Разработка технологической схемы переработки отходов птицеферм с получением биогаза

Последохранилища является сильным  источником неприятных запахов. Отходы сильно загрязняют поверхностные и  подземные воды.

Самая большая проблема здесь в том, что оборудование для очищения питьевой воды не приспособлено для удаления азотосодержащих соединений, которые в большом количестве присутствующие в жидком последе. Вот почему поиск путей эффективной утилизации последа составляет одну из основных проблем развития промышленного птицеводства. Применение на полях птичьего последа приводит к накоплению нитратов, меди и цинка в зерне, траве и водных источниках. Поэтому в некоторых штатах США для защиты окружающей среды запрещено его использование. Избыточный азот, фосфор, калий и органические вещества из последа приводят к уменьшению количества кислорода в воде, которая в свою очередь, на фоне токсичных концентраций мочевины, вызывает вымирание рыбы и других жителей водоемов.

Послед нужно сохранять в закрытых контейнерах от одного до трех лет (в зависимости от технологии), и лишь в таком случае его можно безопасно использовать на полях. Но и такой простой образ "избавиться" от последа не всегда доступный вследствие ограниченной площади пахотных земель.

Биоэнергетика решает сразу несколько  задач: сбор и переработка отходов  птицефабрик экологически чистым образом, получение высококачественных органических удобрений без запаха и болезнетворных возбудителей, и самое главное  — получение метана для мини-тец, газообразного топлива для автотракторной техники, обеспечение работы безфреонового охладителя, производства "сухого" льда, соды и т.п.

Ее суть состоит в переработке  отходов птицеферм с помощью  специальных микроорганизмов с  получением биогаза. Для этих бактерий отходы являются субстратом, то есть отходы выступают в качестве сырья. Сам процесс происходит в специальных аппаратах, которые называются метантенки. Далее рассмотрим более подробно процесс метанового брожения с получением биогаза и саму технологическую схему переработки данных отходов таким образом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РАЗДЕЛ 2 ПРОЦЕСС МЕТАНОГО БРОЖЕНИЯ

 

 

2.1 Общая характеристика

 

В общем случае в процессе разложения органического вещества количество конечных продуктов можно получить согласно уравнению [2]:

Количественный состав биогаза  сильно варьирует, однако качественный в достаточной степени постоянен. При этом содержание метана в биогазе  варьируется в зависимости от химического состава сырья и  может составлять от 50 до 90 %.

Органические вещества можно разделить на 3 класса, каждому из которых соответствует определенный теоретический выход метана [3, 4]:

1. Углеводы — 0,42–0,47 м³ CH₄/кг
2. Белки — 0,45–0,55 м³ CH₄/кг
3. Липиды — до 1 м³ CH₄/кг

 

С учетом экранирующего действия лигнина, не подверженного конверсии, в зависимости от его содержания различна и степень биоконверсии углеводов. В таблице 2.1 приведены значения содержания лигнина в органическом веществе навоза и помета [5].

Таблица 2.1 - Содержание лигнина в органическом веществе навоза и помета.

 

Субстрат	Содержание лигнина, % от органического вещества субстрата
Навоз дойных коров	12
Навоз КРС (кроме коровьего)	8
Навоз свиней	2,2
Помет куриный	3,4

 

Исходя из этого, для группы углеводов  навоза и помета степень распада  будет иметь следующие значения (табл. 2.2). В биогаз превращается 30-60% органического вещества.

 

Таблица 2.2 - Расчетные значения степени распада углеводов органического вещества навоза и помета.

Субстрат	Степень распада  углеводов, %
Навоз дойных коров	30
Навоз КРС (кроме коровьего)	42
Навоз свиней	58
Помет куриный	54

Преобразование органических отходов  в биогаз происходит в результате целого комплекса сложных биохимических  превращений благодаря микроорганизмам  и осуществляется в специальных  технологических установках – ферментаторах [2]. Этот процесс получил название ферментации биомассы. На практике его часто называют метановым «брожением». Следует иметь в виду, что метановое «брожение» – это всего лишь устойчивое сочетание, традиционно используемое в биотехнологии и ряде других отраслей, под которым подразумевается процесс анаэробной переработки органического вещества. Он представляет собой совокупность различных микробиологических процессов, в том числе и ряда брожений. Однако конечная стадия этого процесса – образование метана – строго говоря, брожением не является [2, 6, 7]. Синтез метана является конечным этапом пищевых цепей микроорганизмов, вызывающих брожение.

 

2.2 Стадии анаэробного разложения органических веществ

 

Общая схема метанового «брожения» предложена Баркером [8].

Рис. 2.1. Этапы разложения и анаэробного преобразования органических веществ по Баркеру.

 

Он рассматривал весь процесс, состоящий  из двух фаз.

