Барбара Эдер, Хайнц Шульц. Биогазовые установки. Практическое пособие

Подождите немного. Документ загружается.

ферментаторе более нецелесообразно с экономической точки зрения. Тоесть на

практике никогда не бывает полного расщепления органики.

Одно и многоступенчатый процесс

В большинстве биогазовых установок процессы расщепления протекают

параллельно, тоесть они не разделены ни территориально, не во времени. Такие

технологии называют одноступенчатыми (Изобр. 2.6).

Для субстратов с быстрым расщеплением, которые из-за этого имеют

склонность к окислению, рекомендуется для гидролиза и окисления предусмотреть

отдельный резервуар, чтобы из него продукты разложения дозировано подавать у

ферментатор (двухступенчатая технология). Преимуществом является

выдерживание эффективности работы бактерий через создание оптимальных

условий жизнедеятельности (в первую очередь уровень рН). Таким образом можно

достичь большего производства биогаза. Брожение барды, например, требует

такого раздела фаз. Кроме того, не используемые газы благодаря такому разделу

можно отделять через биофильтр, отделяя, таким образом, лишь газ с высоким

содержанием метана.

Хотя раздел фаз наилучшим образом соответствует условиям

жизнедеятельности бактерий и имеет свои преимущества, такие двухступенчатые

технологии не имеют большого распространения. Дополнительные потери на второй

резервуар, на системы смешивания, отопления и насосы могут окупиться лишь для

определенных видов субстратов. С другой стороны на практике достаточно часто

можно найти два поочередно связанных между собой резервуары. В таких случаях

первый резервуар выступает настоящим ферментатором, оборудован отоплением,

мешалками, рассчитан на краткосрочное брожение и использование

быстроразлагаемых субстратов. Во втором резервуаре, добавленном к первому и в

принципе являющемуся ферментатором без отопления, происходит образование

газа из субстратов, разлагающихся не так быстро, а соответственно и процесс

брожения в нем длится дольше.

2.2 Благоприятная среда обитания бактерий

С тем, чтобы бактерии могли хорошо работать в этом многоступенчатом

анаэробном процессе им нужно создать определенные жизненные условия, которые

описаны ниже.

Влажная среда

Метановые бактерии могут жить и размножаться, когда субстраты в

достаточной мере растворены в воде (в составе минимум 50% воды). В отличие от

аэробных бактерий, дрожжей и грибов они не могут существовать в твердой фазе.

Поэтому для так называемых технологий твердых процессов есть необходимость в

увлажнении материала, хотя вначале несущественно, является ли субстрат

изначально влажным или стал таковым путем орошения либо смешивания.

Исключение проникновения воздуха

В анаэробном процессе расщепления органических субстратов принимает

участие целый ряд микроорганизмов. Около 50% участвующих бактерий являются

аэробными или факультативно аэробными и требуют либо хорошо переносят

кислород. Только метановые бактерии являются исключительно анаэробными. Если

в субстрате еще присутствует кислород, как, например, в свежем навозе, то

аэробные бактерии в первую очередь используют его. Это происходит на первом

этапе процесса образования биогаза. Поэтому небольшое количество кислорода,

который проникает при целенаправленном нагнетании воздуха для очистки от серы

или же при открывании смотровых отверстий, не является вредным.

Намного значительнее окислительно-восстановительный потенциал.

Окислительно-восстановительный потенциал представляет собой степень

готовности ионов принимать электроны. Для роста анаэробных бактерий этот

потенциал должен находиться на очень низком уровне (-0,1V). Поскольку кислород

имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал (+1,78), то это вначале

вредит анаэробным бактериям. Однако если имеется достаточно веществ с низким

окислительно-восстановительным потенциалом, то анаэробный процесс может

происходить и в присутствии кислорода.

Исключение попадания света

Хотя свет и не является для бактерий смертельным, он замедляет процесс.

Исключить влияние света на процесс на практике можно с помощью

светонепроницаемой крышки.

Равномерная температура

Метановые бактерии проявляют свою жизнедеятельность в пределах

температуры 0-70ºС. Если температура выше они начинают гибнуть, за

исключением нескольких штаммов, которые могут жить при температуре среды до

90ºС. При минусовой температуре они выживают, но прекращают свою

жизнедеятельность. В литературе как нижнюю границу температуры указывают 3-

4ºС.

