< Попер   ЗМІСТ   Наст >

Біотехнологічний процес метанового зброджування.

Біогаз - суміш газів. Його основні компоненти: метан (СН4) - 55-70 % і вуглекислий газ (С02) - 28-43 %, а також у дуже малих кількостях інші гази, наприклад - сірководень (H2S).

Сучасні уявлення про процес метанового зброджування базуються на результатах досліджень і вивчення біохімії і мікробіології процесу, а також вивчення природних анаеробних біоценозів (наприклад, рубця жуйних тварин) і штучних біоценозів (мікробіологічних реакторів - метантенків) [14,75].

Найінгенсивніше Дослідження процесу метанового зброджування гнойової біомаси проводилося за кордоном наприкінці 80-х - на початку 90-х років [14,74,76], що було пов'язано з виникненням світової енергетичної кризи і пошуком альтернативних джерел енергії. Під впливом такої тенденції аналогічні дослідження проводилися і в колишньому Радянському Союзі [14,73,74], незважаючи на наявні в той час значні запаси більш дешевого природного газу. В теперішній час відновився інтерес до метанового зброджування гнойової біомаси як до альтернативного поновлюваного джерела енергії, технології отримання високоякісних органічних добрив для відновлення родючості грунтів і зниження антропогенного навантаження на навколишнє середовище [1,73,75].

Метаногенез (біологічний синтез метану) - один з найважливіших етапів ланцюга анаеробного розкладення органічних сполук. Цей процес відбуваєшся без От і як термінальні акцептори електронів виступають інші сполуки [14]:

Мn4+

->Мn2+

Відновлення марганцю

N03/N02

->N2

Денітрифікація

N03/N02

->NH4+

Дисиміляторна нітратамоніфікація

Fe3+

->Fe2*

Відновлення заліза

S042-

->H2S

Дисиміляторна сульфатредукція

~>H2S

Дисиміляторне відновлення

НСОз-

->CH4

Метаногенез

Наведені сполуки використовуються мікроорганізмами як акцептори електронів. Анаеробне розкладання органічних речовин виконують прокаріоти. Більшість еукаріотів не беруть участь в цьому процесі. Характерним моментом анаеробного розкладу є поступове окислення вуглецовмістких сполук, яке поетапно проводять різноманітні групи мікроорганізмів, які утворюють складний комплекс мікробної спільноти. Між цими мікробним групами існують спеціалізовані взаємовідносини. В анаеробних умовах різноманітність шляхів метаболізму значно більша ніж в анаеробних, тому що окислення вуглецевовмістких сполук відбувається шляхом деградування і пов'язане з перенесенням водню на різні субстрати проміжного метаболізму чи на зовнішні акцептори електронів. На Рис. 27.6. наведено основні етапи анаеробного розкладання органічних субстратів комплексом мікроорганізмів [14,71,72]. Першу фазу (гідролітичну) проводять різні групи мікроорганізмів (факультативні і облігантні анаероби), проте в цій фазі енергія тільки витрачається. Утворення енергії відбувається в другій фазі (бродіння, ацетогенна), яка проводиться тією ж групою мікроорганізмів, що беруть участь в першій фазі, а також деякими іншими (лактобацили, стрептококи тощо), які не трансформують полімери, оскільки вони не мають екзоферментів для гідролізу полімерів. Звичайно, ці дві фази розглядають спільно, оскільки вони енергетично об'єднані.

У третій фазі (ацетогенній) утворюється переважно ацетат, у четвертій (меіаногенній) - метан (Рис.27.6.).

Основні фази мікробної деградації складних органічних речовин до метану в анаеробних умовах.

Рис. 27.6. Основні фази мікробної деградації складних органічних речовин до метану в анаеробних умовах.

Деякі продукти фази бродіння, минаючи ацетогенну фазу, безпосередньо трансформуються в СН4 Попередниками СН4 при цьому є СО2, Н2, СО, метиламін, метанол, ацетат, форміат. Інша частина продуктів бродіння (кислоти з числом вуглецевих атомів більше двох і спирти – більше одного) повинні пройти ще ацетогенну фазу (ацетогенез з утворенням Н2), в якій утворюється ацетат (попередник СН4) і одночасно Н2.

Цей процес проводиться представниками тільки в умовах низького парціального тиску. В зв'язку з цим ацетогенні мікроорганізми існують в синтрофній спільності з метаногенними чи сульфатредукувальними бактеріями. У цій спільноті існує міжвидовий перенос водню. Це фундаментальний принцип проходження анаеробної деструкції органічних сполук. Існує ще один проміжний етап, при якому ацетат утворюється з Н2 і С02. Це відбувається в таму випадку, коли в екосистемі наявна велика кількість Н2 і С02. Утворення С№ являє собою процес, який постачає енергію метаногенним бактеріям. Різноманітні субстрати забезпечують різні рівні отримання енергії [15,73].

Більшість метаногенних бактерій спроможні використовувати Н2 і С02 для утворення СН4, в той час, як лише п'ята частина описаних до цього часу видів використовує ацетат, метанол чи метиламін.

Кількісний вихід енергії при метаногенезі значно нижчий, ніж при аеробному диханні і денітрифікації. Разом з тим використання різноманітних субстратів для метаногенезу енергетично нерівномірне. Незважаючи на те, що вихід енергії при метаноутворенні з С02 і Н2 в стандартних умовах відносно високий (138,8 кДж на моль СН4, в реальних умовах при концентрації водню, яка є в природі, отримана енергія звичайно достатня для отримання лише 1/3 АТФ на моль СНЦ (20 кДж витрачається на 1 моль АТФ). Відповідно до сучасних уявлень про механізм метаногенезу, сполученість процесів утворенім СН4 і АТФ остаточно не з'ясована [15,73].

В 1956 році Г. Баркер об'єднав метаногенні бактерії в одну таксономічну групу на основі їх фізіологічних особливостей. Серед дев'яти названих ним видів, вірогідно, лише три було представлено чистими культурами. Представники інших видів – змішані культури. У подальшому список видів метаногенів поповнився. Проте, якщо в 1979 р. було описано 13 видів метаногенів, то в теперішній час відомо більше 50 [15,73].

Особливістю метантанків, як штучних екосистем, є: високі концентрації органічних речовин, відносно швидке споживання їх мікроорганізмами при постійному надходженні органічних речовин і рівномірне їх перемішування, а також постійна оптимальна температура. На сьогоднішній день науці відомо близько 10 різних видів methanococcus і methanobacterium, розміром всього лише 1/1000 мм, здатних жити в різному середовищі [15,73].

У процесі розщеплення продукти переварювання (обміну речовин) кожної групи бактерій виступають поживними речовинами для наступної групи бактерій. Пофазні розщеплення органіки відбувається не з однаковою швидкістю. Різні групи бактерій працюють з різною швидкістю. У той час як аеробні бактерії при достатньому харчуванні подвоюють свою масу протягом 20 хв. - 10 годин (час генерації), анаеробні бактерії істотно повільніше. Фаза утворення оцтової кислоти проходить найбільше повільно. Бактеріям необхідно багато днів для розщеплення поживних речовин і подвоєння своєї маси. Серед метанових бактерій також є кілька повільних видів, в першу чергу чисті культури вимагають для цього 3-5 днів. Всі інші розщеплюють оцтову кислоту на метан на протязі від декількох годин до трьох днів. Швидше за всіх працюють кислотообразуючі бактерії, що виробляють перші перетворення органіки вже протягом від декількох годин до 2 днів. В ідеальному випадку між фазами розщеплення встановлюється динамічна рівновага в концентрації речовин, а саме між надходженням поживних речовин та їх розщепленням.

Найбільш часто чиненою помилкою є перегодовування бактерій швидкорозщеплюємим субстратом, що призводить до накопичення кислот через кислотообразуючі бактерії. У зв'язку з цим може наступити дуже різке падіння рівня pH, якого не переживуть інші бактерії. Крім того, надмірна концентрація виробленої речовини призводить до затримки росту виробляємо'! її групи бактерій.

Динамічна рівновага також визначається легкістю розщеплення субстрату. Цукор і крохмаль, наприклад, через свою просту структуру розщеплюються дуже швидко і вимагають лише короткого часу перебування в ферментаторі. Чим складніша структура субстрату, тим довше буде тривати розщеплення. Целюлоза та гемицеллюлоза мають широко розгалужену структуру і розкладаються повільно. Лігнін, задерев'янілі речовини у рослин, кількість якого зростає з віком рослини, розкладається бактеріями дуже погано, оскільки він проявляє стійкість навіть до кислот. Швидкість розщеплення субстратів має прямий вплив на технічно необхідний час для бродіння. Таким чином, вже при плануванні біогазової установки варто чітко визначити, який субстрат або які субстрати будуть використовуватися для бродіння. Однак не тільки технічно необхідний час для бродіння визначає час перебування в ферментаторі, значення мають також економічні показники. Якщо ми хочемо переробити сильно задерев'янілий матеріал, то для цього варто передбачити дуже великий обсяг ферментатора, щоб отримати з нього метан. З економічної точки зору це не має сенсу. Час бродіння, таким чином, визначається динамікою анаеробного розщеплення і швидкістю розщеплення певного субстрату. Якщо ферментатор заново заповнити субстратом, то після проходження окремих фаз процесу розщеплення біогаз утворюється повільно. Кількість виробленого щодня біогазу зростає до того моменту, поки не буде досягнуто максимуму. На момент досягнення кульмінаційного моменту субстрат, який легко розкладається, буде перероблений і бактеріям залишаться лише речовини, які важко перетравлювати. Таким чином, кількість газу що виробляється щодня, буде знижуватися до тих пір, поки не буде розщеплений весь доступний матеріал або поки субстрат не можна буде розщеплювати далі. Такий процес утворення біогазу схожий на так званий періодичний метод. Сьогодні прийнято використовувати поступовий процес, при якому субстрат подається протягом дня кілька разів невеликими порціями, що в свою чергу веде до рівномірного виробництва біогазу.

Виробництво газу з 1 кг органічного субстрату поступово збільшується разом із збільшенням часу для бродіння, спочатку швидше, у міру зростання часу бродіння повільніше. Настає такий момент, коли кількість виробленого газу настільки мало, що довгострокове перебування в ферментаторі більш недоцільно з економічної точки зору. Тобто на практиці ніколи не буває повного розщеплення органіки.

Одно- і багатоступінчастий процес.

У більшості біогазових установок процеси розщеплення протікають паралельно, таким чином вони не розділені ні територіально, ні в часі. Такі технології називають одноступінчастими.

Для субстратів з швидким розщепленням, які через це мають схильність до окислення, рекомендується для гідролізу та окислення передбачити окремий резервуар, щоб з нього продукти розкладання дозовано подавати я ферментатор (двоступенева технологія). Перевагою є витримування ефективності роботи бактерій через створення оптимальних умов життєдіяльності (в першу чергу рівень pH). Таким чином можна досягти більшого виробництва біогазу. Бродіння барди, наприклад, вимагає такого розділу фаз. Крім того, не використовувані гази завдяки такому розділу можна відокремлювати через біофільтр, відокремлюючи, таким чином, лише газ з високим вмістом метану. Хоча розділ фаз найкращим чином відповідає умовам життєдіяльності бактерій і має свої переваги, такі двоступеневі технології не мають великого поширення. Додаткові втрати на другий резервуар, на системи змішування, опалення та насоси можуть окупитися лише для певних видів субстратів. З іншого боку, на практиці досить часто можна знайти два черзі пов'язаних між собою резервуари. У таких випадках перший резервуар витупає справжнім ферментатором, обладнаний опаленням, мішалками, розрахований на короткострокове бродіння і використання швидкорозлагаючоїхся субстратів. У другому резервуарі, доданому до першого, який і в принципі є ферментатором без опалення, відбувається утворення газу з субстратів, що розкладаються не так швидко, а відповідно і процес бродіння в ньому триває довше [15,80].

Вибір вологості сировини.

Безперешкодний обмін речовин у сировині є передумовою для високої активності бактерій. Це можливо тільки в тому випадку, коли в'язкість сировини допускає вільний рух бактерій і газових бульбашок між рідиною і містяться в ній твердими речовинами. У відходах сільськогосподарського виробництва є різні тверді частинки. Тверді частки, наприклад, пісок, глина та ін. обумовлюють утворення осаду. Більш легкі матеріали піднімаються на поверхню сировини і утворюють кірку. Це призводить до зменшення продуктування біогазу. Тому рекомендується ретельно подрібнювати перед завантаженням в реактор рослинні залишки - солому: та ін. і прагнути до відсутності твердих речовин в сировині.

Вміст сухих речовин визначається вологістю гною. При вологості 70 % в сировині міститься 30 % сухих речовин. Зразкові значення вологості гною і екскрементів (гній і сеча) для різних видів тварин наводяться в таблиці нижче.

Таблиця 27.9.

Значення вологості гною і екскрементів (гній і сеча) для різних видів тварин

Види

тварин

Середньодобова кількість гною, кг/ добу

Вологість гною (%)

Середньодобова кількість екскрементів (кг / добу)

Вологість

екскрементів

(%)

ВРХ

36

65

55

86

Свині

4

65

5,1

86

Птахи

0,16

75

0,17

75

Вологість сировини, що завантажується в реактор установки, повинна бути не менше 85 % в зимовий час і 92% в літній час року. Для досягнення правильної вологості сировини гній зазвичай розбавляють гарячою водою в кількості, шо визначається за формулою: OB = Нх ((В2 -В1): (100 - В2)), де Н - кількість завантажуваного гною. В1 - первісна вологість гною, В2 - необхідна вологість сировини, ОВ - кількість води в літрах. У таблиці 6.9. наводиться необхідну кількість води для розбавлення 100 кг гною до 85 % і 92 % вологості. У анаеробному процесі розщеплення органічних субстратів бере участь ціла низка мікроорганізмів. Близько 50 % беруть участь бактерій є аеробними або факультативно аеробними і вимагають або добре переносять кисень. Тільки метанові бактерії є виключно анаеробними. Якщо в субстраті ще присутній кисень, як, наприклад, у свіжому гної, то аеробні бактерії в першу чергу використовують його. Це відбувається на першому етапі процесу утворення біогазу. Тому невелика кількість кисню, який проникає при цілеспрямованому нагнітанні повітря для очищення від сірки або ж при відкриванні оглядових отворів, не є шкідливим. Набагато значніше окислювально-відновний потенціал. Окислювально-відновний потенціал являє собою ступінь готовності іонів приймати електрони. Для зростання анаеробних бактерій цей потенціал повинен знаходитися на дуже низькому рівні (-0,1 V). Оскільки кисень має високий окислювально-відновний потенціал (+1,78), то це спочатку шкодить анаеробним бактеріям. Однак якщо є достатньо речовин з низьким окислювально-відновним потенціалом, то анаеробний процес може відбуватися і в присутності кисню.

Виняток попадання світла.

Хоча світло і не є для бактерій вбивчим, воно уповільнює процес. Виключити вплив світла на процес на практиці можна за допомогою світлонепроникної кришки.

Рівномірна температура.

Метанові бактерії проявляють свою життєдіяльність в межах температури 0- 70 ° С. Якщо температура вище вони починають гинути, за винятком кількох штамів, які можуть жити при температурі середовища до 90 ° С. При мінусовій температурі вони виживають, але припиняють свою життєдіяльність. У літературі як нижню межу температури вказують 3-4 ° С. Швидкість процесу бродіння дуже залежить від температури. Принципово важливим є: чим вище температура, тим швидше відбувається розкладання і тим вище виробництво газу. Таким чином скорочується час розкладання. При зростанні температури знижується вміст метану в біогазі. Це пов'язано з тим, що при високих температурах розчинена в субстраті двоокис вуглецю інтенсивніше переходить в газоподібний фазу (в біогаз), таким чином, що відносний вміст метану скорочується. Кількість газу, яке можна добути буде однаковим при достатній кількості часу бродіння. Існує три типових температурних режиму, в яких себе добре почувають відповідні штами бактерій:

  • • Психрофільні штами при температурі нижче 25 ° С;
  • • Мезофіпьні штами при температурі 25-45 0 С;
  • • Термофільні штами при температурі понад 45 ° С.

Більшість установок працюють в мезофільному режимі. Через великий надлишок тепла від генератора для таких установок спостерігається тенденція високих температур ферментатора. На практиці в Німеччині більшість біогазових установок працюють при температурах 38-42 ° С. Психрофіпьніий режим роботи через тривалий часу бродіння і невелике продуктування газу в ваших широтах не грає настільки важливої ролі, в той час як установки з термофільним режимом роботи користуються все більшим попитом, через великі розміри установок вони оснащуються пристроями автоматизованого управління.

Чим вище температура, тим чутливіше бактерії до її коливань, в першу чергу, якщо вони короткострокові. Це чітко видно з відносно вузького максимуму кривої і її стрімкого падіння при термофільному. У той час як в мезофільному режимі щоденні коливання в 2-4 ° С наврядчи мають вплив на бактерії, то в термофільному такі коливання повинні бути не більше 1 ° С. Одноразове розміщення погано ущільненого матеріалу (з великою кількістю кисню) або велика кількість дуже холодного матеріалу, а також зупинка роботи мішалки на кілька годин (в першу чергу в зимовий час), може викликати зміну температури на 1 ° С.

Цікаво, що в установках, що працюють на поновлюваній сировині, спостерігаються більш високі температури, ніж було вказано для прокладанні опалення. При цьому анаеробний процес на відміну від компостування не с екзотермічним; набагато більше енергії буде накопичуватися в метані. Велика кількість легко переробляемого субстрату, який є рослинний, призводить до незворотних реакцій окиснення з відповідним виділенням тепла. Таким чином при бродінні кукурудзи спостерігалося зростання температури з 37 • С до +42 ° С. Такий ефект звичайно ж знижує споживання тепла установкою і повинен спостерігатися для кожної установки окремо і бути врахований специфікою установки. Робота при високих температурах вимагає встановленні спеціальних систем автоматизації та точного керування роботою біогазової установки. У наш час, коли мова йде про повну інтеграцію біогазових установок в повсякденну роботу сільськогосподарського підприємства, мезофільний режим створює менше складнощів. Сьогодні тенденція така, шо працюють в більш високих температурних режимах ферментатора, оскільки експлуатація установки перетворилася на окремий вид діяльності і вимагас відповідного персоналу. Протягом тривалого періоду часу (1 місяць і більше), бактерії звикають до нового температурному режиму, так що кожне підприємство може вибрати для себе оптимальний варіант.

Рівень pH.

У той час, як гідролізуючі і кислотообразуючі бактерії в кислому середовищі з рівнем pH 4,5-6,3 досягають оптимуму своєї активності, бактерії, що утворюють оцетову кислоту і метан можуть жити тільки при нейтральному або малощелочному рівні pH 6,8-8. Для всіх бактерій дійсним є наступне: якщо рівень pH перевищує оптимальний, то вони стають повільніше у своїй життєдіяльності, що уповільнює утворення біогазу. Для одноступінчатих технологій слід витримувати рівень pH для метаноутворення (оптимум 7). На рівень pH можна впливати кількістю додавання субстрату і його видом. Субстрати, які швидко окислюються призводять до різкого падіння рівня pH; тому їх слід додавати тільки в обмеженій кількості і поступово.

Субстрати відрізняються між собою в їх здатності амортизувати рівень pH. Якщо концентрація Н + зростає, то субстрати можуть її вирівняти в обмеженій кількості і прив'язати до себе вільні іони. Завдяки цьому рівень pH в загальному залишається стабільним. Тільки коли зв'язок і вирівнююча здатність вичерпується, рівень pH починає рости. У будь-якому випадку така повільна зміна змісту Н + призводить до затримок у розвитку бактерій і таким чином до порушення газоутворення. Заміри pH таким чином відстають від реальної ситуації. Це хоч і є дешевим способом контролювання процесу, але своєчасне управління процесом виходячи лише з замірів рівня pH, є неможливим. Більш ефективним є замір буферних властивостей.

Для буферного ефекту в першу чергу важливими є карбонатні і аммоніумні буфери:

НСО3 + + Н + <-> Н2СО3 (27.1)

Іон гідрокарбонату + іон водню < -> Вугільна кислота

NH3 + + H + <->NH4 (27.2)

Амоній + іон водню < -> амоній

Якщо карбонатний буфер активізується в кілька кислому середовищі, то при високому рівні pH буде задіяний аммоніумний буфер. У гною буферні речовини представлені у великій кількості. Таким чином гній може згладжувати великі коливання рівня pH і добре вловлює надмірну кислотність. Такий важливий буферний потенціал відсутній у відновлюваної сировини. Загалом тут встановлюється більш високий рівень pH, так що буфер амонію відіграє важливу роль. У стабільних процесах бродіння рівень pH регулюється самостійно.

Подача живильних речовин.

Бактерії, для утворення своїх клітин вимагають поживних речовин, вітамінів, розчинних сполук азоту, мінеральних речовин і мікроелементів. Ці речовини в потрібній кількості містяться в рідкому і твердому гної. Достатня їх кількість міститься також в сіні, кукурудзі (свіжої або консервованої), залишках їжі, відходах кухні, нутрощах тварин, барді та молочних продуктах - всі ці продукти можуть бродити в чистому вигляді без додавання інших субстратів. В якості орієнтовного значення для змішування субстратів можна взяти такі співвідношення поживних речовин:

• C : N : P = 75:5:1 або 125:5:1 • С : N = 10:1 або 30:1 • N : Р = 5:1

Співвідношення С: N показує загальне співвідношення вуглеводів із загальним вмістом азоту. На один відсоток фосфору припадають 5 відсотків азоту і 75- 125 відсотків вуглецю. Оптимальне співвідношення вуглецю до азоту становить 30:1 і 10:1. Якщо співвідношення падає до рівня 8:1, то у зв'язку з великим вмістом амонію в субстраті сповільнюється розвиток бактерій через аміак. Уповільнюючі розвиток речовини.

Для кожного виду субстрату або суміші субстратів можна провести розрахунок співвідношень речовин (таблиця 27.10).

Для першої оцінки суміші субстратів має сенс провести розрахунок. З його допомогою своєчасно можна визначити можливу затримку процесу розвитку через занадто великої концентрації азоту. Для оптимальної життєдіяльності бактерій також є необхідність у невеликій кількості важких металів і мікроелементів. Водночас важкі метали можуть мати стримуючий або навіть токсичний вплив. Наскільки нечіткої є межа їх дії нам показує таблиця 27.10. Нікель, кобальт, молібден, вольфрам і залізо є особливо необхідними бактеріям для утворення ензимів. Мінімальні вимоги до суміші поживних речовин для оптимального життєзабезпечення бактерій показано в таблиці 27.10. З цього випливає, що процес утворення біогазу може відбуватися з широким спектром поживних речовин з низькою або високою їх концентрацією . Цей факт підтверджує також досвід з практики, що через певний період часу бактерії звикають навіть до несприятливих умов життєдіяльність

Таблиця 27.10.

Розрахунок співвідношення поживних речовин у сумішах субстратів

Вміст поживних речовин [гр /кг ТВ]

С

N

Р2О5

Гній ВРХ(ГС)

40

3,2

1,6

Співвідношення C:N:P = 25/2/1

Силосна кукурудза (СК)

96

3,9

0,7

Співвідношення C:N:P = 137/5,6/1

Розрахунки співвідношення С: N: Р суміші на прикладі 1 відсотка гною худоби і 0,7 відсотка силосної кукурудзи.

Вміст корисних речовин у суміші = (СК X відсоток СК) + (ГС х відсоток ГС) (відсоток ГС + відсоток СК)

З прикладу слід С = (96 х 0,7) + (40 х 1) / (1 +0,7) = (67,2 + 40) / 1,7 = 63 С Аналогічно розраховуються також зміст N і P20S.

Багато мікроелементів утворюють разом з сіркою стійкі сульфіди і тому може виникнути їх нестача. Нестачу заліза як і для рослин можна дізнатися з того, що субстрат стає світліше. Точний аналіз на брак мікроелементів варто робити тільки тоді, коли всі інші фактори (затримки через аміаку, сірки, надлишкова кислотність, нестача субстрату, техніка) вже перевірені і виключені як негативно впливаючі на процес чинники.

Таблиця 27.11

Уповільнючий і токсичний вплив важких металів на біогазовий процес

Уповільнює дію мг/л

Токсична дія мг/л

Необхідна

концентрація

мг/л

Припустима

концентрація^

мг/л

Медь (Си)

40-250

170-300

Кадмий (Cd)

150-600

20-600

0,12

Цинк (Zn)

150-600

250-600

32

Никель (Ni)

10-300

30-1000

0,006-0,5

4

Свинец (Pb)

300-340

340

0,02-200

12

Хром III (Cr)

120-300

270-500

0,005-50

8

Хром VI (Cr)

100-110

200-420

Кобальт (Ко)

0,003-0,06

Молибден (Mb)

0,005-0,05

Селен (Se)

0,008

Марганец (Μn)

0,005-50

0,08

Ртуть (Hg)

Железо (Fe 2+)

1-10

Мінімальні фізико-хімічні вимоги до метаногенезу

Серезовишні фактори

Рівень pH

6,5-8,0

Виіст солі (провідність)

2,5-25 mS/см

Температура

8-55"С

Елементи

Концентрація

'Кисень

< 1 ppm

Водень

6 Ра

Загальне вуглець

0,2-50 гр/л ХПК

Натрій

45-200 ppm

Калій

75-250 ppm

Магній

10-40 ppm

Сірка

50-100 ppm

Залізо

10-200 ppm

Нікель

0,5-30 ppm

Кобальт

0,5-20 ppm

Молібден, вольфрам, селен

0,1-0,35 ppm

Цинк

0-3 ppm

Хімічні сполуки

Фосфат

50-150 ppm

Співвідношення кількості

2000:15:5:3

C:N:P:S

(процес в цілому)

Принциповим є, що чим менше субстрат, тим краще. Чим більше площа взаємодії для бактерій і чим більше волокнистий субстрат, тим легше і швидше бактеріям розкладати субстрат. Крім того, його простіше перемішувати, змішувати і підігрівати без утворювання плаваючою кірки або осаду. Подрібнена сировина має вплив на кількість виробленого газу через тривалість періоду бродіння. Чим коротше період бродіння, тим краще повинен бути подрібнений матеріал. При досить тривалому періоді бродіння кількість виробленого газу знову збільшиться. При використанні подрібненого зерна цього вже вдалося досягти через 15 днів.

