Барбара Эдер, Хайнц Шульц. Биогазовые установки. Практическое пособие
Подождите немного. Документ загружается.
Во все времена, также сегодня продаются добавки для биогазовых установок,
которые согласно информации производителей стабилизируют процесс, ускоряют
время брожния и повышают степень разложения, а также значительно повышают
производство газа. Не подлежит сомнению тот факт, что такие субстраты есть и есть
технологии, способные поддержать анаэробное разложение и работу бактерий.
Например энзимы (напр. целлюлаза) или термическая ультразвуковая обработка
(разогрев до 70°C) может помочь раскрыть тяжелоразлагающиеся структуры и этим
самым сделать их доступнее для бактерий. Добавление силикатов или глиняных
минералов повышает поверхность расселения бактерий и таким самым образом
повышает степень разложения. Также добавление микроэлементов, в случае их
недостатка, может привести к повышению активности жизнедеятельности бактерий.
Возрастание степени разложения или газопроизводства указывается разными
производителями от 10 до 25%.
2.15: Задержки вызванные заплесневелым материалом
К сожалению, до сегодняшнего дня нет научных результатов сравнений
действительно и какие именно субстраты могут это сделать, как это обещается и как
именно они действуют.
Биогазовый союз восточной Баварии (Вальтер Даннер) на протяжении зимы
2003/2004 гг использовал и проверял целлюлазу. Хотя значительного возрастания
производства газа и не наблюдалось, но субстрат разлагался лучше и меньше
образовывалась плавающая корка, что сокращало затраты на перемешивание и
перекачивание. Для практики целесообразно, рассчитать, насколько выгодно
использовать повышающие производимость газа средства. Если средство окажется
дороже чем выгода от повышения производства газа или электричества, то
относительно неинтересно использовать такие средства. В противном случае есть
возможность проверить средство на протяжении как минимум двух периодов
брожения и купить только после успешных результатов. При этом следует обратить
внимание, чтобы выдерживался обычный рацион и способ его подачи, чтобы
действительно измерить эффект средства.
2.3 Субстраты и их влияние на процесс разложения
Составление субстрата и стабильность процесса
Каждый субстрат, корм, продукты питания, биоотходы или органические
отходы, состоят из групп веществ, перечисленных на Изобр. 2.16. При оценке
субстрата следует учесть, что только из сухой массы, и в этом случае, только из ее
органической части можно произвести метан. Поэтому содержание органической
сухой массы в соотношении с общей массой является первым критерием для
выбора составляющих смеси субстратов. Поэтому не удивительно, что количество
добытого газа из 1 тонны (единица измерения) зерна в несколько раз выше чем при
использовании силоса из целого растения либо барды, которые содержат
значительно большее количество воды, из которой нельзя образовать газа (смотр.
также Таблицу 2.6).
Содержание воды в разных видах субстратов
Содержание в %
Барда 90 - 94
Сухой фураж, зерновые 12 - 15
Зеленый корм, корни, клубни 75 - 85
Промышленный корм 10 – 15
Силос 80
Сухая зеленая масса 5 – 12
Сенаж 60 - 70
Таблица 2.6: Содержание воды в разных видах субстратов
Неорганический компонет, называемой в аналитических материалах также сырым
пеплом, состоит из песка, земли, камней, металлической стружки от
перерабытывающих машин и похожих веществ, попадающих в собранный урожай и
навоз, либо в органические отходы. Такие составляющие нежелательны для
процесса выработки биогаза, поскольку из них нельзя добыть биогаз и, кроме того,
они приводят к техническим проблемам как-то их оседание. Свекла, например,
содержит большое количество такой фракции.
Органическое вещество состоит из протеина, жиров, а также легко и тяжело
разлагаемых углеводов.
Жиры являются разновидностью трехзначного алкоголя гдицерина, к которому
прикрепляются от одной до трех одинаковых либо разных жирных кислот
(карбоновых кислот). Их называют соответственно моно-, ди- или триглицеридами.
Жиры являются постоянными смесями разных триглицеридов и разлагаются на
жирные кислоты и глицерин. Слишком большое количество жира приводит к
накоплению органических кислот, поэтому снижается уровень pH и замедляется
образование уксусной кислоты и метана.
Протеины (белок) являются сложномолекулярными, состоящими из
аминокислот, соединениями. Они, также как и углеводы и жиры, состоят из углерода
С, водорода Н, кислорода О, но кроме этого содержат азот, серу, фосфор. Протеины
разлагаются на пептиды, потом – аминокислоты, и под конец на органические
кислоты. Для разложения белка и жира состав рациона не имеет значения по
сравнению с разложением углеводов.
В группе углеводов различают легко поддающиеся разложению и смешанные
углеводы с очень разветвленной и сложной структурой, которые очень тяжело
переваривать:
Моносахариды: сахар, глюкоза, фруктоза
Олигосахариды (до 10 моносахаридов): сахароза (сахар сырец), лактоза
(молочный сахар), мальтоза (солодовый сахар)
Полисахариды (с большой молекулярной массой): крахмал, гликоген,
целлюлоза, инулин
Гетерополисахариды (смешанные углеводы со сложной структурой):
гемицеллюлоза, пектины, лигнин – собствнно не является углеводом, но
зачисляется аналитиками в группу углеводов. Он являет собой
одеревянелое вещество растений и стойкий к разлагающему воздействию
бактерий и кислотам. Принято считать, что лигнин не переваривается.
Углеводы расщепляются бактериями на простой сахар и разлагаются до низких
жирных кислот (уксусная, масляная, пропионовая). Количество образовавшихся
кислот и процент содержания каждой отдельной кислоты зависит от состава
углевода. Из процесса переваривания у жвачных парнокопытных (их желудок
представляет собой не что иное как биогазовую установку с очень коротким
периодом брожения, Табл. 2.7) мы знаем, что багатые на крахмал и сахар субстраты
ведут к возрастанию содержания пропионовой и масляной кислоты, в то время как
целлюлоза, также багатый на волокна субстрат, меняет состав жирных кислот в
сторону доминирования уксусной кислоты. Кроме того состав углеводов определяет
уровень рН и количество живых микроорганизмов. Если пища содержит много
крахмала и сахара, уровень рН уменьшается, уступая кислотной среде, количество
бактерий быстро увеличивается. Это приводит к еще более быстрому разложению
углеводов и возможному переокислнию ферментатора.
2.16: Распределение субстратов на группы протеинов, жиров и углеводов по
Кирхгесснеру.
Уровень рН снижается. Увеличивается количество бактерий, образующих
пропионовую кислоту, а образующих уксусную наоборот уменьшается. Таким
образом замедляется образование уксусной кислоты как исходного материала для
метана. Жвачные животные в таких случаях оказываются от дальнейшего приема
пищи (рубцовый ацедоз), но биогазовая установка не страдает.
При использовании субстратов с очень большим содержанием сахара или
углеводов, каковыми например являются зерна пшеницы, кукурузы или сахарная
свекла, то стоит особенно тщательно следить за подачей этих материалов. Это
наверняка одна из причин, почему на практике не получило большого
распостранения чистое использование зерновых или сахарной свеклы.
Обслуживание такого процесса на обычных одноступенчатых установках является
просто слишком дорогостоящим.
Влияние соединений углеводов на бактерии, уровень рН, скорость
разложения и соединения из жирных кислот
Относительное содержание в рационе
Содержащие
целлюлозу
Содержащие
крахмал
Содержащие
сахар
Содержание
микроорганизмов
Относительно
низкое
Относительно
высокое
Относительно
низкое
Уровень рН Высокий (6,5) Низкий (5,7) Очень низкий (5,1)
Разложение медленное быстрое очень быстрое
Образцы жирных
кислот
Уксусная кислота высокое низкое Низкое
Пропионовая
кислота
низкое средневысокое высокое
Масляная кислота низкое средневысокое высокое
Таблица 2.7: Влияние соединений углеводов на бактерии в желудке жвачных
животных, уровень рН, скорость разложения и образование жирных кислот
(составлено по материалам Кирхгесснера, 1987 г.).
2.17: Влияние групп веществ на количество и качество биогаза [78].
Влияние субстрата на количество биогаза и образование биогаза
Точно в соответствии с процентом веществ каждой группы: протеинов, жиров
и углеводов определяется выход газа и процент метана в биогазе (Изобр. 2.17).
2.18: Выход газа с разных видов субстратов. Источник: разн. авторы [109].
