Процесс переработки органических отходов в биогаз и жидкие органические удобрения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аннотация

Аэробная переработка органических отходов, навоз, жидкие органические удобрения, влажная органическая биомасса, аэробный биореактор, метановое брожение, интенсификация процесса, сбраживание биомассы.

В данной курсовой работе представлен процесс переработки жидких органических отходов, например навоза, птичьего помета и т.п., в биогаз и жидкие органические удобрения. Полностью изучен процесс получения конечного продукта с минимальным образованием отходов данного производства. Представлена подробная схема установки.

Работа состоит из следующих разделов: аналитическая и технологическая части, а так же включен раздел, который посвящен безопасности жизнедеятельности.

В аналитическом разделе представлен анализ собранных данных с различных журнальных статей, а так же информации взятой с сети Интернет по теме: анаэробная переработка органических отходов для получения жидких удобрений и биогаза.

Во второй, технологической части, рассматривается подробный процесс производства продукта по стадиям, предоставляются все плюсы и минусы данной установки, так же доказательства эффективности и экономичности процесса.

В разделе безопасность жизнедеятельности описаны правила техники безопасности микробиологической лаборатории. Знание техники безопасности очень важно знать специалистам биотехнологам для правильного и безопасного проведения исследований.

Определения

органический отход биотопливо

Переработка -- повторное использование или возвращение в оборот отходов производства или мусора.

Биогаз -- газ, получаемый водородным или метановым брожением биомассы.

Навомз -- органическое удобрение, состоящее из экскрементов сельскохозяйственных животных.

Анаэробные условия -- это условия, при которых организмы, получают энергию при отсутствии доступа кислорода путем субстратного фосфорилирования, конечные продукты неполного окисления субстрата при этом могут быть окислены с получением большего количества энергии в виде АТФ в присутствии конечного акцептора протонов организмами, осуществляющими окислительное фосфорилирование.

Органические удобрения -- удобрения, содержащие элементы питания растений преимущественно в форме органических соединений. К ним относят навоз, компосты, торф, солому, зелёное удобрение, ил (сапропель), промышленные и хозяйственные отходы и др.

Биореактор -- прибор, осуществляющий перемешивание культуральной среды в процессе микробиологического синтеза.

Биомасса - общая масса особей одного вида, группы видов или сообществ организмов в расчёте на единицу площади или объёма (водная среда) местообитания. Определяется в единицах массы сухого или сырого вещества.

Штамм (от нем. Stammen, буквально -- происходить) -- чистая культура вирусов, бактерий, других микроорганизмов или культура клеток, изолированная в определённое время и в определённом месте.

Метанообразующие бактерии -- это особая группа анаэробных (строгие анаэробы) архебактерий, которые в результате обмена веществ образуют горючий газ метан.

Метановое брожение (анаэробным брожением) -- процесс биодеструкции органических веществ с выделением свободного метана.

Введение

Утилизация отходов - на сегодняшний день одна из наиболее актуальных проблем Казахстана. Ситуация, которая была в нашей Республике в начале 1990-х годов, практически осталась на том же уровне - мы не можем найти пути решения ликвидации десятков миллиардов тонн отходов, накопленных еще в советское время. Но правительство старается бороться этой экологической проблемой, создавая государственные системы управления отходами, включая мониторинг, хранение, переработку и утилизацию промышленных и бытовых отходов [1].

Для животноводов и птицеводов проблема утилизации отходов давно превратилась в хроническую: проблема переработки и утилизации жидкого навоза или помета является одной из самых острых во многих странах. Агрокомплексы за размещение на своих угодьях навоза или помета платят значительные суммы, не считая штрафов за загрязнение окружающей среды.

Как свидетельствует практика эксплуатации индустриальных животноводческих комплексов, птицефабрик, игнорирование экологического подхода к утилизации полужидкого, жидкого навоза, помета, навозных, пометных стоков обусловило резкое снижение качества продукции растениеводства, опасное загрязнение грунтовых, поверхностных вод, воздушного бассейна, рост заболеваемости животных и человека.

Развивающаяся наука помогла и в этой не простой ситуации. При этом, в производство не запускаются не возобновляемые источники энергии и, не выкачивая соки из Земли. Учёные нашли способ производства синтетического аналога нефти и назвали это экологическое топливо - биогаз. Получение биогаза делает возможным переработка органических отходов от птицефабрик, свиноферм, ферм, специализирующихся на крупнорогатом скоте и других предприятий, в ходе работы которых выбрасывается большое количество органических отходов.

При переработке животноводческих отходов в биогазовых установках возможно получение следующих продуктов: биогаза, минерализованных азотных удобрений, метана, углекислоты, электроэнергии, тепловой энергии. Это позволит предприятиям, хозяйствам сократить затраты на электроэнергию, получая альтернативную электроэнергию, тепловую энергию, качественные минерализованные азотные удобрения, тем самым не приобретая их, а также снизить затраты на налоги за экологические сборы. Тем самым снизить себестоимость выпускаемой продукции.

Целью данной работы было изучения производства с существенной экономией средств, независимостью от централизованного энергоснабжения, повышением экологичности производства и уровням его самообеспечения.

Основная часть

1. Аналитический обзор

1.1 Биогаз - новый источник получения энергии

Для обеспечения жизни современного общества необходимо все большее количество энергии. Но запасы нефти и газа имеют свойство заканчиваться, и поэтому ученые всего мира заинтересованы в создании альтернативных источников энергии. Таким источником успешно становится биогаз. Что включает в себя такое понятие? Это газ, который получают вследствие метанового или водородного брожения биологических масс. Метановое разложение происходит при участии трех видов бактерий: гидролизных, кислотообразующих и метанообразующих. Каждые последующие бактерии питаются предыдущими - это типичная цепочка питания [2].

