Біоенергетичні установки. Досвід проектування та експлуатація
Виробництво енергії — єдина мета яку переслідують фермери. Крім того переваги можна отримати і від інших позитивних факторів, перелічених у таблиці 1.1. Складання таких таблиць є важли — вим для кожного підприємства, але перелічені переваги до окремих підприємств можуть мати своє значення. Для фермерів є істотним зменшення неприємного запаху при достатньому розкладенні субстрату, якщо ферма розташована в гусгозаселеному регіоні. Будівництво біогазової установки стає початковим збільшенням розмірів ферми (збільшення поголів’я худоби). Причиною проти будівництва біогазових установок є неприємні запахи.
Великий інтерес для екопідпрмємств надає можливість шляхом бродіння переробити азот на відповідну для зберігання речовину, з точки зору екології, (.’творення робочого місця для майбу тнього власника господарства є аргументом на користь будівництва біо — газової усіановки. Можливість виведення своїх стічних вод в біоіа — зові установку замість підключення каналізації може бути важливим для фермера. При будівництві біогазової установки врахову ють такі аспекти:
•S Не можна оздоровити підприємство, іцо переживає кризу, за допомогою біогазової установки. Залишитися ефективними підприємствам допоможуть біогазові установки.
•S Інвестиція в біогазові установки повинні бути довгостроковими, тому будівництво повинно бути добре розрахованим з урахуванням перспектив.
■S У деяких регіонах виникає нестача посадкових площ для вирощування субстрату, шо в свою чергу збільшує ціну оренди землі — це призводить до зростання кількості біогазових установок. Великий ризик для власників установок становить оренда або купівля сировини, тому важливо провести розраху нки по довгостроковому доступу до сировинної бази.
^ Незважаючи на високу винагороду за вироблену енергію, все одно рентабельність установки легко втратити. Вирішальне значення може мати і використання тепла, оскільки купівля електроенергії є гарантованою окрім витрат на сировину і на оренду, тому варто розробляти концепції з високою ефективністю використання теплової енергії.
^ Тваринам в хлівах уділяють стільки ж уваги, скільки і метановим бактеріям, тобто експлуатація біогазової установки вимагає спеціальних знань. Тому’ варто приділяти увагу освіті, підвищенню кваліфікації обслу говуючого персоналу.
•S Без проведення профілактичних робіт та нагляду неможлива експлуатація. Хто не готовий витрачати щодня годину на установку, то краще навіть не братись за цю справу.
^ При вивезені гною, після установки на поля, існує небезпека втрати аміаку. Тому варто використовувати спеціальну техніку з подачею на ґрунт через шланги (Рисунок 1.34).
|
Рисунок 1.34 Внесення добрив у грунт |
Біогазова установка може бути цікавою і доцільною за умов:
• Коли власна ціна за електрику є нижче ніж ціна для продажу. В рамках СС оплата за електричний струм з біогазу та ціни на електроенергію знижуються; подолання споживання або згладжування «пікових періодів» можна перекрити за допомогою біогазовзіх установок.
• Необхідно мати гній мінімум від 100 голів ВРХ.
• Самостійне виконання робіт при будівництві, що дозволе знизити витрати, поліпшити рентабельність і здобути знання, які стануть у пагоду у майбутньому для усунення неполадок
• Мати великі площі для установок, працюючих лише на оновлюючих ресурсах, для вирощування енергетичних рослин з метою зменшення ризику, пов’язаного з ціною оренди землі.
• Вирішення проблеми з утилізацією рідких органічних відходів за допомогою біогазвих технологій.
• Вирішення проблем емісії неприємних запахів при зберіїанні і вивезені гною на поля.
• Захисту грунтових вод від забруднення (за допомогою очищувальних пристроїв, та з проведенням водозабору’).
і Отримання фермерами б евен розпорядження найкращого обладнання. якщо вони працюють в секторі екологічного сільською господарства, безвідходного господарства, тривалого використання сільськогосподарських ресурсів, захисту навколишнього середовища.
1.7.1 Середовище, що є сприятливим для проживання бактерій
Нижче наведено життєві умови, які потрібно створити бактеріям, щоб вони добре працювали у вологому анаеробному середовищі.
