Практическая работа № 8 «Получение биогаза из органических отходов»

Цель работы – изучить процесс метанового сбраживания различных органических отходов. Оценить возможности применения данного метода для утилизации органических отходов с получением альтернативного вида топлива.

Оборудование, материалы – колба на 750-1000 мл; пробка резиновая с отводной стеклянной трубкой; резиновый баллон; термостат; органическая масса, содержащая много углеводов: картофельные очистки, отходы сахарной свеклы, отходы злаков; немного высокогумусной естественной почвы.

Теоретические сведения.

Органические отходы многих производств (сахарных молочных заводов) и сельского хозяйства (стоки ферм, фекальные массы) обычно попадают в различные водоемы, являясь источниками загрязнения. При этом водоемы культурно-бытового и рыбохозяйственного назначения могут утратить свою функциональность из-за ухудшения в них качества воды. При разложении этих отходов образуются вредные вещества, оказывающие негативное воздействие на здоровье человека, поэтому утилизация отходов – очень серьезная проблема, требующая адекватного решения.

Выбор подходящей технологии утилизации отходов является довольно сложной задачей, и в некоторых отраслях промышленности не имеет пока должного внимания. Технология утилизации отходов тем привлекательнее, чем она более экологически и экономически эффективна. Экологический эффект заключается в значительном сокращении массы отходов, либо в их обезвреживании. Экономический эффект заключается во-первых в предотвращении экологического ущерба (а, значит, в освобождении от экологических платежей за негативное воздействие на окружающую среду), а, во-вторых, в получении вторичных материальных или энергетических ресурсов. Последнее, в прочем, достижимо не всегда.

Метановое брожение известно давно. Оно происходит при разложении продуктов, содержащих углеводы. Это процесс анаэробного дыхания определенных групп бактерий, при котором из углеводов органической массы образуется метан (СН₄) – 65%, углекислый газ (СО₂) – 30% и незначительное количество других газов: сероводород (Н₂S) – 1%, азот, кислород, водород и закись углерода. При этом выделяется энергия, которая превращается в тепловую и нагревает субстрат. Метан и углекислый газ являются парниковыми газами, поэтому любое поступление их в атмосферу нежелательно. При этом получаемый в процессе сбраживания биогаз, состоящий в основном из СН₄ и СО₂, может эффективно применяться в качестве топлива.

В процессе работают три группы бактерий, которые работают последовательно, разлагая органическое до более простых компонентов. Первые превращают органическое вещество в масляную, пропионовую и молочную кислоты, вторые преобразуют эти кислоты в уксусную кислоту, водород и углекислый газ, а затем метанобразующие бактерии превращают углекислый газ в метан с поглощение водорода.

Метановые бактерии в естественной обстановке существуют в небольшом количестве на самих отходах, а также в гумусовом слое плодородной почвы с нейтральным рН, поэтому переслаивание отходов небольшим количеством почвы в определенной степени стимулирует процесс. Однако применение особых видов и штаммов бактерий, культивируемых во многих станах мира, значительно ускоряет все реакции. Так, по данным японских исследователей, метаногенез из органических отходов в естественных условиях на юге Японии поисходил за 20 дней, а с применением особых штаммов бактерий – за 8.

В практических целях для получения биогаза используются особые водонепроницаемые цистерны (дайджестеры), в которых процесс брожения происходит при нейтральном рН (против закисления используется известь) и при температурах выше +40ºС. Обычно в этих условиях даже без применения особых бактерий длительность переработки навоза крупного рогатого скота составляет 2-4 недели, а жидких отходов свиней – 10 дней.

Перерабатываемые таким образом органические отходы должны содержать большое количество углеводов и малое – азота (С:N=30:1 – по массе). При наличии большого количества азота образуется аммиак, который подавляет рост метанобактерий и процесс идет без образования биогаза. Поэтому в биомассу, содержащую много азота добавляют углеводы (измельченную солому, отходы сахарной свеклы, жом сахарного тростника).

Технология метанового сбраживания для обезвреживания органических отходов и получения при этом альтернативного топлива – биогаза успешно применяется во многих странах мира - США, Бразилии, Китае, Индии, Японии.. Получаемый биогаз используется для отопления, нагрева воды на фермах, приготовления пищи.

Ход работы.

В колбу или пластмассовую бутыль загрузить измельченную биомассу, каждый слой слегка присыпать гумусной почвой, залить теплой отстоенной водой в соотношении 1:1 по объему. Если биомасса кислая, добавить немного извести или мела для нейтрализации. Полученная смесь не должна доходить до края колбы на 5-6 см. колбу плотно закрыть резиновой пробкой с отводной стеклянной трубкой, конец которой в колбе находится над смесью (для выхода биогаза). К стеклянной трубке присоединить резиновый баллон для сбора газа. Герметичность всех соединений обеспечить пластмассовой изолентой. Систему поставить в термостат при +40ºС.

Выделение газа прослеживается на протяжении 1-4 недель по наполнению резинового баллона. Первые порции газа следует спустить, т.к. он смешан с кислородом воздуха и при поджигании может произойти небольшой взрыв. Скопившийся в камере газ изолировать от колбы лабораторным зажимом, подсоединить длинную стеклянную трубку и поджечь газ на конце трубки.

Поиск по сайту: