Концентрация водородных ионов
Этот параметр процесса имеет большое значение для жизнедеятельности метановых бактерий.
Как правило, бактерии более активны при рН 6,4-7,2. При рН 8 и рН6 скорость роста бактерий быстро падает [1,9,33,37].
Величина рН при анаэробном сбраживании обусловлена несколькими кислотно – щелочными реакциями. Подкисление среды происходит вследствие образования ЛЖК, а также образования угольной кислоты при гидратации СО2. Подщелачивание среды происходит путем потребления ЛЖК метанообразующими бактериями и дезиминирования азотосодержащих соединений [21].
Как было отмечено, в процессе анаэробного распада значение рН, обеспечивающее требуемое карбонатно – бикарбонатное равновесие системы, составляют 6-8. так как содержание СО, в жидкости зависит от содержания СО2 в газовой фазе, а при определенной длительности процесса сбраживания состава газа остается относительно постоянным, то рН системы является функцией концентрации бикарбонатов [21]. Для контроля процесса важно определить бикарбонатную щелочность (БЩ), которая, в свою очередь, обуславливает рН среды. Соотношение между общей щелочностью и БЩ определяется уравнением [21]:
БЩ=ОЩ*-0,71ЛЖК (1.3)
где БЩ – бикарбонатная щелочность, мг/л СаСО3; ОЩ – общая щелочность, мг/л СаСО3 определяемая титрованием до рН4;
|
|
|
ЛЖК – содержание летучих низких жирных кислот, мг/л уксусной кислоты;
0,71 – произведение двух коэффициентов 0,83 и 0,85;
0,83 – коэффициент перевода содержания летучих кислот, выраженного в эквивалентах уксусной кислоты, в эквиваленты щелочности СаСО3, а коэффициент 0,85 показывает, что при рН4 около 85% ацетата превращается в кислую форму.
В качестве оптимальных определяющих рН значений могут быть названы: - щелочность 150…5000 мг СаСО3 на 1 л субстрата;
- содержание летучих жирных кислот 600…1500 мг на 1 л субстрата.
При нормальном ходе процесса метанового сбраживания жизнедеятельность бактерий кислой и щелочной фаз протекает согласованно, т. е. все промежуточные продукты распада кислой фазы перерабатываются бактериями щелочной фазы. При каких – либо нарушениях процесса вследствие перегрузки метантенка, резкого изменения температуры или других причин прежде всего нарушается активность метановых бактерий, наиболее чувствительных к изменениям условий среды. В этом случае в метантенке отмечается возрастание концентрации продуктов кислой фазы, что свидетельствует о закисании субстрата. Признаками нарушения процесса анаэробного сбраживания являются: снижение щелочности, уменьшение величины рН, рост содержания летучих кислот; увеличение доли СО2 в выделяющемся биогазе, снижение его выхода.
|
|
|
Для восстановления нормального хода процесса необходимо, во – первых установить причину возмущения, а во – вторых добавить какой – либо щелочной реагент. Для раскисления метантенка обычно применяют Mg(ОН)2, NаОН, известковое молоко, однако лучшим реагентом для этих целей считается бикарбонат натрия NaНСО3, так как каустическая сода, кальцинированная сода и известь не приводят к повышению бикарбонатной щелочности без связывания растворенного СО2, а это в свою очередь, снижает парциальное давление СО2 в газовой фазе. При рН выше 6,3 известь может реагировать с бикарбонатом натрия, образуя на поверхностях биореактора плотную корку осадка карбоната кальция [25].
Некоторые источники сообщают, что навоз КРС при влажности 89-98% можно подвергать анаэробному сбраживанию без предварительной обработки; так как значение рН сбраживаемой массы в этом случае находится на уровне 7-8 единиц. Навоз же свиной целесообразно перерабатывать в анаэробных условиях после предварительного раскисления. В качестве раскисляющего агента можно использовать навоз крупного рогатого скота. Соотношение объема навоза КРС (V1) и навоза свиней (V2) должно составлять при этом V1:V2 = 2:3 [7, 24]. Значение рН такой смеси находится в пределах 7,0 – 7,2.
|
|
|
1.3.2.3 Температурный режим
Температура – один из наиболее важных параметров определяющих скорость процесса и производительность анаэробных реакторов.
Известно, что метановое брожение может протекать в диапазонах температур от 0 до 970С [38]. Однако на практике используют следующие режимы работы реакторов: психофильный (200С), мезофильный (20 – 450С) и термофильный (50 – 650С).