Максимальное количество метана в биогазе получаем из протеинов – 71%;
жиры также дают газ высокого качества с содержанием метана 68%. Хуже всего
результаты у углеводородов – лишь 50% метана в газе. Хотя углеводы вцелом
вырабатывают на 90 литров больше биогаза чем протеины, из-за малого
содержания метана, выход ограничивается лишь 400 литрами метана на кг
органического сухого вещества. Сырой жир вырабатывает до 850 литров метана с
килограмма сухого органического вещества – самый высокий выход метана, в то
время как сырой протеин дает 490 литров метана из килограмма органического
сухого вещества. Если исходить исключительно из выхода газа, предпочтение стоит
предавать смесям субстратов с высоким содержанием жиров и протеинов.
Таким образом четко видно, что нет единого показателя выхода газа. В случае
изменения состава смеси субстрата, колеблется также и выход газа и его качество.
Эта взаимозависимость отображена в больших колебаниях в данных по выходу газа
для одного и того же субстрата (Изобр. 2.18).
2.4 Характеризующие процесс параметры
Загрузка бродильной камеры
Под загрузкой бродильной камеры имеется ввиду то количество органической
сухой субстанции, которая ежедневно будет подаваться в ферментатор. Обычно она
указывается в килограмах органического сухого вещества на м³ обьема
ферментатора в день. Размер возможной загрузки бродильной камеры зависит в
первую очередь от выбраной температуры ферментирования и времени брожения.
Чем ниже температура и чем дальше время брожения, тем больше может быть
степень загрузки ферментатора, тем більше органики может быть внесено.
Загрузка бродильной камеры в зависимости от вида установки можно
повысить до максимального уровня. Чем выше загрузка бродильной камеры, тем
больше риск достичь граничних показателей разлагающих бактерий и
тем самым
перегрузить процесс. Поэтому надо особенно внимательно относиться к
работающим установкам, которые полностьюб загружены рабочим материалом.
На практике часто встречается загрузка ферментатора в 2-3 кг органического
сухого вещества/м³ в день. Необходимо наблюдать не началось ли уменьшение
выхода газа вследствие задержки развития бактерий. Если загрузка камеры для
брожения составляет 4-5 кг органического
сухого вещества, то производительность
бактерий падает, что приводит к падению производства газа. Система считается
перегруженной. В то время как нагрузка 1 кг органического сухого вещества/м³
проблем никаких не составляет.
Загрузка ферментатора выступает контрольным параметром загруженности
установки. Ее уже надо учитывать при планировании и разработке параметров
установки!
Проточным ферментаторам, выполненным в лежащей, горизонтальной форме из-за
их вида приписывают намного большую нагрузку; в литературе можно найти данные
до 10 кг органического сухого вещества/ м³ в день и более. Но при таком количестве
надо быть осторожным! Если внимательно посмотреть на такую конструкцию, то мы
увидим, что за ферментатором устанавливается еще дображиватель, собственно
для увеличения бродильной камеры, тем самым уменьшая загрузку ферментатора.
Для горизонтальных установок также, в котрых часть переброженого материала
перемешивается со свежей порцией субстрата, следует учитывать разбавление
субстрата. Из-за смешивания свежего и переброженого материала, он разбавляется
и уменьшается содержание органического сухого вещества в общей массе.
Часто однако указывают лишь содержание внесенного материала как загрузку
бродильной камеры.
Независимо от формы ферментатора, рекомендуется загружать Ферментатор
меньше чем на 4 кг органического сухого вещества на м³ в день.
Загрузка бродильной камеры Br вычисляется из ежедневно подаваемого количества
субстрата, умноженного на процент органического вещества субстрата, разделенное
на общий объем ферментатора (смотр. пример Таблица 2.8):
Br = кг орган. СВ, подаваемого в день на м
3
объема ферментатора
При данном объеме ферментатора падает время брожения, если
увеличивается количество ежедневно подаваемого субстрата.
Вследствие этого бактериям остается меньше времени на разложение материала и
в худшем случае из установки будет выходить неперевареный материал. Нагрузка
бродильной камеры и время брожения должны быть поэтому согласованы между
собой.
Время брожения
Гидравлическое время брожения – это время, которое субстрат теоретически
пребывает в ферментаторе. Для ферментаторов с полным смешиванием оно
является рассчитываемой средней величиной. Для ферментатора, в котором
продвижение субстрата происходит как движение единой пробки (тромба),
теоретическое время более точно соответствует фактическому времени брожения,
поскольку исходят из того, что большая часть внесенного субстрата проталкивается
через весь ферментатор как одна пробка. Поэтому одни и те же субстраты требуют
в системе полного смешивания более длительного времени брожения чем в
системах горизонтального протекания.
Время брожения субстрата в ферментаторе рассчитывется исходя из
разлагаемости субстрата. Легко разлагаемые требуют более короткого времени
нежели тяжело поддающиеся разложению субстраты (Изобр. 2.4).
В качестве единицы измерения для минимального времени разложения в
ферментаторе служит время генерации соответствующего вида бактерий. Потому
что если время для брожения будет выбрано настолько коротким, что они не успеют
удвоить своей бактериальной массы, то соответственно теряется и нетто масса
бактерий в ферментаторе и падает газообразование. Вот некоторые группы
бактерий для удвоения своей бактериальной массы требуют до 10 дней (смотр.
Изображение 2.3), тоесть этот промежуток времени и является нижней границой
необходимого времени для брожения.
Пример расчета загрузки ферментатора
Установка получает ежедневно 6 м³ силосной кукурузы, 8 м³ твердого гноя быков, 6 м³ травяного силоса и
0,5 т зернового шрота.
Ферментатор и дображиватель имеют объем 800 м³ каждый, это значит, что можно эффективно
использовать 1600 м³ ферментатора.
Вначале необходимо субстрат с единиц объема перевести в единицы веса, потом сделать пересчет из
сежей массы в сухую, после чего следует пересчитать в органическую сухую массу:
В тонне гноя около 25% сухого вещества, все остальное вода
25% от 4,8 т гноя быков – это 1,2 т сухой массы, 80% из которой является органической сухой
массой, все остальное – зола, минералы, осколки камней и т.д.
80% из 1,2 т – это 960 кг
.
Из фактически поступивших 4800 кг гноя лишь из 960 кг можно получить газ, поскольку только они
содержат органические вещества. Все остальное, это вода и неорганические, минеральные компоненты
гноя.
Аналогично можно производить расчеты для других субстратов.
Внесенный
субстрат
м³/d
Специф.
Плотность
кг/м³
Внесенная
свежая
масса
кг/d
Содержание
сухого
вещества
%
Внесенное
сухое
вещество
кг/d
Содержание
орган. СВ
%
Внесенное
орган.СВ
кг/d
Загрузка
ферментатора
кг
орган.СВ/м³хd
Навоз 8 600 4800 25 1200 80 960 0,60
Силосная
кукуруза
6 650 3900 30 1170 94 1100 0,69
Травяной 6 500 3000 40 1200 89 1068 0,67
силос
Зерновой
шрот
0,7 700 500 87 440 98 426 0,27
Общий результат (сумма) 3554
2,2
Ферментатор установки можно загружать в целом 2,2 кг орган.СВ/ м³хd.
Таким образом, ферментатор имеет среднюю загрузку, которую в случае необходимости можно
повысить.
Таблица 2.8: Пример расчета загрузки ферментатора
Верхняя граница времени для брожения определяется техническим и
экономическим видением. Настает такой момент, когда количества вырабатывемого
газа так мало, что увеличение объма ферментатора будет дороже чем добытый газ.
Время брожения субстрата в ферментаторе вместе с температурой брожения имеет
большое влияние на степень разложения, выход газа и добычу газа. Краткое время
брожения приводит к сильному фугасному действию (в соотношении на м
3
бродильной камеры), поскольку в первую очередь разлагаются легко поддающиеся
субстраты. Но если посмотреть на все количество подаваемого органического
субстрата, то короткое время брожения связано с плохим выходом газа (в
отношении к кг oрган.СВ) и с незначительной степенью разложения. При
длительном времени разложения, наоборот увеличиваются добыча газа и степень
разложения, а фугасное действие на м
3
ферментатора уменьшается. Влияние
времени брожения на добычу газа, в отношении на количество органической сухой
субстанции, показано на Изобр. 2.19. Из него четко видно, что существует большая
разница между субстратами, происходящими от разных животных. Птичий помет в
термофильном режиме уже при 30 днях брожения считается значительно
„потерявшим свои газообразующие свойства", в то время, как жидкий навоз скота и
свиней для этого требуют около 40 дней, а твердый навоз - 50 дней. Далее по
изменению кривой видно, что больше всего газа образуется на начальном этапе
брожения, в то время, как на конечном этапе лишь небольшое количество. На
практике отказываются от самых последних стадий с незначительным процентом
добычи газа.
Похожая зависимость при брожении энергетических растений и других
органических остатков.