Зертханалық жұмыс №1. Метан шығарындыларының пайда болуы немесе биогазды өндіру

Кіріспе
Бұл зертханалық жұмыста студенттер тұрмыстық материалдардан биогаз өндіру реакторын жобалайды және құрастырады, бірнеше апта ішінде өндірілген биогазды жинап, оны сынақтан өткізеді. Биогаз реакторын газдалған сусындар бөтелкелері немесе басқа да тұрмыстық материалдардан жасайды. Керек материалдар тізімі төменде берілген. Материалдардың ауқымы неғұрлым кең болса, студенттер соғұрлым шығармашыл бола алады. Сондай-ақ биогаз реакторын құрастыру денсаулық пен қауіпсіздікке қауіп төндіруі мүмкін, сондықтан арнайы тәуекелдерді бағалау қажет және қауіпсіздік ережелерін сақтау керек.

Зертханалық жұмыстың мақсаттары
Бұл зертханалық жұмыстан кейін студенттер білуі керек:

• Органикалық қалдықтарды биореакторға жібермес бұрын бөлшектеу немесе ұсату микробтардың тезірек ыдырауына неліктен көмектесетінін түсінеді.
• Биореактордағы су мөлшерінің метан немесе биогаздың өндірілуіне қаншалықты маңызды екенін түсінеді.
• Эксперименттік қондырғыны құрастыруды, эксперимент жасауды және оны бақылауды үйренеді.
• Биогаз/метан өндірісі мен микробтардың белсенділігі арасындағы байланысты түсінеді.
• Деректерді жазуға, талдауға және түсіндіруге машықтанады.
• Ауылшаруашылық қалдықтарын және басқа органикалық қалдықтарды басқаруды және олардан бөлінетін метан газын пайдалануды үйренеді.

Қажетті материалдар

• 2 литрлік бөтелкелер
• 0.5 литрлік бөтелкелер
• резеңке немесе пластикалық түтікше
• қысқыштар
• әр студентке зертханалық қолғап, қауіпсіздік көзілдірігі, зертханалық халат
• пластикалық бөтелкелерді таңбалауға арналған кеңсе пышағы немесе маркер
• градуирленген цилиндр
• деректерді жинау парағы (1-қосымша)
• асханадан алынған 1.5 кг тамақ қалдықтары
• 1.5 литр ірі қараның көңі
• желім пистолеті және желім таяқшалары
• бұрғылау құралдары немесе бөтелке қақпағындағы тесіктерді жасау үшін арнайы пышақ
• өлшеуіш стақан немесе арнайы ыдыс
• әр топқа 1.5 литр су (егер краннан алынған су болса, 24 сағат бойы бөлме температурасында қалдырылған жөн, себебі хлордың таралуына көмектеседі)
• кенсе пышақ пен кесу тақтасы
• графикалық қағаз, графиктерді салуға арналған түрлі-түсті қарындаштар/маркерлер

Метан шығарындыларының немесе биогаздың түзілуі
Анаэробты ас қорыту – органикалық материалдарды ауа немесе оттегісі жоқ ортада ыдырату процесі. Органикалық заттар ыдыраған кезде ол биогаз бөледі, ал оны пропан немесе табиғи газ сияқты отын көзі ретінде пайдалануға болады. Анаэробты ас қорыту процесі табиғатта үнемі жүреді. Дәл осындай процесс сиырдың асқазанында болады, бұл олардың метан газын шығаруына әкеледі. Анаэробты ас қорыту сонымен қатар балық қалдықтары, қураған жапырақтар мен өсімдіктер баяу ыдырайтын батпақтар мен көлдердің түбінде жүреді. Анаэробты қорытуды бүкіл әлемдегі инженерлер қоқыс, тамақ, ауыл шаруашылығы және адам қалдықтары сияқты күрделі органикалық қалдықтарды ыдырату үшін пайдаланады. Анаэробты ас қорыту биогазды түзіп қана қоймайды, сонымен қатар органикалық «қалдықтардағы» барлық қоректік заттарды шығарады, осыған байланысты оларды өсімдіктердің өсуі үшін тыңайтқыш ретінде пайдалануға болады.

Биореактор құрастыру
Биореакторды құрастыру бірнеше негізгі бөлшектерден тұрады: газды өлшеуге арналған бөтелке, анаэробты ас қорыту реакторы, органикалық материалды дайындау.
Газды өлшеуге арналған бөтелкені дайындау:

1. Үш 0.5 литр су бөтелкесінің түбінен 2 см кесіңіз;
2. Қақпақ үстел үстінде болатындай қақпағымен бөтелкені төңкеріңіз, 50 мл ағын суды градуирленген цилиндр ыдыспен өлшеп, төңкерілген бөтелкеге құйыңыз. Кейін, бөтелкенің бетіне су деңгейінде маркермен «50 мл» таңбаны белгілеңіз. 50 мл ағын суды қайта-қайта құю арқылы «100 мл», «150 мл», т.с.с. белгілеңіз.
3. 2 литрлік бөтелкелердің 3-ін ортасынан екіге бөліңіз. Төменгі жағы экспериментке қолданылады, яғни сумен толтырылып газды өлшейтін бөтелкелерде газды ұстау үшін қолданылады.
4. Әрбір газ өлшеу бөтелкесінің қақпағын ашыңыз және бөтелке қақпағы орналасатын жағын жоғары қаратып, кесілген 2 литрлік бөтелкеге орналастырыңыз. Бөтелкені 1-суретте көрсетілгендей толығымен сумен толтырыңыз.

1-сурет. Газды өлшеуге арналған бөтелкені дайындау

Анаэробты ас қорыту реакторын дайындау

1. Алты бөтелке қақпағын алыңыз (үшеуі 2 литрлік және үшеуі 0.5 литрлік су бөтелкелері) және әрбір қақпақтың ортасында бір кішкене тесік жасау үшін бұрғылау немесе тесу құралын пайдаланыңыз. Саңылаудың ішіне резеңке немесе пластикалық түтікше өтетіндей болуы керек.
2. Резеңке немесе пластикалық түтікшелерді ұзындығы 0,5 метр болатындай кесіңіз. Түтікшенің бір жағын 2 литрлік анаэробты реактор бөтелкенің қақпағына салыңыз, ал екінші жағын 0.5 литрлік газды өлшеуге арналған бөтелкенің қақпағына салыңыз. Түтікше қақпақтан шамамен 2-3 см кіріп тұруы керек. Ауа өтпеу үшін түтікше мен қақпақтың саңылауы арасын желіммен герметизациялау керек, себебі бөтелкеге ауа кірсе, анаэробты ас қорыту процесіне керек микробтар көбеймейді және биогаз сыртқа шығып кетеді (2-сурет). Ең соңында үш реактор құрастырылу керек, біріншісі ұсақталған органикалық материалдар мен сиыр көні үшін, екіншісі ұсақталмаған органикалық материалдар мен сиыр көні үшін және үшіншісі ұсақталмаған органикалық материал үшін.

2-сурет. Бөтелке қақпағын тесіп түтікшені бекіту.

Биореакторға арналған органикалық материалды дайындау

1. 1.5 кг асханадан алынған тамақ қалдықтарын 0.5 кг болатындай үшке бөліп үш анаэробты ас қорыту реакторына салыңыздар. Бірінші бөлігін ұсақтауды ұмытпаңыздар.
2. Бірінші және екінші бөтелкенің әрқайсысына 500 мл сиыр көңін салып тамақ қалдықтарымен араластырыңыз. Сиыр көңі анаэробты ас қорыту процесіне қатысатын микробтардың көзі болып табылады. Ал үшінші бөтелкеге тек 1 кг ұсақталмаған тамақ қалдықтарын саламыз.
3. Әр бөтелкеге 0.5 литр су құйыңыз. Егер су краннан алынған болса, 24 сағат бойы бөлме температурасында қалдырылған жөн, себебі оның құрамында хлор болуы мүмкін.
4. Толтырылған анаэробты бөтелкелерді түтікшелері бар қақпақтармен жабыңыз, ал түтікшенің қарама-қарсы ұштарын алып газды өлшейтін су бөтелкелерін жабыңыз. Толық макет 3-суретте көрсетілгендей болуы керек.

3-сурет. Тәжірибелік қондырғының дайын болғандағы түрі.

Бақылау және деректерді жинау

1. Екі-үш апта ішінде құрастырған биореакторыңыздан биогаздың түзілуін бақылаңыз. Биогаз өндірілген кезде ол газды өлшейтін бөтелкені жоғары итереді. Күн сайын (немесе мүмкіндігінше жиі) газ өлшеу бөтелкесінің ішіндегі су деңгейінде белгіленген сызықты оқу арқылы өндірілген газ мөлшерін өлшеңіз.
2. Газ өлшенгеннен кейін газ өлшеу бөтелкесінің қақпағын ашыңыз. Бұл бөтелкені сумен толығымен қайта толтыруға мүмкіндік береді, осылайша ол көбірек газ жинауға дайын болады. Бөтелкені күн сайын биогаздан босатып тұру қажет болмауы мүмкін, себебі бұл өндірілетін биогаз мөлшеріне байланысты. Газ өлшегіш бөтелкенің газға толып кетпеуін қадағалаңыз, себебі биогазбен толып кетсе, онда газ өлшемдері жоғалады.
3. Бақылау арқылы 1-қосымшада көрсетілген деректерді жинау парағын толтыруды ұмытпаңыз.

Жасалған эксперимент бойынша есеп беру рефератын дайындау
Эксперимент аяқталып, барлық керекті деректер жиналғаннан кейін, әр студент есеп дайындау керек. Есептің көлемі шамамен 500-1000 сөз аралығында болуы керек және төмендегі сұрақтарға жауап беру тиіс:

1. Органикалық заттардың ыдырауы барысында қалай метан газының түзілетінін түсіндіріңіз.
2. Сіздің ойыңызша, қайсысы, ұсақталған органикалық немесе ұсақталмаған органикалық материалдар биогазды жақсырақ бөледі? Неліктен?
3. Сиыр көніңде бар микроорганизмдердің биогаз өңдіруде рөлі қандай болды?
4. Сіз құрастырған биореакторды қалайша жақсартып, көбірек биогаз өндіруге болады? Биогазды өндіруге қандай басқа органикалық материалдарды пайдалануға болады?

Қауіпсіздік ережелері

1. Эксперимент барысында кез келген нәрсені ұстағаннан кейін қолды жуыңыз. Эксперимент барсында жұмыс істегенде әрқашан арнайы қолғап, көзілдірік және халат киіңіз.
2. Бөтелкелердің ішіндегі газ жанғыш. Бұл үлкен қауіп төндірмесе де, ашық отты газдың жанында ұстамаңыз.
3. Реактор бөтелкесін жартысына дейін ғана толтыруға кеңес беріледі. Егер үлкен бөлшектер түтікшені бітеп тастаса, реактор ішінде жоғары қысым пайда болуы мүмкін. Бұндай жағдайда бітелген бөтелкені арнайы жәшікке салып жетекшіңіз айтқан орынға шығарыңыз.

1-қосымша. Деректерді жинау парағы
Топтың аты:
Топтың мүшелері: