Характеристика метанового брожения

Анаэробная переработка органических отходов осуществляется при создании анаэробных условий без специальной микробной инокуляции за счет спонтанно развивающихся микроорганизмов, присутствующих в отходах и окружающей среде.

Процесс анаэробного превращения органических веществ с образованием биогаза (метановое брожение) протекает через 4 последовательных стадии (рис. 3.1):

1) стадия гидролиза сложных биополимерных молекул (белков, липидов, полисахаридов и др.) на более простые олиго- и мономеры: аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.;

2) кислотогенная стадия − образовавшиеся мономеры конвертируются бактериями-бродильщиками в ряд простых соединений: летучие жирные кислоты, спирты, молочную кислоту, метанол, СО₂, Н₂, NH₃ и H₂S;

3) ацетогенная стадия − образовавшиеся на предыдущей стадии продукты конвертируются в ацетат, H₂, CO₂;

4) метаногенная стадия − уксусная кислота, Н₂ и СО₂, муравьиная кислота и метанол трансформируются в метан и СО₂.

Все эти превращения осуществляет сложное по составу сообщество микроорганизмов (несколько сотен видов), среди которых преобладают бактерии.

Рис. 3.1.– Общая схема метаногенеза

Гидролиз биополимеров осуществляется экзогенными ферментами, экскретируемыми в ферментационную среду гидролитическими микроорганизмами. Выделены и описаны анаэробные гидролитические бактерии, разлагающие целлюлозу, гемицеллюлозу, крахмал, пектин. Они принадлежат к родам Clostridium, Bacteroides, Acetivibrio, Eubacterium, Bacillus, Lactobacillus и др.

Большинство протеолитических бактерий метантенков являются клостридиями. Обнаружены также обладающие протеолитической активностью бактерии родов Peptococcus, Bifidobacterium, Eubacterium, Termobacteroides.

Наименее изучен процесс анаэробного гидролиза липидов. Микроорганизмы с липолитической активностью представлены клостридиями и микрококками.

Присутствующий в растительных тканях лигнин в анаэробных условиях практически не гидролизуется. Лишь небольшие его фрагменты с низкой молекулярной массой могут разлагаться в метантенках с образованием СО₂, СН₄ и ацетата.

Стадия гидролиза при анаэробном сбраживании тесно связана с кислотогенной стадией (брожением). Между этими стадиями нет четкой границы, так как обладающие гидролитической активностью микроорганизмы используют продукты гидролиза для накопления биомассы. Большая часть бактерий-бродильщиков является строгими анаэробами (Clostridium, Bacteroides, Eubacterium и др.), но в значительном количестве присутствуют и факультативные анаэробные бактерии, например рода Streptococcus. Из-за широкого видового разнообразия кислотогенные бактерии достаточно устойчивы к изменениям условий среды метантенка. Отходы, содержащие в значительном количестве соединения серы и азота, могут индуцировать рост сульфатредуцирующих бактерий и денитрификаторов.

Ацетогенные бактерии осуществляют разложение продуктов кислотогенной стадии: дегидрогенизацию жирных кислот с более длинной, чем у уксусной кислоты цепью и расщепление спиртов до ацетата:

C₃H₇COOH + 2H₂O → 2CH₃COOH + 2H₂

C₂H₅OH + H₂O → CH₃COOH + 2H₂

Это протонвосстанавливающие синтрофные бактерии (Syntrophomonas, Syntrophobacter), нуждающиеся в водородиспользующих партнерах, роль которых выполняют метановые бактерии и сульфатредукторы.

Различают две группы ацетогенных бактерий, одна из которых образует ацетат из продуктов стадии кислотообразования с выделением водорода, а вторая приводит к образованию уксусной кислоты с использованием водорода для восстановления СО₂.

C₂H₅COOH + 2H₂O → CH₃COOH + СО₂ + 2H₂

4H₂+ 2СО₂ → CH₃COOH + 2H₂О

Фактически ацетогенные бактерии подготавливают субстрат, пригодный для жизнедеятельности метанобразующих бактерий, завершающих сложный процесс распада органического вещества в анаэробных условиях.

В метаногенном биоценозе имеет место более чем 10-кратное численное превосходство разнообразия ферментативных бактерий над метанобразующими (из 300 видов анаэробных микроорганизмов продуцируют метан около 30 видов).

Метаногенные бактерии − наиболее капризная с точки зрения условий культивирования группа среди симбионтов, участвующих в анаэробном сбраживании. Они требуют строжайшего анаэробиоза, нейтральной или слабощелочной реакции среды (рН 6−8), нуждаются в микроколичествах кобальта, молибдена, никеля, могут использовать в качестве источников энергии и углерода только 8 субстратов (СО₂ + Н₂, формиат, закись углерода, метанол, ацетат, моно-, ди- и триэтаноламины), из которых наиболее важными являются ацетат и СО₂ + Н₂:

CH₃COOH + 2H₂ → CH₄ + 2H₂O + 3CO₂

4H₂ + СО₂ → CH₄ + H₂O

При анаэробном разложении сложных органических веществ более 70% метана образуется из ацетата. Метаногенные бактерии 90−95% используемого углерода превращают в метан, и только 5−10% углерода расходуется на прирост биомассы.

Известно более 45 видов метаногенов, принадлежащих к 13 родам: Methanobacter, Methanococcus, Methanogenum, Methanosarcina, Methanothrix и др. Метанообразующие бактерии отличаются морфологическим разнообразием. Среди них имеются палочковидные, округлые, спиральные, нитевидные формы.

Процесс анаэробной конверсии органических веществ в метан лимитируется либо скоростью гидролитического расщепления биополимеров (если таковые содержатся в перерабатываемом сырье в большом количестве), либо скоростью трансформации ацетата в метан. Последнее обстоятельство связано с низкими скоростями роста и размножения ацетатиспользующих и метаногенных бактерий. Например, время генерации (удвоение биомассы) бактерий рода Methanosarcina составляет 20−30 ч, рода Methanothrix − 200−300 ч. Для сравнения укажем, что при 35°С время удвоения биомассы гидролитических микроорганизмов составляет 10−20 ч, кислотогенов − 1−10 ч, синтрофных (ацетогенных) бактерий − около 100 ч, водородиспользующих метаногенов − 15−100 ч.

Общая скорость метангенерации определяется температурой процесса, химическим составом сырья, плотностью бактериальной ассоциации, степенью гомогенизации ферментационной среды.

Термофильный процесс (40−55°С) протекает в 2−3 раза быстрее, чем мезофильный (20−40°С). При температуре ниже 20°С активность анаэробной биомассы значительно уменьшается. Чаще всего скорость поступления сырья в метантенк, функционирующий в проточном режиме, составляет 7−20% от рабочего объема аппарата в сутки (удельная скорость протока 0,07−0,20 сут⁻¹). При наличии в ферментационной среде только растворенных соединений скорость метангенерации выше, чем в средах, содержащих твердые органические включения.

Экономически целесообразно разделение процесса на две стадии (фазы) − кислотную (рН 6,0−6,5) и метановую (рН 6,5−8,0), осуществляемые в двух последовательно соединенных аппаратах. Это технологическое решение требует увеличения капитальных вложений, но за счет пространственной сукцессии микроорганизмов общая скорость анаэробной трансформации субстрата возрастает примерно в 1,5 раза.

С каждой тонны сброженного сухого органического вещества образуется 300–600 н. м³ биогаза. Чем больше содержится в перерабатываемом сырье восстановленных органических соединений, тем выше концентрация метана в биогазе. В частности, при анаэробном сбраживании углеводов образуется больше диоксида углерода (выход метана составляет 0,42–0,47 м³/кг), жиры в этих условиях расщепляются с образованием преимущественно метана (до 1 м³/кг).