Вологе середовище. Бактерії живуть і розмножу ються, коли добре розчинені у воді їх субстрати (мінімум 50 % води у складі). На жаль, вони не можуть існувати у твердій фазі, як це можуть гриби, дріжджі та анаеробні бактерії. Спочатку не важливо є субстрат вологам, чи став вже таким у процесі зрошення або змішування, тому для технологій твердих процесів є необхідність у зволоженні.
Виняток проникнення повітря. Цілий ряд мікроорганізмів приймають участь у розщепленні органічних субстратів у анаеробному процесі. Приблизно 50 % бактерій, приймаючих участь у процесі, добре переносять кисень, тобто факультативно є аеробними. Винятково анаеробними є тільки метанові бактерії. В першу чергу’ при наявності кисню, як, наприклад, свіжий гній, аеробні бактерії використову ють його — це відбувається на першому етапі утворення біогазу. Шкідливим не вважається велика кількість кисню в процесі, тому що він допомагає очистити матеріал від сірки, вводять його цілеспрямовано або ж він проникає при відкриванні оглядових отворів.
Окислювально-відновний потенціал набагато важливіший. Він являє собою ступінь готовності іонів приймати електрони. Щоб анаеробні бактерії зростали, цей потенціал повинен бути приблизно -0,1 В. Кисень, маючи високий потенціал (+1,78 В), спочатку шкодить анаеробним бактеріям. Якщо достатня кількість речовин з низьким окислювально-відновним потенціалом, то анаеробний процес може також відбуватися за присутності кисню.
Попадання світла, як виняток. Світло уповільнює процес анаеробний процес. За допомогою світлонепроникної кришки затуляють світло для процесу переробки субстрату.
Рівномірна температура. У межах температури 0…70 °С проявляють свою життєдіяльність метанові бактерії. Якщо температура підіймається вище, то більша кількість бактерій гине, окрім тих, що можуть жити за температури 90 °С. Якщо температура падає до мінусової, то вони виживають, але припиняють життєдіяльність. У літературі нижньою межею вважають 3…4 °С.
Швидкість процесу значною мірою залежить від температури. Чим вище температура, тим швидше відбувається розкладання і утворення газу. Таким чином скорочується час розкладання. Чим вище температу ра, тим менше вміст метану в біогазі. Тому що при високих температурах розчинений в субстраті двооксид вуглецю інтенсивніше переходить у газову фазу, при цьому вміст метану скорочується. При достатній кількості часу бродіння кількість газу, виробленого матеріалу, буде однакова. Слід відмітити три температурні режими, при яких штами бактерій почувають себе добре:
> Психрофільні штами при температурі нижче 25 °С,
> Мезофільні штами при температурі 25.. .45 °С,
> Термофільні штами при температурі понад 45 °С.
У мезофільному режимі працює більшість установок.
Через великий надлишок тепла від генератора спостерігається високі температури ферментатора. У Німеччині більшість біогазо — вих установок працюють при температурах 38…42 °С. Установки термофільного режиму роботи користуються більшим попитом, ніж психрофільного (мають тривалий час бродіння і невелике виробництво газу), тому що не в останню чергу вони оснащуються пристроями автоматизованого управління.
Якщо бактерії короткое фокові, то при високих температурах вони стають більш чутливими до її коливань. Це чітко видно з відносно вузького максимуму кривої та її стрімкого падіння при термофільному режимі. На відміну від мезофільного режиму, термофільний не витримає коливань 2…4 °С, а лише 1 °С. Зміну температури на 1 °С може викликати зупинка роботи мішалки на декілька годин (в першу чергу в зимовий час), або одноразове розміщення погано ущільненого матеріалу (з великою кількісно кисню), або велика кількість дуже холодного матеріалу.
Більш високі температури (ніж було вказано для прокладання опалення) спостерігаються в установках працюючих на поновлювальній сировині. Анаеробний процес не є екзотермічним, на відміну від компостування; в метані буде накопичуватися значно більше енергії. Значна кількість рослинного легко перероблюваного субстрату приводить до необоротних реакцій окислення з виділенням тепла. При бродінні кукурудзи збільшення температури досягало
37.. .42 °С. Такий ефект звичайно ж знижує споживання тепла установкою і повинен спостерігатися для кожної установки окремо і бути врахований специфікою установки.
