1.2. Условия процесса получения биогаза

Для эффективного протекания процесса анаэробного брожения необходимо соблюдение в биореакторе следующих условий и факторов [ ]:

- отсутствие кислорода в биореакторе;

- поддержание оптимальной температуры биомассы;

- продолжительность процесса брожения;

- оптимальное соотношение азота и углерода и содержание питательных веществ;

- высокая влажность биомассы;

- необходимость перемешивания биомассы;

- соблюдение кислотно-щелочного баланса в биореакторе;

- отсутствие веществ-ингибиторов.

Основным условием процесса получения биогаза является поддержание анаэробных условий в биореакторе, т.к. активная жизнедеятельность метанобразующих бактерий возможна только при отсутствии кислорода.

Одним из важнейших факторов процесса брожения является поддержка оптимальной температуры. Температура влияет на количество и качество получаемого биогаза, а также на продолжительность процесса, так при повышении температуры время брожения сокращается. Известно, что образование биогаза происходит при температурах от 0 до 97 ⁰С, но с учетом оптимизации процесса переработки органических отходов для получения биогаза и биоудобрений выделяют 3 температурных режима [3]:

- психрофильный режим, температура до 25⁰С

- мезофильный режим, от 25⁰С до 45⁰С

- термофильный режим, более 45⁰С.

Выход биогаза при работе в указанных температурных режимах представлен на рис.1.5.

Рис.1.5. Влияние температуры брожения на выход биогаза

В психрофильном режиме работают установки без подогрева биореактора и применяются, в основном, в странах со среднегодовой температурой наружного воздуха около 20 ⁰С. В большинстве развитых странах мира они не получили широкого распространения, из-за значительной продолжительности процесса брожения. Кроме того, при понижении температуры бродильной массы ниже +15⁰С, микробиологическая активность падает, и процесс ферментации практически останавливается.

При термофильном режиме сбраживания наблюдается повышенная скорость разложения субстрата и, следовательно, высокий выход биогаза, а также практически полное уничтожение болезнетворных бактерий, содержащихся в сырье. В то же время на проведение процесса в термофильном режиме необходимо большое количество энергии, требуемое на подогрев сырья в реакторе. Кроме того, при повышении температуры происходит снижение содержания метана в общем объеме выделяющегося газа.

Применяется также популяция термофильных бактерий с оптимальной температурой +65 ⁰С. Но с ростом температуры также повышается количество свободного аммиака, и при достижении некоторой его концентрации процесс замедляется и может прекратиться.

Несмотря на преимущества термофильного брожения, большинство установок работает в более эффективном мезофильном режиме, так как повышение температуры на один градус не обеспечивает прямо пропорционального прироста выхода биогаза [ ].

Стоит отметить, что процесс ферментации очень чувствителен к перепадам температуры и зависит от режима, в котором происходит переработка сырья. Чем выше температура процесса, тем чувствительнее бактерии к ее колебаниям. Перепады температуры 2-4 ⁰С не оказывают особого влияния на эффективность процесса в мезофильном режиме. В то же время при работе в термофильном режиме перепады не должны превышать 1 ⁰С.

Важным параметром процесса получения биогаза является продолжительность процесса ферментации, которая зависит от температуры брожения, концентрации субстрата, скорости реакции, зависящей от вида субстрата др.

Для установок, работающих в непрерывном режиме, пользуются термином – гидравлическое время удержания (ГВУ, HRT). ГВУ (сут) это время нахождения сбраживаемого субстрата в реакторе, представляет собой отношение объема биомассы в реакторе к объему загружаемой биомассы за сутки.

(1.11)

где V – объем биомассы в реакторе, м³;

Q – доза суточной загрузки субстрата, м³/сут.

ГВУ является характеристикой, определяющей количество времени, необходимого для роста бактерий и преобразования органических веществ в биогаз. При очень малом времени брожения процесс ферментации протекает медленно или практически останавливается, т.к. метаболическая активность метанобразующих бактерий больше выбранной продолжительности процесса. Слишком продолжительное выдерживание биомассы не отвечает задачам получения наибольшего количества биогаза и биоудобрений за определенный промежуток времени.

Оптимальное время сбраживания определяется температурным режимом, в котором протекает процесс и составляет [3]:

- психофильный температурный режим: от 30 суток;

-  мезофильный температурный режим: от 10 до 20 суток;

- термофильный температурный режим: от 5 до 10 суток.

Также необходимо учитывать тип разлагаемого субстрата. Так при работе в мезофильном режиме, ГВУ составляет[6]:

 - 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.

Еще одним условием метанового брожения является соотношение углерода и азота в исходном субстрате. Высокое соотношение С/N является признаком высокой скорости потребления азота метоногенными бактериями и процесс может лимитироваться недостатком азота, а снижение этого соотношения вызывает интенсивное выделение аммиака, что приводит к ингибированию роста бактерий. Наибольший выход биогаза наблюдается при значениях С/N=10-30, а оптимальная величина зависит от вида сырья[4].

Кроме углерода и азота, необходимо также требуемое количество органических и минеральных питательных веществ - азота, серы, фосфора, кальция, калия, магния и других микроэлементов. Экскременты животных содержат достаточное количество вышеупомянутых элементов [ ].

Также на эффективность процесса получения биогаза оказывает влияние влажность исходного субстрата или содержание сухого вещества. Так как только из сухой массы, а точнее из ее органической части, можно получить биогаз, то исходный субстрат оценивают по количеству твердых веществ (TS) и содержанию в них сухих органических веществ (СОВ, VS).

Концентрация сухого органического вещества S (кг/м³) определяется с учетом нагрузки на реактор по сухому органическому веществу и гидравлического времени удержания или продолжительности брожения.

, (1.12)

где d - нагрузка на реактор по сухому органическому веществу, кг/(м³сут).

Таким образом, снижение влажности исходного субстрата при постоянной нагрузке увеличивает продолжительность сбраживания. При постоянной влажности уменьшение нагрузки ведет к снижению эффективности процесса из-за нехватки питательных веществ для роста бактерий, однако увеличение нагрузки также снижает выход биогаза вследствие накопления летучих жирных кислот.

Для повышения эффективности и стабильности процесса получения биогаза бродильную массу подвергают интенсивному перемешиванию. В отходах сельскохозяйственного производства имеются разные твердые частицы, которые обуславливают образование осадка. Более легкие материалы поднимаются на поверхность сырья и образуют корку, что приводит к снижению выхода биогаза. Применение перемешивающих систем позволяют устранить эти проблемы и добиться стабильности процесса брожения.

Немаловажным фактором, влияющими на скорость сбраживания и выход биогаза является соблюдение кислотно-щелочного баланса. Различные группы бактерий, участвующих в анаэробной ферментации органических веществ, имеют различные значения pH. В процессе сбраживания pH среды в реакторе поддерживается бактериальным консорциумом в оптимальном для каждой стадии процесса диапазоне за счет взаимной сбалансированности процессов подкисления и подщелачивания. Отклонение рН от оптимальных значений приводит к нарушению функционирования анаэробной системы. Метанобразующие бактерии лучше всего приспособлены для существования в нейтральных или слегка щелочных условиях, оптимальное значение pH зависит от вида сырья и составляет 7-8 [4].

Так же исходный субстрат не должен содержать веществ ингибиторов, отрицательно влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов, так как они замедляют, а иногда и прекращают процесс анаэробного брожения. К ним, прежде всего, относятся тяжелые металлы, аммиак, нитраты, сульфиды, органические растворители и антибиотики.