CC BY
60
УДК 620.9
ВЫРАБОТКА БИОГАЗА ИЗ ОТХОДОВ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ КРУПНОГО Р О Г А Т О Г О С К О Т А
Столярова Е.Ю.,магистрант Котляр М.Н.,канд. техн. наук, доцент
ФГБОУ ВО «КГЭУ»
Контакты:[email protected]
В данной статье рассматривается проблема исчерпания природных ресурсов на территории Российской Федерации при сегодняшних темпах экспорта и потребления, а также загрязнения окружающей среды продуктами сгорания органического топлива. Обосновывается идея о том, что биотопливо, а именно - биогаз может стать достойной заменой традиционным источникам энергии. В статье затрагивается тема утилизации органических бытовых отходов. Дается сравнение объемов выработанного биогаза в зависимости от состава исходного субстрата. Целью является создание лабораторной установки исследования производства биогаза из продуктов жизнедеятельности крупного рогатого скота с добавлением сельскохозяйственных и бытовых органических отходов, а также нахождение катализаторов, способствующих интенсификации выработки биогаза. Особое внимание уделено самой установке и сбору биогаза. Сделан вывод: количество биогаза, которое может быть выделено из различных сельскохозяйственных отходов, остатков и смесей при оптимальных условиях анаэробной переработки, зависит от количества субстрата, условий протекания процесса, бактериального состава в установке и др. На основе изучения выработки биогаза установлено, что выделение биогаза начинается в среднем на 3, 4 или 5 день. Это зависит, в первую очередь, от состава исходного субстрата, то есть от того соотношения белков, жиров и углеводов, содержащихся в каждом отдельном составляющем субстрата, а также от «стартового толчка», в качестве которого выступает температура воды, снаружи обволакивающая сосуды с исходным веществом. Также упоминается еще одна актуальная на сегодняшний день проблема - внесение органических удобрений в сельскохозяйственные угодья. А именно, отреагировавший субстрат после получения биогаза можно без какой -либо предварительной отработки вносить на поля. Таким образом, снимается проблема складирования экскрементов сельскохозяйственных животных. Данная проблема мало изучена и требует дальнейших исследований. Ключевые слова: биогаз, биотопливо, метан, анаэробная ферментация, биогазоуста-новка, биоэнергетический субстрат.
90
Введение
Во второй половине ХХ столетия перед человечеством восстала глобальная проблема - это загрязнение окружающей среды продуктами сгорания органического топлива. Вторая глобальная проблема - недостаток органического топлива [1].Рациональное использование отходов сельскохозяйственного производства может решить сразу две эти проблемы. Наиболее распространенный способ получения энергии из биомассы - анаэробное (без доступа кислорода) сбраживание отходов сельскохозяйственного производства [2].Известно, что биогаз можно добывать не только из органической массы растительного происхождения, но и бытовых отходов, помёта домашних животных, навоза. В основе технологии получения биогаза лежит анаэробная ферментация органических веществ. Такой способ получения биотоплива рассмотрен в данной работе.
Анаэробная ферментация - процесс многоступенчатый, эффективно протекающий в условиях влажной (примерно 50 %) среды при температуре от 35 до 40 °С. На первом этапе происходит температурное воздействие на влажную биомассу. Разложившаяся субстанция, в свою очередь, расщепляется до состояния органических кислот, слабых алкоголей, водорода, аммиака, аммиачной воды, диоксида углерода и сероводородной кислоты [3].
Следующий этап - преобразование полученной субстанции с помощью анаэробных микроорганизмов в уксусную и муравьиную кислоты. Далее происходит процесс расщепления бактериями кислоты с образованием метана и воды. Одновременно диоксид углерода восстанавливает чистый водород до метана [4].
Порядок исследований
Первоначально определяется влажность основы субстрата -продукта жизнедеятельности крупного рогатого скота (навоза). Это
91
было необходимо для того, чтобы в результате приготовления субстрата для выработки биогаза соблюсти определенное значение влажности субстрата и довести тем самым ее до оптимального значения 80-90% [5].