Скорость процесса брожения очень зависит от температуры. Принципиально

важным является: чем выше температура, тем быстрее происходит разложение и

тем выше производство газа. Таким образом сокращается время разложения

(Изобр. 2.7). При возрастании температуры снижается содержание метана в

биогазе. Это связано с тем, что при высоких температурах растворенная в субстрате

двуокись углерода интенсивнее переходит в газовидную фазу (в биогаз), таким

образом, что относительное содержание метана сокращается. Количество газа,

которое можно добыть будет одинаковым при достаточном количестве времени

брожения. Существует три типичных температурных режима, в которых себя хорошо

чувствуют соответствующие штаммы бактерий:

 Психрофильные штаммы при температуре ниже 25ºС,

 Мезофильные штаммы при температуре 25-45ºС,

 Термофильные штаммы при температуре свыше 45ºС.

Большинство установок работают в мезофильном режиме. Из-за большого

избытка тепла от генератора для таких установок наблюдается тенденция высоких

температур ферментатора. На практике в Германии большинство биогазовых

установок работают при температурах 38-42ºС (Изобр. 2.8). Психрофильный режим

работы из-за длительного времени брожения и небольшой производимости газа в

наших широтах больше не играет столь важной роли, в то время как установки с

термофильным режимом работы пользуются все большим спросом, не в последнюю

очередь через все большие размеры установок они оснащаются устройствами

автоматизированного управления.

Влияние температуры ферментатора

на активность бактерий показано на

Изобр. 2.8. Чем выше температура, тем чувствительнее бактерии к ее колебаниям, в

первую очередь, если они краткосрочные. Это четко видно из относительно узкого

максимума кривой и ее стремительного падения при термофильном режиме. В то

время как в мезофильном режиме ежедневные колебания в 2-4ºС едва ли имеют

влияние

на бактерии, то в термофильном режиме такие колебания должны быть не

более 1ºС. Одноразовое размещение плохо уплотненного материала (с большим

количеством кислорода) или большое количество очень холодного материала, а

также остановка работы мешалки на несколько часов (в первую очередь в зимнее

время), может вызвать такое изменение температуры на 1ºС.

Интересно, что в установках, работающих на возобновляемом сырье,

наблюдаются более высокие температуры, чем было указано для прокладывания

отопления. При этом анаэробный процесс в отличие от компостирования не

является экзотермическим; намного больше энергии будет накапливаться в метане.

Большое количество легко перерабатываемого субстрата, каковым является

растительный, приводит к необратимым реакциям окисления с соответствующим

выделением тепла. Таким образом при брожении кукурузы наблюдалось

возрастание температуры с 37ºС до 42ºС. Такой эффект конечно же понижает

потребление тепла установкой и должен наблюдаться для каждой установки

отдельно и быть учтен спецификой установки.

Работа при высоких температурах требует установки специальных систем

автоматизации и точного управления работой биогазовой установки. В наше время,

когда речь идет о полной интеграции биогазовых установок в повседневную работу

сельскохозяйственного предприятия, мезофильный режим создает просто меньше

сложностей. Сегодня тенденция такова, что работают в более высоких

температурных режимах ферментатора, поскольку эксплуатация установки

превратилась в отдельный вид деятельности и требует соответствующего

персонала.

На протяжении длительного периода времени (1 месяц и более), бактерии

привыкают к новому температурному режиму, так что каждое предприятие может

выбрать для себя оптимальный вариант.

Уровень рН

В то время, как гидролизирующие и кислотообразующие бактерии в кислой

среде с уровнем pH 4,5-6,3 достигают оптимума своей активности, бактерии,

образующие уксусную кислоту и метан могут жить только при нейтральном или

слабощелочном уровне pH 6,8-8. Для всех бактерий действительным является

следующее: если уровень pH превышает оптимальный, то они становятся

медленнее в своей жизнедеятельности, что замедляет образование биогаза. Для

одноступенчатых технологий следует выдерживать уровень pH для

метанообразования (оптимум 7). На уровень pH можно влиять количеством

добавляемого субстрата и его видом. Субстраты, которые быстро окисляются

приводят к резкому падению уровня pH; поэтому их следует добавлять только в

ограниченном количестве и постепенно.

