14.2 Технология получения биогаза

Биогаз получают путем разложения органических веществ (биомассы) под воздействием микроорганизмов. Процесс разложения проводят в реакто­рах (метантенк, ферментатор, дайджестер) в строго анаэробных условиях при 30...36°С (мезофильный режим) или 55...60°С (термофильный режим). Био­масса, содержащая 2...12% органических веществ, в виде жидкого субстрата подается в реактор. Процесс представляет собой сложную саморегулирую­щуюся систему и протекает при значениях рН среды, равных 6,2...8,2. При более низком или высоком значении рН процесс обычно тормозится или пре­кращается совсем. Нарушение процесса устраняется загрузкой реактора но­выми порциями сырья.

На начальной стадии перемешивание биомассы просто необходимо. Во время перемешивания осуществляется наилучший контакт микроорганизмов с питательной средой и стабилизируется температурный режим внутри реак­тора. Отсутствие перемешивания в начале процесса способствует образова­нию застойных зон и расслоению субстрата, поскольку легкая часть биомас­сы (солома) всплывает и выводится из зоны действия микроорганизмов. Пла­вающая корка нарушает процесс разложения, и это существенно сказывается на выходе биогаза. На последней стадии считается возможным исключение перемешивания. На практике перемешивание проводят периодически.

Продолжительность процесса зависит от состава субстрата (белки, жиры, углеводы). Вещества, содержащие больше белка, обладают высокой скоро­стью разложения и дают высокий выход биогаза (например, трава). Солома (высокое содержание лигнина) разлагается медленно и выделяет меньше биогаза. Углеводы дают больше углекислого газа, жиры - больше (до 85%) метана. Время переработки исчисляется от 7... 10 до 14... 16 дней и более.

Скорость процесса определяется степенью перемешивания, температурой (в термофильном режиме она в 2...3 раза выше, чем в мезофильном), хими­ческим составом сырья (белки, жиры, углеводы) и плотностью бактериаль­ной ассоциации.

Стабильный рост новых бактерий зависит от количества углерода и азота в отходах. Эти элементы бактерии используют как строительный материал и источник энергии. Оптимальное значение отношения C/N находится в преде­лах 20...30.

Принципиальная схема технологии производства биогаза приведена на рис. 38.

Для приготовления смеси используют свежий навоз крупного рогатого скота при влажности 90% и воду в соотношении 1:1. На одно ведро навоза берут одно ведро воды.

Готовую водно-навозную смесь через загрузочную камеру 2 вводят в ре­актор 3 и перемешивают с помощью мешалки 8. Режим работы установки непрерывный с автоматическим регулированием температуры 55...60°С (тер­мофильный режим) с помощью нагревателей 6.

Образующийся газ собирается в реакторе над субстратом и по трубопро­воду 12 поступает в газгольдер 13.

Выгрузка трансформированных продуктов (минеральных удобрений, ви­тамина В_]2) производится через разгрузную трубу 10.

Выход биогаза зависит от количества сухого органического вещества (СОВ) в навозе и его качественного состава и составляет в сутки 1,0. ..1,25 м с 1 м³ реактора. Максимальный выход биогаза (из расчета на 1 кг СОВ) со­ставляет: 0,35 м из навоза крупного рогатого скота; 0,5 м из свиного навоза и 0,7 м³ из птичьего помета (табл. 19).

Одновременно с образованием биогаза происходит трансформация ис­ходного сырья в удобрения и кормовые добавки (витамин В₁₂).

Таким образом, биогазовая технология решает экологическую (обеззара­живание, дезодорация, ликвидация отходов), энергетическую (получение то­плива и энергии), агрохимическую (получение экологически чистых удобре­ний) и социальную (улучшение условий труда и быта) проблемы.

Потенциальным сырьем для получения биогаза (табл. 20 и 21) являются:

-фитомасса (общая масса растительных сообществ - древесина, листья,трава, водоросли и т.д.);

-отходы сельского хозяйства (животноводство - навоз, птицеводство -помет, растениеводство - ботва, стебли, солома и т.д.);

-отходы промышленности (сточные воды предприятий пищевой про­мышленности, скотобоен, отходы от переработки овощей и т.д.);

-коммунально-бытовые стоки;

-твердые бытовые отходы (ТБО).

