диплом (1234087), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Рисунок 4.5 Схема сбраживания органических веществ

Метановое брожение протекает при средних (мезофильное) и высоких (термофильное) температурах. Наибольшая производительность достигается при термофильном метановом брожении. Особенность метанового консорциума позволяет сделать процесс брожения непрерывным. Для нормального протекания процесса анаэробного сбраживания необходимы оптимальные условия в реакторе: температура, анаэробные условия, достаточная концентрация питательных веществ, отсутствие или низкая концентрация токсичных веществ.

Температура в значительной степени влияет на анаэробное сбраживание органических материалов. Наилучшим образом сбраживание происходит при температуре 30 – 40 °С (развитие мезофильной бактериальной флоры), а также при температуре 50 - 60 °С (развитие термофильной бактериальной флоры). Выбор мезофильного или термофильного режима работы основывается на анализе климатических условий. Если для обеспечения термофильных температур необходимы значительные затраты энергии, то более эффективной будет эксплуатация реакторов при мезофильных температурах [9].

Биогаз не имеет неприятного запаха. Теплота сгорания 1 м³ газа достигает 25 МДж, что эквивалентно сгоранию 0,6 л бензина, 0,85 л спирта, 1,7 кг дров или использованию 1,4 кВт/ электроэнергии.

Отходы, используемые для получения биогаза могут быть разнообразными, и описаны ниже (таблица 4.1).

Таблица 4.1

Виды отходов, используемые при получении биогаза

Продолжение таблица 4.1

Биомасса – термин, объединяющий все органические вещества растительного и животного происхождения. Биомасса делится на первичную (растения, животные, микроорганизмы и т.д.) и вторичную - отходы при переработке первичной биомассы и продукты жизнедеятельности человека и животных. В нашем случае биомассу мы будем получать из отходов и продуктов жизнедеятельности [9].

Поскольку разложение органических отходов происходит за счет деятельности определенных типов бактерий, существенное влияние на него оказывает окружающая среда. Так, количество вырабатываемого газа в значительной степени зависит от температуры: чем теплее, тем выше скорость и степень ферментации органического сырья. Именно поэтому, вероятно, первые установки для получения биогаза появились в странах с теплым климатом. Однако применение надежной теплоизоляции, а иногда и подогретой воды, позволяет освоить строительство генераторов биогаза в районах, где температура зимой опускается до – 20 ^оС.

Существуют определенные требования и к сырью: оно должно быть подходящим для развития бактерий, содержать биологически разлагающееся органическое вещество и в большом количестве воду (90-94 %). Желательно, чтобы среда была нейтральной и без веществ, мешающих действию бактерий: например, мыла, стиральных порошков, антибиотиков.

Для получения биогаза можно использовать растительные и хозяйственные отходы, навоз, сточные воды и т. п. В процессе ферментации жидкость в резервуаре имеет тенденцию к разделению на 3 фракции. Верхняя – корка, образованная из крупных частиц, увлекаемых поднимающимися пузырьками газа, через некоторое время может стать достаточно твердой и будет мешать выделению биогаза. В средней части ферментатора скапливается жидкость, а нижняя, грязеобразная фракция выпадает в осадок.

Бактерии наиболее активны в средней зоне. Поэтому содержимое резервуара необходимо периодически перемешивать хотя бы один раз в сутки, а желательно до шести раз. Перемешивание может осуществляться с помощью механических приспособлений, гидравлическими средствами (рециркуляция под действием насоса), под напором пневматической системы (частичная рециркуляция биогаза) или с помощью различных методов самоперемешивания [9].

Для эффективной работы установки, производящей биогаз, кроме строго анаэробной среды, придется соблюдать ряд требований. Во-первых, поддерживать в реакторе оптимальные температурный и кислотный режимы. Во-вторых, постоянно следить за наличием питательных веществ в сбраживаемой среде, обеспечивая низкое содержание в данной среде веществ-ингибиторов, то есть веществ, препятствующих жизнедеятельности микроорганизмов.