Вплив вихідного матеріалу иа вихід газу.

Склад вихідного матеріалу.

Серед залишків і відходів сільськогосподарського виробництва найбільш багаті необхідними для метанового бродіння поживними речовинами екскременти тварин. Однак вони дуже різняться між собою як за наявністю окремих компонентів так і за хімічним складом залежно від того, про який вид тварин йде мова і який корм ці тварини споживають (таблиця 27.13.). Крім того, відходи тваринництва залежно від способу утримання тварин можуть включати в себе самі різні кількості води, підстилкового матеріалу і залишків корму. Якщо це піддається зброджуванню, вихідний субстрат містить, крім стійлового гною, інші рослинні залишки, слід звертати особливу увагу на їх склад. При цьому перш за все потрібно враховувати характерне для певних умов високий вміст лігніну, який практично не розкладається мікробами і, отже, не бере участі у процесі газоутворення. З цієї причини вихід газу з екскрементів жуйних тварин, які потребують кормів з високим вмістом сирої клітковини, значно менше, ніж з екскрементів курей і свиней. Хоча шляхом механічного, хімічного або теплового впливу лігніну комплекси можна зробити доступними для біохімічного розкладання, пов'язані з цим витрати роблять

згадані методи неприйнятними для сільськогосподарського виробництва [15,72].

Таблиця 27.13.

Склад екскрементів тварин (% до сухої речовини)

Компонент

КРС

Дойні корови

Свині

Кури

Органічна

маса

77...85

77...85

77…84

76...77

Азот

2,3...4,0

2,3...4,0

2,3...4,0

2,3...4,0

Фосфор

0,4...1,1

0,2...0,7

1,9...2,5

1,6...2,7

Калій

1,0...2,0

2,4

1,4...3,1

1,0...2,9

Кальцій

0,6...1,4

2,3...4,9

5,6...11,6

Магній

0,5...0,6

0,9...1,1

C/N

9...15

9...15

9...15

9...15

Сира

клітчатка

27,6...50,3

19,6...21,4

13,6...17,3

Сирий жир

2,3...4,3

3,5...4,0

2,2...4,9

Сирий

протеїн

9,3...20,7

16,4...21,5

20,6...42,1

Лігин

16...30

16...30

9.6...14,3

Для зброджування рослинних матеріалів з високим вмістом здатних до розкладання сполук вуглецю необхідно додавання багатих азотом речовин, наприклад курячого посліду або свинячого гною, щоб отримати співвідношення С / N в межах, необхідних для безперешкодного протікання процесу бродіння.

Розміри твердих частинок.

Активного обміну речовин і високої швидкості біохімічних обмінних процесів можна досягти, якщо підтримувати і безперервно оновлювати максимально можливу величину граничних поверхонь між твердою і рідкою фазами. Тому тверді матеріали, особливо рослинного походження, повинні бути попередньо підготовлені за допомогою ріжучих або плющильних пристроїв, щоб у результаті ефективного механічного впливу на шматки стебел і соломи отримати частинки можливо меншого розміру. Частка зважених в рідині твердих частинок значною мірою залежить від технічних засббів, що використовуються для одержання ретельного перемішування, гідравлічного транспортування субстрату та відділення газу. Сучасний рівень розвитку техніки дозволяє переробляти в сільськогосподарських біогазових установках субстрати з вмістом твердих речовин до 12%, якщо довжина частинок окремих волокнистих і стеблевідних твердих компонентів не перевищує 30 мм. В принципі органічні речовини можна зброджувати і в твердій фазі, якщо мати достатньо вологе середовище. Однак зброджування твердих речовин практично не отримало промислового значення, оскільки в твердій фазі не можна забезпечити перерозподіл і взаємне перемішування бактерій і субстрату, а також задовільний відвід газу. Тверді речовини, щільність яких істотно вище, ніж рідини, обумовлюють утворення осаду (седиментацію) або плаваючою кірки, чому сприяє флотація. Виникаючі у зв'язку з цим механіко-гідравлічні проблеми і погіршення процесу газоутворення можуть призвести до того, що для усунення подібних порушень будуть потрібні більш високі витрати технічних засобів і енергії.

Рівномірна подача субстрату.

З метою уникнення перегодовування бактерій, найкраще рівномірно подавати субстрат в ферментатор через короткі інтервали часу. Чим легше розкладається матеріал, тим частіше слід подавати субстрат. Таким чином вдасться також уникнути різкого зниження температури. Наповнення ферментатора один- два рази на день, як це було прийнято раніше, сьогодні буває дуже рідко, це можливо тільки для субстратів з високим буферним ефектом (якими є екскременти тварин) або при дуже малій завантаженні ферментатора. Для установок з великим завантаженням ферментатора, як це часто зустрічається сьогодні, з метою досягнення великої потужності надзвичайно важливою є подача з інтервалом в годину.

Подача субстрату.

Швидке розкладання метановими бактеріями можливо тільки за умови, що утворюючийся біогаз буде відразу ж виводитися з субстрату. Якщо газ не буде виводитися з ферментатора, то в ньому може утворитися високий тиск у багато бар, який може навіть завдати шкоди. У субстратах з високою плинністю маленькі бульбашки повітря піднімаються на поверхню самостійно. Сьогоднішня тенденція працювати з 18 % сухої речовини, оскільки при більшому відсоткі настільки затримується виведення газу, що субстрат починає здуватися як дріжджове тісто і навіть може підняти кришку ферментатора. Таким чином перемішування важливо не тільки для уникнення кірки і осаду, але і для виведення виробленого газу. Чим густіше субстрат, тим частіше треба його завантажувати.

Уповільнюючі речовини.

Цілий ряд субстанцій може уповільнити або і зовсім припинити обмін речовин і ріст мікроорганізмів:

  • • Деякі речовини пошкоджують оболонку клітин або структуру бактерій (пральні порошки та ін.).
  • • Інші речовини руйнують ензими обміну речовин клітини (важкі метали і.т.д.). Згубний вплив речовин принципово залежить від концентрації. Це означає, що стримуючим фактором є не повна відсутність певної речовини, а її концентрація в співвідношенні з іншими групами речовин.
  • • Кисень. Кисень може проникнути з недостатньо збагаченим подрібненим субстратом і шкодити метановим бактеріям.
  • • Антибіотики, хімотерапевтіческі та дезінфікуючі засоби.

Антибіотики, хіміотерапевтичні та дезінфікуючі засоби можуть стримувати процес бродіння і привести до його повної зупинки, особливо при їх високої концентрації. Це може статися, якщо усе поголів'я, або одночасно всі хліва почали дезінфікувати. У такому випадку уникнути проблеми допоможе байпасна лінія, що веде з хліва прямо в ємність для зберігання. Препарати, що застосовуються до окремих тваринам як правило не мають настільки негативних наслідків. Між застосовуваними засобами також існує велика різниця.

• Органічні кислоти, карбонові кислоти, жирні кислоти.

Стримуючий вплив робить також накопичення органічних кислот, що утворюються при анаеробному розкладанні органіки. Співвідношення органічних кислот, званих також летючими жирними кислотами, дає нам інформацію про стан процесу. При стабільному процесі утворення біогазу сума органічних кислот (їх також називають еквівалентами оцтової кислоти) нижче 2000 мг / л. Внаслідок занадто швидкої подачі свіжих або дуже легко розкладаються субстратів може відбутися швидке окислення і накопичення кислот до рівня 16.000 мг / л. Крім того відбудеться негативна зміна співвідношення оцтової кислоти до пропіонової кислоті. Якщо рівень перевищує 3.000 мг / л, а для пропіонової кислоти 300 мг / л, то згідно Веллінгеру відбудеться порушення процесу. Накопичення кислот призводить до цілого ряду реакцій, починаючи з того, що великі концентрації кислот стримують самі бактерії таким чином, що знижується рівень pH, що і викликає затримку розвитку метанових бактерій до повної зупинки процесу розкладання. Протидіяти цьому можна лише повним скороченням подачі субстрату. Також одноразова подача один раз на день, як це було прийнято раніше, веде до сильного накопичення органічних кислот, які однак розкладаються протягом дня. З практики годування жуйних тварин відомо, що для перетравлення їжі співвідношення оцтова кислота - пропіонова кислота має становити 3:1. Як правило цього досягають коли зміст сирих волокон в раціоні сухої маси досягає 18-20%. Якщо це співвідношення не досягається, то у жуйних тварин починається рубцевий ацидоз, а в біогазових установках це призводить до затримки розвитку бактерій і надмірного окислення. Ці дані можна вважати основними. Але все одно бактерії можуть пристосуватися до концентрації кислот, оскільки бактерії мають велику здатність к пристосуванню. На практиці відомо багато установок, які стабільно працюють з великою концентрацією кислот і мають велике продуктування газу. У таких випадках важливим є повільне і поступове пристосовування до нового середовища.

• Сірководень.

При розкладанні сірковмісних субстратів (переважно білки) утворюється високотоксичний практично для всіх живих істот сірководень (H2S). Вже при концентрації нижче 10.000 - ной його можна ідентифікувати через неприємний запах тухлих яєць, якщо ж концентрація перевищує вищеназвану, то запах зникає, але газ залишається високотоксичним.Чим нижче рівень pH, тим вище відсоток H2S в субстраті і біогазі, і тим вище токсичний потенціал. Якщо зміст №S в газі перевищує 2.000 ppm або SO мг H2S в розчині, то варто очікувати затримки розвитку бактерій. Ризик тим менше, чим вищий вміст розщеплюються вуглецевих сполук у субстраті (ефект розбавлення). У сірковмісних субстратах можуть з'являтися штами бактерій, які використовують водень для утворення сірководню. Вони будуть конкурувати з метановими бактеріями за водень. Таким чином зменшується метаноутворення і утворюючийся сірководень сам стримує розвиток метанових бактерій.

Вплив рівня pH на концентрацію сірководню та на затримку розвитку бактерій. Концентрація сірководню в газоподібному або рідкому вигляді в залежності від рівня pH. Незважаючи на це сірка є важливим поживним елементом субстрату, оскільки вона необхідна для утворення біомаси бактерій.

• Аміак.

Внаслідок анаеробного розкладання азотовмісних субстратів (багаті на протеїн субстрати якими наприклад є конюшина або пташиний послід) утворюється аммоніум (NH4). Можна виходити з того, що близько 50-60 % від загального вмісту азоту зберігається в перебродженому субстраті у вигляді амонію - азоту. Він у свою чергу перебуває в співвідношенні розчин (дисоціація) з аміаком

(NH3 + + H + = NH4) (27.3)

який є сильною отрутою для нервів і клітин. Його гострий запах неможливо сплутати з будь-яким іншим. У цьому випадку зміни на користь отруйного амонію залежать від рівня pH і температури субстрату. Якщо рівень pH високий і температура висока, то баланс змінюється убік аміаку. Якщо pH = 7, то співвідношення аммоніум - аміак 99:1. При підвищенні рівня pH = 9, співвідношення також змінюється 70: ЗО. Кройс (1986) в лабораторних умовах довів, що починаючи з концентрації NH4 3 г / л слід враховувати початкову затримку. Також він встановив,що ефект посилиться при підвищенні температури. Затримка часто відбувається зі значним піноутворенням. Однак ці показники не є абсолютними. Як уже згадувалося раніше бактерії звикають до певних концентрацій, існуючих установок', які оптимально працюють при вмісті в субстраті 5 г аммоніум - N і до 1,15 г аміаку - N, і у яких не спостерігається затримок. Крім цього через додавання вуглеводів у формі волокновмісткого матеріалу доповнюється співвідношення С / N і таким чином протидіє затримкам. Також зменшення щодня подачі кількості субстрату має ефект розбавлення і зменшує тим самим навантаження. Зниження температури у ферментаторі також призводить до зниження токсичності. У разі повторної подачі перебродженого матеріалу ризик отруєння аміаком зростає. Переброджений матеріал відрізняється невеликим співвідношенням між С / N, тим самим ефект посилюється. Амоній перебуває майже весь в розчиненому рідкому вигляді, це дозволяє повторне використання матеріалу після проходження через фільтр. Всі вищевикладені факти варто враховувати при плануванні та закладанні розмірів ферментатора.

Стримуючий вплив через погану якість субстрату і запліснявілість матеріалу. Біогазові бактерії повинні отримувати достатню кількість корму. Якщо подається субстрат поганої якості, то життєдіяльність бактерій припиняєшся. Можна припустити, що не тільки погана якість субстрату уповільнює активність бактерій, але й цвілеві грибки виділяють токсини, що уповільнюють розвиток бактерій.

Стримуючий ефект вторинних компонентів.

