Биогаз из отходов

Международная публикация
Библиографическое описание статьи для цитирования:
Столярова Е. Ю., Котляр М. Н. Биогаз из отходов // Научно-методический электронный журнал «Концепт». – 2016. – Т. 11. – С. 1136–1140. – URL: http://e-koncept.ru/2016/86246.htm.
Аннотация. В данной статье рассматривается глобальная проблема исчерпания природных ресурсов на территории Российской Федерации при настоящих темпах экспорта и потребления, а также загрязнения окружающей среды продуктами сгорания органического топлива. Аргументируется идея замены традиционных источников энергии биогазом. В статье подвергается рассмотрению тема утилизации органических бытовых отходов. Дается сравнение объемов выработанного биогаза в зависимости от состава исходного сырья. На основании результатов работы показано, что количество биогаза, которое может быть выделено из различных сельскохозяйственных отходов при анаэробных условиях переработки, зависит от количества и состава субстрата, условий протекания процесса, бактериального состава в установке и прочих условиях. Установлено, что выделение биогаза начинается в среднем на 3–5-й день. Это зависит в первую очередь от соотношения белков, жиров и углеводов, содержащихся в каждом отдельном составляющем субстрата, а также от «стартового толчка», в качестве которого выступает температура проведения процесса.
Комментарии
Нет комментариев
Оставить комментарий
Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы комментировать.
Текст статьи
Столярова Екатерина Юрьевна,Студент магистратуры кафедры «Технология воды и топлива на тепловых и атомных электрических станциях» Казанского Государственного Энергетического Университета, г. Казаньesenin44_44@mail.ru

Котляр Мирослава Николаевна,Кандидат технических наук, доцент кафедры Технология воды и топлива на тепловых и атомных электрических станциях» Казанского Государственного Энергетического Университета, г. КазаньKotlyarmira@mail.ru

Биогаз из отходов

Аннотация. В данной статье рассматривается глобальная проблема исчерпания природных ресурсов на территории Российской Федерации, при настоящих темпах экспорта и потребления, а также загрязнения окружающей среды продуктами сгорания органического топлива. Аргументируется идея замены традиционных источников энергии биогазом. В статье подвергается рассмотрению тема утилизации органических бытовых отходов. Дается сравнение объемов выработанного биогаза в зависимости от состава исходного сырья. На основании результатов работы показано, чтоколичество биогаза, которое может быть выделено из различных сельскохозяйственных отходов, при анаэробных условияхпереработки, зависит от количества и состава субстрата, условий протекания процесса, бактериального состава в установке и прочих условиях. Установлено,что выделение биогаза начинается в среднем на 3 5 день. Это зависит, в первую очередь, от соотношения белков, жиров и углеводов, содержащихся в каждом отдельном составляющем субстрата, а также от «стартового толчка», в качестве которого выступает температурапроведения процесса. Ключевые слова: биогаз, биотопливо, метан, анаэробная ферментация, биогазоустановка, биоэнергетический субстрат.

Во второй половине XXго столетия человечество столкнулось с двумя глобальными проблемами –загрязнение окружающей среды продуктами сгорания органического топлива и исчерпаемость природных ресурсов[1].Для России проблема исчерпаемости природных ресурсов сегодня актуальна не настолько, как, например, дляевропейских стран, однако при нынешних масштабах добычи и экспорта полезных ископаемых нефти Россиихватит на 25 лет, газа –на 70 [2].Необходимо искать альтернативу традиционным источникам энергии. Наиболее известный способ получения энергии из биомассы –анаэробное сбраживание, тоесть сбраживание без доступа кислорода [3].Данный способ универсален, поскольку позволяет утилизировать практически все виды отходов–навоз, птичий помёт, зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходырыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов —соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизеля —технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков—жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки —мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов —очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпаи др.Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфия, а также водорослей [12]. В результате переработки таких отходов в анаэробных условиях решается еще одна актуальная на сегодняшний день проблема –внесение органических удобрений в сельскохозяйственные угодья. А именно, отреагировавший субстрат после получения биогаза можно без какойлибо предварительной отработки вносить на поля. Таким образом, снимается вопрос складирования экскрементов сельскохозяйственных животных, животных, падших от болезней, решается проблема загрязнения почвы смертельно опасными вирусами и бактериями. Анаэробная ферментация –процесс многоступенчатый, эффективно протекающий в условиях влажной (примерно 50 %) среды при температуре от 35 до 40 °С. На первом этапе происходит процесс гидролиза. Сложные соединения исходного материала (например, углеводы, белки, жиры) расщепляются на более простые органические соединения (например, аминокислоты, жирные кислоты, сахар). Для этогогидролитические бактерии, принимающие участие в процессе, выделяют энзимы, которые обеспечивают биохимическое разложение материала(рис. 1) [4].Далее происходит преобразование полученной субстанции с помощью анаэробных микроорганизмов (бактерий) в уксусную и муравьиную кислоты. Послепроисходит процесс расщепления бактериями кислоты с образованием метана и воды. Одновременно диоксид углерода восстанавливает чистый водород до метана [5].Биогаз –это своего рода продукт жизнедеятельности тех самых анаэробных микроорганизмов.

