УДК 628.336.5
Автор: В. П. Кузнецов; С. т. +7 905 068 5757; E-mail: vpk-51@yandex.ru.
Спонсор работы: ООО «СЕЛЯНА» дир. Евдокимов А.Н.
Аннотация: В этой статье рассматривается процесс выделения биогаза в течении 80-ти дней из органических отходов. Выделение биогаза осуществлялось; при термофильном режиме 52-55 (53) оС, в мезофильном температурном режиме 32-38 (35) оС и в психофильном температурном режиме 10–25 (22) оС. На все эти процессы накладывался а именно концентрация субстрата то есть отношение сухих органических отходов к воде которой он разбавляется для эффективной работы симбиоза метаногенных бактерий. В работе показано их значение не только для получения большего количества биогаза но и высокой концентрации метана в биогазе, а тек же степени деструкции органических отходов.
Ключевые слова: Биореактор, газгольдер, насос, аэратор, гашенная известь, зависимость, выход, биогаз, режим, термофильный, мезофильный, психофильный, концентрация, субстрат, органические отходы.
Введение: Из множестве факторов, влияющих на скорость размножения микроорганизмов и биохимических реакций при метановом сбраживании, первое место отводят температуре и продолжительности ферментации субстрата.
Метановое сбраживание протекает в температурном интервале 10 -92 оС. Практическое применение нашли два интервала 32-35 оС называемый мезофильный и 52-55 оС называемым термофильный. Термофильный режим имеет преимущества:
1. ликвидирует санитарно-гигиеническую опасность от переработанного сырья,
2. требует гораздо меньших объёмов биореактора, а значит меньших финансовых вложений,
3. протекает (3-5 раза) быстрей мезофильного и тем более психрофильного,
4. термофильном режиме имеет место больший выход биогаза с килограмма сухого субстрата с большим содержанием метана за меньшую продолжительность ферментации.
Процесс ферментации вариативен в зависимости от субстрата и степени его подготовки. В статье предусмотрена наша технология подготовки субстрата и для нее потребовалось выяснить, как протекает процесс ферментации в психофильном, мезофильном и термофильном режимах. Технология включает: Создание комплексного состава субстрата, его гомогенизацию, включение стимулирующих добавок. Поэтому возникла потребность изучить эти три режима ферментации во времени.
Оборудование: Для проведения экспериментов и получения экспериментальных данных были разработаны следующие устройства.
Фиг.1. Первый утилитарный биореактор (который может быть реализован в любом хозяйстве, не требующий финансовых затрот) для проверки метанового брожения. Может быть утеплен со встроенной системой подогрева.
Ферментатор – биореактор Фиг.2. Из двухсот литровых металлических бочек были изготовлены три ферментатора, которые для утепления были обклеены пена полистиролом. В качестве источников подогрева использованы U-образные тепло нагревательные элементы выполненные из нержавеющей стали. В верхнюю крышку вмонтирован штуцер, через шаровой кран Д-1/2, для отбора биогаза. В нижнюю крышку вмонтирован штуцер, через шаровой кран Д-3, В биореактор вмонтирована магнитная мешалка.
Фиг.2. Ферментатор 200 литров, газгольдер 100 литров, лодочный насос для перекачки биогаза в стационарный газгольдер.
Фиг.3. Стационарные газгольдеры. Справа камера краза емкостью 0,3 м3 при давлении 2,1х105 Па. Слева Металлическая емкость 0,085 м3 при давлении 12х105 Па. Для создания указанного давления использовался компрессор от холодильника «Бирюса»
Для заполнения ферментатора субстратом и слива анаэробного удобрения после полного цикла ферментации субстрата. К крану Д-3 подсоединён шланг Д-3, заканчивающийся воронкой. Температура в ферментаторе поддерживалась автоматически с помощью терморегулятора ТРМ-1 с термопарой и контролировалась ртутным термометром показавшим, что отклонения температуры не превышают ± 〖0,5〗^о С. Через верхний штуцер биогаз поступает на газо-водяной газгольдер. Газо-водяной газгольдер выполнен из металлической бочки разрезанной пополам и вставленной одна в другую. Такая конструкция газгольдера позволяет использовать его и как накопитель биогаза и как мерный сосуд.
Для долгосрочного хранения очищенного биогаза от углекислого газа использовали два типа газгольдеров Фиг.3.:
1. Газгольдеры в виде камера «КрАЗ». Объём заполненной камеры составляет 0,3 м3 при давлении 2,1х105 Па. Фото справа.
2. Газгольдер в виде цилиндрического сосуда. На Фот.3. Слева показан газгольдер емкостью 0,085 м3 при давлении 12х105 кПа. Закачку биогаза в этот газгольдер осуществляли компрессором от холодильника «Бирюса».
Фиг.4. Барботёр слева и известковое молоко справа.
Для очистки биогаза от углекислого газа Фот.4. использовали барботёр в котором через известковое молоко продувался сырой биогаз. Биогаз из-за большого содержания воздуха и углекислого газа не горел. После продувки биогаза через барботёр биогаз начинал гореть в бытовой одна комфортной плите.
Результаты экспериментальной работы:
Результаты показаны на графиках Фиг.5. Фиг.6.
Фиг.5. Зависимости суточного выделения биогаза субстратом от времени ферментации. Кружки характеризуют термофильный режим. Треугольники характеризуют мезофильный режим. Квадратики характеризуют психофильный режим. Ферментация ведется со смесью (навоз КРС, газонная трава, пищевые отходы) – 40 кг и вода 160 кг. Температура ферментации 53оС –термофильный режим, 35оС – мезофильный режим, 22оС – психофильный режим.
Фиг.5. отображает метановое брожение (размножение микроорганизмов, а также деструкцию субстрата с переходом его в минерализованное состояние плюс биогаз плюс вода). Термофильный режим показывает 95% деструкции субстрата. В этом режиме за 80 суток выделилось биогаза в количестве 1698 литра. Хвосты биогаза составили 0,4%. Медиальный режим составляет 11 суток. Причем этот режим включает в себя падение температуры с 53оС на 49оС5 сутки,14 сутки,21 сутки и 31 сутки, что отражается падением выделения биогаза. Мезофильный режим и психофильный не реагируют на падения температур на 4оС и имеют более плавный характер своих кривых.
Фиг.6. Зависимость суточного выделения биогаза субстратом от времени ферментации. Кружки характеризуют термофильный режим. Квадратики характеризуют мезофильный режим. Треугольники характеризуют психофильный режим. Ферментация ведется со смесью (навоз КРС, газонная трава, пищевые отходы) – 25 кг и вода 160 кг. Температура ферментации 53оС – термофильный режим, 35оС – мезофильный режим, 22оС – психофильный режим.
Фиг.6. отображает метановое брожение (размножение микроорганизмов, а также деструкцию субстрата с переходом его в минерализованное состояние плюс выделившейся биогаз и вода) В термофильном режиме деструкция субстрата достигает 99%. Количество биогаза выделившееся за 80 суток составило 760 литров. Хвосты биогаза составили 0,13%. Медиальный режим составил 21 сутки. Также моделировались падения температуры на 4оС, что приводило к торможению деструкции субстрата и выделение биогаза. И что важно к торможению размножения микроорганизмов. Мезофильный режим и психофильный также не реагируют на падение температуры на 4оС имеют плавный характер своих кривых.
Выводы: Из полученных экспериментальных результатов следует:
1. Процесс ферментации зависит от влажности субстрата и способа его приготовления.
2. Наши эксперименты показали, что существует оптимальная концентрация ферментации субстрата. Она составляет 93% - влажность субстрата. Увеличение влажности приводит к продолжительности переработки субстрата. Уменьшение влажности субстрата приводит к появлению зон гниения и другим отрицательным последствиям.
