Барбара Эдер, Хайнц Шульц. Биогазовые установки. Практическое пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Anaerobic Composting – сухое анаэробное компостирование), компогаз, ATF (сокр. с

немецкого - анаэробная сухая ферментация), а также метод А-3 (анаэробное-

аэробное-анаэробное) были разработаны для брожения биоотходов и не требуют

сейчас дальнейшего описания.

Дальнейшие эксперименты проводились в Швейцарии Веллингером и Басерга в 90-х

гг. по применению метода ANACOM (англ. Anaerobic-composting of manure) (Изобр.

4.4). В нем прибегали к подаче твердого вещества через обогреваемую трубу с

верху в ферментатор объемом 10 м3.

Переброженый субстрат снизу выводился из ферментатора с помощью

донного скребкового транспортера и выводящего шнека. Но и этот метод, несмотря

на хорошие намерения лишь экспериментом и не был доработан до состояния,

пригодного для практического использования.

Метод работы с твердыми меществами по периодическому принципу

После того как методы последовательного брожения твердых веществ не

приобрели практического использования в сельском хозяйстве, было предпринято

множество попыток по применению периодического процесса обработки твердых

веществ.

Метод пленочной трубки

Этот метод заимствован у сислосной техники. Твердый материал при помощи

машины прессуется в пленочную трубку, закрывается воздухонепроницаемо и

перегнивает

внутри. В этом случае не перколируют бродильную жижу, шланг также

не требует подогрева. Заполненный шланг из фольги можно также положить на

подогреваемый поддон. Преимущество этого метода в очень низких игвестиционных

затратах на строительство и технику, поскольку технику можно использовать очень

разносторонне. Все-же необходимо учесть стоимость пленки. Проблемной стороной

является

сильная зависимость от температуры окружающей среды, как правило

низкое содержание воды, невыровнянная концентрация внутри массы. В целом,

если не предпринять дальнейших строительных/технических мер, то для флоры

брожения создаются не лучшие условия.

Контейнерный метод

В конце 90-х проф. Хофманн из Трисдорфа/Миттельфранкен интенсивно

занимался брожением твердых веществ. Первые опыты происходили при помощи

выдвижных контейнеров в закрывающихся боксах, пристроенных к

экспериментальной установке Хольстенского общества в Гамбурге-Бергедорфе. В

закрытые контейнеры подается бродильная жижа, где она и циркулирует. Эта

техника давала обнадеживающие на успех результаты и планировалась для

применения в небольших хозяйствах (максимальный размер контейнера 30 м

). Но

до последнего времени результаты себестоимости тоны в годовом обороте были

слишком велики.

Метод коробочного ферментатора

Уже с 1997 года известен практический опыт по ферментации твердых

веществ в 14 бетонных боксах на работающей на компосте установке в Голландии.

Похожие по типу строительства установки предлагаются в Германии многими

фирмами. Речь идет о коробочном ферментаторе, внешне похожем на гараж

(поэтому часто также называют гаражный ферментатор). Боксы наполняются и

выгружаются через газонепроницаемый приемник при помощи колесного погрузчика.

Стекающая при брожении жижа (перколат) собирается в цистерны, подогревается и

разбрызгивается над субстратом. Кроме того применяется подогрев пола. Опыты,

проведенные университетом г. Хоенхайма как и Институтом сельскохозяйственной

техники Ваенштефан на действующих установках показали, что при помощи этого

метода можно перебраживать твердые субстраты. Субстраты, имеющие склонность

к сильному уплотнению в ферментаторе, (без достаточного наличия структурного

материала) не подходят для моноброжения. Кроме того было установлено, что этот

метод дает хорошие показатели выхода газа только при наличии достаточного

количества затравочного материала (Изобр. 4.5).

Метод передвижного силосного бункера

(Биогазовые установки Химгау)

С помощью этого метода был начат новый этап развития. В этой по

настоящему простой конструкции ферментатор состоит из пригодных для движения,

бетонированных бассейнов с газонепроницакмым мембранным уплотнителем.

Бассейны сделаны таким образом, что их можно наполнять или опорожнять при

помощи колесного погрузчика либо фронтального погрузчика. После наполнения

бассейн до краев заливают перколатом и выступающий через края корм орошают

перколатом. Ферментатор оснащают донным подогревом. Теплопотери из-за

большой поверхности газовой мембраны должны быть минимизированы при

помощи размещенной на субстрате изоляционной пленки.

