ChSTU repository

 
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
КАФЕДРА ХІМІЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ВОДООЧИЩЕННЯ 
 
Реєстраційний №________  
          «Допущено до захисту» 
     Завідувач кафедри  д.т.н., 
професор 
   _________Геннадій СТОЛЯРЕНКО 
                                                                       «____»  _________________2022р. 
 
КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА МАГІСТРА 
на тему 
ІНТЕНСИФІКАЦІЯ ПРОЦЕСІВ АНАЕРОБНОГО 
ЗБРОДЖУВАННЯ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ 
ВІДХОДІВ ТА МУЛОВИХ ВІДКЛАДЕНЬ. 
за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія» 
 
 
Науковий керівник Виконавець роботи 
д.т.н., професор магістрант 
  
__________ Геннадій СТОЛЯРЕНКО __________ Олександр ЖУРАВЕЛЬ   
 
  
  
  
      Нормоконтроль                         Наталія ФОМІНА 
  
 
Черкаси 2022 
ВСТУП 
 
На сьогоднішній день все більше важливою темою для обговорення 
стає проблема очищення і удосконалення технології процесу очищення 
стічних вод. В залежності від самого походження, вони мають різний 
хімічний склад. Саме за походженням їх можна поділити на побутові, 
промислові та в атмосферні. 
Із зростанням виробництва стічних вод стає все більше, що веде до 
глобальних екологічних проблем. Корегувальною дією виявленої проблеми є 
очищення стічних вод в місцях їх утворення, тобто в безпосередній 
близькості до промислових комплексів або ж на їх території. Практика 
очищення стічних вод показує, що найбільш ефективним для даного виду 
стоків є біологічне очищення. 
Біологічне очищення — це спосіб видалення зі стічних вод органічних і 
деяких неорганічних домішок, який здійснюється мікробним 
співтовариством (біоспільнотою). Організовані організми пов’язані між 
собою в єдиний комплекс складними взаємовідносинами (обмін речовин, 
симбіоз, антагонізм). Під дією мікроорганізмів можуть відбуватись 
окислювальний (аеробний) чи відновлювальний (анаеробний) процеси. 
Анаеробні методи переробки стічної води відрізняються від аеробних 
тим наступним – 90% споживаних органічних сполук перетворюються на 
метаболіти, основним компонентом яких є метан, цінний енергоносій, і лише 
10% перетворюється на біомасу. Це визначає перспективи використання 
анаеробних методів очищення промислових стічних вод. Процеси 
анаеробного очищення протікають в герметичних метантенках або 
біореакторах з закріпленною мікрофлорою (біофільтрах), виготовляються з 
бетону, металу або високоміцного пластику. При розкладанні органічних 
речовин кількість бактеріальних колоній практично не змінюється. 
Анаеробне очищення є недорогим методом, оскільки його конструкція не 
вимагає складних систем моніторингу умов навколишнього середовища. У 
багатьох країнах світу важливим елементом схеми утилізації осадів стічних 
вод на каналізаційних очисних спорудах (КОС) є їх анаеробне зброджування 
у метантенках. Основною перевагою використання метантенка є 
забезпечення високого ступеня стабілізації осаду, зменшення великої витрати 
сухої речовини осаду після бродіння та отримання корисного продукту − 
біогазу з високим вмістом метану. Позитивними особливостями в процесі 
анаеробного зброджування осаду стічних вод є низька потреба в 
біоелементах і повна відсутність постачання киснем. Як один з найбільш 
перспективних методів оброблення та утилізації осадів запропоновано 
інтенсивне анаеробне зброджування з організацією процесу у відповідності з 
кінетикою процесів бродіння та подальшим використанням забродженої маси 
як органічного добрива. 
Анаеробне зброджування – це розкладання органічних речовин за 
участю мікроорганізмів без доступу кисню у герметичних резервуарах – 
метантенках.  
Анаеробне зброджування осадів міських стічних вод – дуже складний 
біохімічний процес, який залежить від багатьох фізичних (температура, 
концентрація сухої речовини, ступінь перемішування, навантаження за 
беззольною речовиною, тривалість зброджування) і хімічних (pH, лужність, 
концентрація летючих кислот, елементів живлення і токсичних речовин) 
чинників. 
Перевагою анаеробного біологічного очищення стічних вод є висока 
швидкість і використання речовин в низьких концентраціях, а також 
відносно незначне утворення мікробної біомаси. 
Мета роботи – дослідження та розробка технологічної схеми 
анаеробного зброджування при очищенні стічних вод. 
Завдання роботи – проведення лабораторних досліджень і проектування 
на основі їх результатів технології анаеробного зброджування при очищенні 
стічних вод. 
 
  
1 АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ ОБ’ЄКТУ, ОБҐРУНТУВАННЯ  ТА 
ВИБІР ОСНОВНОГО НАПРЯМКУ РОБОТИ 
 
 
  Далі утворюються домогосподарства з житловими, адміністративними 
та комунальними будівлями. Сюди ж входять побутові приміщення 
промислових підприємств. Це стічні води, які потрапляють в систему 
водовідведення саме від сантехнічних пристроїв (раковини, раковини, ванни, 
унітази, трапи). 
  Промислові стічні води утворюються в процесі виробництва різних 
речей, виробів, виробів, матеріалів. До них відносяться використані технічні 
рішення, технічна та промислова вода, системи охолодження, вода в шахтах і 
кар'єрах, вода від хімічної очистки води, вода від очисного обладнання та 
промислового виробництва, а також очищення та охолодження відходів 
газового виробництва, включає воду від промивання твердих побутових 
відходів і прання. їх транспорт. 
  Як у житлових масивах, так і на промислових підприємствах у 
населених пунктах атмосферні стічні води утворюються під час дощових та 
сніготанення процесів. Часто їх ще називають дощами і порогами. 
 
1.1  Біологічні об’єкти анаеробного зброджування 
 
Біологічним агентом процесу анаеробного зброджування являється 
анаеробний мул. Вважається, що у процесі бродіння приймає участь п'ять 
груп бактерій, які і формують активну біомасу мулу.  
До першої групи відносяться бактерії переважно родів Bacillus, 
Micrococcus, Pseudomonas i Clostridium, що здійснюють стадії 
ферментативного гідролізу й кислотоутворення. Майже всі бактерії цієї 
групи  
відносяться до швидкоростучих факультативних анаеробів із 
оптимумом росту при значеннях рН 4-5. Бактерії виділяють у середовище 
екзоферменти, за участю яких здійснюється гідроліз і переведення твердих 
нерозчинних сполук у розчинний стан.  
Бактерії роду Bacillus. Являються аеробами або факультативними 
анаеробами. Відношення до підвищеної температури та рН сильно варіює. 
Хемоорганотрофи; метаболізм бродильного або дихального типу. 
Розкладають складні вуглеводи до суміші летких та нелетких органічних 
кислот.  
Рід Clostridium. Із вуглеводів або пептону зазвичай утворюють суміш 
органічних кислот та спиртів. Ріст на повітрі, якщо і можливий, то досить 
незначний, а споруляція подавлена. 
Рід Micrococcus. Облігатні аероби, хемоорганотрофи, метаболізм 
дихального типу, при використанні вуглеводів часто утворюють кислоту в 
невеликих кількостях або не утворюють зовсім. Оптимальна температура для 
росту 250-370С. Бактерії роду Pseudomonas. Культури клітин даного роду 
мають здатність розкладати білки, використовувати вуглеводи, 
розщеплювати крохмаль, клітковину, вуглеводні, сполуки ароматичного ряду 
і інші складні речовини.  
Більшість бактерій роду Pseudomonas володіють гетеротрофним типом 
обміну речовин, тобто для побудови тіла їм потрібна готова органічна 
речовина. Біосинтетичні процеси при цьому здійснюються за рахунок обміну 
окиснювального типу, де кисень є кінцевим акцептором електронів, 
перенесення яких пов'язане з системою цитохромів. Деякі представники 
цього роду можуть існувати за рахунок анаеробного нітратного дихання, інші 
використовують енергію окиснення водню. 
У процесі метаноутворення можуть приймати участь п'ять основних 
груп метаногенних бактерій, які відрізняються морфологічно: Methanococcus, 
Methambacterium, Methanospirillum, Methanotrix, Methanosarcina. Метаногенні  
бактерії – це строгі анаероби, які дуже чутливі до присутності в середовищі 
розчиненого кисню (концентрація кисню не повинна перевищувати 0,01 
мг/дм3) та нітратів, потребують підтримання оптимальних значень  
рН – 7,0 – 7,5. Для нормального розвитку метаногенних бактерій необхідна 
наявність у достатній кількості джерел карбону (ацетат-іону й вуглекислого 
газу), джерела енергії (водню), джерела нітрогену (аміаку), джерела сульфуру 
(сульфідів і сульфатів), мікроелементів (калію, натрію, кальцію, магнію,  
кобальту, міді, бору, цинку, молібдену). Деякі з цих мікроелементів при 
високих концентраціях можуть бути дуже токсичними для метаногенних 
бактерій. 
 
1.2 Огляд літературних джерел і патентів, аналіз прогресивних 
технологій і конструктивних рішень 
 
  Виходячи з вищесказаного, можна сформулювати наступні вимоги до 
конструкції метантенків. 
 -  забезпечення можливості відокремлення різних стадій процесу бродіння 
один від одного в просторі; 
 -   враховувати динаміку кожного етапу; 
 - забезпечення безперервності процесу завантаження, ферментації та 
вивантаження готового субстрату без наявності «вантажів» і тим самим 
«пробуксовок». 
 - забезпечення технічної можливості введення достатньої кількості 
ферментів, забезпечення контакту з органікою та підтримання оптимальної 
температури та значення рН для кожного етапу окремо, конструкцію 
метантенків необхідно адаптувати до кожного етапу процесу. субстрат слід 
брати в будь-який час, щоб мати можливість ввести в субстрат необхідні 
речовини, які можуть покращити процес бродіння. Матеріальні витрати на 
будівництво та експлуатацію метантенків повинні бути економічно 
прийнятними, а самі метантенки надійними в експлуатації. 
  Таким вимогам може задовольнити конструктивна схема 
багатосекційних газових резервуарів. Його принципова структурна схема 
показана на рисунку 1.1. 
 
 
1 – секція ферментативного гідролізу; 2 – секція кислотогенезу; 3 – 
секція ацетогенезу; 4 – головна секція метаногенезу; 5 – додаткова секція 
метаногенезу (доброджування); 6 – завантаження свіжого субстрату; 7 – 
вивантаження збродженого осаду; 8 – відведення біогазу; 9 – теплоносій; 10 – 
додаткові реагенти. 
 
Рисунок 1.1 – Принципова структурна схема прохідного 
багатосекційного метантенку 
 
  Конструктивно метантенк може являти собою горизонтальну, 
вертикальну або похилу витягнуту посудину з перегородками всередині, які 
розділяють його на окремі ізольовані секції. Посудина повинна мати 
механізм для перемішування осаду, щоб запобігти утворенню кірки. Осад, 
завантажений з одного боку ємності, повинен повільно переміщатися в інший 
бік, послідовно переміщаючись по всіх секціях, де відбувається процес 
бродіння. Швидкість проходження субстрату регулюють таким чином, щоб 
час через секцію відповідав часу, необхідному для його повного бродіння. 
  Перший і другий відділи — стадії ферментативного гідролізу і 
кислотоутворення. Швидкість гідролізу залежить як від природи органічної 
сполуки, так і від умов її проходження (необхідно забезпечити достатню 
кількість ферментів, забезпечити контакт з органікою, дотримуватись 
оптимальної температури та рН середовища). Вуглець, який переходить у 
розчин, є джерелом поживних речовин для кислотоутворюючих бактерій. За 
оптимальних умов загальна тривалість перших двох етапів становить до 7 
годин. Однак при такій інтенсивності відбувається накопичення летких 
жирних кислот, що знижує рН середовища. У звичайних конструкціях 
метантенків це пригнічує вироблення метану. Розділення 3-ї і 4-ї секцій 
апарату (для ацетогенезу і метаногенезу) дає можливість після підкислення 
вводити в субстрат додаткові ферменти, особливо вуглекислий газ. Окрім 
введення лужних реагентів для зниження рН середовища, це також значно 
збільшує швидкість росту метаногенів. 
  Рекомендується включити в конструкцію ще одну додаткову секцію 
метаногенезу для зброджування та часткового відділення мулової води. Це 
зменшує кількість збродженого осаду та покращує його органолептичні 
властивості. У кожну секцію також рекомендується подавати теплоносій, 
щоб створити оптимальний температурний режим для кожного ступеня. 
Запропоновано конструктивне рішення метантенка, що відповідає 
зазначеним вимогам. Запропонована конструкція метантенка захищена 
патентом України як корисна модель (Є. Ф. Лісіцин, С. Ю. Шаманський, В. 
В. Почтовенко, Багатосекційний метантенк) [1]. 
  Конструкція являє собою чотирьохсекційний метантенк, утворений 
горизонтальними гвинтами, розміщеними в жорсткому циліндричному 
корпусі (рис. 1.2). Шнек і корпус виконують подвійну функцію. По-перше, 
він виконує роль обмежувальної стінки для різних секцій пристрою. По-
друге, вони діють як гвинтові насоси, поступово переміщуючи 
ферментаційний субстрат з попередньої секції в наступну, обертаючись 
навколо горизонтальної осі. 
  Принцип роботи запропонованої конструкції полягає в наступному. 
Жорсткий горизонтальний циліндр (11) запропонованої конструкції 
встановлений на кількох парах опорних роликів (21). 
 
 
1 – завантажувальний пристрій; 2 – завантажувальний люк; 3 – 
аварійний запобіжно-скидний клапан; 4 – ніпель; 5 – гнучкий шланг; 6 – 
аварійний запобіжно-скидний клапан; 7 – проріз; 8 – ніпель; 9 – гнучкий 
шланг; 10 – аварійний запобіжно-скидний клапан; 11 – циліндричний корпус; 
12 – порожнистий вал; 13 – неперервна шнекова лопатка; 14 – проріз; 15 – 
ніпель; 16 – гнучкий шланг; 17 – аварійний запобіжно-скидний клапан; 18 – 
вивантажувальний отвір; 19 – гнучкі шланги; 20 – перша газова порожнина; 
21 – опорні катки; 22 – теплообмінник; 23 – форсунка; 24 – друга газова 
порожнина; 25 – нерухома лопатка; 26 – форсунка; 27 – механічна передача; 
28 – привід; 29 – третя газова порожнина; 30 – теплообмінник; 31 – нерухома 
лопатка; 32 – форсунка; 33 – опорні катки; 34 – четверта газова порожнина; 
35 – приймальний пристрій. 
 
Рисунок 1.2 – Конструктивна схема шнекового метантенка безперервної дії 
 
  Це вид збоку, тому ви можете бачити одне посилання в кожній парі. 
Цей тип опору дозволяє корпусу обертатися. Для стійкості при обертанні 
корпус повинен бути забезпечений напрямними і повертатися за допомогою 
механізму, що включає привід (28) (електродвигун і т.д.) і механічну 
передачу (27) (шестерні і т.д.). Усередині циліндричного корпусу 
розташований коаксіальний з ним порожнистий вал (12), з’єднаний із собою 
суцільною гвинтовою лопаттю (13). Така конструкція нагадує шнек в 
середині труби. На одному торці корпусу є завантажувальний люк (2), з якого 
за допомогою завантажувального пристрою (1) субстрат для ферментації 
подається в метантенк. 
  Перша частина підкладки подається в кількості, щоб заповнити 
порожнину між безперервними шнековими лопатями та циліндром до 
верхнього рівня внутрішнього вала. У частину підкладки додається «Рібен». 
Це багата на ферменти речовина, яка ініціює ініціацію процесу бродіння, 
зокрема ініціацію ферментативного гідролізу, і активує його. Роль «закваски» 
можуть виконувати заздалегідь підготовлені ферменти. Як альтернатива, 
частина субстрату, взятого з секцій активної ферментації, вже була збагачена 
такими ферментами. Перед завантаженням наступної частини борту привід 
включається і за допомогою механічної передачі обертає корпус метантенка 
на опорних роликах на 360°. Під час обертання частина підкладки 
переміщується аксіально, як між лопатями гвинтового насоса, і потрапляє в 
порожнину сусідньої секції, звільняючи попередню секцію. Обертання 
корпусу пристрою і додавання нових шматочків свіжого субстрату 
періодично повторюються. Після кожного повного оберту відокремлена 
частина підкладки проходить одну секцію вздовж осі пристрою до 
протилежного кінця корпусу. Етапи бродіння чергуються один за одним. 
  На протилежному торці корпусу є штрихований розвантажувальний 
отвір (18). При обертанні, коли отвір знаходиться в нижньому положенні, 
люк відкривається і готовий ферментований (стабілізований) субстрат 
вивантажується в приймальний пристрій (35). Потім субстрат викидають. 
Тому процес буде безперервним. 
  Коли підкладка заповнює корпус до верхньої частини внутрішнього 
валу, над підкладкою залишається порожнеча. Ці порожнини призначені для 
накопичення біогазу під час бродіння. Їх кількість така ж, як і кількість 
секцій 
Субстрат, що дорівнює числу обертів лопатей шнека.Інтенсивність виділення 
біогазу та його склад на різних стадіях бродіння відрізняються, проте в 
межах однієї стадії процес можна підтримувати відносно рівномірно. Для 
спрощення процесу видалення готового біогазу в структурі пропонується 
використовувати наскрізні прорізи (14) в лопатях шнека для з’єднання 
суміжних порожнин над субстратами однієї стадії бродіння. Їх слід зробити 
поверх леза в робочому положенні тіла. Це дозволяє сформувати чотири 
газові секції на підкладці. Процес складається з ферментативного гідролізу в 
секції субстрату (20) першої газової порожнини, утворення кислоти (24) у 
другій секції газової порожнини, ацетогенезу (29) у третій секції газової 
порожнини і, нарешті, метаногенезу. що Четвертий (34). З цієї причини 
конструкцію можна розглядати як 4 секції. 
  Для видалення біогазу з газових секцій рекомендується оснастити 
корпус принаймні одним ніпелем (4), (8), (15) для кожної секції. До них 
пропонується приєднати гнучкі шланги (5), (9), (16). Коли біогаз 
накопичується, тиск у газовій секції зростає, ніпель відкривається, і біогаз 
направляється на утилізацію. 
  Кожна секція субстрату потребує власних оптимальних умов для 
скорочення загального часу бродіння. Для їх забезпечення пропонується 
конструкція метантенка з такими елементами. Теплообмінники (22), (30) 
розміщені в робочому положенні внизу корпусу для підтримки оптимальних 
температур в секції. Вони працюють незалежно, щоб підтримувати 
необхідний температурний режим для кожного етапу бродіння шляхом 
нагрівання або охолодження субстрату. Знизу рекомендується приєднати до 
корпусу форсунки (23), (26), (32) і приєднати туди гнучкий шланг (19). 
  Насадку слід розміщувати в першій секції субстрату кожного етапу 
бродіння. Вони призначені для введення ферментів, необхідних для кожного 
етапу збагачення, в порожнину субстрату метантенка. 
  Для гнучких шлангів потрібні легкознімні з'єднання з ніпелями і 
насадками. Якщо балон регулярно обертається, його слід від'єднати від 
метантенка. 
  На випадок непередбачених обставин рекомендується мати аварійні 
запобіжні клапани (3), (6), (10), (17), розташовані у верхній частині корпусу. 
Їхнє призначення – аварійний викид біогазу в атмосферу, якщо тиск у 
метантенку піднімається вище допустимого рівня. Їх кількість повинна бути 
не менше однієї на газову секцію. Змішування субстрату має вирішальне 
значення для інтенсивності процесу та цілісності бродіння. Це можна 
забезпечити різними способами. Дизайн ілюстрації. Як показано на фіг.1, 
пропонується розмістити широкі фіксовані лопаті (25), (31) у нижній частині 
кожної секції підкладки. Вони можуть бути встановлені на зовнішньому 
корпусі та внутрішньому валу або на прилеглих ділянках лопатей гвинта. Ці 
лопаті перемішують субстрат, а корпус періодично обертається. 
  Метантенк запропонованої конструкції можна розділити на іншу 
кількість секцій. можна розділити на третини. Першу секцію можна 
використовувати для етапів ферментативного гідролізу та утворення кислоти. 
За певних умов ці стадії можна поєднувати [4]. 
  Пристрій може бути 5 секційним. У цьому випадку стадії метаногенезу 
можуть відбуватися в останніх двох ділянках. Основна частина метаногенезу 
для підтримки інтенсивного бродіння з виділенням і видаленням великої 
кількості біогазу. Додаткова ділянка метаногенезу для удобрення субстрату 
та часткового відділення мулової води [15]. 
Відомий «Спосіб одержання біогазу та біодобрив з органічних 
відходів» [патент України на корисну модель № 29997, кл. C02F 11/04, 
опубл. 11.02.2008], це включає в себе подрібнення, нагрівання, гомогенізацію 
та анаеробну обробку в реакторі з відбором біогазу та скиданням 
ферментованої маси, анаеробну обробку органічної речовини в два етапи, 
біохімічне розкладання, гідроліз і переважно кислотогенез, а на другому 
етапі відбувається анаеробна обробка органічної речовини. при біохімічному 
розкладанні утворюється переважно метан [19]. 
Недоліками цього способу є: складність обладнання при використанні у безперервному режимі завантаження органічних відходів, можливість використання тільки при мезофільному 15 режимі зброджування. 
 
 
 
Рисунок 1.3 – Схема утилізації органічних відходів отримання біогазу 
та органічних добрив 
 
Наведений пристрій для анаеробного зброджування оранічних відходів 
[19]. Двоступенева технологія полягає в тому, що фаза гідролізу і фаза 
кислотоутворення відокремлені від наступних фаз: утворення оцтової 
кислоти і метаногенезу. Двоступенева технологія має переваги в порівнянні з 
одноступеневою, які полягають в тому, що для першого ступеня допустима   
підвищена кислотність рідини, присутність кисню, який надходить із 
свіжими порціями рідини, а також допустимі більші коливання температури 
рідини. В першому ступені присутні аеробні мікроорганізми, які споживають 
кисень і  
створюють анаеробні умови для другого ступеня. При цьому, мікроорганізми 
першого ступеня подвоюють свою масу в п'ять разів швидше, ніж 
мікроорганізми другого ступеня, тому для першого ступеня достатній в п'ять 
разів менший час для біоперетворень. Пристрій для анаеробного 
зброджування органічних відходів – це горизонтальний біореактор, корпус 
якого має форму зрізаної піраміди. Така форма забезпечує рух газів в рідині, 
а також рух рідини і стікання згущених осадків в одному і тому ж напрямку 
(від кінця завантаження свіжих порцій підготовленої рідини до 
протилежного кінця), тобто, до кінця, де відбувається видалення 
перебродженої маси добрив і відокремлення біогазу від рідини. 
Більше інформації щодо патентів можна знайти в додатках. 
 
 
  
2 ОБҐРУНТУВАННЯ ТА ВИБІР ТЕОРЕТИЧНИХ І ТЕХНОЛОГІЧНИХ 
МЕТОДІВ І МЕТОДИК АНАЛІТИЧНОГО КОНТРОЛЮ 
 
 
  В Україні очищення відкладень ДП в метантенках вважається 
неефективним, оскільки існуюча технологія бродіння далека від 
досконалості. Вони використовували застарілу інформацію про перебіг 
процесу бродіння і не враховували сучасні уявлення про особливості їх 
кінетики. Результатом є недостатньо низькі швидкості бродіння, значні 
метантенки, низьке виробництво біогазу, високі капітальні та експлуатаційні 
витрати, а також низька якість отриманого органічного добрива. 
  Необхідно збільшити кількість стабілізації осаду, оскільки ми не тільки 
матимемо доступ до великої кількості екологічно безпечних органічних 
добрив, що підвищить конкурентоспроможність наших культур, але й 
зможемо отримати значну кількість альтернатив. явно проблема. Екологічно 
безпечне газоподібне паливо. Це враховує результати новітніх наукових 
досліджень у галузі біохімії та мікробіології анаеробних процесів та розробку 
нових конструкцій метантенків, що дозволяють ефективно впроваджувати 
модернізовану технологію. , можна досягти шляхом модернізації існуючої 
технології. 
 
2.1 Оцінювання характеристик сучасних процесів анаеробної 
стабілізації осадів стічних вод 
 
  Метантенк – це закритий резервуар для субстрату, зверху якого є 
ємність для збору газів, що утворюються під час бродіння. Відповідно до 
існуючих конструкцій метантенків можна класифікувати технічні схеми 
анаеробного бродіння наступним чином: 
  Наступні основні функції: об'єм реактора метантенка. температурний 
режим бродіння способи підігріву субстрату; Спосіб утримання 
мікроорганізмів, які здійснюють процес бродіння, всередині реактора. 
безперервність процесу бродіння поділ процесу бродіння на стадії (зони 
бродіння) тощо. 
  Є метантенки дуже великі і складні за конструкцією (наприклад, 
муніципальні очисні заводи), і дуже маленькі і примітивні 
(сільськогосподарські ферми, які переробляють відходи тваринництва і 
птахівництва). За потужністю реактора метантенки можна розділити на: 
 - низька продуктивність (об'єм реактора 5 - 20 м3); 
 - помірна продуктивність (об’єм реактора 200 – 1000 м3); 
 - висока продуктивність (об'єм реактора 1000 - 10 000 м3); 
 - винятково висока продуктивність (об'єм реактора > 10 000 м3). 
За температурним режимом розрізняють: 
 - холодильний режим (бродіння відбувається при температурі 20°С); 
 - мезофільні (при температурі 30-35 °С); 
 - теплолюбні (при температурі 50-55 °С); 
 - гіпертермофільні (при температурі 60 °С); 
У теплолюбних умовах досягається повне знищення яєць гельмінтів, а в 
мезофільних – лише 50-80% смертності. У кріофільному режимі 
знезараження взагалі не відбувається. 
 За способом нагрівання субстрату в реакторі метантенки поділяються на: 
– Реактори з прямим нагріванням парою або змішуванням субстрату з 
гарячою водою; 
– Реактор з непрямим нагріванням субстрату через теплообмінник 
(теплообмінник може бути вбудований в реактор на відстані від реактора або 
у вигляді суцільної сорочки реактора). 
 Залежно від рухливості мікроорганізмів, які здійснюють процес 
анаеробного бродіння, метантенки можна розділити на дві групи. 
– Реактори, в яких мікроорганізми не іммобілізовані (мікроорганізми вільно 
переміщуються всередині реактора); 
– Реактори з іммобілізованими мікроорганізмами (організми у вигляді 
біоплівок на спеціальних підставках). 
Залежно від безперервності роботи метантенки можна класифікувати на: 
– Реактор безперервної роботи (завантаження свіжого субстрату та 
вивантаження ферментованого субстрату через рівні проміжки часу); 
– Реактор циклічної дії (розвантаження відбувається тільки після повної 
ферментації завантаженого субстрату). Більш раціональним з точки зору 
режиму бродіння є метантенк безперервної дії. У них одночасно і 
безперервно (або періодично невеликими порціями) відбувається 
завантаження і вивантаження відкладень. Це підвищує температурну 
стабільність субстрату під час бродіння (його охолодження запобігає 
змішуванню з більш холодним залпом свіжого субстрату). Це забезпечує 
рівномірну інтенсивність бродіння і рівномірне виділення газу. 
 Відповідно до поділу процесу бродіння на стадії розрізняють: 
- одноступеневий ферментаційний реактор; 
- двоступеневі (або багатоступеневі) ферментаційні реактори. 
Перші великі газові котли, що з'явилися в Німеччині, Великобританії та 
Америці в 1925 році і в СРСР в 1928 році, працювали за одноступеневою 
схемою. Більшість метантенків, які зараз експлуатуються в Україні, також є 
одноступінчатими. В одноступінчастому метантенку (рис. 2.1) усі біохімічні 
процеси анаеробного бродіння відбуваються в одній загальній ємності, 
витісняючи один одного. Повна ферментація субстрату в такій посудині та 
перетворення всієї органічної речовини на біогаз вимагає значного часу 
навіть у термостабільних умовах. Термін бродіння при мезофільному процесі 
становить 30-50 діб, а при термофільному — вдвічі менший. 
  Для організації безперервного процесу регулярно проводиться часткове 
розвантаження та одночасне заповнення метантенку свіжим субстратом. 
Добова маса свіжого субстрату на кубічний метр об’єму метантенку 
називається «навантаженням» (вимірюється в кг/м3·добу). При змішуванні 
свіжих і ферментованих субстратів виникає «ковзання». Це наявність 
життєздатних і небезпечних мікроорганізмів у частині видаленого субстрату. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 – завантаження осаду; 2 – метантенк; 3 – вихід біогазу; 4 – теплоносій; 
5 – вивантаження осаду з метантенка. 
 
Рисунок 2.1 – Принципова схема одноступеневого анаеробного 
зброджування 
 
  В одноступінчастих метантенках не спостерігається розшарування 
осаду і відділення мулової води, тому в сучасних системах використовується 
двоступенева (іноді триступенева) схема. Працюють вони за тим же 
принципом, але кожен має дві-три послідовно з’єднані ємності для 
подальшого розподілу процесу бродіння в просторі залежно від його 
інтенсивності. У першій ємності (перший етап) відбувається інтенсивне 
бродіння з активним виділенням біогазу. У другому контейнері (другий етап) 
– бродіння припиняється, виділення біогазу поступово припиняється, 
відбувається часткова стратифікація субстрату з виділенням мулової води 
(рис. 1.2). У триступеневій системі мулова вода відокремлюється в третій 
ємності (третій ступінь) або відкритому баку. Ця технологія зменшує 
кількість осаду на виході шляхом відділення мулової води та покращує 
санітарно-гігієнічні властивості стабілізованого осаду, але не може повністю 
усунути «ковзання». Крім того, це не істотно скорочує період бродіння. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 – завантаження осаду; 2 – метантенк 1 ступеня; 3 – вихід біогазу; 4 – 
теплоносій; 5 – вивантаження осаду з метантенка 1 ступеня; 6 – метантенк  
2-го ступеня; 7 – вивантаження збродженого осаду. 
 
Рисунок 2.2 – Принципова схема двоступеневого анаеробного 
зброджування 
 
Головним недоліком сучасних метантенків є те, що процес бродіння 
займає значну кількість часу. У результаті потрібне будівництво масштабних 
конструкцій, а стабілізація температури підкладки потребує значних 
енергетичних витрат. У багатьох випадках це призводить до фінансової 
збитковості або навіть збитковості його діяльності. 
 
2.2 Формування технологічних вимог до організації процесу 
енергоефективної стабілізації осадів стічних вод 
 