Субстраты отличаются между собой в их способности амортизировать

уровень pH. Если концентрация H

возрастает, то субстраты могут ее выровнять в

ограниченном количестве и привязать к себе свободные ионы. Благодаря этому

уровень pH в общем остается стабильным. Только когда связывающая и

выравнивающая способность исчерпывается, уровень pH начинает расти. В любом

случае такое медленно измеримое изменение содержания H

к задержкам в

развитии бактерий и таким образом к нарушению газообразования. Замеры pH

таким образом отстают от реальной ситуации. Это хоть и является дешевым

способом контролирования процесса, но своевременное управление процессом

исходя лишь из замеров уровня pH, является невозможным. Более эффективным

является замер буферных свойств (смотр. Раздел 2.5). Для буферного эффекта в

первую очередь

важными являются карбонатные и аммониумные буферы:

HCO

+ Н

<-> H

CО

Ион гидрокарбоната + ион водорода

<-> угольная кислота

NH3

+ Н

<-> NH

Аммоний + ион водорода <-> аммоний

Если карбонатный буфер активизируется в несколько кислой среде, то при

высоком уровне pH будет задействован аммониумный буфер. В навозе буферные

вещества представлены в большом количестве. Таким образом навоз может

сглаживать большие колебания уровня pH и хорошо улавливает чрезмерную

кислотность.

Такой важный буферный потенциал отсутствует у возобновляемого сырья. В

общем здесь устанавливается более высокий уровень pH, так что буфер аммония

играет важную роль. В стабильных процессах брожения уровень pH регулируется

самостоятельно.

Подача питательных веществ

Бактерии, для образования своих клеток требуют питательных веществ,

витаминов, растворимых соединений азота, минеральных веществ и

микроэлементов. Эти вещества в нужном количестве содержатся в жидком и

твердом навозе. Достаточное их количество содержится также в сене, кукурузе

(свежей или консервированной), остатках пищи, отходах кухни, внутренностях

животных, барде и молочных продуктах – все эти продукты могут бродить в чистом

виде без добавления других субстратов. В качестве ориентировочного значения для

смешивания субстратов можно взять такие соотношения питательных веществ:

• C : N : P = 75:5:1 или 125:5:1

• C : N = 10:1 или 30:1

• N : P = 5:1

Соотношение С:N показывает общее соотношение углеводов с общим

содержанием азота. На один процент фосфора припадают 5 процентов азота и 75-

125 процентов углерода. Оптимальное соотношение углерода к азоту составляет

30:1 и 10:1. Если соотношение падает до уровня 8:1, то в связи с большим

содержанием аммония в субстрате замедляется развитие бактерий из-за аммиака

(смотр. Сдерживающие развитие вещества). Для каждого вида субстрата или смеси

субстратов

можно произвести расчет соотношений веществ (смотр. пример Таблица

2.1).

Для первой оценки смеси субстратов имеет смысл провести такой расчет. С

его помощью своевременно можно определить возможную задержку процесса

развития из-за слишком большой концентрации азота.

Для оптимальной жизнедеятельности бактерий также есть необходимость в

небольшом количестве тяжелых металлов и микроэлементов. В то

же время

тяжелые металлы могут оказывать сдерживающее или даже токсическое влияние.

Насколько нечеткой является граница их действия нам показывает Таблица 2.2.

Никель, кобальт, молибден, вольфрам и железо являются особенно необходимыми

бактериям для образования энзимов. Минимальные требования к смеси

питательных веществ для оптимального жизнеобеспечения бактерий показано в

Таблице 2.3. Из этого следует, что процесс образования биогаза может происходить

с широким спектром питательных веществ с низкой или высокой их концентрацией.

Этот факт подтверждает также опыт из практики, что через определенный период

времени бактерии привыкают даже к неблагоприятным условиям обитания.

Расчет соотношения питательных веществ в смесях субстратов

Содержание

питательных

веществ [гр/кг

ТВ]

C N P2О5

Навоз КРС (ГС) 40 3,2 1,6 Соотношение

C:N:P = 25/2/1

Силосная

кукуруза (СК)

96 3,9 0,7 Соотношение

C:N:P = 137/5,6/1

Расчеты соотношения C:N:P смеси

на примере 1 процента гноя скота и 0,7 процента силосной кукурузы

Содержание полезных веществ в смеси =

(СК х процент СК) + (ГС х процент ГС)

(процент ГС + процент СК)

Из примера следует C = (96 х 0,7) + (40 х 1)/(1+0,7) = (67,2 + 40)/1,7 =

63 C Аналогично рассчитываются также содержание N и P

Результат расчета для образцовой смеси:

Содержание питательных веществ C N

общ

Смеси субстратов [гр/кг]: 63,33 3,49 1,22 соотношение C:N:P =

52/3/1

Соотношение питательных веществ C:N = 17/1 соотношениеN:P =

3/1

Смесь питательных веществ является приемлемой и находится в допустимых

пределах.

Соотношение C : N скорее находится в нижней трети, поэтому при подаче

дополнительного азотосодержащего субстрата следует обратить внимание на

задержку развития в связи с обилием аммониака.

Таблица 2.1: Расчет соотношения питательных веществ в субстрате или смеси

субстратов

Замедляющее и токсическое влияние тяжелых металлов на биогазовый

процесс

Замедляющее

действие

мг/л

Токсическое

действие

мг/л

Необходимая

концентрация

мг/л

Допустимая

концентрация

мг/л

Медь (Cu) 40-250 170-300

Кадмий (Cd) 150-600 20-600 0,12

Цинк (Zn) 150-600 250-600 32

Никель (Ni) 10-300 30-1000 0,006-0,5 4

Свинец (Pb) 300-340 340 0,02-200 12

Хром III (Cr) 120-300 260-500 0,005-50 8

Хром VI (Cr) 100-110 200-420

Кобальт (Ko) 0,003-0,06

Молибден

(Mb)

0,005-0,05

Селен (Se) 0,008

Марганец

(Mn)

0,005-50

Ртуть (Hg) 0,08

Железо (Fe

2+)

1-10

Böhnke et

1993

Krieg/Sahm/Schmack

согл. BioabfallVO, рассчит.

для 8% СВ, напр. навоз

Таблица 2.2: Замедляющее и токсическое влияние тяжелых металлов на

необходимую концентрацию биогаза

Многие микроэлементы образовывают вместе с серой устойчивые сульфиды

и поэтому может возникнуть их нехватка. Нехватку железа как и для растений можно

узнать из того, что субстрат становится светлее. Дорогой анализ на нехватку

микроэлементов стоит делать только тогда, когда все другие факторы (задержки из-

за аммиака, серы, избыточная кислотность, нехватка субстрата, техника) уже

проверены и исключены как негативно влияющие на процесс факторы.

Минимальные физико-химические требования к метаногенезу

Средовые факторы

Уровень рН 6,5-8,0

Содержание соли (проводимость) 2,5-25 mS/см

Температура 8-55˚С

Элементы Концентрация

Кислород < 1 ppm

Водород 6 Ра

Общее углерод 0,2-50 гр/л ХПК

Натрий 45-200 ppm

Калий 75-250 ppm

Магний 10-40 ppm

Сера 50-100 ppm

Железо 10-200 ppm

Никель 0,5-30 ppm

Кобальт 0,5-20 ppm

Молибден, вольфрам, селен 0,1-0,35 ppm

Цинк 0-3 ppm

Химические соединения

Фосфат 50-150 ppm

Соотношение количества

2000 : 15 : 5 : 3

C : N : P : S (процесс в целом)

Таблица 2.3: Минимальные физико-химические теребования к процессу

образования биогаза согласно [22].

Большая площадь поверхности сырья

Принципиальным является, что чем меньше субстрат, тем лучше. Чем больше

площадь взаимодействия для бактерий и чем более волокнистый субстрат, тем

легче и быстрее бактериям разлагать субстрат. Кроме того, его проще

перемешивать, смешивать и подогревать без образования плавающей корки или

осадка. Измельченное сырье имеет влияние на количество произведенного газа

через длительность периода брожения. Чем короче период брожения, тем лучше

должен быть измельчен материал (Изобр. 2.9).