Якщо працювати з високими температурами, то необхідне встановлення спеціальних систем автоматизації і точне управління роботою біогазових установок. На сьогодні мезофільшій режим допомагає уникнути труднощів, коли мова йде про повну інтеграцію біогазових установок у повсякденну роботу сільськогосподарської о підприємства. Оскільки експлуатація перетворилась на окремий вил діяльності і вимагає відповідного персоналу, то працюють при більш високих температурних режимах ферментатора.
Підприємства обирають собі оптимальний температу рний режим, до якого за тривалий період часу (1 місяць і більше) звикають бактерії.
Рівень pH. Бактерії, що утворюють оцтову кислоту і метан, можуть жити тільки при нейтральному або слаболужному рівні pH (на рівні 6,8…8), у той час, як кислотоутворюючі бактерії гідролізуються в кислому середовищі з рівнем pH 4,5…6,3 і досягають оптимуму своєї активності. Бактерії стають повільніше у своїй життєдіяльності, якщо їх рівень pH перевищує оптимальний, ще це призводить до уповільнення утворення біогазу. Слід витримувати рівень pH для метаноутворення (оптимум рН=7) для одноступеневих технологій. Кількість субстрату, що додається, та його вид може впливати на рівень pH. Ті субстрати, які швидко окислюються, потрібно додавати тільки поступово і в обмеженій кількості, тому шо вони призводять до різкого рівня падіння рі і.
Завдяки тому, що субстрати можуть вирівняти концентрацію іонів водню Н, коли вона зростає, вони можуть прив’язати до себе вільні іони, це призводить до того, що рівень pH залишається стабільним. Субстрати відрізняються між собою в їх здатності амортизувати рівень pH. Рівень pH починає зростати тоді, коли зв’язуючи і вирівнюючи здатності вичерпуються. Сучасні пристрої для дослідження pH оснащені новітніми електронними цифровими приладами.
Подача поживних речовин. В якості орієнтовного значення для змішування субстратів можна взяти співвідношення поживних речовин. Поживні речовини, це ті речовини, які вимагають бактерії для утворення своїх клітин (вітаміни, розчинні сполуки азоту, мінеральні речовини та мікроелементи). Ці речовини можна знайти в рідкому і твердому гною, у сіні, кукурудзі (свіжій чи консервованій), залишках їжі, відходах кухні, нутрощах тварин, бардових і молочних продуктах — всі ці продукти можуть бродити в чистому вигляді без додавання інших субстратів.
Співвідношення поживних речовин:
. C:N :Р = 75:5:1 або 125:5:1
• С : N — 10:1 або 30:1
• N:P = 5:1
Загальне співвідношення вуглеводів із загальним вмістом азоту показує співвідношення C:N. Оптимальне співвідношення вуглецю до азоту становить 30:1 і 10:1. На один відсоток фосфору припадає 5 відсотків азоту і 75… 125 відсотків вуглецю. До сповільнення розвитку бактерій призводить аміак, який утворюється в процесі, коли співвідношення падає до рівня 8:1 та через великий зміст амонію в субстраті. Розрахунок співвідношень елементів можна зробити для кожного виду субстрату або суміші субстратів (див. приклад співвідношення Таблиця 2.1).
Для першої оцінки суміші субстратів має сенс провести такий розрахунок. З його допомогою своєчасно можна визначити можливу затримку процесу розвитку мікроорганізмів через занадто велику концентрацію азоту.
Важкі метали і мікроелемент у невеликій кількості потрібні для оптимальної життєдіяльності бактерій, але важкі метали можуть мати стримуючий або токсичний вплив.
Мінімальні вимоги до суміші поживних речовин для оптимального життєзабезпечення бактерій показано в Таблиці 2.1. Процес утворення біогазу може відбуватися с широким спектром поживних речовин з їх високою або низькою концентрацією. Наявність у субстраті нікелю, кобальту, молібдену, вольфраму і заліза — особливо необхідні хімічні елементи, які використовуються бактеріями для утворення ензимів. У присутності цих елементів бактерії звикають до різних умов проживання.