Образование метана идет в достаточно широком интервале температур (8 - 60 °С), при этом при опре­деленных температурах в процессе сбраживания участвуют определенные виды бактерий [10].

Обычно различают три характерных уровня температур, предпочтительных для отдельных видов бактерий. Психрофильный режим идет при температуре 8 - 20 °С, мезофильный - при 30- 40 °С, термофильный - при 45 - 60 °С. Более производительны термофильный и мезофильный режимы сбраживания, однако все три режима имеют как свои преимущества, так и недостатки. Режимы с более высокими температурами требуют больших затрат энергии на поддержание оптимальной температуры, зато благодаря сокращению продолжительности сбраживания удается значительно сократить объем биореактора и таким образом увеличить производительность биогазовой установки. Однако часто поддержание в биомассе высоких температур на практике связано с большими затратами энергии на обогрев и терморегуляцию биореакторов, что в свою очередь значительно удорожает процесс получения биогаза. Так, стоимость энер­гии, необходимой для подогрева содержимого бродильной камеры при термофильном сбраживании, настолько велика, что превышает всякие выгоды, связанные с более быстрым, чем в других случаях, сбраживанием. Отсюда следует, что в условиях домашнего хозяйства практическое значение имеет только мезофильное (30 - 40 °С) или психрофильное (8 - 20 °С) метановое сбраживание. (О способах обеспечения соответствующих температурных режимов этих способов сбраживания будет рассказано ниже) [9].

Для нормального протекания брожения необходима слабощелочная реакция среды (рН=6,7 – 7,6). При оптимальной (ровной) активности кислотообразующих и метановых бактерий (то есть при установившемся процессе брожения) значение рН поддерживается в желательных пределах «автоматически». Однако иногда кислотообразующие бактерии начинают размножаться быстрее, чем метановые, из–за чего концентрация летучих жирных кислот в бродильной камере возрастает и происходит так называемое «закисление», в результате чего выход биогаза снижается, а кислотность био­массы увеличивается. В этом случае в содержимое биореактора следует добавить горячую воду, известковое молоко, соду. При нарушении баланса между азотом и углеродом его восстанавливают добавлением в биомассу коровьей мочи.

Основой беспрепятственного размножения анаэробных бактерий служит, естественно, наличие питательных веществ в сбраживаемой среде. И почти все питательные вещества, необходимые для роста метановых бактерий, содержат экскременты животных, являющиеся основным сырьем для производства биогаза. Разнообразие видового состава метанообразующих бактерий позволяет использовать практически все виды жидких и твердых органических отходов. Но лучшая органическая масса для получения биогаза - навоз крупного рогатого скота в смеси с растительными остатками (влажность биомассы не менее 85 - %).

Сбраживаемая органическая масса не должна содержать веществ (антибиотики, растворители и т. п.), отрицательно влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов. Не способствуют «работе» микроорганизмов и некоторые не органические вещества, поэтому нельзя, например, использовать для разбавления навоза воду, оставшуюся после стирки синтетическими моющими средствами [9].

Выработка биогаза зависит и от многих других причин. Например, на поверхности органической массы периодически образуются плавающая корка, мешающая выходу биогаза. Поэтому ее необходимо устранить, перемешивая содержимое биореактора 1 - 2 раза в сутки. Перемешивание способствует также равномерному распределению температуры и кислотности в биомассе, находящейся в камере сбраживания.

Для полного разложения органического вещества, как правило, необходимо длительное время. А при этом продолжительность сбраживания, учитывая присущую данному виду отходов скорость разложения, зависит от требуемой степени разложения органического вещества. Обычно максимальный выход биогаза и лучшие по качеству удобрения наблюдаются при разложении органического вещества (навоза) до 30 - 33 %. Заметим, что при пребывании биомассы в биореакторе в течении 14 - 15 дней полнота ее разложения составляет 25%.