Метод одновременной сухой и влажной переработки: этот метод,

запатентованный инженрым бюро Look Consultants (Гамбург), включает в себя

комбинированное брожение твердого и жидкого материала. Брожение твердых

веществ происходит параллельно в коробочных ферментаторах, а жидкие

субстраты размещаются в соответственных ферментаторах для мокрой

переработки. Обмен перколяционной жидкостью между обеими системами

происходит благодаря круговороту процессуальной воды

4.1.2 Метод работы на жидких субстратах

Работа на жидких субстратах по порционному принципу

Порционные ферментаторы для брожения во влажной среде в настоящее

время не играют никакой важной роли. Чтобы наполнять и опустошать порционный

ферментатор за один заход, кроме бродильной камеры необходимо иметь

резервуар для предврительного содержания и склад отработынных субстратов.

Каждый из них должен быть одинакового размера, что конечно же делает эту

технологию дорогой. Кроме того производство газа происходит неравномерно,

которую можно выравнять, если работать одновременно с двумя меньшими

ферментаторами, которые будут по очереди наполнятся и опустошаться с временем

пребывания субстрата внутри этих резервуаров примерно в половину короче от

обычного. Установка с такой схемо работы будет стоить значительно дороже,

поскольку два маленьких резервуара стоят существенно дороже нежели один

большой. Кроме того недостатком является также то, что при длительном хранении

в резервуаре предварительного хранения до момента переливания содержимого в

ферментатор уже начинаются процессы разложения, а следовательно и потери

азота и метана.

По этим причинам такие установки совершенно не пользуются спросом.

Компания WISA из г. Идена является их единственным разработчиком и имеет

построенные обьекты, работающие по порционному принципу. В этом случае

тенденция также идет в направлении работы на возобновляемом сыръе с

проточными ферментаторами.

Технология, основанная на порционном принципе, всегда используется в тех

случаях, если есть необходимость проанализировать субстрат или смесь субстратов

в отношении их поведения в ферментаторе либо выхода газа. Поэтому большинство

лабораторных экспериментов проводятся в порционном режиме. Все анализы

выхода газа были проведены непосредственно на основе периодических

экспериментов.

Метод сменных резервуаров

Метод сменных резервуаров уже упоминался в Главе 1.1, поскольку он сыграл

важную роль во время первого сельскохозяйственного биогазового движения,

начиная с 1954 г. Этот метод рассчитан на работу с 2 ферментаторами: с

резервуара для предварительного хранения, вмещающего количество субстата для

1-2 дней работы, материал медленно но равномерно подают в ферментатор, в то

время как другой перебраживает. Как только первый наполняется, переброженый

материал выливается в резервуар-склад, после чего снова происходит наполнение с

резервуара предварительного хранения. Резервуар-склад также необходимо время

от вемени частично или полностью освобождать, вывозя перегной на

соответствующие поля. Поэтому его объем должен быть больше нежели сменного

резервуара.

Этот метод характеризуется очень равномерным производством газа и

хорошими гигиенизирующими качествами, поскольку на протяжении всего периода

брожения не вносится свежего субстрата. Недостатками этого метода, как и

порционного метода, являются высокие строительные затраты и большие

теплопотери по сравнению с использованием одного ферментатора.

Кроме того проблематичным при использовании метода сменных резервуаров

является и то, что при опорожнении резервуар необходимо проветривать, до тех

пор, пока газгольдер не наполнится в достаточной мере чтобы заменить объем

забранного переброженного субстрата.

Проточный метод

Большинство биогазовых установок во всем мире работают по проточному

методу, либо в чистом виде, либо в комбинации с накопительным методом. Этот

метод по сравнению с другими отличается тнм, что бродильная камера всегда

заполнена и опорожняется лишь для ремонтов или удаления осадков. С небольшого

резервуара предварительного хранения вносится жидкий

свежий субстрат, а

твердые субстраты вносятся с помощью специальных устройств в бродильную

камеру многократно в течении дня, хотя в то же время автоматически на переливе

резервуара точно такое же количество переброженного субстрата переходит в

резервуар-склад или перекачивается в него.

Преимуществом проточного метода является равномерное производство газа,

хорошая загруженность ферментатора, а следовательно, экономия на компактной

постройке и низких теплопотерях. Кроме того можно использовать

автоматизированную систему наполнения, напр. с помощью поплавкового

переключателя в резервуаре предварительного хранения или при помощи таймера

на наполняющем насосе.

