводорослей. Возможно также применение фотобиореакторов трубчатого типа.

Один килограмм сухой биомассы микроводоросли Spirulina platensis на мировом рынке стоит около 30—35 дол. США, потребность составляет сотни тысяч тонн. В процессе жизнедеятельности микроводорослей на дне фотобиореактора образуется осадок, представляющий собой ценное органо-минеральное удобрение. Товарным продуктом, получаемым при использовании разработанной технологии, является также техническая углекислота. Таким образом, предложенное техническое решение инвестиционно привлекательно для компаний, занимающихся сбором и утилизацией твердых бытовых отходов.