Характеризующие процессы при получении биогаза

Под загрузкой бродильной камеры имеется ввиду то количество органической сухой субстанции, которая ежедневно будет подаваться в ферментатор. Обычно она указывается в килограмах органического сухого вещества на м³ обьема ферментатора в день. Размер возможной загрузки бродильной камеры зависит в первую очередь от выбраной температуры ферментирования и времени брожения. Чем ниже температура и чем дальше время брожения, тем больше может быть степень загрузки ферментатора, тем більше органики может быть внесено.

Загрузка бродильной камеры в зависимости от вида установки можно повысить до максимального уровня. Чем выше загрузка бродильной камеры, тем больше риск достичь граничних показателей разлагающих бактерий и тем самым перегрузить процесс. Поэтому надо особенно внимательно относиться к работающим установкам, которые полностьюб загружены рабочим материалом.

На практике часто встречается загрузка ферментатора в 2-3 кг органического сухого вещества/мз в день. Необходимо наблюдать не началось ли уменьшение выхода газа вследствие задержки развития бактерий. Если загрузка камеры для брожения составляет 4-5 кг органического сухого вещества, то производительность бактерий падает, что приводит к падению производства газа. Система считается перегруженной. В то время как нагрузка 1 кг органического сухого вещества/м3 проблем никаких не составляет.

Загрузка ферментатора выступает контрольным параметром загруженности установки. Ее уже надо учитывать при планировании и разработке параметров установки!

Проточным ферментаторам, выполненным в лежащей, горизонтальной форме из-за их вида приписывают намного большую нагрузку; в литературе можно найти данные до 10 кг органического сухого вещества/ м³ в день и более. Но при таком количестве надо быть осторожным! Если внимательно посмотреть на такую конструкцию, то мы увидим, что за ферментатором устанавливается еще дображиватель, собственно для увеличения бродильной камеры, тем самым уменьшая загрузку ферментатора. Для горизонтальных установок также, в котрых часть переброженого материала перемешивается со свежей порцией субстрата, следует учитывать разбавление субстрата. Из-за смешивания свежего и переброженого материала, он разбавляется и уменьшается содержание органического сухого вещества в общей массе. Часто однако указывают лишь содержание внесенного материала как загрузку бродильной камеры.

Независимо от формы ферментатора, рекомендуется загружать Ферментатор меньше чем на 4 кг органического сухого вещества на мз в день. Загрузка бродильной камеры Вг вычисляется из ежедневно подаваемого количества субстрата, умноженного на процент органического вещества субстрата, разделенное на общий объем ферментатора:

Вг = кг орган. СВ, подаваемого в день на м³ объема ферментатора

При данном объеме ферментатора падает время брожения, если увеличивается количество ежедневно подаваемого субстрата. Вследствие этого бактериям остается меньше времени на разложение материала и в худшем случае из установки будет выходить неперевареный материал. Нагрузка бродильной камеры и время брожения должны быть поэтому согласованы между собой.

Время брожения

Гидравлическое время брожения - это время, которое субстрат теоретически пребывает в ферментаторе. Для ферментаторов с полным смешиванием оно является рассчитываемой средней величиной. Для ферментатора, в котором продвижение субстрата происходит как движение единой пробки (тромба), теоретическое время более точно соответствует фактическому времени брожения, поскольку исходят из того, что большая часть внесенного субстрата проталкивается через весь ферментатор как одна пробка. Поэтому одни и те же субстраты требуют в системе полного смешивания более длительного времени брожения чем в системах горизонтального протекания.

Время брожения субстрата в ферментаторе рассчитывется исходя из разлагаемости субстрата. Легко разлагаемые требуют более короткого времени нежели тяжело поддающиеся разложению субстраты.

В качестве единицы измерения для минимального времени разложения в ферментаторе служит время генерации соответствующего вида бактерий. Потому что если время для брожения будет выбрано настолько коротким, что они не успеют удвоить своей бактериальной массы, то соответственно теряется и нетто масса бактерий в ферментаторе и падает газообразование. Вот некоторые группы бактерий для удвоения своей бактериальной массы требуют до 10 дней, тоесть этот промежуток времени и является нижней границой необходимого времени для брожения.

Пример расчета загрузки ферментатора

Установка получает ежедневно 6 мз силосной кукурузы, 8 мз твердого гноя быков, 6 мз травяного силоса и 0,5 т зернового шрота.

Ферментатор и дображиватель имеют объем 800 мз каждый, это значит, что можно эффективно использовать 1600 мз ферментатора.

Вначале необходимо субстрат с единиц объема перевести в единицы веса, потом сделать пересчет из сежей массы в сухую, после чего следует пересчитать в органическую сухую массу:

• В тонне гноя около 25% сухого вещества, все остальное вода
• 25% от 4,8 т гноя быков - это 1,2 т сухой массы, 80% из которой является органической сухой массой, все остальное - зола, минералы, осколки камней и т.д.
• 80% из 1,2 т - это 960 кг.

Из фактически поступивших 4800 кг гноя лишь из 960 кг можно получить газ, поскольку только они содержат органические вещества. Все остальное, это вода и неорганические, минеральные компоненты гноя.

Аналогично можно производить расчеты для других субстратов.

Верхняя граница времени для брожения определяется техническим и экономическим видением. Настает такой момент, когда количества вырабатывемого газа так мало, что увеличение объма ферментатора будет дороже чем добытый газ. Время брожения субстрата в ферментаторе вместе с температурой брожения имеет большое влияние на степень разложения, выход газа и добычу газа. Краткое время брожения приводит к сильному фугасному действию (в соотношении на м³ бродильной камеры), поскольку в первую очередь разлагаются легко поддающиеся субстраты. Но если посмотреть на все количество подаваемого органического субстрата, то короткое время брожения связано с плохим выходом газа (в отношении к кг орган.СВ) и с незначительной степенью разложения. При длительном времени разложения, наоборот увеличиваются добыча газа и степень разложения, а фугасное действие на м³ ферментатора уменьшается. Влияние времени брожения на добычу газа, в отношении на количество органической сухой субстанции, показано на Изобр. 2.19.

Из него четко видно, что существует большая разница между субстратами, происходящими от разных животных. Птичий помет в термофильном режиме уже при 30 днях брожения считается значительно „потерявшим свои газообразующие свойства", в то время, как жидкий навоз скота и свиней для этого требуют около 40 дней, а твердый навоз - 50 дней. Далее по изменению кривой видно, что больше всего газа образуется на начальном этапе брожения, в то время, как на конечном этапе лишь небольшое количество. На практике отказываются от самых последних стадий с незначительным процентом добычи газа.

Похожая зависимость при брожении энергетических растений и других органических остатков.

Время брожения рассчитывается путем деления объема бродильной камеры на ежедневно подаваемое количество субстрата.

Среднее время брожения с 1985 г. возросло с 35 до 51 дня. Эти данные получены после внедрения федеративной программы по измерению длительности брожения на биогазовых установках, хотя в 2004 г. показатели были еще выше. Согласно этим исследованиям 55% установок работают в среднем с периодом брожения от 60 до 120 дней.

Конечно-же с экономической точки зрения целесообразно, рассчитывать время брожения и свазаный с этим размер ферментатора как можно точнее, поскольку это напрямую связано с затратами на строительство.

И все-таки время брожения надо выбирать так, чтобы:

• загрузка ферментатора не превышала 4 кг орган.СВ/м³-день,
• изменения в составе и количестве субстрата оставались в определенных пределах и
• чтобы для установки оставался потенциал для расширения.

Поэтому при расчете размеров ферментатора надо учитывать дополнительных 20% размера резервуара.

Для субстратов, которые быстро разлагаются и склонны к переокислению, а также для субстратов с высоким содержанием азота и способных вызвать аммиачную задержку в развитии бактерий, необходимо учитывать более длительное время брожения.

Для субстрата в виде жидкого навоза предварительно действуют такие сроки брожения:

• 20 - 25°С процессуальная температура, 60 - 80 дней брожения
• 30 - 35°С процессуальная температура, 30 - 50 дней брожения
• 45 - 55°С процессуальная температура, 15 - 25 дней брожения.

Для энергетических растений время брожения в ферментаторе должно составлять как минимум 42 дня. Субстраты, происходящие из отходов переработки агропромышленности, как правило имеют более короткий период брожения от 20 до 35 дней.

В лабораториях газоанализа в основном через 4 - 6 недель, в зависимости от вида субстрата, заканчивают исследование по скорости газообразования, поскольку количество образованного газа после этого минимально. Если к этому периоду добавить еще запасных 2 недели, так как в лаборатории всегда удается создать лучшие рамочные условия чем на практике, то минимальный срок 50 дней для сельскохозяйственной практики вполне реалистичен.

Степень разложения

Степень разложения указывает, какой процент органического сухого вещества разложился в пределах заданного времени брожения. Полное разложение до состояния минерализации теоретически возможен только тогда, когда субстрат не содержит лигнина. На практике полное разложение требовало бы очень длинного периода брожения, поскольку скорость разложения не всегда остается одинаковой, наоборот, после прохождения начального этапа, она начинает заметно снижаться, соответственно и газообразование.

Это значит, что последние проценты от общего количества добытого газа будут стоить высоких затрат (объем резервуара). Высокая степень разложения зависит от состава субстрата, отображает производство газа и к ней стоит стремиться. На практике наблюдается разложение на уровне от 30 до 70%. В среднем для среднего периода брожения разложение органичеких веществ будет составлять до 60%. Установки, работающие исключительно на возобновляемом сыръе достигают степени разложения от 80% органической сухой массы.

Если субстрат поддается небольшому разложению, то позитивного влияния на окружающую среду от установки, а особенно уменьшения неприятных запахов и разьедающего эффекта наблюдаться почти не будет.