Биоэнергия: технология, термодинамика

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Стоки, выбросы и отходы. Производство биотоплива предполагает обработку больших количеств органического вещества, что неизбежно вызовет образование больших количеств твердых, жидких и газообраз­ных отходов. Вследствие сложности химического состава сырья и отно-

сительной простоты состава получаемого топлива не удивительно, что количество загрязняющих веществ на единицу произведенной энергии здесь больше, чем при производстве ископаемых видов топлива. Про­цессы должны сравниваться на основе эквивалентных количеств про­изведенной энергии, т. е. количества загрязняющих веществ на 1 ГДж. Значение этой проблемы оценивается недостаточно полно, так как био­топливо производится в масштабах, не сравнимых с производством ис­копаемых видов. Поэтому в литературе имеются противоречия. В одном источнике [3] утверждается, что биоэнергия вызывает очень мало про­блем, связанных с охраной окружающей среды. Далее, в том же источ­нике говорится, что резкое расширение использования биоэнергии может иметь серьезные отрицательные последствия для окружающей среды вследствие плохого управления и недостаточного контроля. В настоящее время, естественно, производство биотоплива слишком незначительно для того, чтобы вызвать серьезные проблемы загрязнения.

Несмотря на то что некоторые биоэнергетические процессы пред­ставляют собой также методы удаления отходов, они неизбежно ведут к появлению других остатков, которые также должны быть удалены. Стоимость таких процессов часто представляет собой компромисс меж­ду стоимостью обработки и удалением отходов с использованием ряда методов — химических, физических и биологических. Стоки, получае­мые в результате очистных процессов, также следует принимать во вни­мание для проведения обоснованного сравнения. Например, удаление осадка, получающегося в результате анаэробного брожения, очень доро­гостоящее мероприятие. Поэтому при рассмотрении любого крупномас­штабного предложения по производству биотоплива резонно будет за­дать вопрос, какое количество стоков и выбросов можно ожидать, ка­кие меры потребуются для их удаления и каковы будут затраты.

Стоимость обработки сточных вод при производстве биотоплива, а также методы, используемые для этой цели, в значительной мере зави­сят от местоположения. Во внутренних районах, в местах скопления на­селения этот вид стоимости может представлять значительную долю общих расходов. В удаленных районах сбросы отходов (например, в море или в определенные места на суше) не вызывают такой отрица­тельной реакции. Каждый процесс производства биотоплива вызывает различные проблемы загрязнения; ниже приводятся некоторые коммен­тарии по основным процессам.

Сбраживание сточных вод. Проблемы загрязнения, связанные с производством спирта, известны. Каждая тонна произведенного спирта может сопровождаться образованием до 15 т жидкости (в результате сбраживания и перегонки), имеющей высокую биологическую потреб­ность в кислороде. Сброс этой жидкости в реки в Бразилии в ходе вы­полнения программы производства спирта имел серьезные последствия Для окружающей среды [14]. Сброс отходов в реки вызвал гибель рыб и водорослей; такой сброс эквивалентен необрабатываемым отходам,

производимым в городе с населением 200 млн. жителей. Возможные методы обработки заключаются в сооружении отстойников, аэробных и анаэробных фильтров или сбросе в море. Однако эти методы не нахо­дят широкого использования в Бразилии, вероятно, вследствие их до­роговизны. Проблема удаления сточных вод возникает в Великобрита­нии при производстве виски; был проведен ряд исследований по изы­сканию дешевого метода удаления отходов первичной перегонки (ос­татков от сброженного сусла). Эти остатки дали положительный эффект при использовании их в качестве удобрения [17]. При организации сброса необходимо наличие хорошо дренируемых почв с высоким со­держанием органического вещества; при этом надо следить, чтобы сбро­сы с высокой биологической потребностью в кислороде не попадали в

реки. Проблема удаления стоков при производстве спирта из кукурузы решена путем их выпаривания с получением сухой барды (при наличии рынка для этого продукта).

Отходы анаэробного брожения. Анаэробное брожение представляет собой метод для обработки стоков и одновременно для производства метана. Преимущество этого метода состоит в снижении биологической потребности в кислороде жидкостей и твердых частиц. Однако только часть исходного углерода удаляется в виде метана и диоксида углерода (около 50—70 %). Остальная часть содержится в осадке, который может использоваться в качестве удобрения на соответствующих почвах в соот­ветствующее время года. Другой метод удаления - сжигание и организа­ция свалок мусора. Жидкие загрязняющие вещества возникают в ре­зультате предварительной обработки твердых отходов для последующе­го сбраживания, а также в результате обезвоживания суспензий. Размеры этих проблем пока не ясны [18]. Однако риск переноса инфекции из материала, подлежащего сбраживанию (например, экскременты челове­ка и животных), по имеющимся данным, уменьшается.

