Биогаз. Хотя и не природный, но уже вполне рабочий газ

Биогаз по своим свойствам подобен метану. По своей теплотворной способности он уступает обычному природному газу. Тем не менее, он вполне пригоден для использования в быту, для теплоснабжения и производства электроэнергии.

Для производства биогаза пригодны любые органические отходы, в т.ч. жидкий навоз, твердый компост, биологические отходы, собранные на фермах, отходы зернового и силосного производства, нечистоты и жир сточных вод, старый жир, трава, биологические отходы от ферм по забою крупного рогатого скота, пивоваренных заводов и дистилляторов, складов для хранения фруктов и вина, молочных ферм, часть отходов целлюлозной отрасли, промышленности и производства сахара. Любопытно, если перевести навоз, который дает одна корова в течение года в энергетический эквивалент, то получится около 600 литров бензина.
Биогаз непосредственно получается в установках метанового сбраживания. Конструктивно установки приспособлены к виду отходов.

Описание технологии метанового сбраживания

Аэробная очистка сточных вод представляет, по сути, индустриализированный вариант самоочищения воды. Она необходима для получения воды, удовлетворяющей требованиям для сброса в водоемы. Метод заключается в перемешивании сточных вод с подачей воздуха, что обеспечивает развитие аэробных бактерий, окисляющих органическое вещество до углекислоты и образующих биомассу ("активный ил") в количестве при мерно 70% от окисленного органического вещества. Образующиеся осадки сточных вод затем подвергаются сбраживанию.

Химические процессы в результате применения этой технологии проходят в следующей последовательности: кислород растворяют в субстрате, тем самым стимулируя рост находящихся в нем аэробных бактерий, которые по мере своего развития поглощают летучие жирные кислоты и другие компоненты, формирующие специфический запах навоза или других органических отходов. В результате процесса, требующего больших энергетических затрат, прежде всего на аэрацию обрабатываемой массы, происходит фракционирование навозной жижи, при этом жидкая фракция преобразовывается до допустимого уровня и выпускается в водоемы или применяется в качестве технической воды, а твердая - высушивается. Аэробная обработка применима только для стоков, загрязнение которых не превышает 100-200 мг/л по ХПК. При этом на 100 кг окисляемого органического вещества расходуется более 100 кВт*час электроэнергии. Более концентрированные стоки, содержащие трудноразлагаемую органику, не удается удовлетворительно очистить в аэротенках.

В отличие от аэробного, анаэробный процесс сам может стать источником энергии. Именно поэтому значительный рост промышленного применения метода в развитых капиталистических странах совпал с энергетическим кризисом 1970-х гг.

Другим источником неослабевающего интереса к нему является возможность при помощи биоконверсии более полно перерабатывать органические отходы, что особенно актуально в связи с постоянно повышающимися требованиями к охране окружающей среды. В настоящее время анаэробный процесс применяется для утилизации широкого спектра органических отходов (от твердых бытовых отходов городов с влажностью менее 80% до сточных вод с содержанием органических веществ от 2 г/л). Интерес к получению биогаза сменился пониманием значения процесса для экологии как энергосберегающей технологии очистки отходов, для получения и удобрений, и биологического газа.

Процесс осуществляется в закрытых герметических емкостях (метантенках) в анаэробных условиях. Во время сбраживания поддерживается температура среды 30-37 ^оС (мезофильный режим) или 50-57 ^оС (термофильный режим). В метантенки непрерывно или порциями поступает свежий навоз, из него отводится жидкий сброженный продукт и биогаз. Скорость подачи навоза зависит от многих факторов (химсостава навоза, температуры и др.). Количество подаваемого навоза ежесуточно составляет 5-15% от общего объема метантенка. Газовыделение также зависит от состава навоза и режимов сбраживания.
Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, последние под действием синтрофных и метаннообразующих бактерий превращаются в газообразные продукты - метан и углекислоту. Степень разрушения органического вещества при метановом сбраживании навоза находится обычно в пределах 30-60%.

