Компостирование: результаты работы анаэробных биореакторов

Анаэробное сбраживание (АД) — мощная технология получения биогаза и дигестата из органических отходов. Хотя биогаз представляет значительную ценность, жидкий и твердый дигестат, как правило, имеет незначительную или отрицательную экономическую ценность. В некоторых штатах, например, в Техасе, внесение дигестата в почву без дорогостоящей предварительной обработки для удаления летучих соединений и патогенов запрещено законом. Это, вероятно, станет нормой в развитых странах, основываясь на передовой практике, сложившейся в Европе. Во многих случаях в Северной Америке дигестат отправляется грузовиками или по трубопроводу на очистные сооружения, а содержащиеся в нем питательные вещества в конечном итоге попадают в водные пути через очищенные сточные воды. 

В случаях, когда разрешено внесение в почву, расходы на транспортировку и внесение дигестата (тяжелого и влажного) на сельскохозяйственные поля создают низкую стоимость или отрицательный экономический фактор для оператора установки АД. Вносимый в почву дигестат также продолжает выделять метан, даже если он прошел процесс неорганической стерилизации.

Наиболее эффективным способом стабилизации выхода дигестата без значительных выбросов парниковых газов является его полное компостирование в контролируемой аэробной установке компостирования (аэробное компостирование исключает наличие метаногенных микробов в материале). Более того, единственный экономически выгодный способ преобразования малоценного дигестата в высококачественные почвенные удобрения, за которые фермеры готовы платить больше, — это компостирование дигестата.

Компостирование — это ценное, экологически ответственное и экономически выгодное решение для утилизации дигестата из установок анаэробного сбраживания. Благодаря правильной технологии и проектированию установки дигестат можно преобразовать в свободный от патогенов, структурно стабильный и высокоценный компост, готовый к продаже.

«… расширение сотрудничества между операторами АД, производителями компоста и производителями упаковки, а также поддерживающие изменения в политике, направленные на поддержку гибридных моделей и стимулирование разделения источников, имеют решающее значение для успешного внедрения». – «Анаэробное сбраживание и компостируемая упаковка» (2024). Ссылка

Что такое дигестат?

Дигестат — это полутвёрдый и жидкий остаток, образующийся после анаэробного сбраживания органического сырья, такого как пищевые отходы, навоз и сельскохозяйственные отходы. Он обычно содержит как твёрдые волокна, богатые лигнином и целлюлозой, так и жидкую фракцию с высоким содержанием аммония и других потенциально нестабильных питательных веществ.

Хотя в некоторых случаях дигестат можно вносить в почву напрямую, компостирование значительно повышает его стабильность, безопасность, а также экономическую и экологическую ценность в качестве почвенной добавки.

Почему именно компост-дигестат? 

Компостирование дигестата — эффективная стратегия для получения высококачественного конечного продукта из малоценного материала, одновременно улучшая экологические и эксплуатационные показатели предприятия АД. Готовый компост широко известен и легко реализуется на рынке, будь то насыпью, в мешках или гранулах. Процесс компостирования основан на аэробной активности микроорганизмов, которые генерируют достаточно тепла для уничтожения патогенов при минимальном потреблении внешней энергии. Более того, это микробное тепло, выделяемое в процессе компостирования, можно утилизировать и использовать повторно на месте, что дополнительно снижает энергозатраты.

Такие рынки, как Европейский союз (ЕС), лидируют в переработке компостируемой упаковки, в частности, мешков-вкладышей, используемых при раздельном сборе пищевых отходов. Этот успех объясняется их хорошо развитой инфраструктурой для интеграции анаэробного сбраживания (АД) и компостирования, что позволяет им эффективно управлять потоком компостируемой упаковки в больших масштабах. Хотя крупномасштабное анаэробное сбраживание перспективно для определенных видов органических отходов, исследования Консорциума по компостированию показывают, что оно может быть неэффективным решением для переработки компостируемой упаковки в Соединенных Штатах, по крайней мере, само по себе». – «Анаэробное сбраживание и компостируемая упаковка» (2024). Ссылка

Компостные установки могут быть спроектированы с учётом высокой степени адаптации, что позволяет им перерабатывать различные органические материалы, в том числе те, которые не подходят для анаэробного сбраживания, например, компостируемый пластик. Как отмечается в исследовании Консорциума по компостированию, проведённом в 2024 году , установки АД, как правило, не подходят для работы с компостируемой упаковкой и столовыми приборами, поскольку температуры недостаточно высоки для длительного разложения.

