Технология метанового брожения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технология метанового брожения

1. Процессы биохимических превращений

Па первом этапе анаэробного сбраживания органических веществ путем биохимического расщепления (гидролиза) сначала происходит разложение высокомолекулярных соединений (углеводов, жиров, белковых веществ) на низкомолекулярные органические соединения. На втором этапе при участии кислотообразующих бактерии происходит дальнейшее разложение с образованием органических кислот и их солей, а также спиртов, СО₂ и Н₂, а затем Н₂Sи Окончательное бактериальное преобразование органических веществ в СО₂ и СН₄ осуществляется на третьем этапе процесса (метановое брожение). Кроме того, из СО₂ и Н₂ образуется в дальнейшем дополнительное количество СН₄ и Н₂0 (рис. 1).

Эти реакции протекают одновременно, причем метанообразующие бактерии предъявляют к условиям своего существования значительно более высокие требования, чем кислотообразующие. Так, например, они нуждаются в абсолютно анаэробной среде и требуют более длительного времени для воспроизводства. Скорость и масштабы анаэробного брожения метанообразующих бактерий зависят от их метаболической активности.

2. Факторы, влияющие на процесс брожения

Температура

Метаболическая активность и репродуктивная способность микроорганизмов находятся в функциональной зависимости от температуры. Таким образом, температура влияет на объем газа, который можно получить из определенного количества органического вещества в течение заданного времени, а также на технологическое время процесса брожения, необходимое для высвобождения при соответствующей температуре определенного количества газа (рис. 2).

В многочисленных более ранних работах названы два температурных предела (около 33° н 54°С), которым соответствуют наивысшие значения метаболической активности. Прерывистый характер протекания функции объясняется заменой мезофильного штамма бактерии на термофильный. Однако, согласно новейшим исследованиям, такая прерывистость не существует, а это означает, что с повышением температуры примерно до 54°С [62] условия для образования газа улучшаются. Микробиологическая активность почти прекращается, если температура падает примерно до 15°.

К перепадам температуры, в особенности к ее внезапным понижениям, микроорганизмы весьма чувствительны и реагируют на это снижением метаболической активности и способности к воспроизведению. Кроме того, температура влияет на качество газа. Так, при возрастании температуры было установлено снижение доли СН₄ в общем объеме выделяющихся газов (рис. 3).

Содержание (кислот, рН, буферные свойства (щелочность)

Так как метаболическая активность и уровень воспроизводства метановых бактерий ниже, чем кислотообразующих, при нарастании количества образующихся органических веществ может получиться избыток летучих кислот, который снижает активность метановых бактерий, как только значение рН опустится ниже 6,5. Обычно величина рН благодаря буферным свойствам субстрата при неравномерном образовании кислот поддерживается на постоянном уровне. Эти свойства проявляются путем образования карбонатов в количествах, превышающих количество выделившегося при брожении С0₂.

В качестве оптимальных значений могут быть названы:

- щелочность 1500…5000 мг СаСОз на 1 л субстрата;

- рН 6,5…7,5;

- содержание летучих кислот 600…1500 мг на 1 л субстрата.

Признаки нарушения процесса анаэробного сбраживания:

- снижение щелочности;

- уменьшение величины рН;

- возрастание содержания летучих кислот;

- увеличение доли С0₂ в выделяющемся газе;

- снижение выхода газа.

Ингибиторы

К веществам, которые в слишком большой концентрации препятствуют жизнедеятельности микроорганизмов, относятся прежде всего тяжелые металлы и их соли, щелочные металлы, щелочноземельные металлы, аммиак, нитраты, сульфиды, детергенты, органические растворители, антибиотики.

В таблице 4 для некоторых веществ приведены значения концентрации, которые ведут к существенному замедлению метанообразования. Для детергентов, органических растворителей и антибиотиков не имеется точных данных о критических значениях концентрации. Однако в литературе указывается, что эти вещества даже в самых незначительных количествах препятствуют процессу брожения.

Предпосылкой беспрепятственного размножения бактерий служит наличие питательной среды, которая содержит как углерод и кислород для обеспечения этого процесса энергией, водород, азот, серу и фосфор - для образования белка, так и щелочные металлы, железо и микроэлементы.

При этом активность микробной реакции в значительной мере определяется соотношением углерода и азота. Наиболее благоприятные условия соответствуют значениям СДО -10…16.

Если в исходном субстрате углеводов больше, чем белковых веществ, то образуется мало аммонийного азота. Вследствие этого выделяется меньше СН₄ и больше Н₂ и С0₂, что ведет к увеличению выхода кислот, снижению рН и тем самым к дальнейшему уменьшению интенсивности метанового брожения. С другой стороны, избыток белка и аминокислот обусловливает возрастание значения рН более 8, что также приводит к затуханию процесса метанообразования.