Интересно знать, что биогаз люди использовали еще очень давно, в 1 веке до нашей эры. Это были народы, населявшие современную территорию Германии и называющиеся Алеманами. Их место жительства находилось на заболоченной местности, где в ямах болот скапливался газ. Люди создали кожаные тенты и накрывали ими эти места, а другой конец подводили к дому. Биогаз - это продукт обмена веществ метановых бактерий, который образуется в результате разложения органической массы.

Биогаз является высококачественным и полноценным носителем энергии и может многосторонне использоваться как топливо в домашнем хозяйстве и в предпринимательстве для приготовления пищи, производства электроэнергии, отопления помещений, кипячения, сушки и охлаждения [3]. Теплота сгорания в среднем равна 6,0 кВт/ч/куб.м.

В какой степени биогаз может заменить традиционное топливо, зависит от объёма и эффективности установки. Карагандинский опыт использования БГУ показывает, что установка объёмом 8 куб. м. и работающая на свином навозе может полностью заменить газ пропан, используемый для приготовления пищи в семье из пяти человек. БГУ объемом 60 куб.м может использоваться для отопления жилого помещения площадью 200 кв.м и производственного помещения размером 400 кв.м.

При эксплуатации биогазовой установки отработанное сырье является также полезным продуктом, способным улучшить экономические и экологические условия крестьянского или фермерского хозяйства. Биошлам - это высококачественное удобрение, сырьё для производства биогумуса, субстрата для выращивания грибов. А при соответствующих параметрах установки и контроле над соблюдением температурного режима работы БГУ - кормовая добавка животным, которым необходим для нормального развития животный белок (свиньи, куры и пр.) и прикорм для рыбы в рыбных хозяйствах.

1.2 Технология получения биогаза

Для получения этого ресурса необходим целый комплекс мер. Для получения биогаза требуются анаэробные условия, которые изначально предвидены в системе и стадиях производства. Важно соблюдать уровень PH, влажность и температуру для создания благоприятной среды жизни и размножения бактерий. Особое значение приобретает равномерная подача субстрата и регулярная подача питательных веществ. Нужно помнить про период брожения: его увеличение увеличивает количество произведенного газа. Перемешивание позволит предотвратить образование осадка и корочки, а также оно помогает выводить появившийся газ [4]. Другими словами: необходимо тщательно соблюдать стабильность всех стадий процесса получения биогаза.

Технология получения биогаза включает в себя 4 этапа:

1. Гидролиз. Здесь участвуют аэробные гидролизные бактерии, а конечным продуктом считается аминокислоты, моносахариды и жирные кислоты.

2. Повышение кислотности. Тут задействованы кислотообразующие бактерии. На выходе появляются двуокись углевода и органические кислоты.

3. Образование уксусной кислоты с помощью бактерий, образующих эту уксусную кислоту. Получаемые продукты: двуокись углерода, водород и уксусная кислота.

4. Образование метана при участии бактерий, которые его вырабатывают. На заключительном этапе мы получаем метан, воду и двуокись углерода.

Технология биогаза предполагает еще и другие процессы: одностадийный и двустадийный. В одностадийном процессе нет раздела по месту протекания разложения. А двустадийный процесс применяют для быстро разлагаемого сырья.

1.2.1 Сырье, используемое в ходе получения “экологического топлива”

В перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза можно включить: навоз, птичий помёт, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов, отходы производства биодизеля, отходы от производства соков, отходы производства крахмала и патоки, отходы переработки картофеля, при производстве чипсов [5].

Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфия, а также водорослей. Выход газа может достигать до 300 мі из 1 тонны.

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного рогатого скота получается 50--65 мі биогаза с содержанием метана 60 %, 150--500 мі биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70 %. Максимальное количество биогаза -- это 1300 мі с содержанием метана до 87 % -- можно получить из жира.

Различают теоретический (физически возможный) и технически-реализуемый выход газа. В 1950-70-х годах технически возможный выход газа составлял всего 20-30 % от теоретического. Сегодня применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (например, ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличивать выход биогаза на самой обычно установке с 60 % до 95 %.

В биогазовых расчётах используется понятие сухого вещества или сухого остатка (СО). Вода, содержащаяся в биомассе, не даёт газа. На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 литров биогаза.

Чтобы посчитать выход биогаза из конкретного сырья, необходимо провести лабораторные испытания или посмотреть справочные данные и определить содержание жиров, белков и углеводов [6]. При определении углеводов важно узнать процентное содержание быстро разлагаемых (фруктоза, сахар, сахароза, крахмал) и трудно разлагаемых веществ (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин). Определив содержание веществ, можно вычислить выход газа для каждого вещества по отдельности и затем сложить.

Раньше, когда не было науки о биогазе, и биогаз ассоциировался с навозом, применяли понятие «животной единицы». Сегодня, когда биогаз научились получать из произвольного органического сырья, это понятие отошло и перестало использоваться.

Свалочный газ -- одна из разновидностей биогаза. Получается на свалках из муниципальных бытовых отходов.

1.2.2 Оптимизация процесса получения биогаза

Кислотообразующие и метанобразующие бактерии встречаются в природе повсеместно, в частности в экскрементах животных. В пищеварительной системе крупного рогатого скота содержится полный набор микроорганизмов, необходимых для сбраживания навоза. Поэтому навоз КРС часто применяют в качестве сырья, загружаемого в новый реактор. Для начала процесса сбраживания достаточно обеспечить следующие условия:

1) Поддержка анаэробных условий в реакторе - жизнедеятельность метанообразующих бактерий возможна только при отсутствии кислорода в реакторе биогазовой установки, поэтому нужно следить за герметичностью реактора и отсутствием доступа в реактор кислорода;

2) Соблюдение температурного режима - поддержка оптимальной температуры является одним из важнейших факторов процесса сбраживания. В природных условиях образование биогаза происходит при температурах от 0°С до 97°С, но с учетом оптимизации процесса переработки органических отходов для получения биогаза и биоудобрений выделяют три температурных режима:

a) Психофильный температурный режим определяется температурами до 20 - 25°С;

b) мезофильный температурный режим определяется температурами от 25°С до 40°С;

c) термофильный температурный режим определяется температурами свыше 40°С.

Степень бактериологического производства метана увеличивается с увеличением температуры. Но, так как количество свободного аммиака тоже увеличивается с ростом температуры, процесс сбраживания может замедлиться. Биогазовые установки без подогрева реактора демонстрируют удовлетворительную производительность только при среднегодовой температуре около 20°С или выше или когда средняя дневная температура достигает по меньшей мере 18°С. При средних температурах в 20-28°С производство газа непропорционально увеличивается. Если же температура биомассы менее 15°С, выход газа будет так низок, что биогазовая установка без теплоизоляции и подогрева перестает быть экономически выгодной.

Сведения относительно оптимального температурного режима различны для разных видов сырья [5]. Для биогазовых установок работающих на смешанном навозе КРС, свиней и птиц, оптимальной температурой для мезофильного температурного режима является 34 - 37°С, а для термофильного 52 - 54°С. Психофильный температурный режим соблюдается в установках без подогрева, в которых отсутствует контроль за температурой. Наиболее интенсивное выделение биогаза в психофильном режиме происходит при 23°С.

Процесс биометанации очень чувствителен к изменениям температуры. Степень этой чувствительности в свою очередь зависит от температурных рамок, в которых происходит переработка сырья. При процессе ферментации могут быть допустимы изменения температуры в пределах:

1) психофильный температурный режим: ± 2°С в час;

2) мезофильный температурный режим: ± 1°С в час;

3) термофильный температурный режим: ± 0,5°С в час.

На практике более распространены два температурных режима, это термофильный и мезофильный. У каждого из них есть свои достоинства и недостатки. Преимущества термофильного процесса сбраживания это повышенная скорость разложения сырья, и следовательно более высокий выход биогаза, а также практически полное уничтожение болезнетворных бактерий, содержащихся в сырье. К недостаткам термофильного разложения можно отнести; большое количество энергии, требуемое на подогрев сырья в реакторе, чувствительность процесса сбраживания к минимальным изменениям температуры и несколько более низкое качество получаемых биоудобрений.

При мезофильном режиме сбраживания сохраняется высокий аминокислотный состав биоудобрений, но обеззараживание сырья не такое полное, как при термофильном режиме.

3) Доступность питательных веществ - для роста и жизнедеятельности метановых бактерий (с помощью которых производится биогаз) необходимо наличие в сырье органических и минеральных питательных веществ.

В дополнение к углероду и водороду создание биоудобрений требует достаточного количество азота, серы, фосфора, калия, кальция и магния и некоторого количества микроэлементов - железа, марганца, молибдена, цинка, кобальта, селена, вольфрама, никеля и других. Обычное органическое сырье - навоз животных - содержит достаточное количество вышеупомянутых элементов.

4) Время сбраживания - оптимальное время сбраживания зависит от дозы загрузки реактора и температуры процесса сбраживания. Если время сбраживания выбрано слишком коротким, то при выгрузке сброженной биомассы бактерии из реактора вымываются быстрее, чем могут размножаться, и процесс ферментации практически останавливается. Слишком продолжительное выдерживание сырья в реакторе не отвечает задачам получения наибольшего количества биогаза и биоудобрений за определенный промежуток времени.

При определении оптимальной продолжительности сбраживания пользуются термином "время оборота реактора". Время оборота реактора - это то время, в течение которого свежее сырье, загруженное в реактор, перерабатывается, и его выгружают из реактора. Для систем с непрерывной загрузкой среднее время сбраживания определяется отношением объема реактора к ежедневному объему загружаемого сырья. На практике время оборота реактора выбирают в зависимости от температуры сбраживания и состава сырья в следующих интервалах:

1) психофильный температурный режим: от 30 до 40 и более суток;

2) мезофильный температурный режим: от 10 до 20 суток;

3) термофильный температурный режим: от 5 до 10 суток.

Суточная доза загрузки сырья определяется временем оборота реактора и увеличивается (как и выход биогаза) с увеличением температуры в реакторе [1]. Если время оборота реактора составляет 10 суток: то суточная доля загрузки будет составлять 1/10 от общего объема загружаемого сырья. Если время оборота реактора составляет 20 суток, то суточная доля загрузки будет составлять 1/20 от общего объема загружаемого сырья. Для установок, работающих в термофильном режиме, доля загрузки может составить до 1/5 от общего объема загрузки реактора.

Выбор времени сбраживания зависит также и от типа перерабатываемого сырья. Для следующих видов сырья, перерабатываемого в условиях мезофильного температурного режима, время, за которое выделяется наибольшая часть биогаза, равно примерно:

1) жидкий навоз КРС: 10 -15 дней;

2) жидкий свиной навоз: 9 -12 дней;

3) жидкий куриный помет: 10-15 дней;

4) навоз, смешанный с растительными отходами: 40-80 дней.

5) Кислотно-щелочной баланс - метанопродуцирующие бактерии лучше всего приспособлены для существования в нейтральных или слегка щелочных условиях. В процессе метанового брожения второй этап производства биогаза является фазой активного действия кислотных бактерий. В это время уровень рН снижается, то есть среда становится более кислой.

Однако при нормальном ходе процесса жизнедеятельность разных групп бактерий в реакторе проходит одинаково эффективно и кислоты перерабатываются метановыми бактериями. Оптимальное значение pH колеблется в зависимости от сырья от 6,5 да 8,5. Измерить уровень кислотно-щелочного баланса можно с помощью лакмусовой бумаги. Значения кислотно-щелочного баланса будут соответствовать цвету: приобретаемому бумагой при её погружении в сбраживаемое сырье.

6) Содержание углерода и азота - одним из наиболее важных факторов, влияющих на метановое брожение (выделение биогаза), является соотношение углерода и азота в перерабатываемом сырье. Если соотношение C/N чрезмерно велико, то недостаток азота будет служить фактором, ограничивающим процесс метанового брожения. Если же это соотношение слишком мало, то образуется такое большое количество аммиака, что он становится токсичным для бактерий. Микроорганизмы нуждаются как в азоте, так и в углероде для ассимиляции в их клеточную структуру [6]. Различные эксперименты показали: выход биогаза наибольший при уровне соотношения углерода и азота от 10 до 20, где оптимум колеблется в зависимости от типа сырья. Для достижения высокой продукции биогаза практикуется смешивание сырья для достижения оптимального соотношения C/N (табл.1)

Таблица 1. Содержание азота и соотношение содержания углерода и азота для органических веществ

Биоферментируемый материал	Азот N(%)	Соотношение углерода и азота C/N
А. Навоз животных
КРС	1,7 - 1,8	16,6 - 25
Куриный	3,7 - 6,3	7,3 - 9,65
Конский	2,3	25
Свиной	3,8	6,2 - 12,5
Овечий	3,8	33
B. Растительные сухие отходы
Кукурузные початки	1,2	56,6
Солома зерновых	1	49,9
Пшеничная солома	0,5	100 - 150
Кукурузная солома	0,8	50
Овсяная солома	1,1	50
Соя	1,3	33
Люцерна	2,8	16,6 - 17
Свекольный жом	0,3 - 0,4	140 - 150
С. Другое
Трава	4	12
Опилки	0,1	200 - 500

7) Выбор влажности сырья - беспрепятственный обмен веществ в сырье является предпосылкой для высокой активности бактерий (табл.2). Это возможно только в том случае, когда вязкость сырья допускает свободное движение бактерий и газовых пузырьков между жидкостью и содержащимися в ней твердыми веществами. В отходах сельскохозяйственного производства имеются разные твердые частицы. Твердые частицы, например, песок, глина и др. обуславливают образование осадка. Более легкие материалы поднимаются на поверхность сырья и образуют корку. Это приводит к уменьшению ообразования биогаза. Поэтому рекомендуется тщательно измельчать перед загрузкой в реактор растительные остатки - солому и другие, и стремиться к отсутствию твердых веществ в сырье. Содержание сухих веществ определяется влажностью навоза. При влажности 70% в сырье содержится 30% сухих веществ.

Таблица 2. Примерные значения влажности навоза и экскрементов (навоз и моча) для различных видов животных

Виды животных	Среднесуточное количество навоза, кг/сутки	Влажность навоза (%)	Среднесуточное количество экскрементов (кг/сутки)	Влажность экскрементов (%)
КРС	36	65	55	86
Свиньи	4	65	5,1	86
Птица	0,16	75	0,17	75

8) Регулярное перемешивание - для эффективной работы биогазовой установки и поддерживания стабильности процесса сбраживания сырья внутри реактора необходимо периодическое перемешивание. Главными целями перемешивания являются:

1) высвобождение произведенного биогаза;

2) перемешивание свежего субстрата и популяции бактерий (прививка);

3) предотвращение формирования корки и осадка;

4) предотвращение участков разной температуры внутри реактора;

5) обеспечение равномерного распределения популяции бактерий;

6) предотвращение формирования пустот и скоплений, уменьшающих эффективную площадь реактора.

При выборе подходящего способа и метода перемешивания нужно учитывать, что процесс сбраживания представляет собой симбиоз между различными штаммами бактерий, то есть бактерии одного вида могут питать другой вид. Когда сообщество разбивается, процесс ферментации будет непродуктивным до того, как образуется новое сообщество бактерий. Поэтому слишком частое или продолжительное и интенсивное перемешивание вредно. Рекомендуется медленно перемешивать сырье через каждые 4-6 часов.

9) Ингибиторы процесса - сбраживаемая органическая масса не должна содержать веществ (антибиотики, растворители и т. п.), отрицательно влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов, они замедляют а иногда и прекращают процесс выделения биогаза. Не способствуют "работе" микроорганизмов и некоторые неорганические вещества, поэтому нельзя, например, использовать для разбавления навоза воду, оставшуюся после стирки белья синтетическими моющими средствами. На каждый из различных типов бактерий, участвующих в трех стадиях метанообразования, эти параметры влияют по-разному. Существует также тесная взаимозависимость между параметрами (например, выбор времени сбраживания зависит от температурного режима), поэтому сложно определить точное влияние каждого фактора на количество образующегося биогаза.

1.3 Применение биогаза

Биогаз используют в качестве топлива для производства: электроэнергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива.

Биогазовые установки могут устанавливаться как очистные сооружения на фермах, птицефабриках, спиртовых заводах, сахарных заводах, мясокомбинатах. Биогазовая установка может заменить ветеринарно-санитарный завод, т. е. падаль может утилизироваться в биогаз вместо производства мясо-костной муки [2].

Среди промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании -- биогаз занимает до 18 % в её общем энергобалансе. По абсолютным показателям по количеству средних и крупных установок ведущее место занимает Германия -- 8000 тыс. шт. В Западной Европе не менее половины всех птицеферм отапливаются биогазом.

1.3.1 Биогаз в развивающихся странах

Потенциальное производство в России биогаза - до 72 млрд мі в год. Потенциально возможное производство из биогаза электроэнергии составляет 151 200 ГВт, тепла - 169 344 ГВт [7].

В Индии, Вьетнаме, Непале и других странах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в них газ используется для приготовления пищи.

Больше всего малых биогазовых установок находится в Китае -- более 10 млн (на конец 1990-х). Они производят около 7 млрд мі биогаза в год, что обеспечивает топливом примерно 60 млн крестьян. В конце 2010 года в Китае действовало уже около 40 млн биогазовых установок. В биогазовой индустрии Китая заняты 60 тысяч человек [8].

В Индии с 1981 года до 2006 года было установлено 3,8 млн малых биогазовых установок.

В Непале существует программа поддержки развития биогазовой энергетики, благодаря которой в сельской местности к концу 2009 года было создано 200 тысяч малых биогазовых установок [9].

1.4 Факторы, влияющие на производство биогаза

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°. 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 [10].

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 три 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 [2].

2. Технологическая часть

2.1 Характеристика сырья для производства биогаза

Сырьем для получения биогаза может служить широкий спектр органических отходов - твердые и жидкие отходы агропромышленного комплекса, сточные воды, твердые бытовые отходы, отходы лесопромышленного комплекс. Качество отходов характеризуется влажностью, выходом биогаза на единицу сухого вещества и содержанием метана в биогазе.

Современные технологии позволяют перерабатывать в биогаз любые виды органического сырья, однако наиболее эффективно использование биогазовых технологий для переработки отходов животноводческих и птицеводческих ферм. Это навоз, птичий помет, зерновая и меласная послеспиртовая барда, свекольный жом, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки и пр.), бытовые отходы. Используются также отходы молокозаводов (соленая и сладкая молочная сыворотка) и предприятий по производству соков (фруктовый, ягодный, овощной жом, виноградная выжимка), технический глицерин от производства биодизеля из рапса. Можно производить биогаз из отходов переработки картофеля (очистки, шкурки, гнилые клубни и пр.), различных энергетических культур (силосной кукурузы, рапса, подсолнечника, овса, сахарной и кормовой свеклы вместе с ботвой, зерновых), а также травяного силоса, смеси клевера с другими травами [11].

Качество сырья характеризуется влажностью (чем она ниже, тем лучше), выходом биогаза и содержанием в нем метана (чем выше, тем лучше). В среднем из тонны навоза крупного рогатого скота получается 50-65 куб. м биогаза с содержанием метана 60%, из различных видов энергетических растений -- 150-500 куб. м с 70% метана. Максимальное количество биогаза --1300 куб. метров с содержанием метана до 87 % -- можно получить из животного жира.

Одна дойная корова дает в сутки от 30 до 70 кг навоза. Из 1 т навоза крупно рогатый скот можно получить 60 куб. м биогаза. Биогазовая установка будет экономически эффективной для ферм с поголовьем от 300-400 дойных коров. Одна свиноматка с 20-24 поросятами дает в день приблизительно 14,5 кг навоза. Свинья на откорме весом от 30 до 110 кг обеспечивает в среднем 3,5 кг. Из 1 т свиного навоза выходит 65 куб. метров биогаза.

Птичий помет также является хорошим сырьем для биогазовой станции. Свежий помет несушек, цыплят и бройлеров при клеточном содержании дает выход биогаза 130-140 куб. м с тонны. Помет с подстилкой, убираемый раз в 35-40 дней, обеспечивает около 80 куб. м биогаза с тонны. Хороший потенциал имеют и другие отходы животноводства. Например, продукты бойни обеспечивают 300 куб. м биогаза [2].

2.1.1 Навоз - один из видов сырья для биотоплива

Навоз -- важнейшее органическое удобрение. В его составе находятся все основные питательные вещества, необходимые растениям, поэтому его называют полным удобрением.

Подстилочный навоз состоит из твердых и жидких выделений животных и подстилки. Состав и удобрительная ценность его зависят oт вида животных, состава кормов, качества и количества подстилки и способа хранения навоза

Количество и соотношение твердых и жидких выделений животных и их состав значительно различаются у отдельных видов скота. У лошадей в 3,5 раза, а у овец и крупного рогатого скота в 2,5 раза больше твердых, чем жидких, выделений; у свиней количество мочи в 2 раза больше, чем кала [1].

Твердые и жидкие выделения животных неравноценны по составу и удобрительным качествам. В жидких выделениях содержится больше азота (0,4--1,9%) и калия (0,5-- 2,3%), чем в твердых (соответственно 0,3--0,6% и 0,1 -- 0,3%), а фосфора, наоборот, значительно больше в твердых выделениях (0,17--0,41%), чем в жидких (0,07--0,1%).

Подавляющее количество фосфора, выделяемого из организма животных, находится в кале, а основная часть калия и от 1/2 до 2/3 азота -- в жидких выделениях. Азот и фосфор в твердых выделениях содержатся в составе органических соединений и переходят в доступную для растений форму после их минерализации. В жидких выделениях элементы питания представлены в растворимой, легкодоступной форме [5].

На состав и соотношение твердых и жидких выделений животных влияют количество и качество потребляемых кормов. Чем больше скармливается сочных кормов и выше их влажность, тем больше жидких выделений. Чем корм переваримее, тем меньше сухого вещества содержится в твердых выделениях. При увеличении количества концентрированных кормов возрастает содержание в навозе азота и фосфора. В среднем из потребляемого животными корма в навоз переходит около 40% органического вещества, 50 азота, 80 фосфора и до 95% калия.

Содержание питательных веществ в навозе зависит от вида животных. Навоз лошадей и овец содержит меньше воды и больше органического вещества, а также азота, фосфора и калия, чем коровий и свиной навоз. Для увеличения выхода навоза и повышения его качества большое значение имеют вид и количество подстилочного материала. Подстилка улучшает физические свойства навоза, впитывает мочу и поглощает образующийся при ее разложении аммиак и таким образом уменьшает потери азота. Особенно важное значение имеет способность подстилки поглощать жидкость и газы. Содержание в ней азота н зольных веществ также сказывается на качестве навоза.

Общее количество навоза можно определить также исходя из имеющегося поголовья скота и количества навоза, получаемого от одной головы в год (табл.3), с учетом потерь при работе и на пастбище.Таблица 3. Примерное количество навоза (в т), получаемого от одной головы скота за год

Продолжительность стойлового периода, дней	Крупный рогатый скот (или две головы молодняка до двух лет)	Лошади	Овцы
Oт 200 до 220	7--8	5-6	0,8-0,9
От 180 до 220	6--7	4-5	0,6-08
Меньше 180	4--5	2,5-3	0,4-0,5

Количество и качество навоза в большой степени зависят от способа его хранения. При хранении навоза под влиянием микроорганизмов происходит разложение азотистых и безазотисгых органических веществ [3]. Мочевина и другие органические азотистые соединения, содержащиеся в жидких выделениях животных, превращаются в газообразный аммиак, представляющий собой основной источник потерь азота из навоза (табл.4).

Таблица 4. Потери органического вещества и азота при разных способах хранения навоза (в % от содержания их в свежем навозе)

Способ хранения навоза	Соломенная подстилка, потери при хранении органического вещества азота	Торфяная подстилка, потери при хранении органического вещества азота
Рыхлый	32,6	21,6
Рыхло-плотный	24,6	7,0
Плотный	12,2	10,7

2.1.2 Птичий помет - ценное сырье для получения биогаза

Птичий помет -- полное быстродействующее удобрение, содержащее азот, фосфор и калий в легкодоступной для растений форме.

Содержание азота, фосфора и калия в птичьем помете резко меняется в зависимости от количества и качества корма: чем более концентрированный корм получает птица, тем больше питательных веществ содержится в помете.

Азот в помете находится главным образом в форме мочевой кислоты, которая быстро разлагается с образованием аммиака. При неправильном хранении помета в результате улетучивания аммиака происходят большие потери азота, достигающие 50% и более за 1,5--2 мес. Для сохранения азота в помете лучше всего применять в птичниках сухую торфяную подстилку, которая поглощает выделяющийся из помета аммиак, или хранить его в смеси с торфом. Сырой помет смешивают с торфяной крошкой (на 4--5 частей помета I часть торфа), смесь подсушивают на воздухе и хранят под навесом.

При отсутствии торфа можно пересыпать помет сухой перегнойной землей или перепревшим навозом, а также добавить к нему 7--10% суперфосфата, который почти полностью связывает выделяющийся аммиак. Хорошо сохраненный птичий помет -- ценное удобрение, дающее высокие прибавки урожая сельскохозяйственных культур. Его можно применять под все культуры в качестве основного удобрения в норме 2--5 т на 1 га с заделкой под плуг, а также в меньших нормах в подкормку озимых или пропашных культур с заделкой соответственно бороной и культиватором при междурядных обработках.

Норма сырого помета в подкормки 8--10 ц на 1 га, для жидкой подкормки применяется вдвое меньшая норма сухого помета при разбавлении водой в 6--7 раз.

2.2 Последовательность стадий технологической схемы производства

Установка для анаэробной переработки органических отходов, включающая анаэробный биореактор с основным нагревателем биомассы, выполненный в виде герметично закрытой емкости, разделенной с помощью вертикальных перегородок на секции, снабженный патрубками загрузки сырья и выгрузки жидкого органического удобрения, систему подачи исходного сырья, систему отвода биогаза с компрессором, систему удаления жидкого органического удобрения, систему управления технологическим процессом, выполненную в виде программируемого компьютера, отличающаяся тем, что анаэробный биореактор разделен переливной и двумя перегородками-теплообменниками, расположенными друг к другу под углом 120°, на три сообщающиеся между собой секции: гидролизную, соединенную с системой подачи исходного сырья, кислотоацидогенную и метаногенную, соединенную с системой удаления жидкого органического удобрения, при этом переливная перегородка установлена между гидролизной и кислотоацидогенной секциями по высоте с зазором между нижней гранью и дном корпуса биореактора с превышением над зеркалом жидкости в биореакторе и с зазором между крышкой корпуса биореактора и верхней гранью переливной перегородки; одна из полых перегородок-теплообменников установлена между кислотоацидогенной и метаногенной секциями по высоте от дна корпуса биореактора с превышением над зеркалом жидкости; другая полая перегородка-теплообменник установлена между метаногенной и гидролизной секциями по высоте от дна корпуса биореактора с превышением над зеркалом жидкости и с зазором между верхней ее гранью и крышкой биореактора; один из патрубков для слива жидких органических отходов расположен в верхней части корпуса биореактора на высоте, соответствующей 90% объема, занимаемого жидкой биомассой, второй патрубок для слива жидких органических отходов расположен в нижней части корпуса биореактора; устройство для перемешивания биомассы выполнено в виде вертикального шнека, установленного в метаногенной секции биореактора, который приводится во вращательное движение от электропривода; корпус биореактора дополнительно снабжен системой наружного обогрева, выполненной в виде вертикально закрепленных на корпусе труб с прямоугольным сечением, соединенных между собой гибкими вставками; кроме этого, установка снабжена газгольдером, предназначенным для сбора и хранения биогаза и соединенным с системой удаления биогаза с одной стороны и с источником теплоснабжения с другой стороны, а система подготовки исходного сырья снабжена трубопроводом, соединенным с системой удаления жидкого органического удобрения (рис.1).

Исходное сырье в виде влажной органической биомассы подают в систему подготовки исходного сырья 3, где измельчают и перемешивают. Сюда же по трубопроводу 7 подают жидкость, полученную из влажного органического удобрения после слива из анаэробного биореактора 1. Жидкость имеет температуру, близкую к температуре биомассы в анаэробном биореакторе, и содержит штаммы метанобразующих бактерий, при участии которых образуются метан и диоксид углерода - основные компоненты биогаза. Подаваемая жидкость повышает влажность исходного сырья до 90-92%, осуществляет предварительный подогрев исходного сырья и способствует интенсификации процесса брожения за счет предварительного осеменения.

Подготовленную таким образом биомассу посредством системы подачи исходного сырья подают в гидролизную секцию, а через нее и в другие сообщающиеся с ней секции: кислотоацидогенную и метаногенную анаэробного биореактора.

Включают, подключенный к внутренним перегородкам-теплообменникам, а также к системе наружного обогрева 19 биореактора. Обогрев анаэробного биореактора снаружи и изнутри позволяет создать равномерное температурное поле всего объема биомассы, повышая тем самым эффективность процесса газообразования. Шнек 18 для перемешивания биомассы включается в работу с помощью системы управления технологическим процессом 6 с периодичностью несколько раз в сутки, что также способствует интенсификации процесса газообразования и предотвращает коркообразование на поверхности жидкости, тем самым создавая условия для беспрепятственного перемещения биогаза в верхнюю часть анаэробного биореактора.



Рисунок 1. 1- анаэробный биореактор, 2-основной нагреватель, 3-система подачи исходного сырья, 4-система удаления биогаза, 5-система удаления жидких органических соединений, 6-включатель системы управления, 7-трубопровод подачи жидкости, 8-газгольдер, 9- патрубок загрузки биомассы, 10-патрубок загрузки жидкого органического удобрения

В начале технологического процесса в анаэробном биореакторе наблюдается атмосферное давление. В процессе образования биогаза давление в верхней части анаэробного биореактора растет. При достижении давлением определенного значения система управления технологическим процессом 6 включает компрессор, и биогаз с помощью системы удаления биогаза 4 направляется в газгольдер 8.

Удаление перебродившей биомассы осуществляется через патрубки, через патрубок 10 для удаления 10% перебродившей биомассы один раз в сутки (экспериментально установлено, что примерно 10% биомассы полностью сбраживается в течение суток), а через патрубок в случае ремонта или очистки биореактора для удаления всей биомассы.

Таким образом, предлагаемая установка для анаэробной переработки органических отходов позволяет обеспечить оптимальный гидравлический режим движения биомассы в биореакторе; разделить процесс сбраживания биомассы по отдельным секциям в соответствии с химизмом процесса; создать оптимальный температурный режим для процесса сбраживания; обеспечить интенсивное перемешивание биомассы, при этом исключая коркообразование; интенсифицировать процесс сбраживания на этапе подготовки биомассы за счет добавления жидкости, содержащей штаммы метанобразующих бактерий; обеспечить сбор и хранение образующегося биогаза в газгольдере; обеспечить поступление и удаление 10% перебродившей биомассы в процессе загрузки-выгрузки. Все это делает ее более эффективной и экономичной в сравнении с прототипом.

2.2.1 Технологии переработки отходов животноводства и птицеводства с получением энергии

В настоящее время используются два основных направления переработки навоза и помета для получения тепловой и электрической энергии:

1) Получение газа с использованием штаммов бактерий (биогаз);

2) Получение горючих газов путем температурного разложения органики (Синтез-газ) с доступом воздуха (газификация) и без него (пиролиз).

Сейчас, чаще применяется технология синтез-газа. Так как является достаточно простой в эксплуатации и имеет более лучшие показатели по выходу газа (рис.2).

Обработка отходов проводится в реакторах термо-химической конверсии при температурах выше 8000С, с продувкой воздухом. Процесс обеспечивает получение топливного газа, основу которого составляют СО, Н2, N2 и который может быть использован в качестве топлива в котельных, газовых турбинах и двигателей внутреннего сгорания [7].

Процессы пиролиза протекают при температурах ниже 8000С. Продуктами являются высококалорийные газы, требующие очистки от паров смол. Газы, получаемые при газификации и пиролизе, могут быть использованы для получения моторных топлив.

При термическом разложении биомассы образуются золы, которые направляются на утилизацию. Объем золы зависит от содержания в биомассе минеральных примесей, но, по-видимому, не будет превышать 0.5% от массы исходного сырья.

Рисунок 2. Структурная схема установки по производству синтез газа

1 - гидравлический пресс подачи сырья; 2 - съемная крышка реактора; 3 - дутьевые фурмы; 4 - гидравлический пресс отбора золы; 5 - корпус реактора; 6 - проточный вентилятор; 7 - аэродинамический преобразователь; 8 - рама.

Для получения биогаза, с использованием штаммов бактерий, используются биогазовые установки (станции), которые производят биогаз путем брожения навозов, пометов и энергетических культур в анаэробных условиях. Брожение осуществляется в реакторах, куда загружаются чаще жидкие (фекальными насосами) или твердые (шнеками) отходы биомассы.

Биогаз может использоваться для производства электроэнергии в газовых турбинах, поршневых двигателях и котельных агрегатах. При обработке биогаза возможно получение моторного топлива.

Продуктом процесса являются обеззараженные и обезвреженные удобрения, объемы которых, как правило, несколько меньше исходных объемов сырья (рис.3).

Рисунок 3. Структурная схема установки по производству биогаза

2.4 Методы утилизации отходов производства

Данное производство, а именно получение бигаза основанное на органических отходах и проходящее в анаэробных условиях,можно считать практически безотходным, так как все отходы, которые образуются в результате получения топлива, а именно жидкие органические удобрения, поступают обратно в производство. Их задачей является разбавление основного сырья производства: навоза и птичьего помета, для улучшения процесса измельчения и перемешивания. Отходы органической жидкости имеют температуру близкую к температуре биомассы, находящейся в анаэробном биореакторе, и содержат штаммы метаообразующих бактерий, при участии которых образуется метан и диоксид углерода - основные компоненты биогаза.

Биоудобрение - переработанные в биогазовых установках органические отходы превращаются в биомассу, которая содержит значительное количество питательных веществ и может быть использована в качестве биоудобрения. Образующие при сбраживании материалы улучшают физические свойства почвы, а минеральные вещества служат источником энергии и питанием для деятельности почвенных микроорганизмов, что способствует повышению усвоения питательных веществ растениями.

Данное биоудобрение содержит ряд органических веществ, которые вносят вклад в увеличение проницаемости и гигроскопичности почвы, в то же время, предотвращая эрозию и улучшая общие почвенные условия [9]. Органические вещества также являются базой для развития микроорганизмов, которые переводят питательные вещества в форму, которая легко может быть усвоена растениями. Биоудобрения ускоряют процесс прорастания семени, повышают процент их всхожести. Способствует более быстрой приживаемости растений, снимая стрессовую ситуацию при пересадке. Эффективны такие органические удобрения при раскислении почвы. Биоудобрение также является хорошим микробиологическим удобрением. Его внесение помогает почве восстановиться после многолетнего использования. Основное преимущества биоудобрений заключается в сохранении в легко усваиваемой форме практически всего азота и других питательных веществ, содержащихся в исходном сырье [13]. Значительным преимуществом биоудобрений перед навозом, перепревшим в естественных условиях, является то, что при сбраживании навозом, перепревшим в естественных условиях, является то, что при сбраживании навоза в биогазовых установках погибает значительная часть, патогенных микроорганизмов и семян сорняков, содержащихся в навозе.

3. Безопасность жизнедеятельности

Правила техники безопасности при работе в микробиологической лаборатории.

Работа в микробиологической лаборатории требует строгого соблюдения специальных правил, что определяется двумя основными положениями.

Первое - в микробиологической практике используют, главным образом, чистые культуры микроорганизмов, т. е. популяции микроорганизмов одного вида, часто являющихся потомством одной клетки.

Поскольку в воздухе, на поверхности окружающих нас предметов, на одежде, руках, волосах всегда имеется большое количество разнообразной микрофлоры, то для обеспечения стерильности исследований и избежания загрязнения культур работа должна проводиться с соблюдением правил асептики.

Второе - при исследованиях с не идентифицированными микроорганизмами, при их выделении из объектов окружающей среды и техногенных потоков, могут быть выделены патогенные и условно патогенные микроорганизмы.

Кроме того, клетки как сапрофитных, так и патогенных микроорганизмов могут являться аллергенами для определенных индивидуумов. Таким образом, для получения достоверных результатов исследований, для обеспечения личной безопасности и безопасности окружающих необходимо соблюдение определенных правил.

Подготовка помещения для проведения микробиологических работ включает мокрую уборку и тщательную вентиляцию с последующим облучением ультрафиолетовыми лучами бактерицидных ламп. Поверхность стола, где непосредственно проводится работа с культурами микроорганизмов, следует дезинфицировать путем протирания 3% раствором хлорамина или 70% раствором изопропилового или этилового спиртов.

Подготовку лаборатории к занятиям проводит лаборант; студенты, выполняя задания, должны соблюдать следующие правила.

1. Каждый студент в микробиологической лаборатории работает на постоянном месте, выполняя задания индивидуально.

2. На рабочем месте не должно быть посторонних предметов (в том числе портфелей и сумок).

3. Студент должен работать только в чистых халатах, волосы должны быть подобраны, не падать на плечи.

4. При работе с культурами микроорганизмов необходимо соблюдать все правила микробиологической техники. На пробирках, колбах, чашках Петри, матрацах должна быть сделана надпись, содержащая родовые и видовые названия культуры, дату засева, фамилию студента и номер группы.

5. Все предметы, использованные при работе с живыми культурами, должны быть обеззаражены либо обжиганием в пламени горелки (петли, иглы), либо погружены в дезинфицирующий раствор (предметные и покровные стекла, пипетки, шпатели).

6. Все засеянные пробирки, чашки помешаются в термостат или сдаются лаборанту. Отработанный материал (пробирки, чашки Петри) также помещается в определенные емкости по указанию лаборанта для их дальнейшего обеззараживания.

7. В лаборатории запрещается курение, прием пищи, лишнее хождение по лаборатории.

8. В конце занятия студент должен привести в порядок рабочее место, вымыть руки. Необходимо иметь индивидуальное полотенце, салфетки для вытирания рук.

Обычно лаборатория биотехнологии состоит минимум из 3-х помещений. Это бокс, где ведутся стерильные работы; комната для приготовления питательных сред, хранения химикатов, оборудования и прочих вспомогательных мелочей; автоклавная. Вынесение автоклавов в отдельную комнату продиктовано требованиями безопасности, поскольку процесс стерилизации идет под давлением и в случае неисправности прибора могут случиться жертвы и разрушения. Впрочем, технический прогресс не стоит на месте и современные модели автоклавов более надежны и безопасны, с ними могут работать и необученные специально люди, а отдельных комнат не требуется. Стерильные работы можно проводить в специальном помещении - микробиологическом боксе или же использовать ламинар-боксы. В любом случае полы и стены комнаты, где ведутся стерильные работы, должны быть моющимися (в идеале - кафельные) и не содержать материалы -"пылесборники". Помещение, где ведутся работы с культурами тканей необходимо периодически стерилизовать ультрафиолетовыми лампами (кварцевать), поэтому наличие любой растительности там исключено. Для работы с культурами животных клеток требования к стерильности должны быть более жесткими по сравнению растительными культурами, поскольку вероятность контаминации выше. Не рекомендуется в одних и тех же боксах вести работы с микробиологическими объектами и культурами клеток. Микроорганизмы более устойчивы к внешним факторам, и простерилизовать после работы с ними помещение гораздо труднее, особенно это касается работ с грибами. Все изложенное выше касается работ с непатогенным материалом. Уровни защиты при работе с патогенным материалом иные, и они требуют большей безопасности [13].