Недостатками по сравнению с порционным методом и методом сменных

резервуаров является в первую очередь то, что в зависимости от применяемых

мешалок и типа резервуара происходит смешивание свежего субстрата с

переброженным материалом, что ухудшает эффект гигиенизации (сравн. Главу 11).

Накопительный метод

Для этого метода характерно использование одного резервуара в качестве

ферментатора и склада для хранения (Изобр. 4.6). При вывезении перегноя

накопительный резервуар опорожняется почти полностью, небольшое его

количество остается для прививания следующей порции субстрата. После этого

комбинированный резервуар для брожения и хранения медленно наполняется.

Преимущества накопительной установки в первую очередь состоят в экономии

инвестиционных средств: необходимо иметь один большой, и таким образом

сравнительно дешевый резервуар. Кроме того накопительные установки просты в

эксплуатации и легко контролируются.

Существующие, открытые сверху резервуары-склады для навоза можно легко

переделать на биогазовые установки. Недостатком является большая зависимость

газопроизводства от уровня наполнения резервуара. Накопительные установки с

твердым покрытием (Изобр. 4.6 с) должны иметь настолько большой объем

газгольдера, чтобы при заборе перегноя не существовало опасности проникновения

воздуха. Проблематичными в работе накопительных установок с пленочным

покрытием являются большие теплопотери. На практике такие установки на

сегодняшний день ледва ли играют какую нибудь роль.

Комбинированный проточно-накопительный метод

Комбинированные проточно-накопительные установки (Изобр. 4.7)

используются в Германии наиболее часто. Они возникли, когда резервуары-склады

проточных ферментаторов начали накрывать пленкой или твердым покрытием с

целью минимизации потерь азота и добывать дополнительный биогаз. Практика

показала что в первую очередь сильно загруженные ферементаторы с привычными

на сегодняшний день длительными периодами хранения до 7 месяцев, можно

получать от 20 до 40% выхода газа от общего количества. Как правило они не в

достаточной мере заизолированы и не отапливаются, таким образом затраты на

дополнительную добычу газа небольшие.

В новых установках, работающих по такому типу, склады также оснащают

теплоизоляцией и отоплением чтобы расширить потенциальные возможности

установки чтобы работать с более высокой загрузкой.

В особых случаях, особенно если ферментатор небольшой или если

требуется большое количество удобрений, или за один раз требуется большое

внесение удобрений, можно также частично опорожнять и проточный ферментатор.

При этом конечно же также следует следить за тем, чтобы при опорожнении в

накопителе было достаточное количество биогаза чтобы заменить забранное

количество и предотвратить проникновение воздуха из-за низкого давления внутрь.

4.2 Типы строения ферментаторов

Горизонтальная конструкция

Ферментатор можно расположить либо в стоящем положении (вертикально)

либо в лежащем (горизонтально). Горзонтальное расположение имеет то большое

преимущество, что можно применять мощные, надежные в эксплуатации и

энергосберегающие механические мешалки (сравн. Раздел 4.6). Таким образом

достигается хороший эффект перемешивания, направленный вертикально по

отношению к течению, без четкого перемешивания в направлении течения.

Благодаря пробочному проталкиванию с точки зрения биологии процесса

складываются благоприятные условия. Возможной является большая загрузка

ферментатора. Существуют данные, согластно которым загруженность

ферментатора может достигать 7-10 кг органического сухого вещества/м³.

Недостатком является большая потребность в площади, занимаемой

резервуаром. Лежащие ферментаторы на сегодняшний день ограничены в своем

объеме до 1000 м³. Большая площадь поверхности по сравнению с объемом (с

соответственно высокими теплопотерями) и недостающая „прививка” для свежего

субстрата бактериями переброженного шлама является также недостатком. Для

жидкого или твердого навоза скота это не играет никакой роли, поскольку в таком

субстрату изначально содержится достаточное количество метанообразующих

бактерий. Навоз свиней, энергетические растения или органические отходы, не

содержащие или содержащие небольшое количество анаэреобных бактерий, при

использовании пробочного проталкивания должны быть привиты переброженным

субстратом. Это можно произвести в резервуаре предварительного хранения или

при помощи автоматической системы подачи прививочного материала. Лежащие

ферментаторы изготовляются преимущественно в виде цилиндрических железных

баков и размещаются над поверхностью грунта (Изобр.4.8). Если это бетонный

вариант, то он может иметь либо квадратную либо прямоугольную форму

поперечного сечения.

