CC BY
121
ПАРАМЕТРЫ И ФАКТОРЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА
Кущев Леонид Анатольевич, д-р техн. наук, проф. Суслов Денис Юрьевич, канд. техн. наук, доц. Белгородский государственный Технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород
E-mail: suslov1687@mail.ru
Аннотация. Работа посвящена решению экологической проблемы утилизации органических отходов сельскохозяйственных предприятий. Описаны факторы и параметры, определяющие интенсивность процесса получения биогаза. Установлены наиболее значимые факторы: температура и влажность биомассы, способ и частота перемешивания биомассы, а также продолжительность процесса брожения.
Ключевые слова: биогаз, анаэробная ферментация, экология.
В 21 веке в РФ наметилась тенденция активного роста сельскохозяйственного производства. В рамках реализации национального проекта «Развитие агропромышленного комплекса» увеличился объем производства продуктов животноводства и птицеводства, и в частности производство свинины, говядины и мяса птицы, что привело к резкому увеличению объема органических отходов [1]. В связи с этим в РФ обострилась экологическая ситуация в развитых сельскохозяйственных регионах, к которым относится Белгородская область.
В Белгородской области производится около половины всей мясной продукции Центрального Федерального округа РФ, а доля мясной продукции в общероссийском производстве по видам продукции составляет: около 15% мяса птицы, 16,7% свинины, 10% молочной продукции (рис. 1) [2].
При этом ежегодное количество образующихся органических отходов животноводческих и птицеводческих предприятий составляет более 15 млн. т, из них: 11 млн. т./год - свиной навоз; 1,6 млн. т./год - птичий помёт; 1,4 млн. т./год -навоз КРС (рис.2). [2].
Одним из основных методов утилизации органических отходов, по нашему мнению, является применение биогазовых технологий, что позволяет решить две
SCIENCE TIME
проблемы:
- получить энергетический продукт - биогаз;
- получить ценные биоудобрения.
Рис. 1 Доля Белгородской области в общероссийском производстве
Рис. 2 Ежегодное количество образующихся органических отходов на территории Белгородской области, млн. т./год
Одним из основных методов утилизации органических отходов, по нашему мнению, является применение биогазовых технологий, что позволяет решить две проблемы:
- получить энергетический продукт - биогаз;
253
SCIENCE TIME
- получить ценные биоудобрения.
Основными параметрами и факторами интенсификации процесса получения биогаза являются [3-6]:
- анаэробные условия в реакторе;
- температура биомассы;
- влажность биомассы;
- перемешивание биомассы;
- продолжительность процесса брожения;
- содержание питательных веществ;
- кислотно-щелочной баланс биомассы в биореакторе.
Основным условием процесса получения биогаза является поддержание анаэробных условий в биореакторе, т.к. активная жизнедеятельность метанобразующих бактерий возможна только при отсутствии кислорода.
Одним из важнейших факторов процесса брожения является поддержка оптимальной температуры. Температура влияет на количество и качество получаемого биогаза, а также на продолжительность процесса, так при повышении температуры время брожения сокращается. Известно, что образование биогаза происходит при температурах от 0 до 97 0С, но с учетом оптимизации процесса переработки органических отходов для получения биогаза и биоудобрений выделяют 3 температурных режима [4]:
- психрофильный режим, температура до 250С
- мезофильный режим, от 250С до 450С
- термофильный режим, более 450С.
Выход биогаза при работе в указанных температурных режимах представлен на рисунке 3.
мл/л произведенного газа из литра субстрата
15.000
10.000
5.000
0
О
100
Время брожения (дней)
150
Рис. 3 Влияние температуры процесса на выход биогаза
254
В психрофильном режиме работают установки без подогрева биореактора и применяются, в основном, в странах со среднегодовой температурой наружного воздуха около 20 0С. В большинстве развитых странах мира они не получили широкого распространения, из-за значительной продолжительности процесса брожения. Кроме того, при понижении температуры бродильной массы ниже +150С, микробиологическая активность падает, и процесс ферментации практически останавливается.
При термофильном режиме сбраживания наблюдается повышенная скорость разложения субстрата и, следовательно, высокий выход биогаза, а также практически полное уничтожение болезнетворных бактерий, содержащихся в сырье. В то же время на проведение процесса в термофильном режиме необходимо большое количество энергии, требуемое на подогрев сырья в реакторе. Кроме того, при повышении температуры происходит снижение содержания метана в общем объеме выделяющегося газа.
Несмотря на преимущества термофильного брожения, большинство установок работает в более эффективном мезофильном режиме, так как повышение температуры на один градус не обеспечивает прямо пропорционального прироста выхода биогаза [3].
Стоит отметить, что процесс ферментации очень чувствителен к перепадам температуры и зависит от режима, в котором происходит переработка сырья. Чем выше температура процесса, тем чувствительнее бактерии к ее колебаниям. Перепады температуры 2-4 0С не оказывают особого влияния на эффективность процесса в мезофильном режиме. В то же время при работе в термофильном режиме перепады не должны превышать 1 0С.
Важным параметром процесса получения биогаза является продолжительность процесса ферментации, которая зависит от температуры брожения, концентрации субстрата, скорости реакции, зависящей от вида субстрата.
Продолжительность является характеристикой, определяющей количество времени, необходимого для роста бактерий и преобразования органических веществ в биогаз. При очень малом времени брожения процесс ферментации протекает медленно или практически останавливается, т.к. метаболическая активность метанобразующих бактерий больше выбранной продолжительности процесса. Слишком продолжительное выдерживание биомассы не отвечает задачам получения наибольшего количества биогаза и биоудобрений за определенный промежуток времени.
Оптимальное время сбраживания определяется температурным режимом, в котором протекает процесс и составляет [5]:
- психофильный температурный режим: от 30 суток;
- мезофильный температурный режим: от 20 до 30 суток;
255
- термофильный температурный режим: от 10 до 20 суток.
Еще одним условием метанового брожения является соотношение углерода и азота в исходном субстрате. Высокое соотношение С/Ы является признаком высокой скорости потребления азота метоногенными бактериями и процесс может лимитироваться недостатком азота, а снижение этого соотношения вызывает интенсивное выделение аммиака, что приводит к ингибированию роста бактерий. Наибольший выход биогаза наблюдается при значениях С/Ы=10-30, а оптимальная величина зависит от вида сырья [4].
Кроме углерода и азота, необходимо также требуемое количество органических и минеральных питательных веществ - азота, серы, фосфора, кальция, калия, магния и других микроэлементов. Экскременты животных содержат достаточное количество вышеупомянутых элементов [6].
Также на эффективность процесса получения биогаза оказывает влияние влажность исходного субстрата или содержание сухого вещества. Так как только из сухой массы, а точнее из ее органической части, можно получить биогаз, то исходный субстрат оценивают по количеству твердых веществ и содержанию в них сухих органических веществ.
Таким образом, снижение влажности исходного субстрата при постоянной нагрузке увеличивает продолжительность сбраживания. При постоянной влажности уменьшение нагрузки ведет к снижению эффективности процесса из-за нехватки питательных веществ для роста бактерий, однако увеличение нагрузки также снижает выход биогаза вследствие накопления летучих жирных кислот.
Для повышения эффективности и стабильности процесса получения биогаза бродильную массу подвергают интенсивному перемешиванию. В отходах сельскохозяйственного производства имеются разные твердые частицы, которые обуславливают образование осадка. Более легкие материалы поднимаются на поверхность сырья и образуют корку, что приводит к снижению выхода биогаза. Применение перемешивающих систем позволяют устранить эти проблемы и добиться стабильности процесса брожения.
Немаловажным фактором, влияющими на скорость сбраживания и выход биогаза является соблюдение кислотно-щелочного баланса. Различные группы бактерий, участвующих в анаэробной ферментации органических веществ, имеют различные значения рН. В процессе сбраживания рН среды в реакторе поддерживается бактериальным консорциумом в оптимальном для каждой стадии процесса диапазоне за счет взаимной сбалансированности процессов подкисления и подщелачивания. Отклонение рН от оптимальных значений приводит к нарушению функционирования анаэробной системы. Метанобразующие бактерии лучше всего приспособлены для существования в нейтральных или слегка щелочных условиях, оптимальное значение рН зависит
«
SCIENCE TIME
от вида сырья и составляет 7-8 [7].
Так же исходный субстрат не должен содержать веществ ингибиторов, отрицательно влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов, так как они замедляют, а иногда и прекращают процесс анаэробного брожения. К ним, прежде всего, относятся тяжелые металлы, аммиак, нитраты, сульфиды, органические растворители и антибиотики.
Таким образом, можно сделать вывод, что основными факторами, определяющими процесс получения биогаза, являются:
- температура биомассы;
- влажность биомассы;
- способ и частота перемешивания биомассы;
- продолжительность процесса брожения.
* 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. Официальный интернет-портал Министерства сельского хозяйства Российской Федерации // www.mcx.ru.
2. Седых П.С., Суслов Д.Ю. Использование биогаза в регионах с высоким уровнем развития сельскохозяйственного сектора // Успехи современного естествознания. 2014. №8. С. 154-157.
3. Калюжный, C.B. Высокоинтенсивные анаэробные биотехнологии очистки промышленных сточных вод // Катализ в промышленности. - 2004. №6. С.42-50.
4. Кущев Л. А., Суслов Д.Ю. Расчет экономической эффективности использования биогазовой установки с барботажным реактором / Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2014. №5. С.183-186.
5. Блинов В.А. Общая биотехнология: курс лекций. Ч.П. ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». Саратов, 2004. - 144 с.
6. Шеина О.А., Сысоев В.А. Биохимия процесса производства биогаза как альтернативного источника энергии // Вестник ТГУ, т.14, вып.1. 2009. С. 73-76.
7. Fischer T., Backes K., 2007. Biogas production from gut contents and low value offal. Ninth International Symposium on World Rendering. 97-103.
257
