АНАЭРОБНОЕ БРОЖЕНИЕ

Основные стадии процесса можно кратко определить следующим образом:

1. ГИДРОЛИЗ:

Стадия гидролиза оказывает наибольшее влияние на совокупную скорость системы. Этот первый этап брожения обеспечивается как анаэробными, так и факультативными бактериями. Гидролиз органических макромолекул производится экстраклеточными энзимами, вырабатываемыми этими бактериями.

Процесс разрушения органического вещества, ведущий к образованию биогаза, можно кратко описать в следующем обзоре

Газ, получаемый в процессе биологического брожения органического вещества, обеспечиваемого совокупностью анаэробных бактерий, - это газообразная смесь, состоящая в основном из метана и углекислого газа, с незначительным содержанием других газов.

  CH4 (% in vol.)
Испражнения КРС 50-60
Испражнения свиней 65-75
Испражнения птиц 65-75
Свалки 30-40

 

 

РОД БАКТЕРИИ
НАПАДАЕМЫЙ СУБСТРАТ
Methanobacterium
Formicicum муравьиная кислота, окись углерода, водород
Soehngenii уксусная кислота, масляная кислота
Ruminantium водород, углекислый газ, муравьиная кислота
Mobile водород, углекислуй газ, муравьиная кислота
Methanococcus
Mazei уксусная кислота, масляная кислота, ammine metilate
Vannielil муравьиная кислота, водород
Methanosarcina
Methanica уксусная кислота, масляная кислота
Barkerii метанол, уксусная кислота, водород
  окись углерода, ammine metilate
Род TM метанол, уксусная кислота, ammine metilate

 

В процессе участвуют следующие группы бактерий:

- гидролитические бактерии, которые разлагают биоразлагаемые макромолекулы, превращая их в более простые вещества;

- ацетогенные бактерии, использующие в качестве субстрата постые органические соединения, произведенные гидролитическими бактериями; в результате жизнедеятельности этих бактерий высвобождаются органические кислоты с короткой углеродной цепочкой, которые, в свою очередь, представляют собой питательный субстрат для других групп бактерий;

- ацетогенные бактерии, производящие в обязательном порядке водород (OPHA: Obbligate Hydrogen Producing Acetogens), которые в качестве питательного субстрата используют продукты жизнедеятельности ацетогенных бактерий, в результате чего мы получаем уксусный эфир, водород и углекислый газ;

- гомоацетогенные бактерии, синтезирующие уксусный эфир из углекислого газа и водорода;

- метаногенные бактерии, которые подразделяются на две группы:

ацетокластические бактерии: они производят метан и углекислый газ,

гидрогенотрофные метаногены: производят метан из углекислого газа и водорода, называемые также гидрогенотрофы.

В то время, как метан из-за своей слабой растворимости почти полностью высвобождается в газообразном виде, углекислый газ участвует в уравновешивании карбонатов, содержащихся в биомассе, подвергающейся реакции. Взаимодействие различных видов бактерий является очень тесным, и продукты метаболизма отдельных бактерий могут использоваться как питательный субстрат или как фактор роста и размножения другими бактериями.

В то время, как метан из-за своей слабой растворимости почти полностью высвобождается в газообразном виде, углекислый газ участвует в уравновешивании карбонатов, содержащихся в биомассе, подвергающейся реакции. Взаимодействие различных видов бактерий является очень тесным, и продукты метаболизма отдельных бактерий могут использоваться как питательный субстрат или как фактор роста и размножения другими бактериями.

СРЕДНИЙ СОСТАВ БИОГАЗА

БИОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

Метановое брожение – это сложный биологический процесс, в результате которого органическое вещество при отсутствии кислорода превращается в биогаз (биологический газ), который состоит в основном из метана и углекислого газа. Процент содержания метана в биогазе меняется в зависимости от типа перебродившего органического вещества и от условий биологического процесса, составляя минимум около 50% и максимум около 70%.

Для того, чтобы биологический процесс состоялся, необходима работа различных групп микроорганизмов, способных переработать органическое вещество в промежуточные соединения, в основном, в уксусную кислоту, углекислый газ и водород. Эти вещества, в свою очередь, перерабатываются метанобразующими бактериями, которые завершают процесс, вырабатывая метан.

