2.2.Вплив фізико-технологічних факторів на процес шумування органічної речовини.

Розпад органічних речовин відбувається в метантенках і являє собою складний анаеробний процес, який здійснюється в результаті життєдіяльності мікроорганізмів.

На хід окислювально-відновних реакцій, що протікають в реакторах за рахунок ферментного розкладу складних органічних сполук, впливає ряд факторів. До них відносяться: властивості сировини, температурні умови в реакторі, значення водневого показника, час протікання процесу, інтенсивність змішування та ряд інших технологічних параметрів і конструктивних факторів.

2.2.1. Час витримки сировини до завантаження в реактор.

Склад сировини та її властивості мають великий вплив на протікання процесу анаеробного шумування і на вихід біогазу. Однією з таких властивостей є свіжість сировини, тому що при тривалому зберіганні органічних відходів сільськогосподарського виробництва істотно змінюються їхні фізико-хімічні властивості.

Характерною ознакою початку розпаду органічної речовини є вміст летких жирних кислот (ЛЖК). Сировина з великим вмістом ЛЖК, при довантаженні в реактор, негативно впливає на процес шумування. Значне підвищення ЛЖК викликає зниження виходу біогазу. На (рис.2.4.-2.6) наведені деякі експериментальні дані про зміну вмісту сухої органічної речовини (СОР), ЛЖК і рН в часі [Дубровський]. Як видно з рисунків 2.4.-2.6., найбільш різке підвищення вмісту ЛЖК, зниження рН і вміст СОР спостерігається в першу добу.

Рис. 2.4. Зміна ЛЖК при зберіганні свіжого рідкого гною при температурі 22-27⁰С.

Р ис. 2.5. Зміна ТОР при зберіганні свіжого рідкого гною при температурі 22-27⁰С.

Р ис. 2.6. Зміна рН при зберіганні свіжого рідкого гною при температурі 22-27⁰С.

При розпаді СОР збільшується вміст кислот та змінюється рН середовища. Графік зміни рН гною при зберіганні представлено на рис.2.7.

Рисунок2,7. Зміна рН середовища при зберіганні гною (температура 30^оС).

Підвищений вміст ЛЖК свідчить про те, що вихідна речовина є вже не свіжою і, при завантаженні її в метантенк, можуть створитися несприятливі умови протікання процесу, а саме: зниження рН середовища в метантенку, зміни оптимального співвідношення мікроорганізмів.

Різке підвищення вмісту ЛЖК у завантажувальних гнійних витоках викликає спад продукції біогазу і зниження вмісту у ньому метану.

2.2.2.Склад органічної речовини.

Вихід біогазу при шумуванні органічних речовин в значній мірі залежить від вмісту та процентного співвідношення жирів, білків і вуглеводів. Вихід біогазу з цих груп наведено в табл.2.2.[Дубровський].

Таблиця 2.2. Вихід біогазу та вміст в ньому СН₄ при шумуванні білків, жирів, вуглеводів.

Компонент	СН4,%	Вихід біогазу, м3/кг	Ступінь розкладання речовини
Вуглеводи	50	0.79-0.886	55-64
Жири	50-72	0.42-1.535	60-75
Білки	50	0.45-0.98	47-80

Для визначення кількості утворюваного біогазу запропонована формула [1]:

а = 0,92ж + 0,62в + 0,34б

де, ж, в, б – вміст жирів, вуглеводів і білків в 1 г СОВ; 0,921,

0,621, 0,34 – коефіцієнти, які показують кількість виходу біогазу (л/г) відповідно із жирів, вуглеводів і білків.

В кожному конкретному випадку вихід біогазу залежить від пропорції вуглеводів, жирів і білків у відходах. Значною перешкодою газовиділення є присутність клітковини.

Жири зумовлюють найбільший вихід біогазу з високим вмістом СН₄, білкові речовини-менший, вуглеводи дають відносно мало біогазу з малим вмістом СН₄.

Якщо у вихідній сировині вуглеводів більше ніж білкових речовин, то утворюється мало амонійного азоту. Внаслідок цього виділяється менше СН₄ і більше Н₂ і СО₂. Все це відбувається при збільшенні виходу кислот, зниженні рівня рН і, як наслідок, зменшення інтенсивності метаноутворення. Надлишок білків і амінокислот обумовлює зростання рН, що також призводить до затухання процесу [Симоненко].

Наявність у вихідній речовині білків, вуглеводів, жирів, амінокислот і неорганічних солей веде до утворення поверхнево-активних речовин (ПАР). Присутність цих речовин, а також деяких інших органічних і неорганічних сполук при певних умовах (перемішування, барботаж, підігрів), проявляється в інтенсивному піноутворенні.

Піноутворення є наслідком проходження деяких біохімічнх реакцій, що проходять в метантенку, в результаті яких виділяється газ як нова дисперсна фаза. До числа таких реакцій відносять реакції окислення органічних кислот, наприклад, молочної кислоти:

СН₃СНОНСООН + Н₂О - СН₃СООН + СО₂ + Н₂О

відновлення окису вуглеводу до метану:

СО₂ + 4Н₂ → СН₄ + 2Н₂О

Піноутворення викликає ряд технологічних проблем, наприклад, порушує ритмічність виробництва внаслідок забивання піною обладнання і комунікацій (трубопроводи, сепаратори, контрольно-вимірювальні прилади і ін.).

Крім цього, вплив поверхнево-активних речовин проявляється в зменшенні газовиділення, зниженні глибини розпаду органічних речовин та порушенні співвідношення жирів, білків і вуглеводів при проходженні процесу шумування, що викликає зміни в складі біогазу і в збродженій масі

[Симоненко].

Такі речовини, як пісок, цемент, глина і ін., потрапляючи в органічну речовину при технологічних процесах прибирання, транспортування, перевантаження, істотно впливають на процес шумування. Щільність цих речовин значно перевищує щільність рідкого гною, що зумовлює утворення осаду. Інші матеріали (солома, залишки кормів та ін.) утворюють плівку на поверхні шумуючого субстрату. Ці процеси призводять до зменшення газоутворення та інших негативних наслідків.

Д ля ефективного здійснення мікробної трансформації субстрату в біогаз необхідне забезпечення активного масообміну між твердою, рідкою і газоподібною фазами та бактеріальною флорою. Цей процес здійснюється в основному за рахунок гомогенізації сировини, яка надходить в реактор. При цьому розмір частин твердого матеріалу повинен бути якомога менший. На рис.2.8 представлено графічні залежності виділення біогазу із гомогенізированого субстрату (перед завантаженням в біореактор всі великі частини подрібнювались) і з негомогенізованого.

Рисунок 2.8.Об'єм отриманого біогазу з гомонгенізованого-1, та негомогенізованого-2 субстрату.

Верхня межа концентрації твердих частинок, при якій ще можливе вільне переміщення фаз, відповідає 10-12 %. Більшість авторів вважають, що для тваринницьких відходів оптимальним є вміст твердих частинок 3-10 %.

Слід зазначити, що вологість більше 97% знижує газовиділення, так як зменшується вміст сухої речовини. Вважається, що мінімально ефективна вологість біомаси не повинна бути меншою 85% та вищою 97%, тобто вміст сухої речовини має бути в межах 3-15%. Оптимальним вважається вміст сухої речовини 8-10%.