Биореактори за органични отпадъци

Отпадъците от животновъдната и хранителната индустрия се състоят от биоразградими органични остатъци от преработката на сурови растителни суровини и крайни животински продукти. Най-големи количества отпадъци и странични продукти се отделят при обработката на плодове и зеленчуци, месо и риба, както и при производството на сирене и захар. В първа част на статията ще разкажем за процесите на анаеробно разлагане, за мократа и суха ферментация, за мезофилния и термофилен температурен режим, за влиянието на pH върху метаногенезата, за продължителността на ферментацията и за инхибиторите на метановия ферментационен процес.

Текст: списание АгроБио Техника

При разлагането на биоотпадъците се отделят токсични и неприятно миришещи вещества, които са хранителна среда за различна вредна микрофлора - микроскопични гъбички и бактерии, които заразяват почвата, въздуха, подпочвените води и водоемите. Извозването и депонирането на органични отпадъци се явява значителен разход за производителите от ХВП. Динамиката на нарастващите цени на енергията и икономическите ползи в дългосрочен план, все повече подтикват производителите към проектиране и изграждане на биогазови инсталации за преработка на отделяните от производството органични отпадъци.

Проектите за биогаз в сектора на ХВП могат да бъдат организирани по един от следните два начина. Първият е, производство на биогаз на базата от органични отпадъци от отделно предприятие при доминиране на един вид отпадъци (например, обеззахарени цвеклови резанки от производство на захар, спиртоварска каша (джибри) от производство на алкохол). Вторият е, производство на биогаз при съвместна преработка различни видове отпадъци и странични продукти(например, резанки, меласа, раздробено захарно цвекло от производството на захар).

Сред предимствата на органичните отпадъци е фактът, че са лесно разградими и се отличават с по-висока степен на разлагане (86-90%) от останалите биоразградими отпадъци(например, отпадъците от селското и горско стопанства). Превръщането на хранителните отпадъци изхвърляни на сметищата в биогаз, би могло значително да намали вредните емисии на метан, отделяни в атмосферата. Сред все по-разпространените методи за производство на биогаз от биоразградими органични отпадъци, е анаеробното разлагане в биореактори (ферментатори).

Процеси на анаеробното разлагане

За образуването на биогаз, анаеробната ферментация протича с едновременното и взаимозависимо извършване на четири биохимични реакции-хидролиза, ацидогенеза, ацедогенеза, метаногенеза. При хидролизата, сложните органични молекули се разграждат до разтворими мономери. Хидролитичните и ферментационни бактерии - целулаза, протеаза и липаза, отделят ензими катализиращи биохимичната реакция. Получават се разтворими захари, аминокиселини, глицерол и дълго верижни карбонови киселини. При ацидогенезата - образуване на киселини, ферментатидни бактерии, известни още като формиращи киселини, трансформират продуктите от хидролизата в 30% прости органични киселини-оцетна, пропионова и маслена киселина, както и етанол, въглероден диоксид и водород.

Процесът на образуване на киселини се съпровожда с протичане на две биохимични реакции-ферментация и реакция на образуване на киселини. С ферментацията, разтворимите органични продукти от хидролизата се трансформират в прости органични съединения-летливи мастни киселини, кетони и алкохоли. При ацетогенезата, летливите мастни киселини и алкохоли се окисляват в ацетат, водород и въглероден диоксид, преди превръщането им в метан. Важни реакции са превръщането на глюкозата до ацетат, както и превръщането на етанола и бикарбоната до ацетат.

Водорода има критично значение при образуването на пропионовата и маслената киселини, защото контролира активността на ацетогенните бактерии. Тези реакции могат да се осъществят, само ако концентрацията му е много ниска. При метаногенезата - специалните едноклетъчни микроорганизми - archaea, произвеждат метан от ацетат, водород и въглероден диоксид. 70% от образувания метан се получават от ацетат, докато останалите 30% се получават при редукцията на въглероден диоксид с водород.

Това е най-бавната част от процеса. Тя е силно зависима от експлоатационните условия-състав на суровината, скорост на захранване, температура и pH на средата. Целта е създаването на подходящи условия за поддържане на активността на анаеробните микроорганизми. Отделеният метан при метаногенезата се използва като гориво за изгаряне в ко-генератори за получаване на възобновяеми електрическа енергия и топлина. Като краен продукт в биореактора се получава и остатъчна биомаса. Тя се състои от неразградена напълно суровина и клетки на метаногенните бактерии. Използва се като течен биотор за селскостопанските култури.

