так как при известных условиях позволяет экономить покупные удобрения благодаря использованию удобрительных свойств продуктов сбраживания, а также первичную энергию путем реализации энергетического потенциала растительных отходов.

Те или иные цели процесса переработки отходов, оп-ределлемые требованиями охраны окружающей среды, могут быть достигнуты в результате использования как аэробного, так и анаэробного способа брожения. Решающие факторы при выборе конкретного способа:

—первоначальные и эксплуатационные расходы;

—надежность в эксплуатации;

—требования к техническому обслуживанию и эксплуатации;

—эффективность использования получаемой продукции.

Если исходный материал находится в жидком состоянии, то анаэробный способ брожения предпочтительнее в смысле эксплуатационных расходов, поскольку потребность в энергии для отдельных этапов процесса (например, подогрева) может быть покрыта за счет полученного газа и при соответствующем ведении процесса возможно дополнительное снижение затрат благодаря полезному использованию избыточного количества газа. Еиде одним преимуществом анаэробного сбраживания можно считать повышенное содержание азота в конечном субстрате, что важно для питания растений (при аэробном сбраживании потери азота достигают 40%).

Таким образом, для сельскохозяйственного производства анаэробный способ представляет собой альтернативу аэробному, поскольку первый связан с относительно малыми затратами энергии и небольшими потерями азота.

В каком объеме и с какими затратами можно получить при этом из излишков газа дополнительную полезную энергию для сельскохозяйственного производства или даже для сторонних потребителей, зависит от большого числа технологических, производственно-технических и экономических факторов.

Часть I

ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАНОВОГО БРОЖЕНИЯ

В. БААДЕР

1.

Основные положения

1.1. Особенности процесса

1.1.1. Процессы биохимических превращений [15, 17, 18, 58, 60, 91]

На первом этапе анаэробного сбраживания органических веществ путем биохимического расщепления (гидролиза) сначала происходит разложение высокомолекулярных соединений (углеводов, жиров, белковых веществ) на низкомолекулярные органические соединения. На втором этапе при участии кислотообразующих бактерий происходит дальнейшее разложение с образованием органических кислот и их солей, а также спиртов, СО2 и Нг, а затем H2S и NH3. Окончательное бактериальное преобразование органических веществ в СО2 и СН4 осуществляется на третьем этапе процесса (метановое брожение). Кроме того, из СО2 и Нг образуется

/ отпал

Гидролиз

Сырой шлам Осноёные компоненты: Жир

]] этап

Образование кислот

Шэтап

Образование метана

Белок-

■ Высокомолекулярные жирные кислоты, глицеролъ

аминокислоты; низ-, комолекулярнше. пеп\ тиды-

Полисахариды-* моносахариды.

дисахариды

Летучие жирные кислоты, спирт, альде-гиаы, кетоны, аммиак, углекислый газ, Ьодород, Вова

I

§5 Углекислый ~^^г*^газ, Вода

Размножение бактерий

Рис. 1. Этапы процесса анаэробного брожения [44].

Размножение бактерий

в дальнейшем дополнительное количество СН4 и Н2О (рис. 1).

Эти реакции протекают одновременно, причем мета-нообразующие бактерии предъявляют к условиям своего существования значительно более высокие требования, чем кислотообразующие. Так, например, они нуждаются в абсолютно анаэробной среде и требуют более длительного времени для воспроизводства. Скорость и масштабы анаэробного брожения метанообразующих бактерий зависят от их метаболической активности.

1.1.2. Факторы, влияющие на процесс брожения

Температура [il6, 19, 22, 27, 63, 91, 125]

Метаболическая активность и репродуктивная способность микроорганизмов находятся в функциональной зависимости от температуры. Таким образом, те.мпература влияет на объем газа, который можно получить из определенного количества органического вещества в течение заданного времени, а также на технологическое время процесса брожения, необходимое для высвобождения при соответствующей температуре определенного количества газа (рис. 2).

В многочисленных более ранних работах названы два^5

температурных

предела

12 W

t

0,2. D

$1

W 20 30 tO 50ts;C

Рис. 2. Отношения количеств (Л, сплошные линии) таза, выделяемого при ра.зличных температурах бродильной камеры, и необходимой для этого длительности {Б, штриховые линии) брожения к соответствующим значениям этих же величин при 33°С.

50 _ т Bpbtij, сут

150

Рис. 3. Влияние температуры брожения н продолжительности процесса брожения на выход и состав получаемого газа [63] {сплошные линии — общий выход газа, штриховые — выход метана).