Состав газа

Количество и состав газа, образующегося в результате полного разложения органического вещества, зависит от соотношения С:Н:0:N в исходном материале и от температуры процесса брожения. Из важнейших соединении, входящих в состав органического вещества, жиры обусловливают наибольший выход газа с высоким содержанием СН₄, белковые вещества - немного меньший, но тоже с высоким содержанием СН₄, и углеводы-относительно мало газа с наименьшим содержанием СН₄.

Средний состав газа, который можно получить из экскрементов животных при оптимальной температуре брожения 34°С соответствует соотношению СН₄/С02=2.

Концентрация твердых частиц

Предпосылкой высокой интенсивности реакции служит беспрепятственный обмен веществ на граничных поверхностях фаз, который должен поддерживаться непрерывным обновлением этих поверхностей благодаря перемешиванию субстрата. Однако это можно обеспечить только в том случае, если вязкость субстрата допускает свободу перемещения жидкости, взвешенных твердых частиц, в особенности бактерий, и пузырьков газа. Верхняя граница концентрации твердых частиц, при которой еще возможно свободное перемещение фаз, для субстрата с мелкодисперсной взвесью твердых веществ соответствует 10…12%. При больших значениях выход газа значительно уменьшается. Путем интенсивного перемешивания и соответствующего подвода энергии нежелательный эффект можно существенно ограничить.

Состав исходного материала

Среди остатков и отходов сельскохозяйственного производства наиболее богаты необходимыми для метанового брожения питательными веществами экскременты животных. Однако они очень различаются между собой как по наличию отдельных компонентов (рис. 4), так и по химическому составу в зависимости от того, о каком виде животных идет речь и какой корм эти животные потребляют (табл. 5). Кроме того, отходы животноводства в зависимости от способа содержания животных могут включать в себя самые различные количества воды, подстилочного материала и остатков корма.

Если подвергаемый сбраживанию исходный субстрат содержит, кроме стойлового навоза, другие растительные остатки, следует обращать особое внимание на их состав (табл. 6).

При этом прежде всего нужно учитывать характерное для определенных условий высокое содержание лигнина, который практически не разлагается микробами и, следовательно, не принимает участия в процессе газообразования. По этой причине выход газа из экскрементов жвачных животных, которые нуждаются в кормах с высоким содержанием сырой клетчатки, значительно меньше, чем из экскрементов кур и свиней. Хотя путем механического, химического или теплового воздействия лигниновые комплексы можно сделать доступными для биохимического разложения, связанные с этим расходы делают упомянутые методы неприемлемыми для сельскохозяйственного производства.

Для сбраживания растительных материалов с высоким содержанием способных к разложению соединений углерода необходимо добавление богатых азотом веществ, например куриного помета или свиного навоза, чтобы получить соотношение C/N в пределах, требуемых для беспрепятственного протекания процесса брожения.

3. Размеры твердых частиц

Активного обмена веществ и высокой скорости биохимических обменных процессов можно достигнуть если поддерживать и непрерывно обновлять максимально возможную величину граничных поверхностей между твердой и жидкой фазами. Поэтому твердые материалы, в особенности растительного происхождения, должны быть предварительно подготовлены с помощью режущих, разрывающих или плющильных устройств, чтобы в результате эффективного механического воздействия на куски стеблей и соломы получить частицы возможно меньшего размера. Доля взвешенных в жидкости твердых частиц в значительной мере зависит от технических средств, которые используются для получения тщательного перемешивания, гидравлического транспортирования субстрата и отделения газа. Современный уровень развития техники позволяет перерабатывать в сельскохозяйственных биогазовых установках субстраты с содержанием твердых веществ до 12%, если длина частиц отдельных волокнистых и стеблевидных твердых компонентов не превышает 30 мм. В принципе органические вещества можно сбраживать и в твердой фазе, если иметь достаточно влажную среду. Однако сбраживание твердых веществ практически не получило промышленного значения, поскольку в твердой фазе нельзя обеспечить перераспределение и взаимное перемешивание бактерий и субстрата, а также удовлетворительный отвод газа.

Твердые вещества, плотность которых существенно выше, чем жидкости, обусловливают образование осадка (седиментацию) или плавающей корки, чему способствует флотация. Возникающие в связи с этим механико-гидравлические проблемы и ухудшение процесса газообразования могут привести к тому, что для устранения подобных нарушений потребуются более высокие затраты технических средств и энергии. Эти трудности можно исключить, если упомянутые вещества перед подачей в реактор отделить от субстрата с помощью механического сепаратора. Однако это приводит к соответствующему уменьшению выхода газа.

4. Максимальный выход газа

По вопросу о том, какое количество газа может быть выделено из различных сельскохозяйственных отходов, остатков и их смесей при оптимальных условиях сбраживания, имеются весьма разноречивые данные, что объясняется разнообразием состава субстрата. Поэтому мы не можем здесь привести приемлемые для всех условий данные о максимально возможном выходе газа.

Если отнести выход газа, возможный при температуре процесса около 32°С, к количеству разложившейся органической массы, то соответствующие значения будут лежать в пределах У_Общ=0,8…1,0 м³ на 1 кг разложившейся органической массы.

Напротив, выход газа, отнесенный к единице закладываемой в реактор органической массы, будет находиться в интервале У_общ = 0,4…0,6 м³ на 1 кг внесенной в реактор органической массы. Таким образом, в зависимости от доли способной к сбраживанию органической массы в реакторе разлагается лишь 40…50% всей закладываемой в него органической массы.

Соотношение количеств газа, которые могут быть выделены из органического вещества жидкого навоза дойных коров (Д), бычков на откорме (Б), свиней (С) и кур (К) в процессе брожения при температуре 33°С, в первом приближении можно принять равным Д:Б:С:К=5:7:8:10.

Для выделения определенного количества газа из различных органических материалов требуется специфическая для каждого из них продолжительность процесса брожения, причем выход газа в единицу времени сначала резко увеличивается, а затем по достижении максимума постепенно уменьшается. Полученные при этом суммарные кривые для типичных объектов брожения представлены на рисунке 5.

Из рисунка следует также, что трава, содержащая много белковых веществ, обладает высокой скоростью реакции и дает большой выход газа, в то время как солома и экскременты откармливаемых бычков из-за значительной доли лигнина сбраживаются гораздо медленнее и выделяют меньше газа. Это также хорошо видно из таблицы 7, в которой приводятся данные о возможных значениях выхода газа и о продолжительности процесса, необходимой для полного сбраживания типичных сельскохозяйственных материалов.

О повышении выхода газа при увеличении температуры процесса (до 54°С) уже говорилось выше.

5. Особенности технологии

Практически достижимый в промышленной установке выход газа зависит от многочисленных факторов, влияние которых, обусловленное конструкцией установки и производственными условиями, может быть самым различным. В дополнение к уже названным в разделе факторам существенное значение имеют:

- загрузка рабочего пространства (количество загружаемой органической массы, приходящееся на единицу времени и единицу чистого объема реактора);

- технологическое время цикла брожения (время пребывания в реакторе закладываемой в него органической массы);

- интенсивность перемешивания.

биохимический брожение биогазовый метановый

6. Загрузка рабочего пространства

При непрерывном или квазинепрерывном технологическом процессе сбраживания наибольшая интенсивность разложения получается в том случае, если количество органического вещества, которое добавляется в единицу времени к находящемуся в реакторе субстрату, соответствует уже разложившемуся к данному моменту количеству органического вещества.

Добавление больших партий массы ведет к получению менее разложившегося субстрата и, следовательно, к меньшему выходу газа, добавление меньших партий - к худшему использованию рабочего объема реактора.

Если реактор, работающий в дискретном режиме, заполнять слишком быстро, то нарушается соотношение между имеющимся количеством активных бактерий и массой питательных веществ, вследствие чего обмен веществ также не может протекать оптимальным образом, и соответственно выделяется меньше газа в единицу времени и на единицу массы органического вещества. Судя по данным, которыми мы сейчас располагаем, наибольший выход газа из экскрементов различных сельскохозяйственных животных при условии хорошего перемешивания и небольшой вязкости субстрата может быть получен при значениях загрузки реактора.

7. Технологическое время брожения (время пребывания массы в реакторе)

Потребность во времени, необходимом для полного сбраживания массы, как правило, очень большая, что соответственно должно было бы привести к применению реакторов больших размеров. Поэтому, исходя из экономических соображений, несколько укорачивают время.

Выбор продолжительности пребывания массы в реакторе зависит, с одной стороны, от скорости реакции, присущей каждому конкретному виду сбраживаемого материала, с другой стороны, от заданной степени разложения, которая определяет выход газа и ослабление интенсивности запаха перебродившей массы. Кроме того, следует учитывать, что с увеличением времени брожения увеличивается содержание СН₄ в общем объеме выделяющегося газа и одновременно уменьшается содержание СО₂, что означает улучшение качества получаемого газа.

Таким образом, для выбора оптимального времени пребывания массы в реакторе тоже нельзя дать универсальных рекомендаций. Ориентировочные данные приведены в таблице. Довольно большое время пребывания в реакторе куриного помета обусловлено относительно высоким содержанием аммиака. Отметим, что данные таблицы 8 справедливы лишь для хорошо перемешанных субстратов в реакторах, работающих по проточному принципу. Продолжительность брожения «в условиях прерывистого производства газа, по современным данным, примерно на 20…25% дольше.

8. Интенсивность перемешивания

Интенсивным перемешиванием содержимого реактора достигается контакт бактерий с субстратом вследствие постоянной перемены ориентации и обновления граничных поверхностей отдельных фаз, а также затрудняется накапливание промежуточных и конечных продуктов процесса разложения. Будучи основной предпосылкой высокой скорости реакции, перемешивание способствует также равномерному распределению питательных веществ в объеме реактора. В то же время оно препятствует образованию осадка и плавающей корки и обеспечивает перемещение массы в реакторе.

Размещено на Allbest.ru