Нестача мікроелементів може виникнути тому, що більшість з них утворюють разом із сіркою стійкі сульфіди. Якщо субстрат стає світліше — це свідчить про нестачу затіза. Можна зробити аналіз, який виявить нестачу елементів, але його можна робити тільки тоді, коли всі інші фактори перевірені і виключені (затримки із-за аміаку, сірки, надлишкова кислотність, нестача субстрату, техніка).
|
Таблиця 2.1. Мінімальні фізико-хімічні вимоги до метаногенеза
|
|
Фосфат |
50. . 150 ppm |
|
1 Співвідношення кількості C:N :P:S |
2000:15:5:3 |
Велика площа поверхні сировини. Бактеріям буде легше розкладати субстрат, коли буде велика площа взаємодії для бактерій і багато волокнистого субстрату. Тому, чим менше за розмірами субстрат — тим краше. Його буде простіше змішувати, перемішувати, підігрівати без утворення плаваючої кірки або осаду. Тривалість періоду бродіння має вплив на кількість виробленого газу, на який впливає подрібнена сировина. Чим краще подрібнен матеріал — тим коротше буде процес бродіння.
Якщо період бродіння буде тривати довгий період, то кість газу, який утворився, буде збільшуватися.
Рівномірна подача субстрату’. Субстрат треба рівномірно подавати в ферментатор. Це потрібно робити через короткі інтервали часу для того, щоб уникнути перегодування бактерій. Якщо матеріал легко розкладається — потрібно частіше подавати субстрат. Різкої зміни температури через це не станеться. Сьогодні найчастіше встановлюють ферментатор з великим завантаженням. Подача інтервалом в годину — с дуже важливою для досягнення великої потужності. Існують автоматизовані системи, які розраховані на такі інтервали і їх можна прибрести на ринку.
Подача субстрату. Якщо біогаз, який утворився одразу ж виводиться з су бстрату, то можливе швидке розкладання метановими бактеріями. Якщо не виводити газ з ферментатора, то може утворитися високий тиск, а це в свою чергу може зашкодити та привести до виходу обладнання з робочого режиму.
Маленькі бульбашки повітря у субстратах з високою плинністю піднімаються до верху самостійно. На сьогоднішній день більшість установок працюють на сухій речовині, масова доля якої складає 18 %. тому що вона загримує виведення газу, завдяки чому субстрат починає роздуватися як дріжджове тісто, навіть може підняти кришку’ ферментатора Необхідно ретельно все перемішувати, щоб занобіпи утворенню кірки і осаду, і для виведення виробленого газу. Чим густіше субстрат, тим частіше треба його перемішувати.
Уповільнюючи речовини. Ряд субстанцій здатних уповільнити або призупинити обмін речовин і зростання мікроорганізмів:
* Деякі речовини пошкоджують оболонку клітин або структуру бактерій (пральні порошки і г. д.).
* Інші речовини руйнують ензими обміну речовин клітини. Стимулюючим фактором є не повна відсутність певної речовини, а його концентрація в співвідношенні з іншими групами речовин.
* Кисень може проникнути з недостатньо збагаченим подрібненим субстратом і шкодити метановим бактеріям.
* Антибіотики, хіміотерапевтичні та дезинфікуючі засоби. При високій концентрації антибіотиків, хіміотерапевтичних та дез- інфікуючих засобів можливо стримати процес бродіння і взагалі зупинити його. А статися це може, якщо почали дезинфікувати хліва з усім поголів’ям. У даному випадку використовують байпасну лінію, яка проводиться з хліва прямо в ємність для зберігання. Препарати, застосовувані до окремих тварин, як правило, не мають настільки негативних наслідків. Між дезінфікуючими засобами існує певна різниця. Речовини, що не шкодять навіть у великій концентрації наведені у таблиці 2.1, тоді як інші можуть привести до поганих наслідків навіть при не значній кількості і малій концентрації.