(около 33° и 54°С), которым соответствуют наивысшие значения метаболической активности. Прерывистый характер протекания функции объясняется заменой .мезо-фильного штамма бактерий на термофильный. Однако, согласно новейшим исследованиям, такая прерывистость не существует, а это означает, что с повышением температуры примерно до 54 °С [62] условия для образования газа улучшаются. Микробиологическая активность почти прекращается, если температура падает примерно до 15°. К перепадам температуры, в особенности к ее внезапным понижениям, микроорганизмы весьма чувствительны и реагируют на это снижением метаболической активности и способности к воспроизведению.

Кроме того, температура влияет на качество газа. Так, при возрастании температуры было установлено снижение доли СН4 в общем объеме выделяющихся газов (рис. 3).

Cqд€piЖaниe кислот, рН, буферные свойства (щелочность) [50, 54, 58, 71]

Так как метаболическая активность и уровень воспроизводства метановых бактерий ниже, чем кислотообразующих, при нарастании количества образующихся органических веществ может получиться избыток летучих кислот, который снижает активность метановых бактерий, как только значение рН опустится ниже 6,5. Обычно величина рН благодаря буферным свойствам субстрата при неравномерном образовании кислот поддерживается на постоянном уровне. Эти свойства проявляются путем образования карбонатов в количествах, превышающих количество выделившегося при брожении СО2.

В качестве оптимальных значений могут быть названы:

—щелочность 1500...5000 мг СаСОз на 1 л субстрата;

—рН 6,5...7,5;

—содержание летучих кислот 600...1500 мг на 1 л субстрата.

Признаки нарушения процесса анаэробного сбраживания:

—снижение щелочности;

—уменьшение величины рН;

—возрастание содержания летучих кислот;

—увеличение доли СО2 в выделяющемся газе;

—снижение выхода газа.

Ингибиторы [45, 58, 59, 64, 66, 69, 71, 134]-

К веществам, которые в слишком большой концентрации препятствуют жизнедеятельности микроорганизмов, относятся прежде всего тяжелые металлы и их соли, щелочные металлы, щелочноземельные металлы, аммиак, нитраты, сульфиды, детергенты, органические растворители, антибиотики.

Таблица 4. Предельные концентрации веществ, препятствующих процессу метанового брожения

Медь

Кальций

Натрий

Калий

Магний

Аммиак

Сульфиды

Нитраты

Концентрация, мг на 1 л субстрата

Литературный источник

[69] [66]

Примечание. Дополнительные данные в [134], стр. 26 и 71.

В таблице 4 для некоторых веществ приведены значения концентрации, которые ведут к существенному замедлению метанообразованпя. Для детергентов, органических растворителей и антибиотиков не имеется точных данных о критических значениях концентрации. Однако в литературе указывается, что эти вещества даже в самых незначительных количествах препятствуют процессу брожения.

Питательная qpeдa [17, 65, 86, 91]

Предпосылкой беспрепятственного размножения бактерий служит наличие питательной среды, которая содержит как углерод и кислород для обеспечения этого процесса энергией, водород, азот, серу и фосфор — для образования белка, так и щелочные металлы, железо и микроэлементы.

16

При этом активность микробной реакции в значительной мере определяется соотношением углерода и азота. Наиболее благоприятные условия соответствуют значениям C/iN = 10...16.

Если в исходном субстрате углеводов больше, чем белковых веществ, то образуется мало аммонийного азота. Вследствие этого выделяется меньше СН4 и больше Нг и СО2, что ведет к увеличению выхода кислот, снижению рН и тем самым к дальнейшему уменьшению интенсивности метанового брожения. С другой стороны, избыток белка и аминокислот обусловливает возрастание значения рН более 8, что также приводит к затуханию процесса метанообразованпя.

Состав таза [17, 65, 86, 91]

Количество и состав газа, образующегося в результате полного разложения органического вещества, зависит от соотношения С : Н : О : N в исходном материале и от температуры процесса брожения. Из важнейших соединений, входящих в состав органического вещества, жиры обусловливают наибольший выход газа с высоким содержанием СН4, белковые вещества — немного меньший, но тоже с высоким содержанием СН4, и углеводы—относительно мало газа с наименьшим содержанием СН4.

Средний состав газа, который можно получить из экскрементов животных при оптимальной температуре брожения 34°С соответствует соотношению СН4/С02 = 2.

Концентрация твердых частиц [45, 58, 124, 143]

Предпосылкой высокой интенсивности реакции служит беспрепятственный обмен веществ на граничных поверхностях фаз, который должен поддерживаться непрерывным обновлением этих поверхностей благодаря перемешиванию субстрата. Однако это можно обеспечить только в том случае, если вязкость субстрата допускает свободу перемещения жидкости, взвешенных твердых частиц, в особенности бактерий, и пузырьков газа. Верхняя граница концентрации твердых частиц, при которой еще возможно свободное перемещение фаз, для субстрата с мелкодисперсной взвесью твердых веществ соответствует 10... 12%- При больших значениях выход

2 Заказ 8706

17