Химизм процесса метанового брожения

 

Химизм процесса метанового брожения состоит из следующих реакций

1. Брожение органических кислот:

 

4Н−СООН = СН4+ ЗСО2+ 2Н2О;

 

СН3− СООН = СН4+ СО2.

 

2. Брожение спиртов:

 

4СН3−ОН = 3СН4 + СО2+ 2Н2О;

 

2СН3−СН2−ОН + СО2 = СН4+ 2СН3СООН.

 

3. Восстановление оксидов углерода

 

СО2+ 4Н2 = СН4+ 2Н2О;

 

4СО + 2Н2О = СН4+3СО2.

 

Микробная ассоциация биометаногенеза

 

В сложных процессах деструкции органических субстратов и об- разования метана участвует микробная ассоциация различных ми- кроорганизмов. В ассоциации присутствуют следующие группы ми- кроорганизмов: деструкторы, вызывающие гидролиз сложной органи- ческой массы с образованием органических кислот (масляной, пропио- новой, молочной), а также низших спиртов, аммиака, водорода; ацето- гены, превращающие эти кислоты в уксусную кислоту, водород и ок- сиды углерода; метаногены – микроорганизмы, восстанавливающие водородом кислоты, спирты и оксиды углерода в метан.

С биохимической точки зрения метановое «брожение» – это про- цесс анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органического вещества переносятся на углекислоту; последняя затем восстанавлива- ется до метана (при истинном брожении конечным акцептором элек- тронов служит молекула органического вещества, являющегося конеч- ным продуктом брожения). Донором электронов для метаногенов яв- ляется водород, а также уксусная кислота.

 

 

«Венцом» метанового сообщества являются собственно метано- генные или метанообразующие бактерии (архебактерии), катализирую- щие восстановительные реакции, приводящие к синтезу метана. Суб- стратами для реализации этих реакций являются водород и углекисло- та, а также окись углерода и вода, муравьиная кислота, метанол и др.

Несмотря на то, что метанобразующие бактерии выделены и опи- саны совсем недавно, в середине 80-х гг., их возникновение относят к архею и возраст оценивают в 3,0-3,5 млрд. лет. Эти микроорганизмы

достаточно широко распространены в природе в анаэробных зонах и

вместе с другими микроорганизмами активно участвуют в деструкции органических веществ, с образованием биогаза в морских осадках, бо- лотах, речных и озерных илах.

К настоящему времени выделены в чистой культуре и описаны около 30 метанообразующих бактерий; список этот непрерывно попол- няется. Наиболее изученными являются следующие: Methanobacterium thermoautotrophicum, Methanosarcina barkerii, Methanobrevibacter rumin- antium. Все метаногены – строгие анаэробы, среди них встречаются как мезофильные, так и термофильные формы, гетеротрофы и автотрофы. Особенностью метанобразующих бактерий является также способ- ность активно развиваться в тесном симбиозе с другими группами ми- кроорганизмов, обеспечивающими метаногенов условиями и суб- стратами для образования метана.

 

Сырье биометаногенеза

 

В процессах метаногенеза можно переработать самое разнообраз- ное сырье – различную растительную биомассу, включая отходы дре- весины и несъедобные части сельскохозяйственных растений, отходы перерабатывающей промышленности, специально выращенные куль- туры (водяной гиацинт, гигантские бурые водоросли), жидкие отходы сельскохозяйственных форм, промышленные и бытовые стоки, ил очи- стных сооружений, а также мусор городских свалок. Важно, что сырье

с высоким содержанием целлюлозы, трудно поддающееся переработке,

также эффективно сбраживается и трансформируется в биогаз.

 

6.3.8.5 Технологические режимы и аппаратурное оформление процесса метанового брожения

 

Установки для биометаногенеза с учетом их объемов и произво-

дительности можно подразделить на несколько категорий:

 

 

− реакторы для небольших ферм сельской местности от 1 м3до

20 м3;

− реакторы для ферм развитых стран от 50 м3до 500 м3;

− реакторы для переработки промышленных отходов от 500 м3

до 1000 м3;

− для переработки твердого мусора городских свалок от 1 м3

до100 м3.

Реакторы называются метантенки (рис. 31).

 

 

 

Рисунок 31 - Устройство метантенка

 

Метантенк представляет собой герметическую емкость, ча- стично погружённую в землю для теплоизоляции и снабженную для дозированной подачи и подогрева сырья, а также газгольдером – емко- стью переменного объема для сбора газа.

Метантенки могут изготавливаться из металла или железобетона. Имеют различную форму: кубическую, цилиндрическую и даже яйце- видную. Метантенки классической, европейской, англо-американской

и яйцевидной формы представлены на рисунке 32. Несмотря на внеш-

нее различие внутреннее устройство метантенков схоже.

Очень важным в конструкции метантенков является обеспечение требуемого уровня перемешивания всего гетерогенного содержимого аппарата. Вместе с тем известно, что максимальное выделение метана наблюдается в системах со слабым перемешиванием. Поэтому в от- личие от аэробных процессов, требующих интенсивной аэрации и пе-

 

 

ремешивания, перемешивание при метаногенезе, главным образом, должно обеспечивать гомогенизацию бродящей массы, препятствовать оседанию твердых частиц и образованию твердой плавающей корки.

При переработке жидких отходов животноводческих ферм соот- ношение между твердыми компонентами и водой в загружаемой массе должно составлять примерно 1:1, что соответствует концентрации твердых веществ от 8% до 11% по весу. Смесь материала обычно засе- вают аценогенными и метанобразующими микроорганизмами из от- стоя сброженной массы от предыдущего цикла или из другого метан- тенка.

В ходе сбраживания органической массы на первой, так называе- мой «кислотной», фазе в результате образования органических кислот рН среды снижается. При резком сдвиге рН среды в кислую сторону возможно ингибирование метаногенов. Поэтому процесс ведут при рН 7,0-8,5. Против закисления используют известь. Снижение рН сре- ды является своеобразным сигналом, свидетельствующим о том, что процесс деструкции органики с образованием кислот закончен, то есть

в аппарат можно подавать новую партию сырья для переработки. Оп- тимальное соотношение C:N в перерабатываемой органической массе находится в диапазоне (11-16):1. При изменении соотношения C:N в исходном материале в сторону увеличения содержания.

 

 

а- anglo-american b- classical c- egg-shaped d- european-plain

 

Рисунок 32 - Разновидности конструкций метантенков

 

Очень важным в конструкции метанотенков является обеспечение требуемого уровня перемешивания всего гетерогенного содержимого аппарата. Вместе с тем известно, что максимальное выделение метана наблюдается в системах со слабым перемешиванием. Поэтому в от- личие от аэробных процессов, требующих интенсивной аэрации и пе- ремешивания, перемешивание при метаногенезе, главным образом,

 

 

должно обеспечивать гомогенизацию бродящей массы, препятствовать оседанию твердых частиц и образованию твердой плавающей корки.

Процессы, протекающие при метановом брожении, эндотермиче- ские и требуют подвода энергии в виде тепла извне. Для подогрева за- гружаемого сырья и стабилизации температуры процесса на требуемом

уровне обычно сжигают часть образуемого биогаза. В зависимости от

температуры процесса количество биогаза, идущего на обогрев процес- са, может достигать 30% от объема получаемого. Температура и, сле- довательно, скорость протекания процесса зависят от вида используе- мого метанового сообщества. Для термофильных организмов процесс реализуется при 50-60 оС, для мезофильных – при 30-40 оС и около

20 оС – для психрофильных организмов. При повышенных температу-

рах скорость процесса в 2-3 раза выше по сравнению с мезофильными условиями. Для нормальной работы метантенков осадок в них должен поступать равномерно и при сбраживании подогреваться до заданной температуры. Количество осадка, подаваемого ежесуточно в метантен- ки должно составлять при мезофильном режиме от 7% до 10% от объ- ема метантенка, при термофильном режиме от14% до19%. Продолжи- тельность сбраживания в мезофильных условиях от 10 до14 суток, в термофильных условиях от 5 до7 суток. Величина максимально воз- можного сбраживания для разных по химическому составу осадков в среднем составляет:

- для осадка первичных отстойников до 53%,

 

- для активного ила - до 44%.

 

Термофильное сбраживание требует большего расхода тепла, а образующийся осадок плохо отдает воду и требует более тщательной подготовки к обезвоживанию, чем осадок, полученный в мезофильных условиях. С другой стороны, при термофильном сбраживании проис- ходит обеззараживание осадка.

Скорость подачи субстрата в метантенк должна быть равной ско- рости роста бактерий метанового сообщества, при этом концентрация субстрата (по органически веществам) должна быть стабилизирована на уровне не ниже 2%. Нормы загрузки сырья в существующих про- цессах метаногенеза колеблются в пределах от 7% до 20% объема суб- страта от объема биореактора в сутки. При этом цикличность процесса составляет 5-14 суток. Обычно время сбраживания животноводческих отходов составляет около 2 недель. Растительные отходы перерабаты- ваются дольше (20 суток и более). Наиболее трудны для переработки твердые отходы, поэтому время их переработки больше.

 

 

Цикличность процесса может быть сокращена до 5-15 ч при уве- личении скорости загрузки соответственно до 150%-400% от общего объема/сутки.

Сбраживание в метантенках - процесс довольно сложный в кон- структивном исполнении и в обслуживании, требует больших капи- тальных и эксплуатационных затрат, образующийся газ взрывоопасен. Объем метантенков может достигать 25% объема всех очистных соору- жений. Однако до сих пор сохранился большой удельный вес метан- тенков среди сооружений по обработке осадка на очистных станциях, построенных 25-30 лет назад, когда этот метод был наиболее изучен- ным и широко применяемым.

Процессы анаэробного сбраживания до сих пор детально изу-

чаются с целью сокращения продолжительности сбраживания, по- вышения выхода биогаза и увеличения в нем содержания метана, улучшения водоотдающих свойств сброженного осадка.

Основными путями интенсификации технологии анаэробного сбраживания являются:

1) оптимизация исходной влажности осадка и нагрузки на метан-

тенки;

2) конструктивное разделение двух свойственных процессу фаз -

кислого брожения и метанового брожения - на две и более ступени;

3) повышение температуры сбраживания и улучшение условий перемешивания содержимого метантенков.

При фазовом разделении анаэробного сбраживания на две ступе-

ни и более общая продолжительность процесса может быть сокращена до 3 - 4 суток. В целом, анаэробное сбраживание целесообразно приме- нять для крупных очистных станций.