Процесс определения влажности навоза идентичен процессу определения влажности любого другого твердого топлива:
1. сушильный шкаф нагреваем до температуры 160°С при полных открытых вентиляционных заслонках;
2. с помощью шпателя отбираем в каждый тигель навеску массой в 1г, снова взвешиваем;
3. тигли с навесками ставим в предварительно нагретый до 160°С сушильный шкаф;ждем, пока температура, уменьшенная в результате открывания шкафа, снова установится на отметке 160°С;начинаем отсчет 30 минут;
4. тигли с навесками быстро извлекаем из сушильного шкафа быстро, во избежание контакта проб с атмосферным воздухом помещаем их в эксикатор, заполненный влагоодводящими веществами;
5. взвешиваем тигли и снова помещаем их в сушильный шкаф;
6. по истечению 30 минут снова извлекаем тигли из шкафа и помещаем их в эксикатор;
7. взвешиваем тигли; если масса тиглей после просушки сохраняется на постоянном значении, переходим к расчетам; если же вес тиглей меняется, то процесс сушки, помещения тиглей в эксикатор и взвешивания проводят до тех пор, пока масса не установится на постоянном значении (табл. 1).
Влажность определяется по формуле:
Ж = ^^ х 100%,
т 1 — т 2
92
где Шх - масса тигля с пробой топлива до нагревания, г; Ш2 - масса пустого тигля, г; т3 - масса тигля с навеской после нагревания, г; Ш - влажность топлива, %.
Таблица 1. Масса тигля, навески до и после прокаливания
№ №№ МТ, г МТ+МН, г М?, г после прокаливания
1 11 37, 37 38, 37 37, 59
22 41,94 42, 94 42, 15
33 32,99 33, 99 33, 2
Получено:
Щ = 79%, W2 = 79%, Щ = 79%, Wср = 79%.
Установлено, что топливо, а именно - продукты жизнедеятельности крупного рогатого скота, имеет влажность 79%.
Биогазовая установка представляет собой стеклянные сосуды, погруженные на 60-70% в воду, в каждый из которых в определенных различных соотношениях помещен биоэнергетический субстрат, состав которого указан в таблицах 2; 3; 4.
Таблица 2. Состав биоэнергетического субстрата №1
Состав биоэнергетического субстрата, г
1 2 3 4 5
Навоз - 35 Навоз - 50 Навоз - 50 Навоз - 35 Навоз - 100
Мел - 10 Органика - 35 Органика - 40 Органика - 40 Вода - 50
Органика - 55 Опилки - 15 Мел - 10 Опилки - 15
Вода - 50 Вода - 50 Вода - 50 Мел - 10
Вода - 50
93
Таблица 3. Состав биоэнергетического субстрата №2
Состав биоэнергетического субстрата, г
1 2 3 4 5
Навоз - 250 Вода - 50 Навоз - 200 Мел - 50 Вода - 50 Навоз - 200 Солома - 50 Вода - 50 Навоз - 200 Солома - 15 Органика- 15 Вода - 50 Навоз - 200 0рганика-50 Вода - 50
Таблица 4. Состав биоэнергетического субстрата №3
Состав биоэнергетического субстрата, г
1 2 3
Навоз - 250 Вода - 50 Навоз - 250 Вода - 50 Навоз - 250 Вода - 50
Все сосуды герметично упакованы полимерными пробками, во избежание нарушения протекания реакции разложения биомассы в анаэробных условиях, то есть контакта ее с воздухом. К каждому сосуду подсоединена система в виде трубок с иглой на конце. Игла проникает в пробку сосуда, а другая сторона системы помещается в перевернутый цилиндр, до упора заполненный водой. Предварительно в систему заливается вода при помощи шприца, так как в противном случае будет нарушена достоверность результата вследствие проникновения в цилиндр пузырьков воздуха, изначально имеющихся в системе. Область, где осуществляется сцепление пробки и горловины сосуда, изолируется. В период запуска биогазо-установки необходимо, чтобы вода имела температуру 70-80°С [6].
По мере разложения биоэнергетического субстрата будет происходить выработка биогаза, который, в свою очередь, начнет выталкивать воду, заполняющую цилиндр, а количество выработанного биогаза можно отслеживать по соответствующим отметкам, нанесенным на цилиндр.
Основываясь на результаты наблюдений, можно сказать, что выделение биогаза начинается в среднем на 3, 4 или 5 день. Это за-
94
висит, в первую очередь, от состава исходного субстрата, то есть от того соотношения белков, жиров и углеводов, которое содержится в каждом отдельном составляющем субстрата, а также от «стартового толчка», в качестве которого выступает температура воды, снаружи обволакивающая сосуды с исходным веществом.
В результате исследований сделан вывод, что для создания наиболее полной картины выработки биогаза и отслеживания условий, которые в той или иной степени влияют на протекания процесса, необходимо менять соотношение субстрата. Результаты наблюдений отображены на диаграммах 2-4.
Динамика изменения выработки биогаза (субстрат №1)
Vr, см3
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
День от запуска биоустановки Рис.2. Динамика изменения выработки биогаза с загрузкой субстрата №2
Ряд1 Ряд2 Ряд3 Ряд4 Ряд5
9 13 17 21 25 29 33 37
1
5
95
Уг, см3 250
200
150
100
50
0
Динамика изменения выработки биогаза (субстрат №2)
Ряд1 Ряд2 Ряд3 Ряд4 Ряд5
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
День от запуска установки
Рис. 3. Динамика изменения выработки биогаза с загрузкой субстрата №3 Динамика изменения выработки биогаза (субстрат №3)
VI" см3 250
200
150
100
50
Ряд1 Ряд2 Ряд3
»1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1
12345678 9 10111213141516171819 20 21
День от запуска установки
Рис. 4. Динамика изменения выработки биогаза с загрузкой субстрата № 4
0
96
Вывод
В результате эксперимента определено оптимальное соотношение веществ в исходном субстрате так, чтобы способствовать максимальному выходу биогаза. На диаграммах видно, что наибольший результат дают те сосуды, состав которых сбалансирован, в которых присутствует мел, и количество органики превышает другие составляющие. Органика способствует большему выходу кислот - источнику питания метанобразующих бактерий, а мел, тем временем, стабилизирует режим протекания процесса, делая его близким к нейтральному.
Постоянный нагрев хотя и дает стабильные результаты, но количество выработанного биогаза зачастую даже ниже, чем при психофильном режиме. А вот периодическое перемешивание является неотъемлемой частью процесса газообразования. Перемешивание делает субстрат более однородным, тем самым процесс не затормаживается, а продолжается до тех пор, пока вся питательная для бактерий среда не будет исчерпана
Источники
1. Харламова Т.Е. История науки и техники. Электроэнергетика: уч. пос. СПб.: СЗТУ, 2006. 126 с.
2. Эдер Б., Шульц Х. Биогазовые установки: практическое пособие. 1996. Перевод с немецкогоZorgBюgas. 2008.
3. Блинов В.А., Общая биотехнология: курс лекций. Саратов: ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ». 2004. 144 с.
4. Беляков В.С., Сазонов Д.Г. // Аква-Терм. Март-апрель. №2 (36), 2007.
5. ГОСТ 27314-91 Топливо твердое минеральное. Методы определения влаги.
6. http://greenevolution.ru/enc/wiki/anaerobnoe-razlozhenie-sbrazhivanie/
GENERATION OF BIOGAS FROM THE WASTE OF LIFE CATTLE Stolyarova E.Y., Kotlyar M.N.
In this article the problem of depletion of natural resources is examined on territory of Russian Federation, at the today's rates of export and consumption, and also contaminations of environment foods of combustion of organic fuel. An idea is grounded that biopropellant, namely, a biogas can become deserving replacement to the traditional energy sources. The
97
theme of utilization of organic domestic wastes is affected in the article. Comparison of volumes of mine-out biogas is given depending on composition of initial субстрата. An aim is creation of the laboratory setting of research ofproduction of biogas from foods of vital functions of cattle, with addition of agricultural and domestic organic wastes, and also being of catalysts assisting intensification of making of biogas. The special attention is spared to setting and collection of biogas. Drawn conclusion : the amount of biogas, that can be abstracted from different agrowastes, bits and pieces and mixtures at the optimal terms of the anaerobic processing, depends on the amount of substance, terms offlowing ofprocess, bacterial composition in setting of and other it is set On the basis of study of making of biogas, that the selection of biogas begins on the average on 3, 4 or 5 day. It depends, first of all, from composition of initial substance, id est from that correlation of proteins, fats and carbohydrates, contained in each separate making substance, and also from a "starting push" the temperature of water comes forward as that, outside enveloping vessels with an initial substance. Another to date issue of the day is also mentioned is bringing of organic fertilizers in agricultural lands. Namely, reacting субстрат after the receipt of biogas it is possible without some preliminary working off to bring in on the fields. Thus, the problem of warehousing of excrements of agricultural animals is taken off. This problem is small studied and requires further researches.
Keywords: biogas, biopropellant, methane, anaerobic fermentation, gasholder, biopower substance.
Дата поступления 16.02.2016.
98
