Доход фермера может напрямую зависеть от того, насколько стабильно и производительно работает его биогазовая установка. Если выход газа падает, нужно принимать меры.
Производство биогаза
Немецкий фермер Йохен Леббин (фамилия главного героя изменена), хозяйство которого расположено в федеральной земле Мекленбург – Передняя Померания, шесть лет назад построил две биогазовые станции электрической мощностью 526 кВт и с тех пор успешно их эксплуатировал. Проблем с мощностью станций никогда не было. Но вот однажды выход биогаза стал падать, что продолжалось несколько недель подряд. Что предпринять? В последний раз в ферментер загружали попеременно дневную порцию кукурузного силоса и свиной навозной жижи. Поскольку выход газа продолжал падать, «кормить» ферментер приходилось все больше. Но безрезультатно. При этом доля метана в биогазе тоже стала падать, что не могло не сказаться на электрической мощности. Тогда Леббин отправил пробы субстрата на анализ в лабораторию, где выяснилось, что кислотность «корма» была слишком высокой. Порекомендовали добавлять в ферментер известь. Но и это не повысило выход газа.
Утром газ – вечером деньги
Очевидно, что каждый день непроизводительной работы – это упущенная прибыль (около 720 евро / день). Поэтому, недолго думая, Йохен Леббин решил обратиться за консультацией в Университет г. Ростока. На сельскохозяйственном факультете он познакомился с молодым ученым Йоргом Бургшталером, который несколько лет посвятил изучению биогазовых установок. По словам ученого подобные проблемы с производством биогаза довольно распространены: почти на каждой второй установке возникают трудности, связанные с биологическими особенностями процесса, что часто ведет к подкислению среды в ферментере. Причин тому бывает множество: слишком большая загрузка емкости, изменение параметров «рациона», различное качество субстрата, частая его смена, колебания температуры внутри ферментера, нехватка микроэлементов, остатки дезинфицирующих средств в навозной жиже и т. д. А результат всегда один и тот же: процесс брожения органических веществ очень чувствителен к воздействию перечисленных разнообразных факторов – выход биогаза и его качество снижаются. Выработка метана сокращается, а газовая смесь помимо сероводорода содержит также аммиак и веселящий газ. Следы этих элементов являются источником вредных выбросов, причиняют ущерб электроблоку и ухудшают ситуацию с газообразными отходами. Кроме того, низкая производительность приводит к денежным потерям.
Слишком частая смена «корма»
«Результаты лабораторного анализа – это хорошо, но точную картину происходящего можно оценить только на месте», – сказал Й. Бургшталер и выехал с инспекцией на ферму. Из журнала учета следовало, что загрузка ферментера в разные дни была неодинаковой. Это могло быть семь тонн кукурузного силоса – в один день и 22 тонны – на следующий, а временами суточная порция силоса и вовсе доходила до 32 тонн. К тому же содержание сухого вещества в силосе варьировалось от 24 до 45 %. Дело в том, что сухой силос образует внутри ферментера затвердевающий слой, который приходится размачивать добавлением воды. Возможно, это и явилось причиной подкисления среды в ферментере. Бактерии, участвующие в процессе брожения, чувствительны к резкому изменению условий своего существования. Поэтому падают как выход биогаза, так и содержание в нем метана. Одновременно с этим в жидкости скапливаются летучие жирные кислоты, которые в процессе разложения субстрата предшествуют образованию метана. Эти кислоты уменьшают возможности естественной защиты содержимого ферментера от воздействия кислой среды – так называемую буферную емкость раствора, обозначаемую в лаборатории показателем FOS / TAC, т. е. отношением летучих органических кислот (FOS) к буферной емкости гидрокарбонатов (TAC). Если данный показатель превышает отметку 0,8, процесс газообразования идет нестабильно. Согласно результату лабораторного анализа в случае Леббина вышеуказанная величина была равна 1,5, что означает сильное подкисление субстрата.
А почему не помогло добавление извести? Оказывается, эта добавка ведет себя коварно. Часто известь вообще не растворяется в ферментере или растворяется очень слабо. Если же она растворяется, буферная способность субстрата и его кислотность возрастают слишком быстро, что плохо влияет на метанобразующие бактерии. Кроме того, известь может связывать химические элементы, которые остаются в виде следов, а излишнее количество кальция препятствует нормальному ходу биологических процессов.
Слишком кисло
Несмотря на добавление извести субстрат остается кислым. Об этом свидетельствует и невысокий (на уровне 40 – 44 %) выход газа. Чтобы установить истину, еще раз отобрали пробы субстрата и провели исследование сразу в трех различных местах, включая университетскую лабораторию. Как показали результаты анализа, показатель FOS / TAC намного превысил 1,5. Несмотря на добавление извести субстрат в ферментере по‑прежнему оставался слишком кислым, имел невысокую буферную способность. Виной тому стали «перебор» с силосом и добавление воды. Если бы Й. Леббин вместо воды добавлял так называемый рециркулят, т. е. отходы брожения, которые обладают хорошими буферными свойствами, производительность ферментера не упала бы столь сильно. При добавлении большого количества воды субстрат стал более жидким, но в то же время утратил свои буферные возможности, которые и так были невелики из‑за излишка силоса.
«Все потому, что кто-то слишком много ест»
Это утверждение справедливо и по отношению к биогазовым установкам. В большинстве случаев требуется не менее 60 дней для повторного возобновления процесса брожения, так как установку запускают фактически заново. Почти половина этого времени потребовалась нашему фермеру на выполнение тех срочных мероприятий по оздоровлению процесса, которые «прописал» Й. Бургшталер. Вместо извести ученый порекомендовал добавлять в ферментер широко используемый в животноводстве гидрокарбонат натрия, обладающий хорошей буферностью. Он хорошо растворим, медленно нейтрализует кислоты ферментера и повышает буферную способность растворов. Благодаря этому для сбраживающих микроорганизмов остается достаточно времени, чтобы привыкнуть к новым условиям.
Изучением свойств различных буферных веществ Й. Бургшталер занимается давно, пользуясь для своих экспериментов маленькой опытной установкой объемом 12 литров, которая, однако, функционирует ровно таким же образом, как и биогазовые станции промышленного масштаба. Ради эксперимента Й. Бургшталер точно так же, как фермер, «перекормил» лабораторную установку кукурузным силосом и прописал ей в виде «лечения» определенную дозу гидрокарбоната натрия, которую рассчитал опытным путем. Доза имеет значение, поскольку слишком высокая буферная способность негативно отражается на процессе брожения. Эксперимент показал, что только через 30 дней лабораторная установка смогла вернуться к нормальному режиму работы, увеличив суточную производительность на 1,8 %. Й. Бургшталер выяснил, что различные группы микроорганизмов, участвующие в процессе брожения, способны лучше использовать субстрат с добавкой гидрокарбоната натрия вместо рециркулята. Об этом свидетельствует низкое количество остаточного газа.
Точность расчета
Эти знания оказались необходимы на практике. Субстрат в ферментере должен иметь стабильную буферную емкость. На основании лабораторных данных можно рассчитать, какое количество гидрокарбоната натрия потребуется в условиях реального производства. Общая доза гидрокарбоната делится на несколько порций, чтобы повышать буферность субстрата медленно. В качестве неотложной меры Й. Бургшталер порекомендовал загрузить в ферментер пять тонн этой добавки, перемешанной с небольшим количеством силоса. Через некоторое время кислотность субстрата снизилась, а значение FOS / TAC остановилось на отметке 0,36.

Лабораторная биогазовая установка. В биогазовой лаборатории Университета г. Росток проводят различные исследования, включая опыты по сбраживаемости субстрата и определению уровня его кислотности.
Больше и лучше
Уже через две недели ферментер снова был готов «проглотить» 25 тонн кукурузного силоса и 20 тонн навозной жижи. Теперь, после консультации со специалистами, Й. Леббин использует большие объемы кукурузного силоса; при этом качественные характеристики силоса могут отличаться. Для стабилизации процесса брожения трижды в течение 60 дней Й. Леббин добавлял в ферментер по две тонны гидрокарбоната натрия. Для дальнейшего роста производительности (не забывая о предельно допустимом уровне буферной емкости) Й. Бургшталер посоветовал фермеру ежедневно в течение последующих 48 дней добавлять в субстрат еще 125 кг гидрокарбоната.
В такой период «выздоровления» необходим регулярный контроль показателя FOS / TAC, который в данный момент находится в надлежащем диапазоне – от 0,28 до 0,37. Качество биогаза повышалось до того момента, пока установка не заработала на полную мощность. Раньше пробы субстрата Леббин отправлял в лабораторию раз в две-три недели, но хотелось бы делать это чаще, чтобы быстрее распознать возможные проблемы в биологии процесса. После того как Й. Леббин начал добавлять гидрокарбонат натрия каждый день, производительность по биогазу росла на 2 % ежедневно несмотря на колебания в качестве и количестве силоса. Теперь осталось просчитать, стоит ли игра свеч, если вносить гидрокарбонат чаще, чтобы еще повысить производительность полностью загруженной и стабильно работающей установки.