CC BY
164
-т
SCIENCE TIME
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОРГАНИЧЕСКИХ СУБСТРАТОВ
Темников Дмитрий Олегович, Седых Павел Сергеевич, Ферзелиев Рафаэл Садуллаевич, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, Белгород.
E-mail: sedihpavel@mail.ru
Аннотация. Статья посвящена исследованию состава и физико-химических свойств органических субстратов. Проведен анализ выхода биогаза и метана из различных видов субстратов. Установлено, что использование смеси субстратов позволяет повысить удельный выход биогаза.
Ключевые слова: биогаз, субстраты, выход биогаза.
Физические свойства субстратов, так же как и их химические характеристики, имеют важное значение для производства биогаза.
Каждый отход характеризуется своими физико-химическими показателями (рис.1): влажностью, содержанием сухого вещества, содержанием органического сухого вещества, содержанием белков, содержанием углеводов, содержанием жиров, рН [1-4]. Именно от этих показателей зависит время его сбраживания, количество получаемого биогаза и его состав.
Рис. 1 Состав субстратов
SCIENCE TIME
Так же все субстраты можно условно разделить на две группы: отходы и возобновляемые сырье.
К отходам сельского хозяйства относятся навоз крупного рогатого скота, свиной навоз, птичий помет, свекольная ботва и др. А к возобновляемым ресурсам относятся: кукуруза, силос, трава, зерновые культуры, свекла.
К промышленным отходам относятся: барда, выжимки, пульпа сахарной свеклы, картофельные очистки. Так же можно отнести жиры, кровь животных, содержимое желудочно-кишечного тракта, боенские отходы.
Если взять за основу статистику по содержанию сельскохозяйственных животных в России, то окажется, что содержание крупного рогатого скота, свиней и птицы обладает огромным потенциалом для энергетического использования на биогазовых установках.
Как видно из таблицы 1 выход биогаза из навозной жижи КРС составляет 20-30 м на тонну субстрата, что немного меньше свиного навоза [5].
Таблица 1
Выход биогаза в целом и метана из хозяйственных удобрений
СВ оСВ N P2O5 K2O Выход биогаза Содержание метана Выход метана
Субстрат [%] [%CB] [%СВ] [нм /т субстрата] [% объема Биогаза] [нм3/т оСВ]
Навозная жижа КРС 10 80 3,5 1,7 6,3 25 56 210
Свиные стоки 6 80 3,6 2,5 2,4 28 61 250
Навоз КРС 25 80 4 3,2 8,8 80 55 250
Птичий помет 40 75 18, 4 14, 3 13,5 140 64 280
Кукурузный силос 33 95 2,8 1,8 4,3 200 53 340
Травяной силос 35 90 4 2,2 8,9 180 54 310
Свекловичный жом 24 95 н.д. н.д. н.д. 68 72 218
Чистый жир 100 98 н.д. н.д. н.д. 1300 87 1154
SCIENCE TIME
Кроме того, газ из навозной жижи КРС по сравнению со свиным навозом отличается гораздо более низким средним содержанием метана. Это связано с различным составом местных удобрений. Навозная жижа КРС в основном состоит из углеводов, а свиной навоз преимущественно из белков, что дает большее содержание метана. В первую очередь выход биогаза зависит от состава органического сухого вещества. Если, как это часто бывает на практике, жидкие местные удобрения разбавляются, то фактические данные по веществам и выходу биогаза могут существенно отличаться от данных, приведенных в табл. 1.
Ещё одной из отличительных особенностей навозной жижи КРС и свиной является относительно низкое содержание сухого вещества, это позволяет хранить его в специальных резервуарах и перекачивать насосами. Кроме того, они легко могут комбинироваться с другими субстратами.
Как показано на рис.2, из жира получается самое большое количество биогаза. У кукурузы и свекольного силоса немного меньше, но самый низкий показатель у навоза. Максимальное количество биогаза, которое можно получить из жиров - это 1100 л/кг с содержанием метана до 87% [6].
Рис. 2 Выход биогаза из различных видов субстратов: 1 - твердый навоз КРС; 2 - жидкий навоз КРС; 3 - солома; 4 - содержание желудка свиней; 5 - куриный помет; 6 - жидкий свиной навоз; 7 - листья; 8 -содержание желудка жвачных; 9 - ботва свеклы; 10 - бытовые отходы; 11 -кукурузный силос; 12 - травяной силос; 13 - пивная барда; 14 - жир
По уровню содержания сырого жира свиной навоз имеет однозначно самые высокие показатели. Поскольку жир из-за высокого содержания энергии и легкой разлагаемо сти имеет очень высокий выход газа, можно предположить, что свиной навоз лучше подходит для производства биогаза, чем куриный помет и навоз скота. К сожалению это преимущество более чем сглаживается в основном низким содержанием СВ и высоким содержанием воды.
По данным многих исследователей, и исходя из практики эксплуатации
SCIENCE TIME
биогазовых установок, рентабельность производства биогаза из навоза КРС сравнительно небольшая и составляет лишь 300 - 350 м3/т.
Поэтому передовым направлением в области развития технологии биогаза является использование косубстратов - в большей части таких «энергетических» субстратов, как кукуруза, травянистые растения, сельскохозяйственные отходы и отходы пищевой промышленности, для которых величина выхода биогаза находится в пределах 400 - 700 м3/т СВ [7]. Совместное сбраживание позволяет оптимизировать компонентный состав сбраживаемой смеси для устойчивого эффективного метаболизма консорциума микроорганизмов, повышение удельного выхода биогаза с единицы объема биореактора, а так же нормализация содержания влаги в сбраживаемой смеси.
Работа выполнена в рамках реализации Гранта РФФИ № 14-48-08039. «Разработка физико-химических и технологических основ процесса получения биогаза в биореакторах с барботажным перемешиванием субстрата».
Литература:
1. Суслов, Д.Ю. Получение биогаза в биореакторе с барботажным перемешиванием: диссертация ... кандидата технических наук: 05.17.08 / Ивановский государственный химико-технологический университет. Белгород,
2. Шаптала В.Г., Шаптала В.В., Суслов Д.Ю. Вопросы моделирования и расчета барботажных реакторов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2013. №5. С. 189-192.
3. Suslov D.Yu., Kushchev L.A. Biogas technology - a contemporary method for processing organic wastes // Chemical and Petroleum Engineering. 2010. Т. 46. № 5. С. 308-311.
4. Кущев Л.А., Суслов Д.Ю., Окунева Г.Л., Городов В.И. Основные характеристики процесса получения биогаза при переработке органических отходов // Энергосбережение и экология в жилищно-коммунальном хозяйстве и строительстве городов: междунар. науч.-практ. конф. / Белгор. гос. технол. ун-т. -Белгород: Изд-во БГТУ, 2012. С. 305-309.
5. Суслов Д.Ю. Экспериментальные исследования процесса получения биогаза в барботажных биореакторах // Научно-методический электронный журнал «Концепт». 2013. Т. 4. № 34. С. 1471-1475.
6. Эдер Б., Шуль Х. Биогазовые установки / перевод с нем. компании «Zorg Biogas»: 2008. 268 с.
7. Сотников В.А., Сотников Д.В., Гамаюрова В.С., Марченко В.В. Кальций-карбонатная буферная система - фактор повышения эффективности субстратного и ко субстратного метанового брожения // Вестник КТУ 2011.
2013.
Т.14. №8. С. 198-201.
