Технології анаеробної ферментації органічних відходів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Технології анаеробної ферментації органічних відходів

Біотехнологічні процеси анаеробної ферментації органічних відходів широко застосовуються при очищенні комунальних стоків, стоків підприємств переробної промисловості, а також при отриманні біогазу і кормових препаратів вітаміну В12. Слід відмітити, що в сучасному біотехнологічному виробництві широко використовуються процеси анаеробної ферментації або бродіння.

Розрізняють шість видів ферментації біомаси, що проходять одночасно або послідовно:

- амонієва,

- азотна,

- вивільняюча азот, якій підлягають азотні складові сировини,

- окислювальна,

- кислотна,

- метанова, якій піддаються вуглеводні з сировини, зокрема, целюлоза.

Особливої уваги заслуговує метанова ферментація, яка вивільнює горючий газ - метан, а також амонієва ферментація, продуктом якої є аміак у вигляді розчинних амонієвих солей.

Розпад целюлози у процесі метанового бродіння протікає наступним чином:

(C6H10O5) n + nH2O 3nCO2 + 3nCH4 + 18,9n [J] (1)

анаеробний ферментація біогаз вітамін

де: n - кількість молекул або глюкозних залишків, H2O - вода, (C6H10O5) n - целюлоза, CO2 - двоокис вуглецю, CH4 - метан, [J] - енергія (тепло).

У результаті розкладу вуглеводнів органічної речовини, виникають низькомолекулярні з'єднання. Розклад твердих складових сировини проходить тим швидше, чим нижчий ступінь їх полімеризації. Такі речовини, як цукор, крохмаль, геміцелюлоза, піддаються швидкому розпаду у анаеробному процесі (без доступу кисню), утворюючи відповідні органічні кислоти: оцтову, олійну, молочну тощо. При швидкому накопиченні цих кислот у бродильному середовищі настає уповільнення ферментації. Високо полімеризовані речовини розкладаються повільніше, а згадані органічні кислоти утворюються більш поступово. Це явище є сприятливим, оскільки подібний перебіг ферментації дозволяє отримувати досить велику кількість метану безперервно та рівномірно.

Метанізація цукрів у бродильному середовищі протікає за двома способами, кожен з яких включає по три фази:

Спосіб 1:

- Утворення кислоти - цукор біохімічно перетворюється в жирову кислоту:

(C6H10O5) n + 7nH2O 6nCH3COOH (2)

- Утворення солі - жирова кислота реагує з основними компонентами з утворенням солі жирової кислоти:

CH3COOH + NH3 CH3COONH4 (3)

- Утворення метану - сіль жирової кислоти розпадається з виділенням двоокису вуглецю та метану:

CH3COONH4 CH4 + CO2 + NH3 (4)

Спосіб 2:

- Утворення кислоти, як і у способі 1.

- Утворення газів - жирова кислота розпадається на двоокис вуглецю та водень:

CH3COOH +2 H2O CO2 + 4 H2 (5)

- Утворення метану - двоокис вуглецю та водень сполучаються, утворюючи метан:

CO2 + 4 H2 CH4 + 2 H2O (6)

Не вся органічна сировина потребує проходження трьох фаз ферментації. Багато відходів, наприклад виділення тварин, відразу після виділення містять велику кількість частково розкладеної речовини, що підлягає проходженню наступних фаз процесу ферментації. Водночас, деякі органічні з'єднання рослин (наприклад, лігнін) і всі неорганічні складові не піддаються зброджуванню. Вони являють собою інертну в цьому процесі масу, та утворюють шлам, здатний засмітити систему. Близько 95% маси, якою заповнений біогазогенератор при зброджуванні, складає вода.

Реакції, що відбуваються при зброджуванні органічної речовини, мають екзотермічний характер. У процесі їх протікання виділяється приблизно 1,5 МДж теплоти на 1 кг сухої маси матеріалу, що зброджується, тобто 25 кДж/моль С6Н10О5. Цієї теплової енергії, як правило, недостатньо для підтримання відповідної температури біомаси, яку зброджують.

