способ производства биогаза (варианты)

Классы МПК:C02F11/04 анаэробная обработка; производство метана этим способом
C02F3/28 способами анаэробного вываривания
C12M1/107 со средствами для сбора ферментационных газов, например метана
Автор(ы):, ,
Патентообладатель(и):Общество с ограниченной ответственностью "Восточный ветер" (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2013-01-09
публикация патента:

Изобретение относится к области биотехнологии и охраны окружающей среды и может быть использовано в производстве биогаза при сверхнормативном закисании сбраживаемых масс. Способ производства биогаза в периодическом или непрерывном режиме включает предварительную подготовку субстрата, анаэробное сбраживание в мезофильном режиме, непрерывный отвод биогаза из биогазовой установки и опорожнение метантенка от сброженной массы. При предварительной подготовке субстрата вводят буферный агент, содержащий преимущественно карбонат кальция. Изобретение позволяет повысить выход биогаза, нивелировать эффект сверхнормативного закисания сбраживаемых масс, исключить задержку и полную остановку процесса расщепления органических веществ, а также исключить торможение процесса метанового брожения. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 табл., 10 пр.

Формула изобретения

1. Способ производства биогаза в периодическом режиме, включающий предварительную подготовку субстрата, анаэробное сбраживание в мезофильном режиме, непрерывный отвод биогаза из биогазовой установки, опорожнение метантенка от сброженной массы, отличающийся тем, что в субстрат при его предварительной подготовке вводят буферный агент, содержащий преимущественно карбонат кальция.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве буферного агента используют дефекат - отход сахарной промышленности.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве буферного агента используют доломитовую муку.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве буферного агента используют строительный мел.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве буферного агента используют химически чистый карбонат кальция.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в субстрат при его подготовке добавлена пшеничная мука.

7. Способ производства биогаза в непрерывном режиме, включающий предварительную подготовку субстрата, последующее анаэробное сбраживание в мезофильном режиме, непрерывный отвод биогаза из биогазовой установки, опорожнение метантенка от сброженной массы, отличающийся тем, что в субстрат при его предварительной подготовке и/или при сбраживании вводят буферный агент, содержащий преимущественно карбонат кальция.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве буферного агента используют дефекат - отход сахарной промышленности.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве буферного агента используют доломитовую муку.

10. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве буферного агента используют строительный мел.

11. Способ по п.7, отличающийся тем, что в качестве буферного агента используют химически чистый карбонат кальция.

12. Способ по п.7, отличающийся тем, что в субстрат при его подготовке добавлена пшеничная мука.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области биотехнологии и охраны окружающей среды и может быть использовано в производстве биогаза, а именно для тех процессов метаногенеза, в которых может наблюдаться сверхнормативное закисание сбраживаемых масс.

Закисание сбраживания масс наблюдается в случае:

1. переработки субстратов, склонных к закисанию (навоз крупного рогатого скота, свиная жижа, энергетические культуры в нативном виде или в силосованной форме, углевод- и жиросодержащие отходы пищевой промышленности и т.п.);

2. переработки вышеперечисленных субстратов в более биодоступной форме (предварительно подвергшихся различного типа химической, физической, механической и ферментативной предобработке);

3. переработки вышеперечисленных субстратов с повышенным содержанием сбраживаемых органических сухих веществ (оСВ) в периодических процессах брожения или при повышении нагрузки метантенка по сбраживаемым веществам (кг оСВ/м3 в сутки) в непрерывных процессах брожения.

Известно, что субстраты, содержащие преимущественно быстро сбраживаемые углеводы и жиры и в особенности в более биодоступной форме, склонны к закисанию, и в непрерывных процессах метаногенеза их следует дозировать небольшими порциями и в ограниченном количестве. Аналогично в периодических процессах их также необходимо вводить в субстрат в небольших количествах (см. 1. Eder В. Biogas praxis / В. Eder, Н Schulz. - Staufen bei Freiburg, 2007. - p.32-34; Баадер В. Биогаз. Теория и практика / В. Баадер, Е. Доне, М. Бренндерфер. - М.: Колос, 1982. - С.16-17).

Известны способы сбраживания навоза, как периодические, так и непрерывные, для получения биогаза, при котором проводят смешивание, гомогенизацию навоза с водой и/или с жидкой фракцией сброженного ранее навоза, последующее анаэробное сбраживание полученной массы периодическим способом в мезофильном режиме при температуре 33-35°C, непрерывный отвод из метантенка биогаза и сброженной массы, разделение сброженной массы на твердую и жидкую фракции (см. 1. Eder В. Biogas praxis / В Eder, Н Schulz. - Staufen bei Freiburg, 2007. - p.44; Биоэнергетика: мировой опыт и прогнозы развития: Науч. ан. обзор. - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. - С.14-18).

Непрерывный способ отличается от периодического тем, что при периодическом сбраживании загрузку субстрата в биогазовую установку (БГУ) производят один раз перед сбраживанием, а при непрерывном способе предварительно подготовленный субстрат подается в БГУ непрерывно в первый метантенк, где производят преимущественно гидролиз, а из него - во второй метантенк преимущественно метанового брожения. Съем биогаза также производят непрерывно.

По данным многих исследователей-практиков практический выход биогаза из нативного навоза крупного рогатого скота (далее КРС) составляет 25-30 м3/т при содержании органических сухих веществ (оСВ) 6,4%. Считается, что нагрузка метантенка по навозу в 1 кг оСВ/м3 в сутки никаких проблем при сбраживании навоза не составляет (1. Eder В. Biogas praxis / В Eder, Н Schulz. - Staufen bei Freiburg, 2007. - Р.35). Наиболее близким аналогом выбран способ в соответствии с источником Eder В. Biogas praxis / В Eder, Н Schulz. - Staufen bei Freiburg, 2007. - 235 p.

Недостатком наиболее близкого аналога, как и других аналогов, является следующее. Вышеуказанное значение выхода биогаза достигается, если величина нагрузки метантенка по навозу КРС не превышает 2-3 кг оСВ/м3 в сут. При увеличении нагрузки до 4-5 кг оСВ/м3 в сутки выход биогаза снижается, и система считается перегруженной по органическим веществам. Перегрузка метантенка по органическим веществам провоцирует сверхвыработку бактериями микробного консорциума органических кислот, которые тормозят процесс метанового брожения, что, в свою очередь, приводит к снижению выхода биогаза за фиксированную длительность брожения. При стабильном процессе образования биогаза сумма органических кислот не превышает 2000 мг/л. Вследствие слишком высокой нагрузки по оСВ в результате быстрой подачи свежей порции навоза или очень легко расщепляемых (биодоступных) субстратов может произойти быстрое окисление и накопление кислот до уровня 16000 мг/л. Накопление кислот в таком количестве, сопровождаемое снижением рН, приводит к подавлению жизнедеятельности бактерий, что, в свою очередь, вызывает задержку или полную остановку последующих процессов расщепления кислот и спиртов [1. Eder В. Biogas praxis / В Eder, Н Schulz. - Staufen bei Freiburg, 2007. - Р.28-29]. Оперативным показателем уровня органических кислот в сбраживаемых массах является величина рН.

В то время как гидролизирующие и кислотообразующие бактерии имеют максимальную активность в кислой среде с уровнем рН 4,5-6,3, бактерии, образующие уксусную кислоту и метан, могут функционировать только в нейтральной или слабощелочной среде (рН 6,6-8,0). Для всех бактерий действует следующее правило: если уровень рН не соответствует оптимальному, то они становятся менее активными, что замедляет образование биогаза. Считается, что для метанобразующих бактерий оптимальным является уровень рН от 7,0 до 7,5 [1. Eder В. Biogas praxis / В Eder, Н Schulz. - Staufen bei Freiburg, 2007. - Р.19-25].

Противодействовать этому можно сокращением или полным прекращением подачи субстрата при непрерывном способе метанового брожения, а при периодическом способе брожения снижать концентрацию оСВ в навозе методом смешения его с водой и/или жидкой фракцией сброженных масс. В противном случае длительность периодического процесса метаногенеза значительно увеличивается или в случае фиксирования длительности процесса - снижается выход биогаза, тогда как при непрерывном процессе снижается съем биогаза (м 3/сут).

Задачей изобретения является повышение выхода биогаза при фиксированной длительности периодического способа сбраживания субстратов, склонных к закисанию, с повышенным содержанием в них оСВ, за счет нивелирования эффекта сверхнормативного закисания сбраживаемых масс и, следовательно, задержки или полной остановки процесса расщепления органических веществ, исключения торможения процесса метанового брожения.

Задачей изобретения является также повышение съема биогаза в процессах непрерывного сбраживания субстратов, склонных к закисанию, с повышенной нагрузкой метантенка по субстрату также за счет нивелирования эффекта сверхнормативного закисания сбраживаемых масс и, следовательно, задержки или полной остановки процесса расщепления органических веществ, исключения торможения процесса метанового брожения.

Задача решается в способе производства биогаза в периодическом режиме, включающем предварительную подготовку субстрата путем его смешивания (гомогенизации) с водой и/или предварительно полученной жидкой фракцией сброженной массы, анаэробное сбраживание в мезофильном режиме, непрерывный отвод биогаза из БГУ, опорожнение метантенка от сброженной массы, разделение сброженной массы на твердую и жидкую фракции, в котором, в отличие от прототипа, для повышения выхода биогаза при фиксированной длительности сбраживания субстратов, склонных к закисанию, с повышенным содержанием в них оСВ в смесь при ее предварительной подготовке вводят буферный агент, содержащий преимущественно карбонат кальция.

Задача решается в способе производства биогаза в непрерывном режиме, включающем предварительную подготовку субстрата путем его смешивания (гомогенизации) с водой и/или предварительно полученной жидкой фракцией сброженной массы, последующее анаэробное сбраживание в мезофильном режиме, непрерывный отвод биогаза из БГУ, опорожнение метантенка от сброженной массы, разделение сброженной массы на твердую и жидкую фракции, в котором, в отличие от прототипа, для повышения съема биогаза в процессах непрерывного сбраживания субстратов, склонных к закисанию, с повышенной нагрузкой метантенка по субстрату в смесь при ее предварительной подготовке и/или сбраживании вводят буферный агент, содержащий преимущественно карбонат кальция.

В качестве буферного агента используют дефекат - отход сахарной промышленности, доломитовую (известняковую) муку, строительный мел, химически чистый (х.ч.) карбонат кальция и т.п. или их смеси.

Дефекат - фильтрационный осадок, отход сахарного производства, в огромных количествах скапливающийся на территориях предприятия по производству сахара. Дефекат - мелкокристаллический продукт светло-желтого цвета, с размерами частиц 0,1-0,5 мм. Дефекат имеет следующий состав, масс.%: карбонат кальция - 78; полисахариды -2; Fe -1способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 3; Mg - 1способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 3; Mn - 0,003; Ti - 0,001; Mo - 0,001; Cu - 0,001; Si - 0,1; Al - 0,003; K - 3,0; Na - 1,3; P - 0,9; Pb - 0,001; W - 0,001; Zn - 0,01; Cr - 0,001; Co - 0,001; вода - остальное. Указанный химический состав соответствует составу отхода сахарного производства Уссурийского сахарного завода.

Строительный мел - осадочная горная порода, имеющая следующий состав: массовая доля углекислого кальция и углекислого магния в пересчете на углекислый кальций, не менее 96%; массовая доля веществ, не растворимых в соляной кислоте - 2,0%; массовая доля полуторных окислов железа и алюминия, не более - 0,7%; массовая доля окиси железа (III), не более - 0,25.