«Хотя крупномасштабное анаэробное сбраживание обещает успех для некоторых видов органических отходов, исследования Консорциума по компостированию показывают, что оно может быть неэффективным решением для переработки компостируемой упаковки в США, по крайней мере, само по себе. Это ограничение обусловлено несколькими факторами» — «Анаэробное сбраживание и компостируемая упаковка»

Аэробное компостирование также обеспечивает значительное снижение массы и влажности — обычно до 40%, — тем самым уменьшая объём материала, требующего вывоза за пределы объекта. С точки зрения эксплуатации предприятия, системы компостирования механически просты и требуют минимального обслуживания, особенно по сравнению с термическими или химическими альтернативами обработки дигестата. С экологической точки зрения компостирование дигестата снижает выбросы парниковых газов за счёт преобразования анаэробного материала в аэробную систему, предотвращая выделение метана и снижая улетучивание аммиака (Altereko, 2020; MDPI, 2023).

Предприятия анаэробного сбраживания обычно не становятся рентабельными, пока не начнут перерабатывать не менее 10 000 тонн материала в год. Кроме того, предприятия анаэробного сбраживания должны ежедневно снабжаться материалом с постоянной скоростью, поддерживая работу примерно на 80% мощности, иначе рентабельность инвестиций резко падает.

Размещение инфраструктуры компостирования совместно с установкой АД также обеспечивает гибкость в работе с сезонными колебаниями, поскольку объёмы этих отходов сильно варьируются. Для экономичной эксплуатации биореакторов необходим стабильный и непрерывный поток, поэтому наличие инфраструктуры компостирования на месте обеспечивает гибкость, необходимую для повышения рентабельности всего предприятия.

Благодаря уже существующей инфраструктуре компостирования, предприятие АД может обойти наименее желаемый материал для биореактора и направить его непосредственно в процесс компостирования. «В Европе существует несколько моделей, демонстрирующих успешность сотрудничества между операторами АД и компостерами, стимулирующего инновации и внедрение передовых практик… этого можно достичь за счет интегрированных бизнес-моделей, объединяющих анаэробное сбраживание (генерацию возобновляемой энергии) и компостирование на одной площадке, создавая мощности для переработки компостируемой упаковки и производства компоста из дигестата. Прочные партнерские отношения между операторами АД, компостерами и производителями имеют решающее значение в Европе». – «Анаэробное сбраживание и компостируемая упаковка» (2024).

С акцентом на биогаз и кредиты RIN, мало внимания уделялось (в США) ценности дигестата, и рынки дигестата в США остаются недоиспользованными. Жидкая фракция дигестата содержит высокую питательную ценность в качестве удобрения для сельскохозяйственных культур, но большинство предприятий анаэробного сбраживания не продают свой дигестат. И наоборот, отделенные сброженные твердые частицы не считаются готовым продуктом и требуют дальнейшего созревания (например, путем компостирования) для соответствия нормативным стандартам использования. Таким образом, дигестат в настоящее время имеет небольшую денежную стоимость в США и компостируется лишь в незначительной степени». - Анаэробное сбраживание и компостируемая упаковка (2024). Ссылка Компостированный дигестат имеет сельскохозяйственные преимущества, показывая на 40–100 % большую урожайность по сравнению с сырым дигестатом или неорганическими удобрениями ( источник ).

Выбросы метана из дигестата: материалы дигестата покидают метантенк в анаэробных условиях. Это означает, что дигестат продолжает выделять некоторое количество метана после его удаления из метантенка. Неконтролируемые выбросы из неправильно управляемого дигестата могут потенциально свести на нет положительное воздействие на окружающую среду объекта АД (т. е. сокращение/улавливание парниковых газов), что делает потенциально сложным получение углеродных кредитов и других источников финансирования, на которые полагаются эти системы. При внесении сырого дигестата в поле результатом может быть создание значительных объемов выбросов метана и закиси азота (которые вместе составляют примерно 88% ( источник ) выбросов парниковых газов в сельском хозяйстве). Напротив, хорошо контролируемое аэробное компостирование снижает выбросы метана и закиси азота во время хранения и после внесения в почву.

Компостирование дигестата, очевидно, способствует снижению выбросов метана (CH4), однако его влияние на выбросы закиси азота (N2O) менее выражено и изучено недостаточно. В целом, компостирование позволяет преобразовывать летучий аммиак (NH3) и аммоний (NH4+) в более стабильные органические соединения азота и нитраты (NO3-) за счёт стимуляции микробных процессов, способствующих потреблению нитратов в почве. Аэрация во время компостирования способствует созданию аэробных условий, что позволяет аммиаку окисляться до нитратов, а затем восстанавливаться, превращая N2O в газообразный N2. Этот процесс делает азот более стабильным, уменьшая его потери из почвы со стоками и в виде N2O.