Якщо матеріал, призначений для зброджування, висушити і спалити, то теплота його згоряння складе приблизно 16 МДж/кг. Тобто, лише біля 10% потенціальної теплоти згоряння втрачається у процесі зброджування. Отже, ККД конверсії органічної речовини в біогазовому реакторі складає біля 90%. Крім цього, матеріал з підвищеною вологістю, який вводиться у процес зброджування, дає високоякісне з добре керованим горінням газоподібне паливо, у той час як одне лише видалення 95% вологи вимагає до 40 МДж теплоти на кожний кілограм сухої речовини. На практиці зброджування рідко ведуть до кінця, так як це сильно збільшує тривалість процесу. Звичайно зброджують приблизно 60% вихідного продукту. Вихід газу складає приблизно від 0,2 до 0,4 м? на 1 кг бродильного сухого матеріалу при нормальних умовах і при витраті 5 кг сухої біомаси на 1 м? води. Відомо, що існують три характерні рівні температур, що сприяють розмноженню визначених видів бактерій. Зброджування при більш високих температурах проходить швидше, ніж при низьких і характеризується приблизно подвоєним виходом газу на кожні 5°С.

Ефективний перебіг метанової ферментації органічних речовин потребує виконання чотирьох основних умов:

- безкисневої атмосфери,

- відповідної температури зброджуваної маси,

- слаболужної реакції середовища,

- присутності бактерій, що виробляють метан.

Виділення метану із речовини, що піддається ферментації, проходить лише в анаеробних умовах, тобто тоді, коли нема доступу кисню (повітря). Тому ферментація повинна протікати у спеціальних резервуарах, закритих ферментаційних камерах та іншому подібному обладнанні.

Дуже важливим фактором ефективного протікання процесу ферментації є температура маси, що зброджується. Метанова ферментація починається при температурі 60С. При нижчій температурі - виділення метану припиняється. Одночасно із зростанням температури, швидко збільшується кількість газу, що виділяється. Так, при температурі 300С виділення біогазу відбувається в 12 разів швидше, ніж при температурі 100С.

При використанні мезофільних бактерій раціональним температурним режимом вважають 30-35°С, для термофільних бактерій - 55-60°С. Термофільні бактерії більш продуктивні, ніж мезофільні. Вони протягом часу експозиції (12-14 днів) мінералізують стільки ж органічних речовин, скільки мезофільні бактерії за 21-36 днів. Завдяки цьому, при однаковій кількості виробництва біогазу за день, місткість ферментаційних резервуарів може бути значно меншою. Час експозиції залежить також від виду матеріалу, що завантажується. Органічні речовини розпадаються з різною швидкістю. Найдовший час експозиції буде при підвищеному вмісті целюлози та геміцелюлози, більш короткий - у випадку наявності у сировині білків та жирів, а найкоротший - для цукрів. У випадку вмісту речовин, що важко розкладаються, (таких як целюлоза, геміцелюлоза та лігнін), можна застосовувати двоступеневу ферментацію. Прискорити процес можна шляхом подрібнення або розведення маси. Разом з тим, враховуючи необхідність підтримання більш високої температури маси, що бродить, витрати теплової енергії при реалізації термофільних процесів є значно вищими. При низькій температурі навколишнього середовища та недостатній ізоляції резервуару, витрати теплової енергії можуть бути настільки великими, що біогазу, який виробляється, не вистачить для обігрівання бродильної маси. У зв'язку з цим у європейських кліматичних умовах, ферментаційні камери звичайно працюють у мезофільному діапазоні температур, тобто при 30-35°С.

Важливою умовою забезпечення регулярного протікання біохімічних процесів в біогазогенераторі є слаболужна реакція бродильного середовища, при цьому задовільним вважають pH на рівні 6-8 (оптимальне значення знаходиться в межах 7-7,5 рН). Надто лужна реакція сприяє ферментації через патогенне гниття, але викликає небажане виділення сірководню. У надто кислому середовищі (при ферментації побутових відходів, виділень свиней) метанове бродіння може спинитись з блокуванням виділення біогазу.