Рис. 1.схематическое представлениепроцесса анаэробного разложения

Известно несколько десятков микроорганизмов, которые разлагают сложные органические вещества на простые жирные кислоты, и свыше десятка, перерабатывающих эти кислоты в метан и CO2. Биогаз, получаемый в результате анаэробного разложения органических веществ, состоит из метана (до 70 %), диоксида углерода (29 %), а также из незначительного количества кислорода и сероводорода. Эта смесь не является высококалорийным топливом. Теплота сгорания биогаза, содержащего 60 % метана, составляет примерно 5342 ккал/м3. (Приблизительная теплота сгорания чистого метана –8900 ккал/м3.) Калорийность биогаза напрямую зависит от содержания в нем метана: чем больше метана в смеси, тем выше теплота сгорания продукта [11].Для оптимизации процесса получения биогаза необходимо обеспечить особые условия: поддержка анаэробных условия, соблюдение температурного режима и поддержание значения рН. Поддержка оптимальной температуры является одним из важнейших факторов процесса сбраживания. В природныхусловиях 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 20 25°С; •мезофильный температурный режим определяется температурами 2540°С; •термофильный температурный режим определяется температурами свыше 40°С. Степень бактериологического производства метана увеличивается с увеличением температуры. Постоянный нагрев желателен, а периодическое перемешивание является неотъемлемой частью процесса газообразования. Перемешивание делает субстрат более однородным, тем самым процесс не затормаживается, а продолжается до тех пор, пока вся питательная для бактерий среда не будет исчерпана. Но так как в установке, рассмотренной в данной работе, условия протекания процесса приближены к фермерским, то режим образования биогаза –психофильный и мезофильный. 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 рН 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 да 8,5. Одним из наиболее важных факторов, влияющих на метановое брожение (выделение биогаза), 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[13].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 46 часов. Однако в условиях фермерского хозяйства довольно сложно осуществить перемешивание, не нарушая анаэробных условия. Поэтому перемешивание в данной работе минимально.

Порядок исследованияБиогазоустановка представляет собой стеклянные сосуды, погруженные на 6070% в воду, в каждый из которых в определенных соотношениях помещен биоэнергетический субстрат, состав которого указан в таблицах 15(рис.2).

Рис.2.Биогазовая установка

Таблица 1Состав биоэнергетического субстрата №1

Состав биоэнергетического субстрата, г12345Навоз КРС–35Мел –10Органика –55Вода 50Навоз КРС–50Органика –35Опилки –15Вода 50Навоз КРС–50Органика –40Мел –10Вода 50Навоз КРС–35Органика –40Опилки –15Мел –10Вода 50Навоз КРС–100Вода 50

Таблица 2

Состав биоэнергетического субстрата №2

Состав биоэнергетического субстрата, г12345Навоз КРС–250Вода 50Навоз КРС–200Мел –50Вода 50Навоз КРС–200Солома –50Вода 50Навоз КРС–200Солома –15Органика15Вода 50Навоз КРС–200Органика50Вода 50

Таблица 3

Состав биоэнергетического субстрата №3

Состав биоэнергетического субстрата, г123Навоз КРС–250Вода 50Навоз КРС–250Вода 50Навоз КРС–250Вода 50

Таблица 4

Состав биоэнергетического субстрата №4

Состав биоэнергетического субстрата, г12345Навоз КРС–50Вода 50Навоз куриный –50Вода 50Навоз КРС–25Навоз куриный 25Вода 50Навоз куриный –25Мел 25Вода 50Навоз КРС–25Навоз куриный25Мел 5Вода 50

