Исследование выхода биогаза при различных температурах мезофильного режима в биогазовых установках малого объема

Производство биогаза зависит от многих рабочих параметров. Любое быстрое изменение этих параметров может неблагоприятно повлиять на производство биогаза. К основным параметрам биогазовых установок относятся температура, перемешивание, влажность загружаемого субстрата, значение pH среды, содержание абсолютно сухого вещества (оСВ), продолжительность сбраживания, режим заполнения метантанка [1, 3-5].

Согласно литературным данным, поддержание оптимальной температуры сырья внутри биогазовой установки является одним из важнейших факторов процесса анаэробного сбраживания [2-5]. Поскольку в природных условиях образование биогаза происходит при температурах от 0 до 97 °С, но с учетом оптимизации процесса переработки органических отходов

ВЕСТНИК Восточно-Сибирского государственного университета технологий и управления посредством биогазовой технологии выделяют 4 температурных режима: психрофильный (1025 °С), мезофильный (25-40 °С), термотолерантный (40-45 °С) и термофильный (50-60 °С).

В России ежегодный прирост биомассы в виде отходов крупного рогатого скота составляет 343307320 т [6]. Ввиду отсутствия способов обезвреживания получаемого навоза и сложности их внедрения большая часть отходов разлагается естественным способом, выделяя при этом закись азота и метан в огромных количествах.

Для переработки отходов малых животноводческих ферм была изготовлена и запатентована биогазовая установка объемом 0,7 м ³ [7]. В данной установке для наиболее оптимального соотношения энергозатрат на выход биогаза был выбран мезофильный температурный режим анаэробного сбраживания. В данной работе приведены исследования по выбору рациональной температуры мезофильного режима в биогазовой установке объемом 0,7 м ³ .

Оборудование, материалы и методы исследования

Оборудование. Исследование было проведено с 25.11.2015 по 29.01.2016 на базе университета Хойенхайм в Институте агротехники и биотоплива (Германия).

Для работы были использованы 15 горизонтальных биогазовых лабораторных установок объемом 17 л каждая (рис. 1).

Рисунок 1 – Внешний вид лабораторных установок объемом 17 л

Каждая установка состоит из горизонтально расположенного цилиндра объемом 17 л, подогрев которой осуществляется с помощью водяной рубашки, циркулируемой с помощью водяного котла с регулируемой температурой. Установки имеют патрубок для загрузки сырья в передней части и выгрузочный патрубок с регулируемой высотой в задней части установки. Перемешивание осуществляется с помощью электрического привода с частотой вращения 60 об./мин в непрерывном режиме (5 мин перемешивания через каждые 5 мин простоя). Все установки имеют теплоизоляционную стенку из ПВХ-материала. Установки снабжены системой измерения газа, работающей следующим образом: из установки по гибким газовым трубам газ проходит в пластиковый герметичный газгольдер через водяной фильтр, предназначенный для охлаждения газа и предотвращения конденсата в газгольдере. Объем произведенного газа и его состав измеряются с помощью автоматической компьютерно-мониторинговой системы. Данная система включает в себя сенсоры для определения объема CH 4 , CO 2 и H 2 S, а также датчики температуры и давления.

Материал для исследований - свежий навоз крупного рогатого скота без различных примесей и добавления энергетических культур.

Методика проведения исследований. Исследование проводилось при мезофильном температурном режиме, при температурах: 24 °С в течение 60 дней; 32 °С в течение 60 дней и

40° С также в течение 60 дней. Исследования проводились одновременно, на каждую температуру пришлось по 5 установок. Лабораторные исследования проводились по показателям, которые представлены в таблице.

Таблица

Показатели лабораторного исследования

Показатель	Установки 1-5	Установки 6-10	Установки 11-15
Температура	24 °С (±1 °С)	32 °С (±1 °С)	40 °С (±1 °С)
Объем установки	17 л	17 л	17 л
Кол-во ежедневно загружаемого сырья	600 мл	600 мл	600 мл
Влажность загружаемого сырья	92-96%	92-96%	92-96%
Время ежедневной загрузки	10:00 (±1 ч)	10:00 (±1 ч)	10:00 (±1 ч)
Кол-во дней до полного сбраживания субстрата в установке	28	28	28
Перемешивание	каждые 5 мин, 60 об./мин	каждые 5 мин, 60 об./мин	каждые 5 мин, 60 об./мин
Содержание оСВ в СВ	75-80%	75-80%	75-80%
Уровень pH среды	6,8-8	6,8-8	6,8-8
Общая продолжительность эксперимента	60 дней	60 дней	60 дней

Чтобы избежать разногласия в получаемых данных, необходимо тщательно определить ежедневно загружаемое сырье, которое зависит от содержания органически сухого вещества в субстрате. Данное соотношение было определено с помощью формулы [8]:

oLR — —, L ’

где oLR – органическая норма загрузки субстрата, %; oDM – содержание органически сухого вещества в сухом веществе, %; L – объем установки, л.

Количество дней полной переработки субстрата в установке было определено по следующей зависимости [8]:

D — ^,

oLR, где D - оптимальное количество дней, необходимое для полной переработки субстрата; VDG -объем реактора, л; oLR – органическая норма загрузки субстрата, л.

В биогазе помимо метана, углекислого газа и сероводорода содержатся еще и водяные пары, содержание которых зависит от атмосферных условий и может изменяться в широких пределах в зависимости от температуры. Для того чтобы рассчитать чистое содержание биогаза, использовали методику, которая была разработана на базе университета Хойенхайм [8]:

,, - V v ⁽P^-P W ^)xT 0

V/v — Vd x ----------- ,

N     R     TRxpo  , где VN - объем сухого газа при нормализованных условиях, л; VR - значение объема биогаза, полученное с АКМС, л; р - давление газа, полученное в момент измерения с АКМС, гПа; pw -давление паров воды в биогазе, гПа; р0 - нормальное давление, ро = 1013,25 гПа; Т0 - нормальная температура, То = 273 К; TR - температура биогаза, К.

Давление водяных паров [8] в биогазе определяется по формуле

, -        17,08085 •Tr

p_w — 6,1 • ехр ----------.

^w             ' 234,175+T_r

Результаты исследования

В результате проведенных лабораторных исследований были получены показатели по выходу биогаза в литрах из установки в сутки и по выходу биогаза в м ³ из 1 кг органически сухого вещества (рис. 2, 3).

Рисунок 2 – Выход биогаза из лабораторных установок в зависимости от температуры, л

По результатам проведенных исследований был построен график по выходу биогаза (рис. 2). Выход биогаза во всех установках протекал по-разному, на рисунке 2 представлены усредненные данные по группам установок исходя из температуры мезофильного режима, соответственно 24, 32 и 40 °С. Как видно из рисунка 2, с 1-го по 32-й день идет одинаковый выход биогаза во всех трех температурных группах, это связано с тем, что данный период протекал при температуре 36°С во всех установках и являлся подготовительным. В этот период идет установление одинаковых основных параметров, таких как температура, уровень pH среды, количество ежедневно загружаемого субстрата, содержание органически сухого вещества и других параметров. Начиная с 32-го дня идет смена температурного режима, представленного на графике скачком диаграммы. Как видно на графике, наиболее высокий показатель по выходу биогаза составил 21 л из установок при температуре 40 °С. Самый наименьший показатель - у установок, работающих при температуре 24 °С - 4,5 л. При температуре 32 °С средний показатель выхода биогаза составил 16 л. Следует отметить, что при температуре 32 и 40 °С наблюдается равномерный выход биогаза из установок, тогда как в установках с температурой 24°С наблюдается скачкообразный выход биогаза.

ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ СБРАЖИВАНИЯ, СУТКИ

32°С             -4 40°С            -*-24=0            -*-36°С

Рисунок 3 – Выход биогаза из лабораторных установок в м3

из 1 кг органически сухого вещества в зависимости от температуры, м3/кг оСВ

На рисунке 3 представлен график по выходу биогаза в м ³ из 1 кг органически сухого вещества. Как видно из графика, наиболее высокий показатель при температуре 40 °С

(0,32 м ³ /кг оСВ). При температуре 32 °С средний выход биогаза составил 0,20 м ³ /кг оСВ, при температуре 24 °С этот показатель равен 0,11м ³ /кг оСВ.

Заключение

Таким образом, согласно проведенным исследованиям, наибольший выход биогаза в литрах, а также в м ³ /кг оСВ приходится на температуру 40 °С. При протекании анаэробного процесса переработки свежего навоза крупного рогатого скота без добавления примесей и энергетических культур при температуре 24 °С наблюдается неравномерный выход биогаза, что свидетельствует о неинтенсивной работе метаногенных бактерий при данной температуре. В виду применения данной технологии в малой биогазовой установке объемом 0,7 м ³ , температура 32 °С является наиболее рациональной по соотношению затрат на теплоэнергию и выход биогаза.