Суттєве значення у процесі бродіння мають мікроорганізми. Для забезпечення метанової ферментації необхідна наявність у речовині метаногенних мікроорганізмів, а саме Bacillus perfringens. Ці мікроорганізми розвиваються лише у сприятливих умовах - в анаеробному середовищі у слаболужній реакції при температурі 6-70°С. Для поліпшення протікання ферментації необхідне прививання відповідних колоній бактерій. Бажано також стимулювати початок ферментації шляхом додавання вже ферментованого субстрату, тобто, привити сировині бактерій відповідного штаму, які реалізують цей процес. З метою уніфікації температури органічної речовини, що піддається ферментації, а також розповсюдження мікроорганізмів в біомасі, проводять систематичне її перемішування. Перемішування зброджуваної речовини попереджає місцеву ферментацію, що викликається патогенами. Ферментація біомаси, як правило, проходить три етапи: гідролізу, кислої та метанової ферментації. Так як процес протікає завдяки бактеріям, їм необхідно створити відповідні умови, а саме:

- температуру, яка підходить для даного штаму бактерій,

- час експозиції, що визначають за часом притоку сировини до біогазового реактору (його підбирають так, щоб попередити вимивання бактерій з місткості),

- відповідне завантаження порцією додаткових матеріалів (надто високе призводить до перенавантаження системи, а надто мале - до згасання реакції),

- вміст інгібіторів процесу, таких як антибіотики або засоби охорони рослин.

Важливими умовами є збереження постійної температури під час протікання процесу в усьому об'ємі резервуару, а також заборона зміни складу та кількості завантаженої маси способом, що не контролюється (ці останні умови особливо важливі у випадку ферментації різних видів завантаженої маси). Тому правильність протікання процесу ферментації повинна контролюватися оцінкою вмісту метану у біогазі, що виробляється. Більш точним шляхом контролю протікання процесу є вимірювання вмісту летючих жирних кислот методом газової хроматографії, який є надто дорогим для господарського використання. Безкиснева переробка органічних речовин веде до виробництва летючих жирних кислот, які у другій фазі ферментації перетворюються у метан.

У сучасному біогазовому виробництві використовують три основні технології метанової ферментації: безперервну, змінну та періодичну.

Безперервна ферментація полягає у постійному - або з короткими перервами в часі - надходженні сировини (органічних відходів, виділень тварин тощо) до реактора. Одночасно з подачею свіжої гноївки відбувається відтовк маси, що перебродила. Сировина, що піддається ферментації, повинна мати рідку або напіврідку консистенцію. Найкраще для цього підходить гноївка великої рогатої худоби або свиней. Ця технологія потребує найменших ферментаційних камер і реалізує процес безперервного виробництва біогазу. Ферментаційні резервуари можуть встановлюватись горизонтально або вертикально, різними можуть бути способи перемішування (механічною мішалкою, перекачуванням сировини, вдуванням біогазу тощо) маси, а також спосіб введення та виведення сировини. Технологія з безперервною ферментацією належить до найбільш технічно відпрацьованих.

Змінна ферментація потребує побудови щонайменше двох ферментаційних резервуарів, які по черзі заповнюються сировиною. Через певний час (від 8 тижнів до декількох місяців) звільняють перший завантажений резервуар, залишивши в ньому невелику кількість шламу для прививання бактерій при наступному завантаженні. Виробництво біогазу при використанні цієї технології є циклічним. Чим більше резервуарів, тим коротші перерви між циклами виробництва газу з різних місткостей.

Періодична ферментація відбувається за подібним до змінної ферментації процесом, але з використанням одного ферментаційного резервуару, який періодично заповнюють і після закінчення ферментації звільняють. Ця технологія застосовується за наявності густої сировини, такої як гній. Ферментаційний резервуар являє собою ще і склад гною, який звільняється під час вивозу гною на поле. Часто ставляться вимоги, щоб період перебування гною у ферментаційному резервуарі був не меншим за 6 місяців. За таких вимог і такої технології, виробництво газу можливе лише двічі на рік і є найнижчим у порівнянні з іншими технологіями.

