1.2: Енергія біогазу з органічних відходів

Хамед Ель-Машад

Кафедра біологічної та сільськогосподарської інженерії

Каліфорнійський університет, Девіс

Девіс, Каліфорнія, США

і

Кафедра сільськогосподарської інженерії

Університет Мансури

Ель-Мансура, Єгипет

Жуйхун Чжан

Кафедра біологічної та сільськогосподарської інженерії

Каліфорнійський університет, Девіс

Девіс, Каліфорнія, США

Ключові умови

Анаеробні варильні системи	Призупинене зростання	калібрування
Біохімічні та фізичні процеси	Очищення біогазу	Оцінка врожайності
Фіксований ріст	Модернізація біогазу	Комерційне використання

Змінні

• _om = кількість органічної речовини, що підлягає обробці в день
• a, b, c і d = кількість атомів вуглецю, водню, кисню та азоту відповідно
• B _dp = добове виробництво біогазу
• B _y = виробництво біогазу
• C _vb = теплотворна здатність біогазу
• C _vm = теплотворна здатність метану
• E _dp = добове виробництво енергії
• k = постійна кінетичної швидкості деградації першого порядку
• M _dp = добове виробництво метану
• M _c = вміст метану в біогазі
• M _p = кількість виробленого метану
• M _y = вихід метану
• Q = кількість сировини, що підлягає обробці в день
• S = концентрація біологічно розкладається органічної речовини (VS) в варильному котлі
• S _{град = деградовані} органічні речовини в варильному котлі
• t = час травлення
• TS _c = загальний вміст твердих речовин
• V _df = об'ємна подача в варильний котел
• VS _c = вміст летючих твердих речовин
• V _h = об'єм простору головки варильного котла
• V _t = загальний обсяг варильного котла
• V _w = робочий об'єм варильного котла

Вступ

Викопне паливо в даний час є основним джерелом енергії у світі. З його обмеженими поставками та забрудненням навколишнього середовища, спричиненим його використанням, виникає необхідність збільшити використання відновлюваної енергії. Джерела відновлюваної енергії включають сонце, вітри, припливи, хвилі, дощ, геотермальне тепло та біомасу. Біомаса - це рослинний або тваринний матеріал, який може бути використаний для виробництва біоенергії як тепла або палива. Технології перетворення біомаси в біоенергетику можна класифікувати як біохімічні, фізико-хімічні та теплохімічні технології. Основні біохімічні технології включають анаеробне травлення для отримання біогазу та бродіння для отримання спиртів, таких як етанол та бутанол. Основною фізико-хімічною технологією є переетерифікація для отримання біодизеля, а основними теплохімічними технологіями є спалювання для отримання тепла, розрідження для отримання твердого палива, піроліз для виробництва нафти та газифікація для отримання синтез-газу. Вибір конкретної технології залежить від складу наявної біомаси, а також бажаної біоенергії з урахуванням економіки, соціальних наслідків та впливу на навколишнє середовище.

Енергія біогазу виробляється шляхом анаеробного перетравлення органіки, яке здійснюється консорціумом мікроорганізмів при відсутності кисню. Для процесу використовуються герметичні судини, звані дигестерами або реакторами. Біогаз - це суміш метану (CH ₄), вуглекислого газу (CO ₂) та слідів інших газів, таких як аміак (NH ₃) та сірководень (H ₂ S). Технологія анаеробного травлення може бути використана для обробки органічних матеріалів, таких як харчові залишки та стічні води, тим самим зменшуючи кількість матеріалу, що підлягає утилізації, одночасно виробляючи біоенергію.

У цьому розділі представлено виробництво біогазу з використанням анаеробного перетравлення органічних відходів (наприклад, харчових відходів, гною тварин, скошеної трави та соломки). Він впроваджує процеси, що беруть участь в анаеробному перетравленні, основні фактори, що впливають на ці процеси, вироблений біогаз та поширені типи варильних апаратів. Також наведено методи визначення врожайності біогазу та метану.

Результати

Прочитавши цю главу, ви повинні мати можливість:

• • Пояснити мікробіологічні, хімічні та фізичні процеси в анаеробному травленні
• • Охарактеризуйте типи анаеробних варильних котлів, що використовуються для виробництва біогазу, та фактори, що впливають на їх продуктивність
• • Охарактеризуйте деякі методи очищення біогазу для генерації енергії
• • Оцініть кількість біогазу, метану та енергії, яка може бути вироблена з органічного матеріалу
• • Розрахуйте обсяг варильного котла для обробки певної кількості субстрату

Поняття

Анаеробне травлення - це процес біоконверсії, який здійснюється анаеробними мікроорганізмами, включаючи анаеробні бактерії та метаногенні археї для руйнування та перетворення органічної речовини в біогаз, який в основному є сумішшю CH ₄ та CO ₂.

біохімічні процеси

Анаеробне травлення включає чотири основні біохімічні процеси: гідроліз, ацидогенез, ацетогенез та метаногенез. \(\PageIndex{1}\)На малюнку показані ці процеси перетворення органічних субстратів (таких як білки, вуглеводи та ліпіди) у біогаз.

Гідроліз перетворює складні органічні речовини за допомогою позаклітинних і внутрішньоклітинних ферментів з мікроорганізмів в мономерні або димерні компоненти, такі як амінокислоти, одиночні цукру та довголанцюгові жирні кислоти (LCFA). Під час ацидогенезу продукти гідролізу перетворюються ацидогенними бактеріями в менші молекули, такі як летючі жирні кислоти (VFA), спирти, водень та NH ₃. В ацетогенезі спирти і VFA (крім ацетату) перетворюються в оцтову кислоту або водень і СО ₂. Ацидогенні та ацетогенні бактерії - це різноманітна група як факультативних, так і облігатних анаеробних мікробів, включаючи клостридій, пептокок, біфідобактерії, коринебактерії, лактобактерії, актиноміцети, Стафілокок, стрептокок, десульфомонада, синьогнійна, селемонада, мікрокок та кишкова паличка (Косарик і Блащик, 1992). Під час метаногенезу оцтова кислота і метанол (спирт) перетворюються в СН ₄ і СО ₂. Крім того, СО ₂ і водень перетворюються в СН ₄. Метаногенні археї включають різноманітну групу облігатних анаеробів, таких як Methanobacterium formicicum, Methanobrevibacter ruminantium, Methanococcus vannielli, Methanomicrobium mobile, Methanogenium cariaci, метаноспірілум хунгаті, і Метаносарчіна баркей (Косарич і Блащик, 1992). Приклади перетворення обраних сполук при анаеробному перетравленні наведені в табл\(\PageIndex{1}\).

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Приклади перетворення обраних сполук при анаеробному перетравленні.

Підпроцеси	Приклади
Гідроліз	Перетворення вуглеводів і білків: \( \text { Cellulose }+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow \text { sugars } \) \( \text { Proteins }+\mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow \text { amino acids } \)
ацидогенез	Перетворення глюкози в оцтову і пропіонову кислоти: \( \mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{12} \mathrm{O}_{6} \rightarrow 3 \mathrm{CH}_{3} \mathrm{COOH} \) \( \mathrm{C}_{6} \mathrm{H}_{12} \mathrm{O}_{6}+2 \mathrm{H}_{2} \rightarrow 2 \mathrm{CH}_{3} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{COOH}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \)
Ацетогенез	Перетворення пропіонату та бутирату в ацетат і водень наступним чином: \( \mathrm{CH}_{3} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{COO}^{-}+3 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow \mathrm{CH}_{3} \mathrm{COO}^{-}+\mathrm{HCO}_{3}^{-}+\mathrm{H}^{+}+3 \mathrm{H}_{2} \) \( \mathrm{CH}_{3} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{CH}_{2} \mathrm{COO}^{-}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow 2 \mathrm{CH}_{3} \mathrm{COO}^{-}+\mathrm{H}^{+}+2 \mathrm{H}_{2} \) \( 4 \mathrm{H}_{2}+2 \mathrm{HCO}_{3}^{-}+\mathrm{H}^{+} \rightarrow \mathrm{CH}_{3} \mathrm{COO}^{-}+4 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \)
Метаногенез	Перетворення оцтової кислоти, вуглекислого газу і водню, а також метанолу в метан: \( 4 \mathrm{CH}_{3} \mathrm{COOH} \rightarrow 4 \mathrm{CO}_{2}+4 \mathrm{CH}_{4} \) \( \mathrm{CO}_{2}+4 \mathrm{H}_{2} \rightarrow \mathrm{CH}_{4}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \) \( 4 \mathrm{CH}_{3} \mathrm{OH}+6 \mathrm{H}_{2} \rightarrow 3 \mathrm{CH}_{4}+2 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \)

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Етапи анаеробного перетравлення складної органічної речовини в біогаз. LCFA = жирні кислоти з довгим ланцюгом; VFA = летючі жирні кислоти (отримані з Павлостатіса і Хіральдо-Гомеса, 1991, і Ель-Машад, 2003).

