Ферментация куриного навоза для получения биогаза

Thread Content

Куриный навоз является довольно качественным органическим удобрением; его содержание чистого азота, фосфора (P2O5) и калия (K2O) составляет примерно 1,63%, 1,54% и 0,085% соответственно. Перед использованием куриный навоз должен быть полностью переработан. Таким образом уничтожаются паразиты и их яйца, а также некоторые инфекционные бактерии, присутствующие в навозе. Поскольку в процессе перепревания куриный помет нагревается, это легко приводит к потере азота. Поэтому перед процессом разложения необходимо добавить подходящее количество воды, а также 5% фосфат кальция — это улучшит эффективность удобрения. Для брожения куриный навоз можно поместить в яму для навоза, где он будет находиться в условиях просачивания жидкости, либо его можно засыпать землей с поверхности для брожения. После полного перепревания куриный помет становится качественным основным удобрением для выращивания сельскохозяйственных культур, а при выращивании плодовых деревьев часто используется как основное удобрение, вносимое зимой и пригодное для использования в течение всего года. 　　Учитывая физиологические особенности кур, корм, который они потребляют, не переваривается и не усваивается полностью; примерно 40–70% питательных веществ выделяется с экскрементами. Поэтому экскременты кур содержат наибольшее количество питательных веществ среди экскрементов всех домашних животных. Однако, если куриный навоз используется напрямую на посевы без обработки или брожения, это может привести к серьезным ущербам и опасностям: при прямом внесении в почву он под воздействием соответствующих условий начинает бродить, выделяя большое количество тепла, что ведет к повреждению корней растений. Кроме того, сама куриная навоз содержит большое количество бактерий, что создает риск возникновения заболеваний у растений. Поэтому куриный навоз необходимо подвергнуть безвредной обработке и полностью переродить, прежде чем использовать его для удобрения растений. 　 　　Традиционный способ заключается в герметичном компостировании куриного навоза с проведением анаэробного брожения; на его перепревание обычно требуется 3–4 месяца. В настоящее время с помощью биотехнологий применяется аэробное брожение, при котором скорость перепревания увеличивается в 10–20 раз по сравнению с традиционным методом. При этом крупные молекулы, такие как белки, распадаются на более мелкие, которые могут непосредственно усваиваться растениями. У полностью перегнившего куриного навоза практически не остается неприятного запаха. Основным компонентом биогаза является метан. Биогаз состоит из 50%–80% метана (CH4), 20%–40% углекислого газа (CO2), 0%–5% азота (N2), менее 1% водорода (H2), менее 0,4% кислорода (O2), а также 0,1%–3% сероводорода (H2S) и других газов. Поскольку биогаз содержит небольшое количество сероводорода, он имеет слегка неприятный запах. Его свойства схожи со свойствами природного газа. Когда в воздухе содержится от 8,6 до 20,8% (по объему) биогаза, образуется взрывоопасная смесь газов. 1. Микроорганизмы, участвующие в процессе ферментации биогаза (рассмотрение взаимосвязей между бактериями: стимулирование, подавление, конкуренция и т. д.). Под микроорганизмами, участвующими в ферментации биогаза, понимается совокупность бактерий, включающая пять основных групп: бактерии, способные к ферментации, бактерии, вырабатывающие водород и уксусную кислоту, бактерии, потребляющие водород для выработки уксусной кислоты, бактерии, вырабатывающие метан из водорода, и бактерии, вырабатывающие метан из уксусной кислоты. Пять основных групп бактерий образуют пищевую цепочку. Судя по физиологическим метаболитам этих групп бактерий или влиянию их деятельности на значение pH в ферментационной среде, процесс производства биогаза можно разделить на этапы гидролиза, образования кислот и образования метана. Активность первых трех групп бактерий позволяет превращать органические вещества в различные органические кислоты; поэтому их объединяют под названием бактерий, не производящих метан. Деятельность бактерий вторых двух групп позволяет превращать различные органические кислоты в метан; поэтому их объединяют под названием метаногенов. 　　(1) Бактерии, не вырабатывающие метан. Бактерии, не вырабатывающие метан, способны преобразовывать сложные большие молекулы органических веществ в простые вещества с низкой молекулярной массой. Их существует множество видов. В зависимости от субстрата, на котором они действуют, их делят на бактерии, разлагающие волокна, поливолокна, крахмал, белки и жиры, а также на некоторые специальные бактерии, такие как бактерии, вырабатывающие водород, и бактерии, вырабатывающие уксусную кислоту. 　　(2) Метаногены Метаногены являются основными компонентами процесса ферментации в биогазовых установках – они и производят метан. Это ядро микроорганизмов, участвующих в процессе ферментации биогаза. Они являются строгими анаэробами, чрезвычайно чувствительны к кислороду и окислителям; оптимальный диапазон pH — нейтральный или слегка щелочной. Они растут за счёт углекислого газа и водорода, выделяя метан в качестве отходов; это самые простые микроорганизмы по требованиям к питательным веществам. 　　2. Принцип ферментации биогаза (связь с ростом и метаболизмом микроорганизмов) Ферментация биогаза, также называемая анаэробным разложением, — это процесс, при котором различные органические вещества под анаэробными условиями расщепляются и преобразуются различными микроорганизмами, участвующими в ферментации биогаза, в результате чего образуется биогаз. В настоящее время общепринятым является следующий процесс ферментации биогаза: (Примечание: ① I, II – это теория трех этапов; ② I, II, III, IV – это теория четырех групп.) 3. Теория трех этапов 3.1 Этап жидкостного состояния в процессе ферментации биогаза В качестве сырья для ферментации биогаза используются различные органические вещества: экскременты животных и птиц, стебли сельскохозяйственных культур, отходы пищевой промышленности и сточные воды, а также отходы производства алкоголя. Основными химическими компонентами этих веществ являются полисахариды, белки и липиды. Среди них полисахариды являются основными компонентами сырья для ферментации; к ним относятся крахмал, целлюлоза, полуцеллюлоза, пектин и т. д. Большинство этих сложных органических веществ не растворяются в воде. Сначала их необходимо расщепить с помощью экзоферментов, выделяемых бактериями-ферментаторами, на растворимые сахара, пептиды, аминокислоты и жирные кислоты, после чего микроорганизмы смогут их усвоить. После того, как бактерии, способные к ферментации, поглощают вышеупомянутые растворимые вещества в свои клетки, они преобразуют их с помощью процесса ферментации в жирные кислоты, такие как уксусная, пропионовая, бутирновая, а также в спирты и определенное количество водорода и углекислого газа. В процессе измерения процесса биогазового ферментирования общее количество уксусной, пропионовой и бутирной кислот в ферментативном растворе называется суммарными летучими кислотами (TVA). Белковые вещества расщепляются бактериями, способными к ферментации, на аминокислоты, которые затем могут быть использованы бактериями для синтеза клеточных структур. При избытке аминокислоты они могут быть дальше расщеплены с образованием жирных кислот, аммиака и сероводорода и т. д. Уровень содержания белков напрямую влияет на содержание аммиака и сероводорода в биогазе, тогда как органические кислоты, образующиеся при разложении аминокислот, могут далее превращаться в метан, углекислый газ и воду. Под действием бактериальных липаз жирные вещества сначала гидролизуются с образованием глицерина и жирных кислот. Глицерин может далее разлагаться по пути углеводного метаболизма, а жирные кислоты — микроорганизмами до нескольких молекул уксусной кислоты. 　　3.2 Этап образования кислот в процессе биогазообразования 　　3.2.1 Бактерии, вырабатывающие водород и уксусную кислоту 　　Органические кислоты и спирты, образующиеся в результате разложения сложных органических веществ бактериями-ферментаторами, за исключением муравьиной кислоты, уксусной кислоты и метанола, не могут быть использованы бактериями, вырабатывающими метан. Поэтому их необходимо преобразовать в уксусную кислоту, водород и углекислый газ с помощью бактерий, вырабатывающих водород и уксусную кислоту. 　　3.2.2 Бактерии, потребляющие водород для производства уксуса Бактерии, потребляющие водород для производства уксуса, также называются гомоуксуснокислыми бактериями. Это бактерии с смешанным типом питания, способные как к автотрофному, так и к хетеротрофному образу жизни. Они могут как синтезировать уксусную кислоту с помощью Hz+c0z, так и вырабатывать её в процессе метаболизма. Благодаря деятельности вышеупомянутых микроорганизмов различные сложные органические вещества превращаются в органические кислоты и Hz/c0z и т. п. 　　3.3 Этап метанообразования в процессе биогазообразования 　　3.3.1 Группы метаногенных бактерий 　　Метаногенные бактерии делятся на две основные группы: метаногены, питающиеся водородом, и метаногены, питающиеся уксусной кислотой. В процессе ферментации биогаза образование метана происходит благодаря группе высоко специализированных по физиологическим характеристикам архей – метаногенов. К метаногенам относятся гидроген- и уксусноконсумирующие метаногены. Они являются последней группой в пищевой цепи процесса анаэробного разложения. Несмотря на разнообразие их форм, их положение в пищевой цепи придает им общие физиологические особенности. В анаэробных условиях они превращают конечные продукты метаболизма трех первых групп бактерий в уксусную кислоту и H2/CO2 при отсутствии внешних акцепторов водорода. Превращение в газообразные вещества — CH4/CO2 — обеспечивает успешное разложение органических веществ в анаэробных условиях. Известные на сегодняшний день процессы образования метана осуществляются двумя разными группами метаногенных бактерий. 　　① Реакция образования метана из CO2 и H2 выглядит следующим образом: C02 + 4H2 → CH4 + H2O. ② Реакции образования метана из уксусной кислоты или её производных имеют вид: CH3COOH → CH4 + CO2; CH3COONH4 + H2O → CH4 + NH4HCO3. 3.3.2 Физиологические особенности метаногенов. ① Для роста метаногенов необходима строго анаэробная среда. Метаногены широко встречаются в отложениях на дне водоемов, а также в пищеварительных трактах животных – в условиях крайней анаэробии. 　　② Питание метаногенов простое: они способны метаболизировать лишь несколько видов углеродных субстратов для выработки метана. 　　③ Метаногены могут произрастать в условиях нейтрального уровня pH. ④ Рост метаногенов происходит медленно. На рисунке ниже показана цепочка питания и распределение энергии в процессе биогазообразования: 4. Теория четырех групп. Некоторые исследователи делят процесс ферментации на несколько этапов в соответствии с биохимическими процессами преобразования (как показано на рисунке): ① Гидролиз: бактерии родов Clostridium и Bacteroides разлагают крупные молекулы органических веществ, такие как углеводы и белки, на более мелкие органические соединения, такие как глюкоза и аминокислоты ； 　　②Ферментация: бактерии рода Clostridium, Bacteroides и другие бактерии (например, молочнокислые бактерии, бактерии рода Propionibacterium) дальше разлагают гидролизованные продукты на небольшие молекулы спиртов, органических кислот, углекислого газа, водорода, аммиака и т. д ； 　　③Производство уксусной кислоты и водорода: разложение мелких молекул спиртов и некоторых жирных кислот, образующихся в процессе ферментации, с превращением их в уксусную кислоту, муравьиную кислоту, углекислый газ и водород. О этих бактериях известно пока мало; даже вид и род ещё не определены. Однако уже установлено, что водород, вырабатываемый этими бактериями, оказывает подавляющее действие на их дальнейший рост и размножение. Поэтому бактерии, вырабатывающие уксусную кислоту и водород, должны сосуществовать с бактериями, способными использовать водород, такими как метаногенные бактерии и Acetobacter woodii ； 　　④Метаногенез: метаногенные бактерии преобразуют водород, углекислый газ, а также формиат, уксусную кислоту, метанол и метиламины, образовавшиеся на первых трех этапах, в метан. Метаногенные бактерии имеют разнообразную морфологию, но их физиологические характеристики в целом схожи: в условиях недостатка кислорода они выделяют метан в качестве основного продукта метаболизма. 　　Экологические отношения между микроорганизмами, участвующими в процессе биогазового ферментирования. В процессе биогазового ферментирования бактерии, не производящие метан, и бактерии, производящие метан, находятся в взаимозависимости: они создают друг для друга благоприятные условия для существования и поддержания жизнедеятельности. Однако они также ограничивают действия друг друга, поэтому в процессе ферментирования всегда сохраняется равновесие. Основные связи между ними проявляются в следующем: ① Бактерии, не производящие метан, обеспечивают бактериям, производящим метан, субстрат, необходимый для их роста и выработки метана. ② Бактерии, не производящие метан, создают для бактерий, производящих метан, подходящие условия по уровню окислительно-восстановительного потенциала. ③ Бактерии, не производящие метан, удаляют из среды вредные вещества. ④ Бактерии, производящие метан, способствуют снятию обратной ингибиции в биохимических реакциях бактерий, не производящих метан. ⑤ Бактерии, не производящие метан, и бактерии, производящие метан, совместно поддерживают подходящий уровень pH в среде. 5. Процессы ферментации В зависимости от сырья для ферментации и условий её проведения существует множество различных методов ферментации. 　　5.1 Основные этапы процесса ферментации биогаза
Любой полноценный проект по производству биогаза, независимо от его масштабов, включает в себя следующие этапы: сбор сырья (сточных вод), его предварительная обработка, использование реакторов для ферментации, последующая обработка полученного продукта, а также очистка и хранение биогаза. Это показано на рисунке ниже.

5.2 Основные условия для процесса ферментации биогаза (условия культивирования микроорганизмов и подготовка среды для их культивирования)
(1) Подходящая температура ферментации
Условия температуры в реакторах для ферментации делятся на: ① ферментацию при комнатной температуре (также называемую ферментацией при низкой температуре) – от 10°C до 30°C. При таких температурах скорость выработки биогаза может составлять от 0,15 до 0,3 м³/м³·день. ② Ферментация при средней температуре: 30°C–45°C. При таких температурах уровень выработки газа на единицу объема резервуара составляет примерно 1 м³/м³·день. ③Ферментация при высоких температурах в диапазоне от 45°C до 60°C; при таких температурах уровень генерации газа в бассейне может достигать примерно 2–2,5 м3/м3•д. Наиболее экономичные температурные условия для ферментации биогаза — 35°C, то есть ферментация при средней температуре. 　　(2) Подходящая концентрация ферментационной жидкости. Диапазон концентрации ферментационной жидкости составляет 2–30%. Чем выше концентрация, тем больше газа образуется. Концентрация ферментированной суспензии выше 20% называется сухой ферментацией. Концентрацию ферментативного раствора в сельских домашних биогазовых установках можно регулировать в зависимости от количества используемого сырья, потребностей в газе и сезонных изменений. Летом концентрация теплозарядящих веществ составляет 5–6% ； Зимой температуру поддерживают за счёт добавления материала на уровне 10–12%. 　　(3) Оптимальное соотношение углерода и азота в сырье для ферментации (C:N) Микроорганизмы, участвующие в процессе производства биогаза, в первую очередь нуждаются в углероде; за ним следует азот. Отношение потребности микроорганизмов в углероде и азоте называется соотношением углерода к азоту и обозначается символом C:N. В настоящее время обычно используется соотношение C:N = 25:1. Но это не совсем строго: ферментация может происходить при соотношениях 20:1, 25:1 и 30:1. 　　(4) Оптимальный уровень кислотности (значение pH) Для ферментации биогаза оптимальным уровнем кислотности является pH=6,5–7,5. Значение pH влияет на активность ферментов, а значит, и на скорость ферментации. 　　(5) Достаточное количество микроорганизмов. Количество и качество микроорганизмов напрямую влияют на объем и качество вырабатываемого биогаза. Как правило, необходимо добиться уровня 10–30% от общего объема субстрата для ферментации, чтобы обеспечить нормальное запускание процесса и интенсивное выделение газа. 　　(6) Низкий потенциал окислительно-восстановительного реакта (анаэробные условия). Метанообразующие бактерии могут расти только при потенциале окислительно-восстановительного реакта, превышающем –330 мВ. Это условие заключается в строгой анаэробной среде. Поэтому биогазовый резервуар должен быть герметичным.