Основные факторы влияющие на процесс метанового сбраживания.
РЕФЕРАТ
Проект содержит 93 с., 5 рисунков, 15 таблиц, 65 источников.
Объект исследования – отходы КРС (крупного рогатого скота) фермерского хозяйства, как сырье для получения биогаза и биогумуса.
Цель проекта – усовершенствование процесса переработки отходов животноводства для получения биогаза и биогумуса.
Методы исследования – нахождение оптимальных условий и температур для эффективного выделения биогаза и получения биогумуса.
Выбрана и обоснована технологическая схема переработки отходов животноводства, которая применена в данном дипломном проекте.
На стадии выделения биогаза и получения биогумуса был проведен расчет прибыли от его использования. Был проведен качественный и количественный
анализы надежности данной биогазовой установки малого класса, которые показали высокое качество и надежность установки. Был проведен анализ условий труда на рабочем месте, который соответствует требованиям.
Результаты данного проекта можно реально использовать на различных свиноводческих фермах и фермах КРС, а также для индивидуального фермерского хозяйства.
БИОГАЗ, МЕТАНТЕНК, ГАЗГОЛЬДЕР, БИОГУМУС, ВЕРМИКУЛЬТУРА, ОТФЕРМЕНТИРОВАННАЯ МАССА, ОБЕЗВОЖЕННЫЙ ШЛАМ, НАВОЗ, СБРАЖИВАЕМАЯ МАССА, КРУПНЫЙ РОГАТЫЙ СКОТ, СВИНЬИ, МЕТАН, СЫРЬЕ, ЭКСКРЕМЕНТЫ, ОТХОДЫ.
СОДЕРЖАНИЕ
|
|
|
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………7
РАЗДЕЛ 1 ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМУ……………………………………………...10
1.1 Актуальность проблемы……………………………………………...10
1.2 Другие существующие методы решения проблемы………………..12
1.3 Метод анаэробного метанового сбраживания – комплексное решение экологических и энергетических проблем………………..……15
1.3.1 Исходное сырье и его свойства………………………………22
1.3.2 Основные факторы влияющие на процесс метанового сбраживания………………………………………………………….30
1.3.2.1 Свойства сырья………………………………………………..31
1.3.2.2 Концентрация водородных ионов………………………..…..38
1.3.2.3 Температурный режим………………………………………..40
1.3.2.4 Доза загрузки…………………………………………….........43
1.3.2.5 Время пребывания сбраживаемой массы в метантенке…....45
1.3.2.6 Перемешивание………………………………………………..47
1.3.2.7 Давление……………………………………………………….48
1.3.2.8 Ингибиторы процесса……………………………………...…49
РАЗДЕЛ 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ МАЛОГО КЛАССА ДЛЯ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ФЕРМЕРСКОГО ХОЗЯЙСТВА……….53
|
|
|
2.1 Выбор и обоснование технологической схемы…………………….53
2.2 Расчет производительности установки по перерабатываемому сырью…………………………................................................................56
2.3 Расчет производительности установки по биогазу…………..……58
2.4 Расчет производительности установки по обезвоженному шламу и жидким стокам……………………………………………………………..61
2.5 Определение основных характеристик метантенка…………..….62
2.6 Расчет мокрого газгольдера………………………………........……63
2.7 Определение параметров надежности установки…………….…....66
2.7.1 Качественный анализ надежности………….………………...67
2.7.2 Количественный анализ надежности………………….......…69
2.7.3 Разработка мероприятий по повышению надежности………………………………………………..…....71
2.8 Качественный и количественный анализ надежности системы после внедрения мероприятий……………………………………………......72
РАЗДЕЛ 3 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. ТЕХНИКО – ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ МАЛОГО КЛАССА………….....73
3.1 Экономический анализ производства биогаза……………..……..74
3.2 Продукты и продукция проекта………………………………..….76
РАЗДЕЛ 4 ОХРАНА ТРУДА…………………………………………………..........79
|
|
|
4.1 Требования техники безопасности при выполнении газоопасных работ………………………………………………………………….79
4.2 Требования техники безопасности при обслуживании биогазовой установки малого класса для индивидуального фермерского хозяйства.…82
ВЫВОДЫ…………………………………………………………………………......86
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………………....….88
.
ВВЕДЕНИЕ
Резкий рост производительных сил в промышленности и индустриализация сельского хозяйства, характерные для начала ХХI века, в большинстве стран мира привели к значительному ухудшению экологической обстановки и резкому увеличению потребления энергетических ресурсов. В результате чего ряд стран стали испытывать острую нехватку традиционных видов топлива: угля, природного газа, нефти.
Создавшаяся ситуация заставила интенсифицировать поиски путей использования альтернативных нетрадиционных источников энергии: солнечной, ветровой, геотермальной и т. д. Наиболее перспективной из них является солнечная энергия, аккумулированная в биомассе, накапливающейся в больших количествах в сельскохозяйственном производстве в виде отходов животноводства и растительных остатков.
|
|
|
Наиболее рациональным способом извлечения энергии из биомассы является анаэробное (метановое) сбраживание, в результате которого образуются продукты распада – биогаз и отферментированная масса, имеющие большую практическую ценность, как газообразное топливо и органическое удобрение.
Важным преимуществом данного процесса является также предотвращение загрязнения воздушного, водного бассейнов и почвы, благодаря обезвреживанию и дезодорации навозных стоков, а также утилизации растительных остатков (ботвы, соломы, листьев и т. д.).
Все это объясняет большой интерес, проявляемый специалистами различных отраслей науки к процессу метанового сбраживания.
Строительство и эксплуатация животноводческих комплексов и связанная с этим высокая концентрация поголовья скота на ограниченной территории, бесподстилочное содержание животных и использование гидросмыва при уборке навоза привели к образованию больших объемов жидких навозных стоков. Можно без приувеличения сказать, что животноводческие комплексы в настоящее время являются самыми крупными источниками загрязнения атмосферы, почвы, водных бассейнов в сельской местности, по масштабам загрязнения вполне сопоставимы с крупными промышленными объектами.
Кроме того, в большинстве случаев теплоснабжение животноводческих комплексов осуществляется от низкоэффективных местных котельных или от электрокалориферных установок, что влечет за собой высокий расход электроэнергии.
Одним из вариантов комплексного решения экологических и энергетических проблем в сельском хозяйстве является технология анаэробного метанового сбраживания органических отходов. Данная технология, реализуемая на биоэнергетических установках, исключает бактериальное и химическое загрязнение окружающей среды, позволяет получать удобрения, обогащенные соединениями калия, азота и фосфора, а также биогаз – горючий газ на основе метана, с помощью которого могут быть решены локальные вопросы теплоэнергоснабжения животноводческих предприятий. Метановое сбраживание отходов является комплексным процессом, который, с одной стороны, дает полезные продукты (топливо, жидкие и твердые удобрения), а с другой – обладает разносторонним природоохранным действием. В настоящее время во многих странах мира успешно ведутся работы в этом направлении. По данным Запорожского института ВНИИКОМЖ [1] в странах Западной Европы и США действует около 600 шт. биоэнергетических установок.
В странах СНГ общая масса животноводческих стоков составляет около 1,5 млрд. т в год. Применяя метод метанового сбраживания из этого количества стоков каждый год можно получать более 30 млрд. м3 биогаза, что эквивалентно 22,5 млрд. л бензина.
Однако в странах СНГ, как и на Украине, до настоящего времени анаэробная переработка органических отходов сельскохозяйственного производства применяется в крайне ограниченных масштабах. Несмотря на очевидные преимущества этого метода обеззараживания отходов, его широкая промышленная реализация сдерживается из-за недостатка надежных и эффективных отечественных конструкций аппаратов, входящих в состав биоэнергетических установок.
В последнее время в связи с быстрыми темпами истощения энертетических ресурсов и загрязнения окружающей среды работы по исследованию и разработке аппаратурного оформления процесса метанового сбраживания заметно интенсифицировались, идет активный поиск экономически эффективных технических средств.
Основной целью, к которой стремятся при конструировании и внедрении биоэнергетических установок, является одновременное решение задач охраны окружающей среды, создание энергосберегающих технологий и обеспечение рентабельности конструируемых установок.
Технический уровень схем биоэнергетических установок в значительной степени зависит от рационального конструирования отдельных технологических узлов. Конструкции аппаратов при этом должны быть научно обоснованными, технически реализуемыми, экономически целесообразными и экологически безопасными. При этом необходимо помнить, что аппаратурное оформление процесса метанового сбраживания хотя и имеет немало общего с оформлением химико – технологических процессов, но во многом и специфично, так как должно учитывать особенности конкретных видов микроорганизмов, принимающих участие в данном процессе, свойства перерабатываемого субстрата и весь комплекс протекающих в нем физико – химических процессов.
РАЗДЕЛ 1
ВВЕДЕНИЕ В ПРОБЛЕМУ
Актуальность проблемы
В последние годы повышенный интерес вызывает использование в индивидуальных и фермерских хозяйствах установок для утилизации отходов органического происхождения.
Рисунок 1.1 - Ситуационный план индивидуального фермерского хозяйства С целью получения энергии для удовлетворения потребностей семьи в обогреве и освещения установку необходимо загружать навозом от 3-5-7 животных (КРС).
Конструктивное решение установок довольно примитивное: обложенный кирпичом, закрытый в земле котел и плавающий стальной колокол – газгольдер [2].
При индивидуальном ведении хозяйства в различные времена года имеется очень широкое разнообразие отходов органического происхождения, которое необходимо утилизировать.
Это в какой – то степени усложняет утилизацию отходов и предъявляет ряд требований, которые для установок промышленного назначения не характерны. В качестве исходного сырья используются отходы органического происхождения. Сюда можно отнести: навоз, отходы приготовления пищи, фекалии. Отходы растительного происхождения – трава, листья, солома, гнилье, овощи и др. Все это сложные вещества и поэтому для их переработки требуется определенная микробная популяция, для жизнедеятельности которой в сырье должны иметься необходимые вещества и условия.
Опыт эксплуатации и проектирования биогазовых установок показывает, что на рентабельность установок существенное влияние оказывает способ использования полученного биогаза, в то же время объемы получаемого биогаза в индивидуальных условиях не настолько велики, чтобы окупить новые капвложения, например, на установку газовых котлов или двигателей внутреннего сгорания с электрогенератором для производства электроэнергии. Многие исследователи считают, что установка может быть рентабельной как минимум при содержании на ферме не менее 40 единиц скота [3]. Учитывая это обстоятельство, многие фирмы вынуждены находить такие решения, которые бы позволяли обеспечить максимально возможный температурный режим без существенных капитальных затрат. Анализ показывает, что установки малой производительности получают наибольшее распространение в зонах с мягкими климатическими условиями плюс к тому используются конструкции с обязательным заглублением метантенка в землю, используя температурный потенциал земли и навоза. Количество тепла для поддержания температурного режима зависит от местонахождения сборника навоза и времени года (таблица 1.1) [4].
Таблица 1.1 - Температура, принимаемая при расчете энергии процесса метанового сбраживания
| Месяцы года | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
| Средняя температура воздуха, 0С | 0,9 | 0,8 | 4,2 | 8,6 | 13 | 16,3 | 18,1 | 17,2 | 14,0 | 8,6 | 3,7 | 0,2 |
| Средняя температура воздуха, 0С: над грунтом | приблизительно равна температуре воздуха | |||||||||||
| под грунтом | 6 | 7 | 8 | 10 | 13 | 16 | 18 | 17 | 14 | 11 | 9 | 7 |
| под стойлом | приблизительно на 7 0С выше, чем под грунтом | |||||||||||
Выбор необходимых и экономически обоснованных изоляционных материалов способствует лучшему сохранению тепла.
