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無線電子工学および電気工学の百科事典 バイオ燃料。 原材料の組成とその加工パラメータ。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
微生物学 有機性廃棄物からのバイオガスおよびバイオ肥料の生産は、嫌気性環境で分解されるとバイオガスを放出する廃棄物の特性に基づいています。 酸素欠乏状態。 このプロセスはメタン消化と呼ばれ、酸性とメタンという XNUMX つの主要な微生物グループによる有機物の分解の結果として XNUMX 段階で発生します。 バイオガス生産のXNUMXつの段階 バイオガスの生成プロセスは、加水分解、酸化、メタン生成の 8 つの段階に分けることができます。 この複雑な変化には多くの微生物が関与しており、その主なものはメタン生成細菌であり、そのうちの XNUMX 種類を図に示します。 XNUMX.
加水分解 最初のステップ (加水分解) では、微生物の細胞外酵素 (繊維、アミラーゼ、プロテアーゼ、リパーゼ) によって有機物が外部で発酵します。 細菌は、複雑な炭化水素、タンパク質、脂質の長い鎖を短い鎖に分解します。 発酵 酸生成細菌は、バイオガス形成の第 XNUMX 段階に参加し、複雑な有機化合物 (繊維、タンパク質、脂肪など) をより単純なものに分解します。 同時に、揮発性脂肪酸、低級アルコール、水素、一酸化炭素、酢酸、ギ酸などの一次発酵生成物が発酵培地中に現れます。これらの有機物質は、有機酸をメタン生成細菌に変換する食料源となります。バイオガス。 メタン生成 XNUMX 番目のステップに関与するメタン生成細菌は、低分子量の生成物を分解します。 水素、二酸化炭素、酢酸を利用します。 自然条件下では、メタン生成細菌は、水中や湿地などの嫌気性条件の存在下に存在します。 細菌は環境の変化に非常に敏感であるため、ガス発生の強さはメタン生成細菌の生存のために作られた条件に依存します。 バクテリアの共生 メタノ生成細菌と酸生成細菌は共生関係で相互作用します。 一方では、酸を生成する細菌は、メタン生成細菌にとって理想的なパラメーター (嫌気性条件、低分子量の化学構造) を備えた雰囲気を作成します。 一方、メタンを生成する微生物は、酸を生成する細菌の中間体化合物を利用します。 この相互作用が起こらないと、反応器内で両方のタイプの微生物の活動にとって不適当な条件が発生することになります。 発酵プロセスのパラメーターと最適化 酸生成細菌およびメタン生成細菌は、自然界、特に動物の排泄物中に遍在しています。 たとえば、牛の消化器系には肥料の発酵に必要な微生物の完全なセットが含まれており、メタン発酵のプロセス自体は腸内で始まります。 したがって、牛の糞尿は、新しい反応器に投入される原料としてよく使用されます。この反応器では、発酵プロセスを開始するには次の条件が十分です。
メタン生成の XNUMX つの段階に関与するさまざまな種類の細菌はそれぞれ、これらのパラメーターによって異なる影響を受けます。 また、パラメータ間には強い相互依存性があるため (たとえば、消化のタイミングは温度環境に依存します)、生成されるバイオガスの量に対する各要因の正確な影響を判断することは困難です。 反応器内の嫌気条件の維持 メタン生成細菌の生命活動は、バイオガスプラントの反応器内に酸素がない場合にのみ可能であるため、反応器の気密性と反応器内の酸素へのアクセスの欠如を監視する必要があります。 温度体制の遵守 発酵プロセスの温度範囲 最適な温度を維持することは、発酵プロセスにおいて最も重要な要素の 0 つです。 自然条件下では、バイオガスの形成は 97°C ～ 3°C の温度で発生しますが、有機廃棄物を処理してバイオガスとバイオ肥料を生成するプロセスの最適化を考慮して、XNUMX つの温度領域が区別されます。
最低平均気温 細菌によるメタンの生成の程度は、温度の上昇とともに増加します。 ただし、温度が上昇すると遊離アンモニアの量も増加するため、発酵プロセスが遅くなる可能性があります。 平均して、反応器加熱のないバイオガスプラントは、年間平均気温が約 20°C 以上の場合、または 18 日の平均気温が少なくとも 20°C に達する場合にのみ満足のいく性能を示します。 平均気温が 28 ～ 15°C になると、ガス生成量が不釣り合いに増加します。 バイオマスの温度が 8°C 未満の場合、ガス出力が非常に低くなり、断熱と暖房のないバイオガス プラントは経済的に実行できなくなります XNUMX。 最適原料温度 最適な温度体制に関する情報は原材料の種類によって異なりますが、キルギスタンで牛、豚、鳥の混合肥料を運用している PF「流体」施設の経験的データに基づくと、中温性温度体制の最適温度は次のとおりです。好熱性の温度条件は、加熱のない、温度制御のない設備で観察されます。 精神好性モードにおけるバイオガスの最も強い放出は 36°C で発生します。 原料温度変化 バイオメタン化プロセスは温度変化に非常に敏感です。 この感受性の程度は、原料の処理が行われる温度範囲によって決まります。 発酵プロセス中の温度は次の範囲内で変化します。
好熱性または中温性モード？ 好熱性消化プロセスの利点には、原材料の分解速度が向上し、その結果としてバイオガスの収量が増加すること、および原材料に含まれる病原菌がほぼ完全に破壊されることが含まれます。 好熱性分解の欠点は、反応器内の原料を加熱するのに大量のエネルギーが必要であること、最小限の温度変化に対する消化プロセスの影響を受けやすいこと、得られるバイオ肥料の品質が若干低いことです。 中温発酵モードでは、バイオ肥料の高いアミノ酸組成が保存されますが、原料の消毒は好熱モードほど完全ではありません。 栄養素 メタン細菌の増殖と生命活動には、原料中の有機栄養素とミネラル栄養素の存在が必要です。 バイオ肥料の作成には、炭素と水素に加えて、十分な量の窒素、硫黄、リン、カリウム、カルシウム、マグネシウムと、一定量の微量元素（鉄、マンガン、モリブデン、亜鉛、コバルト、セレン、タングステン、ニッケル）が必要です。その他。 通常の有機原料である動物の糞尿には、上記の元素が十分な量含まれています。 発酵時間 最適な消化時間は、リアクターの負荷量と消化プロセスの温度によって異なります。 発酵時間が短すぎると、消化されたバイオマスが排出されるときに細菌が増殖するよりも早くリアクターから洗い流され、発酵プロセスが実質的に停止します。 反応器内の原料の暴露時間が長すぎると、一定期間最大量のバイオガスとバイオ肥料を得るという目的が達成されません。 リアクターの所要時間 最適な発酵時間を決定する際には、「反応器ターンオーバー時間」という用語が使用されます。 反応器のターンアラウンドタイムは、反応器に装入された新鮮な原料が処理されて反応器から排出されるまでの時間です。 連続負荷を伴うシステムの場合、平均消化時間は反応器の容積と原料の XNUMX 日あたりの容積の比によって決まります。 実際には、リアクターの所要時間は、発酵温度と原料の組成に応じて次の間隔で選択されます。
原材料の一日の積載量 原料の 10 日あたりの装填量は、反応器の所要時間によって決まり、反応器内の温度が上昇するにつれて増加します。 反応器の回転時間が 1 日の場合、10 日あたりの負荷の割合は、負荷される原料の総量の 20/1 になります。 反応器の所要時間が 20 日の場合、1 日あたりの負荷の割合は、負荷される原料の総量の XNUMX/XNUMX になります。 好熱性モードで運転するプラントの場合、負荷率は反応器の総負荷の最大 XNUMX/S になる可能性があります。 原料処理時間 発酵時間の選択は、処理される原料の種類にも依存します。 中温温度条件下で処理された以下の種類の原材料の場合、バイオガスの大部分が放出される時間はおよそ次のとおりです。
