Укрупненно-лабораторные испытания способа переработки биомассы на основе отходов животноводства и птицеводства в биогаз и удобрения
, д. т.н., профессор КАТУ им. С.Сейфуллина
Актуальностью исследований является то, что непрерывное развитие различных биогазовых технологий привело к необходимости усовершенствования конструкций биореакторов для увеличения выхода метана из расширяющихся ассортиментов сырья. Очевидным способом повышения производительности реакторов и снижения ВГУ является увеличение плотности, т. е. иммобилизация микроорганизмов.
Объекты исследований: биомасса, которая является перспективным сырьем для анаэробного сбраживания с получением ценного источника энергии – биогаза и высокоэффективного комплексного органического удобрения.
В экологической системе все растения и животные принадлежат биомассе, богатые углеродом, но еще не являющимся ископаемым материалом. Кроме того, питательные вещества, экскременты и биологические отходы в домашних хозяйствах, аграрном секторе и промышленности также являются биомассой. Полимерные композиции как носители для проведения процесса иммобилизации микроорганизмов и материал для иммобилизационного устройства, также являются объектами данного исследования.
Целью исследований является разработка технологии глубокой переработки исходной биомассы на основе экскрементов животных и птиц в биогаз и органическое удобрение.
Известно, что применение анаэробного метода при переработке отходов животноводства имеет существенный эффект по сравнению со многими другими методами, что выражается в значительном снижении загрязнения почвы, воды, воздуха химическими веществами и патогенной микрофлорой. Эффективность анаэробного процесса [1] в существенной мере зависит от правильной подготовки сырья к переработке и от конструкции биореактора.
На данном этапе исследований проводились работы по усовершенствованию укрупненной лабораторной биогазовой установки: абсолютная герметичность, непроницаемость для жидкостей, совершенная теплоизоляция, коррозионная стойкость, надежность загрузки и опорожнения, доступность внутреннего пространства для обслуживания. Рассмотрены наиболее перспективные пути конструктивного усовершенствования биореакторов, в том числе внедрения иммобилизационого устройства.
Значимость исследований определяется тем, что в целях интенсификации и оптимизации процессов метанового брожения биомассы исследуется влияние на этот процесс иммобилизации метанобразующих бактерий. Это приводит к нейтрализации образующихся кислых продуктов бактериального гидролиза. Иммобилизация клеток позволяет осуществлять контроль над биотехнологическим процессом метаногенеза, а также ускорять рост микроорганизмов, вырабатывающих метан. Все это открывает возможность безотходного использования отходов животноводства и птицеводства, создавая высокоэффективные агропромышленные комплексы с полностью замкнутым экологическим циклом, с попутным производством биогаза и удобрений.
Условия проведения укрупненно-лабораторных испытаний. В укрупненно-лабораторных исследованиях использовали подстилочный навоз КРС для сухого брожения и в качестве фильтрата подготовили навозную жижу с содержанием не больше 1% сухого вещества следующим образом: в 0,5 кг свежего навоза добавили 100 литров водопроводной воды, перемешивали и сухой остаток отделили от суспензии фильтровальной ситовой тканью (полиамидная ткань с номинальным размером отверстия 1180 мкм (международный артикул 6,5 па 340)).
Образцы свежего материала (СМ) подстилочного навоза и рециркуляционной жидкости были проанализированы на содержание сухого вещества (СВ), органического сухого вещества (оСВ) и золы по методике описанной в разделе 2.2., согласно стандартным методикам APHA (1995).