  Сучасні методи інтенсифікації процесів бродіння можна розділити на 
дві групи: мікробіологічні та будівельно-технічні. 
До мікробіологічних методів, які посилюють процес бродіння, відносяться: 
– Метод коферментації (спільне бродіння відходів різного походження, тут 
вибирається комбінація відходів, що покращує ферментаційні властивості); 
– Використання нових штамів мікроорганізмів для здійснення процесу 
бродіння (японська компанія «Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.» 
розробила нову культуру метаногену Methanobacterium kadomensis St.23, яка 
може завершити процес бродіння за вісім днів. Зробила); 
– Введення добавок, які стимулюють процес окислення (до субстратів, 
підготовлених для бродіння, додають органокаталізатори, щоб змінити 
співвідношення вуглецю до азоту в субстратах, в результаті чого 
наближається до оптимального C/Noptim = 20/1 – 30/1. Вміст азоту 
збільшується і утворення аміаку збільшується під час бродіння); 11/1 - 16/1. 
– Іммобілізація мікроорганізмів на спеціальних середовищах 
(використовується адгезивна та абсорбційна іммобілізація біомаси до 
поверхні інертних матеріалів. В якості іммобілізаційних матеріалів можна 
використовувати гальку, керамзит, скловолокно та ін. В таких умовах можна 
зброджувати субстрати низької концентрації). на високій швидкості. 
До конструктивно-технічних способів посилення процесу бродіння 
відносяться: 
- Дотримання оптимального температурного режиму бродіння; 
– Змішування субстрату під час бродіння (вироблений біогаз вивільняється 
швидше, утворює кірку та частину втрачає) 
Це забезпечує надходження матеріалу в осад, гомогенізацію температури, 
рівномірний розподіл популяції бактерій по об’єму реактора, запобігає 
утворенню пустот і кластерів, що зменшують ефективний об’єм реактора. ); 
– Попередня підготовка субстратів (використання ультразвукових і 
гідродинамічних кавітаційних руйнівників для полегшення гідролізу 
складних органічних речовин); 
– Поділ процесу бродіння на етапи відповідно до сучасних уявлень про 
біохімію процесу бродіння (деякі автори стверджують, що конструкція 
метантенка була б значно складнішою або вимагала б використання 
додаткових комплексів). , вказує на те, що це важко реалізувати на 
технічному пристрої. 
  Розглянемо більш докладно конструктивно-технічні прийоми. 
Метанове бродіння є складним процесом, який розкладає органічні сполуки 
до кінцевих продуктів, головним чином метану та вуглекислого газу в 
анаеробних умовах. У кращому випадку кількість цих газів може становити 
до 90 ÷ 95% біологічно розкладеної органічної речовини. За останні роки 
було проведено низку наукових досліджень, які суттєво змінили попередні 
уявлення про цей процес. Це дозволяє більш раціонально проаналізувати 
існуючі технології анаеробного бродіння та отримати огляд існуючих 
конструкцій метантенків та їх відповідність сучасним вимогам і методам їх 
подальшого розвитку. Відповідно до сучасних уявлень, у процесі 
анаеробного бродіння беруть участь різні мікробні спільноти. Його 
кількісний і якісний склад сильно залежить від складу субстрату і умов, 
створених в метантенку. 
Ця спільнота включає: Деструктивні мікроорганізми, які гідролізують 
складні органічні речовини до простих речовин, розчинних у воді та 
доступних для бродіння. бродильні, що в результаті життєдіяльності 
утворюють органічні кислоти і нижчі спирти, аміак і водень, синтрофні, що 
перетворюють ці кислоти на оцтову кислоту, водень і оксиди, вуглець, 
метаногенні бактерії, які безпосередньо виробляють метан; 
Отже, анаеробне бродіння можна розглядати як процес, що складається з 
чотирьох послідовних стадій (рис. 2.3). 
- гідроліз нерозчинених складних органічних сполук з утворенням більш 
простих речовин, розчинних у воді; 
- кислотогенератор - виділяє кислоту, спирт, водень і вуглекислий газ. 
- ацетогенез - перетворення продуктів виробництва кислоти в ацетат; 
- метаногенез – кінцева стадія бродіння, на якій відбувається метаногенез. 
Якщо в трофічному ланцюзі аеробних процесів взаємовідносини між 
групами організмів відбуваються переважно за принципом «хижак-жертва», 
то в процесі метанового бродіння трофічний ланцюг будується на 
використанні однієї групи метаболітів. іншими бактеріями. 
  При метановому бродінні органічні сполуки в анаеробних умовах 
розщеплюються на кінцеві продукти, основними з яких є метан і вуглекислий 
газ. За сприятливих умов до 95% органічних речовин, що розклалися, можуть 
перетворюватися на ці гази. Стає можливим застосування нових підходів до 
оркестровки цих процесів для їх посилення в промислових масштабах і 
створення нових технологій і конструкцій реакторів, завдяки новітнім 
дослідженням, що пояснюють особливості впливу різних факторів на 
бродіння. 
  Кількісний і якісний склад анаеробної мікробіоти, а також активність і 
швидкість розмноження мікроорганізмів сильно залежать від складу осаду і 
умов, створених в метантенку. Але в цілому ті ж правила діють і для 
обмінних процесів, які відбуваються під час бродіння. На відміну від 
більшості аеробних процесів, де мікроорганізми співіснують за принципом 
«хижак-жертва», в анаеробних процесах продукти життєдіяльності одних 
мікроорганізмів стають поживними речовинами для інших. У результаті 
бродіння можна розглядати як самостійний, майже безперервний 
метаболічний процес різних груп бактерій. Серед них виділяють чотири 
основні групи. 
  Перша група (гідролізовані) — це мікроорганізми, які гідролізують 
складні органічні речовини до більш простих речовин, які краще 
розчиняються у воді та піддаються ферментації. Білки гідролізуються до 
розчинних пептонів, а вуглеводи гідролізуються спочатку до полісахаридів, 
потім олігосахаридів, а потім моносахаридів. Жири гідролізуються на 
гліцериди, фосфоліпіди та ін. 
 
 
Рисунок 2.3 – Постадійна схема анаеробного зюроджування 
 
Другу групу (ацидогенні) складають мікроорганізми, які за допомогою 
продуктів гідролізу утворюють спочатку низькомолекулярні пептиди та 
амінокислоти, потім летючі жирні кислоти та спирти, а також 
довголанцюгові жирні кислоти. Третя група (ацетогенні) — це 
мікроорганізми, які використовують кислоти і спирти для утворення 
переважно оцтової кислоти (оцтової кислоти). Четверта група (Метаногени) 
— це мікроорганізми, які виділяють метан із продуктів життєдіяльності 
ацетогенів. 
Діяльність цих мікробних груп залежить від параметрів середовища. 
Серед них рН середовища, його температура, концентрація кисню та 
наявність або відсутність інших речовин. Різні групи бактерій зазвичай 
мають різні оптимальні значення цих параметрів. 
Існуюча технологія в основному включає такі конфігурації процесу: 
Двоступеневе бродіння (перший об'єм призначений для інтенсивного 
бродіння та інтенсивного виділення газу, другий об'єм - для гасіння процесу і 
розшарування осаду на стійкий субстрат і мулову воду); багатоступеневе 
бродіння (додається додаткова ємність). при якому відбувається більш повне 
ущільнення збродженого осаду). Двоступінчасті та багатоступеневі 
технології мають перевагу в тому, що осад краще зневоднюється, таким 
чином зменшується об’єм збродженого осаду, тим самим зменшується об’єм 
установки для подальшого зневоднення осаду. Однак така технологія 
збільшує потужність і ускладнює конструкцію самого метантенка без 
суттєвого покращення параметрів самого процесу бродіння. Там вони 
намагаються створити сприятливі умови для більш неприємних, повільно 
зростаючих мікробів, метаногенів. Ці умови пригнічують життєдіяльність 
кислих бактерій, оскільки сприятливі умови для кислих бактерій різні. В 
результаті уповільнюється кислотоутворення і зменшується кількість 
кислотоутворюючих відходів. Ці продукти є джерелами живлення 
Таким чином, для ацетогенів, а потім метаногенів кінцевий вихід біогазу 
знижується. При створенні більш сприятливих умов для ацидогенних 
мікроорганізмів кількість кислоти в метантенку збільшується, а pH 
середовища значно падає, що пригнічує життєдіяльність метаногенних 
бактерій. Тому в метантенках, як правило, намагаються створити гібридні 
умови, досягаючи певного балансу між діяльністю кислотогенних і 
метаногенних бактерій. 
Зрозуміло, що такий підхід не залишає багато простору для подальшого 
розвитку. У той же час, проведені дослідження показують, що швидкість 
росту ацидогенних і метаногенних бактерій, які беруть участь у процесі 
бродіння, значно збільшується при їх просторовому розділенні. На основі 
проведених досліджень також можна зробити висновки про оптимальні 
параметри середовища, необхідні для інтенсивного росту та діяльності не 
лише ацидогенних і метаногенних бактерій, а й інших бактеріальних 
угруповань. Різні обмінні процеси під час бродіння. 
Наступні види бактерій працюють переважно на стадії гідролізу. 
- целюлозо- та скролітичні - Clostridium Bacteroides, Butyrivibrio, 
Ruminococcus, Acetivibrio, Lactobacillus та ін. 
-  протеолітичні - Clostridium peptococcus, Bifidobacterium, Staphylococcus 
та ін.; 
- Ліполіз - Clostridium Micrococcus, Ruminicoccus, Brilivibrio та ін. 
Оптимальне значення рН на цьому етапі становить 6,5-7,6 [4]. Однак така 
оптимізація актуальна при використанні технології без відокремлення цього 
етапу в просторі від окремих етапів процесу. Завдяки просторовому 
розподілу бродіння рН може суттєво змінюватися в ту чи іншу сторону на 
стадії гідролізу [9]. Гідроліз можна розділити на ферментативний і 
бактеріальний гідроліз. Швидкість ферментативного гідролізу залежить від 
природи органічної сполуки, що гідролізується, і пропорційна площі 
поверхні, доступної молекулам ферменту. Швидкість бактеріального 
гідролізу визначається проникненням у клітину. Ця швидкість значно 
знижується після запечатування полісахаридних волокон лігніном, що значно 
зменшує доступну площу поверхні. 
Оскільки ацидогенез, ацетогенез і метаногенез не можуть відбуватися до 
закінчення гідролізу (перетворення на прості речовини) беззольних речовин, 
загальний час бродіння осаду SV становить Прямі залежності. Таким чином, 
твердофазний гідроліз є обмежувальним етапом у загальному процесі. 
Для прискорення процесу бродіння важливо інтенсифікувати гідроліз 
опадів, головним чином активного мулу. Для збагачення можна 
використовувати попередню обробку субстрату. Вона повинна бути 
спрямована на руйнування мікробних клітин і переведення органічної 
речовини зі зв'язаного (нерозчинного) стану в розчинний. Для попередньої 
обробки осаду для посилення гідролізу можна використовувати такі методи: 
- механічне шліфування; 
– кислотна обробка (кислотний гідроліз); 
– лужна обробка (лужний гідроліз); 
–шляхом нагрівання до високих температур від 100 до 180 °C 
(термогідроліз). 
– лужна обробка та нагрівання до високої температури (термічний лужний 
гідроліз); 
– ультразвукове опромінення (ультразвуковий гідроліз). 
для активного гідролізу, для механічного подрібнення гомогенізаторів, 
для кислотного гідролізу - розчин HCl HCl, для лужного гідролізу - розчин 
NaOH, для термічного гідролізу - нагрівання та витримування при 
температурі 100 °C, для ультразвукового гідролізу - ультразвуковий 
диспергатор 1 дол. 0,063/22 Для частоти випромінювання 22 103 Гц і дози 
опромінення до 100 Вт·год/л швидкість розкладання беззольного матеріалу 
можна збільшити наступним чином. 
– механічне полірування – 2,2%; 
– кислотний гідроліз – 5,7% 218 – лужний гідроліз – 8,7%; 
– термогідроліз – 10,2%; 
– гарячий лужний гідроліз - 13,3%; 
– Ультразвуковий гідроліз - 20%. 
Найбільш перспективним для подальшого застосування можна вважати 
посилений гідроліз методами термічної, термолужної та ультразвукової 
попередньої обробки опадів. 
Недоліком термогідролізу та термолужного гідролізу є те, що на ранніх 
стадіях бродіння субстрат швидко нагрівається до високих температур перед 
гідролізом, а потім до температур у психрофільному, мезофільному, 
термофільному або гіпертермофільному режимах. Його необхідно швидко 
охолоджувати, щоб , в залежності від подальшої технології. 
Принцип посилення ультразвукового гідролізу полягає в утворенні 
ультразвукової кавітації в підкладці під дією ультразвукового опромінення. 
Газова бульбашка, що утворюється в результаті локального розриву, подвоює 
тиск всередині субстрату, руйнуючи органічний матеріал і збільшуючи його 
біодоступність на наступних стадіях процесу. Швидкість руйнування 
залежить, за інших рівних факторів, від інтенсивності утворюваної кавітації, 
яка, у свою чергу, залежить від інтенсивності ультразвукового 
випромінювання. Цю швидкість можна оцінити за швидкістю збільшення 
споживання розчинного хімічного кисню (DOC). Збільшення розчинної ГПК 
активного мулу в побутових стічних водах прямо пропорційно дозі 
ультразвукового опромінення [9]. Спостерігається руйнування згустку і 
структурні зміни активного мулу. 
Недоліком є те, що обробка осаду ультразвуком вимагає значних 
енергетичних витрат. Зі збільшенням дози опромінення зростають витрати на 
енергію. У зв'язку з цим при використанні ультразвукової кавітації важливо 
шукати інші шляхи посилення процесу кавітації без збільшення дози 
опромінення. 
Другу групу (ацидогенні) складають мікроорганізми, які за допомогою 
продуктів гідролізу спочатку утворюють низькомолекулярні пептиди та 
амінокислоти, потім леткі жирні кислоти та спирти, довголанцюгові жирні 
кислоти. мікроорганізми, що використовують кислоти та спирти для 
отримання в першу чергу оцтової кислоти. Четверта група (метаногени) – це 
мікроорганізми, що виділяють метан із продуктів життєдіяльності ацетогену. 
Діяльність цих мікробних груп залежить від параметрів довкілля. До них 
відносяться рН середовища, температура, концентрація кисню та наявність 
чи відсутність інших речовин. У різних груп бактерій зазвичай різні 
оптимальні значення цих параметрів. 
Існуюча технологія в основному включає такі технологічні конфігурації: 
Багатоступенева ферментація (додається додатковий обсяг). при якому 
відбувається більш повне ущільнення осаду, що перебродив). Перевага 
двоступінчастої та багатоступінчастої технологій полягає в тому, що мул 
краще зневоднюється, внаслідок чого зменшується обсяг ферментаційного 
мулу, тим самим зменшується обсяг обладнання для подальшого 
зневоднення мулу. Однак ця технологія збільшує продуктивність і ускладнює 
конструкцію метантенка без істотного поліпшення параметрів самого 
процесу ферментації. Тому вони намагаються створити сприятливі умови для 
більш неприємних і повільних мікробів — метаногенів. Ці умови гнітять 
життєдіяльність кислих бактерій, оскільки сприятливі умови для кислих 
бактерій інші. В результаті уповільнюється кислотоутворення та 
зменшується кількість кислотоутворювальних відходів. Ці продукти є 
джерелами живлення 
Таким чином, і для ацетогенів, і метаногенів знижується кінцевий вихід 
біогазу. Створення більш сприятливих умов для кислих мікроорганізмів 
дозволить збільшити кількість кислоти в метантенці та значно знизити рН 
середовища, пригнічуючи активність метаногенних бактерій. Тому в 
метантенках, як правило, намагаються створити гібридні умови, з певним 
балансом між активністю ацидогенів та метаногенів. 
Зрозуміло, що такий підхід залишає мало місця подальшого розвитку. У 
той самий час проведені дослідження показують, що швидкість зростання 
ацидогенів і метаногенів, що у процесі бродіння, значно збільшується за її 
просторовому поділу. На підставі проведених досліджень також можна 
зробити висновки про оптимальні параметри середовища, необхідні для 
інтенсивного росту та діяльності не тільки ацидогенів та метаногенів, але й 
інших бактеріальних угруповань. Різні метаболічні процеси при бродінні. 
Наступні бактерії переважно активні на стадії гідролізу. 
- целюлоза та мікобактерії туберкульозу - Clostridium Bacteroides, 
Butyrivibrio, Ruminococcus, Acetivibrio, Lactobacillus та ін. 
-  протеолітичні - Clostridium peptococcus, Bifidobacterium, Staphylococcus 
та ін; 
- Ліполіз - Clostridium Micrococcus, Ruminicoccus, Brilivibrio та ін. 
Оптимальне значення рН цієї стадії становить 6,5-7,6 [4]. Однак така 
оптимізація актуальна при використанні технології без відокремлення цієї 
стадії у просторі від окремих стадій процесу. Через просторовий розподіл 
ферментації рН може суттєво змінюватися в той чи інший бік на стадії 
гідролізу [9]. Гідроліз можна поділити на ферментативний гідроліз та 
бактеріальний гідроліз. Швидкість ферментативного гідролізу залежить від 
природи органічної сполуки, що гідролізується, і пропорційна площі 
поверхні, доступної для молекул ферменту. Швидкість бактеріального 
гідролізу визначається проникненням клітин. Після герметизації 
полісахаридних волокон лігніном ця швидкість значно падає, що значно 
зменшує доступну площу поверхні. 
Загальний час ферментації осаду SV знаходиться у прямій залежності, 
оскільки ацидогенез, ацетогенез і метаногенез не відбуваються доти, доки не 
завершиться гідроліз (перетворення на елементарне) беззольного матеріалу. 
Таким чином, гідроліз у твердій фазі є обмежує стадією всього процесу. 
Для прискорення процесу бродіння важливо посилити гідроліз осаду, 
яким переважно є активний мул. Попередню обробку субстрату можна 
використовувати для збагачення. Вона повинна бути спрямована на 
руйнування мікробних клітин та перехід органічної речовини зі зв'язаного 
(нерозчинного) стану в розчинний. Для попередньої обробки осаду з метою 
полегшення гідролізу можна використовувати такі методи: 
– механічне шліфування; 
– кислотна обробка (кислотний гідроліз); 
– лужна обробка (лужний гідроліз); 
-- Нагрівання до високих температур від 100 до 180 °C (термогідроліз).– 
лужна обробка та нагрівання до високих температур (термічний лужний 
гідроліз); 
– Ультразвукове опромінення (ультразвуковий гідроліз) Для активного 
гідролізу, для механічного подрібнення гомогенізаторів, для кислотного 
гідролізу – розчин HCl, для лужного гідролізу – розчин NaOH, для 
термічного гідролізу – Температура 100 °С для ультразвукового гідролізу – 
ультразвуковий диспер2 При частоті випромінювання 103 Гц та дозах 
опромінення до 100 Вт·ч/л швидкість розкладання беззольних речовин 
зростає до: 
- механічне полірування - 2,2%; 
- Кислотний гідроліз - 5,7% 218 - Лужний гідроліз - 8,7%; 
- термогідроліз – 10,2%; 
- гарячий лужний гідроліз – 13,3%; 
- ультразвуковий гідроліз – 20%. 
Найбільш перспективним для подальшого застосування можна вважати 
посилений гідроліз методами термічної, гарячлужної та ультразвукової 
обробки осаду. 
Недоліком термогідролізу та термолужного гідролізу є те, що на ранніх 
стадіях бродіння субстрат швидко нагрівається до високих температур, що 
передують гідролізу з подальшим переходом по фторофільному, 
мезофільному, термофільному або гіпертермофільному режимам. Залежно 
від подальшої техніки потрібне швидке охолодження. 
Принцип стимулювання ультразвукового гідролізу полягає у формуванні 
ультразвукової кавітації в підкладці під дією ультразвукового опромінення. 
Пухирці, що утворюються в результаті локального розриву, подвоюють тиск 
усередині субстрату, руйнуючи органічний матеріал і підвищуючи його 
біодоступність на наступних стадіях процесу. Швидкість руйнування 
залежить за інших рівних умов від сили кавітації, що утворюється, яка, у 
свою чергу, залежить від сили ультразвукового випромінювання. Цю 
швидкість можна оцінити за швидкістю збільшення споживання розчиненого 
хімічного кисню (DOC). Збільшення розчинної ГПК активного мулу в 
господарсько-побутових стічних водах прямо пропорційне дозі 
ультразвукового опромінення [9]. Спостерігається руйнування згустків та 
структурні зміни активного мулу. 
Недоліком є те, що обробка осаду ультразвуком потребує значних 
енергетичних витрат. Зі збільшенням дози опромінення зростають витрати 
енергії. У зв'язку з цим при використанні ультразвукової кавітації важливо 
шукати інші шляхи посилення процесу кавітації без збільшення дози 
опромінення. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 – ультразвуковий диспергатор; 2 – гідролізатор з барботером; 3 – 
манометр для вимірювання тиску в гідролізаторі; 4 –барботер; 5 – відведення 
біогазу після барботування; 6 – подавання гідролізованого субстрату у 
метантенк; 7 – подавання свіжого осаду з КОС; 8 – додавання лугу; 9 – 
теплогенеруюча установка; 10 – подавання біогазу для спалювання; 11 – 
подавання біогазу для барботування; 12 – подавання кислоти. 
 
