1.2.Исходные технологические условия и схемы производства биогаза

Биогаз – смесь метана (70 %) и углекислого газа (30 %), образующаяся в специальных устройствах – метантенках или биогазогенераторах, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана, путём анаэробного сбраживания.

Основное уравнение, описывающее данный процесс, имеет вид:

(1.1)

Для целлюлозы это уравнение принимает вид:

(1.2)

Эти реакции экзотермичны, в процессе их протекания выделяется примерно 1,5 МДж тепла на 1 кг сухой массы сбраживаемого материала, т. е. примерно 25 кДж/моль. На первый взгляд это значение невелико: этого тепла недостаточно даже для повышения температуры сбраживаемой массы, однако представим для сравнения количество тепла, которое выделится при традиционном сжигании высушенного исходного материала. Теплота сгорания 1 кг такого топлива составит примерно 16 МДж/кг, причём удаление 95 % влаги требует до 40 МДж тепла и наличие бактерий. Очевидно, что процессы сбраживания более эффективны, нежели простое сжигание топлива. Кроме того, материал с повышенной влажностью, будучи введен в процесс сбраживания, дает высококачественное с хорошо управляемым горением газообразное топливо.

Всё же основной целью процесса сбраживания является получение биогаза. Газ получают из жидкой массы, содержащей 95 % воды. Сырьём для получения являются отходы свиноферм, скотобоен, канализаций и т. п. Они перерабатываются в биогаз и удобрения. Отметим, что в процессе анаэробного сбраживания все паразиты и патогенные микроорганизмы погибают, что делает производство абсолютно безопасным.

Получение биогаза возможно в установках самых разных масштабов. Оно особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где целесообразно добиваться реализации полного экологического цикла. В таких системах навоз подвергают анаэробному сбраживанию с последующей аэробной обработкой в открытых бассейнах. Биогаз используют для освещения, приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов, для обогрева. В бассейнах можно выращивать водоросли, идущие на корм скоту и др. продукцию. Полученные удобрения отправлять на поля или на продажу.

При разработке метантенка следует учесть некоторые технологические особенности данного устройства.

Процессы сбраживания идут в три стадии, причем каждая обеспечивается собственной группой анаэробных бактерий.

Первая стадия. Нерастворимые разлагаемые биологически материалы (например, целлюлоза, полисахариды, жиры) расщепляются на углеводы и жирные кислоты. В работающем биогазогенераторе это происходит при температуре 25С за сутки.

Вторая и третья стадии осуществляются под действием бактерий. Различают кислотопродуцирующие бактерии, которые образуют в течение суток преимущественно уксусную и пропионовую кислоты, и бактерии, образующие метан. Этот процесс протекает медленно, в течение примерно 14 суток, при температуре 25С. При этом полностью сбраживаются исходные продукты, вырабатывая 70 % и 30 % с малыми примесями и возможно сероводород Доля примесей может играть существенную роль, например некоторые бактерии, Клостридиум, продуцируют водород.

Следует отметить, что существуют три температурных режима сбраживания. Рассматриваемый процесс при более высокой температуре идет быстрее, чем при низкой, и характеризуется примерно удвоением выхода газа на каждые 5С. При жарком климате сбраживание идет без подогрева при температуре почвы в пределах 20 … 30С (псикрофилический режим) с временным интервалом 14 дней. В странах с более холодным климатом среду для сбраживания следует подогревать, возможно, используя часть получающегося биогаза, до температуры примерно 35С (мезофильный режим). Некоторые бактерии "работают" при 55  63С. Их используют, если ставят целью поскорее разложить материал, а не получить дополнительное количество биогаза (термофильный режим).

Для нашего климата могут быть реализованы лишь 2 режима: мезофильный и термофильный. Для получения максимального выхода биогаза, рекомендуется проводить сбраживание в мезофильном режиме. Если же основным продуктом производства являются удобрения, то самым быстрым и эффективным является термофильный режим.

Применительно к рассматриваемой установке наиболее важными являются метанобразующие бактерии. Они способны полностью переработать все продукты кислого брожения. На сегодняшний день выведены специальные культуры, которые способны быстро размножаться, ускоряя тем самым процесс сбраживания. Следует учесть, что эти бактерии довольно прихотливы. Эффективность их деятельности зависит:

а) от кислотности среды (как правило, кислотность среды поддерживается на уровне рН 6 – 8). Низкий рН подавляет рост метаногенных бактерий и снижает выход биогаза. Высокий рН приводит к гибели культуры. Для повышения кислотности среду подкисляют различными добавками, а против закисления, как правило, используют известь.

б) от температуры протекания процесса.

в) от соотношения количеств твердой и жидкой фазы. Нормальное протекание процесса, как правило, наблюдается при количестве твердого вещества 7 … 10 %. В случае использования жидкого помета или навоза, соотношение между твердыми компонентами и водой должно составлять 1:1.

г) от соотношения в сбраживаемом составе углерода и азота Так как при анаэробном сбраживании происходит преобразование имеющегося в отходах углерода в метан при минимальных потерях азота, то поддержание правильного соотношения очень важно для производства метана[4].

Золотое правило обеспечения успешного сбраживания – поддерживать постоянные условия по температуре и подаче исходных материалов. В стабильных условиях могут быть выведены подходящие популяции бактерий.

Поддержание постоянной температуры можно осуществить горячей водой или электронагревателем (ТЭН). Более безопасным и рентабельным является обогрев метантенка горячей водой.

При загрузке материала в реактор возможно появление крупных комков, что негативно сказывается на выходе биогаза. Чтобы процесс протекал максимально эффективно, первоначально биомассу следует измельчить. Заполняя реактор, следует помнить, что перегрузка установки не увеличит, а наоборот уменьшит выход метана. Классической является загрузка на три четверти всего объёма газогенератора.

В процессе брожения происходит расслаивание биомассы, что угнетает идущий процесс. Чтобы получить максимальный выход биогаза бродящую массу следует перемешивать либо вручную, либо механической мешалкой. Перемешивание должно происходить регулярно через необходимые промежутки времени.

Выбор продолжительности пребывания биомассы в биореакторе – важнейший технологический момент всего процесса. Универсальных рекомендаций по этому вопросу не существует. Всё определяется видом сбраживаемого материала и заранее задаваемой степенью разложения. Для помета птицы и навоза крупного рогатого скота достаточно около 20 дней.

Современные метантенки работают практически по одной технологической схеме. Органические отходы поступают в приемный резервуар, где их измельчают и разбавляют водой. В случае необходимости для создания нужного соотношения в резервуар добавляют отходы полеводства. Образующийся в процессе анаэробного сбраживания биогаз подается в газгольдер, в случае необходимости проходя устройство очистки. Перебродившая в метантенке масса поступает в резервуар для хранения и дальнейшего использования.

Отметим, что по существующей традиционной технологии складирования навоза, его можно использовать не ранее чем через 6 – 8 месяцев. После обработки в данной установке "отработанный" продукт можно вывозить немедленно.