РОЗДІЛ 27. Технології продуктування біогазу

Кількісний вихід енергії при метаногенезі значно нижчий, ніж при аеробному диханні і денітрифікації. Разом з тим використання різноманітних субстратів для метаногенезу енергетично нерівномірне. Незважаючи на те, що вихід енергії при метаноутворенні з С02 і Н2 в стандартних умовах відносно високий (138,8 кДж на моль СН4, в реальних умовах при концентрації водню, яка є в природі, отримана енергія звичайно достатня для отримання лише 1/3 АТФ на моль СНЦ (20 кДж витрачається на 1 моль АТФ). Відповідно до сучасних уявлень про механізм метаногенезу, сполученість процесів утворенім СН4 і АТФ остаточно не з'ясована [15,73].

В 1956 році Г. Баркер об'єднав метаногенні бактерії в одну таксономічну групу на основі їх фізіологічних особливостей. Серед дев'яти названих ним видів, вірогідно, лише три було представлено чистими культурами. Представники інших видів – змішані культури. У подальшому список видів метаногенів поповнився. Проте, якщо в 1979 р. було описано 13 видів метаногенів, то в теперішній час відомо більше 50 [15,73].

Особливістю метантанків, як штучних екосистем, є: високі концентрації органічних речовин, відносно швидке споживання їх мікроорганізмами при постійному надходженні органічних речовин і рівномірне їх перемішування, а також постійна оптимальна температура. На сьогоднішній день науці відомо близько 10 різних видів methanococcus і methanobacterium, розміром всього лише 1/1000 мм, здатних жити в різному середовищі [15,73].

У процесі розщеплення продукти переварювання (обміну речовин) кожної групи бактерій виступають поживними речовинами для наступної групи бактерій. Пофазні розщеплення органіки відбувається не з однаковою швидкістю. Різні групи бактерій працюють з різною швидкістю. У той час як аеробні бактерії при достатньому харчуванні подвоюють свою масу протягом 20 хв. - 10 годин (час генерації), анаеробні бактерії істотно повільніше. Фаза утворення оцтової кислоти проходить найбільше повільно. Бактеріям необхідно багато днів для розщеплення поживних речовин і подвоєння своєї маси. Серед метанових бактерій також є кілька повільних видів, в першу чергу чисті культури вимагають для цього 3-5 днів. Всі інші розщеплюють оцтову кислоту на метан на протязі від декількох годин до трьох днів. Швидше за всіх працюють кислотообразуючі бактерії, що виробляють перші перетворення органіки вже протягом від декількох годин до 2 днів. В ідеальному випадку між фазами розщеплення встановлюється динамічна рівновага в концентрації речовин, а саме між надходженням поживних речовин та їх розщепленням.

Найбільш часто чиненою помилкою є перегодовування бактерій швидкорозщеплюємим субстратом, що призводить до накопичення кислот через кислотообразуючі бактерії. У зв'язку з цим може наступити дуже різке падіння рівня pH, якого не переживуть інші бактерії. Крім того, надмірна концентрація виробленої речовини призводить до затримки росту виробляємо'! її групи бактерій.

Динамічна рівновага також визначається легкістю розщеплення субстрату. Цукор і крохмаль, наприклад, через свою просту структуру розщеплюються дуже швидко і вимагають лише короткого часу перебування в ферментаторі. Чим складніша структура субстрату, тим довше буде тривати розщеплення. Целюлоза та гемицеллюлоза мають широко розгалужену структуру і розкладаються повільно. Лігнін, задерев'янілі речовини у рослин, кількість якого зростає з віком рослини, розкладається бактеріями дуже погано, оскільки він проявляє стійкість навіть до кислот. Швидкість розщеплення субстратів має прямий вплив на технічно необхідний час для бродіння. Таким чином, вже при плануванні біогазової установки варто чітко визначити, який субстрат або які субстрати будуть використовуватися для бродіння. Однак не тільки технічно необхідний час для бродіння визначає час перебування в ферментаторі, значення мають також економічні показники. Якщо ми хочемо переробити сильно задерев'янілий матеріал, то для цього варто передбачити дуже великий обсяг ферментатора, щоб отримати з нього метан. З економічної точки зору це не має сенсу. Час бродіння, таким чином, визначається динамікою анаеробного розщеплення і швидкістю розщеплення певного субстрату. Якщо ферментатор заново заповнити субстратом, то після проходження окремих фаз процесу розщеплення біогаз утворюється повільно. Кількість виробленого щодня біогазу зростає до того моменту, поки не буде досягнуто максимуму. На момент досягнення кульмінаційного моменту субстрат, який легко розкладається, буде перероблений і бактеріям залишаться лише речовини, які важко перетравлювати. Таким чином, кількість газу що виробляється щодня, буде знижуватися до тих пір, поки не буде розщеплений весь доступний матеріал або поки субстрат не можна буде розщеплювати далі. Такий процес утворення біогазу схожий на так званий періодичний метод. Сьогодні прийнято використовувати поступовий процес, при якому субстрат подається протягом дня кілька разів невеликими порціями, що в свою чергу веде до рівномірного виробництва біогазу.

Виробництво газу з 1 кг органічного субстрату поступово збільшується разом із збільшенням часу для бродіння, спочатку швидше, у міру зростання часу бродіння повільніше. Настає такий момент, коли кількість виробленого газу настільки мало, що довгострокове перебування в ферментаторі більш недоцільно з економічної точки зору. Тобто на практиці ніколи не буває повного розщеплення органіки.

Одно- і багатоступінчастий процес.

У більшості біогазових установок процеси розщеплення протікають паралельно, таким чином вони не розділені ні територіально, ні в часі. Такі технології називають одноступінчастими.

Для субстратів з швидким розщепленням, які через це мають схильність до окислення, рекомендується для гідролізу та окислення передбачити окремий резервуар, щоб з нього продукти розкладання дозовано подавати я ферментатор (двоступенева технологія). Перевагою є витримування ефективності роботи бактерій через створення оптимальних умов життєдіяльності (в першу чергу рівень pH). Таким чином можна досягти більшого виробництва біогазу. Бродіння барди, наприклад, вимагає такого розділу фаз. Крім того, не використовувані гази завдяки такому розділу можна відокремлювати через біофільтр, відокремлюючи, таким чином, лише газ з високим вмістом метану. Хоча розділ фаз найкращим чином відповідає умовам життєдіяльності бактерій і має свої переваги, такі двоступеневі технології не мають великого поширення. Додаткові втрати на другий резервуар, на системи змішування, опалення та насоси можуть окупитися лише для певних видів субстратів. З іншого боку, на практиці досить часто можна знайти два черзі пов'язаних між собою резервуари. У таких випадках перший резервуар витупає справжнім ферментатором, обладнаний опаленням, мішалками, розрахований на короткострокове бродіння і використання швидкорозлагаючоїхся субстратів. У другому резервуарі, доданому до першого, який і в принципі є ферментатором без опалення, відбувається утворення газу з субстратів, що розкладаються не так швидко, а відповідно і процес бродіння в ньому триває довше [15,80].

Вибір вологості сировини.

Безперешкодний обмін речовин у сировині є передумовою для високої активності бактерій. Це можливо тільки в тому випадку, коли в'язкість сировини допускає вільний рух бактерій і газових бульбашок між рідиною і містяться в ній твердими речовинами. У відходах сільськогосподарського виробництва є різні тверді частинки. Тверді частки, наприклад, пісок, глина та ін. обумовлюють утворення осаду. Більш легкі матеріали піднімаються на поверхню сировини і утворюють кірку. Це призводить до зменшення продуктування біогазу. Тому рекомендується ретельно подрібнювати перед завантаженням в реактор рослинні залишки - солому: та ін. і прагнути до відсутності твердих речовин в сировині.

Вміст сухих речовин визначається вологістю гною. При вологості 70 % в сировині міститься 30 % сухих речовин. Зразкові значення вологості гною і екскрементів (гній і сеча) для різних видів тварин наводяться в таблиці нижче.

Таблиця 27.9.

Значення вологості гною і екскрементів (гній і сеча) для різних видів тварин

Вологість сировини, що завантажується в реактор установки, повинна бути не менше 85 % в зимовий час і 92% в літній час року. Для досягнення правильної вологості сировини гній зазвичай розбавляють гарячою водою в кількості, шо визначається за формулою: OB = Нх ((В2 -В1): (100 - В2)), де Н - кількість завантажуваного гною. В1 - первісна вологість гною, В2 - необхідна вологість сировини, ОВ - кількість води в літрах. У таблиці 6.9. наводиться необхідну кількість води для розбавлення 100 кг гною до 85 % і 92 % вологості. У анаеробному процесі розщеплення органічних субстратів бере участь ціла низка мікроорганізмів. Близько 50 % беруть участь бактерій є аеробними або факультативно аеробними і вимагають або добре переносять кисень. Тільки метанові бактерії є виключно анаеробними. Якщо в субстраті ще присутній кисень, як, наприклад, у свіжому гної, то аеробні бактерії в першу чергу використовують його. Це відбувається на першому етапі процесу утворення біогазу. Тому невелика кількість кисню, який проникає при цілеспрямованому нагнітанні повітря для очищення від сірки або ж при відкриванні оглядових отворів, не є шкідливим. Набагато значніше окислювально-відновний потенціал. Окислювально-відновний потенціал являє собою ступінь готовності іонів приймати електрони. Для зростання анаеробних бактерій цей потенціал повинен знаходитися на дуже низькому рівні (-0,1 V). Оскільки кисень має високий окислювально-відновний потенціал (+1,78), то це спочатку шкодить анаеробним бактеріям. Однак якщо є достатньо речовин з низьким окислювально-відновним потенціалом, то анаеробний процес може відбуватися і в присутності кисню.

Виняток попадання світла.

Хоча світло і не є для бактерій вбивчим, воно уповільнює процес. Виключити вплив світла на процес на практиці можна за допомогою світлонепроникної кришки.

Рівномірна температура.

Метанові бактерії проявляють свою життєдіяльність в межах температури 0- 70 ° С. Якщо температура вище вони починають гинути, за винятком кількох штамів, які можуть жити при температурі середовища до 90 ° С. При мінусовій температурі вони виживають, але припиняють свою життєдіяльність. У літературі як нижню межу температури вказують 3-4 ° С. Швидкість процесу бродіння дуже залежить від температури. Принципово важливим є: чим вище температура, тим швидше відбувається розкладання і тим вище виробництво газу. Таким чином скорочується час розкладання. При зростанні температури знижується вміст метану в біогазі. Це пов'язано з тим, що при високих температурах розчинена в субстраті двоокис вуглецю інтенсивніше переходить в газоподібний фазу (в біогаз), таким чином, що відносний вміст метану скорочується. Кількість газу, яке можна добути буде однаковим при достатній кількості часу бродіння. Існує три типових температурних режиму, в яких себе добре почувають відповідні штами бактерій: