Лабораторная получение биогаза

Практична робота № 9

«Отримання біогазу з органічних залишків»

Загальні положення.

Органічні відходи багатьох виробництв (цукрових, молочних заводів) і сільського господарства (стоки ферм, фекальні маси) зазвичай, потрапляють в річки, забруднюючи джерела водопостачання. При розкладанні цих відходів утворюються шкідливі речовини, що впливають негативно на здоров'ї людини; тому утилізація відходів одна з кардинальних проблем екології.

Метанове бродіння відоме давно (мерехтливі вогники на кладовищах, виділення болотяного газу). Воно відбувається при розкладанні продуктів, що містять вуглеводи. Це спосіб анаеробного дихання певних груп бактерій, які з вуглеводів органічної маси утворюють метан (СН4), - 65%, вуглекислий газ (С02) - 30% і незначна кількість інших газів: сірководень (Н2s) - 1%, азот, кисень, водень і закис вуглецю. При цьому виділяється енергія, яка перетворюється на теплову і нагріває субстрат.

У процесі беруть участь три групи бактерій, які працюють послідовно, розкладаючи органічну речовину до простіших компонентів. Перші перетворюють органічну речовину і масляну, пропіонову і молочну кислоти, другі перетворять ці кислоти в оцетову кислоту, водень і вуглекислий газ, а потім метанотвірні бактерії перетворюють вуглекислий газ на метан з поглинанням водню.

Вивчивши ці процеси, вчені багатьох країн (США, Франції, Японії) розробили способи культивування метанових та інших видів бактерій; особливі фірми вже займаються цим і продають мікроорганізми в пробірках. Застосування цих бактерій значно прискорює процес бродіння і отримання біогазу, який використовується для опалення, підігріву води на фермах, приготування їжі в США, Китаї, Бразилії, Індії, Японії. В якості вихідного субстрату використовуються всі органічні залишки, що містять багато вуглеводів (солома, деревна тріска листяних порід, бадилля, відходи цукрової промисловості, відходи фруктово-консервної промисловості, каналізаційний мул, відходи худоби, особливо свиней). Так, при рівній масі фекалій, зі свинячого гною виходить на 50% більше біогазу, ніж від інших тварин. Способи отримання біогазу розроблені також і в Росії (наприклад, для великих свиноферм Воронезької області).

Метанові бактерії в природному середовищі існують у невеликій кількості на самих відходах, а також в гумусовому шарі родючого грунту з нейтральною рН, тому перешарування гною невеликою кількістю грунту дає певну стимуляцію процесу. Однак застосування особливих видів і штамів бактерій значно прискорює всі реакції. Так, за даними японських дослідників, метаногенеза органічних залишків у природних умовах півдня Японії відбувався за 20 днів, а із застосуванням особливих штамів бактерій - за 8.

У практичних цілях для отримання біогазу використовуються особливі водонепроникні цистерни (дайджестери), в яких бродіння біомаси відбувається при нейтральних рН (проти окислення використовується вапно) і при температурах вище +40°С (а іноді, при роботі високопродуктивних штамів бактерій - при 50-60°С). Зазвичай в цих умовах навіть без застосування особливих бактерій тривалість переробки гною великої рогатої худоби становить два - чотири тижні, рідкі ж відходи свиней зброджуються за 10 днів.

Середня місткість застосовуваних резервуарів - 6-12 м3, середній вихід біогазу - 0,15 м3 на добу на 1 м3 місткості. Малі ємності широко застосовуються в Індії. Вони являють собою круглі або чотирикутні циліндри з цегли, глини з щільно кришкою і відвідної трубою для збору газу. Процес відбувається в анаеробних умовах. Вжиті відходи повинні містити велику кількість вуглеводів і мале - азоту (С: N = 30: 1 - за масою). При наявності великої кількості азоту утворюється аміак, який пригнічує ріст метанобактерій і процес іде без утворення біогазу. Тому в біомасу, яка містить багато азоту (рідкі відходи свиней, залишки бобових культур), додають вуглеводи (подрібнену солому, жом цукрової тростини, відходи цукрового буряка).

Обладнання, матеріали

1) колба на 750-1000 мл або пластмасовий бутель, 2) пробка гумова з вивідною скляною трубкою, 3) гумова трубка зі скляним перехідником з діаметром, відповідним посудині для збору газу; 4) гумовий балон (можна пристосувати розтягнуту камеру гумової кульки); 5) термостат; 6) органічна маса, яка містить багато вуглеводів: відходи цукрових буряків, картоплі, листя, відходи злаків; 7) трохи високогумусного природного грунту.

Хід роботи

У колбу або пластмасову пляшку завантажують подрібнену біомасу, кожен шар злегка посипають гумусним грунтом, заливають теплою відстояною водою (без хлору) у співвідношенні 1:1 по об'єму, що повинно відповідати загальній концентрації твердих речовин 8-11% за масою. Якщо біомаса кисла, додають трохи вапна або крейди для нейтралізації. Біомаса з водою повинна не доходить до верху колби на 5 -6 см. Колбу щільно закривають гумовою пробкою з відвідною скляною трубкою, кінець якої в колбі розташовується над водою (для виходу газу). До скляній трубки приєднують гумову, яка через скляний перехідник з'єднується з м'яким балоном для приймання газу (рис. 11). Герметичність всіх з'єднань і пробки з колбою забезпечується пластмасовою ізоляційною стрічкою. Система ставить термостат при +40 ° С.

Виділення газу простежується протягом 1-4 тижнів по наповненню гумової камери. Перші порції газу слід спустити так як він змішаний з киснем повітря і при підпалюванні може відбутися невеликий вибух. Скупчився в гумовій камері газ (що видно по наповненню балона) ізолюють від колби лабораторним затиском, під'єднують довгу скляну трубку і на кінці її підпалюють газ, послабивши затискач.

Висновки:

Вищевказаний метод отримання біогазу можна випробувати для утилізації відходів в особистих господарствах, на дачах, побудувавши дайджестер з цегли, цементу, глини і обклавши його товстим шаром чорнозему, бо останнє сприятиме більшому нагріванню ємності та ізоляції від нічного охолодження.