1.В первой фазе (кислое или водородное брожение) из сложных органических веществ с участием воды образуются кислоты (уксусная, муравьиная, молочная, масляная, пропионовая и др.), спирты (этиловый, пропиловый, бутиловый и др.), газы (углекислый, водород, сероводород, аммиак), аминокислоты, глицерин и др. Этот распад осуществляют обычные сапрофитные анаэробные бактерии, которые широко распространены в природе, быстро размножаются и живут при рН среды 4,5-7. Кислое брожение характеризуется обильным образованием и выделением кислот, что сопровождается подкислением среды и снижением рН до 5–4,5, а также появлением неприятного гнилостного запаха.

2.Во второй фазе (щелочное или метановое брожение) метанобразующие микроорганизмы осуществляют дальнейшее разложение веществ, образовавшихся в первой фазе. При этом выделяется газ, состоящий из метана, углекислого газа, водорода и азота.

Схема Баркера не имеет строгой  термодинамической основы. Однако представление  о двух фазах процесса достаточно удобно для ведения технологического контроля, и этим широко пользуются на практике [9, 10].

Другие исследователи считают, что в анаэробном разрушении органического вещества следует выделить три стадии, и выделяют три физиологические группы микроорганизмов [11].

1.Гидролитическая. На первой стадии гетерогенная группа анаэробных бактерий, так называемые «первичные» анаэробы, подвергают ферментативному гидролизу сложные многоуглеродные вещества, представляющие собой основные классы органических соединений – белки, липиды и полисахариды. При этом вместе с бактериями, осуществляющими гидролиз полимеров, функционируют микроорганизмы, которые расщепляют моносахара, органические кислоты, спирты и метанол. В этой стадии участвуют облигатные анаэробные бактерии – представители Enterobacteriaceae, Clostridiaceae, Lactobacillaceae, Streptococaccaceae. Результатом деятельности этих микроорганизмов является образование летучих жирных кислот, формиата, ацетата, пропионата, бутирата, молочной и янтарной кислот, низших спиртов, альдегидов и кетонов, а также Н₂ и СО₂ [12].

2.Ацидогенная. На второй стадии ацетогенные микроорганизмы, такие как Syntrophobacter, Syntrophomonas, Desulfovibrio, ферментируют Н₂ и СО₂ и другие одноуглеродные соединения, а также некоторые более сложные вещества в низкомолекулярные органические кислоты через промежуточное образование ацетил-КоА.

Реакции проходят по следующим уравнениям [13]:

1) окисление органических кислот:

а) молочной

СН₃СНОНСООН + Н₂О → СН₃СООН + СО₂ + 2Н₂

б) пропионовой

СН₃СН₂СООН + 2Н₂О → СН₃СООН + СО₂ + 3Н₂

в) масляной

СН₃СН₂СН₂СООН + 2Н₂О → 2СН₃СООН + 2Н₂

2) окисление спиртов 

С₂Н₅ОН + Н₂О → СН₃СООН + 2Н₂.

На этой стадии действуют ацетогенные  бактерии, включая как облигатные, так и факультативные виды, способные  сбраживать органические кислоты и  нейтральные соединения до водорода и уксусной кислоты, и гомоацетогенные  бактерии, способные сбраживать одно- и многоуглеродсодержащие соединения только до уксусной кислоты. Микробиология этой стадии изучена слабо.

3.Собственно метаногенная. Распад органического вещества на последней стадии осуществляется метанобразующими и сульфатредуцирующими микроорганизмами, которые используют метаболиты, образующиеся на первых стадиях. На заключительном этапе анаэробного разрушения органического вещества в экосистемах с низким содержанием сульфатов образуются главным образом СН₄ и СО₂ и незначительное количество H₂S. В естественных экосистемах сульфатвосстанавливающие бактерии являются донорами Н₂ для метаногенов. При повышении концентрации сульфатов до 0,5 ммоль/л сульфатвосстанавливающие бактерии становятся конкурентоспособными с метаногенами за энергетические субстраты (Н₂ и ацетат), т. к. образующиеся сульфиды ингибируют рост метаногенов [6]:

• ацетокластический метаногенез – расщепление летучих жирных кислот (ЛЖК) до метана и углекислого газа: СН₃СООН→ СН₄ + СО₂
• восстановление одноуглеродных молекул (углекислый газ, муравьиная кислота, метанол) молекулярным водородом: СО₂. + 4Н₂→ СН₄ + Н₂О

Можно встретить подразделение  процесса анаэробного разложения органических отходов на 4 этапа [14]:

1.Гидролизная фаза. Во время протекания этой фазы в результате жизнедеятельности аэробных гидролизных бактерий устойчивые субстанции (протеины, жиры и углеводы) разлагаются на простые составляющие (аминокислоты, сахара, жирные кислоты).

