3.1 Оценка выработки биогаза из навоза и описание технологии процесса

Биогазовые технологии - радикальный способ обезвреживания и переработки разнообразных органических отходов растительного и животного происхождения, включая экскременты животных и человека, с одновременным получением высококалорийного газообразного топлива - биогаза и высокоэффективных экологически чистых органических удобрений. Биогазовые технологии - это решение проблем энергетики, агрохимии, экологии и капитала [5].

В основе биогазовых технологий лежат сложные природные процессы биологического разложения сапропеля, навоза или птичьего помета, их смесей и других органических веществ в анаэробных условиях (без доступа воздуха). При этом под воздействием особой группы анаэробных бактерий, происходят процессы сопровождающиеся минерализацией азотсодержащих, фосфорсодержащих и калийсодержащих органических соединений с получением минеральных форм азота, фосфора и калия, наиболее доступных для растений, с полным уничтожением патогенной (болезнетворной) микрофлоры, яиц гельминтов, семян сорняков, специфических фекальных запахов, нитратов и нитритов. Емкость, в которой происходит процесс сбраживания, называется "метантенком", или "реактором". При соблюдении оптимального температурного режима брожения, постоянном перемешивании сырья, своевременной загрузке исходного и выгрузке сброженного материала выход биогаза достигает 2-3 м³ с 1 м³ реактора, а при использовании птичьего помета - 6 м³.

Есть несколько видов анаэробных бактерий, каждый из которых максимально эффективно работает при определенной температуре. В связи с этим различают различные температурные режимы брожения. На практике используются два режима: мезофильный (30-40°C) и термофильный (51-55°C).

В термофильном режиме реакция идет в два раза быстрее, и соответственно в два раза быстрее выделяется биогаз. Также термофильный режим имеет преимущества с точки зрения экологии, поскольку в этом режиме уничтожаются почти полностью все болезнетворные микроорганизмы. Но термофильный режим требует больших энергозатрат на поддержание необходимой температуры реакции, а также большей точности поддержания температуры. Кроме того, качество биоудобрений в этом режиме получается хуже, чем в мезофильном.

Мезофильный режим предъявляет менее строгие требования к точности поддержания температуры, но не всегда может подходить с точки зрения экологии. Если нас интересуют прежде всего биоудобрения, то мезофильный режим – это безальтернативный выбор.

Если необходимо существенно сэкономить на стоимости биогазовой установки, то подходит термофильный режим. Ведь установка, работающая в термофильном режиме имеет в два раза большую пропускную способность, и, соответственно, может быть уменьшена в два раза по сравнению с установкой, работающей в мезофильном режиме, при переработке того же количества сырья.

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............................................ 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 SNG (синтетический газ, получаемый из угля или водородсодержащего сырья).

Качество биогаза определяется в первую очередь содержанием метана либо соотношением горючего метана (CЧАС₄) к „бесполезной" двуокиси углерода (C0₂). Двуокись углерода разбавляет биогаз и вызывает потери при его хранении. Поэтому важно стремиться к высокому содержанию метана и как можно низкому содержанию двуокиси углерода. Достигаемое обычно содержание метана колеблется между 50 и 75%.

Содержание метана в биогазе в первую очередь определяется следующими критериями:

• Ведение процесса: в то время как в одноступенчатых биогазовых установка весь процесс анаэробного разложения происходит в одном ферментаторе, одним этапом, и таким образом весь газ выделяется как смесь газов, в двухступенчатых установках, выработанный на первом этапе газ, состоит в большой степени из двуокиси углерода и других энергетически малоценных газов, выводящихся в окружающую среду. Вырабатываемый на втором этапе газ имеет высокий процент содержания метана, который может составлять и более 80%.

• Состав питательных веществ субстрата. Количество и качество произведенного биогаза зависит от количества внесенных веществ и их состава. Протеины и жиры имеют более высокое содержание метана. Для богатых на углеводы субстратов, как например кукуруза можно рассчитывать на содержание метана в среднем 53% .

• Температура субстрата: на практике оказалось, что при высокой температуре ферментатора выход метана более плохой, чем при низких температурах. Это происходит через различия в растворимости и образованием газовидной двуокиси углеводорода. Чем большее количество CО₂ перейдет в газовидную форму, тем меньшей будет процентная доля CЧАС₄ в биогазе.

После метана и двуокиси углерода, сероводород (ЧАС₂S) является важнейшей составляющей газа [5]. Сероводород очень агрессивен и вызывает коррозию, что в первую очередь вызывает проблемы с арматурой, газовыми счетчиками, горелками и двигателями. Поэтому необходимо очищать биогаз от серы. Очищенный от серы биогаз, почти не имеет запаха. Газ, только что поступивший из биогазовой установки насыщен водным паром. Возможно, что пар содержит также следы еще малоисследованных растворенных веществ, способных вызывать проблемы при сжигании биогаза в котлах и двигателях. Например, на биогазовой установке в Рипперсхаузене непонятным образом образовывались пушистые хлопья, которые создавали в топке котла толстые наслоения. Потребовалось длительное время, чтобы установить, что эта «белая сажа» является оксидом кремния, возникающим вследствие коферментации силиконосодержащих косметических мазей как результат сложных химических реакций (образование силанов). Сушка биогаза конденсацией является поэтому очень важным шагом по обогащению газа. С помощью конденсированной воды сепарируют также большое количество содержащегося в биогазе аммиака, вызывающего в противном случае большие повреждения двигателя, особенно на подшипниках из цветных металлов. Теплота сгорания одного кубометра достигает 25 МJ, что эквивалентно сгоранию 0,6 l бензина, 0,85 l спирта, 1,7 kg дров или использованию 1,4 кВт·час электроэнергии.