Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

6.1 Схеми та устаткування

Встановлено, що деградація органічних речовин при метано — генезе здійснюється як багатосіупінчатий процес, в якому вуглеце­ві зв’язки поступово руйнуються під дією різних груп мікрооргані­змів. Згідно сучасним переконанням, анаеробне перетворення прак­тично будь-якої складної органічної речовини на біогаз проходить через чотири послідовні стадії:

— стадія гідролізу складних біополімерних молекул (білків, ліпідів, по­лісахаридів і ін.) на простіші мономери: амінокислоти, вуглеводи, жирні кис­лоти і др.;

— стадія ферментації (бродіння) мономерів, що утворилися, до ще прос­тіших речовин — нижчих кислот і спиртів, при цьому утворюються також вуг­лекислота і водень;

— ацетогенна стадія, на якій утворюються безпосередні попередники метану: ацетет, водень, вуглекислота;

— метаногенна стадія, яка веде до кінцевого продукту розщеплювання складних органічних речовин — метану.

На першому етапі анаеробного зброджування відбувається ферментативне гідролітичне розщеплювання органічних речовин широким спектром гідроліз-ферментів, що виділяються в середу анаеробними бактеріями і отримали назву бактерій — гідролітаків. Під дією гідролітаків високомолекулярні з’єднання (полісахариди, жири, білкові речовини) трансформуються в низькомолекулярні. Останні під дією кислотогенних бактерій (другий етап) перетво­рюються на летючі жирні кислоти, органічні кислоти, спирти, аль­дегіди, аміак, сірководень, двооксид вуглецю, водень і воду. Орга­нічні кислоти, що утворилися, за винятком оцтової і мурашкової, під дією особливої групи бактерій — ацетогенів — перетворюються на оцтову і мурашину кислоти, водень і ін. В результаті перших трьох етапів — гідролітичного, кислотного і ацетогенного — в середовищі накопичується оцтова і мурашина кислоти, метиловий спирт, ме­тиламін, водень, оксид і двооксид вуглецю, аміак, сірководень, ок­сид фосфору. Вказані з’єднання є основними субстратами для енер­гетичного обміну речовин особливої групи анаеробних бактерій,

Слід зазначити, що між стадіями гідролізу і бродіння немає чі­ткої межі, оскільки зазвичай мікроорганізми, що володіють гідролі­тичною активністю, використовують продукти гідролізу розщепле­них ними з’єднань для свого зростання. На рис. 6.2 представлена схема метаногенезу, яка відображає потоки вуглецю при деградації складних органічних речовин. Ключовою реакцією, що визначає швидкість всього процесу, є реакція перетворення ацетату в метан при зброджуванні відходів, що містять полімери, лімітуючою є і стадія гідролізу.

Весь цей складний комплекс перетворень здійснює велика кі­лькість мікроорганізмів, по деяких оцінках — до декількох сотень видів [212-221], серед яких переважають бактерії. Кількісний і які­сний склад мікрофлори сильно залежить від складу зброджуваних органічних речовин і умов, які створюються в навколишньому се­редовищі. Проте, переважаючими групами мікроорганізмів є гідро­літичні, бродильні, синтрофні і метанові, послідовно здійснюючі перераховані вище стадії анаеробного бродіння, при використанні різних субстратів деякі з них показані на рис. 6.3.

Метаноутворюючи бактерії пред’являють до умов свого існу­вання значно вищі вимоги, ніж кислотоутворюючі — вони потребу­ють абсолютно анаеробного середовища і вимагають тривалішого часу для відтворення.

а) б) 1 — рідкий гній від свиней; 2 — рідкий гній від крупної рогатої худоби; З — барда; 4 — органічні відходи; 5 — кукурудзяний силос; 6 — відходи бойні худоби Рисунок 6.3 — Загальний вигляд відходів (а) та вихід біогазу з різних субстратів (б)

Необхідні умови для активного утворення метану приводяться в таблиці 6.1.

