2.5.5. Получение метана в анаэробных условиях

При переработке сырья в анаэробных условиях получается смесь газов — метана и углекислоты, которые образуются в ре­зультате разложения сложных субстратов при участии смешан­ной популяции микроорганизмов разных видов. Поскольку ис­комый продукт — это газ, сбор его не составляет труда: он про­сто выделяется в виде пузырьков. Впрочем, иногда при более сложных способах его использования или распределения по тру­бам возникает необходимость в очистке от примесей или в ком­прессии.

В анаэробном реакторе можно перерабатывать самое разно­образное сырье: отходы сельского хозяйства (испорченные рас­тительные или пищевые продукты), стоки перерабатывающих предприятий, содержащие сахар, жидкие отходы, образующие­ся на сахарных заводах или при отжиме пальмового масла, бы­товые отходы, сточные воды городов и спиртовых заводов. Мож­но перерабатывать и специально выращиваемые культуры, включая и экзотические, растущие в пресной или морской воде или на бросовых землях: водяной гиацинт, гигантские бурые во­доросли или слоновью траву.

Весьма важно, что сырье с высоким содержанием целлюлозы (или лигноцеллюлозы) не так просто использовать для иных целей: оно дешево или вообще не имеет коммерческой ценности. Обычно масштабы переработки невелики (в пределах одной фермы или деревни), хотя были разработаны и проекты более крупных установок для переработки стоков или же промышлен­ных отходов. В масштабах государства наибольший вклад в энергетический бюджет страны вносит такая переработка в Ки­тае, где построено около семи миллионов небольших (на одну семью) реакторов.

Неочищенный биогаз обычно используют для приготовления пищи и освещения. Его можно применять как топливо в стацио­нарных установках, вырабатывающих электроэнергию. Сжатый газ в баллонах пригоден как горючее для машин и тракторов. Его можно подавать в газораспределительную сеть. В послед­нем случае требуется некоторая очистка биогаза: осушка, удале­ние углекислоты и сероводорода. Очищенный биогаз ничем не отличается от метана из других источников, т. е. природного газа или же §N0 (синтетический газ, получаемый из угля или водородсодержащего сырья). Хотя в большинстве случаев кон­струкция реакторов рассчитана на получение метана, который используется как топливо, строить такие установки имеет смысл не только для этой цели. Нередко, особенно в развитых стра­нах умеренного пояса, реакторы используют главным образом для переработки отходов.

Установки для производства биогаза по принципу все воз­растающего объема можно сгруппировать следующим образом: 1) реакторы в сельской местности в развивающихся странах (обычно имеют объем 1—20 м³); 2) реакторы на фермах раз­витых стран (объем 50—500 м³); 3) реакторы, перерабатываю­щие отходы промышленности (например, сахарных, спиртовых заводов и т. п., объем 500—10 000 м³); 4) свалки бытовых и про­мышленных отходов (объем 1—20-10® м³).

Понятно, что детали технического устройства таких систем могут сильно различаться. Так, существует несколько конструк­ций небольших реакторов—от простейшей бродильной ямы в грунте с фиксированным объемом газа до подземных или полу- подземных баков с металлическим или резиновым накопителем газа с изменяющимся объемом. Эти установки могут работать в режиме полного перемешивания, полного вытеснения, в режи­ме контактных процессов, как анаэробные фильтры или реакто­ры с псевдоожиженным слоем. Конструкция таких устройств оп­ределяется типом перерабатываемого сырья. Задача заключает­ся в том, чтобы не допустить потери микроорганизмов при ра­боте системы. Это достигается либо путем повторного их ис­пользования, либо помещением в реактор поддерживающего субстрата, на котором и растут клетки. Последний способ осо­бенно хорош в случае, когда в реактор поступает раствор с низ­ким содержанием взвешенных частиц.

В развитых странах используется множество разнообразных установок. Это определяется конкретной задачей — очисткой стоков, или же достижением нужного качества газа. Среди них есть и небольшие реакторы, мало чем отличающиеся от описан­ных, и крупные установки с приспособлениями для очистки газа, электрогенераторами, компрессорами и очистителями воды. Иногда их строят в составе одного комплекса с другими круп­ными объектами: канализационными станциями, сахарными и спиртовыми заводами, животноводческими фермами и молоко­заводами. В некоторых случаях бывает необходимо провести предварительную обработку или разведение питательного рас­твора. Это делается для оптимизации размера частиц во взве­сях, увеличения глубины переработки или уменьшения токсиче­ского действия высоких концентраций азота.

В тех случаях, когда главной задачей является переработка отбросов, приходится прежде всего механическим способом от­делять крупноразмерную фракцию, например солому и прочее. При применении такого способа, а также при переработке сточ­ных вод предприятий пищевой промышленности отношение со­держания растворенных углеводов к нерастворимым, содержа­щим лигноцеллюлозу веществам существенно увеличивается, и обычно доля твердых частиц бывает небольшой. Вследствие этого скорость подачи раствора в реактор и время удержания уменьшаются. Впрочем, с инженерной точки зрения установка может быть и сложнее, чтобы обеспечить оптимальное взаимо­действие микробов с субстратом.

Чтобы получить наибольший объемный выход продукции с небольшой установки, скорость подачи субстрата должна быть возможно большей, а это в свою очередь связано с поддержа­нием высокой концентрации жизнеспособных бактерий. При этом могут возникнуть сложности как в случае субстратов с высоким содержанием нерастворимых веществ, так и субстра­тов, содержащих много растворимой органики. В первом случае в реакторе накапливаются неразрушаемые или медленно раз­рушаемые вещества, которые в конечном счете будут составлять более 80% твердых веществ в осадке реактора. Во втором — переработка растворенных, полностью разрушаемых веществ приведет к образованию высокоактивного ила, и бактерии бу­дут составлять до 90% осадка. Удержать такой ил в реакторе будет сложно. Впрочем, недавно был предложен ряд конструк­ций, в которых эти проблемы решены. Помимо механического измельчения сырья с успехом применяется неполный кислотный или щелочной гидролиз образующих его частиц либо целлюло- литические ферменты. Еще одно усовершенствование заключа­ется в механическом перемешивании подаваемого сырья с илом. Для этой же цели через реактор повторно пропускают выделив­шийся газ. Перемешивание осадка, содержащего активные бак­терии, или создание тока жидкости может увеличить количество выделяющегося газа в зависимости от того, какой вид сырья используется в процессе.

При решении вопроса об использовании более сложных с ин­женерной точки зрения, усовершенствованных сооружений или же каких-то вариантов процесса в первую очередь надо оценить стоимость их работы. Сегодня из их числа более практичными могут оказаться системы, перерабатывающие отходы (когда за­траты на их обезвреживание высоки), а не те крупномасштаб­ные установки, которые вырабатывают газ как сырье для энер­гетики. Отметим, однако, что наиболее крупные установки для получения биогаза всегда очень просто устроены: это могут быть свалки отходов, в основном бытового мусора. О самой возможности использования метана, образующегося в таких му­сорных кучах, задумались, когда стали искать способы предот­вращения взрывов к пожаров, возникающих в результате выде­ления в них газа. Кислород, оказавшийся в мусоре при образо­вании куч, быстро используется аэробными бактериями и гри­бами, в результате чего условия в них становятся анаэробными. Влажность поддерживается либо просачивающейся дождевой водой, либо грунтовыми водами. Если буферная способность ма-

териала достаточна для поддержания нейтральных значений рН, то складываются благоприятные условия для образования метана. Газ выделяется в смеси с С0₂. Собирают его при помо­щи труб, проложенных в толще мусора под полотнищами пленки.

Вклад этих технологий в энергообеспечение конкретных ре­гионов в обозримом будущем (скажем, десять лет) в значитель­ной, мере будет определяться местными условиями. Они будут зависеть, с одной стороны, от наличия земельных площадей и сельскохозяйственного сырья, а с другой — от доступности неф­ти и газа и цен на них. Важную роль сыграют как новые разра­ботки в области микробиологической технологии, так и инже­нерные решения, нацеленные на повышение эффективности ра­боты таких систем при меньших капитальных вложениях и энер­гопотреблении.