Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОГАЗА ИЗ ЭКСКРЕМЕНТОВ ЖИВОТНЫХ

Изобретение относится к способам переработки органических отходов с использованием биотехнологических процессов и получения при этом биогаза.

Биогаз - это дешевый и доступный способ получения энергии. В настоящее время разработано и применяется достаточно большое количество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариантов температурного режима, влажности, концентрации микробной массы, длительности протекания реакции и т.д. Однако на сегодня актуальным остается вопрос поиска наиболее эффективных, дешевых и доступных способов интенсификации процесса получения биогаза при различных температурных режимах.

Известен способ анаэробного сбраживания разжиженных органических отходов и устройство для его осуществления (патент RU 2073401, заявка №92009236, дата приоритета 01.12.1992 г., дата публикации 20.02.1997 г., кл. А01С 3/00, C02F 3/00). Сущность известного изобретения состоит в том, что анаэробное сбраживание органических отходов осуществляют последовательно во внешней и внутренней камерах метантенка, а перемешивание сбраживаемых отходов во внешней камере осуществляют путем подачи в нее вводимых в ментантек органических отходов.

Недостатком известного изобретения является то, что не используются условия, повышающие содержание метана в биогазе.

Известен способ получения биогаза из экскрементов животных (патент WO 2012/152266, заявка PCT/DE2012/100124, опубл. 15.11.2012 г., кл. С12Р 5/02). Указанное решение заявлено первоначально в Германии и в 116 странах мира и предполагает несколько стадий брожения для отделения метана. В качестве исходного субстрата используется жидкий навоз или куриный помет. Первый этап брожения происходит в течение от 1 до 4 дней с добавлением фермента, а затем раствора аммиака. После чего происходит отделение газа, содержащего около 50% СО₂, H₂S, NH₃. Затем проводится повторная ферментации от 10 до 30 дней при температуре от 35°С и выше, определенной кислотности и после этого повторно отделяют биогаз, содержащий метан до 75%.

Недостатком известного решения является длительность процесса и сложность его применения, например, небольшими фермерскими хозяйствами. Кроме того, поддерживается достаточно высокий температурный режим реакции.

За прототип принят известный способ метанового сбраживания навозных стоков (патент RU 2413408, заявка №2009138011, дата приоритета 15.10.2009 г., дата публикации 10.03.2011 г., кл. А01С 3/00, C02F 11/04, C02F 3/34). Сущность способа заключается в том, что в жидкий субстрат вводят метаногенерирующие культуры при поддержании кислотности среды в диапазоне рН 6,5-7,8 и температуры до 37,5°С.

Недостатком этого способа являются затраты теплоэнергии на подогрев и поддержание реактора при температуре 37,5°С, что неприемлемо для регионов с холодным климатом.

Навоз содержит все необходимые для метанового сбраживания бактерии, следовательно, нет необходимости дополнительно вводить метаногенерирующие структуры, необходимо лишь обеспечить уже имеющимся бактериям оптимальные условия для их жизнедеятельности.

Техническим результатом настоящего изобретения является интенсификация процесса метанового брожения навоза с увеличением выхода биогаза и повышенным содержанием метана в нем.

Предлагается способ получения биогаза из экскрементов животных, включающий предварительную обработку органического субстрата путем доведения его до влажности 90% с последующим измельчением, введение органического катализатора, сбраживание в анаэробной среде, сбор биогаза.

Отличием является то, что субстрат измельчают до размера частиц от 0,5 до 0,7 см, а в качестве органического катализатора используют отходы молочного производства в объеме от 5% до 10% от массы органического субстрата и сбраживание в анаэробной среде осуществляют при температуре от 17°С до 22°С.

Другим отличием является то, что в качестве отходов молочного производства используют молочную сыворотку.

Термин «биогаз», используемый в формуле, относится к газу, получаемому в результате распада органического материала в отсутствии кислорода. Описываемый тип газа - биогаз включает в себя главным образом метан и двуокись углерода, в незначительных объемах сероводород.

Термин «органический субстрат» предполагает использование навоза, полученного в результате жизнедеятельности сельскохозяйственных животных и птицы.

Термин «анаэробное сбраживание» относится к описанию процесса разложения органического субстрата микроорганизмами, осуществляющими свою жизнедеятельность в безкислородной среде, с сопутствующим синтезом метана, двуокиси углерода и в небольших количествах сероводорода.

Термин «отходы молочного производства» предполагает использование любых остатков производства, содержащих отходы после обработки и переработки молочного сырья на производстве, включающие в себя отдельные органические и минеральные элементы молока, например сыворотку, пахту и др.

Отходы молочного производства в настоящее время используются частично. Например, молочная сыворотка в больших объемах утилизируется. При этом отходы молочного производства благодаря своему богатому химическому составу имеют все необходимые микроэлементы и витамины для создания благоприятной среды для метаногенерирующих бактерий. Каждый вид микроорганизмов анаэробного размножения отличается специфической потребностью в макровеществах, микроэлементах и витаминах. Концентрация и доступность этих компонентов влияют на скорость роста и активность жизнедеятельности популяций. Именно это свойство бактерий и было использовано в предлагаемом изобретении. Результатом жизнедеятельности этих бактерий является биогаз, содержащий метан. Следовательно, улучшая условия для жизнедеятельности метанообразущих бактерий можно достигнуть заявленного выше технического результата.

Для этого органический субстрат предварительно увлажняют до 90% и измельчают его до размера частиц от 0,5 до 0,7 см. Вводится молочная сыворотка в объеме от 5% до 10%, используемая в виде «подкормки» для бактерий. Создаются при этом оптимальные условия для процесса брожения. Брожение осуществляется строго в рамках заданного температурного режима от 17°С до 22°С.

Научные разработки подтверждены экспериментальными исследованиями, подтверждающими влияние существенных признаков заявляемой формулы изобретения на получение технического результата.

Исследования проводились в ФГБОУ «Кемеровский государственный сельскохозяйственный институт» на базе проблемной научно-исследовательской лаборатории АгроБиоТехнологий в лабораторных биогазовых установках объемом 20 л. В качестве органического субстрата использовался подстилочный навоз крупнорогатого скота. Для исключения влияния качества исходного субстрата на результат исследования, каждая партия навоза была сформирована при определенных режимах кормления стада.

Первоначально субстрат доводился до уровня влажности 90%. Затем его измельчали до размера частиц от 0,5 до 0,7 см. Как показали исследования, размер твердых частиц субстрата имеет принципиальное значение, влияющее на скорость выделения биогаза из навоза крупнорогатого скота при разных температурах. Размер частиц влияет на способность бактерий больше «поглощать», выделяя при этом больший объем биогаза. Указанный в формуле размер частиц является оптимальным для заданного температурного режима, что подтверждено исследованиями.

В процессе эксперимента добавляли молочную сыворотку в следующих объемах от массы загружаемого органического субстрата:

1%, 5%, 10% и 15%. На каждом этапе проводился отбор и анализ содержания проб полученного биогаза.

Влияние различных концентраций молочной сыворотки на выход биогаза при анаэробной обработке навоза крупно-рогатого скота показаны на фиг.1. Результат при использовании контрольного образца без добавления молочной сыворотки показан 1, образец с добавлением сыворотки в количестве 1% от массы органического субстрата 2, образец с добавлением сыворотки в количестве 5% 3, 10% сыворотки показано 4, 15% сыворотки показано 5.

Наиболее оптимальной концентрацией молочной сыворотки является внесение сыворотки в количестве от 5% до 10%. Для стабильности процесса, как показали исследования, необходимо уравновешенное соотношение питательных макровеществ и микроэлементов. При использовании указанной концентрации получен наибольший выход биогаза при относительно невысоких температурах брожения. Содержание метана в пробе выделяющегося биогаза составило 58%. Стабильный выход биогаза был получен уже на 7 день брожения. Аналогичные результаты известны при более высоких температурных режимах сбраживания органического субстрата.

Использование большего количества молочной сыворотки не улучшают показатели общего выхода биогаза, в том числе метана. Следовательно, увеличение концентрации молочной сыворотки нерентабельно.

Применение предлагаемого способа получения биогаза из экскрементов животных позволит получать дешевый источник энергии в условиях даже небольших фермерских хозяйств, без применения дорогостоящих катализаторов и ферментов. Одновременно получается органическое удобрение - эффлюент, экологически чистый, легкодоступный для растений.