Влияние температуры на видовой состав микрофлоры изучено пока недостаточно, но считается, что микрофлора мезофильного режима по количеству и разнообразию видов гораздо богаче, чем микрофлора термофильного режима. Метановые бактерии мезофильного и термофильного режимов представлены разными видами, однако это не влияет на качественный состав образующихся продуктов.
Некоторыми авторами утверждается, что возбудителями термофильного и мезофильного брожения обычно являются варианты одних и тех же видов бактерий, различающихся лишь температурным оптимумом развития. Оптимальная температура для мезофильного процесса составляет 32 – 330С, для термофильного – 52 – 540С [1, 37, 39, 40, 41, 42]. В последние годы находит применение так называемый термотолерантный режим 39 – 420С [43, 44]. Чем выше температура, тем выше скорости биохимических процессов, то есть наиболее производительным является термофильный режим, обладая однако рядом недостатков, основным из которых является дополнительный расход энергоресурсов для поддержания процесса. Кроме того, этот режим менее стабилен по сравнению с мезофильным. Так, при работе в мезофильном режиме при 380С допустимое значение колебания температуры составляет +2,80С, при работе в термофильном режиме при 52 ± 0,30С [33]. Поэтому, большое количество анаэробных реакторов в настоящее время работает при 30 – 400С, что обеспечивает приемлемые скорости очистки, относительную энергетическую выгодность и стабильность процесса за счет существования довольно большого количества мезофильных микроорганизмов.
|
|
|
Однако, при термофильном режиме сбраживания происходит не только более быстрое, но и более глубокое преобразование органических веществ. В связи с этим за счет возможности увеличения суточной дозы загрузки производительность сооружений, работающих в термофильном режиме, примерно вдвое выше производительности сооружений, работающих в мезофильном режиме.
Считают также, что термофильный режим более устойчив к воздействию различных ингибирующих примесей производственных сточных вод. Положительной стороной термофильного сбраживания является надежная дегельминтизация сброженной массы, то есть обезвреживание яиц гельминтов, что способствует улучшению санитарно – гигиенических показателей сброженной массы и делает возможным использование ее в качестве удобрения без загрязнения почвы.
Таким образом, несмотря на отдельные и довольно существенные недостатки термофильного процесса брожения, его технологические и эксплуатационные преимущества очевидны.
Поэтому термофильное метановое сбраживание находит широкое применение.
Колебание температуры сбраживаемой массы в метантенке выше или ниже оптимальной оказывает отрицательное влияние на скорость сбраживания [25]. Причем, чем длительнее колебание, тем устойчивее его влияние. Так, например, при понижении температуры с 50 до 400С и поддержания ее в течение 2 суток с последующим повышением до 500С выход газа в течение нескольких последующих суток уменьшается примерно на 11%, а при поддержании температуры 400С в течение 5 суток – на 37%.
Понижение температуры с 50 до 200С и поддержание ее от 2 до 5 суток полностью прекращает газовыделение из метантенка.
Исследовано влияние температуры на интенсивность выделения биогаза при анаэробном сбраживании жидкого свиного навоза, при дозе загрузки 10%. Проведенные лабораторные микробиологические исследования метаногенного анаэробного консорциума, ответственного за трансформацию сырья, показали, что наиболее массовой формой метановой микрофлоры является Metanosarcina. Выделены как мезофильные, так и термофильные культуры, однако доминирующее положение принадлежит мезофильным формам. Область оптимальных температур для мезофильного режима составляет 37 – 420С, что совпадает с данными других исследователей [45, 46], а для термофильного режима оптимум составляет 58 – 610С, что несколько выше температур, рекомендуемых обычно для этого режима. Выход биогаза в термофильном режиме на 15 – 20% выше, чем в мезофильном, но относительное содержание метана в газе на 20 – 25% ниже, хотя по некоторым другим данным ухудшение состава биогаза при термофильном сбраживании не происходит.
Доза загрузки
В технологическом процессе сбраживания наибольшая интенсивность метаногенеза достигается, если количество органического вещества, которое добавляется в единицу времени к находящемуся в метантенке субстрату, составляет уже трансформированному к данному моменту количеству органического вещества [1, 9].
Многими экспериментальными исследованиями установлено, что от дозы загрузки исходного сырья в биореакторы в большой мере зависит эффективность процесса метанового сбраживания, степень разложения органических веществ, количество получаемого биогаза и объем биореактора, а следовательно, величина капитальных и эксплуатационных затрат [47, 48, 49, 50].
Доза загрузки – это величина загружаемого в биореактор свежего сырья в сутки.