Види анаеробних дигестерів

Анаеробні варильні апарати можна класифікувати залежно від того, як мікроорганізми всередині варильного котла взаємодіють з субстратом. Використовуються три атрибути: (1) як вирощуються мікроорганізми: призупинений ріст або фіксований ріст, (2) подача субстрату в посудину у вигляді партії, пробка або безперервно і (3) кількість стадій, одиночних або багатоступінчастих. Подальші міркування дизайну полягають у тому, чи вміст активно змішується, чи орієнтація переважно вертикальна або горизонтальна, і чи потік через посудину вниз або вгору.

Призупинений ріст анаеробних дайджестерів

Призупинені ростові котли зазвичай використовуються для субстратів з високим вмістом зважених речовин, таких як комунальні стічні води та розведені тверді відходи. Вони можуть експлуатуватися як періодичний процес (рис.\(\PageIndex{2}\)) або як пробковий потік (рис.\(\PageIndex{3}\)), де партія субстрату рухається через посудину у вигляді блоку матеріалу, званого пробкою. Мікроорганізми диспергуються по всьому реактору, коли вміст варочного котла змішується, наприклад, реактори резервуара безперервної дії (CSTR) або анаеробний контактний реактор (ACR), який представляє собою CSTR з твердими речовинами, переробленими з відстійника для твердих речовин. У CSTR час утримання твердої речовини (SRT) дорівнює гідравлічному часу утримання (HRT), який є середнім часом, коли тверді речовини та рідина залишаються в резервуарі біореактора. CSTR системи експлуатуються на HRT і SRT тривалістю від 10 до 30 днів. ACR має більш тривалий SRT (> 50 днів), ніж ЗГТ (0,5-5 днів), оскільки частина твердих речовин стічних вод переробляється назад у варильний котел.

• HRT = час гідравлічного утримання = середній час, коли тверді речовини і рідина залишаються в посудині біореактора
• SRT = твердий час утримання
• ACR = анаеробний контактний реактор
• ASBR = Анаеробні мулу ліжко реактора
• CSTR = безперервні змішувані резервуарні реактори
• UASB = висхідний потік мулу ковдру реакторів

\(\PageIndex{2}\)На малюнку показана схема анаеробного варильного котла зважених ростових замісу. Вони прості в розробці та експлуатації. Зазвичай вони являють собою герметичну посудину з портами припливу та відводу для подачі свіжого субстрату та видалення відпрацьованого субстрату, вихідним портом біогазу та портом для видалення твердих речовин. Ці системи зазвичай розгортаються в невеликих масштабах і для тестування анаеробної біорозкладності різних матеріалів. Операція починається з змішування фіксованої кількості субстрату з інокулятом, який представляє собою активну бактеріальну культуру, взяту безпосередньо з працюючого реактора. Після цього протягом часу травлення підтримуються анаеробні умови (тобто час утримання), що повинно забезпечити виснаження всього наявного субстрату.

CSTR зазвичай використовується для обробки сільськогосподарських та комунальних відходів із загальним вмістом твердих речовин (TS) від 3% до 12%. Вони зазвичай експлуатуються при контрольованих температурах, тому посудина, споруджена або під землею, обладнана системою опалення і теплоізоляцією для підтримки постійної внутрішньої температури. Пробкові котли (рис.\(\PageIndex{3}\)) будуються у вигляді довгих труб або каналів, над або під землею, з газонепроникною кришкою. Вміст варильного котла рухається через посудину, де вони перетворюються на біогаз до досягнення виходу. Час перебування визначається часом, що пройшов між подачею свіжого субстрату і скиданням перетравлених матеріалів. Вони використовуються для лікування відносно високих TS від 12% до 16%.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Схема анаеробного варильного котла підвішеного росту.

Криті лагуни зазвичай використовуються для очищення стічних вод з низьким вмістом сухих речовин (< 3%), таких як змитий гній тварин. Гнойні лагуни на тваринницьких фермах можуть бути модернізовані, щоб бути анаеробними покритими лагунами, використовуючи непроникне покриття для збору біогазу та подвійні синтетичні вкладиші для запобігання забрудненню ґрунтових вод шляхом просочування вмісту варочного котла. Криті котли лагуни можуть бути змішаними або незмішаними (тобто мати механічне перемішування чи ні) і можуть експлуатуватися як пробки потоку або системи CSTR. Вони зазвичай працюють при температурах навколишнього середовища, продиктованих місцевим кліматом.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): Схема заглушки проточного варильного котла. Схема затінення являє собою прогресивне зниження концентрації субстрату під час його переміщення через варильний котел.

Існує також клас систем підвішеного росту, званих високошвидкісними системами, які характеризуються використанням більш тривалого SRT, ніж HRT. Ці системи зазвичай використовуються для розведених стічних вод з СТО >20 днів, що досягається шляхом утримання мікроорганізмів у варочному котлі. Тривалий SRT дозволяє обробляти з високими показниками органічного навантаження (кількість органічного матеріалу, обробленого за одиницю часу). ЗГТ може варіюватися від годин до доби, залежно від характеристик стічних вод. Конструкції включають анаеробні реактори шару мулу (ASBR) та реактори ковдри мулу з висхідним потоком (UASB). У ASBR утримання мікроорганізмів досягається за рахунок осідання твердих речовин в реакторі перед видаленням стоків. У УАСБ мікроорганізми утворюють гранули і затримуються в реакторі.

Фіксований ріст Анаеробні дайджестери

У варильних котлах з фіксованим ростом мікроорганізми вирощуються на твердих середовищах, що дозволяє SRT довше, ніж ЗГТ. Ці системи також є високошвидкісними системами. Анаеробні варильні апарати з фіксованим ростом використовуються для обробки розчинних органічних відходів (тобто низького вмісту зважених речовин), які не потребують гідролізу. Середовища, такі як пластик або гірські породи, зазвичай використовуються для підтримки приєднання та росту мікроорганізмів, які утворюють біоплівки. Коли стічні води проходять над середовищами росту, забруднюючі речовини поглинаються і адсорбуються біоплівками і деградують. Тому ці варильні котли можуть експлуатуватися з більш високими показниками органічного навантаження, ніж котли з призупиненим ростом.

Анаеробні фільтри є різновидом анаеробного варильного котла з фіксованим ростом (рис.\(\PageIndex{4}\)). У цих системах значна частина мулу, що містить активні мікроорганізми, затримується всередині варильного котла шляхом приєднання як біоплівки до твердого (інертного) матеріалу-носія. Анаеробні фільтри працюють у режимі висхідного потоку, тобто приплив знаходиться нижче вихідного отвору в камері травлення.

Фактори, що впливають на анаеробне травлення та виробництво біогазу

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Схема анаеробного фільтра.

На процеси анаеробного травлення впливають багато факторів, включаючи склад субстрату, температуру, рН, органічне завантаження, час утримання та змішування, які, в свою чергу, впливають на вихід і швидкість виробництва біогазу. Стабільність процесу (тобто консистенція швидкості виробництва біогазу) залежить від підтримки біохімічного балансу між ацидогенними і метаногенними мікроорганізмами. Стабільність процесу також залежить від хімічного складу та фізичних властивостей субстрату, конфігурації варильного котла та параметрів процесу, таких як температура, рН та концентрація NH ₃.

Склад і характеристики субстрату

Склад субстрату, особливо фізико-хімічні характеристики, є важливим фактором, що впливає на конструкцію систем обробки та травлення біомаси, продуктивність анаеробного травлення, вихід біогазу та подальшу обробку перетравлених матеріалів. Матеріали з великими розмірами частинок (наприклад, рослинні залишки та енергетичні культури), можливо, доведеться подрібнити перед подачею в анаеробний варильний котел. Процес подрібнення може допомогти в процесі перетворення, оскільки дрібні частинки можуть деградувати швидше, ніж великі. Більше того, подрібнення може допомогти при обробці субстрату та змішуванні вмісту варильного котла. Змішані відходи, такі як тверді побутові відходи, зазвичай містять неорганічні матеріали (наприклад, метали та будівельне сміття) і потребують процесу розділення для видалення цих неорганічних матеріалів. Органічна речовина в основному складається з вуглецю (С), водню (H) та кисню (O). Він також містить багато поживних елементів, включаючи макроелементи (наприклад, азот (N), калій, магній та фосфор) та мікроелементи (цинк, марганець, кобальт, нікель та мідь). Приклади складів наведені в таблиці 1.2.2. Всі ці поживні речовини необхідні мікроорганізмам для того, щоб розщепити і перетворити органіку в біогаз. Відповідне співвідношення C: N в субстраті знаходиться в діапазоні від 20 до 25° С до 1 Н. Більшість органічних відходів, таких як гній тварин і харчові відходи, містять достатню кількість поживних речовин для підтримки росту мікроорганізмів.

• TS = загальна кількість твердих речовин
• VS = летючі тверді речовини, органічна фракція TS або суха речовина
• BOD = біохімічна потреба в кисні
• COD = хімічна потреба в кисні

Вміст органічної речовини субстрату описується з точки зору летючих твердих речовин (VS), хімічної потреби в кисні (ХПК) або біохімічної потреби в кисні (БПК). VS використовуються для характеристики субстратів з високим вмістом сухих речовин, тоді як ХПК та БПК використовуються для характеристики субстратів, які мають низький вміст сухих речовин, таких як стічні води. VS - органічна фракція загальних твердих речовин (TS) або сухої речовини. БПК використовується для опису біологічного розкладання субстрату, тоді як ХПК - це кількість кисню, необхідного для хімічного окислення органічної речовини в субстраті. Якщо відомий хімічний склад субстрату, ХПК можна розрахувати за допомогою хімічної реакції:

\( \mathrm{C}_{\mathrm{a}} \mathrm{H}_{\mathrm{b}} \mathrm{O}_{\mathrm{c}} \mathrm{N}_{\mathrm{d}}+\left(a+\frac{b}{4}-\frac{c}{2}-\frac{3 d}{4}\right) \mathrm{O}_{2} \rightarrow a \mathrm{CO}_{2}+\left(\frac{b}{2}-\frac{3 d}{2}\right) \mathrm{H}_{2} \mathrm{O}+d \mathrm{NH}_{3} \)

де a, b, c і d - кількість атомів вуглецю, водню, кисню і азоту відповідно і дозволяють обчислити кількість кисню, необхідного для реакції, т. Е.

\( \left[\left(a+\frac{b}{4}-\frac{c}{2}-\frac{3 d}{4}\right) \mathrm{O}_{2}\right]=\mathrm{COD} \).

Таблиця\(\PageIndex{2}\): Склад відібраних органічних відходів (суха маса), (Чжан, 2017)

Зразок	С/Н	C (%)	N (%)	Р (%)	K (%)	S (%)	Са (%)	Мг (%)	B (проміле)	Zn (проміле)	Мп (проміле)	Fe (проміле)	Cu (проміле)	Na (проміле)	Co (проміле)	Ni (проміле)
Томатні відходи	13,0	40.3	3.1	0.3	1.1	0.3	2.4	0.7	72.9	40.1	183.6	4482,8	23.6	1528.5	2.5	14,0
Томатна вичавка	17,0	57.8	3.5	0.5	1.0	0.2	0.3	0.3	17.6	40.1	53.8	510.3	14.3	477.0	0.4	3.0
Рисова соломка	77.0	38.6	0.5	0.1	2.8	0.1	0.2	0.2	6.6	33.5	492.2	432.2	4.9	2054.0	1.3	2.0
Яєчні рідкі відходи	8.0	61.8	7.8	0.6	0.7	0.7	0.4	0.1	1.3	18.1	1.5	68.0	15,9	7165.0	<0.1	5.0
Комерційні харчові відходи	16.0	43.7	2.7	0.5	2.4	0.3	3.5	0.2	18.7	170.8	34.1	443.7	9.1	3443.0	0.4	2.0
Супермаркет овочевих відходів	22,0	45.6	2.1	0.4	2.9	0.2	0.3	0.2	38.6	126.6	22,0	187.1	10.4	1669.5	0.2	15,0
Картон	231.0	46.2	0.2	0.0	0.0	0.2	0.4	0.0	42.4	18.6	26.3	255,8	10.3	1950.5	0.3	3.0
Молочний гній	18,0	34.0	1.9	0.8	2.6	0.5	1.5	1.5	70.0	280.0	210.0	2100	110.0	7790		<20
Курячий послід	9.0	31.9	3.7	1.8	2.8	0.6	10.3	0.6	34.6	325.3	312.2	739,4	36.1	4162.0	0.5	12.0

Температура

Температура є важливим фактором, що впливає на продуктивність анаеробного травлення, оскільки вона впливає на кінетику процесів. Мікроорганізми зазвичай класифікуються за оптимальною температурою і діапазоном температур, при якому вони ростуть. Нормальною класифікацією є психрофільна (<25° C), мезофільна (від 25 до 45° C) та термофільна (від 45 до 65° C), але теоретично існує крайність гіпертермофільних анаеробних архей та бактерій, які можуть рости в геотермальних середовищах з оптимальними температурами росту від 80° C до 110° C (Stetter, 1996). Термофільне травлення може виробляти біогаз з більш високим вмістом CO ₂, ніж мезофільне перетравлення через низьку розчинність СО ₂ у воді при високих температурах.

Швидкість росту мікроорганізмів збільшується з підвищенням температури до оптимальної. Вище оптимальної температури зростання знижується через термічної денатурації клітинного білка. Зростання припиниться при знищенні необхідного білка клітини. На малюнку 1.2.5 показана відносна швидкість росту метаногенів при різних температурних діапазонах. У межах температурного діапазону одного виду швидкість росту експоненціально зростає з температурою. Термодинамічно більшість біохімічних реакцій вимагають менше енергії для протікання при високих температурах. Швидкість більшості хімічних реакцій приблизно подвоюється з підвищенням температури на 10°C (Stanier et al., 1972). Енергія, необхідна для нагрівання субстрату і підтримки варильного котла при бажаній температурі, більша при більш високих температурах.

Рисунок\(\PageIndex{5}\): Відносна швидкість росту метаногенів в психрофільних, мезофільних та теплофільних умовах (Lettinga et al., 2001).

рН

На рН варильного котла впливає взаємодія між складом субстрату, його буферною здатністю, балансом між швидкостями підкислення і метаногенезом. Якщо швидкість метаногенезу нижча, ніж ацидогенез, рН може досягати значень нижче 6, що може спричинити інгібування метаногенної археї. Зв'язок між рН та метаногенною активністю - це крива у формі дзвінка (рис.\(\PageIndex{6}\)) з максимальною метаногенною активністю при значеннях рН між приблизно 6,8 і 8 (Speece, 1996; Khanal, 2008). В анаеробному варочному котлі для виробництва біогазу слід підтримувати оптимальний рН поблизу нейтральності.

Рисунок\(\PageIndex{6}\): Відносна активність метаногенних архей при різному рН (Speece, 1996; Khanal, 2008).

Органічне завантаження

Органічне завантаження (або початкове завантаження) - це міра кількості органічної речовини, виражена в перерахунку на кількість ВС або ХПК, що надходить в варильний котел періодичної дії на початку технологічного циклу. Це важливий параметр, який впливає на розмір котла, оскільки визначає концентрацію функціональної мікробної біомаси на одиницю маси субстрату. Для варильних котлів безперервно подається швидкість органічного завантаження (OLR), зазвичай визначається як кількість органічної речовини, що подається на одиницю об'єму варильного котла на добу, залежить від кінетики біодеградації субстрату, конструкції варильного котла та умов експлуатації. Наприклад, CSTR, що обробляє гній тварин із вмістом TS 1-6%, зазвичай експлуатується при OLR від 1,6 до 4,8 кг м ³ дня ⁻¹ та ЗГТ від 15 до 30 днів.

