15. Аэробное и анаэробное сбраживание биомассы

Аэробная очистка

Преимуществом последующей аэробной очистки стоков является высокая скорость и использование веществ в низких концентрациях. Существенными недостатками аэробной очистки, особенно при обработке концентрированных сточных вод, являются высокие энергозатраты на аэрацию очищаемой среды воздухом и проблемы, связанные с обработкой и утилизацией больших количеств избыточного ила.

Аэробный процесс (на примере гексозы (глюкоза, фруктоза и т.п.))

С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О + микробная биомасса + тепло

Аэробное брожение требует гораздо меньшего времени, чем анаэробное. При таком типе сбраживании не образуется метан, зато происходит выделение большого количества тепловой энергии.

Анаэробное сбраживания биомассы

Анаэробный процесс С6Н12О6 = 3СН4 + 3СО2 + микробная биомасса + тепло

Биогазовые установки выпол­няют также роль очистных сооружений, сни­жающих химическое и бактериальное загрязне­ние почвы, воды, воздуха и перерабатывающих отходы в нейтральные минерализованные про­дукты.

В Европе сосредоточено 44 % мирового ко­личества установок анаэробного сбраживания, и только 14 % в Северной Америке.

В качестве сырья можно использовать практически все органиче­ские отходы с/х производств, имеющие жидкую или полу­жидкую консистенцию или доведенные до тако­го состояния. К ним относятся экскременты жи­вотных, растительные остатки (солома, ботва, трава и т.п.), осадки сточных вод животноводческих и птицеводческих предприятий, сточные воды са­харных и спиртовых заводов и т.п.

В табл. приведена оценка потенциала про­изводства энергии из биогаза в 2020 г. в стра­нах ЕС. Основная доля потенциала биомас­сы, пригодной для получения биогаза, прихо­дится на навоз (до 80 %).

Страна	Биомасса, млн т	Энергия из биогаза, млн т. у.т./год
Франция	251.9	5.25
Германия	234.6	4.89
Великобритания	155.4	3.2
Всего по ЕС	1234.3	25.66

Основы технологий метанового сбраживания

Метановое сбраживание - процесс разложения органических веществ до конечных продуктов, в основном метана и углекислого газа, в резуль­тате жизнедеятельности сложного комплекса микроорганизмов в анаэробных условиях под действием микрофлоры. Не имея доступа к кислороду, микроор­ганизмы вынуждены использовать для этой це­ли углерод органических веществ, в результате чего в конечном итоге образуется метан. На практике в биогаз во вре­мя метанового брожения превращается 30-35 % органического вещества сырья.

Основное влияние на биологиче­ский процесс метаногенеза оказывают следующие параметры:

1. Только без доступа кислорода может осуществляться процесс метаногенеза.

2. Рост мик­роорганизмов возможен при температуре 18°С. Биологический процесс наилучшим образом протекает в температурном интервале 30-37°С (мезофильный процесс). Хорошие результаты можно получить при термофильном процессе (55-60°С). Навоз обычно сбраживают в непре­рывно перемешиваемых метантенках в мезофильных условиях. Снижение температуры процесса ведет к увеличению необходимого времени пребывания сырья в реакторе, увеличение – к снижению содержания метана в биогазе.

3. Кислотность среды оби­тания микроорганизмов. Оптимальное значение pH должно находиться в пределах 6.5-8.5, в противном случае метаногенез не протекает.

4. Отношение углерода и азота в сбраживаемом сырье. Оптимальное отношение C/N колеблется в пределах 16-19.

5. Необходимо наличие микро­элементов (железо, молибден, никель, кобальт, селен).

6. Процесс может быть заторможен при наличии в сбражи­ваемом сырье антибиотиков, которые могут по­падать в навоз во время лечения животных.

Конечные продукты анаэробного сбраживания

Биогаз. При нормальной работе реактора получаемый биогаз содержит 60-70 % метана, 30-40 % диоксида углерода, 0-3 % сероводоро­да, примеси водорода, аммиака и оксидов азо­та. Биогаз не имеет неприятного запаха, его низшая теплотворная способность 25 МДж/м³, из 1 м³ биогаза приблизительно можно получить 1.7 кВт*ч электроэнергии и 2.5 кВт ч теплоты.

Обычно сбраживается 2-4 % исходного продук­та. Выход газа составляет 0.2-0.4 м³ из 1 кг сбраживаемого сухого материала при нормаль­ных условиях и расходе 50 кг сухой биомассы на 1 м³ воды.

Биогаз перед утилизацией в газовом двига­теле необходимо очистить от влаги и сероводо­рода. От влаги его очищают в конденсацион­ных емкостях, встроенных в трубопровод био­газа.

Сброженный осадок. Остаток, образую­щийся в процессе получения биогаза, содержит значительное количество питательных веществ и может быть эффективно использован в качестве удобрения, дающего дополнительный при­рост урожайности в среднем на 20 % по сравне­нию с несброженным навозом.