Вторинні компоненти також можуть стримуючі впливати на біоценоз:

  • • Сірчані з'єднання (серед іншого в теплицях дтя вирощування капусти, цибулі- порею і ріпчастої цибулі);
  • • Ефірні масла (кірки цитрусових, часник);
  • • Щавелева кислота (напр. в різних видах конюшини);
  • • Ціаніди, таніни і ін.;

У першу чергу це відбувається тоді, коли в установку подаються виключно перераховані субстрати або переважно ці субстрати. Але можливим є також звикання шляхом повільного переходу на інший субстрат.

Стримуючий вплив важких металів.

Токсичність важких металів залежить від їх розчинності у воді, яка в свою чергу залежить від рівня pH. Важкі метали діють на ензими клітинного обміну речовин і можуть негативно впливати на життєдіяльність бактерій. При цьому немає чіткої межі між стримуючим і токсичним впливом. Це знову пов'язано з високою пристосованістью бактерій. Іони важких металів стають недієздатними, коли вони утворюють важко розчинні сульфіди металів з H2S і випадають в осадок як тверда речовина.

Стимулюючі процес субстрати (легкорозчиняючися субстрати, ензими). Застосовуючи цілеспрямовано і в обмеженій кількості легкорозчиняючися субстрати, якими є відходи зернових, свіжа гірчиця або цукровий буряк, можна спостерігати ефект швидкого розкладання, при якому не утворюються товсті плаваючі кірки (до 0,5 м). Цей ефект можна пояснити тим, що додавання легкорозчиняючися субстратів призводить до пожвавлення і збільшення маси бактерій, яка потім зможе краще і швидше розкласти більш важкий матеріал. Мистецтво складання таких добавок полягає в тому, щоб не перебільшити харчування, викликавши таким самим чином переокислення, досягнувши таким чином повністю протилежного ефекту. При раціоні в 4 т силосної кукурудзи, 4,8 т кукурудзи і 3 т трав'яного силосу доцільно буде додати 0,5 т відходів зернових. Ензими - це природні протеїни, які грають ключову роль в метаболізмі рослин, тварин і людей. Ці речовини можна назвати біокаталізаторами, тобто речовинами, присутність яких викликає і прискорює зміну органічної субстанції. Робота ензимів складається, головним чином, в руйнуванні. Синтезом же, тобто, з'єднанням, займається тільки близько трьох-п'яти відсотків видів ензимів. Ці ензими називаються анаболічними на противагу ензимам катаболічним, тобто руйнівним. Бактерії і цвілеві грибки виробляють ензими для розкладання органічних речовин. Наш продукт є результатом спеціальної технології з'єднання різних ензимів, що робить його високоефективним біологічним каталізатором. Використання цього продукту значно збільшує рентабельність біогазових установок, за рахунок збільшення виробництва біогазу та інтенсифікації переробки органічної сировини. У біогазових установках процес анаеробного бродіння біомаси відбувається за допомогою мікроорганізмів. Для оптимального процесу розкладання біомаси мікроорганізмам необхідна енергія, яку вони отримують від переробки полісахаридів, ліпідів і жирів. Ці речовини мікроорганізми можуть отримати тільки після ензимного поділу більш складних речовин - полімерів (целюлоза, крохмаль). Однак кількість природних ензимів не завжди достатньо для досягнення оптимального харчування мікроорганізмів. За допомогою додавання нашого продукту мікроорганізми постійно отримують достатньо харчування у вигляді моно і олігосахаридів. Як наслідок їх репродукційний рівень і біологічна активність підвищується, результатом чого є значне зниження в'язкості і однорідності сировини. Завдяки всім цим процесам продуктивність по виходу біогазу та стабільність біологічних процесів в біогазовій установці може збільшуватися від ЗО % до 40 %, відповідно збільшується і продуктивність біогазової установки в енергетичному еквіваленті. Ензими інтенсифікують розкладання стійких і довгих молекулярних ланцюгів вуглеводів в речовинах з високим вмістом волокон, лігніну, пектину і целюлози. Всі ці речовини досить стійкі для розкладання бактеріями. Таким чином, молекулярні ланцюги стають коротшими, в результаті чого утворення молочної і оцтової кислот (гідроліз) набуває більш інтенсивний характер у процесі анаеробного бродіння біомаси. Більш інтенсивне утворення кислот дає можливість метаноутворюючим бактеріям виробляти більше метану з однакової кількості сировини. Використання ензимів у виробництві біогазу дозволяє домогтися істотних результатів при обгрунтовано низьких витратах і є біологічним деструктором біологічної сировини. Поряд із застосуванням ензимів можна використовувати фізичні деструктори біомаси, що значно підсилить ефект і продуктивність установки. Основними перевагами використання ензимів можна назвати наступні фактори:

  • • Збільшення виходу біогазу на 30-40% без збільшення обсягів вихідної сировини;
  • • Збільшення виробництва електроенергії;
  • • Значне зменшення періоду бродіння і як наслідок економія на обсягах реакторів;
  • • Запобігання утворення кірки на поверхні переробляється біомаси в ферментаційних реакторах;
  • • Зменшення вмісту домішок газів супутніх процесу утворення метану;
  • • Зниження енергоспоживання самої установки за рахунок зменшення в'язкості; сировини і як наслідок менших енерговитрат на його перемішування;
  • • Збільшення теплопровідності біомаси та економія теплової енергії на підігрів біомаси;
  • • У разі припинення використання ензимів виробництво біогазу поступово повернеться в стандартний режим, без яких або різких перепадів;

Для найбільш оптимального використання ензимів повинен враховуватися вид використовуваної сировини або одночасне використання декількох видів біомаси. Можливий індивідуальний підхід при підборі ензимів для кожної конкретної біогазової установки, хоча потрібно відзначити загальну універсальність продукції компанії ЗОРГ.

Складання субстрату і стабільність процесу.

Кожен субстрат, корм, продукти харчування, біовідходи або органічні відходи, складаються з груп речовин. При оцінці субстрату слід врахувати, що тільки з сухої маси, і в цьому випадку, тільки з її органічної частини можна отримати метан (таблиця 27.14.). Тому зміст органічної сухої маси у співвідношенні із загальною масою е першим критерієм для вибору складових суміші субстратів. Тому не дивно, що кількість видобутого газу з 1 тонни зерна в кілька разів вище ніж при використанні силосу з цілої рослини або барди, які містять значно більшу кількість води, з якої не можна утворити газ.

Таблиця 27.14.

Вміст води в різних видах субстратів

Вміст води в різних видах субстратів. Вміст %

Барда

90-94

Сухий фураж, зернові

12-15

Зелений корм, корені, бульби

75-85

промисловий корм

10-15

Силос

80

Суха зелена маса

5-12

Сінаж

60-70

Неорганічний компонет, (в аналітичних матеріалах називаємий також сирим попелом), складається з піску, землі, каміння, металевої стружки від перероблюючих машин і схожих речовин, що потрапляють в зібраний урожай і гній, або в органічні відходи. Такі складові небажані для процесу вироблення біогазу, оскільки з них не можна добути біогаз і, крім того, вони призводять до технічних проблем у разі їх осідання. Буряк, наприклад, містить велику кількість такої фракції. Органічна речовина складається з протеїну, жирів, а також легко і важко утілізуючихся вуглеводів. Жири є різновидом тризначного алкоголю гліцеріна, до якого прикріплюються від однієї до трьох однакових чи різних жирних кислот (карбонових кислот). їх називають відповідно моно-, ди- або тригліцеридами. Жири є постійними сумішами різних тригліцеридів і розкладаються на жирні кислоти і гліцерин. Занадто велика кількість жиру призводить до накопичення органічних кислот, тому знижується рівень pH і сповільнюється утворення оцтової кислоти і метану. Протеши, (білок) є багатомолекулярними (що складаються з амінокислот) сполуками. Вони, також як і вуглеводи і жири, складаються з вуглецю С, водню Н, кисню О, але крім цього містять азот, сірку, фосфор. Протеїни розкладаються на пептиди, потім - амінокислоти, і під кінець на органічні кислоти. Для розкладання білка і жиру склад раціону не має значення в порівнянні з розкладанням вуглеводів. У групі вуглеводів розрізняють легко піддаючиєся розкладанню і змішані вуглеводи з дуже розгалуженою і складною структурою, які дуже важко перетравлювати:

  • • Моносахариди: цукор, глюкоза, фруктоза;
  • • Олигосахарида (до 10 моносахаридів): сахароза (цукор сирець), лактоза (молочний цукор), мальтоза (солодовий цукор);

* Полісахариди (з великою молекулярною масою): крохмаль, глікоген, целюлоза, інулін;

* Гетерополісахариди (змішані вуглеводи зі складною структурою) гемицеллюлоза, пектини, лігнін - особисто не є вуглеводом, але зараховується аналітиками в групу вуглеводів. Він являє собою одеревенелу речовину рослин і стійку до розкладницької дії бактерій і кислот. Прийнято вважати, що лігнін не перетравлюється.

Вуглеводи розщеплюються бактеріями на простий цукор і розкладаються до низьких жирних кислот (оцтова, масляна, пропіонова). Кількість угворюючихся кислот і відсоток вмісту кожної окремої кислоти залежить від складу вуглеводу. З процесу перетравлення у жуйних парнокопитних (їх шлунок являє собою не що інше як біогазову установку з дуже коротким періодом бродіння, табл. 27.15) ми знаємо, що багаті на крохмаль і цукор субстрати ведуть до зростання вмісту пропіонової та масляної кислоти, в той час як целюлоза, також багатий на волокна субстрат, змінює склад жирних кислот в бік домінування оцтової кислоти. Крім того склад вуглеводів визначає рівень pH і кількість живих мікроорганізмів. Якщо їжа містить багато крохмалю і цукру, рівень pH зменшується, поступаючись кислотному середовищу, кількість бактерій швидко збільшується. Це призводить до ще більш швидкому розкладанню вуглеводів і можливого переокіслення ферментатора. Рівень pH знижується. Збільшується кількість бактерій, що утворюють пропионову кислоту, а кількість бактерій що утворюють оцтову, навпаки зменшується. Таким чином сповільнюється утворення оцтової кислоти як вихідного матеріалу для метану. Жуйні тварини в таких випадках утримуються від подальшого прийому їжі (рубцевий ацедоз), але біогазова установка не страждає. При використанні субстратів з дуже великим вмістом цукру або вуглеводів, якими наприклад є зерна пшениці, кукурудзи або цукровий буряк, то варто особливо ретельно стежити за подачею цих матеріалів. Це напевно одна з причин, чому на практиці не отримало великого розповсюдження чисте використання зернових або цукрового буряка. Обслуговування такого процесу на звичайних одноступінчатих установках є просто занадто дорогим.

Таблиця 27.15.

Вплив сполук вуглеводів на бактерії в шлунку жуйних тварин, рівень pH, швидкість розкладання і утворення жирних кислот

Відносний вміст в раціоні.

Містять целюлозу

Містять

крохмаль

Містять

цукор

Вміст мікроорганізмів

Відносно низький

Відносно високий

Відносно низький

Рівень pH

Високий (6,5)

Низький (5,7)

Дуже низький (5,1)

Розкладання

повільне

швидке

дуже швидке

Зразки жирних кислот

Оцтова кислота

високе

низьке

низьке

Пропіонова кислота

низьке

Середньовисокі

високе

Масляна кислота

низьке

Середньовисокі

високе

Вплив субстрату на кількість біогазу та утворення біогазу.

Точно відповідно до відсотка речовин кожної групи: протеїнів, жирів і вуглеводів визначається вихід газу і відсоток метану в біогазі. Максимальну кількість метану в біогазі отримуємо з протеїнів - 7І %; жири також дають газ високої якості з вмістом метану 68 %. Найгірше результати у вуглеводнів - лише 50 % метану в газі. Хоча вуглеводи в цілому виробляють на 90 літрів більше біогазу ніж протеїни, за малого вмісту метану, вихід обмежується лише 400 літрами метану на кг органічного сухої речовини. Сирий жир виробляє до 850 літрів метану з кілограма сухої органічної речовини - найвищий вихід метану, в той час як сирий протеїн дає 490 літрів метану з кілограма органічної сухої речовини. Якщо виходити виключно з виходу газу., перевагу варто передавати сумішам субстратів з високим вмістом жирів і протеїнів. Таким чином чітко видно, що немає єдиного показника виходу газу. У разі зміни складу суміші субстрату, коливається також і вихід газу і його якість. Ця взаємозалежність відображена у великих коливаннях в даних по виходу газу для одного і того ж субстрату.

Ступінь розкладання.

Ступінь розкладання вказує, який відсоток органічної сухої речовини розклався в межах заданого часу бродіння. Повне розкладання до стану мінералізації теоретично можливий тільки тоді, коли субстрат не містить лігніну. На практиці повне розкладання вимагало б дуже довгого періоду бродіння, оскільки швидкість розкладання не завжди залишається однаковою, навпаки, після проходження початкового етапу, вона починає помітно знижуватися, відповідно і газоутворення. Це означає, що останні відсотки від загальної кількості видобутого газу коштуватимуть високих витрат (обсяг резервуара). Високий ступінь розкладання залежить від складу субстрату, відображає виробництво газу і до неї варто прагнути. На практиці спостерігається розкладання на рівні від 30 до 70%. Для середнього періоду бродіння розкладання органічних речовин буде складати до 60 %. Установки, що працюють виключно на поновлюваній сировині, досягають ступеня розкладання від 80 % органічної сухої маси. Якщо субстрат піддається невеликому розкладанню, то позитивного впливу на навколишнє середовище від установки, а особливо зменшення неприємних запахів і розчиняючого ефекту спостерігатися майже не буде.