На практике дозу суточной загрузки сырья в метантенк принято выражать следующим образом:
- по объему загружаемого сырья (Д) в процентах от объема сооружения,
об %;
- по беззольному веществу (Дб) в кг на 1 м3 объема метантенка [7].
Д = (ОЗС . 100%)/ОСБ (1.4)
где ОЗС – объем загружаемого сырья,
ОСБ - объем сырья в биореакторе.
Доза загрузки по беззольному веществу Дб является показателем нагрузки на микроорганизмы по количеству беззольного вещества, загружаемого за одни сутки в кг, на 1 м3 объема сооружения. Дб учитывает химический состав загружаемого сырья и изменения в зависимости от его характеристики. Между Д и Дб существует взаимная зависимость, которая выражается следующим уравнением:
Дб = Д(100-В) (100-З)/1000 (1.5)
где В – влажность сырья, %;
З – зольность сырья, %.
Выбор величины Д зависит от многих параметров, основными из которых являются влажность сырья и температура метаногенеза. Так, в зависимости от влажности доза загрузки для мезофильного процесса обычно колеблется в пределах 7 – 11%, а для термофильного – 14 – 22% (таблица 1.10) [51].
По другим данным [32, 52] процесс термофильного сбраживания идет стабильно при дозе загрузки от 2 до 50%, а для мезофильного процесса оптимальная доза загрузки составляет 4,5 – 5,0% [53].
По данным [9] наибольший выход биогаза из навоза различных сельскохозяйственных животных при условии хорошего перемешивания и небольшой вязкости субстрата может быть получен при значениях загрузки метантенка, приведенных в таблице 1.11.
Таблица 1.8 – Оптимальные суточные дозы загружаемого сырья в метантенк, работающий в различных температурных режимах
| Влажность | Доза загрузки при различных температурных режимах, % | |
| мезофильный | термофильный | |
| 93 | 7 | 14 |
| 94 | 8 | 16 |
| 95 | 9 | 18 |
| 96 | 10 | 20 |
| 97 | 11 | 22 |
Таблица 1.9 – Доза загрузки метантенка (Дб), время пребывания и степень биодеградации органического вещества при мезофильном процессе брожения (330С)
| Сбраживаемое сырье | Загрузка метантенка, кг органического вещества на 1 м3 в сутки | Время пребывания массы в реакторе, сут. | Степень биодеградации, % |
| Навоз дойных коров | 6,0 | 15 | 40 |
| Навоз бычков на откорме | 4,5 | 10 | 40 |
| Навоз свиней | 3,0 | 10 | 50 |
| Помет кур - несушек | 1,5 | 50 | 55 |
1.3.2.5 Время пребывания сбраживаемой массы в метантенке
Этот показатель играет существенную роль как в определении конструктивных решений установки, так и в ее эффективности.
Время полного цикла сбраживания для различного сырья очень велико (таблица 1.10).
Таблица 1.10 – Выход биогаза в зависимости от времени сбраживания при 300С [54]
| Сбраживаемый материал | Выход биогаза отнесенный к массе сухого орг. в-ва, мл/г | Содержание СН4 в биогаза, % | Время полного цикла, сут. | Выход биогаза от его общего количества по истечении, % | ||
| 10. сут. | 15. сут. | 20. сут. | ||||
| Свиной навоз | 415 | 81 | 115 | 40 | 57 | 68 |
| Навоз молодняка КРС | 315 | 80 | 117 | 24 | 36 | 48 |
Чем больше продолжительность процесса по времени, тем больше объемы метантенков.
Выбор продолжительности пребывания массы в реакторе зависит с одной стороны, от скорости реакций сбраживания конкретного вида сырья, а с другой стороны, от заданной степени разложения. При увеличении времени брожения, кроме того, улучшается качество получаемого газа, то есть увеличивается содержание СН4 и одновременно уменьшается содержание СО2.
На практике продолжительность брожения в зависимости от состава сырья выбирают в следующих пределах: при 10 – 250С – до 30 сут., при 25 – 450С – от 10 до 20 сут., при 45 – 600С – от 4 до 8 суток.
По данным [32, 52, 55] оптимизация сырья по составу перед подачей в метантенк позволяет значительно интенсифицировать процесс непрерывного брожения и сократить цикл брожения до 1 – 5 суток.
Анализ результатов полученных различными исследователями показывает, что время пребывания массы в метантенке связывается с оптимальным получением биогаза, температурой процесса, объемом метантенка и степенью разложения органического вещества.