По три образца из каждого субстрата были высушены в течение ночи при 105 ?С в сушильном шкафу (Рисунок 4.1) для определения содержания СВ и влаги, и высушенные образцы подвергались сожжению в 505 ?С в течение 12 часов в печи для определения содержания оСВ и золы. Результаты анализа субстратов приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Результаты анализа навоза КРС
Образцы субстратов | Параметры (%) | |||
Содержание СВ (в СМ) | Содержание оСВ (в СВ) | Зола (в свежем материале) | Влажность субстрата | |
Навоз КРС | 28,6±0,71 | 86,3±0,84 | 3,12±0,61 | 71,4 |
Навозная жижа | 0,52±0,002 | 32,3±0,75 | 0,37±0,004 | 99,48 |
В таблице 2 приведены количественные характеристики загружаемого навоза КРС в реактор. В первом запуске загрузили реактор с 15 кг навоза КРС с содержанием 4,29 кг сухого навоза, 3,7 кг органического сухого вещества и добавили 95 л подготовленной навозной жижи. Во втором запуске загрузили также 15 кг подстилочного навоза КРС сверх сброженного остатка из первого запуска.
Таблица 2 – Количественная характеристика исходного сырья
Параметры | Загрузка 1 | Загрузка 2 |
Сырой вес навоза КРС (кг) | 15 | 15 |
Сухое вещество (кг) | 4,29 | 4,48 |
Органические сухие вещества (кг) | 3,7 | 3,62 |
Добавленная жижа (л) | 95 | - |
Продолжительность брожения (дни) | 30 | 28 |
Для опытной проверки и демонстрации возможностей возобновляемых источников энергии, а также отработки режимов анаэробного сбраживания биомассы в укрупненно-лабораторных условиях, в ЮКГУ разработана и изготовлена лабораторная биогазовая установка с объемом реактора 0,25 м3 (рисунок 1), путем модификации реактора со слоем выщелачивания и реактора со слоем носителя для сухого брожения сельскохозяйственных отходов.
Рисунок 1 - Укрупненно-лабораторная биогазовая установка БГУ-0,25м3
На рисунке 2 представлена блок-схема обработки навоза в биогазовой установке. Согласно этой схеме из навоза предварительно удаляются посторонние включения (древесная щепа, камни). Очищенный от этих примесей навоз направляется в биореактор для анаэробного сбраживания.
Рисунок 2 - Блок-схема обработки навоза в укрупненно-лабораторной биогазовой установке
Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до летучих жирных кислот, а последние под действием синтрофных бактерий и метанобразующих бактерий превращаются в газообразные продукты – метан и углекислый газ. Одновременно при сбраживании навоза обеспечивается его дезодорация, дегельминтизация, уничтожение способности семян сорных растений к всхожести и перевод удобрительных веществ в минеральную форму. Полученный биогаз сжигается в газовых агрегатах, а сброженный навоз собирается в хранилище, а затем используется на полях в качестве удобрения.
Результаты укрупненно-лабораторных испытаний. Процесс анаэробного брожения субстрата продолжался 28 дней ВГУ в мезофильном режиме (при температуре 40±0,20С). Эксперименты проводились в трех повторенияхс двумя запусками. При первом запуске, в реактор инокулировали 19 л инокулума, взятый из реактора объемом 400 л, работающего в непрерывном режиме. После этого загружаем 3 кг навоза КРС сверху реактора. Жидкая фракция посредством ввода сбраживаемой жидкости непрерывно рециркулируется каждые 2 часа по 15 минут в течение всего цикла сбраживания. Циркуляция протекает по направлению к верхней части реактора. Когда выход биогаза с первого экспериментального запуска снижается, загружается следующая партия навоза КРС (3 кг) сверху.
Во втором запуске инокулум не меняется и не добавляется дополнительно, то есть второй запуск инициируется щелоком первого запуска. Все экспериментальные повторения двух запусков показали похожие данные. Первые запуски были инициированы инокулумом взятыми из реактора, в котором проводилось сбраживание навоза КРС последних нескольких лет. Средние показатели совокупного производства метана по 1 эксперименту показаны на рисунке 3.
