Поддержка анаэробных условий в реакторе
Жизнедеятельность метанообразующих бактерий возможна только при отсутствии кислорода в реакторе биогазовой установки, поэтому нужно следить за герметичностью реактора и отсутствием доступа в реактор кислорода.
Соблюдение температурного режима
Температурные рамки процесса сбраживания
Поддержка оптимальной температуры является одним из важнейших факторов процесса сбраживания. В природных условиях образование биогаза происходит при температурах от 0°C до 97°C, но с учетом оптимизации процесса переработки органических отходов для получения биогаза и биоудобрений выделяют 3 температурных режима:
• Психофильный температурный режим определяется температурами до 20 – 25°C,
• Мезофильный температурный режим определяется температурами от 25°C до 40°C и
• Термофильный температурный режим определяется температурами свыше 40°C.
Минимальная средняя температура
Степень бактериологического производства метана увеличивается с увеличением температуры. Но, так как количество свободного аммиака тоже увеличивается с ростом температуры, процесс сбраживания может замедлиться. В среднем, биогазовые установки без подогрева реактора демонстрируют удовлетворительную производительность только при среднегодовой температуре около 20°C или выше, или когда средняя дневная температура достигает по меньшей мере 18°C. При средних температурах в 20-28°C производство газа непропорционально увеличивается. Если же температура биомассы менее 15°C, выход газа будет так низок, что биогазовая установка без теплоизоляции и подогрева перестает быть экономически выгодной.
Оптимальная температура
Сведения относительно оптимального температурного режима различны для разных видов сырья, но на основании эмпирических данных установок ОФ «Флюид», работающих в Кыргызстане на смешанном навозе КРС, свиней и птиц, оптимальной температурой для мезофильного температурного режима является 34 – 37°C, а для термофильного 52 – 54°C. Психофильный температурный режим соблюдается в установках без подогрева, в которых отсутствует контроль за температурой. Наиболее интенсивное выделение биогаза в психофильном режиме происходит при 23°C.
Изменения температуры
Процесс биометанации очень чувствителен к изменениям температуры. Степень этой чувствительности, в свою очередь, зависит от температурных рамок, в которых происходит переработка сырья. При процессе ферментации могут быть допустимы изменения температуры в пределах:
• Психофильный температурный режим: ± 2°C в час
• Мезофильный температурный режим: ± 1°C в час
• Термофильный температурный режим: ± 0,5°C в час
Термофильный или мезофильный режим?К преимуществам термофильного процесса сбраживания относятся: повышенная скорость разложения сырья и, следовательно, более высокий выход биогаза, а также практически полное уничтожение болезнетворных бактерий, содержащихся в сырье.
Недостатками термофильного разложения являются: большое количество энергии, требуемое на подогрев сырья в реакторе, чувствительность процесса сбраживания к минимальным изменениям температуры и несколько более низкое качество получаемых биоудобрений.
При мезофильном режиме сбраживания сохраняется высокий аминокислотный состав биоудобрений, но обеззараживание сырья не такое полное, как при термофильном режиме.
Питательные вещества
Для роста и жизнедеятельности метановых бактерий необходимо наличие в сырье органических и минеральных питательных веществ. В дополнение к углероду и водороду, создание биоудобрений требует достаточного количество азота, серы, фосфора, калия, кальция и магния и некоторого количества микроэлементов – железа, марганца, молибдена, цинка, кобальта, селена, вольфрама, никеля и других. Обычное органическое сырье – навоз животных содержит достаточное количество вышеупомянутых элементов.
Время сбраживания
Оптимальное время сбраживания зависит от дозы загрузки реактора и температуры процесса сбраживания. Если время сбраживания выбрано слишком коротким, при выгрузке сброженной биомассы бактерии из реактора вымываются быстрее, чем могут размножаться и процесс ферментации практически останавливается. Слишком продолжительное выдерживание сырья в реакторе не отвечает задачам получения наибольшего количества биогаза и биоудобрений за определенный промежуток времени.
Время оборота реактора
При определении оптимальной продолжительности сбраживания пользуются термином «время оборота реактора». Время оборота реактора – это то время, в течение которого свежее сырье, загруженное в реактор, перерабатывается, и его выгружают из реактора.
Для систем с непрерывной загрузкой среднее время сбраживания определяется отношением объема реактора к ежедневному объему загружаемого сырья. На практике, время оборота реактора выбирают в зависимости от температуры сбраживания и состава сырья в следующих интервалах:
• Психофильный температурный режим: от 30 до 40 и более суток
• Мезофильный температурный режим: от 10 до 20 суток
• Термофильный температурный режим: от 5 до 10 суток
Суточная доза загрузки сырья
Суточная доза загрузки сырья определяется временем оборота реактора и увеличивается с увеличением температуры в реакторе. Если время оборота реактора составляет 10 суток, то суточная доля загрузки будет составлять 1/10 общего объема загружаемого сырья. Если время оборота реактора составляет 20 суток, то суточная доля загрузки будет составлять 1/20 общего объема загружаемого сырья. Для установок, работающих в термофильном режиме, доля загрузки может составить до 1/5 общего объема загрузки реактора.
Время переработки сырья
Выбор времени сбраживания зависит также и от типа перерабатываемого сырья. Для следующих видов сырья, перерабатываемого в условиях мезофильного температурного режима, время, за которое выделяется наибольшая часть биогаза, равно примерно:
• Жидкий навоз КРС: 10 -15 дней
• Жидкий свиной навоз: 9 -12 дней
• Жидкий куриный помет: 10- 15 дней
• Навоз, смешанный с растительными отходами: 40-80 дней
Кислотно-щелочной баланс pH
Метанопродуцирующие бактерии лучше всего приспособлены для существования в нейтральных или слегка щелочных условиях. В процессе метанового брожения, второй этап производства биогаза является фазой активного действия кислотных бактерий. В это время уровень pH снижается, то есть среда становится более кислой.