1.2 Другие существующие методы решения проблемы
Для более эффективной утилизации отходов возможно использование комбинированных технологий: метановое сбраживание жидкой части отходов и компостирование твердой части отходов. В этом случае теплота компостируемых отходов используется для поддержания температурного режима метанового сбраживания. Современное кризисное состояние источников энергии и окружающей среды форсирует обновление технологии анаэробной ферментации. Технология анаэробного сбраживания усовершенствуется, если в анаэробном фильтре очистки сточных вод применить отходы, содержащие органические вещества. Весь объем анаэробного фильтра заполняют каким – либо твердым инертным носителем (гравий, пластмассовые шарики). При этом активная биомасса находится в “прикрепленном” состоянии, т.е. микроорганизмы растут, адсорбируясь на поверхности этих носителей. С помощью анаэробного фильтра можно обрабатывать отходы, состоящие из легкоразлагаемых субстратов. Такой анаэробный фильтр разработан в Гуаньгжуском исследовательском институте источников энергии АПК (Китай). Установка имеет диаметр 1 м, высоту 1,68 м, заполнен гравием размером 4 – 6 см, действующий объем 1 м3 , пористость 85%. При температуре 25 0С экспозиция составляет 1,62 – 3,67 суток, выход биогаза с 1 м3 сухого органического вещества (СОВ) 1,72 – 3,55 м3/сут. Основные недостатки анаэробного фильтра, снижающие его эффективность – это скопление биомассы в нижней части, а также забивание носителя микрофлоры [5]. Получают развитие метантенки с придонным слоем микроорганизмов, реакторы с растущим слоем частиц носителя, используется принцип реактора с псевдосжиженным слоем, а также двухстадийный процесс ферментации. Двухстадийная биогазовая ферментация заключается в том, что сырьевой материал в виде пшеничной и кукурузной соломы, мелко изрубленной зеленой травы, фекалии при объеме сухой массы от 20% до 30% перемешивают добавляя свиной навоз, человеческие экскременты, куриный помет, навоз домашней скотины не вводя непосредственно в метантенк, а подвергают обработке в негерметичном кислотообразующем реакторе. В результате разложения, под действием кисло – образующих бактерий формируется большое количество низкомолекулярного органического кислого раствора. Затем перегружается в метантенк и с помощью метанообразующих микроорганизмов преобразуют в биогаз. При этой технологии питательный раствор кислотообразующего реактора который находясь на поверхности, создает удобства с загрузкой и выгрузкой сырья и испытывает температуру окружающей среды. В июне – октябре температура в биореакторе составляет 20 0С и более. Период самого активного газовыделения в метантенке попадает на январь – май месяц. На основании характеристик биогаза определяют сроки замены сырья либо необходимость уменьшения подачи сырья. Особого внимания заслуживает рассмотрение вопросов связанных с использованием технологии компостирования в сочетании с метановым сбраживанием.
Компостирование – биохимический процесс преобразования органических твердых отходов в органическое удобрение, получаемое из торфа, соломы и других отходов сельского хозяйства при добавлении к ним навозной жижи. Как биохимический процесс он лимитируется микробными популяциями и факторами внешней среды.
Технологию образования компоста можно классифицировать по трем основным параметрам: использованию кислорода, температуре и способу ведения процесса.
Если в основе технологии лежит применение кислорода, то её подразделяют на аэробную и анаэробную. Когда главным признаком служит температура, различают технологию мезофильную (15 – 25 0С) и термофильную (45 – 69 0С). В зависимости от способа ведения процесса компостирование может, осуществляться в длинных не высоких штабелях или в механических устройствах. Аэробное компостирование подразумевает активность аэробных микробов, и следовательно, обеспечение кислородом во время процесса компостирования. При анаэробном компостировании анаэробные бактерии служат для разложения и кислород (воздух) исключается из компостируемой массы. Аэробное компостирование в отличии от анаэробного протекает более быстро, возможно в условиях высоких температур, и осуществляется без запаха. Благодаря этим преимуществам большинство современных процессов являются аэробными [6].
1.3 Метод анаэробного метанового сбраживания – комплексное решения экологических и энергетических проблем
Распад органических веществ при метановом сбраживании представляет собой сложный анаэробный процесс, который осуществляет в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Брожение называется метановым, так как последняя стадия осуществляется метанообразующими бактериями, а одним из основных конечных продуктов распада органического вещества является метан [7]. Для метанового брожения характерен широкий спектр потребляемых веществ. Практически все органические соединения, хотя и в разной степени, подвергаются метановому брожению, причем при этом образуются одни и те же конечные продукты.
Процесс метанового брожения, широко распространенный в природе (разложение органических веществ в болотах, почве и т. д.) был открыт в 1776 г. Вольтой. При метановом анаэробном брожении микроорганизмы, не имея доступа к кислороду и другим, предпочтительным в энергетическом отношении акцепторам электронов (таким, как сера, сульфат и другие) вынуждены использовать в качестве акцепторов углерод органических веществ, что приводит в конечном итоге к образованию наиболее восстановляемого из существующих в природе углеродных соединений – метана. В то же время микроорганизмы в этом процессе в качестве донора используют также углерод органического вещества, окисляя его до углекислого газа, который является вторым важнейшим компонентом биогаза. Основоположником теории биологического образования метана являются Омелянский В. Л. и Кузнецов С. И. Образование метана из органических отходов происходит в результате жизнедеятельности нескольких основных групп микроорганизмов: гидролитиков, кислотообразующих бактерий, которые преобразуют сложные органические соединения в более простые, которые в свою очередь, являются источником питания для метанообразующих бактерий. Метанообразующие бактерии более чувствительны к изменениям окружающей среды, чем кислотообразующие, т. е. метанообразование является лимитирующей стадией процесса анаэробного сбраживания [8].
В исследованиях Баркера процесс метанового сбраживания представлен двумя фазами.
В первой фазе (кислое или водородное брожение) из сложных органических веществ (белков, углеводов, жиров) и их производных с участием воды образуются кислоты (уксусная, муравьиная, молочная, масляная и др.), спирты (этиловый, пропиловый, бутиловый и др.), газы (углекислый газ, водород, сероводород, аммиак), аминокислоты, глицерин и пр. Этот распад осуществляют обычные грибы и бактерии первичные анаэробы, которые широко распространены в природе, быстро размножаются и проявляют свою жизнедеятельность при рН среды 4,5-7,0. К ним относятся масляно – кислые, молочнокислые, пропионовокислые, протеолитические, липолитические и др. бактерии, микроорганизмы и дрожжи [9,10,11]. Эта фаза характеризуется обильным образованием и выделением кислот, что проявляется в сильном закислении среды и падении рН до 5,0 – 4,5. Процесс сопровождается также проявлением неприятного гнилостного запаха.