Рисунок 3 - Общий средний совокупный выход метана и процентное содержание метана по первому запуску
Ежедневный выход метана достигает 0,002 Нм3/кг оСВ ко второму дню, и уменьшается до 0,001 Нм3/кг оСВ в конце второго дня. После третьего дня возрастает до 0,006 Нм3/кг оСВ в седьмой день и постепенно снижается до конца цикла, показывая выход метана между 0,006 Нм3/кг оСВ - 0,004 Нм3/кг оСВ. Средний общий совокупный выход метана составляет 0,148 Нм3/кг оСВ. Процентное содержание метана после 3-х дней запуска составляло 26,5%, на 5-й день вырос до 50% и был выше 55% к концу шестого дня. Пик процента метана в первом запуске составил 56,1% (на 8-й день).
Второй запуск, инициированный жидкостью щелока первого запуска, показал интенсивное образование биогаза (рисунок 4). При этом образование метана достигает 0,004 Нм3/кг оСВ через день, снижается до 0,002 Нм3/кг оСВ в начале второго дня, и поднимается постепенно до максимума в пятый день (0,009 Нм3/кг оСВ). После этого в процессе образования метана наблюдается постепенное снижение до 0,003 Нм3/кг оСВ.
Рисунок 4 – Общий средний совокупный выход метана и содержание метана по второму запуску
Общий средний совокупный выход метана составляет 0,150 Нм3/кг оСВ. Процентное содержание метана в биогазе после второго дня составляет 35%, которое постепенно увеличивается до 66% в седьмой день, достигая при этом пик процента содержания метана в биогазе.
Заключительный кумулятивный выход метана достигается при первом запуске в конце 28-дневного ВГУ, а во втором запуске в конце 21-дневного ВГУ. Во время анаэробного брожения рН колебался между 7 и 7,53. В первом запуске рН поднялась с 7,1 до 7,37 до десятого дня и потом снизилась до 7,33 к 15-му дню. После этого до конца цикла поднялась до 7,5. Во втором запуске первоначальный показатель рН был на уровне 7,2, но до конца процесса поднялся до 7,67.
Высокое начальное образование биогаза и метана во всех запусках до третьего дня объясняется тем, что из-за избирательного брожения быстроразлагаемых органических веществ может привести к временному понижению производства биогаза и метана между третьим и четвертым днями.
Основные технические показатели биореактора приведены в табл.3
Таблица 3 - Основные технические показатели биореактора
№ | Показатели | Ед. изм. | Значение |
Общий объем биореактора | м3 | 0,25 | |
Объем газового пространства | м3 | 0,07 | |
Температура обработки при мезофильном режиме – М при термофильном – Т | 0С 0С | 35-37 55-57 | |
Продолжительность обработки | сутки | 20-22 при М 12-15 при Т | |
Мощность насоса для перемешивания навоза | кВт | 0,37 | |
Установленная мощность эл. нагревателя | кВт | 2,0 | |
Площадь поверхности теплообмена | м2 | 0,33 | |
Производительность* по исходному навозу М-Т по биогазу М-Т | л/сут л/сут | 10-15 100-170 | |
Масса, нетто | кг | 450 |
Примечание* - расчет М – мезофильный режим; Т – термофильный режим
Таким образом, можно заключить, что перспективным направлением увеличения выхода метана и биогаза при переработке биомассы является конструкционное усовершенствование биореакторов. Мы изучили возможность повышения производительности реакторов и снижения ВГУ посредством использования слоя выщелачивания и иммобилизации микроорганизмов.
Для реализации этого процесса предлагается биореактор с гибридной системой функционирования. Здесь не требуется измельчение сырья и перемешивание, исключается необходимость конструирования дополнительного сосуда для подкисления/гидролиза.
Повторное использование ферментационной среды и иммобилизация микроорганизмов в полимерных носителях в реакторе дает возможность быстро инициировать метаногенез и сократить ВГУ за счет образования биопленки.
Литература
, , и др. Сельскохозяйственная биотехнология, М, Высш. шк., 2008. В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер, Биогаз: теория и практика, М, Колос, 1982. и «Использование отходов животноводства для получения биогаза». ВИЭСХ. т.64. М., 1985 г. Технологии и технико-энергетическое обоснование производства биогаза в системах утилизации навоза животноводческих ферм. //Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.,1998.