Контроль процесу і управління.

Оскільки виробництво біогазу протікає в закритій системі, то виникає залежність від зовнішніх ознак визначення правильності протікання процесів ферментації. Для біогазових установок, в яких вироблений газ за допомогою генератора перетворюють в електроенергію, індикатором може бути потокова вироблена його кількість. Такі установки розробляються під певну потужність генеруючого пристрою. Якщо виробляється постійна кількість струму, то установка працює добре. У цьому сенсі можна також робити певні заходи з оптимізації, такими можуть бути, наприклад узгодження роботи окремих агрегатів між собою з урахуванням споживаної ними електроенергії, оптимізація профілактичних ремонтних робіт з відповідним зниженням витратних матеріалів, субстрат - менеджмент, що починається з послідовності подачі, виборі сортів, консервуванні та погодження груп матеріалів між собою. Але перед тим як зайнятися етапом оптимізації установки, необхідно досягти стабільного процесу роботи. Високе постійне виробництво газу з невеликими щоденними коливаннями є першим знаком стабільності процесу.

У самому простому випадку стабільний і рівномірний процес можна визначити за постійною наповненості газгольдера. Ще однією можливістю для контролю є порівняння кількості виробленого біогазу в порівнянні з кількістю, яку мав дати субстрат внаслідок розрахунків. Якщо співвіднести це виробництво газу з кількістю єжедобово подаваемого органічного субстрату (оСВ / день), то отримаємо вихід біогазу для конкретної установки. Специфічне виробництво газу, виражене в м3 біогазу на м3 обсягу ферментатора в день, може виступати контрольним параметром для конкретної установки. Якщо ці параметри продуктивності будуть стабільними, значить процес протікає стабільно, хоча нони і не дають нам інформації про якість газу. Якщо зробити пропорцію між вироблюваним кількістю електроенергії та кількістю переробленого газу, то можна дати оцінку якості газу. Оскільки, якщо кількість струму падає при тому ж рівні споживання газу, то це пов'язано з поганою якістю біогазу (якщо звичайно виключити технічні поломки в генераторі). Якщо кількість щодня виробленого газу занадто низька, то причина цього існує або в субстраті, або в використовуваної техніці. З технічної точки зору, факторами, що впливають на виробництво газу найчастіше стають системи подачі, мішалки і температура. Щоб контролювати і регулювати перебіг процесу, необхідно, заміряти деякі параметри і задокументувати їх. До цього особливо відносяться такі параметри:

  • • температура субстрату в ферментаторі;
  • • кількість виробленого газу та електрики;
  • • вид і кількість щодня подаються субстратів;
  • • щоденні вимірювання рівня сірки та аміаку необхідної для певних субстратів або при зміні складу суміші субстрату;
  • • регулярний контроль завантаження ферментатора і часу бродіння;
  • • регулярне вимірювання утворення жирних кислот або буферного резерву, або концентрації іонів Н + в газі, особливо при зміні складу суміші субстрату.

При обліку цих параметрів, можна контролювати або розраховувати всі найважливіші характеристики процесу, пов'язані з виробництвом газу та електроенергії, завантаження ферментатора, час бродіння, температура, якість газу, концентрація сірки та азоту. При цьому допомагають не тільки одні дані, але й тенденції, що показують в якому напрямку розвивається процес. Для обліку і розрахунку цих параметрів існують спеціально для цього розроблені комп'ютерні програми, облегчуючі контроль за підприємством. Нижче перераховані заходи з підтримки стабільного перебігу процесу, які вже згадувалися раніше:

  • • температура субстрату в ферментаторі повинна дотримуватися як можна точно і повинна регулюватися за допомогою термостата;
  • • рівномірна подача субстрату;
  • • уникати подачі великих порцій холодного субстрату;
  • • зміни складу субстрату виробляти повільно і по кроково, це ж стосується і зміни раціону харчування тварин;
  • • уникати подачі уповільнюючих розвиток речовин у великій концентрації;
  • • досить часте і тривале перемішування; якщо під час і після перемішування утворюється занадто велика кількість газу, це вказує на недостатнє перемішування.

Склад і якість біогазу.

Оскільки тільки метан поставляє енергію з біогазу, доцільно, для опису якості газу, виходу газу та кількості газу, необхідно все відносити до метану, з його нормованими показниками. Обсяг газів залежить від температури і тиску. Високі температури призводять до розтягування газу і до зменшуваного разом з обсягом рівню калорійності і навпаки. Крім того при зростанні вологості калорійність газу також знижується. Щоб вихід газу можна було порівняти між собою, необхідно їх співвідносити з нормальним станом (температура 0 ° С, атмосферний тиск 1,01325 bar, відносна вологість газу 0 %). У цілому дані про виробництво газу виражають у літрах (л) або м3 метану на кг органічної сухої речовини (ОСР), це набагато точніше і красномовніше ніж дані в м3 біогазу в м3 свіжого субстрату. У минулому не завжди звертали увагу на цей взаємозв'язок, що призвело до малої придатності старих даних про виробництво газу, в них просто відсутні дані про температуру, атмосферний тиск, вміст метану, вмісті сухої речовини і органічного сухої речовини. Навіть у лабораторних умовах при дослідженні однакових субстратів виходять різні результати з виробництва газу. Причина цього криється в різних методах, за допомогою яких проводилися такі виміри в лабораторії. Одні робили вимірювання для свіжого субстрату, інші для сухого, одні з силосованим матеріалом, інші з несилосованим, в резервуарах від 0,5 літрів до 10 літрів і тд. Залежно від рамкових умов результати відрізнялися між собою. На сьогоднішній день актуальним є питання про приведення до норм використовуваних методів вимірювання. Саме через велику різницю в методах вимірювання при визначенні характерних параметрів, таких як вихід газу, вже на стадії планування важливо перевірити дійсність числових величин і стежити за тим, щоб в основу закладалися реалістичні показники, які б відповідали необхідним ринковим умовам. Якість біогазу визначається в першу чергу вмістом метану або співвідношенням пального метану (СН4) до "марної" двоокису вуглецю (С02). Двоокис вуглецю розбавляє біогаз і викликає втрати при його зберіганні. Тому важливо прагнути до високого вмісту метану і якомога низькому вмісту двоокису вуглецю. Що досягається зазвичай, вміст метану коливається між 50 і 75 %. Як правило зміст С02 вимірюють за допомогою приладу " Brigon " і після вирахування невеликої кількості інших газів (2 - 8 %) обчислюють вміст СН4. Вміст метану в біогазі в першу чергу визначається такими критеріями:

  • • Ведення процесу: у той час як в одноступінчатих біогазових установках весь процес анаеробного розкладання відбувається в одному ферментаторі, одним етапом, і таким чином весь газ виділяється як суміш газів, в двоступенчатих установках, вироблений на першому етапі газ, складається у великій мірі з двоокису увлеводороду та інших енергетично малоцінних газів, які виводяться в навколишнє середовище. Газ що виробляється на другому етапі має високий відсоток вмісту метану, який може складати і більше 80 %.
  • • Склад поживних речовин субстрату. Кількість і якість виробленого біогазу залежить від кількості внесених речовин та їх складу. Протеїни і жири мають більш високий вміст метану. Для збагачених на вуглеводи субстратів, як наприклад кукурудза можна розраховувати на вміст метану в середньому 53 %.
  • • Температура субстрату. На практиці виявилося, що при високій температурі ферментатора вихід метану більш поганий, ніж при низьких температурах. Це відбувається через відмінності в розчинності і утворенням газоподібної двоокисі вуглеводню. Чим більша кількість С02 перейде в газоподібну форму, тим меншою буде відсоткова частка СН4 в біогазі. Після метану і двоокису вуглецю, сірководень (H2S) є найважливішою складовою газу. Сірководень дуже агресивний і викликає корозію, що в першу чергу викликає проблеми з арматурою, газовими лічильниками, пальниками і двигунами. Тому необхідно очищати біогаз від сірки. Очищений від сірки біогаз майже не має запаху. Крім того в біогазі містяться сліди аміаку, елементарного азоту, водню і кисню загальним вмістом від 6 до 8 %. Сірководень і аміак можна леко заміряти за допомогою трубки Дрегера. Такі трубки можна використовувати багаторазово. Газ, який щойно надійшов з біогазової установки насичений водяною парою. Можливо, що пар містить також сліди ще малодосліджених розчинених речовин, здатних викликати проблеми при спалюванні біогазу в котлах та двигунах. Наприклад на біогазової установці в Ріпперсхаузене незрозумілим чином утворювалися пухнасті пластівці, які створювали в опалювальній камері котла товсті нашарування. Знадобилося тривалий час, щоб встановити, що ця " біла сажа " є оксидом кремнію, який виникає внаслідок коферментаціі силікономістких косметичних мазей як результат складних хімічних реакцій (утворення силанів). Сушка біогазу конденсацію є дуже важливим кроком по збагаченню газу. За допомогою конденсованої води сепарують також велику кількість аміаку, що міститься в біогазі, що викликає в іншому випадку великі пошкодження двигуна, особливо на підшипниках з кольорових металів.

Вид і склад субстратів.

Принципово всі органічні речовини можна хоча б частково розкласти як аеробним, так і анаеробним шляхом. Принциповим правилом є: тверді, зі складною структурою матеріали як деревина та солома краще підходять для аеробних умов - компостування, в той час як текучі, рідкі матеріали - гній, відходи продуктів харчування, жири і т.д. краще розкладаються в анаеробних умовах, тобто при бродінні. В цілому можна сказати, що для мокрого методу, краше щоб вміст сухої речовини було 5-15%. Якщо вміст сухого субстрату менше ніж 5 %, то процеси будуть також відбуватися, але буде необхідність "марного" додавання занадто великої кількості води, що суттєво впливатиме на рентабельність. 15 % вмісту сухої субстрату є верхньою межею, при якій субстрат ще можна перекачувати насосом, перемішувати або змішувати. Сухий метод розрахований на сипучі матеріали з вмістом сухої речовини понад 25 %. Вміст сухої речовини в придатному найкращим чином до компостуванню матеріалу складає від 40 до 60 %. Важливим як і раніше є співвідношення вуглецю і азоту (співвідношення С: N), яка повинна складати від 10: 1 до 40:

1. Відходи сільськогосподарського утримання тварин створюють добрі умови як для анаеробного, так і для аеробного бродіння, оскільки вони мають збалансований склад поживних речовин і великий буферний потенціал. При складанні раціону, важливо щоб завантаження ферментатора було як мінімум менше 4 кг, ще краще якщо менше 3 кг органічної СВ/мЗ, незалежно від виду субстрату або його суміші. При сільськогосподарському виробництві біогазу за останні роки відбулися великі зміни у видах використовуваних субстратів. Зараз на практиці рідко буває, щоб використовували виключно рідкий або твердий гній. Лише деякі великі підприємства в східній Німеччині обслуговують біогазові установки, що працюють виключно на рідкому гної. Більшість установок для своєї роботи використовують силос із цілих рослин, залишки зерна і силос із сіна, іноді працюють взагалі без гною. Крім великого виходу газу та великої ступені розкладання, енергетичні рослини завдяки підтримці з боку Законодавства про поновлюваних джерелах енергії ЄС придбали особливе значення. Все, що минулого викликало стільки витрат і питань з точки зору отримання дозволів, законодавства, техніки та експлуатації для коферментаціі, сьогодні не створює жодних проблем. Значення коферментаціі органічних відходів від комунальних господарств і агропромисловості істотно знижується. Високі вимоги до безпеки, техніці, документації та отриманні дозволів, а також не в останню чергу конкурентна боротьба за кількість субстрата, привела до зниження інтересу до субстратів і розробленим під них установкам. Будуючиєся або вже існуючі на сьогоднішній день коферментаційні устанановки мають високу спеціалізацію, добре оснащені технічно і відповідають найсучаснішим вимогам.

Таблиця 27.16.

Розрахунок одиниць поголов'я худоби та одиниць великої рогатої худоби (ВРХ)

Розрахунок для одиниць великої рогатої худоби

Вид тварин

ВРХ/штук

Велика рогата худоба

.