Но следует всегда помнить, что метановое сбраживание это процесс, который способен дать огромную пользу в обеззараживании исходного сырья. Эффективность санитарно–эпидемиологической очистки после метанового сбраживания определяется температурным режимом и продолжительностью процесса сбраживания.
1.3.2.6 Перемешивание
Перемешивание сбраживаемой массы обеспечивает в метантенках контакт микрофлоры с питательной средой, равномерное распределение микроорганизмов в объеме, смешение исходного субстрата с уже сброженным, предотвращает перегрев ферментной массы вблизи нагревательных элементов. Перемешивание обеспечивается равномерностью температуры по всему объему биореактора, предотвращается образование корки на поверхности субстрата, выпадение в осадок песка и тем самым улучшается газообразование и интенсифицируется процесс сбраживания, то есть перемешивание сбраживаемой массы является одной из основных предпосылок высокой скорости метаногенеза. Установлено [37], что при влажности сырья выше 87 – 88% происходит процесс расслоения сбраживаемого навоза и интенсивность газовыделения снижается. Перемешивание обеспечивает однородность сбраживаемой массы. В то же время следует учитывать, что микроорганизмы метанового сбраживания заметно реагируют на кратковременные изменения давления среды, вызываемые перемешиванием субстрата, так как при этом создаются высокие скорости относительного перемешивания слоев и происходит разрыв оболочек микроорганизмов. Поэтому необходимо определить оптимальные значения основных параметров интенсивности перемешивания – продолжительности и частоты, при которых не происходит нарушение деятельности метановых бактерий. По мнению [56] скорость движения субстрата при перемешивании не должна быть выше 0,5 м/с. В работе [32] рекомендуется перемешивание массы производить через каждые 5 – 6 час.
Данные о влиянии непрерывного перемешивания на интенсивность метанового сбраживания весьма противоречивы [25]. Так, например, в экспериментах [57] установлено, что непрерывное перемешивание в метантенке навоза откормочных бычков увеличивает выход биогаза на 8 – 11% по сравнению с таковым при перемешивании в течение 2ч в сутки [58].
1.3.2.7 Давление
Эффективность производства биогаза в значительной степени зависит от давления в камере сбраживания. По данным [57] выход биогаза при разложении в камере до 800 мм.вод.ст. в 2 раза больше, чем при давлении 400 – 500 мм.вод.ст., и авторы рекомендуют вести процесс под разрежением. В работе [59] в качестве оптимального указано давление 500 – 700 мм.вод.ст., то есть рекомендации разных исследователей весьма противоречивы.
Эксплуатация метантенков под разрежением имеет ряд существенных недостатков, в частности, использование вакуумной техники значительно усложняет и удорожает схему, а главное, не обеспечивает безопасности ведения процесса, то есть при нарушении герметичности аппарата возможно образование взрывоопасной смеси метана с воздухом. Применение разрежения нецелесообразно также с точки зрения дальнейшего потребления биогаза – это его сжигание в газовых горелках, а в связи с тем, что в современном теплотехническом оборудовании и трубопроводах котельных, работающих на природном газе, поддерживается давление 200 – 400 мм.вод.ст. (2000 – 4000 Па), для удобства потребления биогаза целесообразно в метантенке, трубопроводах и газгольдере поддерживать такое же давление.
Были проведены исследования по влиянию давления в интервале 0 – 400 мм.вод.ст. на выход биогаза из жидкого свиного навоза при температуре 410С, дозе загрузки 10%. Результаты экспериментов представлены в таблице 1.11.
Таблица 1.11 – Результаты экспериментов
| Давление, Па | 0 | 500 | 1000 | 1500 | 2000 | 3000 | 4000 |
| Количество биогаза, л/сутки | 36,0 | 35,5 | 34,5 | 33,0 | 32,0 | 29,5 | 27,5 |
Из таблицы видно, что выход биогаза снижается с увеличением давления от 0 до 4000 Па на 25%, что согласуется с данными [32]. По-видимому, длительное присутствие биогаза в среде обитания метанообразующих бактерий оказывает угнетающее действие на их развитие и снижает интенсивность процесса сбраживания, так как биогаз является продуктом микробиального метаболизма. Тем не менее, с точки зрения организации технически рациональной и безопасной технологии метанового сбраживания навоза целесообразной технологии метанового сбраживания навоза целесообразно поддерживать давление в метантенке 2000 – 4000 Па.
