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.

Мате­ри­ал: Д-р Йорг Бург­шта­лер, Уни­вер­си­тет г. Росток, ФРГ