Таблица 5Состав биоэнергетического субстрата №5

Состав биоэнергетического субстрата, г12345Навоз конский –50Вода 50Навоз конский–50Мел 25Вода 50Навоз конский–50Органика(апельсиновые корки –3, сухие листья –2) 5Вода 50Навоз конский–50Органика (апельсиновые корки –5, сухие листья –5) 10Вода 50Навоз конский –50Органика (апельсиновые корки) 10Мел 2Вода 50

Важно, что в первых трех субстратах в качестве органики были использованы очистки овощных культур (картофель, морковь, свекла), а в качестве мела (то есть вещества, способствующего нейтрализации избыточных кислот), скорлупа сырых куриных яиц. Навоз крупного рогатого скота и конскийбыл взят с подстилкой из соломы, поскольку в реальных условиях фабрик, заводов и сельскохозяйственных угодий навоза в чистом виде практически не существует.

Во избежание нарушения протекания реакции разложения биомассы в анаэробных условиях, все сосуды изолированы полимерными пробками.К каждому сосуду подсоединены патрубки отвода биогаза в виде трубок с иглой. Игла проникает в пробку сосуда. Обратная сторона системы помещается в перевернутый цилиндр, до упора заполненный водой. Предварительно для достоверности результата из системы выгоняется воздух, имеющийся в ней изначально, в систему заливается вода, при помощи шприца. Область, где осуществляется сцепление пробки и горловины сосуда, изолируется, в качестве изолятора был использован растопленный пчелиный воск. Каждый сосуд с биоэнергетическим субстратом также помещается в воду, которая в период запуска биогазоустановки должна иметь температуру 7080ºС [7, 8].По мере разложения биоэнергетического субстрата будет происходить выработка биогаза, который, в свою очередь, начнет вытеснять воду, заполняющую цилиндр, а количество выработанного биогаза можно отслеживать по соответствующим отметкам, нанесенным на цилиндр.Основываясь на результаты наблюдений, видно, что выделение биогаза начинается в среднем на 3 5 день. Это зависит, в первую очередь, от состава исходного субстрата, то есть от того соотношения белков, жиров и углеводов, которое содержится в каждом отдельном составляющем субстрата, а также от «стартового толчка», в качестве которого выступает температура воды, снаружи обволакивающая сосуды с исходным веществом. В результате исследований сделан вывод, что для создания наиболее полной картины выработки биогаза и отслеживания условий, которые в той или иной степени влияют на протекания процесса, необходимо менять соотношение субстрата. Результаты наблюдений отображены на диаграммах 37.Так как в литературных данных приведены противоречивые сведения об образовавшееся количестве биогаза, в зависимости от загрузки, анализ будет осуществлен, опираясь на личные результаты.

Рис.3. Динамика изменения выработки биогаза с загрузкой,

исходя из таблицы № 1

Анализ динамики выработки биогаза в установке №1

Глядя на диаграмму, видно, что с наибольшей интенсификацией процесс метаболизма протекал в установкес субстратом, состоящем из навоза КРС, органики, воды, с добавлением мелаиустановке с субстратом из навоза КРС, органики, воды, мела и опилок. Процесс выработки биогаза в данном случае носит равномерный характер, практически исключая погрешности и нарушения анаэробных условий. Результаты наблюдений субстрата, содержащего навоз КРС, органику, опилки, воду,показали, что данное соотношение веществ в субстрате, хотя и способствует 0501001502002501357911131517192123252729Vг, см3День от запуска биоустановкиРяд1Ряд2Ряд3Ряд4Ряд5выработке биогаза, но процесс в данном случае протекает бесперспективно. Газвырабатывается, но очень медленно. Это может быть связано с тем, что в исходном субстрате отсутствует мел, то есть вещество, которое бы нейтрализовало часть кислот, вырабатываемых бактериями в результате процессов метаболизма, сохраняя тем самым нейтральную pH среду.Наихудшие результаты показали субстраты с загрузкой из навоза КРС, органики, мела и воды (50, 40,10 и 50 г, соответственно)и загрузкой из навоза КРС и воды (эталонный состав). Однако,при сравнении субстратов из навоза КРС, органики, опилок,воды и субстрата из навоза КРС, органики, воды, в сочетании с мелом, видно, что процесс выработки биогаза запустился лишь на 16 день, но биогаз вырабатывался стабильно, без какихлибо перебоев, что свидетельствует о благоприятном результате. И, наконец, сосуд с эталонной загрузкой (навоз КРС и вода), показал о нецелесообразности использования чистого навоза в качестве топлива для получения биогаза.