При непрерывном способе сбраживания, когда выгрузка определенного объема «отработавшего» в реакторе органического вещества происходит одновременно с загрузкой такого же объема свежего материала, выделяется наибольшее количество биогаза, и при такой организации процесса для малогабаритных биогазовых установок в приусадебных хозяйствах доза ежесуточной загрузки обычно не превышает 4% полезного объема камеры сбраживания [10].

4.3.1 Разновидность биогазовых установок

Установок для получения биогаза довольно много, каждая из которых обладает своей уникальностью, но в основном это установки, работающие на навозе, траве, отходах, получаемых на фермах или в сельском хозяйстве, по типу это больше похоже на компост.

Установки для производства биогаза из органических отходов обычно подразделяют на четыре основных типа:

• без подвода тепла и без перемешивания сбраживаемой биомассы:

• без подвода тепла, но с перемешиванием сбраживаемой массы;

• с подводом тепла и с перемешиванием биомассы;

• с подводом тепла, с перемешиванием биомассы и со средствами контроля и управления процессом сбраживания.

Понятно, что обязательные компоненты биогазовой установки – сам биореактор и газгольдер для сбора биогаза, ну а устройства для подогрева биомассы, ее перемешивания, а также средства контроля – вещи весьма полезные, но можно обойтись и без них.

Установка, предложенная мной, сделана путем сбора и отвода биогаза на полигоне твердых бытовых отходов с многослойным противофильтрационным экраном. За основу взят Патент RU №2242299, МКИ В09В 1/00, 3/00; опубликован 20.12.2004 (приложение В).

4.3.2 Биогазовая установка

Патент RU №2242299, МКИ В09В 1/00, 3/00; опубликован 20.12.2004[12].

Изобретение относится к обезвреживанию твердых бытовых отходов (ТБО) допускаемых к размещению с ними промышленных отходов, а именно к способу сбора и отвода биогаза, образующегося в процессе разложения отходов на полигоне ТБО.

Известен способ сбора и отвода биогаза с помощью системы вертикального газового дренажа в виде скважин, оборудованных с поверхности сформированного полигона и дополняемой системой горизонтального газового дренажа в виде развитой сети горизонтальных дрен, прокладываемых под изолирующим покрытием в верхнем слое отходов.

Недостаток данного способа заключается в том, что организованный отвод биогаза осуществляется только после достижения толщей отходов проектной высоты, результатом чего является низкая эффективность отбора газа из глубоко залегающих слоев отходов и отсутствие средств дегазации массива отходов по мере его формирования.

Известен способ сбора и отвода биогаза и фильтрата на полигоне ТБО, который включает подготовку основания, монтаж вертикального газового дренажа, послойную укладку отходов с пересыпкой изолирующими слоями, монтаж системы горизонтального газового дренажа, устройство изолирующего покрытия поверхности сформированного полигона, при этом отвод биогаза и фильтрата производят из колодца, верхний конец которого оборудован заглушкой с отверстиями для трубопроводов, при помощи газосборника и эрлифта, установленных внутри колодца (Патент RU №2242299, МКИ В09В 1/00, 3/00; опубликован 20.12.2004).

Недостатками данного способа являются ограниченные технологические возможности, вероятность нарушения стыков на примыканиях горизонтальных дренажей к вертикальному вследствие неравномерных осадок отходов, непригодность для строительства полигонов большой площади.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ сбора и отвода биогаза и фильтрата на полигоне ТБО, который включает подготовку основания, монтаж системы вертикального газового дренажа из скважин с перфорированными стенками. Распределенных по площади полигона, формирование горизонтального газового дренажа в виде дрен, расположенных на поверхности каждого завершенного слоя отходов и примыкающих к внешней дренирующей обсыпке скважин, наращивание скважин до отметки, превышающей высоту следующего слоя отходов, и далее повторение цикла до достижения полной высоты полигона, установленной проектом, причем в последнем цикле скважины наращивают выше поверхности сформированного полигона и оборудуют их съемным дефлектором (Патент RU №2198745, МКИ В09В 1/00, Бюл. №5, 2003 г.).

Характеристики

Список файлов ВКР