Телята і молодий худобу до 1 року (вкл. відгодівельних телят, молодняк)

0,30

Молодняк від 1 до 2 років

0,70

Телиці (старше 2 років), м'ясні бики, корови (вкл. телиць з молочними телятами)

1,00

Племінні бики, робочі воли

1,20

Свині

Поросята до 12 кг

0,01

Поросята більше 12 кг до 20 кг

0,02

Поросята і підсвинки більше 20 кг до 45 кг

0,06

Підсвинки більше 45 кг до 60 кг, відгодівельні свині, відгодівельний молодняк до 90 кг

0,16

Вівці

Вівці до 1 року

0,05

Вівці більше 1 року

0,10

Коні

Коні молодше 3 років і маленькі коні

0,70

Коні від 3 років

1,10

Птахи

Тварин / одиницю ВРХ

Кури-бройлери і молодняк курей (1 вікова група, макс. вага 1200 г)

420

Кури-бройлери і молодняк курей (2 і більше вікові групи, макс. вага 800г)

  • 625
  • 1

Кури несучки (максимальна вага 1600 г)

310

Кури несучий (максимальна вага 1500 г)

330

Примітка: одиниця великої рогатої худоби відповідає 500 кг живої ваги

Використання стоків для біогазової установки з одного боку цікаво для багатьох фермерів, адже так вони можуть заощаджувати на дорогому підключенні каналізації; але з іншого боку вміст сухої речовини в стоках як правило нижче 2 %, таким чином доводиться шукати інші субстрати з достатнім вмістом сухої речовини. У таких випадках доводиться також відмовитися від використання агресивних миючих і очищувальних хімічних засобів. Крім того, розмір біогазової установки повинен перебувати в розумному співвідношенні з кількістю води, що подається. За основу слід брати такий розрахунок: для десяти голів PC (14 м3 з 8% СВ) можна без проблем використовувати стоки після однієї людини. З точки зору законодавства про захист стічних вод слід вибирати тип установки з якомога кращим гігіснізуючим ефектом. Як правило використання стічних вод для біогазовоі установки дозволяють тоді, коли прокладання каналу буде обходитися незрівнянно дорожче, або коли взагалі не існує можливості підключення до каналу.

Таблиця 27.17.

Вихід суміші сеча-кал для різних видів тварин при 10% сухої речовини

Вихід суміші сечі-калу при 10% сухої речовини для різних видів тварин на одну одиницю

Вид

тварин

M3 гною на 1 тварину і на тварин, добу, місяць, рік.

М3 гною на ВРХ і на 1БРС добу, місяць, рік.

Молочна

корова

1,2

0,055

1,65

19,8

0,83

0,046

1,38

16,5

Мясний бик

0,7

0,023

0,69

8,3

1,43

0,033

0,99

11,8

Молодняк

0,6

0,025

0,75

9,0

1,67

0,042

1,25

15,0

Телята

0,2

0,008

0,24

2,9

5,00

0,040

1,20

14,4

Мясні телята

0,2

0,004

0,12

1,4

5,00

0,020

0,60

7,2

Мясні свині

0,12

0,0045

0,14

1,6

8,33

0,038

1,13

13,5

Племенні

свиноматки

0,34

0,0045

0,14

1,6

2,94

0,013

0,40

4,8

Поросята

0,04

0,002

0,06

0,7

25,0

0,050

1,50

18,0

Свиноматка + 19

поросят/год

0,46

0,0140

0,42

5,0

2,17

0,030

0,91

11,0

Кури-

несучки

0,0033

0,00020

0,0059

0,071

300

0,0590

1,77

21,2

Таблиця 27.18

Коливання в складі і виході біогазу для різних видів рідкого і твердого гною при мезофільному температурному режимі, час бродіння 30-35 днів

Коливання в складі субстрату і вихід біогазу

Вид тварин

Гной скота

Свині

Кури

Субстрат

рідкий, твердий

Рідкий гной

Послід

СВ%

7-1725-40

2,5-13

20-34

оСВ%СВ

44-86

52-84

70-8

кг оСВ/БРС/день

3,0-5,4

2,5-4,0

5,5-10

Рівень pH

6,2-8

6,5-7,6

7-8

сирі волокна % СВ

12-24

17

12

сирий жир % СВ

2-5,0

9

2

сирий протеїн % СВ

10-18

24

27

Чи не містять азоту екстракти % СВ (углеводи)

20-43

32

27

Загальна кількість азота г/л

3,3-9,9

3,9-8,0

17

І

Вихід газу л / кг ОСВ (дані відносяться до норм, умов)

176-520

220-637

327-722

Газовиробничн ість м3/БРС/день

0,56-1,5 1,5-2,9

0,60-1,25

3,5-4,0

Газовиробничність в середньому

0 1,11 Æ 2,0

0 0,88

0 3.75

Схильність субстратів до розшарування.

Суміш, шо складається з безлічі різних субстратів, залежно від виду субстратів, має дуже різні характеристики по розшаруванню. Це в свою чергу впливає на осідання та утворення плаваючою корки і має враховуватися при виборі мішалки (техніки та її потужності). Завжди діє правило, що чим густіше субстрат або суміш, тим менш вона схильна до розшарування. Гомогенна суміш з невеликим розміром складових частинок і високим вмістом СВ, якою наприклад є гній великої рогатої худоби перемішаний з рослинними косубстратами, має невелику схильність до розшарування. Підвищену схильність до розшарування має текучий рідкий гній свиней і рідкий курячий послід, картопляний сік і стічна вода в поєднанні з рослинними косубстратами, як наприклад, неподрібнена свіжа солома, скошена трава і т.п. Органічні добрива, одержувані в фермерському господарстві.

Рідкий гній являє собою суміш з посліду та сечі тварин, який лише трохи затримується на підлозі з отворами або гратчастій підлозі. З точки зору простоти обслуговування саме такий вид стійлового утримання отримав велике розповсюдження за останні 30 років в першу чергу при вмісті дійних корів, відгодівельного худоби, відгодівельних свиней та курей. Твердий гній: при вмісті племінних корів, телят, свиноматок, коней, овець і кіз чи на підприємствах, що ведуть діяльність за екологічних принципам, для стійлового утримання не використовують вищеназваних конструкцій підлоги, таким чином, утворюється кулькоподібний гній, який переважно компостують або безпосередньо відразу вивозять. Рідкий гній і твердий гній з робочої поверхні (шлам, що містить кал, сечу і воду з бетонованих поверхонь годівниць і канавок) особливо добре підходить для біогазових установок. Такий субстрат не можна компостувати без інших добавок через великий вміст води. їх компостують лише в окремих випадках в суміші з великою кількістю соломи та інших волокнистих матеріалів. Гній з клітини стійла являє собою суміш калу і сечі худоби, перемішаний із соломою. Утворюється на похилій поверхні, на яку зверху подають солому. Через рух тварин шар гною товщиною 30-70 см скачується вниз на непосилану поверхню.

Таблиця 27.19.

Контрольні дані щодо виходу газу з органічних добрив, одержуваних в селянському господарстві (місцеві добрива)

Субстрат

СВ [%]

З них оСВ [%]

Біогаз [ΙΝ/κγ оСВ]

Вміст метана

Метан [ΙΝ/кг оСВ]

N

Р205 кг/т твердого гноя

К2О

Рідкий гній худоби із залишками корму

8

80

370

55%

204

3,5

1,7

6,3

Рідкий гній худоби без залишків корму

8

80

280

55%

154

3,3

1,6

5,9

свинячий

гній

б

80

400

60%

240

3,6

2,5

2,4

Твердий гній худоби

25

80

450

55%

248

4,0

3,2

8,8

Пташиний послід, сухе без соломи

45

75

500

65%

325

18,4

14,3

13,5

Кінський гній, без соломи

28

75

300

55%

164

Вихід газу з органічних добрив, одержуваних в селянському господарстві (контрольні дані)

Суміш калу та сечі за допомогою фронтального навантажувача або шибера вивозиться з стійла. Залежно від кількості підстилки, яка становить 2-6 кг / голову худоби в день, консистенція такого гною коливається від густого до твердого стану. Такий гній без проблем можна компостувати лише при великій кількості змісту підстилки. Гній з невеликою кількістю підстилки можна переробляти в біогазових установках з хорошими мішалками. При великій кількості підстилки необхідно вживати заходів по розбавленню: змішування з водою, гноївкою або рідким гноєм в резервуарі попереднього утримання з ріжучим міксером. Солома ще до посипання стійла повинна бути подрібнена до 10 см. Це необхідно робити ще при зборі врожаю за допомогою спеціальної подрібнювальної техніки. Можливо також стаціонарне подрібнення на дворі ферми за допомогою млинів для соломи й підстилкових машин, але це завжди пов'язано з великим пилоутворенням. Твердий гній " утворюється " при традиційному способі утримання тварин у корівниках зі стійлами з підстилкою при використанні соломи в кількості від 2 до 12 кг на голову PC в день. Лише в корівниках зі стійлами з невеликою кількістю підстилкового соломи можна отримати твердий гній, котрий можна брати вилами, оскільки сеча тварин виводиться через спеціальні жолоби. Твердий гній легко компостувати. Під час зародження сільськогосподарської галузі виробництва біогазу в 50-х роках, використовувався виключно твердий гній, який розчиняли. Сьогодні навряд чи існують установки, що працюють на розрідженому твердому гної. Добре, якщо солома не розрізана, а розшаровується волокнами, оскільки метановим бактеріям потрібна максимальна площа поверхні для свого розвитку. Склад рідкого і твердого гною залежить в першу чергу від виду тварин, від мети їх змісту, від виду стійла і продуктивності, а також від годування, від втрат аміаку і води через випаровування, від використання підстилки, залишків корму, атмосферних опадів і використаної для очищення води. Кожен фермер, який планує будівництво біогазової установки, повинен провести якомога більш репрезентативний аналіз субстрату і дізнатися в першу чергу зміст органічного сухої речовини в ньому. Також варто звернути увагу на сезонні, що залежать від пори року, коливання в складі і кількості субстрату. Такі коливання помітні в першу чергу при вмісті великого рогатої худоби, якщо в літній час годувати тварин травою або якщо вони пасуться на вигонах.

Суха субстанція і органічна суха субстанція.

Існує велика різниця між рідким гноєм худоби та свиней, послідом курей, а також великі коливання в окремих параметрах. Але можна зробити і деякі узагальнення: гній свиней має низький, гній худоби має середній, а пташиний послід має високий відсоток вмісту сухої речовини. Важливе для виходу біогазу зміст органічної сухий субстанції (ОСС) в курячому посліді в середньому вище, ніж у гної худоби та свиней. Низький вміст ОСС виходить внаслідок попадання глини і піску в корм, а також пилу з бетонних поверхонь. Ці речовини мають схильність до утворення опадів у ферментаторі і резервуарі для зберігання.

Рівень pH.

Рівень pH (рівень кислотності) свинячого гною трохи нижче ніж гною худоби, в той час як курячий послід має найвищий рівень pH (містить крейду).

Зміст сирих волокон.

За змістом сирих волокон (клітковини), внаслідок раціону їх найбільше міститься в гною худоби. Сирі волокна можна добре розкласти лише після тривалого бродіння. Менш значними є відмінність у змісті сирого протешу і NFE (NFE – азотовмістні екстракти – такі вуглеводи як крохмаль і цукор). Обидва ці види речовин добре розкладаються мікроорганізмами. Сирий протеїн відповідає за зміст сірководню в біогазі. Високий вміст сирого протеїну часто пов'язано з дуже багатою на білок їжею. Азот хоча метановим бактеріям і не потрібен для виробництва газу, але потрібний для утворення їх власної клітинної субстанції (білка).

Сирий жир.

За рівнем вмісту сирого жиру свинячий гній має однозначно найвищі показники. Оскільки жир за високого вмісту енергії та легкої до розпаду має дуже високий вихід газу, можна припустити, що свинячий гній краще підходить для виробництва біогазу, ніж курячий послід і гній худоби. На жаль ця перевага більш ніж згладжується в основому низьким змістом СВ і високим вмістом води.

Вихід газу.

Орієнтовні дані по виходу газу з різних видів сир'я наведені в таблиці 27.19. Гній худоби має найгірші показники по виходу газу. Велика рогата худоба, як жуйні тварини, завдяки особливій флорі шлунка, що містить серед інших і метанові бактерії, а також довгому кишковому тракту і сильному подрібненню легко переварюваних речовин, споживає значну кількість сірої клітковини. Цей недолік гною худоби вирівнюється, однак, високим вмістом сухої субстанції. Свиня, як і людина, відома своїм поганим переварюванням корму, що викликано однокамерним шлунком і коротким кишечником. Тому вихід газу істотно вище ніж у худоби через те, що гній містить безліч нерозчинених поживних речовин. Кури, як і всі птахи, мають короткий апарат перетравлення, що обумовлює їх малу вагу. Перетравлювання є неповним. У посліді міститься ще велика кількість утілізуючихся субстанцій. Тому послід дає найбільший вихід газу. У першу чергу він настільки багатий сухою масою, що, як правило, його необхідно розбавляти водою. Високий вміст N може викликати проблеми з біологічним процесом. Суміш гною худоби, свиней і курей допомагає уникнути недоліків калу окремих видів тварин. Деякі біогазові установки на цьому успішно працюють. Внаслідок спеціалізації в сільському господарстві багато біогазових установок завантажуються гноєм одного виду тварин; в основному це худоба (молочні корови, м'ясні бики, молодняк худоби). Менша кількість установок працює на гною відгодівельних свиней, і лише кілька споживають курячий послід. Використовуючи екскременти одного виду тварин можна мати його різний склад;

  • • гній молочних корів більш рідкий ніж у молодого худоби або м'ясних биків;
  • • гній молодої худоби в порівнянні з гноєм м'ясних биків дає на 10 % менше виходу газу через меншої інтенсивності в годівлі, гній молочних корів має значно менший вихід газу порівняно з гноєм биків;
  • • свіноматки краще засвоюють корм ніж відгодівельні свині, тому гній свиноматок дає на 10 % менше газу ніж гній відгодівельних свиней;

Незалежно від виду тварин чужорідні речовини в субстраті можуть принести проблеми. Гній худоби містить залежно від годування такі частинки корму як ірава, сіно і силос або навіть підстилку. Ці речовини спливають у гної і у випадку неправильного перемішування утворюють плаваючу корку, яка може бути настільки товстою і сплутаною, що їх важко розділити. Крім того при годуванні травою варто врахувати, що глина, пісок або навіть каміння, що потрапляють прямо або через шлунок тварин в гній, таким же чином можуть іуди проникати частинки металу у вигляді шурупів або шматочків від сільськогосподарських машин. Свинячий гній має схильність до утворення осадку, в першу чергу, якщо з нього осідають неперетравлене лушпиння кукурудзи або зерна. Якщо перемішування відбувається неналежним чином, з часом можуть утворитися шари товщиною в кілька дециметрів, від яких можна буде позбутися лише за допомогою кирки. Курячий послід містить пір'я, які схильні до утворення плаваючою корки, в той же час, послід курей містить внаслідок особливостей годівлі велику кількість крейди і піску, тому слід врахувати також випадання осаду.

Відновлювана сировина - енергетичні рослини.

З використанням рослинних культур в біогазових установках, сільськогосподарське виробництво отримало абсолютно новий напрям: якщо раніше сільське господарство в Німеччині і Європі займалося виробництвом продуктів харчування і кормів, то зараз все більшу кількість площ віддається під енергетичні рослини, використовувані в біогазових установках. Часто вирощування енергетичних рослин вважають окремою галуззю виробництва і для деяких фермерів вона є головним джерелом доходу. В якості енергетичних рослин, придатних для використання в біогазових установках, в принципі, можуть виступати лише кілька видів вирощуваних на полях культур. У реальності в основному мова йде про тих культурах, які після переробки в біогазових установках набувають більш високу ринкову вартість. Установки, що використовують лише поновлювану сировину і гній для вироблення електроенергії, отримують за вироблену електроенергію фінансове заохочення. Вихід газу.

З точки зору виходу газу кращий результат дають субстрати з високою концентрацією енергії: відходи зерна, буряк і картопля. Вихід метану, що досягається з їх допомогою може доходити до 350 - 380 л / кг органічного сухого субстрату. Крім цього є велика група, що складається зі свіжої трави, бадилля буряка, силосу трави, кукурудзи та зернових рослин, вихід метану з яких становить від 270 до 330 л / кг органічного сухого субстрату. Самий малий вихід газу нижче 200 л / кг органічного сухого субстрату має солома. Таким чином її можна порівняти з гноєм худоби. В цілому, енергетичні рослини мають швидше малі коливання, так що узагальнюючи, теоретичний вихід газу з енергетичних рослин становитиме 300 л метану на кг органічного сухого субстрату з коливанням ± 30 %.

Істотно більшу різницю проявляють енергетичні рослини при розрахунку виходу з гектара. Якщо вихід з гектара помножити на специфічний вихід метану, то вийде продуктивність метану з одиниці площі для конкретного виду культури. Найвищий вихід метану з сухої маси ми маємо зі буряка і врожайних силосних сортів кукурудзи, який може становити понад 6000 м3 СН4/га. Miscanthus як багаторічна культура хоч і дає хороший урожай біомаси від 200 центнерів / га, але низький вихід метану знижує продуктивність площ до рівня трав і силосу з усіх рослин, що мають у середньому вихід від 4000 м3 метану / га. Зерно і бульби хоч і мають високий особливий вихід газу, але якщо перенести його на вироблену площ, то він буде складати 3000 м3/га, що все таки нижче ніж силос з цілої рослини.

Таблиця 27.20

Вихід газу

Тип сировини

Вихід газу, м на тону сировини

гній коров'ячий

60

гній свинний

65

послід пташиний

130

відходи бійні

300

жир

1300

барда післяспиртова

70

зерно

500

силос, бадилля, трава, водорості

400

молочна сироватка

60

буряковий і фруктовий жом

70

гліцерин технічний

500

дробина пивна

180

Таблиця 27.21.

Вміст субстрату в різних видах енергетичних рослин

Культура

гр/кг

гр/кг

Ячмінь

104

16,64

Овес

110

17,6

Жито

98

15,7

Пшениця

119

19

Кукурудза

95

15,2

Картопля

20

3,2

Відходи з початків кукурудзи з листям

76

12,2

Свіжий зелений корм

33

5.3

Кукурудзяний силос

24

3,8

Силос злаковий

60

9,6

Силос злаковий, що містить конюшину і трави

65

10,4

Суміш з конюшини і трав

70

11,2

Зерно GPS (жито)

19

3,0

їм просто бракує кількості біомаси всієї рослини. Проміжні культури мають найменший виход з площ, нижче 2000 м3 CH4/га, це пов'язано з коротким вегетаційним періодом.

Силос із зернових рослин.

Силос із зернових культур користується все більшою популярністю, оскільки вони дуже добре підходять до сівозмін енергетичних рослин, можуть вирощуватися на глинистих грунтах, давати при низьких весняних

температурах хороший і стабільний урожай. Часто використовують жито як невибагливу озимину рослину. Але підходять всі види зернових культур. Вибір повинен здійснюватися залежно від конкретної місцевості. Оптимальний час для збору врожаю це коли зерно вже придатне для муки, коли зерно налито і при стисканні колоса не виділяється сік, а зерно можна видавити з лушпиння. Вміст сухої речовини становить тоді 35-40%. Це той час, коли можливо максимальне перетравлення всієї рослини і доступна максимальна щільність енергії. Зерно не так добре силосувати як кукурудзу, тому довжина січки повинна якомога точніше відповідати 4 мм, щоб можна було розщеплювати і досягти швидкого окислення в силосному бункері і таким чином гарної щільності. Вихід знаходиться в межах від 80 до 140 центнера / га. Силос з цілих зернових рослин містить так само, як і трави велику кількість сирого протеїну та азоту (N). їх високий відсоток у суміші субстратів або занадто велике навантаження бродильної камери можуть призвести до затримок, викликаним аміаком.

Силосна кукурудза.

Силосна кукурудза на сьогоднішній день є найважливішим видом культур для використання в біогазових установках. Кукурудзу називають ще рослиною С4 за величиною виходу сухої маси. Необхідна для переробки цієї культури техніка як правило завжди є в наявності на підприємствах, добре відома і недорога. Кукурудза легко силосуется і навіть при чистому використанні не викликає порушень у процесі роботи біогазових установок. Сьогодні вже є спеціальні сорти для використання в біогазових установках. Ці сорти як правило дають більший вихід біомаси. Більш пізні сорти дозволяють також отримувати більш пізні врожаї. Оптимальним часом для збору врожаю є його готовність для силосування, перетравлення та погодні умови. Як правило кукурудза під час збору повинна мати вміст сухої речовини 28-35 % і перебувати в стані між молочною стиглістю і придатністю для борошна. У сприятливих районах для вирощування від цих сортів можна отримати великий вихід з посівних площ у розмірі більш ніж 8000 М5 метану / га. Вихід від посівів силосної кукурудзи коливається між 120 і 270 центнерами / га, вихід газу між 300 і 380 літрами на кг органічного сухої речовини.

Покриття силосу житом.

Унаслідок зростання розмірів біогазових установок, зростає також потреба в площах для силосу, а таким чином і витрати на покриття. Новим рішенням для покриття є посів жита замість силосної плівки. Цей природний варіант силосного покриття має кілька переваг:

  • • втрати робочого часу і грошей менше ніж при покритті плівкою;
  • • покритті розчиняється під біологічним впливом;
  • • можливо просто поіфивати поверхню новим шаром силосу, таким чином зникає затратне накривання - розкривання;
  • • в залежності від раціону, площа нарізування силосу може бути невеликою, оскільки буде використовуватися тільки цей вид силосу.

Дослідження, проведені над силосом з житнім покриттям центром ЕВА в Трісдорфе в 2005 р. показали, що вихід метану не змінюється, але у верхній частині кулі силосу відбувається істотне скорочення органічної сухий субстанції (до 15 % сухої речовини на 30 см глибині або 12 % сухої речовини в покривний кулі). Якщо взяти до уваги, що кукурудзяний силос силосується з одержанням сухої речовини 28-35 %, то значить в цій кулі майже половина сухої речовини втрачається внаслідок аеробного розкладання. Такі втрати відповідають приблизно ефекту від середньго покритого плівкового силосу. У цьому випадку зменшення енергії нетто становитиме до 20 %. Відповідно при накритті шляхом посіву поверхня силосу повинна бути невеликого розміру. Крім того при використанні такого виду покриття в більшості випадків помічалися гризуни шкідники (щури, миші).

Відходи качанів рослин, Com - Cob -Міх і чисті кукурудзяні зерна.

Відходи качанів рослин (Com - Cob - Mix (ССМ)) і чисті кукурудзяні зерна значно відстають щодо виходу з одиниці площі в порівнянні з урожаєм силосної кукурудзи, але мають значно вищу щільність енергії, а таким чином і вихід газу. Вони також більш вигідно займають робочий об'єм ферментатора в порівнянні з силосом кукурудзи. Щоб забезпечити поступову подачу, їх теж доводиться зберігати і консервувати. З точки зору біологічних процесів вони швидше викликають окислення і перенапруженность.

Луга, силос із трав, суміш конюшини і трав.

Вихід з лугів залежить від місця розташування та інтенсивності використання, відмінності бувають дуже великі і коливаються від 40 до 120 центнер сухої маси з га. Луга за рівнем виходу відстають від енергетичних рослин, щоб зіставити вихід з ними необхідно щонайменше збирати урожай тричі на рік. На вихід метану також впливає місце розташування та інтенсивність використання. Інтенсивне використання лугів (S укосів) дає вихід метану понад 300 літрів / кг органічної сухої речовини в порівнянні з екстенсивним використанням ділянок, при якому експлуатація дає до 300 літрів. Набір ростущих на лузі видів рослин також має вплив на вихід метану. Для плевела, тонконога лугового і вівсяниці вихід коливається між першим і другим укосом в межах 250 і 350 літрів / кг органічної сухої речовини; вони в цілому досягають такого ж рівня, як і Leguminose - 300 літрів / кг органічної сухої речовини. Лише люцерна з виходом 200-250 л / кг органічної сухої речовини значно відставала за показниками. Таким чином, можна припустити, що і в цілому також на лугах можна створити оптимальні з точки зору енергії суміші посівних рослин. Трав'яний силос добре годиться для бродіння. Однако, що високий потенціал сирого протеїну при високому вмісті конюшини може викликати затримку розвитку бактерій. Також конюшина - злакова травосуміш при помішуванні має тенденцію до сплетіння. Тут необхідно приділити увагу ретельному подрібненню і підбору відповідної перемішувальної техніки.

Суданська трава.

Суданська трава як і кукурудза відноситься до рослин С4, а отже дуже ефективна з точки зору використання води і поживних речовин. В Америці використовується як польовий корм, для сіна, силосу і в свіжому вигляді. У нас все частіше використовують як пожнивну культуру після зернових для бродіння. Суданська трава поставляє велику кількість сухої маси, невимоглива до наявності в грунті води і поживних речовин, добре силосуется. Рослина не здатна переносити навіть невеликі заморозки і за зиму вимерзає. Сіється в залежності від місця розташування під кінець квітня аж до середини травня (20-22 кг / га). Вимоги до підготовки грунту невеликі, досить культиватора і дискової сівалки. Суданську траву можна косити по кілька разів, вона заново відростає. Посів після збору зернових в червні / липні може не принести бажаного великого врожаю через літню сухість і можливо ранні заморозки. При двох укосах можна зібрати 120 і 200 центнерів / га сухої маси. Збір врожаю суданської трави відбувається найпізніше при появі помилкових класів, коли вміст сухої речовини менш 20 %, оскільки інакше трава почне швидко деревеніти.

Китайський очерет.

Китайський комиш є багаторічною рослиною, що походить зі Східної Азії, з групи С4, досягає висоти до 4 м і дає вихід сухої маси до 2S0 центнерів на гектар. Miscanthus на відміну від багатьох інших енергетичних рослин багаторічна культура, висаджується на 15-20 років. Висаджується штеклінгами (живцями), що робить її кілька дорогою. V перший рік зимівлі має схильність до вимерзання, тому високий врожай досягається лише до 4 році. Після жнив Miscanthus, що залишили кореневища знову дають пагони чим можуть заважати вирощуванню інших культур замість них. Серед культур енергетичних рослин саме тому і через низький виход газу Miscanthus не використовують.

Відходи зернових культур.