2.Кислотообразующая фаза. Получившиеся составляющие на первой фазе разлагаются кислотообразующими бактериями на другие органические вещества (уксусную, пропионовую кислоты, спирты и альдегиды) и неорганические вещества – Н₂, СО₂, N₂, Н₂S. Этот процесс протекает до тех пор, пока развитие бактерий не замедлится под действием образованных кислот.

3.Ацетогенная фаза. Под воздействием ацетогенных бактерий из образованных кислот вырабатывается уксусная кислота.

4.Метаногенез. Уксусная кислота разлагается на метан, углекислый газ и воду. Водород и углекислый газ преобразуются в метан и воду.

Весь этот сложный комплекс превращений осуществляет большое количество микроорганизмов – до нескольких сотен видов. Из них преобладающими являются гидролитические, бродильные, синтрофные и метановые группы. Количественный и качественный состав микроорганизмов сильно зависит от состава разлагаемых органических веществ и условий, которые создаются в среде. Все эти реакции протекают одновременно в одном объеме, причем метанобразующие микроорганизмы предъявляют к условиям среды значительно более высокие требования, чем кислотообразующие.

Несмотря на определенные различия в количестве стадий анаэробного  биоразложения органических веществ, предложенных разными авторами, все  стадии метаногенеза можно свести к  двухфазной схеме, предложенной Баркером (рис. 2.1).

 

2.3 Факторы, влияющие на процесс брожения

 

Для протекания процесса и качества получаемых биогаза и удобрения  важными являются следующие технологические  параметры:

• анаэробные условия в реакторе;
• температура;
• рН среды;
• состав и качество сырья;
• ингибиторы (ионы тяжелых металлов и их соединений, синтетические ПАВ);
• концентрация твердых частиц;
• питательная среда;
• соотношение содержания углерода и азота C:N;
• кислотно-щелочной баланс;
• загрузка рабочего пространства;
• технологическое время цикла разложения;
• интенсивность перемешивания.

Рассмотрим некоторые из них.

 

2.3.1 Температура

 

Метаболическая активность и репродуктивная способность микроорганизмов находятся в функциональной зависимости от температуры. Таким образом, температура влияет на объем газа, который можно получить из определенного количества органического вещества в течение заданного времени, а также на технологическое время процесса брожения, необходимое для высвобождения при соответствующей температуре определенного количества газа.

В многочисленных работах названы  два температурных предела: (около 33° и 54°С), которым соответствуют наивысшие значения метаболической активности. Прерывистый характер протекания функции объясняется заменой мезофильного штамма бактерий на термофильный. Однако, согласно новейшим исследованиям, такая прерывистость не существует, а это означает, что с повышением температуры примерно до 54 °С  условия для образования газа улучшаются. Микробиологическая активность почти прекращается, если температура падает примерно до 15°. К перепадам температуры, в особенности к ее внезапным понижениям, микроорганизмы весьма чувствительны и реагируют на это снижением метаболической активности и способности к воспроизведению [15].

Кроме того, температура влияет на качество газа. Так, при возрастании  температуры было установлено снижение доли СН₄ в общем объеме выделяющихся газов.

Метанобразующие бактерии относятся  к разным популяциям: термофилов и  мезофилов. Оптимальные температуры  субстрата для термофилов около +53 ºС, мезофилов +32 ºС. Применяется также популяция термофилов, для которой оптимальной считается температура +65 ºС (экстратермофилы). Даже небольшое отклонение температуры от оптимума существенно снижает скорость сбраживания [16].

Сравнение мезофильного и термофильного  режимов сбраживания органического вещества показывает, что в термофильных условиях значительно интенсивнее и глубже происходит гидролиз твердого вещества, но сброженный субстрат имеет очень большое удельное сопротивление и плохо обезвоживается.

Поддержка оптимальной температуры  является одним из важнейших факторов процесса сбраживания. В природных условиях образование биогаза происходит при температурах от 0°С до 97°С, но с учетом оптимизации процесса переработки органических отходов для получения биогаза и биоудобрений выделяют три температурных режима:

— психофильный температурный режим определяется температурами до 20 - 25°С;

— мезофильный температурный режим определяется температурами от 25°С до 40°С;

— термофильный температурный режим определяется температурами свыше 40°С.

Степень бактериологического производства метана увеличивается с увеличением температуры. Но, так как количество свободного аммиака тоже увеличивается с ростом температуры, процесс сбраживания может замедлиться. Биогазовые установки без подогрева реактора демонстрируют удовлетворительную производительность только при среднегодовой температуре около 20°С или выше, или когда средняя дневная температура достигает по меньшей мере 18°С. При средних температурах в 20-28°С производство газа непропорционально увеличивается. Если же температура биомассы менее 15°С, выход газа будет так низок, что биогазовая установка без теплоизоляции и подогрева перестает быть экономически выгодной [17].