При высоких ценах на энергию малоэнергоемкая анаэробная биологическая очистка с положительным выходом энергии в виде биогаза становится перспективной. На первой ступени (стадия кислотообразования) факультативные органотрофные микроорганизмы превращают сложные органические вещест ва (белки, жиры и углеводы) в простые органические жирные кислоты путем гидролиза и ферментативного расщепления. Основные конечные продукты стадии кислотообразования - уксусная и прошгоновая кислоты, двуокись углерода и аммоний, отделившийся от аминокислот.

На второй ступени (стадия газообразования) строго анаэробные метатрофные микроорганизмы (метанообразущие бактерии) превращают конечные продукты метаболизма органотрофных бактерий (органические кислоты) в метан и двуокись углерода. Конечным продуктом второй ступени анаэробного сбраживания, наряду с метаном, является двуокись углерода. Вследствие разрушения органических кислот реакция среды становится щелочной. Метанообразующие бактерии более чувствительны к условиям окружающей среды, чем кислотообразующие бактерии, и обычно их время деления измеряется сутками.

Известны две основные разновидности сбраживания, применяемого в производственных условиях: мезофилъное и термофильное. Интервал температуры мезофильного процесса 35-40 ^оС, термофильного 50-55 ^оС. Термофильный процесс обуславливает более полное уничтожение патогенных микроорганизмов, высокую скорость распада органических веществ, более высокий выход газа, но требует вместе с тем расхода биогаза для подогрева сбраживаемой массы, что несколько уменьшает выход товарного газа. Продолжительность процесса сбраживания обычно составляет 6-10 суток, а выход биогаза 1,5-2,5 куб. м с 1 куб. м метантенка. Проведенные исследования показали, что наиболее оптимальным для процесса сбраживания является навозная масса с содержанием 6-11% сухих веществ (влажность 89-94%), т.к. при такой влажности в навозной массе содержится необходимое количество органических веществ, и обмен веществ на граничных поверхностях фаз такого навоза является наиболее интенсивным.

Метантенк может работать как в режиме непрерывкой загрузки, так и в режиме порционной загрузки. Влажность загружаемой навозной массы должна соответствовать влажности сбраживаемой массы в метантенка. Загружаемая навозная масса представляет собой экскременты животных и подстилочный материал (солома, опилки), разбавленный водой до необходимой влажности. Загрузка (порция) метантенка не должна превышать 15-20% от объема метантенка.

В течение последних лет установки анаэробного сбраживания стали получать распространение в ряде развивающихся стран (Китай, Индия) и в промышленно развитых странах, особенно в западноевропейских (Германия, Франция, Италия, Швейцария, Бельгия, Швеция).

Биогаз со свалки

Биогаз можно не только получать в установках, но и собирать со свалок мусора. Современные технологии устройства пленочных сооружений и пневмотрубопроводов позволяют осуществлять сбор выделяющегося метана с больших площадей мусорных свалок и оттаивающих болот на Севере.

По своему составу отходы содержат до 70% органики, которая может быть переработана в топливо. Технология переработки отходов хорошо сочетается с пневмотехнологиями - выделением объема, его пневмоупаковкой, транспортировкой по транспортному пневмотрубопроводу, подключением технологического пневмотрубопровода к свободному объему над мусором, создаваемым при подаче давления в сдвоенную часть пленочного контейнера без мусора. Поскольку скорость метанирования разная, выход газа по времени меняется. Задача тогда возникает следующая - сочетания подключения и переработки контейнеров, находящихся на разных стадиях: метан от разлагающегося мусора используется для переработки остатков, разложение которых заканчивается. Никаких газовых магистралей.

Вся эта система должна быть оптимизирована по температуре - желательно выйти на термофильные режимы, что представляется вполне реализуемым при наличии обратных трубопроводов с наддувом. Тогда схема замыкается: теплый воздух подается в нижнюю часть пленочного контейнера с мусором, барботирует, поисходит частичная метанизация газа, который передается в следующий контейнер, после прохождения которого метанизация повышается. Процесс требует оптимизации по числу последовательно включенных контейнеров с учетом разной стадии предварительной переработки.

На выходе такой системы пиролизу подвергаются только неметанированные остатки, из которых извлекается стекло и металлы. Тогда степень возникновения диоксинов и фенолов принципиально иная.

Автор: Ворожихин Владимир Вальтерович