Час утримання

Час утримання - це час, коли субстрат залишається в варочному котлі для переробки мікроорганізмами. Відповідний час утримання залежить від хімічних і фізичних характеристик субстрату та швидкості мікробного обміну. Складні субстрати, такі як сільськогосподарські відходи (наприклад, гній тварин), зазвичай мають низькі показники біодеградації і тому потребують більш тривалого часу зберігання (20-30 днів), тоді як високобіологічно розкладаються матеріали, такі як харчові відходи, можуть потребувати меншого часу зберігання (<15 днів) для перетворення біологічно розкладається органічної речовини в біогаз.

Змішування

Змішування впливає на продуктивність анаеробних варильних апаратів, забезпечуючи гомогенізацію вмісту реактора шляхом руйнування частинок субстрату та впливу мікроорганізмів великих площ поверхні субстрату. Адекватне змішування запобігає розвитку стратифікації всередині дигестерів, що може призвести до несприятливих мікросередовищ для метаногенів, таких як регіони, багаті токсичними сполуками або з низьким рН. Змішування також сприяє підтримці рівномірної температури в варочном котлі і запобігає утворенню шару накипу. Вимога досягнення належного змішування залежить від форми варильного котла, типу систем змішування та вмісту сухих речовин всередині варильного котла. Наприклад, прямокутний резервуар створює труднощі для змішування порівняно з реакторами циліндричної та яйцеподібної форми, оскільки його важко змішувати в кутах. Варильні котли можуть змішуватися з механічними змішувачами, рециркуляцією біогазу або рециркуляцією вмісту реактора. Вибір системи змішування залежить від щільності субстрату (тобто твердої концентрації), необхідної інтенсивності перемішування, однорідності, наявності та вартості змішувального обладнання, а також витрат на технічне обслуговування та споживання енергії.

Конфігурація процесу

Анаеробні процеси травлення можуть здійснюватися в одностадійних варильних котлах або в багатоступінчастих варильних апаратах. Одноступінчасті варильні апарати зазвичай використовуються для матеріалів, які мають збалансовані швидкості деградації гідролізу, ацидогенезу та метаногенезу і мають достатню буферну здатність для підтримки рН варильного котла навколо нейтрального. Однак для сильно біологічно розкладаються матеріалів, таких як харчові відходи, зазвичай використовуються багатоступінчасті (переважно дві стадії) системи травлення. У цих системах гідроліз і ацидогенез є переважаючими процесами на першій стадії, з низьким рН (4—6) через високі концентрації VFA. Біогаз, отриманий з першої стадії, містить високий вміст CO ₂ та водню та низький вміст CH ₄. На другій стадії метаногенез переважає, коли VFA споживаються метаногенними археями, а рН знаходиться в діапазоні 6,8-8. Біогаз, отриманий з другої стадії, має високий вміст СН ₄ (50— 70%).

концентрація аміаку

Анаеробне перетравлення багатих білками субстратів може виробляти високі концентрації NH ₃, які можуть спричинити інгібування або навіть токсичність анаеробних мікроорганізмів. Мікроорганізми потребують N для їх клітинного синтезу. Приблизно 6,5% впливового N використовується для виробництва клітин. Ферментативні бактерії зазвичай можуть використовувати як амінокислоти, так і NH ₃, але метаногенні бактерії використовують лише NH ₃ для синтезу клітин бактерій (Hobson and Richardson, 1983). Високі концентрації NH ₃ можуть викликати інгібування або навіть токсичність метаногенних мікроорганізмів. Інгібування вказується зниженням продукції NH ₃ і збільшенням концентрації VFA. Коли відбувається повне припинення метаногенної активності, вільний NH ₃ зазвичай є основною причиною. Це пояснюється тим, що клітини мікроорганізмів більш проникні для вільного NH ₃, ніж до іонів амонію. Концентрація вільного NH ₃ залежить від загальної NH ₃, температури та рН.

Оцінка врожайності біогазу та метану

Теоретична оцінка врожайності

Вихід біогазу та CH ₄ можна оцінити теоретично за хімічним складом субстрату або виміряти за допомогою експериментів періодичного травлення. Вихід біогазу і CH ₄ з повністю біологічно розкладається органічного субстрату зі складом (C _a H _b O _c N _d) можна визначити за допомогою рівняння Бусвелла (Buswell and Mueller, 1952):

\( \mathrm{C}_{\mathrm{a}} \mathrm{H}_{\mathrm{b}} \mathrm{O}_{\mathrm{c}} \mathrm{N}_{\mathrm{d}}+\left(\frac{4 a-b-2 c+3 d}{4}\right) \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow\left(\frac{4 a+b-2 c-3 d}{8}\right) \mathrm{CH}_{4}+\left(\frac{4 a-b+2 c+3 d}{8}\right) \mathrm{CO}_{2}+d \mathrm{NH}_{3} \)

Це рівняння не враховує потреби органічної речовини для утримання клітин і анаболізму. З рівняння Басвелла загальна кількість біогазу, отриманого з одного моля біологічно розкладається органічного субстрату, може бути розрахована як підсумовування CH ₄ та CO ₂, тобто:

\( \left[\left(\frac{4 a+b-2 c-3 d}{8}\right)+\left(\frac{4 a-b+2 c+3 d}{8}\right)\right] \)

 

Обсяг виходу біогазу або метану на кожен грам субстрату L g ⁻¹ [VS] можна розрахувати, використовуючи молярний об'єм ідеального газу 22,4 л при стандартній температурі і тиску як:

\[ M_{\mathrm{y}}=\frac{\left(\frac{4 a+b-2 c-3 d}{8}\right) \times 22.4}{12 a+b+16 c+14 d} \]

де M _y = вміст метану в біогазі,% (моль/моль або в/в).

Якщо припустити, що біогаз складається переважно з метану та вуглекислого газу, а виробництво аміаку незначне, вміст метану в біогазі можна розрахувати наступним чином:

\[ M_{\mathrm{C}}=\frac{\left(\frac{4 a+b-2 c-3 d}{8}\right) \times 100}{\left(\frac{4 a+b-2 c-3 d}{8}\right)+\left(\frac{4 a-b+2 c+3 d}{8}\right)} \]

де M _c = вміст метану в біогазі,% (моль/моль або в/в).

Виробництво CH ₄ після тривалого часу деградації називається метановим потенціалом. Вихід метану може бути виражений у вигляді обсягу газу, що виробляється на одиницю маси субстрату (L [CH ₄] /кг [субстрат]), VS (L [CH ₄] /кг [VS]) або ХПК (L [CH ₄] /кг [COD]). Теоретичний вихід CH ₄ та вміст обраних субстратів, обчислених за рівнянням Buswell (табл. 1.2.3), зазвичай недооцінюються, оскільки CO ₂ більш розчинний у воді, ніж CH ₄. В анаеробних варильних котлах вміст біогазу СН ₄ коливається від 55% до 70% залежно від субстрату і умов експлуатації котлів (табл. 1.2.3). Субстрати, багаті ліпідами, повинні виробляти біогаз, багатий метаном.

Таблиця\(\PageIndex{3}\): Склад і теоретичний вихід метану та вміст метану в окремих субстратах (наприклад, Angelidaki & Sanders, 2004).

Тип субстрату	Формула	Вихід газу [a] (L g ^−1 [VS])			Вміст метану [b] (%)
		СН 4	СО 2	NH 3
Вуглеводи	(С 6 Н 10 О 5) н	0,415	0,415	0.000	50.0
Протеїн	З 5 Ч 7 НІ 2	0,496	0,496	0,198	50.0
Ліпідний	С 57 ГОД 104 З 6	1.014	0,431	0.000	70.2
ацетат	С 2 Ч 4 О 2	0,374	0,374	0.000	50.0
Етанол	С 2 Ч 6 О	0,731	0,244	0.000	75.0
пропіонат	З 3 Ч 6 З 2	0,530	0,379	0.000	58.3
[a] Урожайність при стандартній температурі і тиску (див. Текст). [b] Припускаючи, що біогаз складається з метану та вуглекислого газу.