Во второй фазе (щелочное или метановое брожение) метанообразующие бактерии осуществляют дальнейшее разложение веществ, образовавшихся в первой фазе. При этом выделяется газ, состоящий из метана, диоксида углерода, иногда с незначительным количеством азота, водорода и сероводорода. В отличие от микроорганизмов, принимающих участие в первой фазе брожения, метановые бактерии – строгие анаэробы к кислороду и другим окислителям они более чувствительны, чем большинство других бактерий, поэтому присутствие в осадке значительного количества кислорода может препятствовать выделению метана. Конечный этап метанового брожения различных углеродных соединений представлен Баркером в виде схемы, изображенной на рисунке 1.1.
 |
СО2
НСООН СО3+хН х СООН
СН3-СН2-ОН +2Н+
-Н2О
СН3ОН+хН х СНО
-Н2О -2Н+
СН3-СН2-ОН х СН2СН
СН3СООН+хН +2Н+
СН3-СН2-СООН х СН3
+2Н+
хН +СН
Рисунок 1.2- Схема процесса образования метана
Как видно из рисунка, в этой схеме СО2 соединяется с неидентифицированным носителем, в результате чего образуется карбоксильное производное вещество, а затем следует его восстановление с освобождением метана и регенерацией вещества хН, котороев свою очередь, может вступать в реакцию реагировать на метанол, в результате чего после дегидрирования образуется хСН3, конечным продуктом которого после соединения с водородом является метан. В другом случае реакции уксусной кислоты с хН также происходит с образованием хСН3, а затем – метана.
Схематическое изображение этапов метанового сбраживания по Баркеру представлено на рисунке 1.2.
Схема Баркера, несмотря на ее логичность, не имеет строгой термодинамической основы. Однако разделение процесса на две фазы достаточно удобно для разработки технологического процесса и широко используется на практике.
Другие исследователи [12] считают, что в процессе анаэробного разложения органического вещества следует выделять три основные стадии, которые протекают под воздействием трех физеологических групп бактерий (рисунок 1.4).
Первичные субстраты 1 Этап 2 Этап
Сырой шлам Образование кислот Образование метана
Основные компоненты
Высокомол. Летучие жирные Углекислый газ,
жирные кислоты кислоты, спирт вода
глицероль
 | |||
 | |||
Белок-аминокислоты: Альдегиды, кетоны,
низкомолекулярные аммиак,углекислый
пектиды газ, водород, вода
Поли-моносахариды, Размножение
дисахариды Размножение бактерий бактерий
Рисунок 1.3 - Этапы процесса метанового сбраживания
На первой стадии сложные многоуглеродные вещества, представляющие собой основные классы органических соединений (белки, жиры, полисахариды), подвергаются ферментативному гидролизу так называемыми “первичными” анаэробами. Одновременно под воздействием микроорганизмов происходит гидролиз моносахаридов, органических кислот и спиртов. В результате образуются водород, углекислый газ, низкомолекулярные жирные кислоты, спирты и некоторые другие соединения.
В осуществлении этой стадии участвуют анаэробные бактерии: Clostidium, Basteroides, Rumiococcus, Butyrivibrio, а также факультативные: Escherichiacoliu Bacillus [13].
На второй стадии ацетогенные микроорганизмы, такие как Syntrophobacter, Syntrophomonas, Desulfovibrio ферментируют более сложные вещества в низкомолекулярные органические кислоты, а также в Н2 и СО2 [14]. Ацетогенные бактерии включают в себя как облигатные, так и факультативные виды. Кроме того, на этой стадии действует также гомоацетогенные бактерии, которые сбраживают одно- и многоуглеродосодержащие соединения только до уксусной кислоты, без образования водорода [15].
На третьей стадии процесса дальнейший распад органических веществ осуществляется метанообразующими и сульфатредуцирующими микроорганизмами,использующими для поддержания своей жизнедеятельности метаболиты, которые образовались на предыдущих стадиях. На этом этапе в системах с низким содержанием сульфатов образуются, главным образом, СН4 и СО2 и небольшое количество Н2S. Метанообразующие бактерии представляют собой физиологически однородную группу, но характеризуются большим разнообразием морфологических типов, из которых можно выделить четыре основных: палочки, кокки, вибрионы и спириллы [16].
С биохимической точки зрения метановое брожение представляет собой анаэробное “дыхание” в ходе которого электроны из органического вещества переносятся на углекислый газ, который впоследствии восстанавливается до метана. Помимо различных органических субстратов (такие, как уксусная кислота) донором электронов для метанообразующих бактерий служит водород, который продуцируется несколькими типами анаэробных бактерий. Для всех метанобактерий характерна способность к росту в присутствии водорода и углекислого газа, а также высокая чувствительность к кислороду и ингибиторам производства метана.
Биологические
полимеры
1. 
Ферментативный Гидролитические
гидролиз микроорганизмы
76%
 |
2. 
Кислото 4% 20%
образование Спирты, кислоты
(исключая ацетат)
Облигатные
протопредуцеры
Ацетогены
Н2; СО2 Ацетат
28% 72%
3. Метаногенез
СН4; СО2
Рисунок 1.4 - Три стадии анаэробного распада органического вещества
В настоящее время известно около 40 видов метанообразующих бактерий. Важнейшие их них и потребляемые ими субстраты приведены в таблице 1.2 [17].
Таблица 1.2 - Важнейшие роды метановых бактерий и потребляемые ими субстраты
| Род | Используемые субстраты | ||
| НСООН (флиат) | СН3СООН (ацетат) | С (углерод) | |
| Metanobacterium | + | - | - |
| Metanobrevibacter | + | - | - |
| Metanothermus | + | - | - |
| Metanolobus | - | - | + |
| Metanohalobium | - | - | + |
| Metanothrix | - | + | - |
Наиболее важным субстратом является ацетат, из которого при разложении сложных органических веществ образуется более 40% метана. Метаногенные бактерии 90 – 95% используемого углерода превращают в метан и лишь 5 – 10% углерода переходит в биомассу. Благодаря этому до 80 – 90% органических веществ, разлагающихся в процессе развития метаногенного консорциума, превращается в газ.
Согласно некоторым современным воззрениям анаэробное превращение органических веществ в биогаз проходит через четыре последовательные стадии [18, 19, 20].