1.3.2.8 Ингибиторы процесса
Ряд веществ может оказывать ингибирующее действие на процесс метанового сбраживания, причем токсичность их по отношению к микроорганизмам проявляется тогда, когда они находятся в растворе. При переходе в нерастворимое состояние их токсичное действие прекращается, так как в этом случае вещества не могут проходить сквозь стенки микроорганизмов.
К веществам, которые при определенной концентрации препятствуют жизнедеятельности микроорганизмов, относятся тяжелые металлы и их соли, щелочные металлы, щелочноземельные металлы, аммиак, нитраты, сульфиды, детергенты, органические растворители, антибиотики.
Токсичность веществ зависит от адаптации культуры. Если концентрация потенциально токсичных веществ медленно возрастает, то многие биологические организмы могут мобилизовать свои метадолические ресурсы, блокируя тем самым проявления действия токсических веществ.
В таблице 1.12 представлены значения предельно допустимых концентраций вредных веществ – ингибиторов в сточных водах, поступающих на очистку в метантенк, установленные СН 173-61.
При суммарном содержании соединений различных тяжелых металлов допустимые концентрации каждого ингредиента должны быть уменьшены на 30-50% от приведенных величин [7].
При ухудшении процесса брожения связанного с наличием в сбраживаемом субстрате растворенных соединений тяжелых металлов и уменьшением газообразования, предлагают [58] в метантенк вводить некоторое количество сульфатов или сульфидов, при этом образуются нерастворимые соединения металлов и корректировка процесса достигается в течение нескольких дней.
В настоящее время большое внимание уделяется изучению влияния поверхностно – активных веществ (ПАВ) на анаэробные процессы в метантенках [60]. Результаты исследований не однозначны, но общим является то, что ПАВ оказывают влияние как на мезофильный, так и на термофильный процессы брожения. Влияние ПАВ зависит от их типа и концентрации в стоках. Отрицательное влияние ПАВ проявляется в уменьшении газовыделения, снижении степени распада органического вещества и изменении доли участия в распаде этого вещества жиров, белков и углеводов, что вызывает изменения в составах газа и отферментированной жидкости [9].
Таблица 1.12 – Значения ПДК некоторых ингибиторов в сточных водах
| Ингибиторы | ПДК в сточных водах, мг/л |
| Аммоний сернокислый | 5 |
| Медь | 25 |
| Никель | 500 |
| Свинец | 50 |
| Хром трехвалентный | 25 |
| Хром шестивалентный | 3 |
| Ацетон | 800 |
| Цианистые соединения | 30 |
| Бензол | 200 |
| Спирт | 100 |
| Спирт метиловый | 5000 |
| Толуол | 200 |
| Троторотолуол | 60 |
| Детергенты (синтетические ПАВ) ОП-7, ОП-10 | 100 |
| Сульфопол | 200 |
Исходя из необходимости обеспечения хотя бы минимального уровня распада органического вещества (35%), установлены предельно допустимые нагрузки ПАВ [7]:
- для слаботормозящих процесс брожения до 85 г/м3 сут;
- для сильнотормозящих процесс до 140 г/м3 сут.
Таким образом, технологический процесс в метантенках следует обеспечивать с обязательным учетом предельно допустимой нагрузки конкретного ПАВ.
Для органических растворителей, антибиотиков нет точных данных о критических концентрациях, однако эти вещества даже в самых незначительных количествах приводят к ингибированию процесса метанового брожения.
РАЗДЕЛ 2
ПРОЕКТИРОВАНИЕ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ МАЛОГО КЛАССА ДЛЯ ИНДИВИДУАЛЬНОГО ФЕРМЕРСКОГО ХОЗЯЙСТВА
Для каждого производственного процесса помимо затрат труда требуются материалы (сырье) подвергающееся обработке, энергия, машины и аппараты, при помощи которых осуществляется та или иная технология.
Для определения расхода исходных материалов, выхода готовых продуктов, размеров и производительности аппаратов, входящих в установку, необходимо предварительно провести материальные расчеты.Материальные расчеты дают возможность правильно выбрать схему технологического процесса. Одной из характеристик оборудования, установки является производительность. Производительность выражается количеством сырья, поступающего на переработку в единицу времени или же количеством продуктов получаемых в единицу времени при переработке. Установки метанового сбраживания характеризуются следующими показателями производительности:
- производительность по перерабатываемому навозу, т/сутки;
- производительность по биогазу, м3/сутки;
- производительность по обезвоженному шламу, т/сутки;
- производительность по жидким стокам, м3/сутки.
Интенсивность процесса метанового сбраживания характеризуется производством биогаза на единицу объема метантенка.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 231; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!