Рис.4.Динамика изменения выработки биогаза с загрузкой,исходя из таблицы №2

Анализ динамики выработки биогаза в установке №2

В данном случае сосуды с субстратами были помещены в термостат, в котором поддерживалась постоянная температура 40оС. Также в процессе работы установки периодически производилось механическое помешивание. Однако недостатком данной установки являетсябольшое количество навозав субстрате. Это поспособствовало сильному торможению процесса. Однако в данном случае процесс выработки биогаза носит практически однородный характер –сосуды с похожим составом исходного субстрата получили схожие результаты.Наилучший результат показали субстраты со следующими составами: навоз КРС, мел, вода и навоз КРС, солома, вода.Биогаз вырабатывался равномерно, начиная уже со 2го дня. Однако в первом случае показательнесколько выходит вперед, так как в нем содержался нейтрализатор (мел). Субстрат из навоза КРС и воды, выступающий в качестве эталонного, также показал неплохие результат. Но смешениенавоза с органикой оказывается более продуктивным, а дляпостоянногоподогревасубстрата для получения должного выхода биогаза из «эталона», необходимо затрачивать большое количество электроэнергии, то это уже нецелесообразно.Субстрат, в состав которого входит навоз КРС, органика и вода (200, 50, 50, соответственно), дал постепенный, стабильный выход биогаза, что связано с 050100150200250135791113151719212325272931Vг, см3День от запуска установкиРяд1Ряд2Ряд3Ряд4Ряд5содержанием большого количества органики, однако меньшее, по сравнению с субстратом, содержащим нейтрализатор –мел.Субстрат, содержащий навоз КРС, органику и воду,получил наименьший выход биогаза. Это может быть связано с малым количеством органики и отсутствием вводимой щелочи.

Рис.5.Динамика изменения выработки биогаза с загрузкой субстрата № 3

Анализ динамики выработки биогаза в установке №3

Данная установка поверочная. Состав всех субстратовидентичен. В данном случае можно с уверенностью говорить, что поверочный эксперимент удался, поскольку результаты, несмотря на небольшой выход биогаза, получились схожими.

Рис.6.Динамика изменения выработки биогаза с загрузкой субстрата № 4

Анализ динамики выработки биогаза в установке №4

050100150200250159131721Vг, см3День от запуска установкиРяд1Ряд2Ряд301002003004005006007008004914192429Vг, см3День от запуска установки12345Наилучшие результаты показали субстраты со следующими составами: навоз КРС, вода и навоз куриный, мел, вода.Биогаз в первом случаевырабатывается медленнее, однако на 30ый день реализовывает накопленную энергию, происходит резкий скачок вверх. Данный образец является эталонным, но в отличие от предыдущих вариантов дает больший выход биогаза. Это может быть связано с тем, что, вопервых, влажность данного исходного сырья отличалась от предыдущего, а вовторых, учитывая, что применяемое сырье было взято от других источников, рацион питания которых отличался от вышерассмотренных, соотношение белков, жиров и углеводов, соответственно,также разнится. Несмотря на то, в основе субстрата из навоза куриного, мела и воды,лежит куриный помет, а в основесубстрата (навоз КРС, вода) –навоз КРС, результат этих образцов мало отличен. Субстрат, состоящий из симбиоза навозов КРС и птиц, в сочетании с водой и субстрат аналогичного заполнения, за исключением добавления мела,далипротиворечивые результаты по сравнению с предыдущими установками. Так, образец, в котором присутствовал мел, показал худший результат, чем образец без его наличия. В их основе лежит сочетаниенавоза КРС и птиц. Следовательно, можно предположить, что в результате взаимодействия этих двух составляющих образуется нейтральная среда. Поэтому при добавлении в субстрат мела режим становится щелочным и выработка биогаза затормаживается. Наихудший результат показал субстрат, в состав которого входит куриный навоз ивода. Выход биогаза достигает своего пика на 10 день и далее процесс останавливается. Состав данного сосуда также является эталонным. В таком случае можно говорить о том, что навоз КРСв чистом видеспособствует большему количеству биогаза, при тех же условиях.В целом навоз птицы показал наилучший результат.