Показники	Оптимальні значення	Граничні значення
Загальна лужність (по СаСОз)	1300…5000	1000… 3000
Кислотність	6,9… 7,2	6,4… 7,8
Температура, °С	31…35	ЗО…37
Виробництво метану, м3/кг	1,0…1,1	1,0…1,5

У метаногенном співтоваристві між групами мікроорганізмів існують тісні і складні взаємозв’язки, у тому числі і зворотні. Зва­жаючи на субстратну специфічність метаногенів, їх розвиток не­можливий без трофічного зв’язку з бактеріями попередніх стадій. У свою чергу, метанові бактерії, використовуючи речовини, що про­дукуються первинними анаеробами, визначають швидкість реакцій, здійснюваних цими бактеріями. Діяльність співтовариства можна розглядати як єдине ціле, регуляція в якому має аналогії в багато­клітинних організмах.

На рис. 6.4 представлена запропонована Г. А. Заварзіним схе­ма, що детально описує трофічні зв’язки між різними групами мік­роорганізмів і їх взаємні регуляції при анаеробній деградації орга­нічних речовин метановим біоценозом [220]. Первинні анаероби здійснюють розкладання органічних речовин до попередників ме­тану: водню і вуглекислоти, ацетату, метанолу, метиламидів, фор­міату. Зважаючи на субстратну специфічність метаногенів, їх роз­виток без трофічного зв’язку з бактеріями попередніх стадій немо­жливий. У свою чергу, метанові бактерії, використовуючи речови­ни, що продукуються первинними анаеробами, визначають можли­вість і швидкість реакцій, здійснюваних цими бактеріями. Центра­льним метаболитом, що здійснює регуляторну функцію в метаноу — творюючому співтоваристві, є водень. За рахунок підтримки низь­кого парціального тиску водню в системі стає можливим його між­видове перенесення, що міняє метаболізм первинних анаеробів у бік утворення безпосередніх попередників метану. Якщо водень з системи не видаляється, то утворюються більш відновлені продук­ти — летючі жирні кислоти і спирти. Метаболізм цих з’єднань здійс­нюється синтрофними бактеріями, для життєдіяльності яких скріп­лення водню, що утворюється метановими бактеріями, необхідне.

Рисунок 6.4 — Схема дії мікробного співтовариства (по Заварзіну).

Перша фаза процесу анаеробного розкладання органічних сполук здійснюється гідролітичною і бродильною мікрофлорою. Основними природними полімерами є полісахариди, в першу чергу целюлоза, ксилан, крохмаль, пектин, а також білки, пептиди, нукле­їнові кислоти, фосфоліпіди.

В цьому відношенні найбільш сприятливими є стоки, розчи­нені органічні речовини, що містять тільки. Якщо ж стоки містять зважені речовини, то їх гідроліз може стати лімітуючою стадією всього процесу анаеробної обробки [222].

Стосовно обробки гною і гнойових стоків, в яких завжди є зважені речовини, це означає, що у всіх випадках гідроліз є ліміту­ючою стадією.

Група ацетатвикристовуючих метаногенов є найбільш важли­вою для метаногенеза з органічних субстратів, оскільки при збро­джуванні гною з ацетату, як проміжного продукту, утворюється бі­льше 70 % метану. Розкладання ацетату з утворенням метану і вуг­лекислоти здатні здійснювати представники тільки двох пологів Метаносарцина і Метанотрікс. Метаносарцини схильні до вищих концентрацій ацетату і, як правило, виявляються в метантенках з

високою швидкістю процесу, але не з глибоким зброджуванням субстрату. Метанотрікси мають велику спорідненість до ацетату і здатні використовувати його в концентраціях в 5 разів нижче, ніж метаносарцина. Ацетат, також як і водень, грає важливу регулятор­ну роль в співтоваристві.

Метаногенноє співтовариство функціонує з найбільшою шви­дкістю при збалансованій чисельності бактерій в різних групах. Найбільша швидкість процесу досягається, коли чисельність мета­нових бактерій достатня для підтримки низької концентрації водню і ацетату. Швидкість росту метанових бактерій на порядки нижча, ніж первинних анаеробів. Особливо поволі ростуть ацетатвикорис — товуюючи метанотрікси. У мезофильного метанотрікса час подво­єння 200…З00 годин, у термофильного — приблизно в 5 разів мен­ше. Зате первинні анаероби мають високу швидкість росту: чисель­ність гідролітаків подвоюється за 10…20 годин, а зброджувальни — ків — за годину. Поволі ростуть синтрофні бактерії, їх час подвоєння оцінюється приблизно о 100 годині.