Компостирование дигестата с использованием контролируемой аэрации быстро переводит дигестат в аэробную форму, устраняя подавляющее большинство выбросов парниковых газов, связанных с дигестатом, одновременно превращая материал в более ценный конечный продукт для использования в качестве сельскохозяйственного сырья.

Экономика вносимого в почву дигестата против рыночной стоимости компостированного дигестата

Давайте рассмотрим гипотетический, но реалистичный сценарий, сравнивающий предприятие АД, производящее 100 000 тонн дигестата в год. Ниже представлен краткий обзор ключевых финансовых факторов, которые могут быть получены при условии внесения сырого дигестата в почву или компостирования этого материала и продажи его по минимальной рыночной цене для компоста навалом.

Сценарий 1: Внесение дигестата в почву

Предположения:

1. Предприятие AD должно покрывать расходы на транспортировку и применение в полевых условиях.

2. Подача заявления на получение земельного участка осуществляется в среднем на расстоянии 100 миль от объекта AD (200 миль туда и обратно).

3. 20 тонн дигестата на одну загрузку грузовика.

4. Стоимость грузоперевозок составляет 2,50 долл. за милю (стоимость грузовика, топлива, водителя).

Ежегодная стоимость внесения удобрений на объект AD: 5000 грузовиков, умноженные на 2,50 долл. США за милю, и 200 миль на поездку грузовика = 2 500 000 долл. США — потенциальная ежегодная стоимость внесения удобрений на объект AD.

Сценарий 2: На предприятии АД устанавливается установка компостирования с контролируемой аэрацией для переработки всего дигестата в товарные компостные продукты.

Предположения:

1. Капитальные затраты на строительство объекта компостирования с контролируемой аэрацией на 100 тыс. тонн в год: 5 млн долларов США

2. Годовые эксплуатационные расходы на содержание этого компостного предприятия: 500 000 долларов США.

3. Объем производства готового компоста составляет 100 000 кубических ярдов или 50 000 тонн в год.

4. Минимальная чистая рыночная стоимость готового компоста: 15 долларов за кубический ярд.

5. Годовой доход от продажи компоста: 1 500 000 долларов США.

Годовой потенциальный чистый операционный доход от продажи компоста: 1 000 000 долларов США.

Польский подход к синергии АД и компостирования

В Польше и в целом в Европе установки АД часто эксплуатируются в сочетании с инфраструктурой компостирования, что позволяет оптимизировать каждый процесс с точки зрения коэффициентов загрузки и весьма изменчивых объемов различных материалов, поступающих в зависимости от сезона.

Таким образом, подход, применяемый в Польше к городам, внедряющим программы по управлению органическими отходами, заключается в том, чтобы начать со строительства предприятий по компостированию зелёных отходов и органики, разделённой по источнику происхождения . По мере увеличения объёмов (налаживание сбора в рамках любой муниципальной или частной программы утилизации отходов занимает время), в конечном итоге к ним присоединяются предприятия по АД-компостированию.

Это позволяет предприятиям начать переработку органических отходов с гораздо меньшими капитальными затратами, используя компостирование в качестве основного процесса. Как только объёмы станут достаточно большими, чтобы оправдать строительство объекта АД, они смогут сосредоточиться на переработку материалов, которые целесообразно перерабатывать (в основном пищевых отходов), одновременно компостируя всё, что превышает производительность системы АД или её оптимизированный план подачи сырья. После строительства объекта АД у них уже будет инфраструктура компостирования для обработки дигестата.

Дополнительные высококачественные продукты от совместного размещения установок АД и компостирования. Испытания в Европе успешно позволили получить гранулированное удобрение из компостированного дигестата, которое можно продавать по цене более 100 долларов США за тонну. Совместное использование процесса аэробного горячего компостирования с метантенком позволяет производить гранулы, используя тепло, рекуперируемое в процессе компостирования. Компостируемый материал подвергается биологической сушке в процессе естественного аэробного компостирования, что позволяет достичь влажности примерно 35%. Затем этот материал проходит окончательную сушку перед гранулированием. На предприятии также могут производиться специальные смеси компостной почвы с дополнительными ингредиентами, такими как биоуголь или другие ключевые питательные вещества, такие как азот или фосфор, для определенных рынков.

Проблемы компостирования дигестата

Несмотря на свои преимущества, компостирование дигестата сопряжено с рядом специфических проблем. Анаэробное сбраживание удаляет значительную часть доступной энергии из исходного сырья (углерод, который преобразуется в биогаз/метан), оставляя дигестат с недостаточным содержанием углерода для получения аэробного микробного тепла в процессе компостирования.

Короче говоря, при использовании дигестата большая часть «легкоусвояемого» материала уже потреблена. Это может создавать «сложности в приготовлении», требующие особой обработки и смешивания с другими материалами для обеспечения необходимого соотношения углерода и азота, влажности и насыпной плотности компостного сырья перед его компостированием. В большинстве случаев перед компостированием дигестату требуется смешивать значительное количество углеродсодержащих наполнителей, таких как измельчённые садовые отходы.

Чтобы компенсировать это, операторы могут пропускать часть сырого сырья из биореактора в процесс компостирования и добавлять в дигестат свежие источники углерода, такие как измельчённые садовые отходы или древесную щепу, перед его компостированием. Это гарантирует высокую питательную ценность и высокое содержание углерода в компостируемом сырье для аэробных микроорганизмов, участвующих в компостировании.

Для повышения микробной активности и тепловой мощности компостируемого дигестата требуются регулярное переворачивание и/или активно контролируемая аэрация, что гарантирует достаточное нагревание материала для уничтожения патогенов и создания высококачественного готового компоста.

Ещё одной проблемой компостирования дигестата является то, что этот материал содержит анаэробную микробную культуру, находящуюся в анаэробных условиях. Инфраструктура и используемый процесс компостирования должны быстро переводить этот материал в аэробные условия, что уничтожит выделяющую метан анаэробную микробную культуру и позволит аэробным компостирующим микробам быстро взять верх.

Дигестат часто перенасыщен влагой, её уровень зачастую превышает 80%, что препятствует эффективному компостированию. Влажность исходного компоста должна составлять от 40% до 60%. Смешивание дигестата с дополнительным углеродным наполнителем и использование контролируемой принудительной аэрации с частым перемешиванием помогают решить эту проблему, насыщая дигестат кислородом и поддерживая его структуру. Кроме того, дигестат, как правило, плотный и склонен к уплотнению, поэтому для поддержания пористости и циркуляции воздуха необходимы наполнители и правильно спроектированные системы аэрации.

Ещё одной ключевой проблемой является соотношение углерода и азота (C:N). Дигестат обычно богат азотом и содержит относительно мало углерода. Поэтому для достижения сбалансированного соотношения C:N не менее 20:1, идеального для компостирующих микроорганизмов, требуется дополнительное добавление углерода. Высокий уровень аммиака (нестабильного азота) (200–500 ppm) в дигестате может подавить как компостирующие микроорганизмы, так и биофильтры, которые лучше всего работают при концентрации ниже 100 ppm.

Добавление дополнительного углеродсодержащего материала необходимо для балансировки общего уровня азота в материале перед его компостированием. Система аэрации компоста по-прежнему должна быть оснащена вытяжкой в ​​кислотный скруббер и биофильтр для улавливания запахов и выбросов аммиака.

Для эффективного баланса и стабилизации аммиака необходимы ранняя аэрация и добавление углерода. Не рекомендуется использовать покрытия, такие как геомембраны, поскольку они задерживают как влагу, так и аммиак, что усугубляет проблему азота (ResearchGate, 2021; PubMed, 2022).

Процесс аэробного компостирования предполагает прохождение большого количества кислорода через материал. Это активирует аэробные микробы, которые разлагают материал и создают высокие температуры, убивающие патогенные микроорганизмы. Сочетание активной аэрации с естественным теплом, вырабатываемым микробами в процессе компостирования, приводит к значительному испарению влаги из компостируемого сырья. Поскольку дигестат изначально практически насыщен влагой, процесс аэробного компостирования также способствует его постепенному высыханию.

После относительно короткого процесса активной аэрации компостируемый дигестат достигает статуса «PFRP», то есть температура материала превышает 131°F (49°C) непрерывно в течение как минимум трёх дней подряд, что является отраслевым стандартом для уничтожения патогенов. В зависимости от характеристик дигестата, процесс компостирования может занять всего несколько недель, обеспечивая получение стабильного и высококачественного конечного продукта.

Просеивание готового компоста позволит удалить из него углеродсодержащие наполнители, разложение которых занимает больше времени. Эти «излишки» можно переработать в следующую партию дигестата, предназначенную для компостирования.

Туннели CompoBox: закрытая аэрация для контроля выбросов и запахов

Туннели CompoBox представляют собой закрытое решение для компостирования в резервуаре, идеально подходящее для управления выбросами и запахами. Эти системы обеспечивают точный контроль аэрации, температуры и влажности, гарантируя, что запахи и выбросы, связанные со свежим анаэробным дигестатом, удаляются и обрабатываются до попадания в окружающую среду.