酸塩基平衡 pH メタン生成細菌は、中性または弱アルカリ性の条件で生息するのに最適です。 メタン発酵のプロセスにおいて、バイオガス生成の第 XNUMX 段階は酸性細菌の活性段階です。 このとき、pH値は低下し、環境はより酸性になります。 ただし、プロセスの通常の過程では、反応器内のさまざまな細菌グループの生命活動は同様に効率的であり、酸はメタン細菌によって処理されます。 最適なpH値は6,5から8,5まで原料によって異なります。 リトマス試験紙を使用して、酸塩基平衡のレベルを測定できます。 酸塩基バランスの値は、紙が発酵性原料に浸漬されたときに得られる色に対応します。 炭素と窒素の比率 メタン発酵に影響を与える最も重要な要素の XNUMX つは、原料中の炭素と窒素の比率です。 C/N比が高すぎると、窒素不足がメタン発酵の進行を制限する要因となります。 この比率が低すぎると、細菌にとって有毒となるほど大量のアンモニアが生成されます。 微生物が細胞構造に同化するには窒素と炭素の両方が必要です。 さまざまな実験により、バイオガスの収量は炭素対窒素の比率が 10 対 20 のときに最大になることが示されていますが、最適値は原料の種類によって異なります。 バイオガスの高生産を実現するために、最適なC/N比を達成するために原料の混合が行われます。 表 2. 有機物の窒素比と炭素対窒素の比
適切な原材料の水分を選択する 原料中の代謝が妨げられないことは、バクテリアの活動が活発になるための必須条件です。 これは、原料の粘度が、液体とそれに含まれる固体の間で細菌や気泡が自由に移動できる場合にのみ可能です。 農業廃棄物にはさまざまな固形粒子が含まれています。 原材料中の固形物および乾物 砂、粘土などの固体粒子は、堆積物の形成を引き起こします。 より軽い物質は原料の表面に上昇し、その表面にクラストを形成します。 これはガス生成の減少につながります。 したがって、反応器に入れる前に植物残渣（わら、残り物など）を慎重に粉砕し、原料中に固形物が含まれないように努めることをお勧めします。 乾物含有量は肥料の水分含有量によって決まります。 水分含有量が 70% の場合、原料には 30% の固形分が含まれます。 さまざまな動物種の肥料および排泄物（ふんと尿）の水分含有量の概算値を表 4 に示します。 表3匹あたりの糞尿と排泄物の量と湿度
プラント反応器に投入される原材料の湿度は、冬は少なくとも 85%、夏は 92% でなければなりません。 原料の正しい水分含量を達成するために、肥料は通常、次の式で決定される量で熱水で希釈されます: RH = LF ((B2 - B1): (100 - B2))、ここで H は投入された肥料の量、 B1 は肥料の初期水分含有量、B2 は原材料の必要水分含有量、RH - リットル単位の水の量です。 この表は、100 kg の肥料を水分 85% と 92% に希釈するために必要な水の量を示しています。 表 4. 肥料 100 kg あたり必要な水分を達成するための水の量
定期的な混合 バイオガスプラントを効率的に運転し、反応器内の原料の発酵プロセスの安定性を維持するには、定期的な混合が必要です。 混合の主な目的は次のとおりです。
適切な方法と混合方法を選択するときは、発酵プロセスが異なる菌株間の共生であること、つまり、ある種の細菌が別の種の餌となる可能性があることを考慮する必要があります。 コミュニティが崩壊すると、新しいバクテリアのコミュニティが形成されるまで発酵プロセスは非生産的になります。 したがって、あまりにも頻繁な、または長時間にわたる激しい混合は有害です。 原料を4〜6時間ごとにゆっくりと混合することをお勧めします。 プロセス阻害剤 発酵有機塊には、微生物の生命活動に悪影響を与える物質（抗生物質、溶媒など）が含まれていてはなりません。 無機物質の中には微生物の「働き」に寄与しないものもありますので、例えば合成洗剤で衣類を洗った後の水を肥料の希釈に利用することはできません。 バイオガスの生成に有毒物質が使用されていない場合でも、個々の物質や食塩の濃度が高すぎると、細菌の増殖が遅れ、ひいてはバイオガスの生成が遅れる可能性があります。 最も一般的な無機物質の上限を表 5 に示します。 表 5. 一般的な無機阻害剤の遅延限界
原材料の種類 牛糞 牛の胃にはメタン生成細菌がすでに存在しているため、牛の糞尿はバイオガスプラントでの処理に最適な原料です。 牛糞尿は均一であるため、連続消化プラントでの使用をお勧めします。 通常、新鮮な肥料を水と混合し、沈殿物やかさぶたを防ぐために未消化のわらをその中から選択します。 牛の尿によって生成されるバイオガスの量が大幅に増加するため、コンクリートの床を備えた農場を建設し、排泄物を混合タンクに直接排水することが推奨されます。 豚のふん尿 舗装された表面（コンクリート、木など）のない囲いや馬小屋で豚を飼育する場合は、肥料のみを使用できます。 加工に適した粘稠度を実現するには、水で希釈する必要があります。 水で希釈した肥料は、肥料中に存在する砂や小石が沈殿して反応器に入らないようにタンク内に沈殿させる必要があります。 そうしないと、原子炉に流入した砂や土が原子炉の底に蓄積し、頻繁な清掃が必要になります。 牛ふんの場合と同様に、コンクリート床の農場を建設し、原料を混合する容器に直接排泄物を排出することが推奨されます。 羊と山羊の糞 舗装されていない羊やヤギの場合、状況は豚の糞尿の場合と同様です。 ヤギ農場は事実上、十分な肥料を収集できる唯一の場所であり、その場合でも藁敷きが条件の場合に限られるため、バイオガスプラントの原料は主に肥料と藁の混合物である。 このような原料を処理するほとんどのシステムはバッチモードで動作し、肥料、わら、水の混合物が事前準備なしで投入され、純粋な肥料よりも長期間反応器内に残ります。
鶏糞 鶏糞の処理には、鳥かごを飼うか、糞尿収集に適した限られたエリアに止まり木を設置することが推奨されます。 鳥を床で飼育する場合、敷料中の砂、おがくず、わらの割合が高くなりすぎます。 起こり得る問題を考慮し、他の種類の原料を使用する場合よりも頻繁に反応器を洗浄する必要があります。 鶏糞は牛糞とよく混ざっており、一緒に処理することができます。 純粋な鳥糞を原料として使用する場合、アンモニア濃度が高くなる危険性があります。 これにより、プラントの効率が低下する可能性があります。 糞 排泄物がバイオガスプラントで処理される場合、トイレは少量の水で排泄物が洗い流されるように設計されるべきです。 他の水源からの水がトイレに入らないようにする必要があり、原材料の過剰な希釈を防ぐために、洗浄水の量は 0 ～ 1 リットルの水に制限する必要があります。
ガス出力とメタン含有量 ガス発生量は通常、肥料に含まれる乾物 10 kg あたりのリットルまたは立方メートルで計算されます。 表は、プラントが中温モードで稼働している場合の、20〜XNUMX日間の発酵後のさまざまな種類の原材料の乾物XNUMXキログラムあたりのバイオガス収量の値を示しています。 この表を使用して新鮮な原料からのバイオガスの収量を決定するには、まず新鮮な原料の水分含有量を決定する必要があります。 これを行うには、1キログラムの新鮮な肥料を乾燥させ、乾燥した残留物の重量を量ります。 肥料の湿度 (パーセント) は、(100 - 乾燥した肥料の重量) × XNUMX% という式で計算できます。 表 6. さまざまな種類の原料を使用した場合のバイオガス収量とバイオガス中のメタン含有量
一定の水分を含む新鮮な肥料が 1 kg の乾物に相当する量を次のように計算します。100 から肥料の水分含有量 (パーセント) を引き、100 をこの値で割ります。 100: (100% - 水分 (%) ）。 例 1: 原料として使用される牛ふんの水分含有量が 85% であると判断した場合、乾物 1 kg は 100:(100 - 85) = 約 6,6 kg の生ふんに相当します。 これは、6,6 キログラムの新鮮な牛糞尿からは 0,2S0 ～ 0,320 m3 のバイオガスが得られ、1 キログラムの新鮮な牛糞尿からは 6,6 分の 0,037 の 0,048 ～ 3 mXNUMX のバイオガスが得られることを意味します。 例 2: 豚糞の水分含有量が 80% であると判断したため、1 キログラムの乾物は 5 キログラムの新鮮な豚糞に相当します。 表から、1 kg の乾物 (または 5 kg の新鮮な豚糞尿) が 0,340 ～ 0 m のバイオガスを放出することがわかります。 これは、80 kg の新鮮な豚糞尿から 1 ～ 0,068 m0,116 のバイオガスが放出されることを意味します。 おおよその値 毎日の新鮮な肥料の重量がわかっている場合、キルギスタンの条件下での XNUMX 日あたりのバイオガスの収量はおよそ次のようになります。
おおよその値は、水分含有量が85％〜92％の完成した原材料に対して与えられることを覚えておく必要があります。 バイオガスの重量 バイオガスの体積重量は 1,2 m1 あたり 3 kg であるため、肥料の受け入れ量を計算する場合は、処理された原料の量からそれを差し引く必要があります。 牛 55 頭からの 1,5 日あたりの平均原料量が 2,0 kg で、家畜 3 頭あたりの 4 日あたりのバイオガス生産量が 5 ～ XNUMX mXNUMX の場合、原料の質量はバイオガス プラントでの処理中に XNUMX ～ XNUMX% 減少します。 ピール問題 大量のガスが観察されるが、それが十分に可燃性ではない場合、これは多くの場合、反応器内の原料の表面に泡またはクラストが形成されていることを意味します。 ガス圧力が非常に低い場合は、ガスパイプを塞ぐ地殻が形成されていることも意味する可能性があります。 反応器内の原料表面のクラストを除去する必要がある。 クラストの除去 バイオガスプラントの反応器内の原料の表面に形成されるクラストの特徴は、脆いのではなく粘性があり、短期間で非常に硬くなる可能性があることです。 それを破壊するには、湿った状態を保つ必要があります。 つまり、クラストに水を注いだり、原料の中に入れたりすることができます。 原材料の選別 わら、草、草の茎、さらには単に乾燥した肥料さえも原料の表面に浮遊しますが、乾燥した鉱物物質は反応器の底に沈殿し、時間の経過とともに排出口が閉じたり、反応器の作業領域が減少したりする可能性があります。 。 水分含有量が多すぎず、適切に調製された原材料を使用すると、この問題は発生しません。 完成した原材料 新鮮な牛糞を使用する場合、かさぶたになる問題はありません。 原料中に固形物や未分解の有機物が存在すると問題が発生します。 プラントを建設する前に、動物の飼料と肥料が反応器内で処理される可能性があるかどうかを確認する必要があります。 飼料を慎重に粉砕する必要がある場合があります。この場合、追加コストを事前に計算することをお勧めします。 原料中の固形分の問題は、豚糞や鶏糞ではさらに深刻です。 鶏がつついた砂や糞に含まれる羽毛など、鳥糞は原料としては困難です。 原材料の組成 バイオガスプラントで処理される前の原料の化学組成の研究は、外国とキルギスタンの科学者によって行われました。 表7.バイオガスプラントで処理する前の原材料の組成
タフネス 安定した条件で発酵させることで固形分（藁など）が50％減少するため、加工中の原料の粘度が大幅に低下します。 臭気 バイオ肥料の臭いは、使用される原料（肥料、尿）の臭いよりもはるかに弱いです。 十分な発酵時間を経ることで、ほぼすべての臭気物質が完全に処理されます。 栄養素 バイオ肥料の栄養特性は、それに含まれる有機物質と化学元素の量によって決まります。 植物の成長に必要な窒素、リン、カリウム、マグネシア、微量元素、ビタミンなどの植物の栄養素はすべてバイオ肥料に蓄えられています。 炭素と窒素の比率（約 1:15）は土壌の品質に好影響を与えます。 表 8 は、バイオ肥料のおおよその栄養素含有量を示しています。 表8.バイオ肥料の元素含有量（乾物XNUMX kgあたりのグラム数）
リン酸塩とカリウム リン酸塩（植物が直接吸収するリンの一種）の含有量は、原料の発酵中に変化しません。 この形態では、総リン含有量の約 50% が植物に吸収されます。 発酵はカリウムの含有量に影響を与えず、カリウムの 75 ～ 100% が植物に吸収されます。 窒素 リン酸塩やカリウムとは異なり、窒素の一部は発酵中に変化します。 新鮮な肥料に含まれる窒素の約 75% は有機高分子の一部となり、残りの 25% は鉱物の形になります。 バイオガスプラントで処理された後、バイオ肥料中の窒素の約 50% は有機物の形で、50% は鉱物の形になります。 鉱物性窒素は植物によって直接吸収されますが、有機性窒素はまず土壌微生物によって無機化される必要があります。 著者: Vedenev A.G.、Vedeneva T.A.
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