На тяжелых, заболоченных почвах удаление сброженного осадка представляет серьезную проблему, а стоимость транспортировки в места сброса может быть значительной..Повышенная концентрация тяже­лых металлов в осадке может способствовать накоплению этих метал­лов в почве. Сжигать осадок дорого, а мусорные свалки нежелательны по санитарным соображениям. Горючие газы, образовавшиеся в резуль­тате брожения, могут содержать значительные количества серы, вызы­вающей коррозию устройств для сжигания, а диоксид серы, содержащий­ся в продуктах сгорания, загрязняет атмосферу. Производство метана и обработка жидких стоков создают часто противоречивую ситуацию, так как для максимального производства метана и получения стока с мини­мальным показателем биологической потребности в кислороде требует­ся различное время реакции. Таким образом, здесь необходимо компро­миссное решение — в интересах охраны окружающей среды следует при­нять более низкий выход энергии.

Сжигание и термическое обогащение. Все методы, предполагающие

сжигание биомассы, такие, как термическое обогащение, вызывают вы­брос в атмосферу частично окисленных и не сгоревших углеводородов, частиц, а также окислов азота и серы. Некоторые процессы дают жидкие стоки. Как жидкие стоки, так и выбросы в атмосферу, происходящие в результате сгорания и процессов термического обогащения, описаны в литературе [18]. На крупных заводах по производству топлива борьба с загрязнением имеет достаточную эффективность при соответствующих затратах. Однако при мелкомасштабном производстве борьба с загряз­нением становится нереальной. Выгоды от сжигания древесины по обеим сторонам Атлантики являются хорошо известными, и эффективность переноса тепла и регулирование интенсивности сгорания явились пред­метом значительного внимания. Однако это регулирование осущест­вляется только путем изменения течения процесса сгорания. Эмиссион­ный фактор для окиси углерода, метана, альдегидов, бензола и поли­циклических углеводородов в расчете на 1 кг древесины выше при не­достатке кислорода, чем при его избытке [19]. Выбросы при сжигании угля были, однако, на три порядка ниже, чем при сжигании древесины. Выброс мутагенных веществ в атмосферу при сжигании древесины в пе­чах бывает выше, чем при сжигании угля, и всегда выше, чем при работе угольных и нефтяных промышленных бойлеров и печей [7]. Представля­ют проблему также твердые частицы, выбрасываемые в атмосферу; их выброс при сжигании древесины в северных городах США играет боль­шую роль в нагревании окружающего пространства [6]. Однако можно отметить, что при сжигании древесины происходит меныций выброс серы по сравнению с углем (в отношении других форм биомасс поло­жение может быть иным).

ЛИТЕРАТУРА

[1] Comar, С. L., Health effects of energy production and conversion, Ann Rev Energy, 1, 1976,581-600.

[2] Inhaber, H., Is solar power more dangerous than nuclear? New Scientist, 18 May 1978, 444-446.

[3] Energy from biological processes, US Office of Technology Assessment, 1980.

[4] Inhaber, H., Risk of energy production, Atomic Energy Control Board of Canada Report AECB 1119, March 1978.

[5] - Starr, C., Rudman, R„ Whipple, C., Philosophical basis for risk analysis, Ann Rev

Energy, 1,1976, 629-662.

[6J Lipfert, F. W., Dungan, J. L., Residual firewood use in the United States, Science, 219,1983,1425-1427.

[7] Allaby, M., Lovelock, J., Wood stoves: the trendy pollutant, New Scientist, 13 Nov. 1980,420-422.

[8] Rotty, R. M., Energy supply/demand and global atmospheric carbon dioxide, p. 548, in Proceedings of Symposium ‘Bio-energy B0’, April 21-24 1980, Atlanta, Georgia.

[9] Hinckley, A. D., Deforestation add CO2, in [8].

[10] Leach, G., Energy and food production, International Institute for Environment and Development, 1975.

[11] Annual Abstract of Statistics 1982, HMSO, London.

[12] Annual Report arid Accounts 1982, BP Co. pic.

[13] Poole, A., Social/economic impacts in developing countries, pp.329-530, in [6].

[14] Bazin, M., Brazil: running on alcohol, Nature, 282, 1979, 550-551.

[15] Brown, L., Food or fuel: new competition for the world’s cropland, Worldwatch paper no. 35, 1980.

[16] Van Hook, R. I., Johnson, D. W., West, D. C., Mann, L. K., Environmental effects of harvesting forests for energy, pp. 537-541, in [6].

[17] Bucknall, S. A., McKelvie, A. D., Naylor, R. E. L., The effects of application of distillery pot ale to hill vegetation and lowland crops, Ann Appl Biol, 93, 1979, 67-75.

[18] Shannon, L. J., Anath, К. P., Waste to energy systems: their nature and environ­mental impact, Chapter 7 in Energy and the Environment Interactions, Vol. 1, Ed. L. Theodore and A. J. Buonicore, CRC Press, 1980.

[19] Ramdahl, T., Alfheim, I., Rustad, S., Olsen, T., Chemical and biological characteri­sation of emissions from small residential stoves burning wood and charcoal, Chemosphere, 11, 1982, 601-611.