В сочетании с кислотным скруббером в выхлопной системе системы CompoBox позволяют удалить более 99% аммиака. Очищенный аммиак преобразуется в сульфат аммония — удобрение с высоким содержанием азота, которое можно улавливать и продавать или повторно использовать в процессе компостирования на более позднем этапе.

Благодаря изоляции процесса компостирования и интеграции проверенных технологий очистки воздуха туннели CompoBox предлагают масштабируемое, эффективное решение для компостирования дигестата с минимальным запахом и максимальным извлечением питательных веществ (Wikipedia, 2023; MDPI, 2023).

Газобетонные сваи (TAP): управление структурой, влажностью и энергией

Системы переворачивания аэрируемой кучи (TAP) , сочетающие механическое переворачивание с контролируемой аэрацией, представляют собой надежные и простые в механическом плане методы компостирования, эффективно решающие большинство проблем, связанных с компостированием дигестата. Регулярное переворачивание усиливает микробную активность и выделяет тепло, компенсируя низкую остаточную энергию дигестата. Принудительная аэрация поддерживает аэробные условия даже во влажном и плотном материале.

Системы TAP предотвращают уплотнение компоста за счёт регулярного взрыхления кучи, поддержания притока кислорода и пористости, что позволяет операторам компостировать больше дигестата с меньшим количеством дополнительного наполнителя. Они также облегчают добавление наполнителей и источников углерода для достижения желаемого соотношения C:N. Системы TAP экономичны, эффективны в эксплуатации и идеально подходят для предприятий, которым требуется гибкость и надёжность в процессе компостирования (PMC, 2023; CompostingTechnology.com, 2024).

Заключение

Подводя итог, можно суммировать синергетические преимущества совместного размещения современной инфраструктуры компостирования с установками анаэробного сбраживания следующим образом:

1. Компостирование — это самый ценный конечный продукт для дигестата. После компостирования дигестата можно производить гранулированные удобрения, компостные продукты и почвенные смеси, имеющие очень высокую рыночную стоимость (от 50 до 500 долларов за тонну в зависимости от способа реализации материала). Дигестат же сам по себе тяжёлый, нестабильный и имеет низкую или отрицательную рыночную стоимость, поэтому его обычно перерабатывают и/или утилизируют с убытком.

2. Строительство установок анаэробного сбраживания обычно требует примерно в десять раз больше капиталовложений по сравнению с установками компостирования с точки зрения годовой производительности. Поэтому крайне важно, чтобы инфраструктура анаэробного сбраживания использовалась для переработки высокоценных отходов, таких как пищевые отходы, отходы после расфасовки и навоз. Зелёные отходы, древесные отходы и компостируемый пластик плохо разлагаются при сбраживании, что приводит к незначительному производству энергии. При смешивании с дигестатом эти отходы образуют превосходный готовый компост.

3. Дигестат может быть сложно компостировать, поскольку он влажный, плотный, с низким содержанием углерода и энергии. Поэтому рекомендуется добавлять наполнитель и использовать технологию компостирования, обеспечивающую контролируемую аэрацию и регулярное перемешивание.

4. Если предприятие по АД и компостированию находится в районе с регулируемым воздухообменом или имеет близлежащих соседей, мы рекомендуем провести процесс компостирования в закрытой « туннельной системе » на 14 дней, удаляя выбросы и уничтожая патогены, а затем переместить материал в перевёрнутую аэрированную кучу для окончательной обработки. Если предприятие находится в менее регулируемом районе, процесс компостирования можно пропустить этап закрытого туннеля и использовать ТАП для переработки дигестата в высококачественный компост.

Компостирование дигестата — это высокоэффективный, устойчивый и эффективный метод утилизации побочных продуктов анаэробного сбраживания. Сочетание передовой инфраструктуры компостирования с установками анаэробного сбраживания — это привлекательный экономический потенциал, который также способствует снижению общего воздействия на окружающую среду.

На протяжении десятилетий в Северной Америке индустрия анаэробного сбраживания и компостирования конкурировали друг с другом. Оба сегмента предлагают важные и ценные возможности для преобразования отходов в ценные активы, одновременно улучшая окружающую среду и способствуя более устойчивому развитию цивилизации. Однако сочетание этих двух различных подходов к переработке органических отходов приводит к более значительному общему эффекту, чем сумма каждого из этих процессов, если бы они действовали по отдельности.

Источник: https://wasteadvantagemag.com/composting-the-outputs-of-anaerobic-digesters/