Доломитовая (известняковая) мука имеет следующий состав: суммарная массовая доля карбонатов кальция и магния - 80%, в том числе карбоната магния - 12%; массовая доля влаги - 6%.

Функция буферного агента, вносимого в субстрат, заключается в нейтрализации избыточного количества органических кислот, неизбежно накапливающихся при их периодическом или непрерывном сбраживании, что предотвращает процесс закисания бродящих масс, сопровождается стабилизацией величины рН и, следовательно, способствует повышению выхода биогаза и увеличению доли метана (СН4) в биогазе.

Предложенные буферные агенты, содержащие карбонаты кальция в водной суспензии, имеют почти нейтральную реакцию, и это позволяет их использовать без опасности перещелачивания для деятельности гидролитических, кислотообразующих бактерий, для которых оптимальным является значение рН 4,5÷6,3, и метанобразующих бактерий (оптимальная величина рН для их жизнедеятельности 6,6÷8,0). При осуществлении периодического или непрерывного способов брожения без каких-либо проблем буферные агенты с карбонатом кальция могут вводиться как на стадии подготовки субстратов, перед их преимущественным гидролизом, так и перед или на стадии преимущественно метанового брожения.

Кроме того, при исследовании предложенного способа было установлено, что при добавлении буферных агентов в субстрат перед фазой преимущественного гидролиза и в преимущественно гидролизованную массу перед фазой его преимущественного метанового сбраживания образующиеся при нейтрализации кальциевые соли соответствующих органических кислот (уксусная, пропионовая, муравьиная, масляная и т.п.) в дальнейшем с успехом биодеградируются микрофлорой метанового консорциума с образованием биогаза.

Реализация периодического способа производства биогаза заключается в следующем.

В качестве субстратов используется основной субстрат - нативный безподстилочный навоз КРС с начальным содержанием оСВ 8,0-8,8% и косубстрат - пшеничная мука непродовольственного назначения (дефектная). В экспериментах используется либо только основной субстрат, либо смесь основного субстрата с косубстратом. В первом случае навоз КРС тщательно смешивается (гомогенизируется) с водой и жидкой фракцией сброженных масс в соотношении 0,8÷1:1 до содержания 6,4% оСВ в полученной массе. Во втором случае навоз КРС также тщательно смешивается (гомогенизируется) с водой и жидкой фракцией сброженных масс в соотношении 0,8÷1:1 до содержания 6,0% оСВ с последующим внесением в полученную массу косубстрата до конечного содержания 6,4% оСВ. На этой стадии приготовления субстратов в них вносятся те или иные буферные агенты в количестве:

- для дефеката 0,015способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 0,045 г/г оСВ

- для карбоната кальция и строительного мела 0,012способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 0,035 г/г оСВ

- для доломитовой муки 0,015способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 0,044 г/г оСВ.

Доза дефеката и других агентов, содержащих карбонат кальция, зависит от вида субстрата и в каждом случае определяется на основании экспериментальных данных пробного технологического процесса с замером рН, нагрузки метантенка по субстрату и других показателей процесса.

Подготовленную таким образом массу в количестве 50 г загружают в метантенк, где сбраживают ее периодическим образом в течение 70 суток в мезофильном режиме при температуре 33-37°С. Процесс периодического сбраживания микробным консорциумом протекает в 4 этапа. На 1 этапе высокомолекулярные вещества субстрата гидролизуются до низкомолекулярных при рН 4,5способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 6,3. На 2 этапе низкомолекулярные вещества окисляются до органических кислот, спиртов и газов в диапазоне рН 6,6способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 7,5. На 3 и 4 этапах из уксусной кислоты образуются углекислый газ и водород, а из них затем образуется метан в диапазоне рН 6,6-8,0. Именно в тех случаях, когда используются субстраты, склонные к закисанию, и/или они подаются в повышенных дозах, и/или увеличена их биодоступность, возникает рассогласование этапов брожения, и на 2 этапе происходит сверхнормативное накопление органических кислот: уксусная, пропионовая, муравьиная, масляная и т.п. В этом случае рН сбраживаемых масс снижается, и жизнедеятельность микробного консорциума приостанавливается с отсрочкой прохождения последующих 3 и 4 этапов брожения. Буферный агент нейтрализует избыточное количество органических кислот, стабилизирует значение рН и, следовательно, обеспечивает нормальные условия жизнедеятельности микробного консорциума, что способствует повышению выхода биогаза и увеличению доли метана (СН4) в биогазе. При этом нами установлено, что образующиеся при нейтрализации кальциевые соли соответствующих органических кислот успешно биодеградируются микрофлорой метанового консорциума с образованием биогаза.