Вихід енергії з гектара зерна злаків або їх відходів нижче, ніж з силосу цілих злаків. Якщо зробити перерахунок виходу енергії з одиниці посадкової площі, то перевага буде на боці силосу із цілих рослин. Чисте бродіння злакових мало б з енергетичної точки зору сенс, якби біологічним процесом в сільськогосподарських установках можна було керувати. Зерно дуже швидко розкладаться і призводить до швидкого переокисления. Через високий потенціал вмісту протеїну в зерні підвищується також ризик затримки в розвитку бактерій через дію аміака, так що при бродінні чистої культури, варто використовувати двоступеневу систему для кращого управління процесом. При певній частці відходів в суміші субстрату, як показує практика, це має позитивний ефект на виробництво газу: певний зміст легко розкладаючихся субстанції підвищує активність бактерій, що призводить до підвищення швидкості розкладання і ступеня розкладання в ферментаторі. Якщо субстрат має схильність до утворення плаваючою корки, необхідно обов'язково включити відходи до складу суміші субстратів. У таблиці 27.22 вказано вміст азоту та пов'язані з ним затримки розвитку при утворенні аміаку.

Енергетичні сівозміни.

Щоб створити оптимальні з точки зору енергії сівозміни для біогазових установок, необхідно узгодити між собою три впливові фактори:

  • 1. Вибір сортів і послідовність їх вирощування з високим виходом від кожного сорту (органічної сухої маси з гектара на рік).
  • 2. Вибір сортів з урахуванням високого специфічного для кожного сорту виходу метану і найкращою сполучуваності поживних речовин при їх змішуванні.
  • 3. Оптимізація складових речовин, виходячи з максимального потенціалу утворення метану серед різних культур (наприклад підвищення вмісту жирів через інтеграцію масляних культур).

Крім того при виборі окремих культур для оптимальної послідовності сівозміни не можна забувати і про екологічні аспекти. Дотримання правил хорошої професійної практики повинно само собою діяти також при вирощуванні енергетичних рослин. Для оптимальних з точки зору енегії сівозмін, краще всього використовувати комбінацію груп рослин С3 і С4. Холод взимку найкраще переживають рослини групи С3, в той час як багаті на біомасу теплолюбні рослини групи С4 добре переживають літо. Це робить можливим отримання дворазового врожаю протягом року із загальною продуктивністю близько 250-300 центнерів сухої маси з гектара. До групи рослин С4 належать крім кукурудзи також просо, цукровий очерет і амарант. Великим недоліком цих рослин є їх чутливість до холоду. Це ставить деякі обмеження їх потенціалу продуктивності при вирощуванні в наших широтах. У прохолодні і холодні місяці між серединою жовтня і кінцем квітня з великою перевагою вони поступаються вітчизняним рослинам групи С3.

Таблиця 27.22.

Оптимальні комбінації рослин

Оптимальні комбінації астеній СЗ і С4

Зернові, картопля, трави, плевел, конопля, рапс, суріпиця олійна, соняшник, горох

СЗ

Кукурудза, просо, цукровий очерет, суданська трава, амарант

С4

• Перевага використання в холодні і зимові періоди

• Істотно вищий потенціал виходу в літні місяці

• Оптимальна асиміляція при 23'С

• Оптимальна асиміляція при 30'С

• Вихід сухої маси: 80-120 цт/га

• Вихід сухої маси: 190-250 цт/га

• Норми споживання води: 500- 700 л Н20/КГ сухої маси

• Норми вживання води: 250-400 л Н20/кг сухої маси

• Ефективність поживних

речовин: 1 мг N/39 мг сухої маси

• Ефективність поживних речовин: 1 мг N/57 мг сухої маси

Ризики різних видів субстратів.

Повністю безпечними вважається поновлювана сировина, відходи овочів, барда, зелений корм і укоси галявин. Для органічних добрив, одержуваних в селянському господарстві існує ризик з точки зору гігієни щодо перенесення та розповсюдження патогенних мікроорганізмів. Більший ризик з точки зору гігієни несуть в собі відходи боєнь і відходи великих ресторанів, які також повинні проходити гігієнічну обробку. Біовідходи містять велику кількість домішок, а укоси з околиць доріг як правило мають велику кількість токсичних речовин.

Складання сумішей субстратів відповідно до змісту сухої речовини. Властивості субстрату і суміші субстратів до перекачування а також гідравлічна керованість в ферментаторі (завантаженість ферментатора) як правило є ключовими технічними критеріями для мокрої ферментації, та обмежують кількість добавок. Щоб одержати здатну до перекачування суміш, вміст сухої суміші субстрату в ферментаторі не повинно перевищувати 18 %. Оскільки частина сухого субстрату в ферментаторі повинна розкластися (від ЗО до 80 %, залежно від субстрату), то суміш таким чином сама по собі розбавляється. Це означає, що спочатку ферментатор можна наповнювати субстратами з більш високим вмістом сухої речовини. Розрахунок вмісту компонентів суміші.

Внесено:

Гній худоби з 8% СВ;

Силосна кукурудза 32 % СВ;

Зміст суміші не повинно перевищувати 18 % СВ.

На м3 гною худоби можна додати 0,7 м3 силосної кукурудзи, щоб не перевищувати 18 % загального вмісту сухої речовини. Вона дає відповідь на питання, яка кількість кукурудзи можна перемішати з гноєм худоби (8 % СВ) з тим, щоб суміш можна було перекачувати за допомогою насоса. Необхідно створювати суміші з вмістом СВ на рівні 18 %, оскільки сіупінь розкладання гною худоби не перевищує 50 %. Таким чином можна виходити з того, що в середньому з часом бродіння в ферментаторі встановлюється рівень вмісту СВ близько 12 %. Для субстратів з більш високим ступенем розкладання можна спочатку закласти ще більш високий вміст СВ. Зрозуміло, щоб зберегти здатність до перемішування і достатню кількість вологи, він не повинен перевищувати змісту 25 % СВ (мокра ферментація). Внаслідок цього, слід обмежувати зміст відносно сухих речовин у суміші, наприклад зміст біосміття. Це можна обійти, якщо після бродіння проводиться розділ на тверду і рідку фракції. Отсепарував дрібну фракцію можна заново підмішувати в свіжий, багатий на сухі речовини субстрат (повторне використання води). Таким чином щоденна кількість бродильного субстрату збільшується на кількість повернутої води, що варто врахувати при вимірюванні об'єму ферментатора. У вже давно існуючих установках в наслідок впровадження цієї технології необхідно врахувати скорочення часу бродіння, що однак можна вирівняти шляхом підвищення температури процесу.

Оборот поживних речовин у системі утворення біогазу.

При бродінні поживні речовини субстрату майже не втрачаються. Навпаки, поживні речовини, внесені разом з субстратом, майже у повному складі потрапляють на поля в перебродженому вигляді. Фосфор, калій, магній і мікроелементи зберігаються на 100 %. Лише азот втрачається внаслідок зберігання і при розміщенні на полях.

Силосна кукурудза, що дає більшу масу, наприклад для свого зростання 300 кг азоту на гектар. Ця велика кількість разом з врожаєм з поля переїжджає до біогазової установки, де накопичується на кінцевому складі. На кінцевому складі відбувається його втрата в розмірі близько 5 % у вигляді викидів аміаку. Втрати при внесенні на рілля, незважаючи на використання шлангової техніки та миттєвої підробітки можуть становити до 20 %, зменшуючи таким чином вміст азоту (N) в наведеному прикладі на 57 кг. З решти 228 кг N, близько 62 % перебувають у легкодоступному мінеральному вигляді. Від початкових 300 кг N таким чином безпосередньо відразу придатними до споживання залишаються 143 кг. До цього ще слід додати 60 кг N з органічних сполук азоту в грунті, за вирахуванням втрат азоту внаслідок вимивання в розмірі 30 кг. При добриві соломою необхідно розраховувати внесення азоту в розмірі 25 кг. Таким чином лише 173 кг азоту (148 кг при фіксації азоту) повертаються назад. Виникає потреба в азоті в розмірі 127 кг (152 кг при фіксації азоту).

Таблиця 27.23.

Дані щодо застосування добрив

Показники щодо застосування добрив

орні землі

цілина

Азот N заг.

170 кг/га х год

210 кг/гах год

Згідно з чинним законодавством (таблиця 27.23) верхня межа кількості внесення азоту з органічних добрив для орних земель в середньому становить 170 кг / га на рік, для лугів 210 кг / га на рік. Крім того після збору основного врожаю не можна вносити більше 40 кг амонію - азоту і 80 кг загального азоту на гектар. Протягом зимових місяців з 15 листопада по 15 січня взагалі не дозволяється вносити рідкий гній і рідкої вторинної сировини. Ці верхні межі знаходяться в прямій протилежності до потреб багатьох видів культур рослин ( таблиця 27.23) і дуже сильно обговорюються в біогазовії сфері. Недолік поживних речовин доводиться покривати за допомогою покупки дорогих мінеральних добрив. Обмеження щодо розміщення перероблених субстратів можуть призвести до нестачі площ для розміщення у виробників біогазу. У будь-якому випадку вже при плануванні кількість перероблених поживних речовин необхідно порівнювати з доступними сільгоспплощами.

При використанні готових субстратів (енергетичні рослини, відходи аїропромисловості) варто обов'язково звернути увагу на можливість повернення або належної утилізації відходів бродіння. Необхідні розміри площ для вивезених відпрацьованого силосу кукурудзи, сіна, озимих сортів зернових і пшениці наводяться в таблиці 27.24.

Таблиця 27.24.

Кругообіг азоту енергетичних рослин при виробництві біогазу

Кругообіг азоту енергетичних рослин при виробництві біогазу

кількість N в кг/га

Вивіз N разом з урожаем - змістом N в субстраті

300

Втрати при зберіганні 5%

-15

Втрати при внесенні в грунт 20%

проміжний баланс

+228

Внаслідок бродіння близько 62% у вигляді мінералів і легкодоступні

+143

38% - 85 кг органічно пов'язані

N- мінералізація в грунті

+60

Вимивання N

-ЗО

Фіксування N в гумусі (добриво з соломою)

-25

Повернення N разом з перебродившим субстратом

+148 або +173*

Додаткова потреба в азотовмістких добривах щоб перекрити 300 кг / га

-152 або -127*

* = без фіксації в гумусі; N-денітрифікація = внесенню з повітря, без бобових,

Якщо наприклад рік був вдалим з точки зору вирощування кукурудзи, і з гектара вдається зібрати 550 центнерів сирої маси, то після бродіння необхідно мати 1,4 га орної землі щоб розмістити на ній поживні речовини згідно державних норм про добривах. З точки зору повернення поживних речовин ший дуже інтенсивний рівень виробництва призводить до браку площ для внесення.

Таблиця 27.25.

Потреби в азоті різних польових культур (орієнтовні дані)

Потреби в азоті для різних польових культур

Вид

Потреби в N кг/га

Пшениця зернова DS 80 цт/га

120-200

Пшениця GPS (озимі сорти)

100-160

Кормовий буряк + гичка

100-200

Силосна кукурудза

140-220

Зелена жито / озиме жито

160

Луга екстенсивне (1 укіс 35 ЦТ сухої маси / га)

100

Луга інтенсивні (4 укосу 100 ЦТ сухої маси / га)

290

V цьому зв'язку з'явилися цікаві дані досліджень університету міста Хоенхайм, присвячені виведенню так званих сортів малого внесення кукурудзи, що дають великий вихід біомаси в умовах "стресу водного режиму та поживних речовин", маються на увазі сильні коливання води і поживних речовин. Ці сорти дають можливість стабільного отримання біомаси, поглинаючи невелику кількість поживних речовин і води.

Завантаженість ферментатора і потреби в складському просторі.

Унаслідок різної концентрації енергії в одному м3 субстрату, різні субстрати вимагають різного обсягу ферментатора. Наприклад ССМ (Corn Cob Mix) в одному м3 сирої ваги близько 515 кг органічного сухої речовини. Порівняно з нею силосна кукурудза на м3, закладена в ферментатор, містить лише 216 кг органічної сухої маси, а барда взагалі лише 5 кг, все інше - це вода, яка повинна проходить через ферментатор і абсолютно не дає ніякого виходу газу.

Таблиця 27.27.

Потреби в сільськогосподарських площах для розміщення залишків бродіння при обмеженні загальної маси азоту до 170 кг / га [71]

Потреби в сільськогосподарських площах для розміщення залишків бродіння

Силосна

кукурудза

35% сухої речовини

Озимі сорти пшениці GPS

40% сухої речовини

Трав'яний

силос

35% сухої речовини

Кормова пшениця

87% сухої речовини

Свіжий

урожай

цт/га

550

450

331

259

81

Площа для і розміщення залишків бродіння

га

1,16

1,14

1,25

0,87

Якщо не брати до уваги біологічної сторони процесу і його стабільності, то було - б доцільно, подавати в ферментатор лише субстрати з високою концентрацією енергії. Але якщо завантаження ферментатора понад 3 кг органічної сухої речовини /м3 то для біології процесу складаються критичні умови. Для яблучної барди буде потрібно ферментатор об'ємом 120 літрів, зерна кукурудзи займуть всього лише 5 літрів. Внаслідок розкладання органічної сухої речовини в ферментаторі зміняться також потреби в площі для зберігання. Частина щодня внесених органічних речовин розкладається і у вигляді газу вилучена з круговороту. У залежності від того, наскільки органічний субстрат може розкладатися, зменшується і його кількість, а відповідно і об'єм складу для зберігання. Цей ефект може впливати на обсяг у межах максимум 20 %, оскільки тверді речовини в сумішевому вигляді залишаються у воді.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >