Технологии

Зависимость выхода и процентного состава выделяемого биогаза от качественного состава органического субстрата

16 июля 2014

Автор статьи: Игорь Ливен

Мы уже рассматривали процессы, проходящие анаэробрном сбраживании при воздействии пяти основных групп бактерий. На этот раз мы рассмотрим аспекты, касающиеся нюансов анаэробного сбраживания. Избыточный активный ил, образующийся при аэробной биологической очистке, имеет характеристики состава, определяемые условиями его содержания в аэротенке. При высокой нагрузке по органическим загрязнениям, возрастает, соответственно, и прирост биомассы, при этом проходит неполное окисление органики и в активном иле возрастает концентрация органических веществ, при более низкой нагрузке повышается степень самоокисления и уменьшается содержание органики. От качественного и количественного состава осадка, подвергаемого минерализации, зависит выход и процентный состав биогаза, образующегося при анаэробной минерализации. Углеводы в осадках активного ила могут быть представлены в большей степени целлюлозой, лигнином и гемицеллюлозами, которые содержатся в растительных клетках.

Целлюлоза – это полимер глюкозы, имеющий линейное строение, гемоцелюлозы – это сложные полисахариды, имеющие разветвленное, или же линейное строение, лигнин - это сложный трансспиртовый полимер. На первом этапе биохимического разложения, при гидролизе гемицеллюлоз они распадаются на сложную смесь полисахаридов, а целлюлоза гидролизуется с образованием глюкана, полисахарида на основе D-полимера глюкозы. Далее, полисахариды и глюкан на второй стадии, кислотообразования, или иначе, ацитогенеза, переходят путем биохимического окисления в летучие жирные кислоты, спирты. В результате этих реакций идет выделение водорода и углекислого газа.

Особенности разложения белков, жиров и углеводов на стадии гидролиза

Нерастворимые белковые соединения при метановом сбраживании преобразуются сначала в пептоны, затем в пептиды, и, в конечном счете - в растворимые прямоцепочные аминокислоты. На стадии ацитогенеза они легко биохимически превращаются в жирные кислоты, легко окисляемые на последующих стадиях метанового сбраживания, а так же в ароматические аминокислоты, как тирозин, триптофан и фениламин, которые далее разлагаются труднее. При разложении белков образуются аммиак и углекислый газ, которые при взаимодействии с другими веществами, или между собой сдвигают реакцию среды в щелочную сторону.

Жиры на стадии гидролиза преобразуются бактериями в глицерин и жирные кислоты. Они уже достаточно просто далее переходят на стадии ацитогенеза в сложные карбоновые кислоты, которые на последующих стадиях легко переходят в метан. Помимо того, что состав биогаза определяется уравнениями реакции биоразложения углеводов, белков и жиров, на его выход влияет так же участие в них воды. Если реакция разложения протекает с потреблением воды, то количество выделяющего газа увеличивается, если с выделением, то уменьшается. Исключением их этого правила составляют аминокислоты, разложение которых происходит с участием воды, но при этом часть образующихся газообразных веществ переходит в связанную форму. Кроме того, часть углерода в соединениях тратится на прирост бактериальной биомассы. Все эти положения подтверждаются экспериментальными исследованиями, которые показывают, что при разложении белковой составляющей биогаз выделяется в меньшем количестве, из-за связывания газообразны продуктов их распада. Далее, установлено, что жиры при разложении выделяют в полтора раза больше газа, чем белковые и углеводные субстраты. Что же касается качественного состава, то больший процент метана в биогазе образуется при разложении белков и жиров.

Получить консультацию специалиста Консультация

Пределы анаэробного сбраживания и расчет входа и состава биогаза

Следует отметить, что процессы анаэробного сбраживания происходят до определенных пределов, составляющих 70% для жиров, 62,5% для углеводов и 48% для белков. При этом температура протекания анаэробного процесса сказывается только на скорости распада органического субстрата, при этом быстрее всего разлагаются белки, затем идут жиры, а медленнее всего идет сбраживание углеводов. То есть, при сбраживании отходов, состоящих из жира, можно получить большее количество биогаза, чем из активного ила, состоящего в основном из белка, а так же смеси навоза и растительных отходов, которые представляют собой в основном углеводное сырье.

При разложении органического субстрата образуется большое количество гуминовых веществ, которые при кислотной реакции среды выпадают в осадок, а при щелочной – присутствуют в фазе коллоидного раствора. Для того, чтобы определить выход биогаза при анаэробном брожении органического осадка, можно определить его по анализу ХПК осадка после разложения. При этом считается, что один мольный объем метана вступает в реакцию с двумя мольными объемами кислорода, то есть по расчетный объем выделившегося метана будет равен двойному значению ХПК. Далее, расчет выделившегося углекислого газа ведется по формуле Маккарти, по которой на 6,24 мольного объема метана приходится 3, 75 мольных объемов углекислого газа. Более точные расчеты теоретического выхода и объемных соотношений выделяющихся газов производятся по формуле Басвелла, для которой необходимо знать элементарный состав минерализуемого осадка. Но в том и другом случае не учитывается расход органики, идущий на прирост биомассы, принимающей участие в процессе биохимического окисления. Поэтому, для более точного расчета работы очистных сооружений, а так же установок по минерализации осадка и производства биотоплива, следует определять пределы разложения осадка для каждого конкретного случая его биосостава.

Таким образом, качественный и количественный состав образующегося биогаза находится в тесной связи с содержанием жиров, белков и углеводов в органическом субстрате, подвергаемом анаэробному сбраживанию. Объем выделяющихся газов и процент выхода метана зависит так же от расхода биогенных элементов на прирост биомассы, и предела разложения минерализуемого осадка, определяемого его органической природой.

Для получения более полной информации, надо обратиться к нашим специалистам по телефону
+7 (495) 268-0242, или почте info@nomitech.ru, они окажут помощь в подборе необходимого оборудования, которое будет соответствовать вашим требованиям как в части технических характеристик, так и в ценовом плане.