В течение всего процесса брожения производят отбор выделяющегося биогаза с определением в нем содержания метана. Содержание метана в биогазе определяли волюметрическим методом, путем поглощения углекислого газа гидроксидом калия.

По завершении процесса брожения производили замер величины рН сброженной массы. Сброженную массу разделяли на жидкую и твердую фракции. Часть жидкой фракции в дальнейшем использовали для разбавления исходного субстрата.

Реализация непрерывного способа производства биогаза заключается в следующем.

ПРОТОТИП.

В качестве субстрата использовалась смесь основного субстрата с косубстратом -пшеничной мукой непродовольственного назначения (дефектной), поскольку именного этот вид косубстрата из вышеперечисленных наиболее склонен к закисанию, так как содержит до 60% углеводов (крахмал) в максимально биодоступной форме. Навоз КРС тщательно смешивается (гомогенизируется) с водой и жидкой фракцией сброженных масс в соотношении 1:1 до содержания 6,0% оСВ с последующим внесением в полученную массу косубстрата до конечного содержания 6,4% оСВ. Далее подготовленный субстрат непрерывно подается в биогазовую установку, а именно сначала в первый метантенк (метантенк преимущественного гидролиза), а из него сбраживаемая масса самотеком перетекает во второй метантенк (метантенк преимущественного метанового брожения). Общий рабочий объем сбраживаемых масс в первом и во втором метантенках - 1 л при соотношении объемов метантенков 1:3. Величина нагрузки метантенков по оСВ субстрата была выбрана критической и составляла 5 г оСВ/л в сутки или 78 г субстрата (6,4% оСВ)/л в сутки. Суточное количество субстрата вводили дробно по 3 равные порции каждые 8 часов. Температура брожения 33-37°С. Производили непрерывный сбор биогаза из первого и второго метантенков с волюметрическим определением средней величины съема биогаза (Vб, мл/сут) и содержанием метана в биогазе за 1 месяц непрерывной и стабильной работы биогазовой установки. Ежесуточно определяли величину рН в первом и втором метантенках с помощью рН-метра. Непрерывно вытекающую из биогазовой установки сброженную массу разделяли на твердую и жидкую фракции с последующим частичным использованием жидкой фракции на стадии приготовления субстратов. ПРЕДЛАГАЕМЫЙ СПОСОБ.

Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что в субстрат и в сбраживаемую массу вводят буферные агенты в соотношении 1:3способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 5, т.е. одну часть буферного агента вносят в субстрат, непрерывно поступающий в первый метантенк, и 4 части агента вводят в сбраживаемую массу, перетекающую из первого метантенка во второй. Такое неравномерное распределение вносимого буферного агента по двум метантенкам продиктовано необходимостью поддержания различных оптимальных значений рН в каждом из метантенков: в первом метантенке процесс должен протекать в более кислой среде при рН 4,5способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 6,3, а во втором метантенке - в нейтральной или слабощелочной области рН 6,6способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 8,0.

Для непрерывного способа представлены данные по использованию в качестве буферного агента карбоната кальция (х.ч.). Другие агенты (дефекат, строительный мел и доломитовая мука) также исследовались в экспериментах, но результаты не представлены, так как их функциональные свойства и оптимальные дозировки в пересчете на карбонат кальция (х.ч.) только незначительно отличаются от таковых и коррелируют с данными, полученными в экспериментах по периодическому сбраживанию аналогичного субстрата. Суммарная удельная дозировка карбоната кальция на единицу субстрата (основного и косубстрата) составляла 0,4способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 0,7 г / г оСВ со следующим значением этого количества агента по метантенкам: в первом метантенке 0,1способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 0,175 г/г оСВ и во втором метантенке 0,3способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 0,525 г/г оСВ.

