288
Во время гидролиза, первой стадии, бактерии превращают частичный органический
субстрат в сжиженных мономеров и полимеров, то есть белки, углеводы и жиры превраща-
ются в аминокислоты, моносахариды и жирные кислоты соответственно. Уравнение 1 пока-
зывает пример реакции гидролиза, где органические отходы разделяются на простые сахара,
в этом случае, глюкоза[12].
Уравнение 1: C
6
H
10
O
5
+
2
H
2
O → C
6
H
12
O
6
+ 2H
2
На втором этапе, кислотообразующие бактерии преобразуют продукты первой реакции
на летучие кислоты с короткими цепями, кетоны, спирты, водород и диоксид углерода. Про-
дуктами основной стадии - ацидогенеза являются пропионовые кислоты (CH
3
CH
2
COOH),
масляная кислота (CH
3
CH
2
CH
2
COOH), уксусная кислота (СН
3
СООН), муравьиные кислоты
(НСООН), молочная кислота (C
3
H
6
O
3
), этанол (C
2
H
5
OH) и метанол (СН
3
ОН). Из этих про-
дуктов, водород, диоксид углерода и уксусная кислота пропускают третий этап,
ацетогенезиз, и будут использоваться непосредственно метаногенными бактериями в конеч-
ной стадии (рис. 4). Уравнения 2, 3 и 4[12]представляют собой три типичные реакции ацидо-
генеза, где глюкоза превращается в
этанол, пропионат и уксусную кислоту соответственно.
Уравнение 2: С
6
Н
12
О
6
↔ 2CH
3
CH
2
OH + 2CO
2
Уравнение 3: С
6
Н
12
О
6
+ 2H
2
↔ 2CH3CH2COOH + 2H2O
Уравнение 4: С
6
Н
12
О
6
→ 3CH
3
COOH
Рис. 2: Схематическое изображение хода анаэробной генерации метана из сложных органи-
ческих веществ, с рисунками сканирующей электронной микроскопии микрофотографии
участвующих
отдельных микроорганизмов
На третьей стадии, известной как ацетогенезиз, остальные продукты ацидогенез, т.е.
пропионовая кислота, масляная кислота, и спирты, преобразуются с помощью ацетогенных
бактерий в водород, диоксид углерода и уксусной кислоты (рис. 2). Водород играет важную
посредническую роль в этом процессе, так как реакция будет происходить только тогда, ко-
гда парциальное давление водорода является достаточно низкой, чтобы термодинамически
обеспечивать превращение всех кислот. Такое снижение парциального давления осуществ-
289
ляются водородом, поглощающие бактерии, таким образом, концентрация водорода в вароч-
ном котле является показателем его здоровья [13]. Уравнение 5 представляет собой
преобразование пропионата в ацетат, достижим только при низком давлении водорода.
Глюкоза (Уравнение 6) и этанола (Уравнение 7) среди прочих также преобразуются в ацетат
в ходе третьей стадии анаэробной ферментации [12].
Уравнение 5: CH
3
CH
2
COO- + 3H
2
O ↔ CH
3
COO- + Н + + НСО
3
+ 3H
2
Уравнение 6: С
6
Н
12
О
6
+ 2H
2
O ↔ 2CH
3
COOH + 2CO
2
+ 4Н
2
Уравнение 7: CH
3
CH
2
OH + 2H
2
O ↔ CH
3
COO- + 2Н
2
+ Н
+
Четвертый и заключительный этап называется метаногенез. На этой стадии, микроор-
ганизмы преобразуют водород и уксусную кислоту, образованных с кислотообразующими
бактериями, на газообразный метан и диоксид углерода. Бактерии, ответственные за это пре-
образование называются метаногены и строгие анаэробы. Стабилизация отходов осуществ-
ляется, когда газообразный метан и углекислый газ произведен.
Уравнение 8: CO
2
+ 4H
2
→ CH
4
+ 2H
2
O
Уравнение 9: 2C
2
H
5
OH + CO
2
→ CH
4
+ 2CH
3
COOH
Уравнение 10: СН
3
СООН → СН
4
+ CO
2
Система анаэробоного сбраживания. Есть несколько возможностей проектирования
системы анаэробного брожения. Система может быть простой и дешевой в виде одним
статическим цилиндрическим брожительем или сложным и дорогим в качестве
многопартийной системы брожения с подвижными частями и интеллектуальными датчики,
которые поддерживают работу завода. Коэффициент полезного действия установки
непосредственно зависит от типа установленной системы и пути его управление. Простые
установки легко спроектировать, но требуют постоянного контроля и являются менее
эффективными, в то время как сложные установки предназначены для обнаружения ошибок
и предупреждают
операторов, что делает их более эффективными.
Хотя микробные процессы одинаковы для всех анаэробных процессов брожения,
каждые установки является уникальными и должны быть разработаны в соответствии со
своими входными параметрами и экономическими возможностями. В момент разработки
нового завода, или улучшение старых объектов в более эффективные, несколько факторов
должны быть приняты во внимание. Некоторые из этих факторов являются мощность завода,
виды отходов для переработки, область доступности, климат региона, демографическая
ситуация и расположение завода.
Два фактора оказывают доминирующее влияние на производство биогаза:
обрабатываемое содержание усваиваемого вещества отходов и скоростью передачи этой
фракции отходов в варочный котел.
В зависимости от содержания воды в варочном котле и способ подачи варочного котла,
анаэробный процесс брожения может быть классифицирован на мокрой и сухой
ферментации и непрерывного и прерывистого брожения.
Мокрая ферментация относится к суммарному содержанию твердого материала в
сбраживатель с менее чем 12 процентов от сухого вещества, в то время как сухая
ферментация относится к автоклав корм с 30 процентов от сухого вещества или более.
Непрерывные процессы брожения реализуются в мокром анаэробном сбраживания
растений и поршневым потоком анаэробного сбраживания растений. Разрывные процессы
ферментации реализуются в серии сухой ферментации [14].
Суммируя вышесказанное, можно сказать, что в метантенке во время сбраживания
осадков и активного ила происходит распад химических веществ до простых, где
жиры и
белки разлагаются с высоким выделением метана, а углеводы с выделением углекислого
газа, в результате которого
образуется смесь этих газов, т.е. биогаз.