Моделювання процесу анаеробного травлення для оцінки врожайності

Існують механістичні моделі, що описують процес анаеробного травлення, які можуть бути використані для прогнозування продуктивності анаеробних реакторів. Однією з найбільш використовуваних є модель анаеробного травлення № 1 (ADM1), розроблена цільовою групою Міжнародної асоціації води для математичного моделювання процесу анаеробного травлення (Batstone et al., 2002). ADM1 структурований навколо біохімічних підпроцесів, включаючи гідроліз, ацидогенез, ацетогенез та метаногенез. Хоча підхід механістичного моделювання необхідний для вдосконаленого проектування, проста кінетична модель першого порядку може бути використана для розрахунку виходу метану з різних субстратів, таких як харчові відходи, гній тварин та рослинні залишки, і використовуватися для попереднього проектування. Кінетику першого порядку для варильного котла періодичної дії можна записати так:

\[ \frac{d S}{\mathrm{dt}}=-k S \]

де t = час травлення (дні)

k = постійна кінетичної швидкості деградації першого порядку (день ⁻¹)

S = концентрація біологічно розкладається органічної речовини (виражена у вигляді VS, ХПК або БПК) у варильному котлі (кг м ⁻³)

При концентрації біологічно розкладається субстрату на початку часу травлення, позначеної як S ₀ (кг м ⁻³), рівняння можна виразити так:

\[ S=S_{0} \mathrm{e}^{-\mathrm{kt}} \]

Рівняння 1.2.4 може бути використано для прогнозування залишкової концентрації субстрату (S) у варочному котлі після періоду часу травлення (t), якщо відомі початкова концентрація субстрату (S ₀) та константа кінетичної швидкості деградації. Кількість розкладеної органічної речовини, яка перетворюється в метан, і кількість виробленого метану можна розрахувати як:

\[ S_{\mathrm{deg}}=V_{\mathrm{w}}\left(S_{0}-S\right) \]

\[ M_{\mathrm{p}}=M_{\mathrm{y}} S_{\mathrm{deg}} \]

де S _{град = деградовані} органічні речовини в варильному котлі (кг)

V _w = робочий об'єм варильного котла (тобто обсяг рідини всередині варильного котла) (м ³)

M _p = кількість виробленого метану (м ³)

M _y = вихід метану (м ³ кг ⁻¹)

Рівняння 1.2.4, 1.2.5 та 1.2.6 можуть бути використані для підгонки експериментальних даних, що описують концентрацію субстрату на часових етапах протягом усього процесу для визначення константи кінетичної швидкості деградації першого порядку. Вони також можуть бути використані для прогнозування деградованої органічної речовини в варочному котлі та виходу метану в різний час травлення, якщо константа кінетичної швидкості деградації першого порядку відома з літератури або з експериментів.

Оцінка виробництва енергії з субстрату

Кількість енергії, що міститься в паливі (наприклад, біогазі), виражається за допомогою вищої теплової цінності (HHV) або меншої теплоти (LHV). HHV - це сумарне тепло, вироблене при повному згорянні агрегату (зазвичай 1 м ³) газу під постійним тиском і всієї води, утвореної реакцією горіння, конденсованої до рідкого стану. LHV - це чиста калорійність, вироблена при згорянні одиниці кількості палива і вся вода, що утворюється в процесі реакції горіння, залишається в пароподібному стані. Метан використовується для розрахунку кількості енергії, що міститься в біогазі, оскільки він є основним горючим газом. При стандартній температурі і тиску метан має LHV приблизно 36 МДж м ⁻³. Отже, LHV біогазу, що містить 65% метану, становить приблизно 23,4 МДж м ⁻³, що розраховується шляхом множення LHV метану на вміст метану в біогазі.

Кількість енергії, що виробляється з анаеробного варильного котла, можна оцінити, використовуючи кількість органічної речовини, яка обробляється за певний проміжок часу (наприклад, добу), вихід біогазу субстрату та вміст метану в біогазі. Виходячи з вмісту TS та VS субстрату, кількість органічної речовини, що підлягає обробці, можна розрахувати як:

\[ \phi_{\mathrm{om}}=Q \times T_{\mathrm{sc}} \times V_{\mathrm{sc}} \]

де _om = кількість органічної речовини, що підлягає обробці за добу, кг [VS] день ⁻¹

Q = кількість сировини, що підлягає обробці (кг на добу ⁻¹)

T _sc = загальний вміст сухих речовин,%, волога основа

V _sc = вміст летких твердих речовин,% T _sc

Добове виробництво біогазу та метану можна розрахувати як:

\[ B_{\mathrm{dp}}=\phi_{\mathrm{om}} B_{\mathrm{y}} \]

\[ M_{\mathrm{dp}}=B_{\mathrm{dp}} M_{\mathrm{C}} \]

де B _dp = добове виробництво біогазу, м ³ добу ⁻¹

B _y = вихід біогазу, м ³ кг ⁻¹ [VS]

M _dp = добова вироблення метану, м ³ день ⁻¹

M _c = вміст метану в біогазі,% ^об.

Добове виробництво енергії з біогазу можна розрахувати як:

\[ E_{\mathrm{dp}}=B_{\mathrm{dp}} \times C_{\mathrm{vb}} \]

або

\[ E_{\mathrm{dp}}=M_{\mathrm{dp}} \times C_{\mathrm{vm}} \]

де E _dp = добова вироблення енергії, МДж день ⁻¹

C _vb = теплотворна здатність біогазу, МДж м ⁻³

C _vm = теплотворна здатність метану, МДж м ⁻³

Проклеювання анаеробних варильних котлів

Продуктивність анаеробного варильного котла контролюється кількістю активних мікроорганізмів, які контактують з субстратом. Тому збільшення кількості активних бактерій може збільшити коефіцієнт конверсії і, отже, можна використовувати більш високі показники органічного навантаження. Загальний обсяг (V _т) варильного котла розраховується з робочого об'єму (V _w) і об'єму простору головки (V _h) як:

\[ V_{\mathrm{t}}=V_{\mathrm{w}}+V_{\mathrm{h}} \]

Об'єм простору голови - це обсяг газу над рідиною, який іноді використовується для зберігання газу. Обсяг головного простору зазвичай становить близько 10% від робочого об'єму. Необхідний робочий об'єм безперервно подається анаеробного варильного котла можна визначити з кількості органічної речовини (вираженої у вигляді VS або ХПК), що підлягає обробці на добу та OLR:

\[ V_{\mathrm{w}}=\frac{\phi_{\mathrm{om}}}{\mathrm{OLR}} \]

де V _w = робочий об'єм варильного котла, м ³

OLR = органічні навантаження швидкість

Робочий об'єм також можна визначити за обсягом перероблюваних відходів за добу і гідравлічного часу утримання варильного котла:

\[ V_{\mathrm{w}}=V_{\mathrm{df}} \times \mathrm{HRT} \]

де V _df = об'ємна подача в варильний котел, м ³ добу ⁻¹

HRT = гідравлічний час утримання

Очищення та модернізація біогазу

Процеси очищення та модернізації біогазу важливі для видалення шкідливих та небажаних сполук та підвищення якості біогазу як палива. Очищення біогазу - це видалення домішок, таких як сірководень та органічні сполуки, а модернізація - видалення CO ₂ та водяної пари, в результаті чого утворюється відносно чистий метан (біометан), який можна використовувати як автомобільне паливо або вводити в трубопровід природного газу.

У таблиці 1.2.4 наведено типовий склад біогазу з переробки сільськогосподарських відходів та полігонів твердих побутових відходів.

Очищення біогазу

Видалення сірководню важливо перед використанням біогазу, оскільки він є корозійним та токсичним. У присутності водяної пари сірководень утворює сірчану кислоту, яка може викликати серйозну корозію металевих компонентів варильного котла і обладнання для обробки біогазу. Видалення сірководню може здійснюватися за допомогою хімічного осадження шляхом додавання іонів металів (як правило, іонів заліза) до посудини варильного котла або хімічного поглинання шляхом пропускання біогазу через розчин заліза (наприклад, хлорид заліза (відомий як залізна губка)) як:

Таблиця\(\PageIndex{4}\): Типовий склад біогазу з різних матеріалів (Coombs, 1990).

