2.1 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. Существенное значение имеют следующие  факторы:

     – 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 [2].

2.1.1 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. Наибольший выход газа из экскрементов различных сельскохозяйственных животных при условии хорошего перемешивания  и небольшой вязкости субстрата  может быть получен при значениях  загрузки реактора, приведенных в  таблице 2.

 

Таблица 2 – Загрузка рабочего объема реактора, время пребывания и разложения органического вещества при температуре брожения около 33°С

       

     Из  таблицы видно, что загрузка реактора должна быть тем ниже, чем выше доля способных к разложению веществ в закладываемой в него органической массе и чем больше в ней аммиака (куриный помет) [2].

2.1.2 Технологическое время брожения

 

     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  пребывания массы в реакторе, сознательно идя на некоторое недополучение газа.

     Выбор времени 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 (шлама). 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 (рис. 2) [2].

1 и 2 – количество всего выделившегося газa и метана соответственно в % от выхода к моменту окончания цикла; 3 и 4 – содержание СН₄ и CO₂ соответственно в % от всего выделившеюся газа. 

Рисунок 2 – Количество и состав выделившегося газа

2.1.3 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 [2].

2.2 Типы биогазовых установок

     2.2.1 Биогазовая установка с ручной загрузкой и перемешиванием сырья

 

     Строительство биогазовой установки с ручной загрузкой  и перемешиванием сырья не требует  больших финансовых затрат. Она предназначена  для небольших фермерских хозяйств. Объем реактора установки от 1 до 10 м³ рассчитан на переработку 50 - 200 кг навоза в сутки. Для повышения эффективности работы биогазовой установки смонтировано устройство ручного перемешивания сырья (рис.3) [3].

 

1 – реактор; 2 – бункер загрузки; 3 – перемешивающее устройство; 4 – водяной затвор; 5 – выгрузочная труба; 6 – отвод биогаза 

Рисунок 3 – Схема биогазовой установки с ручной загрузкой и перемешиванием сырья

     2.2.2 Биогазовая установка с ручной загрузкой, перемешиванием и подогревом сырья в реакторе

 

     Для более интенсивного и стабильного  процесса сбраживания установлена  система подогрева реактора. Установка  может работать в мезофильном  и термофильном режимах. Реактор  биогазовой установки подогревается  при помощи водогрейного котла, работающего  на производимом биогазе. Остальной  биогаз используется напрямую в бытовых приборах. Переработанное сырье хранится в специальной емкости до времени внесения в почву (рис.4) [3].

 

1 – котел водогрейный; 2 – бункер загрузки; 3 – перемешивающее устройство;  4 – реактор; 5 – водяной затвор; 6 – газоотвод; 7 – выгрузочный бункер;             8 – хранилище для биоудобрений; 9 – выгрузочная труба 

Рисунок 4 – Схема биогазовой установки с ручной загрузкой, перемешиванием и подогревом сырья в реакторе

     2.2.3 Биогазовая установка с ручной загрузкой, газгольдером, пневматическим перемешиванием сырья, с подогревом сырья в реакторе

 

     Простая установка с ручной загрузкой  сырья в реактор снабжена автоматическим откачивающим устройством вырабатываемого  биогаза и газгольдером для его  хранения. Перемешивание сырья в  реакторе производится пневматическим способом с использованием биогаза. Такая биогазовая установка может  работать во всех температурных режимах  сбраживания (рис.5) [3].

 

1 – водогрейный котел; 2 – бункер загрузки; 3 – реактор; 4 – водяной затвор; 5 – манометр электроконтактный; 6 – перемешивающее устройство;

7 – компрессор; 8 – ресивер; 9 – бункер выгрузки сырья; 10 – выгрузка сырья; 11 – хранилище для биоудобрений; 12 – газгольдер; 13 – редуктор газовый 

Рисунок 5 – Схема биогазовой установки с ручной загрузкой, газгольдером, пневматическим перемешиванием сырья, с подогревом сырья в реакторе

     2.2.4 Биогазовая установка с газгольдером, ручной подготовкой и пневматической загрузкой и перемешиванием сырья, с подогревом сырья в реакторе

 

     Установка предназначена для малых и  средних фермерских хозяйств с возможностью переработки от 0,3 до 1,5 тонн сырья в сутки. Объемы реакторов от 5 до 25 м³. Загрузка и перемешивание сырья механизированы и производятся с помощью пневматической системы. Подогрев сырья в реакторе биогазовой установки производится с помощью теплообменника с водонагревательным котлом, работающим на биогазе. Трубопровод выгрузки сырья имеет разветвление для сбора биоудобрений в хранилище и для загрузки в транспортные средства для вывоза на поле. Устройство этой биогазовой установки предусматривает ручную подготовку и пневматическую загрузку сырья в реактор, часть вырабатываемого биогаза используется для подогрева сырья в реакторе. Перемешивание производится биогазом. Отбор биогаза производится автоматически. Биогаз хранится в газгольдере. Установка может работать в любом температурном режиме сбраживания сырья (рис.6) [3].  

 

1 – бункер загрузки сырья; 2 – водонагревательный котел; 3 – реактор;               4 – предохранительный клапан; 5 – водяной затвор; 6 – манометр электроконтактный; 7 – компрессор; 8 – ресивер; 9 – хранилище для биоудобрений; 10 – выгрузка сырья; 11 – отвод трубы для загрузки в транспорт; 12 – газгольдер; 13 – редуктор газовый; 14 – перемешивающее устройство 

Рисунок 6 – Схема фермерской биогазовой установки с газгольдером, ручной подготовкой и пневматической загрузкой и перемешиванием сырья, с подогревом сырья в реакторе

     2.2.5 Биогазовая установка с газгольдером, механической подготовкой, пневматической загрузкой и перемешиванием сырья, с подогревом сырья в реакторе

 

     Отличительной особенностью этой биогазовой установки  предназначенной для средних  и крупных крестьянских хозяйств, является наличие специальной емкости  для подготовки сырья, откуда оно  подается при помощи компрессора  в бункер загрузки, а затем с  помощью сжатого биогаза - в реактор  установки. Для работы системы обогрева используется часть вырабатываемого  биогаза. Установка снабжена автоматическим отбором биогаза и газгольдером для его хранения. Наличие системы обогрева позволяет эксплуатировать биогазовую установку во всех режимах сбраживания (рис.7) [3].

 

1 – приемник навоза; 2 – водонагревательный котел; 3 – бункер загрузки;

4 – реактор; 5 – водяной затвор; 6 – предохранительный клапан; 7 – манометр электроконтактный; 8 – компрессор; 9 – мешалка газовая; 10 – ресивер;

11 – хранилище для биоудобрений; 13 – газгольдер; 14 – редуктор газовый 

Рисунок 7 – Схема фермерской биогазовой установки с газгольдером, механической подготовкой, пневматической загрузкой, перемешиванием и подогревом сырья в реакторе 

 

     

3 Биометаногенез

 

     Биометаногенез — сложный микробиологический процесс, в котором органическое вещество разлагается до диоксида углерода и метана в аэробных условиях. Микробиологическому анаэробному разложению поддаются практически все соединения природного происхождения, а также значительная часть ксенобиотиков органической природы. В анаэробном процессе биометаногенеза выделяют три последовательные стадии, в которых участвуют свыше 190 различных микроорганизмов. Этапы протекания биометаногенеза приведены на рисунке 8[4].

1 – ферментативные  бактерии; 2 – ацетогенные бактерии;

3 – метаногенные  бактерии 

Рисунок 8 – Схема полного анаэробного расщепления органического вещества под влиянием трех основных групп бактерий

3.1 Основные стадии

 

     На  первой стадии под влиянием экстрацеллюлярных ферментов ферментативному гидролизу подвергаются сложные многоуглеродные соединения — белки, липиды и полисахариды. Вместе с гидролитическими бактериями функционируют и микроорганизмы — бродильщики, которые ферментируют моносахариды, органические кислоты.

     На  второй стадии (ацидогенез) в процессе ферментации участвуют две группы микроорганизмов: ацетогенные и гомоацетатные. Ацетогенные          Н₂-продуцирующие микроорганизмы ферментируют моносахариды, спирты и органические кислоты с образованием Н₂, СО₂, низших жирных кислот, в основном ацетата, спиртов и некоторых других низкомолекулярных соединений. Деградация бутирата, пропионата, лактата с образованием ацетата происходит при совместном действии ацетогенных Н₂-продуцирующих и Н₂-утилизирующих бактерий. Гомоацетатные микроорганизмы усваивают Н₂ и СО₂, а также некоторые одноуглеродные соединения через стадию образования ацетил-КоА и превращения его в низкомолекулярные кислоты, в основном в ацетат.

     На  заключительной третьей стадии анаэробного разложения отходов образуется метан. Он может синтезироваться через стадию восстановления СО₂ молекулярным водородом, а также из метильной группы ацетата. Некоторые метановые бактерии способны использовать в качестве субстрата формиат, СО₂, метанол, метиламин и ароматические соединения: