Б. Одержання газу

Биометаногенез. Биометаногенез или метановое «брожение» – давно известный процесс превращения биомассы в энергию.

Биогаз, получаемый из органического сырья в ходе биометаногенеза в результате разложения сложных органических субстратов различной природы при участии смешанной из разных видов микробной ассоциации, представляет собой смесь из 65–75 % метана и 20–35 % углекислоты, а также незначительных количеств сероводорода, азота, водорода. Теплотворная способность биогаза зависит от соотношения метана и углекислоты и составляет 5–7 ккал/м3; 1 м3 биогаза эквивалентен 4 квт/ч электроэнергии, 0.6 л керосина, 1.5 кг угля и 3.5 кг дров. Неочищенный биогаз используют в быту для обогрева жилищ и приготовления пищи, а также применяют в качестве топлива в стационарных установках, вырабатывающих электроэнергию. Компремированный газ можно транспортировать и использовать (после предварительной очистки) в качестве горючего для двигателей внутреннего сгорания. Очищенный биогаз аналогичен природному газу.

В сложных процессах деструкции органических субстратов и образования метана участвует микробная ассоциация различных микроорганизмов. В ассоциации присутствуют микроорганизмы-деструкторы, вызывающие гидролиз сложной органической массы с образованием органических кислот (масляной, пропионовой, молочной), а также низших спиртов, аммиака, водорода; ацетогены, превращающие эти кислоты в уксусную кислоту, водород и окислы углерода и, наконец, собственно – метаногены – микроорганизмы, восстанавливающие водородом кислоты, спирты и окислы углерода в метан.

С биохимической точки зрения метановое «брожение» – это процесс анаэробного дыхания, в ходе которого электроны с органического вещества переносятся на углекислоту; последняя затем восстанавливается до метана (при истинном брожении конечным акцептором электронов служит молекула органического вещества (конечные продукты брожения). Донором электронов для метаногенов служит водород, а также уксусная кислота.

Деструкцию органической массы и образование кислот вызывает ассоциация облигатных и факультативных анаэробных организмов, среди которых гидролитики, кислотогены, ацетогены и др.; это представители родов Enterobacteriaceae, Lactobacilaceae, Sterptococcaceae, Clostridium, Butyrivibrio. Активную роль в деструкции органической массы играют целлюлозоразрушающие микроорганизмы, так как растительные биомассы, вовлекаемые в процессы биометаногенеза, характеризуются высоким содержанием целлюлозы (лигнинцеллюлозы). В превращении органических кислот в уксусную существенную роль играют ацетогены – специализированная группа анаэробных бактерий.

«Венец» метанового сообщества – это собственно метаногенные или метанообразующие бактерии (архебактерии), катализирующие восстановительные реакции, приводящие к синтезу метана. Субстраты для реализации этих реакций – водород и углекислота, а также окись углерода и вода, муравьиная кислота, метанол и др.:

4 Н2 + СО2 → CH4 + 2 H2O,

4 CO + 2 H2O → CH4 + 3 CO2,

4 HCOOH → CH4 + 3 CO2 + 2 H2O,

4 CH3OH → 3 CH4 + CO2 + 2H2O

Установки для биометаногенеза с учетом их объемов и производительности можно подразделить на несколько категорий: реакторы для небольших ферм сельской местности (1–20 м3), реакторы для ферм развитых стран (50–500 м3), реакторы для переработки промышленных стоков (спиртовой, сахар-ной промышленности) (500–10 000 м3) и реакторы для переработки твердого мусора городских свалок (1 – 20.106 м3). Метанотенки, изготовленные из металла или железобетона, могут иметь разнообразную форму, включая кубическую и цилиндрическую. Конструкции и детали этих установок несколько варьируют, главным образом, это связано с типом перерабатываемого сырья.