Стадия гидролиза сложных биополимерных молекул (белков, липидов, полисахаридов и др.) на более простые: аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.
Стадия ферментации (брожение) образовавшихся мономеров до низких кислот и спиртов, при этом выделяется также диоксид, углерод и водород. Ацетогенная стадия, когда образуются непосредственные предшественники метана: ацетат, водород, углекислота.
Метаногенная стадия, в процессе которой появляется конечный продукт разложения сложных органических веществ – метан.
Стадия гидролиза при метановом сбраживании тесно связана со стадией ферментации (кислотогенной), причем обе стадии могут осуществляться гидролитическими бактериями, которых по классификации иногда объединяют с ферментативными бактериями [21].
Весь комплекс превращений осуществляет сообщество микроорганизмов (до нескольких сотен видов), в котором между различными группами существуют тесные и сложные взаимосвязи, в том числе и однородные. Деятельность сообщества можно рассматривать как единое целое, регуляция которого происходит аналогично многоклеточным организмам.
Помимо основных групп бактерий в метаногенном сообществе присутствует большое количество микроорганизмов, не принимающих непосредственное участие в процессе деградации органического вещества. Однако они выполняют некоторые важные функции, такие, как обеспечение бактерий основными факторами, удаление токсических продуктов анаэробного метаноболизма, поддержание условий анаэробиоза.
Важнейшей особенностью метаногенного биоценоза является наличие множества симбиотических связей между микроорганизмами различных групп, при которых продукты жизнедеятельности одних микроорганизмов являются питательными субстратами для других. Благодаря этому метаногенное микробное сообщество обладает способностью к саморегулированию и поддержанию значений определяющих факторов среды, рН окислительно – восстановительный потенциал и т. д., что во многом определяет стабильность работы метаногенных микробных систем.
1.3.1. Исходное сырье и его свойства.
Сырьем для анаэробной переработки могут служить различные отходы сельскохозяйственного и других производств, которые содержат органические вещества. Наиболее подходящим сырьем являются отходы животноводства: навоз различной влажности, а также производственные и бытовые стоки животноводческих предприятий. В зависимости от влажности и наличия подстилки навоз подразделяют на подстилочный (влажность до 85%) и бесподстилочный. Различают три категории бесподстилочного навоза: полужидкий – до 97% и навозные стоки – влажностью более 97%.
Количество навоза, получаемого от определенного вида животных, зависит от их возраста, массы, продуктивности, рациона кормления, способа содержания и других факторов.
На выход навоза влияет количество экскрементов, ежесуточно выделяемых животными, объем воды, поступающей в систему навозоудаления, количества механических включений, удаляемых из помещений вместе с экскрементами (таблица 1.3).
Таблица 1.3 - Среднесуточный выход экскрементов на предприятиях крупного рогатого скота
| Животные | Выход экскрементов, кг/сут | ||
| всего | кал | моча | |
| Быки-производители | 40 | 30 | 10 |
| Коровы | 55 | 35 | 20 |
| Молодняк до 4 мес. | 7,5 | 5 | 2,5 |
| 4…6 | 14,0 | 10 | 4 |
| 6…12 | 26,0 | 14 | 12 |
| Старше 12 | 35,0 | 23 | 12 |
Вода в экскременты попадает в результате мытья кормушек, полов помещений, промывки каналов навозоудаления, при утечке из автопоилок и водопроводной сети. При содержании животных на решетчатых полах часть подстилки неизбежно попадает в навозные каналы.
В основу расчета количества исходного сырья принимаются статистические данные, полученные при эксплуатации предприятий животноводства. Химический состав экскрементов зависит от кормового рациона, качества кормов и вида животных. Так, например, в бесподстилочный навоз из кормов переходит 50 – 80% азота, 60 – 80% фосфора, 80 – 95% калия, до 90% кальция, 60% органического веществаю. При изменении рациона кормления соответственно изменяется и химический состав навоза. Бесподстилочный навоз характеризуется высоким содержанием питательных элементов, причем состав навоза свиней в значительной степени отличается от состава навоза крупного рогатого скота (КРС).
Метановое сбраживание отходов животноводства является комплексным процессом переработки отходов, в результате чего с решением экологических вопросов получаются продукты сбраживания, которые представляют определенную ценность в материальном производстве. При этом эффективность процесса метанового сбраживания, с точки зрения охраны окружающей среды, определяется той степенью обеззараживания отходов, которая будет достигнута по санитарно – гигиеническим показателям исходного сырья. Одновременно полезность продуктов, полученных в процессе сбраживания, дополнит эффективность используемого для переработки процесса. Отходы животноводства характеризуются следующими санитарно – гигиеническими показателями, а именно:
- физико – химическими (водородный показатель рН, температура, влажность, цвет, запах, содержание взвешенных частиц, ХПК, БПК5, содержание азота, калия, фосфора, кальция и т. д.);
- бактериологическими (общая микробная обсемененность, коли - титр, титр-энтерококка, наличие патогенной микрофлоры, сальмонелл и т. д.); - гельминтологическими (содержание яиц гельминтов и т. д.). Водородный показатель рН – это величина, характеризующая концентрацию (термодинамическую активность) ионов водорода в растворе. При температуре t=250С в нейтральной среде рН=7, в кислых средах рН<7, в щелочных рН>7. Величина водородного показателя численно равна отрицательному десятичному логарифму концентрации ионов водорода, выраженной в граммах на литр:
рН = -lg[Н+] (1.1)
где Н+ - концентрация ионов водорода.
Значение рН отходов свиноводческих предприятий, КРС и птицефабрик резко колеблется и может иметь значение от 4,2 до 7,8 [22]. Водородный показатель рН существенно влияет на процесс метанового сбраживания, определяя кислотность или щелочность среды, влияет на материальное оформление оборудования на той или иной стадии переработки. Температура исходного сырья зависит, в основном, от температуры тела животного, окружающей температуры и времени нахождения навоза в навозосборнике. Температура исходного сырья определяет теплотехнические характеристики оборудования на стадии подготовки сырья к метановому сбраживанию.
Влажность исходного сырья определяется многими факторами и существенно влияет как на процесс метанового сбраживания, так и на подбор и конструкцию необходимого оборудования. Количество навоза и его влажность – основные показатели определяющие производительность установки как по исходному сырью, так и по продуктам, полученным в процессе метанового брожения. На практике используют понятие относительной влажности, которая показывает содержание жидкости, отнесенное к единице массы влажного материала.
При расчетах материального баланса используется понятие содержания абсолютно сухого вещества в растворе и понятие содержания органического вещества (питательная среда), а также содержание золы, которая в процессе метанообразования не участвует.
Цвет. Навоз представляет собой темно-коричневую или желто-серую полидисперсную массу, состоящую из воды, твердых включений, растворенных в воде газов, органических и минеральных веществ растительного и животного происхождения. Цвет исходного сырья практически не влияет на процесс метанового сбраживания. Но цвет переработанных стоков связан с наличием взвешенных и растворенных веществ, поэтому при определении качества очистки используется показатель прозрачности. Для исходного сырья он равен 0. Запах. Известно, что качественный состав воздуха способствует нормальному протеканию обменных процессов в организме человека. Появление в воздухе тех или иных примесей может привести к неблагоприятным последствиям, вызвать те или иные изменения в организме.
Установлено, что при бесподстилочном содержании животных может выделяться до 20 – 30 видов различных газов, наиболее токсичными из которых являются сероводород и аммиак. В каналах и отстойниках свиноводческой фермы образуются соединения, обладающие специфическим запахом (этанол, пропазол, бутанол, гексанол, ацетон и т. д.). Наиболее высокие концентрации аммиака (0,26 мг/м3) и сероводорода (0,024 мг/м3) обнаруживаются в зоне до 1000 м от свиноводческой фермы. По мере удаления от нее концентрация этих соединений уменьшается и иногда зона высокой концентрации достигает 5000 м. Запах продуктов метанового сбраживания является показателем дезодорации и характеризует санитарно-гигиеническую эффективность системы переработки животноводческих отходов [22].
Содержание взвешенных частиц. Содержание взвешенного вещества, гранулометрический состав и крупность включений определяют конструктивные решения по оборудованию подготовки исходного сырья перед подачей в метантенк. Содержание взвешенных частиц в стоках свиноводческих комплексов колеблется в широких пределах (от 4000 до 16000 мг/л). В составе стоков животноводческого комплекса молочного рогатого скота имеется около 63 г/л взвешенного вещества [22].
Гранулометрический (фракционный) состав жидкого навоза весьма неоднороден и в значительной степени зависит от рациона кормления. Размер частиц в свином навозе колеблется от 0,01 до 5 мм. Средний размер частиц в навозе КРС составляет 0,5 мм. Однако в составе навоза могут быть включения и более крупного размера (остатки кормов, подстилки и т. д.). В жидком навозе часть сухого вещества образует поверхностную корку. Более тяжелая часть взвешенного вещества выпадает в осадок. В навозохранилище между коркой и осадком находится слой жидкости. Ориентировочно объем корки составляет около 20% с влажностью 60 – 80% при нормальной температуре. При повышении температуры корка высыхает и уплотняется, препятствуя газовыделению. Объем осадка примерно 30 – 40% с влажностью 85 – 88% [23,24]. По составу навоз содержит большое количество неорганических и органических соединений, подверженных постоянным микробиологическим и биохимическим превращениям.
Значения ХПК, БПК5, БПКП характеризуют степень загрязнения стоков животноводческого комплекса химическими и органическими веществами. Количество кислорода, необходимое для окисления органических веществ под воздействием аэробных микроорганизмов, определяет биологическую потребность в кислороде (БПКП – полная, БПК5 – за 5 суток) и выражается количеством кислорода в миллиграммах на 1 л, ХПК – определяется количеством кислорода, достаточным для химического окисления. Соотношение между органическим веществом и химической потребностью в кислороде для навоза приведено в таблице 1.4.
Значение ХПК и БПК5 в исходном жидком навозе до его переработки колеблется в широких пределах и степень снижения этих показателей характеризует эффективность технологии по которой произведена переработка. В жидком свином навозе значение ХПК колеблется от 7600 до 40000 М2О2/л, а БПК5 от 2800 до 7000 М2О2/л. В отходах крупного рогатого скота значение ХПК составляет 5500 – 12000 М2О2/л БПК5 – 1800 – 10000 М2О2/л.
Азот, фосфор, калий и др. содержащиеся в жидком навозе определяют питательную ценность навоза как органического удобрения. Количество этих веществ зависит от вида кормов, содержания в них питательных веществ, вида и продуктивности животных. Так концентрация калия в бесподстилочном навозе свиней на картофельном рационе в 1,5 – 2 раза выше, а содержание азота и фосфора на 15 – 20% ниже по сравнению с зерновым рационом. В стоках свиноводческих комплексов калия почти втрое меньше, а азота примерно столько же, сколько и в стоках крупного рогатого скота. Удобрительная ценность навоза приведена в таблице 1.4.
Таблица 1.4 - Содержание микроэлементов в навозе, мг/кг (* в пересчете на 10%-ное содержание сухого вещества ** в пересчете на 20%-ное содержание сухого вещества)
| Навоз | Микроэлементы | |||
| Mn | Mo | Cu | Zn | |
| Свиней ** | 27,3 | 0,18 | 6,9 | 36,8 |
| Крупного рогатого скота * | 31,4 | 0,17 | 3,7 | 19,2 |
| Куры * | 71,8 | 0,52 | 11,6 | 54,4 |
В бесподстилочном навозе от 50 до 70% азота находится в растворенной форме, хорошо усваивается растениями в первый же год. Азот белковых соединений по мере минерализации органического вещества также используется растениями. Содержащиеся в жидком навозе фосфор органических соединений используется растениями лучше, чем фосфор минеральных удобрений. Калий в жидком навозе представлен растворимой формой и легко усваивается.
Санитарно – гельминтологическая характеристика Биологическое загрязнение навоза животноводческих комплексов представлено различными бактериями, вирусами, яйцами и личинками гельминтов. Стоки являются благоприятной средой для развития микроорганизмов, в том числе и патогенных. Одним животным в сутки выделяется более 18 миллионов кишечных палочек. Эпидемиологическая опасность стоков животноводческих комплексов обусловлена не только наличием патогенных микроорганизмов, высокой концентрацией их, но и длительностью выживания их в отходах при сохранении вирулентных свойств. Стоки животноводческих комплексов в санитарно – эпидемиологическом отношении опасней, чем бытовые стоки. Значения таких показателей как ХПК, БПК5, содержание аммиачного азота и других в 10-50 раз, а гельминтологических – в 10-20 раз выше, чем в бытовых сточных водах.
Основными показателями зараженности жидкого навоза являются: - общая микробная обсемененность – общее число микроорганизмов в 1 мл исходного сырья;
- коли титр – показатель фекального загрязнения среды – минимальное количество материала (жидкость, обезвоженный шлам, почва), в котором содержится одна кишечная палочка;
- коло-индекс – количество кишечных палочек в л (для твердых тел в 1 кг) исследуемого материала;
- титр-энтерококка – количество энтерококк, содержащихся в 1 мл исходного сырья;
- количество яиц гельминтов – экз/л. Значения показателей приведены в таблице 1.5.
Таблица 1.5 - Зараженность жидкого навоза микрофлорой и гельминтами
| Показатель | Единица измерения | Предел колебаний | Среднее значение |
| Общая микробиообсеменненность |
Млн.кол/мл | 11-37 | 19 |
| Коли-титр | 10-5-10-7 | 10-6 | |
| Титр-ентерококка | 10-3-10-5 | 10-4 | |
| Яйца гельминтов | Экз/л | 10-200 | 105 |
При поступлении отходов животноводческих комплексов в окружающую среду без соответствующей обработки и обеззараживания возрастает опасность инфицирования возбудителями инфекционных заболеваний и яйцами гельминтов объектов окружающей среды в течение длительного промежутка времени. В основном инфицирование человека происходит при обработке почвы или употреблении плохо вымытых овощей. Животные могут инвазироваться яйцами гельминтов при выпасе на зараженной территории. Гельминтологические показатели характеризуют степень обеззараживания исходного сырья при переработке (обработке) по той или иной технологии, определяя тем самым ее эффективность.
Основные факторы влияющие на процесс метанового сбраживания.
Распад органических веществ в метантенках представляет собой сложный анаэробный процесс деструкции органических веществ, осуществляемых в результате жизнедеятельности микроорганизмов.
Окислительно-восстановительные реакции протекающие за счет ферментативного расщепления сложных органических соединений определяет множество факторов влияющих на протекание процесса метанового сбраживания. К ним относятся: свойства сырья, температурные условия протекания процесса, наличие достаточно питательной среды, значения водородного показателя при протекании процесса, время протекания процесса, интенсивность перемешивания и ряд других технологических параметров и конструктивных факторов.
Свойства сырья
Свежесть. Состав сырья и его свойства оказывают сильное влияние на ход процесса анаэробного сбраживания и на выход биогаза. Одним из таких свойств является свежесть сбраживаемого сырья.
При длительном хранении органических отходов сельскохозяйственного производства изменяется их состав и свойства, так как они являются благоприятной средой для жизнедеятельности разных видов как аэробные, так и анаэробных микроорганизмов.
Характерным признаком начавшегося разложения органического вещества является содержание летучих жирных кислот (ЛЖК). Большое содержание ЛЖК свидетельствует о том, что исходное сырье не свежее.
Наиболее резкое повышение содержания ЛЖК, снижение рН и содержания сухого органического вещества (СОВ) наблюдается в первые сутки. В течение следующих суток уменьшение содержания СОВ в жидком навозе происходит менее интенсивно, однако к концу второй недели оно достигло уже 14% [25]. При разложении СОВ увеличивается содержание кислот, изменяется рН среды. Повышенное содержание ЛЖК свидетельствует о том, что исходное сырье является уже не свежим и при загрузке его в метантенк может оказывать неблагоприятное влияние на процесс, а именно: понижает рН среды в метантенке, изменяет оптимальное соотношение микроорганизмов, вследствие чего может нарушиться нормальный ход процесса сбраживания [26].
Резкое повышение содержания ЛЖК загружаемых в биореактор навозных стоков вызывает снижение продукции биогаза и понижение содержания в нем метана.
Однако в литературе не обнаружено единого мнения исследователей о необходимости использования в экспериментах свежего навоза или же имеются некоторые различия в понятии “свежий навоз”.
Некоторые авторы считают, что навоз КРС, например, после 10-15 дней хранения по концентрации и составу органических веществ наиболее подготовлен к участию в анаэробном сбраживании, т. к. в навозе происходят микробиологические процессы, приводящие к гидролизу сложных органических соединений с образованием низкомолекулярных соединений, непосредственно участвующих в биосинтезе метана.
Состав органических веществ. Органическое вещество бесподстилочного навоза представлено органическими соединениями твердых и жидких выделений животных.
В подстилочном навозе, кроме собственно выделений животных, присутствует органическое вещество, привнесенное материалом подстилки. Как в подстилочном, так и в бесподстилочном навозе можно выделить три основные группы органического вещества: жиры, белки и углеводы.
Для определения количества образующегося биогаза предложена формула [27,28].
а=0,92ж+0,62у+0,34б (1.2)
где ж,у,б – доля жиров, углеводов и белков в 1 г СОВ;
0,92; 0,62; 0,34 - коэффициенты, означающие удельный выход биогаза (л/ч) соответственно из жиров, углеводов и белков.
В каждом конкретном случае выход биогаза зависит от пропорций углеводов, жиров и белков в отходах.
Обычный свиной навоз содержит [29] 54% углеводов, 8% липидов, 20% протенков и 18% золы. По Баадеру соотношение количеств газа, которое может быть выделено из органического вещества жидкого навоза дойных коров (Д), откормочных бычков (Б), свиной (С) и кур (К) в процессе брожения при температуре 330С, примерно равна Д:Б:С:К=5:7:8:10.
Заметным препятствием в газовыделении является присутствие лигнина. Жиры обуславливают наибольший выход биогаза с высоким содержанием СН4, белковые вещества меньше, углеводы – относительно мало биогаза с малым содержанием СН4.
