Получение биогаза из отходов ферм

Как известно, проблема отходов ферм состоит в том, что навоз как органическое удобрение расходуется только периодически и поэтому накапливается у ферм, где занимает большие площади, выделяет дурной запах, загрязняя атмосферу, а порой, находясь в сильно разбавленном виде, просачивается из хранилищ в почву и далее попадает в водоемы, вновь нанося вред окружающей среде. Навоз, кроме того, является источником возбудителей инфекционных болезней и паразитов.

Практика переработки промышленных, коммунальных и сельскохозяйственных отходов базируется на использовании как аэробных, так и анаэробных микробных процессов. При аэробном процессе разложения органического вещества можно получить микробную биомассу кормового назначения в виде ила (однако имеет место потеря азота до 40%).

В случае анаэробной переработки отходов из органических веществ в конечном счете образуется смесь газов — метан, С0₂, Н₂ и др. В биогаз во время так называемого метанового брожения^[1] превращается 30—50% органического вещества. Если процесс брожсния проводится в термофильных условиях (при 55—57 °С), то одновременно достигается обезвреживание субстрата (погибают патогены и паразиты животных).

Некоторыми исследователями предлагается метановое брожение сочетать с аэробной ферментацией, чтобы помимо биогаза получать большой выход богатой белком микробной биомассы. Обогащенная соломой бражка метанового брожения навоза подвергается аэробной ферментации при помощи микром и цета Chaetomium cellu— lolyticum.

тот Микрофлора анаэробного метанового брожения. Метановое брожение является строго анаэробным процессом и осуществляется сложными микробными ассоциациями. На сегодняшний день известно более 20 видов метанобразующих микроорганизмов, или метаногснов, с различной морфологией: округлые, палочковидные, ланцетовидные, в виде спирали, образующие длинные нити и соединения клеток наподобие сарцин. Их относят к архебактериям (роды Methanobacterium, Methanococcus, Methanospirillum, Methanosarcina и др.).

Все известные метанобразуюшие организмы могут получать энергию в результате окисления Н₂, используя в качестве акцептора электронов С0₂. В результате С0₂ восстанавливается до СН₄. Представители отдельных родов могут использовать еще два субстрата — метанол и ацетат. Поэтому для того чтобы метаногены могли осуществить терминальный этап анаэробного разложения субстрата, необходима его предварительная подготовка: сложные соединения нужно превратить в простые, которые являются непосредственными предшественниками метана в среде. Первая стадия метанового брожения — кислотная, осуществляемая представителями Enterobac— teriaceae, Clostridiaceae, Lactobacillaceae, Streptococcaceae, приводит к образованию летучих органических кислот, формиата, ацетата, пропионата, бутирата, молочной и янтарной кислот, низших спиртов, альдегидов и кетонов, а также Н₂ и С0₂. Вторая стадия осуществляется Synthmphobacter и Synthrophomonas. Третья стадия— метаногенная — превращение Н₂ и уксусной кислоты в метан:

Основным продуктом первичного брожения в метантенках является ацетат. Из ацетата в метантенках образуется в среднем до 73% СН₄. Водородный путь дает до 30% метана. Таким образом, при метановом брожении в данной экосистеме должны присутствовать микроорганизмы тех ассоциаций, которые превращают первичные продукты брожения в ацетат, С0₂ и Н₂.

шшт Биотехнология метанового брожения. В биотехнологии получения биогаза из отходов ферм должны учитываться особенности метанового брожения. Большое влияние на метановое брожение оказывают температуpa. pH. состав среды и наличие в ней ингибиторов (мономеры, кислоты), концентрация и размеры твердых частиц, гидродинамические условия в ферментационной среде и другие факторы.

Наиболее существенное влияние на газовыдслснис оказывает температура. Выявлено, что оптимальная температура для максимального мстанообразования составляет 54—56 °С. Термофильный процесс к тому же обеспечивает исчезновение бактерий группы Е. coli, что очень важно с точки зрения обезвреживания навоза.

Несмотря на сложность метанового брожения, существует еще ряд методов интенсификации процесса.

ЯШШ Аппараты и технологические схемы. Биогазовыс реакторы можно условно разделить на однокорпусные («сельские») неинтенсивные, без дополнительного оборудования для подогрева и перемешивания, и на индустриальные с устройствами для перемешивания и системой управления процессом.

Однокорпусные («сельские») реакторы имеют объем в несколько кубометров и в основном работают в квазинепрсрывном мезофильном (30— 38°) режиме.

Вертикальные цилиндрические реакторы с верхней и нижней конусной частью широко применяются в коммунальном хозяйстве, изготавливаются из бетона или металла и достигают объема нескольких тысяч кубометров.

Болес интенсивно метановое брожение идет в двухступенчатой системе, состоящей из двух реакторов. Чтобы увеличить концентрацию биомассы в первом аппарате, работающем в интенсивном режиме, во втором реакторе осуществляется разделение твердого вещества и активной микрофлоры, часть этой массы возвращается в первый реактор.

В ряде стран с теплым климатом широкое применение нашли малогабаритные биогазовые установки рахзичных конструкций объемом от 1—2 до 50 м³. В Китае. Индии, Корее. Индонезии действуют несколько миллионов таких установок. В них процесс метанового брожения одноступенчатый. Биогазовые установки применяются для трех основных целей: получение биогаза как источника энергии; получение высокоэффективных органических удобрений; охрана окружающей среды.

Большинство исследователей считают, что биогазовыс установки при фермах решают проблему защиты окружающей среды, и это, наверное, самое главное.

• [1] Метановое брожение — устойчивое словосочетание, традиционноиспользуемое в биотехнологии и ряде других отраслей, под которым подразумевается процесс анаэробной переработки органического вещества. Онпредставляет собой совокупность различных микробиологических процессов, в том числе ряда брожений. Однако конечная стадия этого процесса —образование метана. — строго говоря брожением не является. Следует также отметить, что образующие метан прокариоты — мета-ногены — относятся к архебактсриям, или, но новой классификации — к ар-хеям (домен Archaea), в не к истинным бактериям (домен Bacteria). Поэтомусегодня микробиологи вынуждены избегать традиционного словосочетания"метанобразующие бактерии", заменяя его менее привычными терминами"метаногены", «мстанобразующис организмы» и т. д. (При использованииже названий «архебактерии» и «эубактерии» термин «метанобразующие бактерии» имеет право на существование.) (Прим, ред.)