Барбара Эдер, Хайнц Шульц. Биогазовые установки. Практическое пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Отходы боен Содержание

желудка

Лессовидный

алеврит

11-17

5-24

80-90

80-95

2-5,8

4-9

1,6

0,9-3

200-400

900-1200

58-62

60-72

Отходы

агроиндустрии

Отбросы

жироловок

Белильная

земля

2-70

75-93 0,1-3,3

0,9

0,1-0,6

5,1

2,7

700

1500

60-72

50-60

Остатки

пищевой

промышленно

сти

Отходы при

очистке зерна

(полова)

86 80 13,0 2,3 9,5

Производство

пива

Пивная

драбина

25 80 5 1,5 580-750 60

Переработка

фруктов

Яблочная

барда

Виноградная

барда

25-45

40-50

85-90

80-90

1,1

1,5-3

0,3

0,8-1,7

660-680

640-690

65-70

Производство

крахмала,

переработка

картофеля

Остатки кожуры

картофеля

22 18 4,5

Переработка

картофеля

Картофельное

пюре

Картофельная

мезга

Соковая вода

3,7

4,8

0,5-1,4

4-5

0,05

0,8-1

1,8

2,5-3

650-750

1500-2000

52-65

50-60

Производство

алкоголя

Картофельная

барда

Зерновая

барда

Фруктовая

барда

6-7

6-8

2-3

85-95

83-88

5-13

6-10

0,9

3,6-6

0,73

400-700

430-700

300-650

58-65

Производство

сахара

Прессованный

жом

Меласса

22-26

80-90

85-90

1.5

0,3

250-350

360-490

70-75

Производство

дрожжей

Вода после

прессования

дрожжей

5 1,8

Отходы

дрожжевой

72 60 41,4 1,8 57,5

мелассы

*) киловатт = очищенная нефть = S жиры и масла; СС = свежий субстрат

Таблица 3.10: Состав и выход газа из органических отходов

Ответственность производителя отходов заканчивается только после

соответствующей всем законодательным нормам утилизации. Для фермера это

значит следующее: если после этого будет установлено, что если вещество,

поддававшееся брожению содержит вредные вещества, о чем умалчивал

производитель отходов, и речь не может идти о обычной утилизации, поэтому

ответственность переносится на производителя мусора. Если будет установлено

позже, что некоторые вещества, определенные как безопасные, окажутся

ядовитыми, то утилизация до того момента, пока это стало известно считается

правомерной. Компания-производитель отходов не должна в таком случае нести

ответственности за нанесенный вред. Только дальнейшая утилизация после того как

о токсичности стало известно считается в таком случае неправомочной.

Фермер должен был прямым партнером по контракту для фирмы-

производителя отходов, подключение подрядчиков в процессе утилизации

нецелесообразно делать по следующим соображениям:

• субподрядчики будут при определенных обстоятельствах получать очень большие

прибыли. Выполняют работы, риск несут прежде всего фермеры.

• только так возможен прямой и непосредственный контроль за составом субстрата.

Опасность смешивания отходов при вовлечении фирмы-утилизатора отпадаетen

(анонимность субстрата).

• можно напрямую урегулировать в контракте с производителем отходов сведения о

составе субстрата, которые могут оказаться ядовитыми согласно последним

научным данным.

Выход газа

В группе оганических отходов выход газа имеет большую амплитуду

колебаний. В редких случаях и лишь для некоторых установок по переработке

биоотходов проводят точный анализ исходных субстратов и биологической стороны

процесса. Ориентировочные данные выхода газа из органических отходов

приводятся в таблице 3.10. Отсюда становится ясным, что субстраты между собой

очень сильно отличаются по содержанию сухого вещества и своему составу, а в

конечном итоге и выходом газа.

Субстраты, возникающие вследствие производства алкоголя имеют

чрезвычайно высокое содержание воды и приводят к высокой плотности

заполнения ферментатора без эффективного выхода газа. Высокий выход газа

имеют преимущественно богатые жирами и очень богатые на сахар вещества как

жир с жироулавливателя, лессовидный алеврит и соковая вода от производства

крахмала.

При выборе косубстратов стоит также проверить их доступность и

способность к длительному хранению. К отходам, достающимся в зависимости от

сезона относится например барда. Она требует большого объема ферментатора,

который будет пустовать по окончанию сезона. Таким образрм предъявляются

высокие требования к субстрат-менеджменту предприятия.