Если в исходном сырье углеводов больше, чем белковых веществ то образуется мало аммонийного азота. Вследствие этого выделяется меньше СН4 и больше Н2 и СО2, что ведет к увеличению выхода кислот, снижению рН и в дальнейшем к уменьшению интенсивности метанообразования. Избыток белкови амминокислот обуславливает возрастание рН, что также ведет к затуханию процесса [9].
Наличие в исходном сырье белков, углеводов, жиров, амминокислот и неорганических солей обуславливает его поверхностно – активные вещества (ПАВ). Присутствие этих веществ, а так же некоторых других органических и неорганических соединений при соответствующих условиях (перемешивание, барботаж, подогрев) проявляется в интенсивном пенообразовании. Пенообразованием сопровождаются и проходящие в метантенке некоторые биохимические реакции, в результате которых выделяются газы, как новая дисперсная фаза. К числу таких реакций относятся реакции окисления органических кислот, например, молочной кислоты
СН3СНОНСООН+Н2О=СН3СООН+СО2+Н2О
Восстановление окиси углерода до метана
СО2+4Н2→ СН4+2Н2О
Пенообразование вызывает ряд технологических затруднений нарушая ритмичность производства вследствие забивания пеной оборудования и коммуникаций (трубопроводы, сепараторы, контрольно – измерительные приборы и др.).
Кроме этого влияние поверхностно – активных веществ проявляется в уменьшении газовыделения, снижении степени распада органического вещества и изменении доли участия в распаде жиров, белков и углеводов, что вызывает изменения в составе биогаза и отферментированной массы [9].
Активное пенообразование, без принятия эффективных мер по пеногашению требует увеличения объема газовой полости метантенка.
Содержание твердых частиц В животноводческих отходах присутствуют самые разнообразные твердые частицы. Такие твердые вещества, как песок, цемент, глина и др., плотность которых выше плотности жидкого навоза “опускаются” на дно, что обуславливает образование осадка, другие материалы флотируют и образуют корку на поверхности сбраживаемого субстрата. Все это приводит к уменьшению газообразования.
Для эффективного осуществления процессов микробной трансформации субстрата в биогаз необходимо обеспечение активного массо – обмена между твердой, жидкой и газообразной фазами и бактериальной клеткой. Этот процесс осуществляется в основном размер частиц твердого материала должен быть как можно меньше.
Эффективность процесса метаногенеза может быть обеспечена только в том случае, если вязкость сбраживаемого навоза допускает определенную скорость достижения фазового равновесия [9]. Верхняя граница концентрации твердых частиц, при которой еще возможно свободное перемещение фаз, соответствует 10–12%. Большинство авторов считает, что для животноводческих отходов оптимальным является содержание твердых частиц 3-10%. При больших значениях этого показателя, например, при влажности куриного помета [30] или навоза КРС [31] 86% наблюдается резкое снижение удельного выхода биогаза. Ряд авторов считает, что минимально возможная влажность обрабатываемой массы не должна быть ниже 85% и выше 97%, т.е. содержание сухого органического вещества должно быть в пределах 3-15% [32, 24]. Оптимальным считается содержание сухого вещества 8-10% [33]. Исследования показали, что удельный выход биогаза при влажности 92-96% изменяется незначительно. При этом отмечено, что при увеличении концентрации сухого вещества (а следовательно, вязкости субстрата) перемещение его по трубопроводам затрудняется, что ухудшает эксплуатационные показатели установки. По данным экспериментов оптимальное значение влажности составляет 92-94%. Соотношение углерод – азот (С: N ). Активность микробной реакции при размножении бактерий в процессе анаэробного сбраживания в значительной мере определяется соотношением углерода и азота.
Исходное сырье для метанового брожения отличается большим разнообразием и имеет разные соотношения С:N (таблица 1.6.)
Таблица 1.6-Соотношение С:N в сельскохозяйственных отходах, поступающих на переработку
| Отходы | С:N | Источник информации | |
| Свиной навоз | 4-5 10 9-15 6,2-13,4 | [34] [31] [9] [35] | |
| Навоз КРС | 18 9-15 | [31,35,36] [9] | |
| Навоз дойных коров | 19,9 17,4 | [35,36] [25] | |
| Лошадиный навоз | 25 | [31,35,36] | |
| Силосный сок | 10 | [31] | |
| Птичий помет | 7-15 9-15 10,6 | [35,36] [9] [31] | |
| Солома | 4,8 150 | [35,36] [31] | |
| Рисовые стебли | 83,5 | [35,36] | |
| Сырые опилки | 208 | [35,36] | |
| Отходы льна | 58 | [35,36] | |
Критериями оптимальности соотношения С:N в этих исследованиях обычно служил выход биогаза. Если соотношение С:N в навозе чрезмерно велико, то недостаток азота ограничивает процесс метанового сбраживания, если же указанное соотношение чрезмерно мало, то в процессе сбраживания образуется такое количество аммиака, что он становится токсичн6ым для бактерий.
Для достижения оптимального соотношения С:N смешивают разные отходы, получая при этом более высокий выход биогаза (таблица 1.7).
Таблица 1.7 - Увеличение продукции биогаза при смешивании разных отходов
| Отходы | Продукция биогаза, м3/кг загр. | Увеличение продукции, % |
| Навоз | 0,380 0,186-0,202 | - - |
| Свиной навоз | 0,569 0,240-0,310 | - - |
| Помет птиц | 0,617 0,294-0,355 | - - |
| Сорные травы | 0,277 | - |
| Навоз КРС+св. навоз (1:1) | 0,510 0,285-0,320 | 7 - |
| Навоз КРС+сорняки (1:1) | 0,363 | 5 |
| Навоз КРС+помет птиц (1:1) | 0,528 | 6 |
| Свиной навоз+куриный помет (1:1) | 0,634 0,355-0,377 | 6 - |
| Свиной навоз+куриный помет+навоз КРС (1:0,5:0,5) | 0,585 | 11 |
| Свиной навоз+куриный помет+навоз КРС (1:1:1) | 0,333 | - |
| Куриный помет+сорняки | 0,495 | 1 |
| Свиной навоз | 0,385 | - |
| Свиной навоз+навоз КРС (1:1) | 0,320 | - |
| Свиной навоз+измельченные сорняки (5л+5кг) сут | 0,423 | - |
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 920; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!