Рисунок 2.4 – Технологічна схема лужного гідроліза з ультразвуковою 
ковітацією і біогазовим барботуванням 
 
В основному на ацидогенній стадії працюють такі види бактерій: 
- Кислотний гідроліз - Clostridium, Bacteroidetes, Butyrivibrio, 
Micrococcus, Ruminococcus, Acetivibrio, Lactobacillus peptococcus, 
Bifidobacterium Staphylococcus та ін. 
- Сульфаредукція - Desulfovibrio, Desulfotomaculum та ін. 
Ацидогенні бактерії є швидкозростаючими, невибагливими 
анаеробами, тому ацидогенна стадія швидко проходить при глибокому 
гідролізі осаду [4]. Основними кінцевими продуктами цієї стадії є 
довголанцюгові жирні кислоти (ненасичені СН3 (СН2) (СН2) mСООН і 
насичені СН3 (СН2) nСООН), леткі жирні кислоти СnНmСООН (пропіон, 
масляна кислота та ін), спирти СnНmОН. 
На цій стадії органічні сполуки, виведені в розчин при гідролізі, стають 
джерелом живлення вищезгаданих груп бактерій. Мономери, що 
утворюються при гідролізі, ферментуються до довголанцюгових жирних 
кислот, амінокислот, спиртів, водню, вуглекислого газу і пірувату (піруват 
CH3СОСООН), які потім розкладаються. Після їх утворення аміногрупа NH2 
відокремлюється від амінокислоти (дезамінування) з утворенням вільного 
аміаку NH3. У присутності мінеральної сірки в субстратах її частково або 
повністю окислені сполуки піддаються сульфатному відновленню 
окисленням органічної речовини або водню. В результаті виділяється 
сірководень H2S. Результатом цих процесів є залишкові концентрації аміаку 
та сірководню у вихідному біогазі, що знижує його якість. Крім того, 
присутність аміаку та сірководню на пізніх стадіях пригнічує активність 
метаногенів [8]. На цьому етапі як побічні продукти виділяються CO2 і 
невелика кількість H2. 
Склад кінцевого продукту цьому етапі може змінюватись. В основному 
це залежить від парціального тиску водню в реакторі та глибини розкладання 
пірувату. 
Підвищена концентрація водню в субстраті може бути пов'язана з 
недостатнім споживанням комэнсальними мікроорганізмами етанолу 
(СН3СН2ОН), пропіонової кислоти (СН3СН2СООН) та її солей (пропіонату), 
масляної кислоти (бутанової кислоти). ) та їх солі (бутирати) та інші леткі 
жирні кислоти (ЛЖК). Внаслідок їх накопичення (переважно пропіонової 
кислоти) рН субстрату значно падає і може досягати 5,2–5,5. Якщо стадія 
утворення кислоти відбувається при атмосферному тиску, CO2 легко 
виділяється та перетворюється на газ. 
У таких умовах метан у баку практично не утворюється. Його рівень 
може становити 2-4% від рівня СО2. 
Тому на цій стадії виділяється в основному СО2, невелика кількість Н2 
та СН4. Також можливі домішки NH2 та H2S. 
У традиційній технології ферментації всі ці гази потрапляють у 
вихідний біогаз, знижуючи його якість, але низький рН, сірководень та аміак 
у навколишньому середовищі пригнічують зростання метаногенів, 
дестабілізуючи наступні процеси [8]. Крім того, в реакторах без перегородок 
на етапі зниження рН низьке значення рН середовища пригнічує 
ферментативну активність мікрофлори, що залишилася, особливо 
метаногенів, дестабілізуючи процес ферментації. В результаті подальший 
процес метаногенезу значно сповільнюється. 
При ефективному споживанні водню коменсальною мікробіотою 
парціальний тиск водню в реакторі знижується, уповільнюючи 
кислотоутворення та запускаючи метаболічні механізми ацетогенної стадії. 
Через це кислота не утворюється і може бути перетворена на метан на 
наступному етапі. В результаті кінцевий вихід метану знижується. Щоб 
запобігти цьому на даному етапі, в резервуар необхідно ввести додаткову 
кількість водню, щоб підвищити парціальний тиск та активувати 
виробництво кислоти. 
Зниження рН середовища сигналізує про закінчення процесу 
кислотоутворення, а збільшення концентрації пропіонової кислоти в 
субстраті - про появу порушення та загрози діяльності водневих 
мікроорганізмів. . Для ефективного проходження метаногенезу. 
На стадії ацетогенезу працюють дві основні групи бактерій. Перша 
група розкладає довголанцюгові жирні кислоти, леткі жирні кислоти та 
спирти з виділенням водню з утворенням ацетату (оцтової кислоти). 
Деградація в основному здійснюється ацетогенами та β-оксидантами, 
що руйнують довголанцюгові жирні кислоти та НЖК – Syntrophomonas, 
Syntrophobacter, Clostridium та ін. Пропіонова кислота розкладається за такою 
формулою: 
 
 CH3CH2COOH + 2H2O → CH3COOH +CO2 + 3H2, (2.1) 
 
масляна кислота розкладається за формулою: 
 
 CH3CH2CH2COOH + 2H2O → 2CH3COOH + H2. (2.2) 
 
У процесі розкладання виділяється значна кількість вуглекислого газу 
та водень.  
Друга група виробляє ацетат шляхом відновлення вуглекислого газу 
воднем. Тут працюють сульфатредукуючі бактерії, що використовують 
водень – Desulfovibrio, Desulfotomaculum тощо. Це відбувається за 
формулою: 
 
 4H2 + 2CO2 → CH3COOH + 2H2O. (2.3) 
 
Активності цих груп бактерій взаємопов'язані. У таких умовах дуже 
важливий парціальний тиск водню. Незважаючи на те, що водень необхідний 
для життєдіяльності другої групи [8], навіть невелике підвищення його 
парціального тиску вище критичного значення призведе до зниження 
активності водневих бактерій першої групи. 
Низький парціальний тиск активує перший тип бактерій, що 
виробляють водень, тоді як недолік водню пригнічує активність другого типу 
бактерій. Високий парціальний тиск активує другий тип бактерій та 
пригнічує активність першого типу бактерій. Зрозуміло, що є оптимум, у 
якому обидва типу бактерій активні. 
Таким оптимумом є рівень парціального тиску 10 Па [9]. Таке 
зниження тиску лише уповільнює зростання бактерій другого типу, тоді як 
будь-яке підвищення, навіть незначне, призводить до повного припинення 
активності першого типу [8]. Тому можна зробити висновок, що дуже 
важливо контролювати концентрацію в реакторі в режимі реального часу та 
підтримувати парціальний тиск нижче 10 Па. 
Для підтримки стабільності процесів у реакторі окисно-відновний 
потенціал середовища повинен підтримуватися на рівні Eh = 330 10-3 В. При 
відновленні активується утворення водню. 
При нижчих значеннях цього потенціалу активується сіркоутворення, 
що призводить до появи додаткових кількостей сірководню в газоподібному 
продукті бродіння. 
Ацетогенез при атмосферному тиску рекомендується, якщо CO2 легше 
виділяється у газову фазу. 
Дві групи бактерій також функціонують переважно на стадії 
метаногенезу. Перша група розщеплює оцтову кислоту на метан та 
вуглекислий газ з утворенням метану. Тут працюють такі метаногени, як 
Methanosaete та Methanosarcina. Ця група утворює близько 72% всього 
метану у біогазі. 
Цей процес слідує за формулою: 
 
 CH3COOH → СH4 +CO2. (2.4) 
 
Друга група відновлює вуглекислий газ до метану. Тут працюють 
метаногенні бактерії, що використовують водень, такі як Methanobacterium, 
Methanobrevibacter, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanogenium, 
Methanosarcina тощо. Ця група утворює близько 28 % усього метану. Процес 
відбувається за формулою: 
 
 CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O. (2.5) 
 
Усередині цих груп метаногени сильно різняться за своїми 
властивостями. Тому вони поділяються на три відділи, що включають кілька 
сімейств та пологів. Нині виявлено та описано десятки пологів метаногенів. 
Цей список постійно оновлюється. Серед них є як мезофіли та термофіли, так 
і автотрофи та гетеротрофи. Найбільш вивченими в даний час є 
Methanobacterium thermoautotrophicum, Methanosarcina barkerii, 
Methanobrevibacter ruminantium, Methanotrix та Methanobacterium kadomensis. 
Відмінною особливістю метаногенів є їхня здатність до активного 
розмноження в тісному симбіозі з іншими групами мікроорганізмів, які 
забезпечують необхідні поживні речовини. Крім харчових зв'язків між 
групами важливі та фізичні зв'язки. Метаногени (і ацетогени) найкраще 
ростуть, коли у тісному контакті друг з одним. Сильні динамічні 
навантаження, такі як сильне турбулентне перемішування, порушують ці 
контакти та уповільнюють процес регенерації. Тому на стадіях ацетогенезу 
та метаногенезу субстрат повинен помірно перемішуватися без динамічного 
навантаження. Це тільки забезпечує гомогенізацію субстрату та запобігає 
осіданню твердих частинок та утворенню кірки. Пропелерні мішалки, що 
зазвичай використовуються, не відповідають вимогам. Загальною рисою 
обох груп метаногенів є їхня надзвичайна чутливість до варіацій параметрів 
навколишнього середовища, особливо до наявності кисню. Ці бактерії 
вимагають дуже жорстких анаеробних умов. Загибель настає, коли 
концентрація кисню у реакторі перевищує 0,01 мг/л. Тому однією з основних 
вимог є герметичність реактора протягом усього процесу та контроль вмісту 
кисню в субстраті. 
Оптимальною для метанових бактерій є середовище від нейтрального 
до слаболужного з рН від 7,0 до 7,5. Підвищення як кислотності, і лужності 
довкілля уповільнює репродуктивний процес. Отже, при рН = 9,0-10,0 час, 
необхідне повного метаногенезу, становить щонайменше 20 діб. Тому 
важливо підтримувати бажаний рН середовища. 
Метаногени дуже чутливі до змін температури. Допустиме відхилення 
від оптимальної температури для мезофільних бактерій становить ±2 °С, 
термофільних бактерій ±0,2 °С. У зв'язку з цим недостатньо широко 
застосовується в даний час спосіб нагріву підкладки шляхом подачі реактор 
парів води. Локальне підвищення температури призводить до загибелі 
бактерій. 
Біологічно активні добавки активують метаболізм метаногенів [13], 
особливо мерапіну (меламінової солі біс(оксиметил)фосфінової кислоти). У 
таких умовах збільшується концентрація метану у біогазі. 
Метаногени, як правило, повільно зростають анаероби. Проте 
метаногени зростають у кілька разів швидше, коли вони просторово 
відокремлені від ацидогенів, що усуває антагонізм [6]. Процес ферментації 
можна скоротити до 7 днів, якщо гарантувати оптимальні значення чинників 
кожному з перелічених вище етапів [4]. У лабораторних умовах поєднання 
термофільних та мезофільних умов на різних стадіях дозволило скоротити 
період ферментації до 3 діб [11]. Такий укорочений період бродіння дозволяє 
у кілька разів зменшити обсяг метантенків, знизивши капітальні витрати на 
будівництво. 
Існуючі технології зброджування дозволяють отримувати біогаз з 
вмістом СО2 до 40 %, тобто паливо невисокої якості. Такий високий вміст 
СО2 може бути пояснений тим, що для ефективного функціонування другого 
типу метаногенів, які відновлюють СО2 до метану за допомогою водню 
(формула 2.5), в метантенку недостатньо саме Н2 [10]. 
З підвищенням тиску розчинність СО2 у воді збільшується. Якщо тиск 
у метантенку підняти до 0,5×106 Па, то СО2, який виділяється внаслідок 
функціонування першого типу метаногенів (формула 2.4), у цих групах 
метаногени дуже різноманітні за своїми властивостями. Тому вони 
поділяються на три відділи, що включають кілька сімейств та пологів. До 
теперішнього часу відкриті та описані десятки метаногенів. Цей список 
постійно оновлюється. Серед них є як мезофіли, так і термофіли, автотрофи 
та гетеротрофи. Найбільш вивченими в даний час є Methanobacterium 
thermoautotrophicum, Methanosarcina barkerii, Methanobrevibacter ruminantium, 
Methanotrix та Methanobacterium kadomensis. 
Відмінною особливістю метаногенів є їхня здатність до активного 
розмноження в тісному симбіозі з іншими групами мікроорганізмів, які 
забезпечують необхідні поживні речовини. Крім харчових зв'язків між 
групами важливі та фізичні зв'язки. Метаногени (і ацетогени) найкраще 
ростуть, коли у тісному контакті друг з одним. Сильні динамічні 
навантаження, такі як сильне турбулентне перемішування, порушують ці 
контакти та уповільнюють процес регенерації. Тому ацетогенна та 
метаногенна стадії вимагають помірного перемішування субстратів без 
динамічного навантаження. Це тільки забезпечує гомогенізацію основи та 
запобігає відкладенню твердих частинок та утворенню кірки. Звичайні 
пропелерні мішалки не задовольняють цю вимогу. Загальною рисою обох 
груп метаногенів є їхня надзвичайна чутливість до варіацій параметрів 
навколишнього середовища, особливо до наявності кисню. Ці бактерії 
вимагають дуже жорстких анаеробних умов. Загибель настає, коли 
концентрація кисню у реакторі перевищує 0,01 мг/л. Тому однією з основних 
вимог є герметичність реактора протягом усього процесу та контроль вмісту 
кисню в субстраті. 
Оптимальним середовищем для метанових бактерій є середовище від 
нейтрального до слаболужного з рН від 7,0 до 7,5. Як підвищена кислотність, 
і лужність середовища уповільнюють репродуктивний процес. Отже, при рН 
= 9,0-10,0 час, необхідне повного метаногенезу, становить щонайменше 20 
діб. Тому важливо підтримувати бажаний рН середовища. 
Метаногени дуже чутливі до змін температури. Допустиме відхилення 
від оптимальної температури для мезофільних бактерій становить ±2 °С, 
термофільних бактерій ±0,2 °С. У зв'язку з цим метод подачі пари в реактор 
для нагрівання підкладки в даний час не набув широкого поширення. 
Локальне підвищення температури призводить до загибелі бактерій. 
Біологічно активні добавки активують метаболізм метаногенів [13], 
особливо мелапіну (меламінової солі біс(оксиметил)фосфінової кислоти). У 
таких умовах збільшується концентрація метану у біогазі. 
Метаногени зазвичай є анаеробами, що повільно ростуть. Однак 
метаногени ростуть у кілька разів швидше, коли вони просторово 
відокремлені від ацидогенів, що унеможливлює антагонізм [6]. Процес 
ферментації можна скоротити до 7 днів, якщо гарантувати оптимальні 
значення чинників кожному з перелічених вище етапів [4]. У лабораторних 
умовах нам вдалося скоротити період ферментації до 3 днів за рахунок 
поєднання термофільних та мезофільних умов на різних стадіях [11]. Такий 
укорочений період бродіння дозволяє у кілька разів зменшити обсяг 
метантенків, знизивши капітальні витрати на будівництво. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 2.5 –  Лабораторна модель шнекового метантенка безперервної 
дії 
 