Если субстраты необходимо хранить длительное время чтобы гарантировать их

постепенное использование то необходимо обратить внимание на пригодность для

длительного хранения. Некоторые субстраты склонны к расслоению или

переокислению. Все эти факторы необходимо учитывать в конкретных случаях.

Технические требования к органическим отходам

Отходы, из-за содержания в них примесей и вредных веществ, а также из

соображений гигиены перед переработкой должны проходить специальную

подготовку (сравн. Таблица 3.11). В зависимости от состава, примеси необходимо

отделять при помощи сит, магнитных сепараторов или других приспособлений после

чего субстрат измельчают и гигиенизируют. На практике шаги по разделению

предпринимаются для биоотходов и упакованных отбросов. Сортировка субстрата

происходит с использованием мешалок или коловратных погрузочных насосов.

Оборудование для измельчения подключается непосредственно к подающему

насосу. Смеси и биологические добавки, ведущие преимущественно к ускорению

анаэробного процесса разложения до последнего времени не получили широкого

распостранения в силу их высокой стоимости.

Коферментационные установки имеют склонность к нарушениям

биологического процесса, так как они работают с быстроменяющимися или

быстроразлагающимися субстратами. Чтобы процессом можно было хорошо

управлять, необходимо проводить анализы и использовать оборудование по

управлению процессом. При надлежащем выполнении строительных работ и

соответствующей эксплуатации биогазовой установки количество поломок можно

снизить до минимума (сравн. Таблица 3.12). Чаще всего именно на небольших

установках, получаемая от переработки отходов прибыль не перекрывает затраты

на соответствующее техническое обслуживание и работу персонала.

Технологии предварительной обработки

Сепарация примесей

Сита, воздушные сепараторы, циклон, магнитный

сепаратор, пресса, разделение вручную

Обогащение субстратов

Механическое (миксер, комминутор), химическое

(добавление кислот/щелочей), биологическое

(добавление энзимов), термическое

(гигиенизация)

Комбинированный метод

Сепарирование осадка и плавающей корки,

механическое обогащение

Таблица 3.11: Предварительная обработка органических отходов.

Возможность оптимизации работы предприятия при коферментации

Предпринятое действие Последствия

Резервуар предварительного хранения или

подающее устройство, объемом, достаточным

для хранения на протяжении 3 дней

Буфер для равномерной подачи, возможность

добавлять вспомогательные вещества,

сепарирование грубых ненужных примесей; в

случае необходимости – предварительное

хранение, один из этапов гидролиза; в случае

необходимости – аэробная предварительная

обработка

2-ступенчатое брожение (ферментаторы

последовательно)

Разделение каждого из этапов, разная

интенсивность перемешивания, применение

разной температуры

Разделительная стенка в ферментаторе Уменьшение проскока потока

Температура брожения 25-28˚С Замедление кинетики реакций, улучшение

буферных свойств, меньшее относительное

содержание СО

2 в биогазе

Оптимизация соотношения С/N Избежание недостатка N или уменьшения

задержки развития от влияния NH

Постоянство состава субстрата Разработка адаптированных лучше всего культур

Повышение интервалов подачи Избежание резких рывков в загрузке

промежуточными продуктами (напр.

Органическими кислотами)

Постепенная подача

(концентрация СО

2 как регулируемая величина)

Избежание резких рывков в загрузке

промежуточными продуктами (напр.

Органическими кислотами)

Повторная подача перебродившего субстрата «Затравливание» субстрата бактериями,

улучшение буферного потенциала

Покрытие склада с гноем Улавливание остатков бродильных газов

Таблица 3.12: Меры для эксплуатации без поломок биогазовой установки,

работающей на коферментации.

Потенциал опасности разных видов субстратов

Без риска Рискованно с точки

зрения гигиены

Содержит

примеси

Содержит вредные

вещества

Энергетические

растения

Кукуруза,

зерновой

шрот,

травяной

силос...

Местные

удобрения

Жидкий

навоз,

твердый

навоз

X X X (подаваемые

вместе с кормом Cu,

Zn)

Коммунальные

отходы

Зеленая

масса укос

лужаек с

края дороги

биоотходы

Отходы

фруктов,

барда,

драбина,

выжимки

Перележалые

продукты

питания

X X

Органические

отходы от

агроиндустрии

Переработка

продуктов

питания и

фармакологич

(осколки металла)

еская

промышленно

сть

Отходы боен,

(содержание

желудка,

содержание

жироловки

и.т.д)

Гастрономия Остатки пищи,

отсепарирова

нный жир

X X X

Таблица 3.13: Разделение субстратов по их потенциалу опасности.

3.3 Потенциал опасности разных видов субстратов

Очень обобщенный раздел субстратов с учетом содержания вредных веществ и

примесейЮ а также пагубного влияния на живые существа приводится в Таблице

3.13, Полностью безопасными считается возобновляемое сыръе, отходы овощей,

барда, зеленый корм и укосы лужаек. Для органических удобрений, получаемых в

крестьянском хозяйстве существует риск с точки зрения гигиены в отношении

переноса и распространения патогенных микроорганизмов. Больший риск с точки

зрения гигиены несут в себе отходы боень и отходы больших ресторанов, которые

также должны проходить гигиеническую обработку. Биоотходы содержат большое

количество примесей, а укосы с окраин дорог как правило

имеют большое

количество токсических веществ.

3.4 Составление смесей субстратов согласно содержанию сухого

вещества

Свойства субстрата и смеси субстратов к перекачиванию а также

гидравлическая управляемость в ферментаторе (загруженность ферментатора) как

правило являются ключевыми техническими критериями для мокрой ферментации,

ограничивающими количество добавок. Чтобы ролучить способную к перекачиванию

смесь, содержание сухого субстрата смеси в

ферментаторе не должно превышать

18%. Поскольку часть сухого субстрата в ферментаторе должна разложиться (от 30

до 80%, в зависимости от субстрата), то смесь таким образом сама по себе

разбавляется. Это значит, что изначально ферментатор можно наполнять

субстратами с более высоким содержанием сухого вещества. Пример расчета

содержания компонентов в смеси показано на Изобр. 3.11.

Пример расчета содержания компонентов в смеси

Внесено:

Навоз скота с 8% СВ

Силосная кукуруза 32% СВ

Содержание смеси не должно превышать 18% СВ:

На м3 гноя скота можно добавить 0,7 м3 силосной кукурузы, чтобы не

превышать 18% общего содержания сухого вещества.

3.11: Расчет содержания компонентов смеси.

Она дает нам ответ на вопрос, какое количество кукурузы можно перемешать

с гноем скота (8% СВ) с тем, чтобы смесь можно было перекачивать с помощью

насоса. Необходимо создавать смеси с содержанием СВ на уровне 18%, поскольку

степень разложения гноя скота не превышает 50%. Таким образом можно исходить

из того, что в среднем со временем брожения в ферментаторе устанавливается

уровень содержания СВ около 12%. Для субстратов с более высокой степенью

разложения можно изначально заложить еще более высокое содержание СВ.

Разумеется, чтобы сохранить способность к перемешиванию и достаточное

количество влаги, он не должен превышать содержания 25% СВ (мокрая

ферментация).

Вследствие этого, следует ограничивать содержание относительно сухих

веществ в смеси, например содержание биомусора. Это можно обойти, если после

брожения проводть раздел на твердую и жидкую фракции (Изображение 3.12).

Отсепарированную мелкую фракцию можно сново подмешивать в свежий, богатый

на сухие вещества субстрат (повторное использование воды). Таким образом

ежедневное количество бродильного субстрата увеличивается на количество

возвращенной воды, что стоит учесть при измерении объема ферментатора. В уже

давно существующих установках вследствии внедрения этой технологии

необходимо учесть сокращение времени брожения, что однако можно выровнять

путем повышения температуры процесса.

3.5 Оборот питательных

веществ в системе образования

биогаза

При брожении питательные вещества

субстрата почти не теряются. Наоборот,

питательные вещества, внесенные вместе с

субстратом, почти в полном составе попадают на

поля в переброженом виде. Фосфор, калий, магний

и микроэлементы сохраняются на все 100%. Лишь

азот теряется вследствии хранения и при

размещении на полях.

Изображение 3.13 показывает круговорот азота энергетических растений в

производстве биогаза. Силосная кукуруза, дающая большую массу, например для

своего роста 300 кг азота на гектар. Это большое количество вместе с урожаем с

поля переезжает к биогазовой установке, где накапливается на конечном складе. На

конечном складе происходит его потеря в размере около 5% в виде выбросов

аммиака. Потери при внесении на пашню, несмотря на использование шланговой

техники и мгновенной приработки могут составлять до 20%, уменьшая таким

образом содержание азота (N) в наведенном примере на 57 кг. Из оставшихся 228 кг

N, около 62% пребывают в легкодоступном минеральном виде. От изначальных 300

кг N таким образом непосредственно сразу пригодными к потреблению остаются 143

кг. К этому еще следует добавить 60 кг N из органических соединений

азота в грунте,

за вычетом потерь азота вследствии вымывания в размере 30 кг. При удобрении

соломой необходимо расчитывать внесение азота в размере 25 кг. Таким образом

лишь 173 кг азота (148 кг при фиксации азота) возвращаются обратно. Возникает

потребность в азоте в размере 127 кг (152 кг при фиксации азота).

Показатели по применению удобрений

Пахотные земли Целина

Азот Nобщ. 170 кг/га х год 210 кг/га х год

Таблица 3.14: Данные по применению удобрений

Согласно действующему законодательству (Таблица 3.14) верхняя граница

количества внесения азота из органических удобрений для пахотных земель в

среднем составляет 170 кг /га в год, для лугов 210 кг/га в год. Кроме того после

сбора основного урожая нельзя вносить более 40 кг аммония-азота и 80 кг общего

азота на гектар. На протяжении зимних месяцев с 15 ноября по 15 января вообще не

разрешается вносить жидкий навоз и жидкого вторичного сыръя.

Эти верхние границы находятся в прямой противоположности к потребностям

многих видов культур растений (Таблица 3.15) и очень сильно обсуждаются в

биогазовой сфере. Недостаток питательных веществ приходится покрывать с

помощью покупки дорогих минеральных удобрений. Ограничения по размещению

переработанных субстратов могут привести к нехватке площадей для размещения у

производителей биогаза. В любом случае уже при планировании количестко

переработанных питательных веществ необходимо соизмерять с доступными

сельхозплощадями. Для расчетов стоимости перевозок питательных веществ, в

Таблицах 3.3, 3.5 и 3.8 приведено содержание питательных веществ для разных

видов субстратов.

Круговорот азота энергетических растений при производстве биогаза

Количество N в кг/га

Вывоз N вместе с урожаем = содержанию N в субстрате 300

Потери при хранении 5% -15

Потери при вносе в грунт 20% -57

Промежуточный баланс +228

Вследствие брожения около 62% в виде минералов и легкодоступны +143

38% = 85 кг органически связаны

N-минерализация в грунте +60

Вымывание N -30

Фиксирование N в гумусе (удобрение с соломой) -25

Возврат N вместе с перебродившим субстратом +148 или +173*

Дополнительная потребность в азотосодержащих удобрениях чтобы

перекрыть 300 кг/га

-152 или -127*

* = без фиксации в гумусе; N-денитрификация = внесению с воздуха, без бобовых

3.13: Круговорот азота в биогазовой системе. (Источник: Перцки/Хайгль , 2005 г.)

При использовании готовых субстратов (энергетические растения, отходы

агропромышленности) стоит обязательно обратить внимание на возможность

возврата или надлежащей утилизации отходов брожения. Необходимые размеры

площадей для вывезения отработанного силоса кукурузы, сена, озимых сортов

зерновых и пшеницы наводятся в Таблице 3.16. Если например год был удачлив с

точки зрения выращивания кукурузы, и с гектара удается собрать 550 центнеров

сырой массы, то после брожения необходимо иметь 1,4 га пахотной земли чтобы

разместить на ней питательные вещества согласно государственных норм о

удобрениях. С точки зрения возврата питательных веществ такой слишком

интенсивный уровень производства приводит к нехватке площадей для внесения.

Потребности в азоте для разных полевых культур

Вид Потребности в N кг/га

Пшеница зерновая DS 80 цт/га 120-200

Пшеница GPS (озимые сорта) 100-160

Кормовая свекла + ботва 100-200

Силосная кукуруза 140-220

Зеленая рожь/озимая рожь 160

Луга экстенсивное (1 укос 35 цт сухой массы/га) 100

Луга интенсивные (4 укоса 100 цт сухой массы/га) 290

Таблица 3.15: Потребности в азоте разных полевых культур (ориентировочные

данные).

В этой связи появились интересные данные исследований университета

города Хоенхайм, посвященные выведению так называемых сортов-малого-

внесения кукурузы, дающих большой выход биомассы в условиях „стресса водного

режима и питательных веществ", имеются ввиду сильные колебания воды и

питательных веществ. Эти сорта дают

возможность стабильного получения

биомассы, поглощая небольшое количество питательных веществ и воды.

Потребности в сельскохозяйственных площадях для размещения остатков

брожения

Силосная

кукуруза

35% сухого

вещества

Озимые сорта

пшеницы GPS

40% сухого

вещества

Травяной

силос

35% сухого

вещества

Кормовая пшеница

87% сухого вещества

Свежий

урожай

цт/га 550 450 331 259 81