Однако, при нормальном ходе процесса жизнедеятельность разных групп бактерий в реакторе проходит одинаково эффективно и кислоты перерабатываются метановыми бактериями. Оптимальное значение pH колеблется в зависимости от сырья от 6,5 до 8,5.
Измерить уровень кислотно-щелочного баланса можно с помощью лакмусовой бумаги. Значения кислотно-щелочного баланса будут соответствовать цвету, приобретаемому бумагой при ее погружении в сбраживаемое сырье.
Соотношение содержания углерода и азота
Одним из наиболее важных факторов, влияющих на метановое брожение, является соотношение углерода и азота в перерабатываемом сырье. Если соотношение C/N чрезмерно велико, то недостаток азота будет служить фактором, ограничивающим процесс метанового брожения. Если же это соотношение слишком мало, то образуется такое большое количество аммиака, что он становится токсичным для бактерий.
Микроорганизмы нуждаются как в азоте, так и в углероде для ассимиляции в их клеточную структуру. Различные эксперименты показали, выход биогаза наибольший при уровне соотношения углерода и азота от 10 до 20, где оптимум колеблется в зависимости от типа сырья. Для достижения высокой продукции биогаза, практикуется смешивание сырья для достижения оптимального соотношения C/N.
Таблица 3. Содержание азота и отношение соотношение содержания углерода и азота для органических веществ
| Биоферментируемый материал | Азот N [%] | Соотношение углерода и азота C/N |
|---|---|---|
| КРС | 1,7 – 1,8 | 16,6 – 25 |
| Куриный | 3.7 – 6,3 | 7,3 – 9.65 |
| Конский | 2,3 | 25 |
| Свиной | 3,8 | 6,2 – 12,5 |
| Овечий | 3,8 | 33 |
Выбор правильной влажности сырья
Беспрепятственный обмен веществ в сырье является предпосылкой для высокой активности бактерий. Это возможно только в том случае, когда вязкость сырья допускает свободное движение бактерий и газовых пузырьков между жидкостью и содержащимися в ней твердыми веществами. В отходах сельскохозяйственного производства имеются разные твердые частицы.
Твердые и сухие вещества в сырье
Твердые частицы, например: песок, глина и др., обуславливают образование осадка. Более легкие материалы поднимаются на поверхность сырья и образуют корку на его поверхности. Это приводит к уменьшению газообразования. Поэтому рекомендуется тщательно измельчать перед загрузкой в реактор растительные остатки: солому, объедки и др., и стремится к отсутствию твердых веществ в сырье.
Содержание сухих веществ определяются влажностью навоза. При влажности 70%, в сырье содержится 30% сухих веществ. Примерные значения влажности навоза и экскрементов (навоз и моча) для различных видов животных, приводятся в таблице 4.
Таблица 4. Количество и влажность навоза и экскрементов на 1 животное
| Виды животных | Среднесуточное количество навоза, кг/сутки | Влажность навоза, [%] | Среднесуточное количество экскрементов, кг/сутки | Влажность экскрементов, [%] |
|---|---|---|---|---|
| КРС | 36 | 65 | 55 | 86 |
| Свиньи | 4 | 65 | 5,1 | 86 |
| Птица | 0,16 | 75 | 0,16 | 75 |
Влажность сырья, загружаемого в реактор установки, должна быть не менее 85% в зимнее время и 92% в летнее время года. Для достижения правильной влажности сырья навоз обычно разбавляют горячей водой в количестве, определяемом по формуле: ОВ = Н×( (В2 – В1):(100 – В2)), где Н – количество загружаемого навоза, В1 – первоначальная влажность навоза, В2 – необходимая влажность сырья, ОВ – количество воды в литрах. В таблице приводятся необходимое количество воды для разбавления 100 кг навоза до 85% и 92% влажности.
Таблица 5. Количество воды для достижения необходимой влажности на 100 кг навоза
| Необходимая влажность |
Первоначальная влажность сырья |
||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 60% | 65% | 70% | 75% | 80% | 85% | 90% | 85% | 166 литров | 133 литра | 100 литров | 67 литров | 33,5 литра | – | – |
| 92% | 400 литров | 337 литров | 275 литров | 213 литров | 150 литров | 87,5 литра | 25 литров |
Регулярное перемешивание
Для эффективной работы биогазовой установки и поддерживания стабильности процесса сбраживания сырья внутри реактора, необходимо периодическое перемешивание. Главными целями перемешивания являются:
• высвобождение произведенного биогаза;
• перемешивание свежего субстрата и популяции бактерий (прививка);
• предотвращение формирования корки и осадка;
• предотвращение участков разной температуры внутри реактора;
• обеспечение равномерного распределения популяции бактерий;
• предотвращение формирования пустот и скоплений, уменьшающих эффективную площадь реактора.
При выборе подходящего способа и метода перемешивания, нужно учитывать, что процесс сбраживания представляет собой симбиоз между различными штаммами бактерий, то есть бактерии одного вида могут питать другой вид. Когда сообщество разбивается, процесс ферментации будет непродуктивным до того, как образуется новое сообщество бактерий. Поэтому, слишком частое или продолжительное и интенсивное перемешивание вредно. Рекомендуется медленно перемешивать сырье через каждые 4 – 6 часов.
Ингибиторы процесса
Сбраживаемая органическая масса не должна содержать веществ (антибиотики, растворители и т. п.), отрицательно влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов. Не способствуют «работе» микроорганизмов и некоторые неорганические вещества, поэтому нельзя, например, использовать для разбавления навоза воду, оставшуюся после стирки белья синтетическими моющими средствами.