3. Медианный срок ферментации, для соотношения сырье вода 40/160, при котором половина сырья превратили микроорганизмы в анаэробные удобрения составляет: 11 суток для термофильного режима, 25 суток для мезофильном режима и 40 суток для психрофильного режима. 80 % сырья перерабатывается за 20, 50, 80 суток соответственно для термофильного, мезофильном и психрофильного режимов.
4. Медианный срок ферментации, для соотношения сырье вода 25/160, при котором половина сырья превратили микроорганизмы в анаэробные удобрения составляет: 20 суток для термофильного режима, 30 суток для мезофильном режима и 47 суток для психрофильного режима. 80 % сырья перерабатывается за 25, 50, 80 суток соответственно для термофильного, мезофильном и психрофильного режимов.
5. Производительность устройства: в термофильном режиме 1460 кг/год, в мезофильном режиме 730 кг/год и в психофильном режиме 360 кг/год.
6. При 80 % переработке сырья Производительность 200 литрового устройства составит: в термофильном режиме 730 кг/год, в мезофильном режиме 292 кг/год и психофильном режиме 182 кг/год.
7. При этом в термофильном режиме полностью уничтожаются патогенные бактерии и вирусы, гельминты и их яйца, семена сорных растений.
8. Показано, что при дозревании анаэробного удобрения 40 более суток удобрение приобретают свойства описанные в [10]
Литература:
1. Гюнтер Л.И., Гольдфарб Л.Л. Метантенки. – М.: Стройиздат, 1991. – 128 с.: ил.
2. Дубровский В.С., Виестур У.Э. Метановое сбраживание сельскохозяйственных отходов. – Рига: Зиатне, 1988. – 204 с.: ил.
3. Бадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика (Пер. с нем.) – М.: Колос, 1982. – 148 с.: ил.
4. Веденов А.Г., Веденова Т.А. Биогазовые технологии в Кыргызской Республике. – Б. типография «Евро», 2006. – 90 с.: ил.
5. Панцхава Е.С., Беренгартен М.Г., Вайнштейн С.И. Биогазовые технологии. М.: ФАПО РФ Московский государственный университет инженерной экологии, 2008. – 217 с.: ил.
6. В.П. Кузнецов. Пути увеличения прибыли при снижении экологической нагрузки на экосистемы сельскохозяйственных земель. 2023г. - 6 с.: https://dzen.ru/a/ZBAYMZ-cs1fweNE7 .
7. ГОСТ 33380-2015. Межгосударственный стандарт. Удобрения органические ЭФФЛЮЕНТ. Технические условия. М: Стандартинформ, 2016 г. 12 с.
8. Патент РФ на изобретение № 2544700, Устройство для утилизации органических отходов. В.П Кузнецов, А.Н. Евдокимов. 20.03.2015 Бюл. №8. С. 8.: ил.
9. В.П. Кузнецов. Экологические аспекты утилизации отходов производста пищевых продуктов, животноводческих ферм и ЖКХ городов и поселков. 2023г. - 10 с.: https://dzen.ru/profile/editor/id/6405711a75a11b7bd694b876/publications-stat?statType=publications&publicationsPublicationType=article&publicationId=64327c6ed092ec353c40a0b3&intervalType=infinite
10. В.П. Кузнецов. Применение анаэробных удобрений полученных переработкой органических отходов в симметричном коаксиальном пятиамперном биореакторе. 2023 г. – 17 с.: ил. https://dzen.ru/media/id/6405711a75a11b7bd694b876/primenenie-anaerobnyh-udobrenii-poluchennyh-pererabotkoi-organicheskih-othodov-v-simmetrichnom-koaksialnom-piatikamernom-bioreaktore-646f05b9b0e3bd0984bff1ee
Что такое биогаз смотрите на моем канале https://studio.youtube.com/video/QBwGbWRSFek/edit