Результати, що досягнуті в розвитку технічного забезпечення сільської місцевості з використанням біогазових установок, це лише невеликий крок в напрямку вирішення загальної комплексної проблеми. Технології переробки органіки з використанням біомаси рослинного походження в біогазових установках набувають поширення у зв'язку зі скороченням поголів'я великої рогатої худоби та зростанням вартості традиційних енергоносіїв. Проте технічне забезпечення в Україні цих технологій не відповідає сучасним вимогам і потребує відповідної розробки. Важливою умовою розвитку біогазових технологій на сучасному етапі є підвищення ефективності технічних засобів для виробництва біогазу з мінімально можливими викидами шкідливих газів в навколишнє середовище.

Вироблено та реалізовано концепцію технічного і технологічного вирішення проблеми сумісного використання органічних добрив та рослинної біомаси в біогазових реакторах. Технологічний процес розпочинається в первинній місткості, де рідкі і тверді органічні добрива перемішуються до однорідної маси і подаються в реактор за допомогою помпи. Якщо суміш достатньо рідка, то від первинної місткості можна відмовитись, подаючи сировину безпосередньо в реактор. Це стає можливим при застосуванні суміші з сінажу кормових буряків. Бродіння проходить в реакторі, в якому підтримується постійна температура 35-45. В цьому температурному режимі бактерії працюють найефективніше. З реактора суміш самоплином перетікає в місткість-сховище, де завершується бродіння. Так протікає технологічний процес роботи біогазової установки сховищно-поточного типу.

Під час бродіння в реакторі до бродильної суміші постійно додається свіжа суміш, яка і витісняє перероблену в іншу місткість. За допомогою механічних змішувачів процес бродіння в реакторі розподіляється рівномірно за об'ємом. Бродильна суміш залишається в реакторі стільки часу, скільки це біологічно необхідно для розкладання органічних речовин бактеріями. При оптимальних умовах і температурі в реакторі 35-45 органічні речовини розкладаються на 90…95% за 35-45 діб. Особливу увагу необхідно звертати на однорідність бродильної суміші. В реакторі бактерії повинні бути постійно забезпечені органічними речовинами. Це потребує постійної подачі однорідної органічної суміші в реактор. Біогаз має в своєму складі незначну кількість сірки, яка впливає на довговічність агрегатів біогазової установки. Для виділення сірки з біогазу на поверхню бродильної суміші в реакторі за допомогою невеликого компресору задувається свіже повітря. Це призводить до того, що спеціальні мікроорганізми перетворюють газоподібну сірку в твердий стан, яка стає цінною складовою органічних добрив.

Технологія вирощування рослинної маси обумовлює ефективність процесу зброджування. Вміст сирої фази в біомасі визначає час перебування субстрату в реакторі. А вміст сирої фази залежить від ступеню розвитку рослин. Тому, щоб забезпечити максимальний вихід метану з газу потрібно оптимізувати час скошування. Пізнє збирання дає високий вихід біомаси з гектару, а раннє - низький. Тому можливий питомий вихід метану з біомаси на гектар площі вирощеної біомаси може коливатись у значних межах.

Оскільки в суміші, якою є сировина для зброджування в біогазовому реакторі, важливим компонентом є гній, необхідно визначити його ефективність при утворенні біогазу. Оскільки одна голова ВРХ виробляє щорічно близько 1,5 т сировини в формі органічних добрив, з яких вихід метану становить в середньому 355 м³. А вихід метану з гектару рослин на енергетичні потреби відповідає виходу метану від 8-18 голів ВРХ. Ці розрахунки не визначають переробку органічних добрив як менш ефективну. Доцільно використовувати обидва субстрати, які при обєднанні створюють субстрат з поліпшеними якостями. Зокрема, підвищується якість органічних добрив, що одержують в процесі утилізації відходів тваринництва і рослинництва.

Всі, побудовані на даний момент, біогазові установки, як господарські, так і промислові, відрізняються великим різноманіттям специфічних виробничих, технологічних та технічних рішень.

Размещено на Allbest.ru