Барбара Эдер, Хайнц Шульц. Биогазовые установки. Практическое пособие

Подождите немного. Документ загружается.

При достаточно длительном периоде брожения количество выработанного газа

снова увеличится. При использовании измельченного зерна этого уже удалось

достичь через 15 дней.

Равномерная подача субстрата

С целью избежания перекармливания бактерий, лучше всего равномерно

подавать субстрат в ферментатор через короткие интервалы времени. Чем легче

разлагается материал, тем чаще следует подавать субстрат. Таким образом удастся

также избежать резкого снижения температуры. Наполнение ферментатора один-

два раза в день, как это было принято раньше, сегодня бывает очень редко, это

возможно только для субстратов с высоким буферным эффектом (каковыми

являются экскременты животных) или при очень малой загрузке ферментатора. Для

установок с большой загрузкой ферментатора, как это часто встречается сегодня, с

целью достижения большой мощности чрезвычайно важной является подача с

интервалом в час. На рынке существуют автоматизированные системы подачи,

рассчитанные на такие интервалы (смотр. Раздел 4: Процессуальная техника).

Подача субстрата

Быстрое разложение метановыми бактериями возможно только при условии,

что образовавшийся биогаз будет сразу же выводиться из субстрата.

Если газ не

будет выводиться из ферментатора, то в нем может образоваться высокое

давление во много бар, которое может даже нанести вред.

2.10 : Поломка мешалки привела к такому вспениванию субстрата,

что он сорвал деревянную конструкцию и пленку (Карлсхофф 2004).

В субстратах с высокой текучестью маленькие пузырьки воздуха поднимаются

на поверхность самостоятельно. Сегодняшняя тенденция работать с 18% сухого

вещества и более настолько задерживает выведение газа, что субстрат начинает

вздуваться как дрожжевое тесто и даже может поднять крышку ферментатора

(Изобр. 2.10). Таким образом перемешивание важно не только во избежание корки и

осадка, но и для выведения выработанного газа. Чем гуще субстрат, тем чаще надо

его мешать (смотр. Раздел 4 Смесительная техника).

Замедляющие вещества

Целый ряд субстанций может замедлить или и вовсе прекратить обмен веществ и

рост микроорганизмов:

• Некоторые вещества повреждают оболочку клеток или структуру бактерий

(стиральные порошки и.т.д).

• Другие вещества разрушают энзимы обмена веществ клетки (тяжелые металлы

и.т.д.)

Пагубное влияние веществ принципиально зависит от концентрации. Это значит,

что сдерживающим фактором является не полное отсутствие определенного

вещества, а его концентрация в соотношении с другими группами веществ.

• Кислород

Кислород может проникнуть с недостаточно обогащенным измельченным

субстратом и вредить метановым бактериям.

• Антибиотики, химотерапевтические и дезинфицирующие средства

Антибиотики, химиотерапевтические и дезинфицирующие средства могут

сдерживать процесс брожения и привести к его полной остановке, особенно при их

высокой концентрации. Это может произойти, если со всем поголовьем либо

одновременно все хлева начали дезинфицировать. В таком случае избежать

проблемы поможет байпасная линия, ведущая из хлева прямо в емкость для

хранения. Препараты, применяемые к отдельным животным как правило не имеют

столь негативных последствий. Между применяемыми средствами также

существует большая разница. Таблица 2.4 показывает, что есть вещества, не

вредящие даже в большой концентрации, тогда как другие оказывают негативное

влияние уже в малой концентрации.

• Органические кислоты, карбоновые кислоты, жирные кислоты

Сдерживающее влияние оказывает также накопление органических кислот,

которые образовываются при анаэробном разложении органики (Изобр. 2.2).

Соотношение органических кислот, называемых также летучими жирными

кислотами, дает нам информацию о состоянии процесса. При стабильном процессе

образования биогаза сума органических кислот (их также называют эквивалентами

уксусной кислоты) ниже 2000 мг/л. Вследствие слишком быстрой подачи свежих или

очень легко разлагающихся субстратов может произойти быстрое окисление и

накопление кислот до уровня 16.000 мг/л. Кроме того произойдет негативное

изменение соотношения уксусной кислоты к пропионовой кислоте (Изобр. 2.11).

Если уровень превышает 3.000 мг/л, а для пропионовой кислоты 300 мг/л, то

согласно Веллингеру произойдет нарушение процесса. Накопление кислот приводит

к целому ряду реакций, начиная с того, что большие концентрации кислот

сдерживают сами бактерии таким образом, что понижается уровень pH, что и

вызывает задержку развития метановых бактерий до полной остановки процесса

разложения. Противодействовать этому можно лишь полным сокращением подачи

субстрата. Также одноразовая подача один раз в день, как это было принято

раньше, ведет к сильному накоплению органических кислот, которые однако

разлагаются в течение дня (Изобр. 2.12).

Влияние антибиотиков в корме животных на образование метана

Группа Название

продукта в

продаже

Биологически

активное

фещество

Сmax

(мг/л)

Концентрация

(мг/л)

Метан

100%=Номин.

Bacitracin 29 100

68%

80%

Flavophospholipol Flavomycin 11 50

104%

101%

100%

Avatec Lasalocid 6 100

25%

102%

105%

Rumensin Monensin 8 5

0,5

35%

38%

Spiramix Spiramycin 29 50

2,5

44%

46%

Tylan Tysolin 23 100

65%

67%

80%

Антибиотики

Stafac Virginiamycin 29 50

46%

73%

81%

Animedica S-2

(Arsen + Fur.)

Арсаниловая

кислота

144 100

54%

88%

90%

Animedica S-3

(Arsen + Fur. + Sulf.)

Furazolidon 144 200

41%

93%

97%

Сульфадимезин 144 100

101%

99%

102%

Синтетические

Лечебные химпрепараты

Bayo-N-ox Olaquindox 58 100

32%

35%

Decaseptol Хлороформ

2 фенолы

0,12* 0,3*

0,03*

11%

10%

Indicin 3 Альдегиды

Алкоголь

0,03* 0,16*

0,016*

14%

83%

Master Mix

Environ

Фенолы 0,02* 0,1*

0,01*

94%

92%

Orbivet Альдегиды

Алкоголь

0,03* 0,5*

0,1*

0,01*

27%

60%

87%

Препараты для дезинфекции

Thegodor 73 Альдегиды

Четвертичные

аммониевые

соединения

0,03* 0,5*

0,1*

0,01*

37%

63%

87%

*) мл/л; сmax = теоретически максимально достижимая концентрация в ферментаторе

Таблица 2.4: Влияние антибиотиков в корме животных, синтетических химических

препаратов и средств по дезинфекции стойл на образование метана при

длительных испытаниях (взято из [17]).

Из практики кормления жвачных животных известно, что для переваривания

пищи соотношение уксусная кислота-пропионовая кислота должно составлять 3:1.

Как правило этого достигают когда содержание сырых волокон в рационе сухой

массы достигает 18-20%. Если это соотношение не достигается, то у жвачных

животных начинается рубцовый ацидоз, а в биогазовых установках к задержке

развития бактерий и чрезмерного окисления. Эти данные можно считать

основополагающими.

Но все равно бактерии могут приспособиться к концентрации кислот,

поскольку бактерии имеют большую способность приспособлению. На практике

известно много установок, стабильно работающих с большой концентрацией кислот

и имеющих большую производимость газа. В таких случаях важной являлась

медленное и постепенное приспосабливание к новой среде.

• Сероводород

При разложении серосодержащих субстратов (преимущественно белки)

образовывается высокотоксичный практически для всех живых существ

сероводород (H

S). Уже при концентрации ниже lO.OOO-чной его можно

идентифицировать через неприятный запах тухлых яиц, если же концентрация

превышает вышеназванную, то запах исчезает, но газ остается высокотоксичным

(Табл. 2.5)! Такое ядовитое воздействие в ноябре 2005 г. Стоило многих

человеческих жизней, когда в приемное помещение биогазовой установки проникло

облако сероводорода. Газ имел свое происхождение не из установки, а из

подвозящей навоз машины.

Чем ниже уровень pH, тем выше процент H

S в субстрате и биогазе, и тем

выше токсический потенциал. Если содержание H

S в газе превышает 2.000 ppm

или 50 мг H

S в растворе, то стоит ожидать задержки развития бактерий. Риск тем

меньше, чем выше содержание расщепляемых углеродных соединений в субстрате

(эффект разбавления).

В серосодержащих субстратах могут появляться штаммы бактерий, которые

используют водород для образования сероводорода. Они будут конкурировать с

метановыми бактериями за водород. Таким образом уменьшается

метанообразование и образовавшийся сероводород сам сдерживает развитие

метановых бактерий.

2.13: Влияние уровня рН на концентрацию сероводорода и

на задержку развития бактерий.

Концентрация сероводорода в газообразном либо жидком виде в зависимости от

уровня рН.

Несмотря на это сера является важным питательным элементом субстрата,

поскольку она необходима для образования биомассы бактерий.

 Аммиак

Вследствие анаэробного разложения азотосодержащих субстратов (богатые на

протеин субстраты каковыми например являются клевер или птичий помет)

образовывается аммониум (NH

). Можно исходить из того, что около 50-60% от

общего содержания азота сохраняется в переброженном субстрате в виде

аммония-азота. Он в свою очередь пребывает в соотношении раствор

(диссоциация) с аммиаком (NH3

+ Н

= NH

), который является сильным ядом для

нервов и клеток. Его острый запах невозможно спутать с каким-либо иным. В этом

случае изменения на пользу ядовитого аммония зависят от уровня pH и

температуры субстрата. Если уровень pH высокий и температура высокая, то

баланс изменяется в сторону аммониака. Если pH = 7, то соотношение аммониум-

аммиак 99:1. При повышении уровня pH = 9, соотношение также меняется 70 : 30.

Кройс (1986) в лабораторных условиях доказал, что начиная с концентрации NH

г/л следует учитывать начальную задержку. Также он установил, что эффект

усилится при повышении температуры (Изобр. 2.14). Задержка часто происходит со

значительным пенообразованием.

Однако эти показатели не являются абсолютными. Как уже упоминалось раньше

бактерии привыкают к определенным концентрациям, так что существуют установки,

которые оптимально работают при содержании в субстрате 5 г аммониума-N и до

1,15 г аммиака-N, и у которых не наблюдается задержек (сравн. Раздел 13.2,

установка Вольфринг). Кроме этого через добавление углеводов в форме

волокносодержащего материала дополняется соотношение C/N и таким образом

противодействуют задержкам. Также уменьшение ежедневно подаваемого

количества субстрата имеет эффект разбавления и уменьшает тем самым нагрузку.

Понижение температуры в ферментаторе также приводит к снижению токсичности.

В случае повторной подачи переброженного материала риск отравления аммиаком

возрастает. Переброженный материал отличается небольшим соотношением между

C/N, тем самым эффект усиливается

Влияние сероводорода

Концентрация в

воздухе

в ppm (parts per

million)

1ppm=0,0001%

последствия

0,03-0,15 Восприятие органами осязания, запах испорченных яиц

15-75 Раздражение глаз и дыхательных путей, тошнота, рвота, головная боль,

потеря сознания

∆150-330

0,015-0,03%

Паралич нервов осязания

> 375

∆ 0,038%

Смерть от отравления (после многих часов)

> 750

∆ 0,075%

Потеря сознания и смерть от остановки дыхания на протяжении 30-40 минут

от 1000

∆ 0,1%

Быстрая смерть от остановки дыхания в течении нескольких минут

Таблица 2.5: Влияние сероводорода [69].

Аммоний пребывает почти весь в растворенном жидком виде, это позволяет

повторное использование материала после прохождения через фильтр. Все

вышеизложенные факты стоит учитывать при планировании и закладывании

размеров ферментатора.

Сдерживающее влияние из-за плохого качества субстрата и

заплесневелого материала

Биогазовые бактерии должны получать достаточное количество корма. Если

подаваемый субстрат плохого качества, то жизнедеятельность бактерий

прекращается. Это хорошо иллюстрирует пример (Изобр. 2.15). Можно

предположить, что не только плохое качество субстрата замедляет активность

бактерий, но и плесневые грибы выделяют токсины, замедляющие развитие

бактерий.

Сдерживающий эффект вторичных компонентов

Вторичные компоненты также могут сдерживающе влиять на биоценоз:

1. Серные соединения (среди прочего в теплицах для выращивания капусты, лука-

порея и репчатого лука)

2. Эфирные масла (корки цитрусовых, чеснок)

3. Щавелевая кислота (напр. в разных видах клевера)

4. Цианиды, танины и мн. др.

В первую очередь это происходит тогда, когда в установку подаются исключительно

перечисленные субстраты или преимущественно эти субстраты. Но возможным

является также привыкание путем медленного перехода на другой субстрат.

Сдерживающее влияние тяжелых металов

Токсичность тяжелых металлов зависит от их растворимости в воде,

которая в свою очередь зависит от уровня pH. Тяжелые металлы действуют на

энзимы клеточного обмена веществ и могут негативно влиять на жизнедеятельность

бактерий. При этом нету четкой границы между сдерживающим и токсическим

воздействием (Табл. 2.2). Это снова связано с высокой приспосабливаемостью

бактерий. Ионы тяжелых металлов становятся недееспособными, когда они

образовывают тяжело растворимые сульфиды металлов с H

S и выпадают в осадок

как твердое вещество. Для субстратов с большой концентрацией тяжелых металлов

(смотр. Коферментация), полезным будет провести анализ и сравнить

концентрацию веществ с Таблицей 2.2.

Стимулирующие процесс субстраты (легкоразлагающиеся субстраты,

энзимы)

Все чаще из опыта практиков мы узнаем, что применяя целенаправленно и в

ограниченном количестве легко разлагаемые субстраты, каковыми являются

отходы зерновых, свежая горчица или сахарная свекла, можно наблюдать эффект

быстрого разложения, при котором не образовываются толстые плавающие корки

(до 0,5 м). Этот эффект можно объяснить тем, что добавление легкоразлагаемых

субстратов приводит к оживлению и увеличению массы бактерий, которая потом

сможет лучше и быстрее разложить более тяжелый материал. Искусство

составления таких добавок состоит в том, чтобы не преувеличить питание, вызвав

таким самым образом переокисление, тоесть полностью противоположный эффект.

При рационе в 4 т силосной кукурузы, 4,8 т кукурузы и 3 т травяного силоса

целесообразно будет добавить 0,5 т отходов зерновых.