Компонент	Сільськогосподарські відходи	Полігони твердих побутових відходів
Метан	50— 80%	45— 65%
Вуглекислий газ	30— 50%	34— 55%
Водяна пара	Насичений	Насичений
сірководню	100-7 000 проміле	0,5-100 проміле
Водень	0— 2%	0— 1%
Аміак	50-100 проміле	Трасування
Окис вуглецю	0— 1%	Трасування
Азот	0— 1%	0— 20%
Кисень	0— 1%	0— 5%
Органічні летючі сполуки	Трасування	5-100 проміле

\( 3 \mathrm{H}_{2} \mathrm{~S}+2 \mathrm{FeCl}_{3} \rightarrow \mathrm{Fe}_{2} \mathrm{~S}_{3} \downarrow+6 \mathrm{H}^{+}+6 \mathrm{Cl} \)

Крім того, сірководень можна видалити за допомогою біологічного окислення хемотрофними бактеріями, такими як Thiobacillus thioparus. Однак комерційне застосування біологічного окислення обмежене.

Силоксани - це летючі органічні сполуки, які зазвичай містяться в біогазі, виробленому на звалищах. Під час реакцій горіння вони перетворюються на діоксид кремнію (SiO ₂) та мікрокристалічний кварц, які осідають на деталах двигуна, викликаючи такі проблеми, як знос. Активоване вугілля або силікагель зазвичай використовуються як адсорбенти для видалення цих органічних сполук з біогазу.

Модернізація біогазу

Видалення СО ₂ має важливе значення для підвищення енергетичного вмісту біогазу, зменшення необхідних обсягів для зберігання біогазу та досягнення якості, необхідної для відповідності специфікаціям природного газу для розподілу з викопним газом та специфікацій на двигуни зі стисненим природним газом. Більш того, наявність СО ₂ може викликати корозію обладнання і трубопроводів, якщо воно змішується з водою з утворенням вугільної кислоти. Вуглекислий газ може бути видалений з біогазу водою або хімічними системами очищення, в яких вода або хімічні розчинники (наприклад, гідроксид натрію і амін) реагують з СО ₂:

СО ₂ + Н ₂ О ↔ Н ₂ СО ₃

СО ₂ + Анох → Анко ₃

Вуглекислий газ також може бути видалений з біогазу за допомогою мембран і систем адсорбції при змінному тиску (PSA). Мембрани мають селективну проникність. Вони дозволяють різним сполукам (наприклад, газам) переміщатися по мембрані з різною швидкістю. При перекачуванні біогазу під тиском (до 4000 кПа) через мембрану з полімерів діоксид вуглецю відокремлюється від метану. У системі адсорбції при змінному тиску біогаз протікає під тиском (до 1000 кПа) через пористий матеріал, який дозволяє проходити метану, поглинаючи та видаляючи вуглекислий газ. Адсорбентні матеріали в комерційних системах включають вуглецеві молекулярні сита, активоване вугілля, силікагель та цеоліти. Перш ніж адсорбентний матеріал повністю насичений вуглекислим газом, його потрібно регенерувати, а потім використовувати повторно. Процес регенерації здійснюється шляхом зниження тиску в посудині до тисків, близьких до навколишнього середовища, а потім до вакууму.

Деякі адсорбентні матеріали, що використовуються для діоксиду вуглецю, також можуть адсорбувати сірководень, кисень та азот. Однак поглинання сірководню на цих матеріалах не є оборотним.

Біогаз, зібраний з варильних котлів, насичений водяною парою. Вміст води в біогазі залежить від робочої температури варильного котла. При більш низьких температурах в біогазі буде менше водяної пари. Водяна пара видаляється для захисту трубопроводів і обладнання від корозії за рахунок утворення кислот (наприклад, сірчаної та вугільної кислот). Водяна пара може бути видалена конденсацією або хімічною сушінням (наприклад, абсорбцією). Конденсація водяної пари може бути змушена шляхом зменшення точки роси за допомогою системи охолодження, такої як чиллер і теплообмінник. Рідина охолоджується в чиллері і перекачується через одну сторону теплообмінника для зниження температури біогазу, який протікає в іншій стороні теплообмінника. При хімічній сушінні для поглинання водяної пари використовуються такі агенти, як силікагель, оксид магнію, оксид алюмінію або активоване вугілля. Після насичення сушильні агенти регенеруються нагріванням приблизно до 200° C. для підтримки безперервних операцій використовуються дві колонки, заповнені сушильними агентами, щоб переконатися, що ненасичений сушильний агент використовується в той час як насичений регенерується.

Додатки

Експерименти для визначення властивостей травлення

Вихід біогазу та метану можна визначити за допомогою експериментальних установок періодичного анаеробного травлення, починаючи від дуже простих (рис.\(\PageIndex{7}\)) до складної автоматизованої системи тестування потенціалу метану (AMPTS) (рис. 1.2.8). Анаеробні періодичні випробування травлення можуть проводитися в малих масштабах (0,1—1 літр) для визначення виходу біогазу та біометану та біорозкладності субстрату. Простий метод партії може бути проведений за допомогою доступного лабораторного обладнання; AMPTS дорожчий, але може бути автоматизований і є більш точним. AMPTS дозволяє вимірювати виробництво біогазу в часі.

Рисунок\(\PageIndex{7}\): Схема експериментальної установки системи періодичного варильного котла.

Проста анаеробна система травлення партії (рис.\(\PageIndex{7}\)) складається з посудини, яка, як правило, являє собою пляшку, закриту кришкою і отвором для виходу біогазу. Виходячи зі складу (TS і VS) субстрату, для початку травлення використовується кількість субстрату, що дає 3 г ВС. Субстрат кладуть в посудину і додають щеплення. Інокулят являє собою насіннєвий матеріал, взятий з активного анаеробного варильного котла. Показник рН варильного котла повинен бути приблизно 7. Варочний котел промивають інертним газом, таким як гелій або аргон, протягом приблизно двох хвилин, щоб забезпечити анаеробний стан шляхом видалення кисню як з рідини, так і з простору головки. Варочний котел герметичний гумовою пробкою і з'єднаний з газовим мішком (званим мішком Тедлара) для збору біогазу. Варочний котел інкубують при постійній температурі (35°—50°С) до 25 діб. Під час інкубації вміст перемішують з перервами за допомогою мішалки або ручним струшуванням близько однієї хвилини, але не порушуючи ущільнення пляшки. Кожна обробка повинна бути реплікована, і для оцінки біогазу, виробленого лише інокулятом, використовується контроль за допомогою лише інокуляту. Зібраний біогаз можна виміряти за допомогою витіснення рідини або газонепроникного шприца. РН вимірюється в кінці часу травлення. Вихід біогазу (Л г ⁻¹ ВС) визначається шляхом ділення кумулятивного біогазу на початкову кількість ВС в варильному котлі на початку перетравлення. Вихід метану розраховується шляхом множення виходу біогазу на вміст метану в біогазі, який можна виміряти за допомогою газового хроматографа.

Рисунок\(\PageIndex{8}\): Експериментальна установка автоматизованої системи тестування метанового потенціалу (AMPTS).

AMPTS (рис.\(\PageIndex{8}\)) складається з трьох частин: водяної бані з регулюванням температури, блоку фіксації CO ₂ і лічильника газового наконечника. Судини інкубуються на водяній бані при постійній температурі. Всі судини безперервно перемішуються за допомогою механічних змішувачів. Блок фіксації CO ₂ використовується для видалення СО ₂ з біогазу. Блок вимірювання газу (наконечник лічильника) може визначати кількість вироблення метану з кожного окремого варильного котла. Лічильник наконечника підключений до реєстратора даних, який постійно реєструє виробництво метану. Всі процедури приготування простих анаеробних варильних котлів періодичної дії також застосовуються в АМПТС.

\(\PageIndex{9}\)На малюнку показано добове виробництво біогазу та сукупний вихід біогазу, що визначається з періодичного анаеробного варильного котла, ємністю 1 л, обробляючи кафетерійні харчові відходи при початковому завантаженні VS 4 г L ⁻¹ і температурі 50°С. періодичне перетравлення, а потім зниження до досягнення майже нуля. Це пов'язано зі зменшенням органічної речовини, що міститься в субстраті, протягом часу травлення до тих пір, поки вся наявна органіка не буде витрачена мікроорганізмами.

Малюнок\(\PageIndex{9}\): Щоденне виробництво біогазу та сукупний вихід біогазу з харчових відходів кафетерію.

Дані виробництва метану та залишкової концентрації субстрату в тестах періодичного травлення можуть бути використані для визначення константи кінетичної швидкості деградації першого порядку за допомогою рівнянь 1.2.4, 1.2.5 та 1.2.6. Виробництво метану розраховується шляхом множення виробництва біогазу на вміст метану в біогазі (який зазвичай вимірюється за допомогою газової хроматографії). На малюнку 1.2.10 показаний вихід метану різних органічних відходів після часу перетравлення 25 днів. Як видно, склад субстрату впливає на вихід метану. Експериментальні дані тестів періодичного травлення можуть бути використані для визначення належного HRT та розміру посудини для пілотних та повномасштабних систем для обробки певної кількості субстрату. Наприклад, час травлення, необхідний для перетворення всієї або частини біологічно розкладається органічної речовини в певному субстраті в біогаз, може бути використаний як основа для визначення належного HRT для перетворення субстрату в біогаз у безперервно подається варильному котлі при тій же температурі. Після визначення ЗГТ ефективний об'єм можна визначити за допомогою рівняння 1.2.14.

Малюнок\(\PageIndex{10}\): Вихід метану відібраних органічних відходів.

Комерційне використання біогазу

Окрім використання біогазу для виробництва електроенергії за допомогою генераторів та паливних елементів, а також для цілей опалення, біогаз може бути модернізований до біометану (також відомий як відновлюваний природний газ, ГВЧ). Біометан дуже схожий на природний газ, тому більшість обладнання, що використовується для природного газу, може працювати з біометаном. Біометан може використовуватися як транспортне паливо у вигляді відновлюваного стисненого природного газу (СПГ) або скрапленого природного газу (СПГ). Агентство з охорони навколишнього середовища США визначило відновлюваний СПГ та СПГ як біогаз або біогаз, отриманий «трубопровідним якісним газом», який зріджений або стиснений для цілей транспортування. Для цих цілей біогаз повинен бути очищений і модернізований, або на місці поруч з варильним котлом, або перекачувати на центральну установку, яка обробляє біогаз з декількох варильних котлів поблизу. Біометан також може бути проданий комунальним підприємствам шляхом нагнітання в трубопроводи природного газу. Біометан повинен відповідати високим стандартам якості для нагнітання в трубопроводи (табл.\(\PageIndex{5}\)).

Таблиця\(\PageIndex{5}\): Специфікація якості біометану для введення в каліфорнійський газопровід (Coke, 2018).

Параметр якості	Значення
Вміст води (кг на 1000 м ^3 при 55,15 бар)	0,11
Сірководень (ppm)	4
Загальна сірка (проміле)	17
Вуглекислий газ (%)	1
Водень (%)	0.1

Приклади

Приклад\(\PageIndex{1}\)

Приклад 1: Теоретичне виробництво метану

Проблема:

Кафетерій хоче управляти відходами їжі, використовуючи її як вихідну сировину для анаеробного дигестора. Що таке теоретичне отримання метану при стандартній температурі і тиску з 1000 кг органічних харчових відходів з хімічною формулою C _3.7 H _6.4 O _1.8 N _0,2? Який очікуваний вміст метану в біогазі, якщо він складається лише з метану та вуглекислого газу?

Рішення

Застосування рівняння Басуелла:

\( \mathrm{C}_{3.7} \mathrm{H}_{64} \mathrm{O}_{18} \mathrm{~N}_{0.2}+\left(\frac{4(3.7)-6.4-2(1.8)+3(0.2)}{4}\right) \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow\left(\frac{4(3.7)+6.4-2(1.8)-3(0.2)}{8}\right) \mathrm{CH}_{4}+\left(\frac{4(3.7)-6.4+2(1.8)+3(0.2)}{8}\right) \mathrm{CO}_{2}+0.2 \mathrm{NH}_{3} \)

\( \mathrm{C}_{3.7} \mathrm{H}_{6.4} \mathrm{O}_{1.8} \mathrm{~N}_{0.2}+1.35 \mathrm{H}_{2} \mathrm{O} \rightarrow 2.125 \mathrm{CH}_{4}+1.575 \mathrm{CO}_{2}+0.2 \mathrm{NH}_{3} \)

Це означає, що на 1 моль (82,4 г) органічних харчових відходів утворюється 2,125 моль СН ₄ і 1,575 моль СО ₂.

Обчисліть вихід метану за допомогою рівняння 1.2.1:

\( M_{\mathrm{y}}=\frac{\left(\frac{4 a+b-2 c-3 d}{8}\right) \times 22.4}{12 a+b+16 c+14 d} \)(Рівняння\(\PageIndex{1}\))

\( M_{\mathrm{y}}=\frac{2.125 \times 22.4}{82.4}=0.577 \mathrm{~L} \mathrm{~g}^{-1}[\mathrm{VS}] \)

\( \text { Amount of methane production from } 1,000 \mathrm{~kg}=0.577 \times 1,000 \times 1,000=575,000 \mathrm{~L}=577 \mathrm{~m}^{3} \)

Обчисліть вміст метану за допомогою рівняння 1.2.2:

\( M_{\mathrm{C}}=\frac{\left(\frac{4 a+b-2 c-3 d}{8}\right) \times 100}{\left(\frac{4 a+b-2 c-3 d}{8}\right)+\left(\frac{4 a-b+2 c+3 d}{8}\right)} \)(Рівняння\(\PageIndex{2}\))

\( M_{\mathrm{C}}=\frac{2.125 \times 100}{2.125+1.575}=57.4 \% \)

Приклад\(\PageIndex{2}\)

Приклад 2: Конструкція анаеробного варильного котла для молочного гною

Проблема:

Молочний фермер хоче побудувати анаеробний варильний котел для обробки гною, виробленого з 1000 корів. Кожна корова виробляє 68 кг гною на добу. Летюча тверда речовина (ВС) гною становить 11% (волога основа). Варильний котел повинен експлуатуватися при швидкості завантаження органічних речовин 2 кг [VS] м ^{−3 добу −1} і температурі 35°С, об'єм газового простору становить 10% від робочого об'єму. Вихід біогазу з гною становить 288 л кг ⁻¹ [VS], а вміст метану 65%. Припустимо, весь гній, вироблений на молочних продуктах, буде оброблений в варильному котлі. Розрахувати:

1. (а) необхідний обсяг варильного котла,
2. (б) добове виробництво біогазу та метану, і
3. (c) добове виробництво енергії з біогазу, якщо біогаз має теплотворну здатність 23 МДж м ⁻³.

Рішення

Кількість органічної речовини, що підлягає обробці в день (_ом), можна розрахувати, використовуючи кількість корів, кількість гною, виробленого з кожної корови на добу, і вміст летючих твердих речовин гною наступним чином:

\ (\ begin {вирівняний}
&\ text {Кількість органічної речовини, що підлягає обробці на}\ operatorname {день}\ left (\ phi_ {\ mathrm {m}}\ право) =\ text {кількість гною, виробленого з кожної корови}\ times\ text {вміст летких твердих речовин у гною} =1000\ разів 68\ раз\ ліво (\ frac {11 } {100}\ праворуч) =7,480\ mathrm {~kg} [\ mathrm {VS}]\ текст {день} ^ {-1}\ кінець {вирівняний}

Розрахуйте робочий об'єм варильного котла за допомогою рівняння 1.2.13:

\( V_{\mathrm{w}}=\frac{\phi_{\mathrm{Om}}}{\mathrm{OLR}}=\frac{7,480}{2}=3,740 \mathrm{~m}^{3} \)

Розрахуйте загальний обсяг (V _т) варильного котла за допомогою рівняння 1.2.12:

\( V_{\mathrm{t}}=V_{\mathrm{w}}+V_{\mathrm{h}} \)

\( V_{\mathrm{t}}=3,740+\left(\frac{10}{100}\right)(3,740)=4,114 \mathrm{~m}^{3} \)

Розрахуйте добове виробництво біогазу за допомогою рівняння 1.2.8:

\( B_{\mathrm{dp}}=\phi_{\mathrm{om}} B_{\mathrm{y}} \)

\( B_{dp}=7,480 \times \frac{288}{1,000} = 2,154.2 \text{m}^{3} \text {day}^{-1} \)

Обчисліть вироблення метану за допомогою рівняння 1.2.9:

\( M_{dp}=B_{dp} \times M_{C} \)

\( M_{dp} = 2,154.2 \times \frac{65}{100} = 1,400.2 \text{m}^3 \text{day}^{-1} \)

Обчисліть вироблення енергії за допомогою рівняння 1.2.10:

\( E_{dp} = B_{dp} \times CV_{B} \)

\( E_{dp} = 2,154.2 \times 23 = 49,546.6 \ MJ \ \text{day}^{-1} \)

Приклад\(\PageIndex{3}\)

Приклад 3: Моделювання та кінетика

Проблема:

Варильний котел періодичної дії об'ємом 5 л обробляє органічний субстрат при початковому завантаженні 5 г [ВС] L ⁻¹ протягом 25 діб. Субстрат має граничний вихід метану 350 мл г ⁻¹ [VS] деградованого. Визначте концентрацію біорозкладного субстрату у стоках та загальну кількість метану, що утворюється протягом 25 діб, якщо константа кінетичної швидкості деградації першого порядку становить 0,12 день ⁻¹.

Рішення

Рішення:

Концентрацію біорозкладається ВС в стоках варильного котла можна розрахувати за допомогою рівняння 1.2.4:

\( S=S_{0}e^{-kt} \)(Рівняння\(\PageIndex{4}\))

Малюнок\(\PageIndex{11}\): Концентрація біологічно розкладається ВС в варильному котлі.

Після одного дня травлення концентрація VS становить:

\( S=5[e^{-0.12(1)}]=4.434 \ \text{g} \ \text{L}^{-1} \)

Цей розрахунок можна повторювати на кожен день протягом часу травлення (25 днів). Результати цих розрахунків побудовані на малюнку\(\PageIndex{11}\).

Кількість виробленої органічної речовини та метану, що розкладається, можна передбачити за допомогою рівнянь 1.2.5 та 1.2.6. Після одного дня травлення ці кількості можна розрахувати як:

\( S_{deg}=V_{w}(S_{0}-S) \)(Рівняння\(\PageIndex{5}\))

\( S_{deg}=5(5-4.434)=2.83 \ \text{g} \)

\( M_{p}=M_{y}S_{deg} \)(Рівняння\(\PageIndex{6}\))

\( M_{p}=350 \times 2.83 = 989.45 \ \text{mL} =0.9894 \ \text{L} \)

Ці розрахунки можна повторювати на кожен день протягом часу травлення (25 днів). Результати цих розрахунків побудовані на малюнку\(\PageIndex{12}\).

Малюнок\(\PageIndex{12}\): Загальне кумулятивне виробництво метану.

Зображення Кредити

Малюнок 1. Ель-Машад, Х. і Чжан, Р. (CC By 4.0). (2020). Етапи анаеробного перетравлення складної органічної речовини в біогаз (отримані з Павлостатіса і Хіральдо-Гомеса, 1991 і El Mashad, 2003).

Малюнок 2. Ель-Машад, Х. і Чжан, Р. (CC By 4.0). (2020). Схема анаеробного варильного котла підвішеного росту.

Малюнок 3. Ель-Машад, Х. і Чжан, Р. (CC By 4.0). (2020). Схема проточного варильного котла з пробкою.

Малюнок 4. Ель-Машад, Х. і Чжан, Р. (CC By 4.0). (2020). Схема анаеробного фільтра.

Малюнок 5. Ель-Машад і Чжан. (CC За 4.0). (2020). Відносна швидкість росту метаногенів в психрофільних, мезофільних і термофільних умовах (походить від Lettinga, et al., 2001. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167779901017012#FIG1)

Малюнок 6. Ель-Машад, Х. і Чжан, Р. (CC By 4.0). (2020). Відносна активність метаногенних архей при різному рН (походить від Speece, 1996; Khanal, 2008).

Малюнок 7. Ель-Машад, Х. і Чжан, Р. (CC By 4.0). (2020). Схема експериментальної установки системи періодичного варильного котла.

Малюнок 8. Контроль біопроцесів. Експериментальна установка автоматизованої системи випробувань потенціалу метану (AMPTS). Адаптовано з https://www.bioprocesscontrol.com/. [Сумлінне використання].

Малюнок 9. Ель-Машад, Х. і Чжан, Р. (CC By 4.0). (2020). Добове виробництво біогазу та сукупний вихід біогазу з харчових відходів кафетерію.

Малюнок 10. Ель-Машад, Х. і Чжан, Р. (CC By 4.0). (2020). Вихід метану з відібраних органічних відходів.

Малюнок 11. Ель-Машад, Х. і Чжан, Р. (CC By 4.0). (2020). Концентрація біологічно розкладається ВС в варильному котлі.

Малюнок 12. Ель-Машад, Х. і Чжан, Р. (CC By 4.0). (2020). Загальне кумулятивне виробництво метану.

Посилання

Анжелідакі, І., Сандерс, В. (2004). Оцінка анаеробної біорозкладаності макрозабруднювачів. Преподобний Енвірон. Науковий. Біотехнол. , 3 (2), 117-129.

Бетстоун, Д., Келлер, Дж., Анжелідакі, І., Калюжний, С.В., Павлостантис, С.Г., Розі, А.,. Вавілін В.А. Модель анаеробного травлення № 1. Робоча група IWA з математичного моделювання процесів анаеробного травлення. Лондон: Видавництво IWA.

Басуелл, А.М., і Мюллер, Г.Ф. (1952). Механізм метанового бродіння. Інд. англ. Хім. , 44 (3), 550-552. https://doi.org/10.1021/ie50507a033.

Кокс, С. Трубопровідна закачування біометану в Каліфорнії. Біоцикл, 59 (3), 32. Отримано з https://www.biocycle.net/2018/03/12/pipeline-injection-biomethane-california/.

Кумбс, Дж. (1990). Сьогодення і майбутнє анаеробного травлення. В А. Вітлі (ред.), Анаеробне травлення: технологія обробки відходів. Критичний реп. Appl. Хім. , 31, 93-138.

Ель-Машад, Г.М. Сонячний термофільний анаеробний реактор (STAR) для виробництва відновлюваної енергії. Кандидатська дисертація. Нідерланди: Університет Вагенінген. Отримано з програми edepot.wur.nl/121501.

Хобсон, П.Н., & Річардсон, А.Дж. (1983). Мікробіологія анаеробного травлення. В B.F. Pain & R.Q. Hepherd (ред.), Анаеробне травлення сільськогосподарських відходів. Технічний бюлетень 7. Редінг, Великобританія: Національний інститут досліджень молочних продуктів.

Ханал С.К. Анаеробна біотехнологія для виробництва біоенергії: принципи та застосування. Еймс, ІА: Вілі-Блекуелл.

Косарич Н., Блащик Р. Промислова переробка стоків. В: Дж. Ледерберг (ред.), Енциклопедія мікробіології (Том 2, с. 473—491). Нью-Йорк, Нью-Йорк: Академічна преса.

Леттінга, Г., Ребак С., & Зееман, Г. (2001). Виклик психрофільного анаеробного очищення стічних вод. Тенденції біотехнологій. 19 (9), 363-370. https://doi.org/10.1016/S0167-7799(01)01701-2.

Павлостатіс, С.Г. & Гіральдо-Гомес, Е. (1991). Кінетика анаеробного лікування: критичний огляд. Критичний. Преподобний Енвірон. Контрольна, 21 (5/6), 411-490. https://doi.org/10.1080/10643389109388424.

Спіс, Р.Е. (1996). Анаеробна біотехнологія для очищення промислових стічних вод. Нашвілл, Теннессі: Архея Прес.

Станьє, Р.Ю., Дудорофф, М., Адельберг Е.А. (1972). Загальна мікробіологія. Енглвудські скелі, Нью-Джерсі: Прентіс-Холл.

Стеттер, К.О. Гіпертермофільні прокаріоти. Мікробіол ФЕМС. Обр., 18, 149-158. https://doi.org/10.1111/j.1574-6976.1996.tb00233.x.

Чжан М. Відновлення енергії та поживних речовин з органічних відходів шляхом анаеробного травлення та обробки дигестату. Кандидат технічних наук, дис. Девіс, Каліфорнія: Каліфорнійський університет, Девіс.