Мокра и суха ферментация

В зависимост от вида на сухото вещество в преработваната биомаса , анаеробната ферментация се разделя на два основни вида-мокра и суха. При сухата ферментация, органичните отпадъци(например, обеззахарени цвеклови резанки, меласа) със съдържание на сухо вещество над 35%, както и селскостопанска отпадъчна биомаса, се зареждат един върху друг в биореактор. В него при температура от 40°C и в продължение на 28-30 дни, се извършва ферментацията на заложената биомаса. Съотношението на смесване на прясна с ферментирала биомаса е 40:60%.

По този начин става заразяване на прясната биомаса от ферментиралата. При мократа ферментация се разграждат предимно органични отпадъци от животински произход-оборски тор, със съдържание на сухо вещество под 30%, както и различни утайки получени от пречистването на отпадъчни води от ХВП. Мократа ферментация е по-често използваната технология за производство на биогаз. Течната фаза на отпадъчната биомаса създава добра възможност за обмяната на хранителни вещества и енергия между анаеробните бактерии и преработваните субстрати.

Могат да се смесват различни субстрати в определено процентно съотношение. Широко приложение има смесването на течни и твърди субстрати. Съдържанието на сухо вещество в тях трябва да е под 30%. В резултат на мократа ферментация се получава биогаз, който се отделя от органичната течност. Полученият газ се състои основно от метан и въглероден диоксид. Скоростта на анаеробните ферментационни процеси, а също и добива на получения биогаз, силно зависят от температурата, pH на средата, продължителността на ферментацията, наличието на инхибитори и др. Стабилността на ферментацията се определя от оптималната комбинация от всички параметри, влияещи върху процеса.

Мезофилен и термофилен температурен режим

За поддържане на необходимия анаеробен технологичен режим на ферментация, е необходимо да се предвиди зареждане на органичните отпадъци в биорекаторите, равномерно през целия ден. В зависимост от температурата, при която протича анаеробния ферментационен процес, биоректорите могат да работят в два режима - мезофилен и термофилен.  При мезофилния режим анаеробния ферментационен процес на разлагане протича при температура 33°C и продължителност от 5 седмици. Допустимото отклонение на температурния режим, е +/-1°C в час.

Мезофилното разлагане се характеризира със стабилност на режима и поддържане на по-ниска температура в сравнение с термофилното, а оттук и по-малки енергийни разходи. Сред основните му предимства са, безпроблемната експлоатация, отсъствието на неприятна миризма и вредно влияние върху обкръжаващата среда. При термофилния режим на разлагане, анаеробния процес протича при температура 54°C и продължителност от 2-3 седмици.

Допустимото отклонение на температурния режим, е +/-0,5°C в час. Термофилното разлагане осигурява приблизително два пъти по-бързо протичанe на анаеробния фементационен процес на разлагане, в сравнение с мезофилния режим. Това позволява няколко пъти да се намали обема на биореакторите. Съответно и количеството на отделяния газ, за едно и също време на протичане, е по-голямо. Същевременно се извършва и обеззаразяване на отпадъците, което дава възможност за използване на ферментираната маса под формата на биотор.

По отношение на аминокиселинния състав, тези биоторове са значително по-слаби от тези, получени чрез мезофилна ферментация. Недостатъците на термофилния режим са свързани с поддържането на по-висока температура, което е свързано с допълнително подаване на външна топлинна енергия (по-високи енергийни разходи). В сравнение с мезофилния процес, термофилния е по-малко стабилен, а съдържанието на метан в биогаза е по-ниско.

 Влияние на pH върху метаногенезата

Показателят рН-концентрация на водородните йони, е мярка за киселинността/алкалността на разтворите. Той оказва влияние върху растежа на микроорганизмите и разграждането на субстрата-органичните отпадъци. Установено е, че най-добре протичат жизнените процеси на метаногенните бактерии при рН 7,2-7,4. Киселинността/алкалността на разтворите се изменя по-следния начин. В началото на мезофилната ферментацията образуващите бактерии са с високо рН.

След около 15 дни метаногенните бактерии се развиват и се получава бавно спадане на киселинността, защото киселините се превръщат в метан. Тогава рН на средата се намира между 6,5 и 8,3. Поддържане на оптимален интервал на рН на средата, се постига чрез стриктно спазване на технологичния процес. Ако рН падне под 6,0 или надхвърли 8,3, средата ще оказва отрицателно въздействие върху жизнените процеси на бактериите и ферментационния процес силно ще се затрудни. Възможно е контролиране на рН, чрез внасяне на алкално действащи вещества по време на ферментационния процес. Това обаче не е желателно.

Храната на бактериите се състои от органичен въглерод и органичен азот. Затова във входящата органична биомаса, трябва да има подходящо съотношение на азота-под формата на протеини и на въглерода-под формата на въглехидрати. От въглехидратите идва енергията на бактериите, а на протеините се дължи растежът им. Съотношението на въглерода и азота се смята за оптимално ако е 10-30. Работата на биореактора се влошава ако съотношението въглерод/азот е по-малко от 10, и когато е по-голямо от 60.

Продължителност на ферментацията

Технологичното време на ферментацията (времето на престой на суровините в биореактора) е неразривно свързано с дозата за зареждане. Тя се определя от количеството на пресните суровини, заредени в биореактора през определен интервал от време (обикновено на ден). Пълното разлагане на органичната материя изисква дълъг престой на ферментиралата маса в реактора и следователно използване на реактори с големи обеми. При определяне на продължителността на ферментацията се използва термина "време за оборот на биореактора" - BОБ, т.е. времето за пълното обновяване на съдържанието в реактора. То се определя от съотношението на обема на суровините в биореактора към обема на ежедневно заредените суровини.

Оптималното време за ферментация зависи от дозата на зареждане на реактора и температурата на ферментационния процес. Ако времето за ферментация е избрано твърде кратко, то при разтоварване на ферментиралата биомаса, бактериите от реактора се отмиват по-бързо, отколкото могат да се размножават, и процесът на ферментация практически спира. При прекалено дълго задържане на суровината в реактора, неговата производителност по биогаз и биоторова маса намалява. Оптималната продължителност на ферментацията зависи от състава и концентрацията на сухото органично вещество в суровината.

С по-голяма скорост протича отделянето на биогаз от суровини, съдържащи добре разтворими и лесно разградими органични съединения (течни отпадъци от хранително-вкусовата, микробиологичната и други промишлености, преработващи селскостопански суровини) от бактериите. По-бавно се ферментират животински отпадъци, битови отпадъчни води, съдържащи твърди органични включвания. Изборът на BОБ зависи и от целите на ферментацията на органичните отпадъци. Ако крайния преработен продукт се използва като тор, тогава дългосрочният BОБ е непрактичен, тъй като ферментиралата маса в бъдеще ще бъде обработена от почвените бактерии. Ако органичните отпадъци трябва да бъдат достатъчно обеззаразени, тогава е необходимо да се осигури максимална степен на разлагане на органичната материя и следователно да се увеличи продължителността на ферментацията.

Инхибитори на метановия ферментационен процес

Редица вещества могат да имат инхибиращ ефект върху метановия ферментационен процес. Но токсичен ефект върху микроорганизмите имат само разтворените в течността съединения. При преминаване към неразтворимо състояние, токсичния им ефект спира, тъй като в този случай веществата не могат да преминат през клетъчните стени на микроорганизмите. Веществата, които в определена концентрация възпрепятстват жизнената активност на микробите, са тежките метали и техните соли, алкалните и алкалоземни метали, амоняка, нитратите, сулфидите, детергентите, органичните разтворители, антибиотиците и дезинфектантите.

Токсичността на веществата зависи от адаптацията на биологичната култура към тях. Ако концентрацията на потенциално токсични вещества в околната среда се увеличава бавно, тогава много биологични организми могат да мобилизират своите метаболитни ресурси, като по този начин блокират проявите на действие на токсичните вещества. Много органични вещества, в зависимост от концентрацията, могат да оказват стимулиращ, микробо-статичен или микро-бициден ефект върху микроорганизмите. Така например, амонячният азот в концентрации 50–200mg/l има положителен ефект върху метановия ферментационен процес, при концентрации от 200–1000mg/l няма определен ефект, а при по-високи концентрации потиска процеса.