* Органічні, карбонові та жирні кислоти. Накопичення органічних кислот, які утворюються при анаеробному розкладанні органіки робить стимулюючий вплив. Співвідношення органічних кислот (летючі жирні кислоти) дає нам інформацію про стан процесу. Якщо процес стабільний, то утворення біогазу з суми органічних кислот (їх також називають еквівалентами оцтової кислота) нижче 2000 мг/л. Швидке окислення та накопичення кислот до рівня 16000 мг/л може відбутись внаслідок швидкої подачі свіжих субстратів, які легко розкладаються — Також відбувається негативна зміна співвідношення оцтової кислоти до пропанової. Низка реакцій проходить через зниження накопичення кислот, внаслідок нього знижується рівень pH, що і викликає затримку розвитку метанових бактерій до повної зупинки процесу розкладання. Скоротивши подачу субстрату, можна уникнути таких наслідків. Раніше була прийнята одноразова подача — один раз на день, що призводило до сильного накопичення органічних кислот, що розкладалися протягом
дня.
Так як бактерії мають високу здатність до пристосування, тому вони пристосовуються і до концентрацій кислот. Як показала практика — є багато установок, що стабільно працюють з великими концентраціями і при цьому виробляють достатню кількість газу. Важливим фактором вважається пристосування до нового середовища.
• Сірководень. Сірководень (ITS) — високотоксичне з’єднання, яке шкодить всім живим істотам і утворюється при розкладанні сірковмісних субстратів (переважно білки).
У листопаді 2009 року отруйна хмара сірководню проникла в приймальне приміщення біогазової установки і забрала життя не малої кількості людей. Газ походить не з установки, а з машини, що привозить гній.
Чим нижче рівень pH, тим вище відсоток H2S в су бет раті і біо — газі, і тим вище токсичний потенціал. Затримку розвитку бактерій варто чекати якщо вміст H2S в газі перевищує 2.000 ppm. Чим вище вміст розщеплюваних вуглецевих з’єднань в субстраті тим менше ризик (ефект розбав ієння).
Штампи бактерій, які використовують водень для утворення сірководню, можуть з’являтися у сірковмісних субстратах. За водень вони будуть конкурувати з метановими бактеріями. Сірководень стримує розвиток метанових бактерій, чим зменшує метаноут — ворення (таблиця 2.5).
|
Таблиця 2.5: Вплив сірководню на процес метаноутворення [69].
|
■ Аміак. Утворення амонію (N11.,) відбувається наслідок анаеробного розкладення азотовмісних субстратів (конюшини» та пташиний послід є багатими на протеїн субстратами). Близько 50…60 % від загального вмісту азоту зберігається у перебродженому субстраті у вигляді амонію-азоту. Сильною отрутою для нервів і клітин є азот, який в свою чергу7 перебуває у співвідношенні розчин (дисоціація) з аміаком (NH,+H" =NH„). Його гострий запах неможливо силу гаги з будь-яким іншим. Від рівня pH і температури субстрату у цьому випадку залежать зміни на користь отруйного амонію. Якщо рН=7, то співвідношення амоніум-аміак 99:1. Співвідношення змінюється (70:30) при підвищенні рівня рН=9. Враховувати початкову затримку потрібно починаючи з концентрації NIL. (З г/л) — це у лабораторних умовах довів у 1986 р. Кройс. Цей ефект посилюється при підвищенні температу ри.
Повторне використання матеріалу, після проходження через фільтр, дозволяє перебування амонію увесь час у розчиненому рідкому вигляді. При плануванні і закладанні розмірів ферментатора варто враховувати усі вищевикладені факти.
Кількість корму повинна бути достатньою для біогазових бактерій, тому що при неякісному субстратові життєдіяльність бактерій припиняється. Але неякісний субстрат не єдина речовина, що уповільнює діяльність бактерій, ще цвілеві гриби виділяють токсини. що уповільнюють розвиток бактерій.
Стримуючий ефект вторинних компонентів. На біоценоз також можуть впливат и і вторинні компоненги, такі як:
• Сірчані сполуки (в теплицях для вирощування капусти, цибулі — порею і ріпчастої цибулі)
• Ефірні масла (кірки цитрусових, часник)
• Щавлева кислота (в різних видах конюшини)
• Ціаніди, таніни та багато інших.
Стримуючий вплив важких металів. Токсичність важких металів головним чином залежить віл їх розчинності у во ті. Важкі металі негативно впливають на життєдіяльність бактерій, так як діють на ензими клітинного обміну речовин. При цьому немає чіткої межі між стримуючим і токсичним виливом. Це прямо пов’язано з пристосованістю бактерій.
бі