 
 
 
2.3 Загальна методика аналізів і методи проведення дослідження 
 
Нефелометрія – це фотометричний метод, який ґрунтується на 
вимірюванні інтенсивності світлового потоку, розсіяного твердими 
частинками під певним кутом (наприклад, 90°), і які знаходяться у розчині в 
завислому стані. Інтенсивність розсіяного світлового потоку залежить від 
концентрації частинок в аналізованій пробі та від об’єму частинок, що 
розсіюють світло.  
Для здійснення нефелометричного методу аналізу іони визначуваного 
елемента або визначувану речовину переводять в малорозчинну сполуку, що 
здатна утворити відносно стійку дисперсну систему у початковий період 
формування осаду. Найменш розчинні у воді осади є зручними для 
аналітичних цілей. Цим умовам задовольняють реакції SO 2-
4  з  Ba2+, Clˉ з 
Ag+, C 2- 2+
2O4  з Ca  та інші. Для утримання твердих частинок у підвішеному 
стані застосовуються різні стабілізатори (наприклад, желатин), що 
запобігають коагуляції часток. Утворення осаду, що підходить для кількісних 
вимірювань, залежить від умов осадження (температура, концентрація 
реагенту, рН, швидкість додавання реагенту). 
В нефелометричному методі аналізу світло розсіюється частинками, 
розміри яких більші за довжину хвилі світла, яке падає на них. Інтенсивність 
розсіяного світла цими частинками описується законом Релея:     
                                                          (2.6) 
де Ір – інтенсивність розсіяного світла; Іо – інтенсивність падаючого 
світла; К – коефіцієнт пропорційності; v – кількість частинок в 1 см3 розчину; 
V – об’єм однієї частинки; λ – довжина хвилі падаючого світла.  
З наведеного рівняння можна зробити висновок, що інтенсивність 
світлорозсіювання пропорційна концентрації часточок, квадрату їх об’єму і 
обернено пропорційна довжині хвилі падаючого світла в четвертому ступені. 
Отже, розсіювання хвиль світла з малою довжиною хвилі відбувається 
найінтенсивніше. Максимальне світлорозсіювання відбувається в дисперсних 
системах з розміром частинок, що відповідає колоїдному ступеню 
дисперсності. Об’єднавши величини І0, К і l рівняння Релея в одну сталу К1, 
і враховуючи, що v∙V = с, можна записати: 
                                                                          (2.7) 
 З цього рівняння зрозуміло, що інтенсивність розсіяного світла прямо 
пропорційна концентрації частинок у колоїдному розчині чи суспензії.  
Нефелометричні вимірювання виконують за допомогою приладів, які 
називаються нефелометрами. За принципом роботи вони подібні до 
фотоколориметрів, однак вимірювання розсіяного світла проводять при 
боковому освітленні розчинів і, таким чином, порівнюють не інтенсивність 
забарвлення половин поля зору окуляра, а інтенсивність їх освітлення.  
Типовий нефелометр складається з двох однакових скляних кювет (3): в 
одній – стандартний розчин, в іншій – досліджуваний (рисунок 2.1). Світло 
від джерела (1) рівномірно падає на обидві кювети. Світло, проходячи крізь 
розчини, через спеціальні призми направляється в окуляр (2), розділений на 
дві половини. Піднімаючи або опускаючи екрани (5), необхідно досягти 
однакового забарвлення обох половинок окуляра. При цьому інтенсивність 
досліджуваного розчину рівна інтенсивності стандартного розчину.  
Нефелометричний метод використовується для визначення мутності 
водних розчинів. Мутність – це один з основних параметрів якості води та 
напоїв, характеристика стоків і розчинів в гальваніці та інших сферах 
виробництва. При застосуванні питної води мутність води може вказувати на 
наявність бактерій, патогенів або частинок, які можуть захищати шкідливі 
організми від процесу дезінфекції, а в промислових процесах мутність є 
показником для оцінки ефективності обробки виробничих процесів.  
Проходячи через рідину, що містить зважені частинки, а саме: глину, 
водорості, одноклітинні організми, світло поглинається і розсіюється. Зі 
збільшенням кількості зважених часток збільшується і мутність. Форма, 
розмір і склад часток також впливають на значення мутності. Раніше для 
оцінки мутності використовували величину ослаблення світла, що 
проходить, використовуючи фотоколориметри або спектрофотометри. Однак 
вимірювання кількості світла, розсіяного під кутом (зазвичай 90°), 
виявляється більш точним способом. 
 
  
1 – джерело світла; 2 – окуляр; 3 – кювети з досліджуваним та 
стандартним розчинами; 4 – призми; 5 – рухомі екрани 
 
Рисунок 2.6 – Оптична схема типового нефелометра 
 
Розрахунок концентрації досліджуваного розчину проводять за 
формулою:  
                                                                        (2.8) 
 
 де сх і hх – концентрація досліджуваного розчину і висота підняття 
кювети з ним; сст і hст – відповідно для стандартного розчину. В 
нефелометрії для вимірювання мутності використовується нефелометрична 
одиниця мутності (НОК) – це одиниця мутності за формазином – NTU, 
Nephelometric Turbidity Unit у США та FTU, Formazin Nephelometric Unit за 
міжнародними стандартами, яку отримують на основі використання певної 
концентрації (мг/дм3) суспензії полімеру формазину C2H4N4 або мг/дм3 (за 
каоліном). Чисельно мутність, виражена в одиницях FTU і NTU, має 
однакове значення, але відрізняється від такої, яка вимірюється в одиницях 
мг/дм 3 (1 NTU = 1 FTU = 0,58 мг/дм3 каоліну). Для виконання даного 
досліду використовується сучасний лабораторний мутномір-турбодиметр 
CyberScan TB 1000 з набором кювет (рисунок 2.7).  
 
1 – дисплей; 2 – оптичний колодязь; 3 – ламповий модуль; 4 – сенсорна 
кнопкова панель; 5 – кювета; 6 – кришка кювети 
 
Рисунок 2.7 – Зовнішній вигляд лабораторного мутноміра-турбодиметра 
CyberScan TB1000 (б) та набір кювет (а) 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 ОПИС РОБОТИ, КОНСТРУКЦІЙ АПАРАТІВ ТА СТЕНДОВИХ 
УСТАНОВОК 
 
 
Анаеробне зброджування в метантенках з отриманням екологічно 
безпечних органічних добрив та енергетично цінного біогазу може 
розглядатися як один із найбільш перспективних та економічно вигідних 
способів експлуатації відкладень СВ, що відповідає як вимогам, так і 
екологічним вимогам. 
Встановлено, що різні стадії анаеробного бродіння потребують різних 
умов інтенсивного протікання. На основі аналізу протікання процесу 
анаеробного бродіння показано можливість використання 
багатоступінчастого технологічного процесу бродіння. Застосовуючи 
чотириетапний технологічний процес можна отримати комерційний CO2, 
який, як було показано, збільшує вміст метану в біогазі з 60% до 90%. 
Перспективним способом вважається анаеробне бродіння. В результаті 
процесу ферментації органічні речовини, що містяться в рідкій біомасі, 
розкладаються та утворюються газоподібні продукти у вигляді суміші метану 
та вуглекислого газу (біогаз). При цьому він частково або повністю 
дезінфікується, дегельмінтизується, дезодорується та дезактивується. Для 
анаеробного бродіння використовуються різні біореактори, у тому числі 
метантенки та анаеробні фільтри. 
Для забезпечення процесу необхідно підтримувати температурний 
режим, витрати на який можуть бути компенсовані за рахунок утилізації 
біогазу, що виділяється. Анаеробне бродіння покращує удобрювальні 
властивості біомаси без істотної втрати їх у навколишнє середовище 
внаслідок мінералізації біогенних речовин. 
Цей метод забезпечує більш високу швидкість завантаження, ніж це 
можливо при аеробному очищенні, і не вимагає використання хімічних 
реагентів для розкладання органічної речовини. Це знижує водоутримуючу 
здатність біомаси. Анаеробне бродіння – єдиний спосіб не лише покрити 
енергетичні витрати 
Ви можете не тільки запустити процес, але й отримати надлишки. 
Енергія, отримана у вигляді біогазу, може бути перетворена на теплову, 
електричну та механічну енергію, що зручно для користувача. Однак цей 
метод фактично не зменшує обсяг та вміст вологи в оброблюваній біомасі. 
 
 3.1 Одержання та обґрунтування основних науково-технічних 
результатів, досліджень, їх аналіз з точки зору достовірності, наукової та 
практичної цінності 
 
Як варіант обробки та утилізації осаду пропонується інтенсивне 
анаеробне бродіння з конфігурацією процесу, що повторює кінетику процесу 
бродіння, і подальшим використанням бродильної маси в якості органічного 
добрива. 
Очевидно, що реальна конфігурація процесу бродіння та конструкція 
метантенка повинні відповідати умовам сучасної теорії анаеробного 
бродіння, але існуюча технічна схема та конструкція метантенка – всі функції 
процесу не враховуються. . Як існуючі одностадійні, і двостадійні 
технологічні схеми мають низку істотних недоліків. 
    До основних відносяться інгібуючі взаємодії різних груп бактерій, 
що працюють на різних стадіях ферментації, що унеможливлює досягнення 
максимально можливої інтенсивності всього процесу і, отже, циклу 
ферментації. одна спільна судина. Для усунення інгібуючих ефектів ми 
рекомендуємо виділяти космічну групу бактерій, що діють як інгібітори 
щодо інших бактерій. Крім неможливості скорочення періоду ферментації 
робота метантенків із «завантаженням» передбачає часткове 
неферментування всієї маси субстрату, тому існуючі технічні схеми 
дозволяють не отримати максимальну кількість біогазу. З цієї ж причини 
якість субстрату для бродіння з погляду його санітарно-гігієнічної безпеки не 
завжди є достатньою через наявність «сліпів», що призводять до певної 
кількості життєздатних яєць гельмінтів. та інші патогенні включення до них. 
Для забезпечення оптимальних умов функціонування всіх видів 
бактерій технологічна схема ферментації повинна відповідати наступним 
вимогам: Запропоновано базову технологічну схему ферментації, що 
складається з чотирьох просторово рознесених процесів, що забезпечує 
можливість введення достатньої кількості необхідних ферментів у проточну 
зону кожної стадії. Дозволяє підтримувати оптимальне значення рН та 
температуру середовища окремо в кожній зоні, організує перебіг кожної фази 
з урахуванням її динаміки. Ви можете швидко семплювати дошку з кожного 
розділу та швидко змінювати значення коефіцієнтів. Забезпечити 
безперервність процесу ферментації без змішування субстратів різних 
стадіях. 
 
 3.2 Дослідження процесів метаногенезу 
 
В проведених дослідженнях використовувалися установка для 
метанового бродіння, яка представлена на рисунку 3.1. 
Установка для дослідів щодо метанового бродіння складається з 
посудини 1, яка виконує роль метантенка, і газгольдера, що є ємністю 2, яка 
заповнена водою і ковпаком 3, в який надходять газоподібні продукти. При 
надходженні газів ковпак піднімається і за відмітинами на стінках можна 
судити про кількість газу, що утворюється. 
Метанове бродіння здійснювалося протягом 16 діб за постійної 
температури 37 °С впродовж усього періоду проведення дослідження 
процесу анаеробної ферментації з використанням біопрепарату на основі 
шести факультативно анаеробних культур мікроорганізмів «Гріз Тріт». 
Характеристика стічних вод в процесі метанового бродіння представлена в 
таблиці 3.1. 
 
 
 
 Рисунок 3.1 – Установка для дослідів по метановому бродінню 
 
Таблиця 3.1 – Характеристика стічних вод 
Показники ХСК, мг рН Співвіднош
О2/л ення СН4:СО2 
Початкові 2600 7,2 – 
Після посіву 2500 7,3 – 
Триваліс 1 1850,4 7,3 – 
ть бродіння, 2 – 7,2 – 
доби 4 1673,6 7,3 3,5:1 
6 – 7,1 – 
8 1150,4 7,2 4:1 
1 – 7,4 – 
0 
1 761,6 7,4 2,1:1 
2 
1 – 7,4 – 
4 
1 571,2 7,4 1,2:1 
6 
 
Виходячи з наведених в таблиці 3.1 даних досліджень, можна зробити 
висновок, що використання метанового бродіння приводить до 
очищення  
стічних вод на 78,1 %, за якого показник ХСК знижується до 571,2 мг О2/л.  
Хід метанового бродіння контролювався за виділенням газоподібних 
продуктів, насамперед метану. Про інтенсивність метанового бродіння 
судили за об’ємом метану, який виділився, стосовно об’єму зброджувального 
середовища (рисунок 3.2). Загальна кількість газоподібних продуктів склала 
близько 50 мл. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рисунок 3.2 Динаміка газоутворення в процесі метанового бродіння 
стічних вод 
 
Виходячи з результатів дослідження, представлених на рисунку 3.2, 
можна констатувати, що максимальне метаноутворення має місце через 4 
доби процесу зброджування. 
  
4 РОЗРОБКА ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СХЕМИ НА ОСНОВІ РЕЗУЛЬТАТІВ 
ДОСЛІДЖЕНЬ 
 
 
Технологічна схема чотиристадійного анаеробного зброджування 
осадів стічних вод представлена на рис. 4.1. Виходячи з вищевикладеного, 
гідроліз повинен відбуватися наступним чином: Частина переробленого 
збродженого мулу, відібраного на виході з метантенка (як «закваска»), 
додається до свіжого мулу з очисних споруд і додається NaOH для лужного 
гідролізу. 
Суміш подають у закритий блок гідролізу (2). У цей час осад у баку 
гідролізу опромінюють ультразвуковими хвилями за допомогою 
ультразвукового диспергатора (1). У той же час компресор (14) впорскує СО2 
блок гідролізу через барботер, що надходить з блоку очищення СО2 (5). СО2 
міхуриться через осад, накопичується у верхній порожнині гідролізера над 
осадом і виходить через випускний клапан. Клапан повинен підтримувати в 
апараті гідролізу надлишковий тиск 105 Па, контрольований манометром (3). 
Додаткових дегазацій у гідролізері не очікується, тому віддалений CO2 
змішується з CO2 на стадіях ацидогенезу та ацетогенезу та випускається у 
вигляді товарного газу в резервуар для зберігання. При гідролізі осад у 
гідролізері нагрівають до температури 53°С (подальше бродіння у 
термофільному режимі) за допомогою екзотермічної установки (13). Після 
завершення гідролізу до осаду, що виходить, додають HCl для доведення pH 
до 6,5-7,6. У разі досить інтенсивної обробки осаду тривалість гідролізу 
вбирається у 30 хвилин [22]. 
Додайте гідролізований шлам pH від 6,5 до 7,6 в резервуар з 
барботером для утворення кислоти. У баку встановлюється атмосферний 
тиск і барботер подається водень. Барботер розпорошує і спінює осад, 
перемішуючи осад та підвищуючи парціальний тиск у резервуарі. Гідроген 
подається діафрагмовим електричним генератором водню (11). 
  