Существует огромное разнообразие установок для реализации процесса метаногенеза, конструкционные детали и компоновка которых определяется приоритетностью задачи, решаемой в конкретном процессе: либо это утилизация отходов и очистка стоков, либо получение биогаза требуемого качества. Так, среди действующих в развитых странах установок есть как средние, так и большие по объемам аппараты (дайджестеры), снабженные устройствами для очистки и компремирования биогаза, электрогенераторами и очистителями воды. Такие установки могут входить в состав комплексов с промышленными предприятиями (сахароперерабатывающими, спиртовыми, молокозаводами), канализационными станциями или крупными специализированными фермами. Когда главная цель процесса – утилизация отходов, в составе установок должен присутствовать блок для фракционирования и отделения крупных твердых частиц.

Метанотенки могут работать в режиме полного перемешивания, полного вытеснения, как анаэробные биофильтры или реакторы с псевдоожиженным слоем, а также в режиме контактных процессов. Простейшая конструкция метанотенка – это обычная бродильная яма в грунте с фиксированным объемом газа. Метанотенк представляет собой герметичную емкость, частично погруженную в землю для теплоизоляции и снабженную устройствами для дозированной подачи и подогрева сырья, а также газгольдером – емкостью переменного объема для сбора газа. Очень важным в конструкции метанотенков является обеспечение требуемого уровня перемешивания весьма гетерогенного содержимого аппарата. Вместе с тем известно, что максимальное выделение метана наблюдается в системах со слабым перемешиванием.

Поэтому в отличие от аэробных процессов, требующих интенсивной аэрации и перемешивания, перемешивание при метаногенезе, главным образом,должно обеспечивать гомогенизацию бродящей массы, препятствовать оседанию твердых частиц и образованию твердой плавающей корки.

В зависимости от типа исходного материала, сбраживаемого в метанотенке, интенсивность процесса, включая скорость подачи и полноту переработки, а также состав образуемого биогаза существенно варьируют. При переработке жидких отходов животноводческих ферм соотношение между твердыми компонентами и водой в загружаемой массе должно составлять примерно 1:1, что соответствует концентрации твердых веществ от 8 до 11 % по весу. Смесь материала обычно засевают ацетогенными и метанообразующими микроорганизмами из отстоя сброженной массы от предыдущего цикла или другого метанотенка. Температура и, следовательно, скорость протекания процесса зависят от вида используемого метанового сообщества. Для термофильных организмов процесс реализуется при 50–60 °С, для мезофильных – при 30–40 °С и около 20 °С – для психрофильных организмов. При повышенных температурах скорость процесса в 2–3 раза выше по сравнению с мезофильными условиями.

Йдеться про мікробіологічній технології обробки

органічних відходів в так званих біогазових установках (рис.1), основою яких є метантенк

– герметизований реактор-змішувач, призначений як для очищення стоків або стабілізації

опадів, так і для генерації метану, коштовного газу з великою теплотворною здатністю. Біогазова технологія – радикальний спосіб знешкодження і переробки всіляких

органічних відходів рослинного і тваринного походження, включаю чи екскременти

тварин і людини, з одночасним отриманням висококалорійного газоподібного палива –

біогазу (зразковий склад біогазу що утворився при анаеробному зброджуванні гнойових

стоків приведений в табл.1), електроенергії і вис окоефективних екологічно чистих

органічних добрив. У основі мікробіологічної технології лежать складні природні процеси біологічного

розкладання гною, пташиного посліду, осаду стічних вод або інших органічних речовин в

анаеробних умовах (без доступу повітря). П ри цьому під впливом особливої групи

анаеробних бактерій, відбуваються процеси, що супроводжуються мінералізацією

азотовмісних, фосфоровмісних і калієвмісних органічних сполук із отриманням

мінеральних форм азоту, фосфору і калію. Крім того, під час зброджування відбувається

повне знищення патогенної мікрофлори, яєць гельмінтів, насіння бур'янів, що завжди

містяться в гної або посліді, специфічних фекальних запахів, нітратів і ніт риту, тобто

досягається актуальний на сьогоднішній день екологічний ефект.

При анаеробному перетворенні органічних субстратів в метан під впливом

мікроорганізмів (бактерії, анаеробний мул) мають бути послідовно реалізовані чотири

стадії розкладання (рис.1). Окремі групи органічних забруднень (вуглеводи, протеїни,

ліпіди, жири) в процесі гідролізу перетворяться спочатку у відповідні мономери (цукру,

амінокислоти, жирні кислоти). Далі ці мономери в ході ферментативного розкладання

(ацидогенеза) перетворяться в органічні кислоти коротколюнцюжні , спирти і альдегіди,які потім окислюються в оцтову кислоту, що пов'язане із отриманням водню. Лише після

цього доходить черга до утворення метану на етапі метаногенеза . Як побічний продукт

разом з метаном утворюється також і вуглекислий газ (CO2 ). ІБГУ-1 призначена для екологічно чистої безвідходної переробки

органічних відходів, що утворюються на селянському подвір'ї (гній крупної і дрібної

рогатої худоби, свиней, послід птиці, послід хутрових звірів, фекалії людини, харчові і

тверді побутові відходи), із здобуттям газоподібного палива - біогазу і екологічно чистих

органічних добрив, позбавлених патогенної мікрофлори, яєць гельмінтів, насіння бур'ян ів,

нітриту і нітратів, специфічних фекальних запахів. В процесі біологічної, термофільної,

метангенеруючої обробки органічних відходів утворюються екологічно чисті, рідкі,

високоефективні органічні добрива. Ці добрива містять мінералізований азот у вигляд і

солей амонію (найбільш легко засвоєна форма азоту), мінералізовані фосфор, калій та

інші, необхідні для рослини біогенні макро - і мікроелементи, біологічно активні речовини,

вітаміни, амінокислоти, гуминоподібні з'єднання, що структурують грунт.

Одна тонна таких добрив по своєму ефекту на рослину еквівалентна 80 -100 т

вихідного гною або інших органічних речовин.

Добовий об'єм оброблюваних відходів може вагатися від 50 до 200 кг при вологості

не менше 85% і не більше 93%.

Добовий об'єм біогазу, що виділяється, залежно від об'єму завантажуваної

сировини, вагається від 3 до 12 м3 з вмістом 55-60% метану, 45-35% вуглекислого газу і

повною відсутністю сірководню. 1 м3 біогазу еквівалентний 0,6 м3 природного газу, 0,7

літрам мазуту, 0,4 л бензину, 3,5 кг дрів, 12 кг гнойових брикетів.

Вологість завантажуваної сировини не має бути менше 85% і більше 93%.

В якості сировини для безперервної роботи установки з метою здобуття біогазу і добрив

можна використовувати всі органічні відходи рослинне і тваринне походження, що

накопичуються на селянському подвір'ї : гній великої рогатої худоби від двох голів (50 -60

кг) до шести голів (200 кг в добу), гній дрібної рогатої худоби і свиней від 20 до 60 голів,

послід птиці від 200 до 600 голів; рослинні залишки - бадилля, трав'янисті рослини,

солома, стебла кукурудзи, соняшнику і т.п.; тверді побутові відходи - папір, картон,

текстиль, харчові відходи.

У комплект індивідуальної біогазової установки ІБГУ -1 входять:

 біореактор-метантенк об'ємом 2,2 м3;

 газгольдер мокрого типу об'ємом 3 м3;

 сходи-естакада;

 ківш-візок;

 ручний підйомник (таль);

 бак для зберігання добрив.

Комплект ІБГУ-1 проводиться серійно в повній заводській готовності,

транспортується на одному Камазе з напівпричепом і розрахований на експлуатацію в

будь-яких кліматичних зонах. При екстремальних мінусових температурах довкілля з

метою зменшення тепловтрат і зручності експлуатації біореактор рекомендується

розміщувати в приміщенні.