Рис. 7.Динамика изменения выработки биогаза с загрузкой

субстрата № 5

Анализ динамики выработки биогаза в установке №5

В данном случае в качестве исходного сырья был использован конскийнавоз. Наилучшим образом проявил себя субстрат, содержащийнавозконский, органику, воду, с добавлением мела. Мел выравнивает pH, поэтому и данный субстрат является наиболее оптимальным. Субстраты с загрузкой из навоза конского, мела, воды и навоза конского, органики и водыпоказали схожие результаты,с той лишь разницей, чтопроцесс выработки биогаза в образце, содержащем органику,протекал более интенсивно.Мел взят в больших количествах, что может свидетельствовать об 05010015020025012345678910111213141516171819Vг, см3День от запуска установки12345Столбец1щелочной реакции субстратаВ эталонном субстрате (навоз конский, вода)выработалось небольшое количество биотоплива. Как показывает весь данный опыт, эталон вовсе не отличается оптимальным результатом. Образец с загрузкой из навоза конского, органики (апельсиновая корка –5г, сухие листья –5г) и водыникак не проявил себя, несмотря на идентичность саналогичнымсубстратом из навоза конского, органики (апельсиновын корки –3г, сухие листья –2г), воды.Можно предположить, что эфирные масла, содержащиеся в апельсиновой корке,тормозят процесс метаболизма. В целом, лошадиный навоз в любых комбинациях дает примерно такое же количество биогаза, что инавоз КРС.

Навоз скота имеет достойные показатели по выходу газа. Крупный рогатый скот, как жвачные животные, благодаря особой флоре желудка, содержащей среди прочих и метановые бактерии, а также длинному кишечному тракту и сильному измельчению легко перевариваемых веществ, потребляет существенное количество клетчатки. Этот недостаток навоза скота выравнивается, однако, высоким содержанием сухой субстанции [9].Свинья, как и человек, известна своим плохим перевариванием корма, что вызвано однокамерным желудком и коротким кишечником. Поэтому выход газа существенно выше, чем у скота изза того, что навоз содержит множество неразложенных питательных веществ. Куры, как и все птицы, имеют короткий аппарат переваривания, что обуславливает их малый вес. Переваривание является неполным. В помете содержитсябольшое количество разлагаемых субстанций. Поэтому помет дает самый большой выход газа [10].

Вывод:Изучено влияние вида субстрата на выход биогаза при анаэробном сбраживании отходов животноводства и сельского хозяйства. Экспериментальным путем определен оптимальный состав, обеспечивающий максимальному выходу биогаза (вода –50%, навоз куриный –25%, мел –25%). Показано, что внесение компонентов органического происхождения, таких какотходы сельского хозяйства (картофельные, морковные, свекольные очистки)к навозу КРС, способствует увеличению выработки биогаза в 1,5 –2 раза, причем при добавлении одновременно и мела, и сельскохозяйственных отходов, биогаз выделяется более результативно. Внесение отходов сельского хозяйствак конскому навозу увеличивает выход биогаза в 23 раза, добавление мела –в 2 раза. Добавление мела к куриному навозу способствует увеличению количествавыработанного биогаза в 4 раза.

Ссылки на источники1. Харламова Т.Е. История науки и техники. Электроэнергетика. Учеб. Пособие СПб.: СЗТУ, 2006. 126с.2. Эдер Б. Биогазовые установки, практическое пособие / Б. Эдер, Х. Шульц, 1996. Перевод с немецкого Zorg Biogas в 2008 г.3. http://newsland.com/user/4297651876/content/40631474. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR), Гюльцов, 2010 г.5. Беляков В.С., Сазонов Д.Г., Журнал "АкваТерм" МартАпрель №2 (36) 20077. ГОСТ 2731491 Топливо твердое минеральное. Методы определения влаги.8. http://greenevolution.ru/enc/wiki/anaerobnoerazlozheniesbrazhivanie/9. Ковалев, А.А. Эффективность производства биогаза на животноводческих фермах / А.А. Ковалев // Техника в сельском хозяйстве. 2001. №3.10. Биогаз на сельском подворье: Шомин А. А. // Балаклея 2002.11. Беляков В.С., Сазонов Д.Г., Журнал "АкваТерм" МартАпрель №2 (36) 200712. Наноматериалы и нанотехнологии в энергетике. Монография./ Под редакцией Э.В. Шамсутдинова и О.С. Зуевой, В 2 т.; Т.II. –Казань: Казан. гос. энерг. унт, 2014. –376 с.13. Манаков М.Н. Теоретические основы технологии микробиологических производств/, Д.Г. Победимский М.: Агропромиздат, 1990.272 с.