Стоящая (вертикальная) конструкция

Ферментаторы в виде вертикального строения из соображений статики

преимущественно имеют круглую форму поперечного сечения (Изображение 4.9).

По сравнению с горизонтальным вариантом они имеют то преимущество, что они

более компактны, имеют более выгодное соотношение площади поверхности к

объему, что уменьшает затраты материалов и теплопотери. Они не ограничены в

своих объемах, на сегодняшний день можно строить ферментаторы объемом до

6000 м³. Требования к смесительной технике высоки, поскольку в этом случае она

должна создавать сильное течение, необходимое для достижения гомогенизации.

По мере возрастания высоты строений и вместе с тем тенденции к расслоению

бродильного субстрата, смешивающая техника должна обеспечивать достаточное

вертикальное перемешивание. Недостатком является то, что нельзя достичь

пробочного проталкивания. В зависимости от размеров резервуара, от типа

мешалок и их мощности, а также от вида субстрата зависит уровень возможной

загрузки ферментатора. Возможна загрузка ферментатора до 4 кг органического

СВ/м³.

Наземное или подземное размещение

Наземное размещение избирают как правило при высоком уровне грунтовых

вод. Кроме того оно имеет то преимущество, что можно сэкономить на земляных

работах и позволяет использовать дорогие материалы для внешней теплоизоляции

(Изображение 4.10, сравните Раздел 4.3). Недостатком являются высокие

теплопотери в зимний период и повышенные инвестиционные затраты при высоте

резервуара свыше 6 м.

Неполное

погружение, надземное или подземное размещение вертикальных

резервуаров избирают в зависимости от уровня грунтовых вод.

Полностью подземные резервуары с крышей, на которую можно заезжать имеют то

большое преимущество, что они не меняют общего вида ландшафта, не занимают

места и таким образом могут располагаться в центре архитектурного комплекса.

Кроме того из-за своего пребыванив в грунте они защищены от резких внешних

температурных колебаний, что особенно становится заметным в холодные зимы

благодаря низким затратам энергии на поддержание процесса. Для использования

такого варианта всегда необходимо учитывать движения грунта, а весь контур

резервуара должен быть заизолирован дорогими, устойчивыми к влаге

изоляционными материалами.

4.3 Строительные материалы и строительная техника для

ферментаторов

Если не брать во внимание описаные далее в Главе 4.5 технические средства –

насосы, мешалки, отопление и т. д., то ферментатор состоит из следующих

элементов:

 корпус резервуара

 зимняя изоляция

 внешняя облицовка для наземных резервуаров

 пленочное покрытие, газовый колпак или газгольдер

 внутреннее покрытие или многослойные покрытия

 контрольное окно, измерительные приборы, предохранитель высокого-

низкого давления.

4.3.1 Корпус резервуара

Корпус резервуара как правило

изготавливают либо из бетона, либо

из стали, хотя возможно и

применение других строительных

материалов. С точки зрения

стоимости едва ли существует

разница

между использованием

обоих материалов. Во многих

установках используют бетон. Преимуществом бетона является что он может

выдерживать большие статические и динамические нагрузки тяжелого

оборудования, для железных агрегатов необходимо ставить еще дополнительные

опоры или крепления. Преимуществом железа является то, что резервуар и

оснащение частично можно подготовить заранее, что при определенных

обстоятельствах может сократить время строительства. Железные резервуары

устаноавливаются только наземно, бетонные резервуары можно также погружать в

землю. Оба вида корпуса должны быть заизолированы. Рекомендуется оснастить

резервуары достаточным количеством стоков и большими люками для чистки и

ремонтно-профилактических работ.

Резервуары с железобетона

Самым распостраненным материалом является армированный железобетон,

используемый для дна резервуара, стен и в случае необходимости для перекрытия

резервуара (Изображение 4.11). Сегодня уже редко делают бетонную смесь на

стройплощадках, чаще всего ее транспортируют в готовом виде, сделанном по

специальной рецептуре. Поскольку последний метр высоты резервуара

использовать нельзя и его используют как газовую камеру и резерв для расширения

субстрата, с экономической точки зрения лучше строить ввысь чем вширь. С другой