Анаэробная ферментация биомассы

Переработка отходов растениеводства методом анаэробного брожения обеспечивает получение около 175 м3 биогаза из I т сырья растительной биомассы. При организации производства электроэнергии и тепла в местах получения биогаза их себестоимость может быть ниже существующих тарифов — 0,6 цента/кВт * ч и 2,9 долл. США/Гкал соответственно.

Переработка городских сточных вод наиболее развита в США, ФРГ, Франции и ряде других стран, где в основном используется анаэробная ферментация осадка с утилизацией полученного биогаза. Сушка осадка производится на специальных площадках; в США имеется более 6000 станций аэрации. Полученный биогаз на 70…80 % обеспечивает собственные потребности водоочистных станций в энергии. В Италии (г. Реус) экспериментальная установка производит 1,094 млн м3/год биогаза, потребление на собственные нужды составляет 0,664 млн м3/год (61 %).

В процессе анаэробной ферментации сложные органические вещества разлагаются на С02 и СН4, причем на долю метана приходится около 90 % энергии, находящейся в первичном субстрате. Технологический процесс анаэробного сбраживания биомассы проводится без доступа кислорода в специальных реакторах-метантенках, конструкция которых обеспечивает максимальное выделение метана.

В процессе анаэробной ферментации принимают участие различные виды микроорганизмов — термофилы, активные при 45…70 °С, и мезофилы, активные при 20…40 °С. В течение всего периода изучения данного процесса представления о его механизме претерпели значительные изменения. Современное представление о прохождении преобразований в процессе анаэробной ферментации биомассы.

Разложение органических веществ на метан и углекислый газ проходит при общем действии трех основных групп бактерий:

1. ферментативных;
2. облигатных ацетогенных;
3. метаногенных.

Первая группа — ферментативные бактерии — гидролизует первичный субстрат (протеины, липиды, полисахариды) с образованием конечных продуктов в виде уксусной кислоты и других насыщенных жирных кислот, углекислого газа и водорода.

Вторая группа — облигатные ацетогенные бактерии — образует водород и уксусную кислоту (иногда и углекислый газ) из конечных продуктов первой группы.

Третья группа — метаногенные бактерии, потребляя образованный другими бактериями водород, восстанавливают углекислый газ до метана и расщепляют уксусную кислоту до углекислого газа и метана. Последняя реакция имеет большое значение, так как 70 % метана, полученного анаэробной ферментацией, образуется из метиловой группы уксусной кислоты. В некоторых случаях ацетогенная гидрогенизация проходит при участии еще одной группы бактерий.

Особенно важным для анаэробного сбраживания является создание оптимальных технологических условий в реакторе-метантанке (температура, анаэробные условия, достаточная концентрация питательных веществ, допустимое значение pH, отсутствие или низкая концентрация токсичных веществ).

Существенное влияние на процесс оказывает температура: наилучшим образом ферментация проходит при 30…40 °С (развитие мезофильной бактериальной флоры) и при 50…60 °С (развитие термофильной бактериальной флоры). Выбор мезофилъного или термофильного режима работы основывается на анализе климатических условий, т. е. если для обеспечения термофильных температур нужны значительные затраты энергии, то более эффективным является эксплуатация биореакторов в мезофильном режиме. Наиболее эффективными считаются биореакторы, которые работают в термофильном режиме 43…52 °С. На таких установках с трехдневной ферментацией навоза выход биогаза составляет 4,5 л на каждый литр полезного объема реактора.

В процессе эксплуатации биореакторов требуется постоянный контроль за показателем pH, оптимальное значение которого находится в пределах 6,7…7,6. Регулирование этого показателя, как правило, осуществляется добавлением раствора извести. Сырье для получения метана. Биогаз, полученный в результате анаэробной переработки биомассы, состоит из 60…70 метана, 30…40 % углекислого газа, примесей сероводорода, водорода, аммиака и оксидов азота. При эксплуатации биоэнергетического оборудования необходимо удалить вредные компоненты биогаза.

Концентрация питательных веществ и соотношение углерода и азота оказывают влияние на прохождение реакций (оптимальное соотношение C/N = 20/1-30/1). Ориентировочное содержание азота и соотношение C/N в разных отходах (по сухой массе). Как видно, различное содержание основных элементов имеют не только разные виды биомассы, но и разные виды навоза. Увеличения производительности процесса анаэробной ферментации можно достичь, употребляя в качестве исходного сырья смесь разных видов сельскохозяйственных отходов. При необходимости интенсификации процесса брожения в исходную биомассу добавляют органические катализаторы — глюкозу и целлюлозу.

Кроме отходов животных и птицы, эффективным сырьем для получения биогаза методом анаэробного сбраживания могут быть и другие виды сельскохозяйственных отходов, а также промышленные и городские органические отходы; выход биогаза при их переработке и энергетический эквивалент выработанного биогаза.

Для повышения эффективности процесса анаэробной ферментации в процессе всего периода сбраживании проводится активное перемешивание биомассы. Перемешивание осуществляется:

• механическими мешалками или погружными насосами с приводом от электродвигателя;
• гидравлическими насадками за счет энергии потока сбраживаемой биомассы, которая перекачивается насосом;
• избыточным давлением биогаза, который пропускается через барботер или трубку, расположенную в нижней части реактора.

Остаток, образующийся в результате анаэробной ферментации, содержит значительное количество питательных веществ, состав и количество которых зависят от состава исходного сырья. В благоприятных условиях разлагается около 70 % органических веществ, а 30 % — попадает в остаток. Преимущество метода анаэробной ферментации заключается в том, что сохраняется почти весь азот из отходов биомассы в той или иной форме. Отработанная органическая масса после выхода из биореактора используется как удобрение.

Дата публикации: 09.04.2013

Похожие записи:

• Производство топливных спиртов
• Технология переработки биомассы
• Биоэнергетика. Технология и оборудование
• Биоэнергетика: твердые отходы
• Биоэнергетика: водная растительная биомасса
• Биоэнергетика: cельскохозяйственные отходы