 
1 – ультразвуковий диспергатор; 2 – гідролізатор з барботером; 3 – 
манометр для вимірювання тиску в гідролізаторі; 4 – ємкість з барботером 
для кислотогенезу; 5 – блок очищення вуглекислого газу від Н2, NН2, СН4, 
Н2S; 6 – блок очищення вуглекислого газу від Н2; 7 – ємкість з барботером 
для ацетогенезу; 8 – ємкість з барботером для метаногенезу; 9 – манометр 
для вимірювання тиску у ємності для метаногенезу; 10 – компресор для 
нагнітання вуглекислого газу в гідролізатор; 11 – теплогенеруюча установка 
для поступового нагрівання осаду в гідролізаторі; 12 – теплогенеруюча 
установка для температурної стабілізації осадів у ємностях для 
кислотогенезу, ацетогенезу та метаноганезу; 13 – діафрагмовий 
електрогенератор водню; 14 – компресор для нагнітання водню у ємкість для 
метаногенезу 
 
Рисунок 4.1 – Технологічна схема чотиристадійного анаеробного 
зброджування осадів стічних вод 
 
Газоподібні продукти цієї стадії разом барботажним воднем 
збираються у верхній порожнині ємності і відводяться з неї через відвідну 
трубку. Ці продукти подаються на блок очищення СО2 (5), де відбувається 
очищення вуглекислого газу від домішок Н2, NН2, СН4, Н2S. Очищений 
вуглекислий газ направляється в резервуари для зберігання як товар. Частина 
СО2 поглинається компресором (4) і направляється барботуванням в 
установку гідролізу (2). Теплогенеруючий пристрій (12) подає теплову 
енергію для стабілізації температури шламу в резервуарі генератора кислоти. 
Стадія підкислення контролює рівень pH середовища. Закінчення фази 
відзначається, коли рН перестає знижуватися. 
Потім осад додають луг (NaOH) для відновлення рН середовища до 
значення 7,5-8,0. 
Після підкислення осад з рН 7,5-8,0 подають у посудину, з барботером, 
для отримання оцтової кислоти (6). Атмосферний тиск та окислювально-
відновний потенціал усередині судини встановлюють приблизно на 330 мВ. 
Вуглекислий газ подається в барботер для збовтування осаду та активізації 
ацетогенів типу I (1). CO2 надходить із блоку очищення (5). Подача CO2 не 
повинна бути надто сильною, щоб не заважати фізичному контакту між 
ацетогенними бактеріями. 
Вуглекислий газ (барботажний газ і газ, що утворюється на цій стадії) 
збирається у верхній порожнині судини разом з воднем, що виділяється, і 
потім видаляється через вихідну трубу. 
В умовах постійної подачі та видалення СО2 із судини видаляється Н2 
знижуючи його парціальний тиск. Температурна стабілізація осаду в 
контейнері відбувається за допомогою вузла нагрівального (12). 
Газ, що видаляється, направляється в блок очищення від СО2 (7), де 
двоокис вуглецю очищається від домішок Н2. Очищений CO2 скидається як 
товар у резервуари для зберігання. 
 
Після ацетогенезу, який істотно не змінює рН середовища, осад 
додають біостимулятор типу БІОСТИМ-СБК4 і подають в посудину, 
обладнаний барботером для метаногенезу (8). Компресор (14) починає 
подавати водень у ємність від діафрагмового електрогенератора водню (13). 
Метан і невелика кількість двоокису вуглецю, що утворюються в резервуарі, 
збираються у верхній частині резервуара разом з воднем, що подається для 
барботажу, і виводяться через запірний клапан трубопроводу перекачування 
біогазу. Цей клапан повинен бути відрегульований для підтримки всередині 
судини тиску 106 Па. Для контролю цього тиску посудина обладнана 
манометром (9). За допомогою теплогенеруючої установки (12) відбувається 
температурна стабілізація відкладень у резервуарі у процесі метаногенезу. 
Частина готового біогазу відводиться з вихідного трубопроводу і 
спрямовується на спалювання в температурних точках (11) та (12). 
Після зупинки метаногенезу осад, що перебродив, видаляють з судини. 
Невелика його частина проходить рециркуляційним трубопроводом, де 
змішується з новою порцією свіжого осаду і у вигляді «закваски» прямує на 
установку гідролізу. ферментаційний шлам, Що Залишився, зневоднюється і 
використовується в якості органічного добрива [23]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 РОЗРАХУНОК ОСНОВНОГО АПАРАТУ 
 
 
Для розрахунку метантенка потрібно визначити витрату сухої речовини 
осаду: Визначаємо витрату сухої речовини осаду: 
 
сум.
С ∙Е∙��∙��сум.доб.
                                              �� ЗР
сух. =  , т/добу, (5.1) 
106
 
сум.
де С .
ЗР  – концентрація завислих речовин в суміші побутових 
івиробничих стічних вод міста, мг/дм3;  
Е – ефект затримання завислих речовин у первинних відстійниках 
– 38; 
k – коефіцієнт, що враховує крупні частинки, які не уловлюються при 
відборі проб;   
Qсум.доб. –  розрахункова  витрата стічних вод, м3/добу. 
 
Визначаємо витрату надлишкового активного мулу: 
 
��сум.доб.∙(П−��)
                                           Мсух. =  ,т/добу, (5.2) 
106
 
де b – концентрація активного мулу в стічній воді на виході із 
вторинних відстійників, 15 мг/дм3; 
П – приріст активного мулу – 177,97 мг/дм3. 
 
90000∙(177,97−15)
Мсух. =  = 14,67 т/добу. 
106
 
П = 0,8‧к.фС 3
зр + Кп‧Ссум.БСК.  = 0,8‧136,4 + 0,3‧229,5 = 177,97 мг/дм . 
 
 
Ссум.БСК  = 255 – (255‧0,1) = 229,5 мг/дм3. 
 
де к.фС =136,4 мг/дм3
зр  – концентрація завислих речовин в стічній воді, 
що надходить в аеротенк;  
Ссум.БСК – показник БСКповн стічної води, що надходить в аеротенк, 
розраховується як різниця С  – 255 мг/дм3
БСК  10-15% від СБСК. Кп – коефіцієнт 
приросту активного мулу, становить 0,3. 
Визначаємо витрату беззольної речовини осаду (Обез) та надлишкового 
активного мулу (Мбез): 
 
Осух.∙(100−Вк.)∙(100−Зос.)
                            Обез. =  , т/добу, (5.3) 
104
 
де Вос та Вм – гігроскопічна вологість осаду та активного мулу, яка 
приймається 5%;  
Зос та Зм – зольності, відповідно, осаду та активного мулу, які для 
побутових стічних вод приймають рівними 30% [16]. 
 
8,27∙(100−5)∙(100−30)
Обез. = = 5,49  т/добу, 
104
 
Мсух.∙(100−Вк.)∙(100−Зос.)
                                       Мбез. =  , т/добу, (5.4) 
104
 
14,67∙(100−5)∙(100−30)
                           Мбез. = = 9,75 т/добу.                                 
104
(5.5) 
 
Витрати осаду та активного мулу фактичної вологості за умови, що їх 
густина дорівнює 1 т/м3 , визначають за формулами: 
 
100∙Осух.
                                                 �� 3
ос. = , м /добу, (5.6) 
(100−��ос.)
 
100∙8,27
                                   ��ос. = = 165,4 м3/добу,                                      
(100−95)
(5.7) 
 
де Wос – вологість осаду, яка приймається: при самопливному видаленні 
– 95%;  
Wм – вологість ущільненого мулу, 98% [16]. 
Вміст сухої речовини у осаді: 
 
                      ��сух. = Осух. + Мсух. = 8,27 + 14,67 = 22,94т/добу.          
(5.8) 
 
Вміст беззольної речовини осаді: 
 
��без. = Обез. + Мбез. = 5,49 + 9,75 т/добу. (5.9) 
 
Загальна витрата осаду та активного мулу: 
 
                    ��заг. = ��ос. + ��м. = 165,4 + 733,5 = 914,4 м3/добу.             
(5.10) 
 
Загальна вологість суміші осаду та активного мулу: 
 
��
                                 З без.
заг. = [1 − 100−Вос. 100−В ] ∙ 100, %, (5.11) 
О ∙( )+М ∙( м.
сух. 100 сух. )
100
 
��
                    Ззаг. = [1 − без.
100−В 100−В ] ∙ 100 = 30 %.        
О ∙( ос.
сух. )+М ∙( м.)
100 сух. 100
(5.12) 
 
 
 
 
 
 
5.1 Розрахунок метантенку 
 
Для анаеробного зброджування суміші сирого осаду і НАМ 
використовується метантенк із термофільним режимом зброджування 
Робочий об’єм метантенка визначається за формулою: 
 
100∙��
                                         �� = заг
метан  , м3, (5.13) 
Д
 
де Д = 20.76 добова доза завантаження осаду в метантенк, %, яка 
приймається в залежності від режиму зброджування та середньої вологості 
завантажуваного осаду ( Wзаг ), термофільний режим, Wзаг =97,5% ). 
 
100∙898
�� 3
метан = = 4325,6 м . 
20,76
 
При наявності в стічних водах поверхнево-активних речовин прийняту 
дозу завантаження необхідно перевірити за формулою: 
 
10∙ДПАР
гр.
                                     дПАР =  ,%, (5.14) 
СПАР∙(100−��заг.)
 
де ДПАР
гр.  – гранично допустиме завантаження робочого об’єму 
метантенків ПАР, яке для побутових стічних вод приймається рівним 65 
г/(м3/добу); СПАР – концентрація поверхнево-активних речовин в осаді, мг/г. 
 
дПАР 10∙65
= = 43,8 %. 
5,93∙(100−97,5)
 
Концентрація поверхнево-активних речовин в суміші осаду та 
активного мулу визначається за виразом: 
 
(а0∙Осух.+ам∙Мсух.)
                                  СПАР =  , мг/г, (5.15) 
��сух.
 
де ао = 7,9 та ам = 5 – концентрація ПАР в осаді та в активному мулі, 
мг/г, яка приймається в залежності від концентрації ПАР у стічній воді 16. 
 
(7,9∙8,27+5∙14,67)
СПАР = = 5,93 мг/г. 
22,94
 
Якщо при перевірочному розрахунку виявиться, що ДПАР  Д, то об'єм 
метантенків визначають за величиною Д [16]. 
Кількість метантенків приймається не менше двох, обидва робочі.  
Приймемо 2 метантенки з наступними параметрами: - Корисний об'єм – 
2500 м3 .  
– Діаметр – 17,5 м.  
– Висота верхнього конуса – 2,5 м.  
– Висота циліндричної поверхні – 8,5 м.  
– Висота нижнього конуса – 3.05 м [16].  
Максимально можливий розпад беззольної речовини суміші осаду та 
активного мулу визначається за формулою: 
 
(�� ∙О +�� ∙М
                                �� = 0 без. м без.)
гр.  , %, (5.16) 
��без.
 
де Rо та Rм – максимально можливий розпад беззольної речовини осаду 
та активного мулу, який складає, відповідно, 53 та 44 % 16.  
 
(7,9∙5,49+44∙9,75)
��гр. = = 47,24 , %. 
15,24
 
 
 
Вихід газу становить: 
 
                                          Г = ��гр. − �� ∙ ��, м3/кг, (5.17) 
 
де n – коефіцієнт, що враховує залежність виходу газу від вологості та 
режиму зброджування – 0,135 (при термофільному режимі та вологості – 
97,5) D – доза завантаження – 20,76. 
 
Г = 47,24 − 0,135 ∙ 20,76 = 0,44, м3/кг 
 
Сумарний вихід газу становить: 
 
Гсум. = Г ∙ ��без. ∙ 1000 = 0,44 ∙ 15,24 ∙ 1000 = 6705 м3/добу. 
 
Для регулювання тиску і зберігання газу у складі очисних споруд 
передбачаються газгольдери «мокрого типу», об'єм яких розраховується на 2 
– 4 години перебування газу (tГ) – 3 год.1,п. 6.359]. 
 
Гсум.∙���� 6705∙2
��г = = = 558,75 м3. 
24 24
 
де tг – перебування газу в газгольдері – 2 год 
 
Приймаємо типовий газгольдер з типовими параметрами:  
– Об’єм – 300 м3 .  
– Діаметр резервуара – 9300 мм.  
– Висота газгольдера – 12500 мм [14]. 
 
Кількість беззольної та сухої речовини в збродженій суміші буде 
складати: 
�� ∙(100∙�� )
                                     ��зб без г
без =  , т/добу,  (5.18) 
100
 
15,24∙(100∙47,24)
��зб
без = = 8,04 т/добу. 
100
 
Зольність та вологість збродженої суміші визначаються за формулами: 
 
100∙��зб
                                      Ззб
без = 100 ∙ (1 − без
зб ), %, (5.19) 
��без∙(100∙В��)
 
Ззб 100∙8,04
без = 100 ∙ (1 − ) = 46,2 %. 
15,74∙(100∙5)
 
Вологість суміші після зброджування: 
 
��зб
сух.
                                      ��зб.
заг. = 100 ∙ (1 − ) , %, (5.20) 
��заг.
 
��зб. 15,74
заг. = 100 ∙ (1 − ) = 98,2 , %. 
898
 
де Вг – гігроскопічна вологість збродженої суміші, яка приймається 5 
%. 
 
  
6 ЕКОНОМІЧНІ РОЗРАХУНКИ 
 
6.1 Оцінювання безпеки процесів водовідведення у рамках нової 
концепції 
 
Розглянемо чинники впливу дренажного процесу на атмосферу, 
гідросферу та літосферу. Розглянемо чинники на атмосферу викидів метану і 
вуглекислого газу під час скидання осаду на звичайній очисної станції. 
Якщо на очисних спорудах використовуються традиційні механічні та 
біологічні методи очищення, відкладення з ставків-відстійників первинного 
та вторинного відстійників можуть становити приблизно 0,5% від обсягу 
очисних споруд, що очищаються. При цьому осад первинного відстійника 
становить 35%, а осад вторинного відстійника (активний мул) – 65%. 
Відсотковий вміст хімічного складу відкладень комунальних очисних споруд 
можна сказати, як показано в Таблиці 6.1. 
 
Таблиця 6.1 – Відсотковий хімічний склад осадів комунальних СВ 
№ Вид осадів Беззольна (органічна) Зольна  
з частина, % частина, % 
/п Бі Ж Вуг
лки ири леоди 
1 Осад 3 30 18 20 
первинних 2 
відстійників 
2 Активний мул 4 23 7 26 
4 
3 Суміш обох 3 25, 11 23,7 
осадів 9,8 5 
 
Дослідженнями встановлено [4], що межа розкладання беззольної 
частини осадів комунальних СВ при анаеробному бродінні складає: білків – 
48%, жирів – 70%, вуглеводів – 62,5%. Таким чином загальну межу 
зброджування осадів комунальних СВ можна визначати за формулою: 
 
   ��розп. = (0,71 ∙ 0,48 ∙ б) + (1,31 ∙ 0,7 ∙ ж) + (0,985 ∙ 0,625 ∙ в), %,     (6.1) 
 
Біогази, отримані при розкладанні різних складових беззольної частини 
осаду, мають різний хімічний склад, особливо різний вміст метану та 
вуглекислого газу. Відсотковий вміст під час розкладання показано в таблиці 
6.2. 
 
Таблиця 6.2 – Відсотковий хімічний склад осадів комунальних СВ  
№ Компонент Відсотковий склад біогазу, % 
з беззольної частини СН4 СО2 
/п осадів 
1 Білки 71 28 
2 Жири 68 31 
3 Вуглеводи 50 49 
 
У відповідності з цим, теоретичний максимально можливий 
відсотковий вихід біогазу відсотковий вихід окремо метану і окремо 
вуглекислого газу по відношенню до маси субстрату, що завантажується у 
метантенк може бути визначений за формулами: 
 
����
�� 4
розп = (0,71 ∙ 0,48 ∙ 0,71 ∙ б) + (1,31 ∙ 0,7 ∙ 0,68 ∙ ж) + 
                                           +(0,985 ∙ 0,625 ∙ 0,5 ∙ в), %,                                   
(6.2) 
 
����
�� 4
розп = (0,71 ∙ 0,48 ∙ 0,28 ∙ б) + (1,31 ∙ 0,7 ∙ 0,5 ∙ ж) + 
                                           +(0,985 ∙ 0,625 ∙ 0,49 ∙ в), %,                         
(6.3) 
 
Після числової підстановки отримуємо СН4 розп k = 28,9%, СО2 розп k 
= 14,9%. В реальних технологічних процесах досягати теоретичної межі 
розкладання не вдається. При зброджуванні осадів за традиційною 
технологією у метантенках традиційної конструкції уточнена межа 
зброджування може бути визначена за формулою: 
 
����
                                            �� 4
розп = ��розп − �� ∙ ��, %,                                    (6.4) 
 
де n – експериментальний коефіцієнт, що залежить від вологості 
субстрату і температури зброджування (для вологості 96% і термофільних 
умов бродіння n = 0,382) [2]. 
D – добова доза завантаження метантенка, % (для вологості 96% і 
термофільних умов бродіння рекомендована доза завантаження D = 20%) [2].  
 
���� ����
Після числової підстановки отримуємо �� 4
розп = 28,9%, �� 2
розп = 14,9%. 
 
����
�� 4
розп = 43,8 − 0,385 ∙ 20 = 36,1, % 
 
При використанні чотиристадійної технології і при цьому при 
чотиристад
досягненні межі зброджування ��розп = 41,0 %, відсотковий вихід окремо 
метану і окремо вуглекислого газу, визначений за формулами 7.2, 7.3, складе: 
 
чотирист ����
�� 4
розп = (0,71 ∙ 0,48 ∙ 0,71 ∙ 39,8) + (1,31 ∙ 0,7 ∙ 0,68 ∙ 25,5) + 
                              +(0,985 ∙ 0,625 ∙ 0,5 ∙ 11) = 27,1 %, 
 
чотиристад СО
�� 2
розп = (0,71 ∙ 0,48 ∙ 0,28 ∙ 39,8) + (1,31 ∙ 0,7 ∙ 0,31 ∙ 25,5) + 
                             +(0,985 ∙ 0,625 ∙ 0,49 ∙ 11) = 13,9 %. 
 
Визначаємо кількісні значення екологічних (атмосферних) факторів, 
що впливають, тобто. викидів метану та вуглекислого газу, при утилізації 
відкладень СЕ за рівнянням 6.1. приймає певне значення фактора, що 
впливає 
Теоретично максимально можливий вихід відокремленого метану і 
відокремленого вуглекислого газу на масу субстрату, що завантажується в 
метантенк, визначається за рівняннями 6.2, 6.3, вираженими в частках 
одиниць: 
  
��ФБР
0СН = 0,289;��ФБР
0СО =  0,149. 
4 2
 
Таким чином, значення факторів впливу викидів метану складуть: 
– без зброджування осадів у метантенках: 
 
без зброд. 0,289
��СН = = 1, 
4 0,289
 
– зброджування осадів за традиційною технологією: 
 
трад.тех. 0,289−0,238
��СН = = 0,176, 
4 0,289
 
– зброджування осадів за новою чотиристадійною технологією 
 
чотирис.тех. 0,289−0,271
��СН = = 0,062. 
4 0,289
 
Значення факторів впливу викидів вуглекислого газу складуть: 
– без зброджування осадів у метантенках: 
 
без зброд. 0,149
��СО = = 1, 
2 0,149
 
– зброджування осадів за традиційною технологією: 
 
трад.тех. 0,149−0
��СО = = 1, 
2 0,149
 
– зброджування осадів за новою чотиристадійною технологією: 
 
чотирис.тех. 0,149−0,139
��СО = = 0,067. 
2 0,149
 
Таким чином, результатом впровадження чотиристадійної технології 
зброджування замість традиційної є зменшення фактору впливу викидів 
(0,176−0,062)
метану на довкілля на [ ] ∙ 100 = 64,77%, і зменшення фактору 
0,176
(1,0−0,067)
впливу викидів вуглекислого газу на [ ] ∙ 100 = 93,3%. 
1,0
Розглянемо атмосферний фактор впливу викидів вуглекислого газу при 
вирощуванні МФБ у ФБР з використанням в якості середовища РВ та 
отриманням біопалива з біомаси МФБ. Біомаса вирощується під час 
переробки біоелементів, а потім використовується для виробництва 
біопалива. Це дозволяє біопаливу замінити деякі традиційні копалини 
палива, зменшуючи викиди вуглекислого газу та знецінюючи фактори, що 
впливають на атмосферу. У процесі виробництва біопалива з МКВ 
необхідними є затрати електроенергії на: безпосередньо на культивування 
МКВ, на видалення МКВ з культурального середовища, на відокремлення 
олій, на виробництво з них біодизеля, виробництво біогазу. Затрати на 
культивування на один квадратний метр площі робочої зони ФБР складають: 
для закритих ФБР – 157,68·106 Дж/м2; для відкритих ФБР – 31,54·106 Дж/м2. 
Використання СВ як культурального середовища дозволяє знизити затрати 
електроенергії на безпосереднє культивування: для закритих ФБР на 20%, 
для відкритих ФБР – на 25% [5]. Таким чином, за умови використання ФБР 
для очищення СВ від біогенних елементів, затрати на культивування 
складуть:  
– для закритихФБР: 
 
Закр.ФБР
��ел.кулбт.СВ = 126,14 ∙ 106 Дж/моль; 
 
– для відкритих ФБР: 
 
��від.ФБР
ел.кулбт.СВ = 23,65 ∙ 106 Дж/м2. 
 
Таким чином загальна кількість потенційно затраченої електричної 
енергії на виробництво біопалива, складе:  
– для закритих ФБР: 
 
Закр.ФБР
�� ( ) 6
ел.затр.біоп.СВ = 126,14 + 10,15 + 1,6 + 0,18 + 2,77 ∙ 10 = 
                                      = 140,84 ∙ 106 Дж/м2, 
 
– для відкритих ФБР: 
 
��Від.ФБР (
ел.затр.біоп.СВ = 23,65 + 10,15 + 1,6 + 0,18 + 2,77) ∙ 106= 
                                      = 140,84 ∙ 106 Дж/м2, 
 
Відсоток отриманої енергії з виробленим біопаливом у процентному 
відношенні до енергії, що має бути затрачена на перебіг процесу 
виробництва, складе: 
– для закритих ФБР: 
 
Закр.ФБР (151,8+115,30)∙106
��СВ = ∙ 100 = 166,36%, 
(140,84+19,72)∙106
 
 
– для відкритих ФБР: 
 
Від.ФБР (43,29+33,12)∙106
��СВ = ∙ 100 = 181,11%. 
(36,54+5,65)∙106
 
Для порівняння, при культивуванні МКБ без СВ як живильне 
середовище відсоток отриманої енергії, розрахований у розділі 3, становить 
139,04% (збільшення на 27,32%) та 152,58% (збільшення на 28,53%), 
відповідно. Фактична плата за електроенергію для цього процесу: 
– для закритих ФБР: 
 
Закр.ФБР 100
��реал.ел.затр.біоп.СВ = 140,84 ∙ 106 ∙ = 234,72 ∙ 106 Дж/м2, 
60
 
– для відкритих ФБР: 
 
Від.ФБР 6 100
�� 6 2
реал.ел.затр.біоп.СВ = 36,54 ∙ 10 ∙ = 60,90 ∙ 10 Дж/м . 
60
 
Відсоток реальної електроенергії, отриманої з виробленим біопаливом у 
процентному відношенні до енергії, що має бути затрачена на перебіг 
процесу виробництва, складе: 
– для закритих ФБР: 
 
Закр.ФБР (151,8+115,30)∙106
��СВ = ∙ 100 = 104,97 %, 
(234,73+19,72)∙106
 
– для відкритих ФБР: 
 
Від.ФБР (43,29+33,12)∙106
��СВ = ∙ 100 = 114,82 %. 
(60,90+5,65)∙106
 
Для порівняння, за умови культивування МКВ без використання СВ як 
культурального середовища, відсоток реальної отриманої енергії, 
розрахований у розділі 3, складе 87,0% (збільшення на 17,97%) і 95,87% 
(збільшення на 18,95%) відповідно. Питомі викиди СО2 під час виробництва 
електричної енергії, у цьому випадку складуть: 
– для закритих ФБР: 
 
Закр.ФБР
�� −6
ел.СО .СВ = 0,107 ∙ 10 ∙ 140,84 ∙ 106 = 15,07 кг/м2, 
2
 
для відкритих ФБР: 
 
від.ФБР
��ел.СО .СВ = 0,107 ∙ 10−6 ∙ 36,54 ∙ 106 = 3,91 кг/м2. 
2
 
Сумарна кількість викидів СО2, у цьому випадку складає: 
– для закритих ФБР: 
 
Закр.ФБР
��СО .СВ = 15.07 + 1.42 = 16.49, кг/м2, 
2
 
для відкритих ФБР: 
 
��від.ФБР
СО .СВ = 3,91 + 0,40 = 4,31 кг/м2. 
2
 
Викиди СО2 процесах підготовки сировини і виробництва біопалива, у 
відношенні до уникнених викидів за рахунок заміщення традиційних видів 
палива, у цьому випадку складуть: 
– для закритих ФБР: 
 
Закр.ФБР 15,07+1,42
��СО СВ = ∙ 100 = 94,60 %, 
2 11,02+6,41
 
– для відкритих ФБР: 
 
��Від.ФБР 3,91+0,40
СО2СВ = ∙ 100 = 86,03 %. 
3,16+1,85
 
Баланс СО2 під час культивування в реакторах обох видів у цьому 
випадку є позитивним. Викиди СО2 19,34% для закритого ФБР та 16,76% для 
відкритого ФБР. При спалюванні традиційних видів палива, при спалюванні 
біопалива третього покоління із сировини, вирощеного традиційним 
способом, та при спалюванні вуглеводнів. культурального середовища для 
МКВ. Питомі річні викиди СО2 на одиниць площі робочої зони культиватора 
при спалюванні різних видів палива наведено у таблиці 6.3. 
 
Таблиця 6.3 – Питомі річні викиди СО2 при спалюванні різних видів 
палива 
№ Вид палива, що Питомі викиди СО2, кг/м2 
зспалюється Закриті ФБР Відкриті 
/п ФБР 
1 Традиційне паливо, що 17,43 5,01 
замінюється біопаливом 
2 Біопаливо з МКВ,   
культивованих за 19,86 5,15 
традиційними технологіями 
3 Біопаливо з МКВ,   
культивованих у СВ як у 16,49 4,31 
культуральному середовищі 
 
За базові величини викидів приймаємо питомі викиди СО2 під час 
спалювання біопалива третього покоління з МКВ, культивованих за 
традиційними технологіями, оскільки вони є найбільшими:  
закр.ФБР 3 відк.ФБР
��0СО = 19,86 кг/м ; ��0СО =  5,01 кг/м3. 
2 2
 
 Таким чином, значення факторів впливу при спалюванні традиційного 
палива, що замінюється біопаливом складуть: 
 – для закритого ФБР: 
 
закр.ФБР 17,43
��СО МКВ = = 0,877, 
2 19,86
 
 – для відкритого ФБР: 
 
відк.ФБР 5,01
��СО МКВ = = 0,973. 
2 5,15
 
Значення факторів впливу при спалюванні біопалива з МКВ, 
культивованих за традиційними технологіями складуть: 
– для закритого ФБР: 
 
закр.ФБР 19,86
��СО МКВ = = 1,0, 
2 19,86
 
– для відкритого ФБР: 
 
��відк.ФБР 5,15
СО2МКВ = = 1,0. 
5,15
 
Значення факторів впливу при спалюванні біопалива з МКВ, 
культивованих у СВ як у культуральному середовищі складуть: 
– для закритого ФБР: 
 
закр.ФБР 16,49
��СО МКВ = = 0,830, 
2 19,86
 
– для відкритого ФБР: 
 
відк.ФБР 4,31
��СО МКВ = = 0,836. 
2 5,15
 
Таким чином, результатом впровадження технології культивування 
МКВ у закритих ФБР з використанням СВ як культурального середовища з 
подалшим виробництвом біопалива з біомаси МКВ, є зменшення фактору 
(0,877−0,830)
впливу викидів вуглекислого газу на довкілля на на [ ] ∙ 100 =
0,877
5,36%. 
Розглянемо чинники, що впливають вплив на ґрунт надходження 
патогенних елементів при утилізації опадів ЮВ. Донні відкладення та 
активний мул первинних відстійників містять патогенну мікрофлору. Ми 
розглядаємо специфічний викид патогенної мікробіоти ргунти як фактор 
впливу на навколишнє середовище. При використанні осаду в якості 
органічного добрива без попередньої стабілізації вся ця мікрофлора 
потрапляє у ґрунт. Патогенна мікробіота гине при анаеробній стабілізації 
осаду в термофільних умовах. З використанням звичайних методів 
ферментації наявність «осадів» призводить до того, що частина патогенної 
мікрофлори стає ферментованими відкладеннями. Його кількість становить 
3% від вихідної кількості незброженого мулу. Патогенна мікробіота в осадах, 
що зброджуються, при використанні запропонованої чотириступінчастої 
методики ферментації відсутня, тому що відсутня «прослизування». Колі-
індекс незброджених осадів комунальних СВ складає: 
– осад первинних відстійників: 
 
первин.відст.
 І��������  =  5 · 1010кг−1 , (6.4) 
 
– активного мулу: 
 
акт.мул.
 І�������� = 1,7 ∙ 1010кг−1. (6.5) 
 
Колі-індекс осадів комунальних СВ, зброджених за традиційною 
технологією, визначимо за формулою: 
                                       І�������� трад. = 0,03 ∙ І��������, кг-1. (6.6) 
 
Таким чином колі-індекс зброджених за традиційною технологією 
осадів складе:  
– осад первинних відстійників: 
 
первин.відст.
І�������� трад.  = 0,03 ∙ 5 · 1010 = 0,15 ∙ 1010кг-1 
 
– активного мулу: 
 
акт.мулу
І�������� трад.  = 0,03 ∙ 1,7 · 1010 = 0,051 ∙ 1010кг-1 
 
Колі-індекс зброджених за чотристадійною технологією осадів складе: 
первин.відст. -1 акт.мулу
І  = 0 кг ; І  = 0 кг-1
�������� трад. �������� трад. . 
Як фактор впливу на довкілля розглянемо відносні значення колі-
індексів осадів, що утилізуються як біодобриво. За базові величини 
приймаємо колі- індекси незброджених осадів комунальних СВ:��0перв.від. =
5 ∙ 1010кг-1; �� 10 -1
0акт.мулу = 1,7 ∙ 10 кг . 
Таким чином, значення факторів впливу надходження патогенних 
елементів у грунти разом з незбродженими осадами, складуть: 
 
– осад первинних відстійників: 
 
незброд. 5∙1010
��перв.від.  = = 1; 
5∙1010
 
 
– активний мул: 
 
незброд. 1,7∙1010
��акт.мулу  = = 1. 
1,7∙1010
 
Значення факторів впливу надходження патогенних елементів у грунти 
з осадами, збродженими за традиційною технологією, складуть: 
– осад первинних відстійників: 
 
незброд. 0,15∙1010
��перв.від.  = = 0,030; 
5∙1010
 
– активний мул: 
 
незброд. 0,051∙1010
��акт.мулу  = = 0,010. 
1,7∙1010
 
Значення факторів впливу надходження патогенних елементів у грунти 
з осадами, збродженими за новою чотиристадійною технологією, складуть: 
чотирист. чотирист
осад первинних відстійників ��перв.від.  = 0; активний мул ��акт.мулу  = 0. 
 
6.2 Оцінювання економічної ефективності впровадження нової 
концепції водовідведення 
 
Проведемо кількісну оцінку економічного ефекту та терміну окупності 
капітальних витрат при впровадженні запропонованих технологічних 
процесів у рамках реалізації нової концепції водовідведення для типового 
міста з населенням 250 000 осіб. Добова кількість стічних вод, що скидається 
містом, складає 50·103 м3 /добу (18,25·106 м3 /рік). 
Розглянемо чинники, що впливають вплив на грунт надходження 
патогенних елементів під час переробки опадів з ПВ Я тут. Ми розглядаємо 
специфічний викид патогенної мікробіоти ргунти як фактор впливу на 
навколишнє середовище. Вся ця мікрофлора потрапляє у ґрунт при 
використанні осаду як органічне добриво без попередньої стабілізації. 
Патогенна мікробіота гине при анаеробній стабілізації опадів у термофільних 
умовах. При використанні звичайних методів ферментації наявність «осаду» 
призводить до того, що частина патогенної мікрофлори стає осадом, що 
перебродив. Його кількість становить 3% від вихідної кількості 
незброженого мулу. Патогенна мікробіота в збродженому мулі при 
використанні запропонованої чотириступінчастої методики ферментації 
відсутня, оскільки відсутня «прослизування». 
 
��осад = 18,25 ∙ 106 ∙ 0,005 = 91 ∙ 103 м3/рік, 
 
Вміст беззольної речовини у осадах складає 76%. Таким чином 
сумарний об’єм беззольної (органічної) речовини, що міститься у осадах 
складає: 
 
��орган. = 91 ∙ 103 ∙ 0,76 = 69,35 ∙ 103 м3/рік, 
 
Враховуючи, що густина осадів може бути прийнятою 1001 кг/м3 , 
сумарна маса осадів, що утворюються складає: 
 
3 1001
М 6
осад = 91 ∙ 10 ∙ = 91,34 ∙ 10  кг/рік, 
1000
 
а сумарна маса беззольної (органічної) речовини, що містяться у осадах, 
складає: 
 
1001
Морган. = 69,35 ∙ 103 ∙ = 69,42 ∙ 106 кг/рік. 
1000
 
Масу біогазу та його складових, шо можуть бути отримані при 
анаеробному зброджувані визначимо за формулою: 
 
��і
розп.
Мі = Морган. ∙ , кг/рік, 
100
 
де ��і
розп.– відсотковий вихід відповідного компонента у відношенні до 
беззольної речовини, що розпалася.  
Таким чином, масовий вихід біогазу при зброджуванні за традиційною 
технологією, складе: 
 
трад.тех. 6 36,1
Мбіог. = 69,42 ∙ 10 ∙ = 25,06 ∙ 106 кг/рік. 
100
 
При зброджуванні за новою чотиристадійною технологією масовий 
вихід компонентів біогазу складе: 
– метану: 
 
чотирист.тех. 27,1
МСН = 69,42 ∙ 106 ∙ = 18,81 ∙ 106 кг/рік, 
4 100
 
– вуглекислого газу: 
 
чотирист.тех. 6 13,9
МСО = 69,42 ∙ 10 ∙ = 9,65 ∙ 106 кг/рік. 
2 100
 
Об’єм біогазу та його складових, шо можуть бути отримані при 
анаеробному зброджувані визначимо за формулою: 
 
1
                                           ��і = Мі ∙ , м3/рік, (6.7) 
��і
 
де ρі – густина відповідного компонента. 
 
Об’ємний вихід біогазу при зброджуванні за традиційною технологією, 
складе: 
 
трад.тех. 1
Мбіог. = 25,06 ∙ 106 ∙ = 22,18 ∙ 106 м2/рік. 
1,13
При зброджуванні за новою чотиристадійною технологією об’ємний 
вихід компонентів біогазу складе: 
– метану: 
 
чотирист.тех. 1
��СН = 18.81 ∙ 106 ∙ = 28.68 ∙ 106 м3/рік, 
4 0.656
 
– вуглекислого газу: 
 
чотирист.тех. 6 1
��СО = 9.65 ∙ 10 ∙ = 5.04 ∙ 106 м3/рік. 
2 1.913
 
Вартість природного газу у цінах 2018 року складає 9,8 грн/м3 . Вартість 
товарного вуглекислого газу складає 1500 грн/т (15 грн/кг). Враховуючи, що 
теплотворна здатність біогазу і окремо метану відрізняється від теплотворної 
здатності природного газу, розрахуємо їх вартість, беручи до уваги ринкову 
вартість природного газу і поправку на різницю теплотворних здатностей за 
формулою: 
 
��
                                 Сі = ��і ∙ �� ∙ ��реаліз., грн/рік, (6.8) 
��кг
 
де Ті – теплотворна здатність компонента, Дж/м3 ; 
Тпг – теплотворна здатність природного газу, Дж/м3 ;  
Kраліз.– коефіцієнт реалізації, що враховує втрати (приймаємо 0,95). 
 
Відповідно до формули 6.8, вартість біогазу, отриманого при 
зброджуванні за традиційною технологією, складе: 
 
трад.тех. 20
Сбіог. = 22,18 ∙ 106 ∙ 9,8 ∙ ∙ 0,95 = 121,45 ∙ 106 грн/рік. 
34
 
 
Вартість компонентів біогазу, отриманого при зброджуванні за новою 
чотиристадійною технологією складе: 
– метану: 
 
чотирист.тех.
С = 28,68 ∙ 106 32,8
СН ∙ 9,8 ∙ ∙ 0,95 = 257,57 ∙ 106 грн/рік, 
4 34
 
– вуглекислого газу: 
 
чотирист.тех.
ССО = 9,65 ∙ 106 ∙ 9,8 ∙ 15 = 137,50 ∙ 106 грн/рік. 
2
 
Сумарна економічна ефективність впровадження нової чотиристадійної 
технології анаеробного зброджування складе: 
 
С 6 6
впров.чотирист. = 271,12 ∙ 10 + 144,74 ∙ 10 ∙ 0,95 = 395 ∙ 106 грн/рік. 
 
Економічна ефективність нової чотиристадійної технології по 
відношенню до традиційної складе: 
 
відн.трад.тех
Свпров.чотирист. = 395,5 ∙ 106 − 121,45 ∙ 106 = 273,61 ∙ 106 грн/рік. 
 
Розрахуємо економічну ефективність розміщення на території КОС 
когенераційної установки для вироблення електричної і теплової 
спалюванням отриманого біогазу. Приймаємо когенераційну електростанцію 
електричною потужністю 2,126·106 Вт. На електростанції передбачаємо 
встановлення двох когенераторів GE JENBACHER (JMS-320) електричною 
потужністю 1,063·106 Вт і тепловою потужністю 1,063·106 Вт кожний. 
Когенератори працюють з коефіцієнтами корисної дії (паспортні дані): ККД 
електричний – 40,78%; ККД тепловий – 55,64%; ККД загальний – 86,42%. 
 
Річну кількість виробленої електроенергії розрахуємо за формулою: 
 
                      Еел. = Рел. ∙ 3600 ∙ 24 ∙ 365 Дж/рік, (6.9) 
 
де Рел – електрична потужність електростанції, Вт.  
Необхідну кількість вхідної енергії з паливом (метаном) розрахуємо за 
формулою: 
 
100
                                  Евх. = Еел. ∙ , Дж/рік, (6.10) 
ηел.
 
де ηел – електричний ККД когенератора. 
 
Необхідний об’єм палива (метану) для роботи когенераторів 
розрахуємо за формулою: 
 
���� Е
                                     �� 4 = вх.
вх. , Дж/рік, (6.11) 
ТСН4
 
де ТСН – теплотворна здатність метану, Дж/м3. 
 
Кількість виробленої теплової енергії при когенерації розрахуємо за 
формулою: 
 
η
                                  Етепл. = Е ∙ теп.
вх. , Дж/рік, (6.12) 
100
 
де ηтепл – тепловий ККД когенератора. 
 
Кількість виробленої електроенергії, складе: 
 
 
Еел. = 2,126 ∙ 106 ∙ 3600 ∙ 24 ∙ 365 = 67,05 ∙ 1012 Дж/рік. 
 
Необхідна кількість вхідної енергії, складе: 
 
12 100
Е 12
вх. = 67,05 ∙ 10 ∙ = 164,41 ∙ 10 , Дж/рік. 
40,78
 
Необхідний об’єм метану, складає: 
 
����4 164∙1012
��вх. = = 5,01 ∙ 106 Дж/рік. 
32,8∙106
 
Кількість виробленої теплової енергії, складе: 
 
12 55,64
Етепл. = 164,41 ∙ 10 = 91,48 ∙ 1012 Дж/рік. 
100
 
Корисний комерційний відпуск електричної енергії приймаємо на рівні 
95% від виробленої, теплової енергії – на рівні 70% від виробленої. Корисний 
відпуск складе: 
– електричної енергії: 
 
корисн.
Е 12
ел. = 67,05 ∙ 10 ∙ 0,95 = 63,69 Дж/рік, 
 
– теплової енергії: 
 
Етеп. = 91,48 ∙ 1012 ∙ 0,7 = 64,03 ∙ 1012 Дж/рік. 
 
За цінами 2022 року вартість електричної енергії за зеленим тарифом 
складає 1,32·10-6 грн/Дж (4,75 грн/кВт·год), вартість теплової енергії 0,366·10-6 
грн/Дж (1521,2 грн/Гкал).  
 
У відповідності з цими цінами, вартість відпущеної енергії складе: 
– електричної енергії 
 
корис.
Сел. = 63,69 ∙ 1012 ∙ 1,32 ∙ 10−6 = 84,08 ∙ 106 грн/рік, 
 
– теплової енергії: 
 
корис.
С = 64,03 ∙ 1012 ∙ 0,366 ∙ 10−6
тепл. = 23,44 ∙ 106 грн/рік. 
 
Економічний ефект від продажу виробленої електричної і теплової 
енергії розрахуємо за формулою: 
 
корис. корис. СН
                       ЕФ = С 4
коген. ел. + Степл. − Свх. , грн/рік, (6.13) 
 
СН
деС 4
вх. – вартість вхідного палива (метану) для когенерації. 
 
Вартість метану для когенерації, складе: 
 
СН
С 4 32,8
вх. = 5,01 ∙ 106 ∙ 9,8 ∙ ∙ 0,95 = 45,02 ∙ 106 грн/рік. 
34
 
Економічний ефект від когенерації, складе: 
 
ЕФ 6 6
коген. = 84,08 ∙ 10 + 23,44 ∙ 10 − 45,02 ∙ 106 = 62,49 ∙ 106 грн/рік. 
 
Оцінимо економічний ефект реалізації технології додаткового 
очищення СВ від біогенних елементів за допомогою МКВ у закритих ФБР. 
Розрахуємо економічну ефективність виробництва біодизеля з МКВ. Річна 
питома продуктивність за біомасою та ліпідами при культивуванні МКВ, 
розрахована раніше, складає:Ппитом.
біом. = 11,5 кг/м2(57,5 кг/м3); Ппитом.
ліпід. = 4,1 
кг/м2(20,5 кг/м3). 
При впровадженні технології на КОС міста, що розглядається, річну 
продуктивність за біомасою розрахуємо за формулою: 
 
отрим.
                   П 3 питом.
біомас. = 50 ∙ 10 ∙ Пбіомас ∙ ��ФБР, кг/рік, (6.14) 
 
де tФБР – час перебування СВ у робочій зоні ФБР, tФБР = 1,25 доби (30 
год). Річну продуктивність за ліпідами розрахуємо за формулою: 
 
отрим.
                    П = 50 ∙ 103 ∙ Ппитом.
ліпід. ліпід. ∙ ��ФБР, кг/рік, (6.15) 
 
Таким чином продуктивність за біомасою складе: 
 
отрим.
П 3
біомас. = 50 ∙ 10 ∙ 57 ∙ 12,5 = 3,59 ∙ 106 кг/рік, 
 
річна продуктивність за ліпідами складе: 
 
отрим.
Пліпід. = 50 ∙ 103 ∙ 20,5 ∙ 1,25 = 1,28 ∙ 106 кг/рік. 
 
За умови використання центрифугування річну кількість зібраної 
біомаси і ліпідів, складе: 
 
Пбіом. 6 6
центриф. = 0,9 ∙ 3,59 ∙ 10 = 3,23 ∙ 10  кг/рік, 
 
ліпід.
Пцентриф. = 0,9 ∙ 1,28 ∙ 106 = 1,15 ∙ 106 кг/рік. 
 
Річну кількість отриманих олій після відбирання їх з біомаси МКВ 
визначимо: 
 
Полій.
сиров. = 0,9 ∙ 1,15 ∙ 106 = 1,04 ∙ 106 кг/рік. 
Річну кількість залишкової біомаси, що може використовуватися як 
сировина для виробництва біогазу, визначимо: 
 
П 6 6
біом.зал. = 3,23 ∙ 10 − 1,04 ∙ 10 = 2,20 ∙ 106 кг/рік. 
 
Річну кількість біодизелю, що може бути вироблена з отриманих олій, 
визначимо за формулою: 
 
Пбіодиз. = 0,9 ∙ 1,04 ∙ 106 = 0,93 ∙ 106 кг/м2. 
 
Об’єм отриманого біодизеля визначимо за формулою: 
 
1
                          ��біодиз. = Пбіодиз. ∙ , м3/рік, (6.15) 
��біодиз.
 
де ρбіодиз – густина біодизеля. 
 
Об’єм отриманого біодизеля складе: 
 
1
�� 6 3 3
біодиз. = 0,93 ∙ 10 ∙ = 1,09 ∙ 10  м /рік. 
0,86∙103
 
За цінами 2018 року ціна біодизеля складає 28·103 грн/м3 (28 грн/л). За 
таких умов вартість отриманого біодизеля складе: 
 
Сбіод. = 1,09 ∙ 103 ∙ 28 ∙ 103 = 30,41 ∙ 106 грн/рік. 
 
Питомі затрати на виробництво біодизеля у цінах 2022 року складають 
15·103 грн/м3 (15 грн/л). За таких умов річні затрати на переробку олій у 
біодизель складуть: 
 
З 3
біодиз. = 1,09 ∙ 10 ∙ 15 ∙ 103 = 16,29 ∙ 106 грн/рік. 
 
Отже річний економічний ефект від виробництва біодизелю з МКВ 
складе: 
 
ЕФ 6
біодиз. = 1,09 ∙ 10 − 16,29 ∙ 106 = 14,12 ∙ 106 грн/рік. 
 
Економічна ефективність отримання біогазу з залишкової біомаси 
МКВ.  
Сировиною для виробництва біогазу є залишкова біомаса МКВ, річна 
кількість якої на КОС складає П 6
біом.зал.= 2,20⋅10  кг/рік. При зброджувані 
біомаси за запропонованою чотиристадійною технологією можна отримувати 
метан і вуглекислий газ.  
Отже масовий вихід складе: 
– метану: 
 
МКВ 6 27,1
М 6
СН = 2,20 ∙ 10 ∙ = 0,60 ∙ 10  грн/рік, 
4 100
 
– вуглекислого газу: 
 
МКВ 13,9
МСО = 2,20 ∙ 106 ∙ = 0,31 ∙ 106 грн/рік. 
2 100
 
Об’єм складових біогазу визначимо за формулою: 
– метану: 
 
��МКВ 1
СН = 0,60 ∙ 106 ∙ = 0,91 ∙ 106 м3/рік, 
4 0,656
 
– вуглекислого газу: 
 
��МКВ 6 1 6 3
СО = 0,31 ∙ 10 ∙ = 0,16 ∙ 10  м /рік. 
2 1,913
 
Вартість компонентів біогазу, отриманого при зброджуванні за новою 
чотиристадійною технологією, розрахована за формулою: 
 
– метану: 
 
МКВ 6 32,8
ССН = 0,91 ∙ 10 ∙ 0,98 ∙ ∙ 0,95 = 8,17 ∙ 106 грн/рік, 
4 34
 
– вуглекислого газу: 
 
чотирист.тех.
��СО = 0,16 ∙ 106 ∙ 15 ∙ 0,95 = 2,28 ∙ 106 грн/рік. 
2
 
Сумарна економічна ефективність виробництва біогазу з залишкової 
біомаси МКВ складе: 
 
СМКВ = 8,17 ∙ 106 + 2,28 ∙ 106
біодиз. = 10,45 ∙ 106 грн/рік. 
 
Економічна ефективність виробництва фосфатних добрив з залишкової 
біомаси МКВ. 
Річна кількість фосфатів, що накопичується у біомасі МКВ під час 
додаткового очищення СВ міста, може бути розрахована за формулою: 
 
                      ММКВ
РО = ��СВ ∙ (��вх.
РО − ��вих.
РО ) ∙ 365 , кг/рік, (6.16) 
4 4 4
 
де: WCВ – добовий об’єм СВ, що надходять на очищення, м3/добу; 
            ��вх.
РО  і ��вих.
РО  – концентрація фосфатів на вході в очисну споруду і 
4 4
на виході відповідно, кг/м3. 
 
Економічний ефект від реалізації збродженої біомаси як фосфатного 
добрива визначимо за формулою: 
 
                        СМКВ
РО = ММКВ
РО ∙ ��екв. ∙ СРО  , грн/рік, (6.17) 
4 4 4
 
де: kекв. – коефіцієнт перерахунку фосфатів у фосфатні добрива 
(еквівалент фосфатних добрив, kекв. = 2);  
СРО – ціна фосфатних добрив, грн. 
4
 
Річна кількість накопичених біомасою МКВ фосфатів складе: 
 
ММКВ
РО = 50 ∙ 103 ∙ (8 ∙ 10−3 − 0,84 ∙ 10−3) ∙ 365 = 0,13 ∙ 106 кг/рік. 
4
 
За цінами 2018 року, вартість фосфатних добрив можна прийняти СРО  
4
= 25 грн/кг. За цих умов, економічний ефекти від реалізації збродженої 
біомаси складе: 
 
СМКВ
РО = 0,13 ∙ 106 ∙ 2 ∙ 25 = 6,53 ∙ 106 грн/рік. 
4
Розроблена концепція енергоефективних водовідведення має потенціал 
для широкого впровадження на українській спільній ЦЕС. Відповідна 
організація процесу дренажу може значно знизити екологічні ризики та 
підвищити безпеку дренажної системи. Значний економічний ефект може 
бути отриманий за рахунок зниження енергоспоживання та додаткової 
реалізації товарної продукції внаслідок пропонованого технологічного 
процесу.  
  
ВИСНОВКИ 
 
 
Проведено аналіз існуючих методів, патентів процеів анаеробного 
збродження. Втановлено, що найбільш ефектиним є метантенк нетрдиційної 
конструкції з 4-х стадійним технологічним процесом анареробного 
зброджування. 
В кваліфікаційній роботі запропоновано для анаеробного зброджування 
використати апарат 4-х стадійної переробки мулу. 
При оптимальних умовах роботи 4-х стадійного технологічного 
процесу досягається зростання кількісного вмісту метану  біогазі від 60% до 
90%. При цьому після очистки метану можливе отримання товарного 
углекислого газу, що впливає на економіку анаеробного процесу 
зброджування вцілому. 
Проведені досліди з лужним гідролізом з ультразвуковою ковітацією на 
лабораторній утановці при рН 7,2 - 7,4. Отримано високі показники 
співвідношення метану і вуглекилого газу (4:1). Розроблено технологічну 
хему 4-х стадійного анаеробного зброджування оадів тічних вод.