1 - рычаг привода мешалки; 2 - загрузочная камера; 3 - реактор; 4 - утеплитель; 5 - огнепреградительный затвор; 6 - электронагреватели; 7 - утеплитель; 8 - мешалка; 9 - разгрузное отверстие; 10 - разгрузная

труба; 11 - разгрузная камера; 12 - газопровод; 13 - газгольдер

Рисунок 38 - Принципиальная схема технологии производства биогаза

Таблица 19-Выход навоза от сельскохозяйственных животных и птицы и количество получаемого из него биогаза

Показатель	КРС	Свиньи	Птица
Выход навоза, кг/гол, в сут.	55,0	3,50	0,20
Выход биогаза, м3/гол. в сут.	1,62	0,32	0,02
Объем биогаза, м 3 на 1 т сухо- го вещества навоза	300	500	600

Таблица 20-Средний удельный выход биогаза при переработке различных сельскохозяйственных отходов

Материал	Выход биогаза*), л/кг	Материал	Выход биогаза*), л/кг
Навоз свиней	340...550	Конопля	380
Навоз КРС	90...310	Трава	280...550
Навоз лошадей	200...300	Ракита	405
Помет птиц	310...600	Камыш	170
Навоз овец	90...300	Клевер	430...490
Отходы из живот-новодческого поме-щения	175...280	Отходы зеленых культур	330...360
Солома пшеницы	200...300	Ботва картофеля	280...490
Солома ржи	200...300	Листья кормовой	400... 500
		сахарной свеклы
Солома ячменя	250...300	Листья подсолнечника	300
Солома овса	290...330	Сельскохозяйственные	310...430
		отходы
Солома кукурузы	380...450	Семена растений	620
Солома рапса	200	Листва	210...290
Солома риса	170...280	Водоросли	420... 500
Пленка риса	105	Ил каналов	310...740
Лен	360

Примечание - Выход биогаза рассчитан на единицу массы сухого органи­ческого вещества

Таблица 21- Состав и выход отходов животноводства, полеводства и коммунально-бытового хозяйства

	Отходы животноводчества			Отходы полеводства								Коммунально-бытовые отходы
% к сухому веществу	Крупный рогатый скот	Свиньи	Птица	Свекла	Ячмень	Пшени-ца	Рожь	Овес	Кукуру-за	Карто-фель	Хлопок	Бытовые отходы	Сточные воды
Органическая	77-85	77-84	76-77	78,5	93,8	94,4	95,4	93,0	91,7	78,0	80-85	60-85	75-85
Целлюлоза	27,6-50,3	19,5-21,4	13,0-17,8	11,5	43,5	45,5	47,5	44,5	33,3	23,8	35^10	30-40	-
Жиры	2,9-4,3	3,5-4,0	2,4-2,0	1,5	1,7	1,6	1,5	1,9	1,7	3,2		-	-
Протеин	9,3-20,7	16,4-21,5	20,5-42,1	12.5	3,5	2,9	2,9	3,4	7,5	14,6	-	-	-
Лигнин	16-30	-	9,6-14,3	-	15-20	15-20	15-20	15-20	5,5	-	-	-	-
Азот	2,3-4,1	4,0-10,3	2,3-5,7	2,0	0,56	0,46	0,46	0,54	1,2	2,34	1.46	0,8-1,5	2,0
Фосфор	0,4-1,1	1,9-2,5	1,0-2,7	0,26	0,08	0,09	0,12	0,19	1,16	0,20	0,21	0,4-0,6	4,5
Калий	1,0-2,0	1,4-3,1	1,0-2,9	3,57	1,4	0,79	0,88	1,92	2,32	1,67	1,31	0,3-0,6	0,8-1,2
Кальций	0,6-1,4	-	5,6-11,6	1,4	0,29	0,14	0,19	0,29	0,69	2,57	0.9-1,1	1,95	1,0-1.1
Магний	0,5-0,6	-	0,9-1,1	0,6	0,1	0,07	0,05	0,09	0,30	0,83	0,4-0,5	-	-
C/N	9-15	9-15	9-15	18,0	84,0	90-165	80-150	70-150	30-65	17,0	30-65	25-65	2,8-3,0
Исход-ная влажнос-ть, % Выход отходов	90 30-40	92 6,0-7,0	56 0,2-0,3	60 0,07- 0,2	14,3 0,8-1,5	14.3 0,47- 1,75	14,3 1,2-1,95	14,3 0,95- 1.75	15 0,55- 1,2	60 0.1- од	14,3 1,2- 3,0	40-60 0,4-0,5	95-99,8 1,2-1,8

Примечание: Выход отходов животноводства выражен в кг исходной влажности на голову в сутки; отходов полеводства - в кг сухого вещества отходов на кг продукции; отходов коммунально-бытового хозяйства - в кг на человека в сутки.

Разложение органических материалов достигается за счет механической (измельчение), физической (разрушение, например, термообработкой), химической (применение кислоты, щелочи и т.д.) и биологической (использование микроорганизмов, ферментов) переработки биомассы.

Процесс измельчения необходим при переработке биомассы растительного происхождения (трава, ботва, стебли и т.д.). После механического измельчения процесс разложения органики протекает более активно. Это обусловлено как увеличением удельной площади поверхности измельченного сырья, так и аморфизацией целлюлозы, входящей в состав сырья.

Получение биогаза (метана) - это сложный микробиологический в котором одновременно принимают участие несколько взаимодействую групп бактерий. При этом сложные органические вещества последовательно превращаются в более простые.

В 1956 г. Баркер первым описал процесс биохимических превращен непосредственным участием анаэробных бактерий в виде схемы реакций гласно которой образование метана протекает в две фазы.

Первая фаза -кислое или водородное брожение, в котором участвует вода, и образуются личные карбоновые кислоты, одноатомные и многоатомные спирты, амино кислоты, аммиак, водород, диоксид углерода, сероводород и др. Этот распад осуществляют сапрофитные бактерии, которые быстро размножаются и живут в среде с рН 4,5... 7,0.

Вторая фаза - щелочное или метановое брожение при котором метанообразующие бактерии осуществляют дальнейшее разложение веществ, образовавшихся в первой фазе. При этом выделяются водород, диоксид углерода и метан. И хотя схема Баркера не имеет строгой термодинамической основы, представление процесса биохимических вращений двумя фазами удобно для ведения технологического контроля широко пользуется на практике.

Более полно процесс образования метана объясняет схема, предложенная в 1964 г. Маккарти. Эта схема включает три стадии и три группы бактерий.

На первой стадии происходит гидролиз сложных органических соединений (белков, жиров, углеводов). При этом участвуют микроорганизмы, кот расщепляют моносахариды, органические кислоты и спирты. Результатом деятельности этих микроорганизмов является образование водорода, диоксида углерода, жирных кислот и спиртов. В этой стадии участвуют облигатные {Clostridium, Bacteroides, Ruminococcus, Butyrivibrio) и факультативные (Escherichia coli и Bacillus sp.) бактерии.

На второй стадии ацетогенные микроорганизмы Syntrophobacter, Syntrophomonas, Desulfovibrio ферментируют водород, диоксид углерода и другие одноуглеродные соединен также некоторые более сложные вещества в низкомолекулярные opганические кислоты. На этой стадии действуют ацетогенные бактерии, включая облигатные, так и факультативные виды, способные сбраживать opганические кислоты и нейтральные соединения до водорода и уксусной кислоты.

На третьей стадии происходит распад органических веществ, образуют на первых двух стадиях. Процесс осуществляется метанобразующими и сульфатредуцирующими микроорганизмами. На этой стадии образуются ме­тан, диоксид углерода и незначительные количества сероводорода.

Согласно современным воззрениям, разложение биомассы проходит че­тыре последовательных этапа.