Анаэробные микроорганизмы отличаются низкой скоростью роста и низкой скоростью реакции, поэтому необходимо обеспечить, по возможности, наболее оптимальные условия среды, в которой будет происходить реакция. И даже несмотря на эти меры, время завершения указанного биологического процесса достаточно долгое по сравнению с другими биологическими процессами. Несмотря на все это, явное преимущество этого процесса заключается в том, что сложное органическое вещество преобразуется в метан и углекислый газ, то есть в конечном итоге мы имеем дело с возобновляемым источником энергии в форме горючего газа с высокой теплотворной способностью.

Среда, в которой происходит реакция, обычно обеспечиваемая блоком диджестора (или анаэробным реактором), для того, чтобы обеспечить одновременный рост всех типов микроорганизмов, должна представлять собой некий компромисс, учитывающий потребности отдельных микробных групп. Например, оптимальный показатель рН составляет приблизительно 7/7,5, при этом оптимальная температура биологического процесса для мезофильных бактерий составляет приблизительно 40°С, а для термофильных бактерий этот показатель будет составлять приблизительно 55°С.

БИОГАЗ: что это такое?

Биогаз получается в процессе разложения органических веществ посредством метанового брожения в отсутствие кислорода.

Оптимальная температура процесса составляет приблизительно 35-42°С (мезофильный режим).

2. ОКИСЛЕНИЕ:

На данном этапе из продуктов гидролиза производятся летучие органические кислоты. Во время этой стадии факультативные анаэробные кислотообразующие бактерии образуют уксусную, пропионовую и масляную кислоты. Из этих промежуточных соединений в дальнейшем образуются альдегиды, спирты, углекислый газ и водород.

 

3. ГАЗООБРАЗОВАНИЕ:

Этап газообразования можно условно подразделить на две основные стадии:

- во время первой стадии происходит преобразование продуктов окисления в аммиакаты, аммиак, кислые карбонаты, углекислый газ, метан, водород, азот, меркаптаны, индол, скатол и сероводород.

- вторая стадия характеризуется преобразованием химических соединений, полученных во время первой стадии, в метан и углекислый газ.

ПРИМЕЧАНИЕ: ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ПРОЦЕССА В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ ТРИ СТАДИИ 1 – 2 – 3 ПРОТЕКАЮТ ОДНОВРЕМЕННО, И МЕЖДУ НИМИ СОЗДАЕТСЯ СВОЕГО РОДА ДИНАМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ.

ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА ЖИДКОГО НАВОЗА НА ОБЪЕМ ПРОИЗВОДСТВА БИОГАЗА

Общий уровень биоразложения жидкого навоза, рассматриваемого на этапе резервуара для жидкого навоза или канализации помещений для содержания скота может колебаться в пределах от 60 до 80%, в зависимости от возраста навоза и от типа питания животных.

Дополнительная классификация биоразлагаемых фракций позволяет выделить в растворимой фракции растворенную подфракцию, которая может быть подвергнута биологическому разложению без предварительной подготовки (около 20% от общего содержания ТБВ), а также подфракцию, биологическое разложение которой происходит медленнее; при этом взвесь можно также подразделить на две подфракции: взвесь, легко подвергающуюся гидролизу, и взвесь, гидролиз которой проистекает более медленно.

Данные, полученные в результате проведения продолжительных лабораторных испытаний при работе анаэробного реактора в эксплуатационном режиме, с ограничением времени гидравлического воздействия, показывают уровень переработки органических веществ в биологический газ в пределах от 70 до 90% при максимальной способности к разложению микроорганизмами в состоянии жидкого навоза. Низкий уровень выхода биогаза может быть обусловлен низкими температурами процесса, слишком непродолжительным сроком размачивания органического вещества (или повышенным содержанием органических веществ) при соблюдении температурных параметров рабочего процесса, несбалансированности гидродинамических взаимодействий в реакторе с образованием мертвых зон и формированием обводных потоков от входа к выходу.

Дополнительное снижение содержания органических веществ, которые могут быть переработаны в биогаз, может быть связано с проведением операций по предварительной подготовке жидкого навоза (так называемым рассевом), в связи с удалением наиболее крупных фракций, которые могли бы стать причиной образования поверхностных корок внутри реакторов без перемешивания.

Для того, чтобы рассчитать конечный выход биогаза, необходимо произвести стехиометрический анализ, в результате которого было установлено, что из каждого грамма СОВ при реакции получается 0.35 л метана при стандартных условиях эксплуатации (объем рассчитывается при температуре 0°C и при давлении 1 абсолютная атмосфера) при поддержании реактора в рабочем состоянии.

В действительности же этот показатель необходимо скорректировать, поскольку определенная часть СОВ в колчестве, составляющем приблизительно 5% от общего количества СОВ, расходуется на клеточный рост анаэробной биомассы, обеспечивающей проведение процесса. Таким образом, коэффициент снижается до отметки 0,33.

Поскольку в нормальном состоянии выход биогаза определяется при температуре и давлении, отличных от стандартных условий, указанный показатель необходимо умножить на коэффициент, определенный по формуле (273 + T) /273, где T – температура в градусах Цельсия, при которой производятся замеры °C, после чего полученный показатель разделить на коэффициент, рассчитанный по формуле (10.33 + P) /10.33, где P – давление в миллиметрах водного столба, при котором проводились замеры (расчеты проводятся в обратном порядке, если необходимо определить показатель, соответствующий нормальным условиям эксплуатации анаэробного реактора).

Для того, чтобы облегчить возможность определения ориентировочных значений, ниже приводятся основные рабочие показатели и выход биогаза из некоторых основных типов органической биомассы, используемой в качестве питательного субстрата для установок по получению биогаза.

ПОЧЕМУ СТРОИТЬ БИОГАЗОВУЮ УСТАНОВКУ?

В современном контексте постоянно растущих потребностей в энергоносителях и в условиях постоянно растущей угрозы для окружающей среды анаэробная переработка биомассы с получением биогаза заслуживает особого интереса, поскольку имеет ряд существенных преимуществ:

ПОВТОРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ от возобновляемых источников: анаэробная переработка в контролируемых условиях позволяет получить переработку органических веществ с производством биогаза, то есть газовой смеси, на 50-70% состоящей из метана, при этом в остальном эта газовая смесь состоит из углекислого газа. Совместное производство электрической и тепловой энергии при сжигании биогаза дает существенную экономию финансовых ресурсов;

УМЕНЬШЕНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ

УМЕНЬШЕНИЕ ФИТОТОКСИЧНОСТИ ЖИДКОГО НАВОЗА

СТАБИЛИЗАЦИЯ ЖИДКОГО НАВОЗА. Снижение содержания органических углеродистых соединений при анаэробном брожении придает жидкому навозу существенную стабильность, необходимую при складировании в последующие периоды; таким образом удается замедлить процесс разложения и ферментации с дополнительным снижением выработки дурно пахнущих соединений;

СНИЖЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ ПАТОГЕННЫХ И ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ: анаэробное брожение с применением мезофильных бактерий позволяет частично снизить содержание патогенных веществ в жидком помете. При этом работа с термофильными бактериями позволяет полностью обезвредить жидкий помет, поскольку в нем в данном случае полностью уничтожаются патогенные вещества;

СНИЖЕНИЕ НЕПРИЯТНОГО ЗАПАХА после удаления ольфаторного фактора и загрязняющих выделений (NH3 и CH4). Вещества с неприятным запахом, образующиеся в процессе брожения (сероводород, меркаптаны, аммиак) удаляются вместе с биогазом для сжигания. Достаточной степени удаления неприятных запахов удается добиться при применении установок, в которых анаэробное брожение производится в мезофильных (38-42°C) и термофильных условиях (50-55°C). Неплохих результатов при этом можно добиться и при брожении при более низких температурах, в пределах 10-25°C, если при этом брожение вещества производилось в течение более продолжительного срока;

ПОВЫШЕНИЕ САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ;

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИ НЕОБХОДИМОСТИ ОТДЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

ПОВЫШЕНИЕ ОБЩЕГО УРОВНЯ ЭКОНОМИЧСЕКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Основными параметрами, обусловливающими проведение процесса и подлежащими непрерывному и тщательному мониторингу, являются:

  • ПАРАМЕТРЫ ЗАГРУЗКИ (м3 или тонн);
  • ПИТАТЕЛЬНЫЕ СУБСТРАТЫ;
  • ТЕМПЕРАТУРА (°C);
  • КИСЛОТНОСТЬ (Ph);
  • ВРЕМЯ УДЕРЖАНИЯ (HRT);
  • КОЭФФИЦИЕНТЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ;
  • КАЧЕСТВО БИОГАЗА.

ПАРАМЕТРЫ ЗАГРУЗКИ

Общая совокупность материалов, ежеднево загружаемых в диджестор, количество которых выражается в тоннах и/или м3 в зависимости от их специфических характеристик.

Они могут также характеризоваться показателем удельной загрузки, и обозначают общий объем органических веществ, ежедневно загружаемых в установку.

Важно не загружать в установку слишком большой объем веществ для того, чтобы продолжительность стадии окисления не превосходила продолжительность стадии производства метана.

При этом важно равномерно распределить загрузку органических веществ в течение всего дня.

 ПИТАТЕЛЬНЫЕ СУБСТРАТЫ

Если процент содержания сухих веществ будет слишком низким, может возникнуть опасность недостаточного формирования питательных субстратов для полноценного развития микробных популяций.

Напротив, при слишком высоком содержании твердых веществ может возникнуть проблема с перемещением биомассы, особенно на этапе ее загрузки.

3 < процент содержания твердых веществ < 18%

 ТЕМПЕРАТУРА

Температурный диапазон воздействия различных категорий бактерий достаточно широк, но для каждой из них существуют идеальные условия брожения, то есть идеальный температурный режим , в рамках которого они демонстрируют максимальную производительность.

Можно обеспечить активное брожение в трех заранее определенных температурных режимах:

ПСИХРОФИЛЬНЫЕ БАКТЕРИИ: 1 0 ÷ 25 °C

МЕЗОФИЛЬНЫЕ БАКТЕРИИ: 30 ÷ 42 ° C

ТЕРМОФИЛЬНЫЕ БАКТЕРИИ: 48 ÷ 58 °C

КИСЛОТНОСТЬ

Показатель pH – очень важный показатель для обеспечения проведения процесса, его необходимо поддерживать для создания нейтральной среды.

Кислотность pH в пределах 6,5 ÷ 7,5 позволяет гарантировать стабильность при проведении процесса.

Другие параметры, подлежащие постоянному мониторингу – потенциал понижения окисления (rH), позволяющий отследить условия проведения анаэробиоза, а также содержание аммиака, превышение определенного уровня которого приводит к замедлению процесса.

ВРЕМЯ УДЕРЖАНИЯ (HRT)

Время гидравлического удержания (HRT) (Hydraulic Retention Time) – это показатель, определяющий среднюю продолжительность пребывания смеси, подготовленной в подготовительной установке, внутри диджесторов. Это время, достаточное для полного разложения и преобразования органического вещества в биогаз. Различие показателей времени удержания связано, безусловно, с разнообразием факторов, особенно значимыми из которых являются индивидуальные характеристики загружаемой смеси и режим, в котором совршается процесс. В мезофильном режиме можно принять во внимание следующие показатели:

Жидкий свиной навоз (2-4 % с.м.) : 20/25 дней;

Жидкий навоз КРС (6-8 % с.м.) : 25/35 дней;

Жидкий навоз и Биомасса (12-14 % с.м.) : 50/60 дней;

Жидкий навоз и Биомасса (15 - 18 % с.м.) : 60/70 дней.

КОЭФФИЦИЕНТЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Это показатели, указывающие на выход образующегося биогаза, выраженный в Нм3, из каждого килограмма органической смеси.

Они могут выражать приблизительный показатель как для фекалий, так и для биомассы другого типа, при этом основные оценочные показатели приводятся ниже в таблице.

КАЧЕСТВО БИОГАЗА

Смесь, определяемая как биогаз, формируется из метана, углекислого газа и других газов.

Качество биогаза тем выше, чем выше процент содержания в нем метана.

Можно прогнозировать содержание метана в биогазе в пределах 50 ÷ 70 %, можно также условиться о том, что высококачественным биогазом будет биогаз, процентное содержание в котором метана будет в среднем равно 60 %.

МЫ ГАРАНТИРУЕМ РЕЗУЛЬТАТ

Для всех установок предусмотрена поставка комьютерной системы, контролирующей качество проведения технологического процесса с учетом качества, количества и периодичности подачи отдельных веществ, а также ведущей непрерывный мониторинг (в том числе удаленный) отдельных производственных показателей. Подлежат непрерывному мониторингу уровень производства и качество газа, а также эффективность отдельных компонентов, оптимальные параметры работы и производительность генерирующих установок.

it en ru ro