Мікрофлора бродіння або необлігатні протоновідновлювальні бактерії споживають продукти гідролізу і мономірні з’єднання, при­сутні в початковому субстраті. Ця мікрофлора не здібна до гідролі­зу і використовує тільки низькомолекулярні речовини, часто прису­тні в малій концентрації. Продукти обміну у бактерій двох перших груп приблизно одні і ті ж: водень, вуглекислота, летючі жирні ки­слоти, спирти, ацетат. По утворюваних продуктах ця перша фаза бродіння, здійснювана первинними анаеробами, отримала назву ки­слотогенною або водневою.

Розкладання летючих жирних кислот і спиртів здійснюють синтрофні або протоновідновлювальні бактерії. Продуктами жит­тєдіяльності синтрофних асоціацій є ацетат і метан, що утворюєть­ся з водню і вуглекислоти метановими бактеріями.

При проходженні зброджуваної маси по технологічній лінії відбувається розвиток необхідної мікрофлори. У мікрофлорі гною міститься необхідний набір мікроорганізмів для розвитку метано — генеза.

Метаногенні співтовариства природних екосистем розвивали­ся і склалися в процесі еволюції, і пристосування до змінних умов відбувається за тривалі проміжки часу. У штучних спорудах для анаеробної обробки відходів також відбувається розвиток метано­генного співтовариства, яке врешті-решт стає спеціалізованим для даного субстрату і фізико-хімічних умов середовища.

Тому основною вимогою до технологічних схем і конструкти­вних вирішень біогазових установок повинна бути їх здатність за­безпечити збалансований розвиток метаногенного співтовариства.

Стосовно анаеробної обробки гною, що має широкі межі зміни фізико-механічних властивостей і складу, це може бути досягнуто при застосуванні наступних схем і конструктивних вирішень реак­торів.

При обробці підстилкового або напіврідкого гною з вологістю менше 90 %, проходження стадії гідролізу має першорядне значен­ня. Для її здійснення заздалегідь розбавляють гній водою або рід­кою фракцією збродженого гною.

Основною передумовою безперешкодного протікання процесу бродіння органічних відходів з високим вмістом сухої речовини є повне занурення твердих частинок в рідину. Як ця рідина може бу­ти використана гнойова рідота, рідка фракція збродженого гною або вода з добавкою закваски.

Найбільш ефективне зброджування підстилкового гною дося­гається при застосуванні схеми з рециркуляцією рідини, що отри­мується після розділення збродженого гною на фракції [2].

Технологічний процес здійснюється таким чином. Спочатку запуску біогазової установки твердий гній завантажують в мета — нтенк і розбавляють водою до вологості 90…91 %, при якій вихо­дить найбільше газовиділення. Надалі воду не додають.

Під час бродіння, сухе органічні речовина розпадаючись, пе­ретвориться в біогаз; при цьому відбувається поступове зниження кількості сухої речовини і, отже, підвищується вологість зброджу­ваного гною. У подальшому після додавання твердого гною у необ­хідній кількості і розподіли його рівномірно за всім обсягом мета- нтенка, вологість зброджуваного гною знижується до первинної.

Для зброджування рідкого гною з метою поліпшення умов проходження стадій гідролізу, доцільно застосовувати попередній нагрів гною, рис. 6.5. Згідно схеми, гній заздалегідь нагрівається в установці для контактного нагріву до температури вибраного ре­жиму зброджування витримується в проміжній ємкості і тільки тоді подається в метантенк. Цим методом здійснюється потрібна підго­товка гною до зброджування і виключається можливість негативної дії на життєдіяльність метаноутворюючих бактерій, оскільки тем­пература гною, що поступає, приймається рівній температурі гною в метантенке [3]. В цьому випадку застосування попереднього на­гріву дозволяє забезпечити ефективне проведення гідролізу почат­кового гною і підготувати його для використання синтрофними і метаногенними бактеріями. В результаті досягається значне підви­щення інтенсивності бродіння і, отже, виходу біогазу.

Рисунок 6.5 — Схема виробництва біогазу з попереднім нагрівом

При зброджуванні напіврідкого і рідкого гною останню обста­вину має першорядне значення, оскільки компенсувати втрати ак­тивної біомаси можна завжди шляхом збільшення тривалості обро­бки. У такому гної є достатня концентрація органічних речовин для розвитку нових синтрофних і ацетатвикористовуючих бактерій.

Проте для зброджування гнойових стоків і продуктів їх оброб­ки (фугаїу, мулу, опадів відстійників), у складі яких є незначна кі­лькість органічних речовин, необхідні реактори, що використову­ють принцип утримання активної біомаси (анаеробні біофільтри або контактні реактори з рециркуляцією осаду). У цих реакторах збалансований розвиток метаногенного співтовариства забезпечу­ється за рахунок різних насадок, що утримують біомасу або при­строїв для її рециклу, рис. 6.6. [223, 224].

Як такі матеріали можуть бути використані склотканина, флі — зелін, капронове волокно або різні наповнювачі, такі як пластмасові грати, сітки або керамзит. Проте питання застосування найбільш ефективного матеріалу до цих пір не досліджене.

А- початковий гнойовий стік; Б — біогаз; В — очищений стік; Г — заванта­жувальний матеріал Рисунок 6.6 — Схема анаеробного біофільтру

Анаеробний біофільтр представляє по суті справи анаероб­ний реактор послідовного витіснення з перегородками, в якому по­міщені пристрою для утримання біомаси. Освітлений стік, прохо­дячи послідовно через 4 секції, в яких розташовані носії, зброджу­ється, внаслідок чого виходить біогаз і очищений від органіки стік. Це також одне з перспективних рішень для отримання біогазу в те­хнологіях очищення гнойових стоків, яке до цих пір не досліджене. [223, 224].

Застосування розглянутих вище технологій для отримання бі­огазу з гною різного вигляду і складу дозволяє забезпечити опти­мальний зміст летючих жирних кислот (50…500 мг/л), необхідний для активної збалансованої життєдіяльності мікробного співтова­риства в реакторах при певних температурних режимах.

У практиці анаеробної обробки гною зазвичай застосовують два режими метаногенезу: мезофильний при 35…40 °С і термофи­льный при 50…55 °С. У цих межах знаходиться температурний оп­тимум розвитку більшості представників основних груп мезофиль — них і термофильних анаеробних бактерій, що беруть участь в роз­кладанні складних органічних речовин з утворенням метану в рубці жуйних, шлунково-кишковому тракті моногастричних тварин, ме — тантенках, мулах прісноводих водоймищ, ґрунті.

При зброджуванні свіжого гною КРС спонтанною мікрофло­рою виявляються два чіткі максимуми утворення метану при 37-40° і 50-52°. Активні термофильная і мезофильная мікробні асоціації з гною КРС можуть бути отримані достатньо легко при дотриманні строгого анаеробіозу, постійність температури в умовах періодич­ного процесу, коли порція свіжого субстрата подається після того, як спостерігається помітне зниження швидкості утворення метану.

Рисунок 6.7 — Технологічне устаткування

Для мезофильного співтовариства з гною КРС оптимальною є температура 39…40 °С, при цьому швидкість утворення метану на

20.. .ЗО % вища, ніж при 35 °С. Це підтверджується навіть при до­слідженні проб збродженої маси з метантенков, що постійно пра­цюють при температурі 35 °С. Тому вибір температурного режиму зброджування не слід пов’язувати з умовами активної метаногене — рації. Він може бути зроблений на основі порівняння технічних по­казників виробництва біогазу (продуктивності і витрат теплової енергії на забезпечення процесу). Як такий критерій може бути кі­лькість додаткової товарної енергії, отриманої при обробці гною рі­вного об’єму з однаковими властивостями при різних температур­них режимах, — термофильном, мезофильном або психрофильном.

Комментарии запрещены.