Ниже приведены примеры периодического способа производства биогаза, результаты которого отражены в Таблице 1.

Пример 1 (прототип). Периодический способ. В качестве исходного субстрата используется нативный безподстилочный навоз КРС с начальным содержанием органических веществ 8,0-8,8% оСВ. Субстрат тщательно смешивают с водой и жидкой фракцией сброженных масс в соотношении 1:1 до содержания 6,4% оСВ в сбраживаемой массе, в количестве 50 г загружают в метантенк и сбраживают периодическим способом в течение 70 суток (фиксированная длительность брожения) в мезофильном режиме при температуре 35-37°С. В течение всего процесса брожения производят отбор выделяющегося биогаза с определением в нем содержания метана. По завершении процесса брожения производят замер величины рН в сброженной массе.

Пример 2 реализует предлагаемый способ, который осуществляется в соответствии с примером 1, но на стадии разбавления навоза в него вносят дефекат кальция в количестве 0,015 г дефеката/г оСВ (меньше оптимального).

Пример 3 реализует предлагаемый способ, который осуществляется в соответствии с примером 2, но количество добавленного дефеката составляет 0,03 г/г оСВ (оптимально).

Пример 4 реализует предлагаемый способ, который осуществляется в соответствии с примером 2, но количество добавленного дефеката составляет 0,045 г дефеката/г оСВ (больше оптимального).

Пример 5 реализует предлагаемый способ, который осуществляется в соответствии с примером 2, но вместо дефеката добавляют карбонат кальция (х.ч.) в количестве 0,023 г/г оСВ (оптимальная дозировка). В экспериментах варьировались дозировки в большую и меньшую сторону с получением эффекта, аналогичного при использовании дефеката.

Пример 6 реализует предлагаемый способ, который осуществляется в соответствии с примером 2, но вместо дефеката добавляют строительный мел в количестве 0,024 г/г оСВ (оптимальная дозировка). В экспериментах варьировались дозировки в большую и меньшую сторону с получением эффекта, аналогичного при использовании дефеката и карбоната кальция (х.ч.).

Как видно из данных Таблицы 1, при сбраживании высокоплотного навоза без буферного агента - дефеката (Пример 1) сбраживаемые массы имели склонность к избыточному закисанию (рН 6,1), следовательно, выход биогаза имел минимальную величину и составил 21,8 м3/кг оСВ, а содержание метана в биогазе не превышало 50%. Использование дефеката в оптимальном соотношении 0,03 г дефеката/г оСВ (Пример 3) предотвратило процесс закисания масс (рН 7,1), выход биогаза был максимальным 28,4 м3/кг оСВ с увеличением доли метана в биогазе до 60%. Снижение или увеличение дозы вносимого дефеката (Пример 2 и 4) приводило к снижению выхода биогаза до 25,6 м /кг оСВ и 26,6 м3/кг оСВ соответственно, что указывает на снижение эффективности действия буферирующего агента в случаях недостаточности или избыточности нейтрализации органических кислот в сбраживаемых массах.

В пользу доказательства основного вклада карбоната кальция в эффект увеличения выхода биогаза за счет предотвращения процесса закисания служит эквивалентная (по карбонату кальция) замена дефеката на химически чистый карбонат кальция (х.ч) (Пример 5). При этой замене (0,023 г карбоната кальция/г оСВ) выход биогаза (27,5 м3/тСВ) если и уменьшился на 3,3% по сравнению с таковым при использовании дефеката (Пример 3), то незначительно. Наблюдаемое незначительное увеличение выхода биогаза при использовании дефеката по сравнению с карбонатом кальция объяснятся наличием в дефекате потенциально сбраживаемых в биогаз веществ - полисахаридов. То же самое подтверждают эксперименты (Пример 6) по равноценной замене химически чистого карбоната кальция на строительный мел - показатели процессов в примерах 5 и 6 практически сравнимы.

Далее приведены примеры непрерывного способа производства биогаза, результаты которого отражены в Таблице 2.

Пример 7 (прототип). В качестве субстрата использовалась смесь основного субстрата с косубстратом. Навоз КРС тщательно смешивается (гомогенизируется) с водой и жидкой фракцией сброженных масс в соотношении 1:1 до содержания 6,0% оСВ с последующим внесением в полученную массу косубстрата в виде дефектной муки до конечного содержания 6,4% оСВ. Далее подготовленный субстрат непрерывно подается в биогазовую установку, а именно сначала в первый метантенк, а из него сбраживаемая масса самотеком перетекает во второй метантенк. Общий рабочий объем сбраживаемых масс в первом и во втором метантенках - 1 л при соотношении объемов метантенков 1:3. Величина нагрузки метантенков по оСВ субстрата была выбрана критической и составляла 5 г оСВ/л в сутки. Суточное количество субстрата вводили дробно по 3 равные порции каждые 8 часов. Температура брожения 33-37°С. Производили непрерывный сбор биогаза из первого и второго метантенка с волюметрическим определением средней величины съема биогаза (л/сут) и содержанием метана в биогазе за 1 месяц непрерывной и стабильной работы биогазовой установки. Ежесуточно определяли величину рН в обоих метантенках с помощью рН-метра. Непрерывно вытекающую из биогазовой установки сброженную массу разделяли на твердую и жидкую фракции с последующим частичным использованием жидкой фракции на стадии приготовления субстратов.

Пример 8 реализует предлагаемый способ, который осуществляется в соответствии с примером 7, но в субстрат и в сбраживаемую массу вводят карбонат кальция (х.ч.) в соотношении 1:4, т.е. одну часть буферного агента вносят в субстрат, непрерывно поступающий в первый метантенк, и 4 части агента вводят в сбраживаемую массу, перетекающую из первого метантенка во второй. Суммарная доза вносимого карбоната кальция составляла 0,4 г/г оСВ (ниже оптимального).

Пример 9 реализует предлагаемый способ, который осуществляется в соответствии с примером 8, но доза вносимого карбоната кальция составляла 0,55 г/г оСВ (оптимально).

Пример 10 реализует предлагаемый способ, который осуществляется в соответствии с примером 8, но доза вносимого карбоната кальция составляла 0,7 г/г оСВ (больше оптимального).

В экспериментах также использовались и другие буферные агенты, которые были исследованы в Примерах 2-6 (дефекат и строительный мел) с получением аналогичных результатов.

Как видно из данных Таблицы 2, при непрерывном сбраживании основного субстрата (навоз КРС) с косубстратом (пшеничная мука непродовольственного назначения), склонным к сверхнормативному закисанию, в условиях критической нагрузки (5,0 г/г оСВ), имеет место сверхнормативное закисание (снижение рН ниже оптимального значения) как в первом, так и, что наиболее опасно, во втором метантенке (Пример 7). Поэтому среднесуточный съем биогаза и его выход были минимальными (1,11 л/сут и 222 л/кг оСВ соответственно), а содержание метана в биогазе не превышало 48%, что указывает на глубокое извращение процессов метаногенеза. Использование карбоната кальция в оптимальных дозировках 0,55 г/гоСВ (пример 9) предотвратило эффект сверхнормативного закисания сбраживаемых масс (значение рН сбраживаемых масс как в первом, так и во втором метантенках находилось в рамках оптимальных значений: для первого метантенка в области 4,5способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 6,3; для второго метантенка в области 6,6способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 8,0). В этом примере съем, выход и содержание метана в биогазе были максимальными (1,53 л/сут, 306 л/кг оСВ и 60% соответственно). Меньшие дозировки карбоната кальция (0,4 г/г оСВ) в примере 8 не предотвратили в полной мере эффект закисания сбраживаемых масс. Избыточное внесение карбоната кальция (Пример 10) и, следовательно, избыточная нейтрализации органических кислот так же привели к снижению значений съема и выхода биогаза по сравнению с таковыми для примера 9.

Таблица 1
Периодический способ производства
Параметры процесса Известный способПредлагаемый способ
1 Способ броженияпериодический Периодический для всех примеров
2Масса сбраживаемого навоза КРС, г 5050 для всех примеров
3 Нагрузка метантенка по навозу КРС, % оСВ 6,46,4 для всех примеров
4Фиксированная длительность периодического брожения, сут 7070 для всех примеров
5 Доза вносимого буферирующего агентаПример 1Пример 2 Пример 3 Пример 4 Пример Пример 6
-дефекат кальция, г/г оСВспособ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 0,0150,030* 0,045- -
-карбонат кальция (х.ч.), г/г оСВ-- --0,023* способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940
- строительный мел, г/г оСВ-- --- 0,024*
6 рН бражки на 70 сут. брожения6,1 6,67,1 7,27,07,0
7Съем биогаза, л0,70,82 0,910,85 0,880,87
8Выход биогаза, л/кг оСВ 218256284 266275 273
9Прирост выхода биогаза, отн.%- 17,430,322,0 26,125,2
10Содержание СН 4 в биогазе, %50 506060 6060
Примечание * оптимальное значение.

Таблица 2
Непрерывный способ производства
Параметры процесса Известный способПредлагаемый способ
1 Способ брожениянепрерывный непрерывный для всех примеров
2Масса сбраживаемого субстрата, л 11 для всех примеров
3Нагрузка метантенка по субстрату, г оСВ/л в сутки5,0 5,0 для всех примеров
4Фиксированная длительность периодического брожения, сут70 70 для всех примеров
5 Доза вносимого карбоната кальция (х.ч.), г/г оСВ Пример 7Пример 8 Пример 9Пример 10
способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 -0,4 0,550,7
6рН сбраживаемых масс:способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940 способ производства биогаза (варианты), патент № 2524940
- в 1 метантенке 3,84,25,1 6,8
- во 2 метантенке5,8 6,37,27,3
7Среднесуточный съем биогаза, л1,11 1,421,531,47
8Выход биогаза, л/кг оСВ222284 306295
9Прирост выхода биогаза, отн.%-27,9 37,832,9
10Содержание СН 4 в биогазе, %48 506060

Скачать патент РФ Официальная публикация
патента РФ № 2524940

patent-2524940.pdf

Класс C02F11/04 анаэробная обработка; производство метана этим способом

способ получения биогаза из экскрементов животных -  патент 2526993 (27.08.2014)
установка для переработки органического сырья -  патент 2525897 (20.08.2014)
реактор с восходящим потоком и с управляемой рециркуляцией биомассы -  патент 2522105 (10.07.2014)
способ переработки органических субстратов в газообразные энергоносители и удобрения -  патент 2518592 (10.06.2014)
анаэробный реактор -  патент 2518307 (10.06.2014)
способ очистки фракции навозного стока преприятий апк, сточной воды жкх и водоканалов с использованием метанового брожения -  патент 2513691 (20.04.2014)
способ переработки твердых органических субстратов -  патент 2505491 (27.01.2014)
устройство для утилизации органических субстратов с влажностью 92-99% с получением органических удобрений и электроэнергии -  патент 2505490 (27.01.2014)
способ биологической обработки концентрированных органических субстратов с получением удобрений, газообразного энергоносителя и технической воды и устройство для его реализации -  патент 2504520 (20.01.2014)
блочно-модульная биогазовая установка -  патент 2502684 (27.12.2013)

Класс C02F3/28 способами анаэробного вываривания

Класс C12M1/107 со средствами для сбора ферментационных газов, например метана

Наверх