Получение биогаза – это техническое решение по применению природного процесса биологического образования метана а народном хозяйстве.
Рассматриваемый процесс – одна из стадий глобального цикла кругооборота углерода в природе, тесно связанного с биологической конверсией солнечной энергии. Метан – конечный продукт сложной межвидовой системы переноса электрона, возникающего при расщеплении воды благодаря механизму фотосинтеза – первого этапа биоконверсии солнечной энергии:
2 СО2 + 2 Н2О ——— 2 (СН2 О) + 2О2 (1)
2(СН2 О) ——— СН4 + СО2 (2)
СО2 + 2 Н2О ——— СН4 + 2О2 (3)
Рис. 3.4.1 Природа образования биометана
Теоретические расчеты показывают, что в идеальных условиях в метан может переходить до25% конвертируемой при фотосинтезе энергии Солнца. Биометаногенез широко распространен в природе (разложение органических веществ в болотах, почве, у животных в рубце и т.д.) и был открыт в1776 г. Вольтой. Не имя доступа ни к кислороду, не к другим, предпочтительным в энергетическом отношении акцепторам электронов (нитрат, сульфат, сера и др.), микроорганизмы вынуждены использовать для этой цели углерод органических веществ, что и приводит в конечном итоге к наиболее сильно восстановленному из существующих в природе углеродных соединений – метану. В тоже время в качестве донора электронов микроорганизмы в этом процессе также используют, как правило, углерод органических веществ, окисляя его до углекислого газа (второй важнейший компонент биогаза). Образование метана а природе – бактериальный процесс, осуществляемый сложнейшим по видовому составу метаногенным консорциумом или биоценозом, который можно идентифицировать как многокомпонентную бактериально биохимическую систему, в которой разносторонние бактериальные процессы тесно связаны с функционированием свободных и иммобилизированных ферментов, коферментов или их систем.
Рис. 3.4.2 Процесс метангенерации
При оптимальных условиях СН4 и СО2 могут образовываться в количестве, равном 90 -95% биологически распавшегося органического вещества. Остальные 5-10% расходуются на воспроизводство бактериальных клеток.
Фазы процесса метангенерации
I. Стадия ферментативного гидролиза нерастворенных сложных органических веществ с образованием более простых растворенных веществ.
II. Кислотогенная стадия – стадия кислотообразования с выделением летучих жирных кислот (ЛЖК), аминокислот, спиртов, а также водорода и углекислого газа.
III. Ацетогенная стадия превращения ЛЖК, аминокислот и спиртов в уксусную кислоту, диссациирующую на анион ацетата и катион водорода.
IV. Метаногенная стадия – образование метана из уксусной кислоты. А также в результате реакции восстановления водородом углекислого газа. На этой стадии 72% образуется путем расщепления ацетата (группа бактерий 5) и 28% метана за счет восстановления углекислоты водородом 9группа бактерий 4)
Установлено, что 60-65% биогаза образуется из-за распада жиров и 40-35% приходится приблизительно поровну на долю углеводов и белков. Все три компонента сбраживаются не полностью. Пределы сбраживания: 70% для жиров; 62,5% для углеводов; 48% для белков. Практический предел сбраживания 60-90% БПК и 40-60% ХПК.
Деградация органических веществ метаногенезе осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором углерод-углеродные связи постепенно разрушаются под действием различных групп микроорганизмов (Рис. 3.5).
Скорость сбраживания органических отходов различна в зависимости от температурного режима в биореакторе. Выделяют три режима:
1. Психофильный режим от 0 до 20ºС (оптимальная 15-17ºС)
2. Мезофильный режим от 20 до 40ºС (оптимальная 33-35ºС)
3. Термофильный режим от 40 до 60ºС (оптимальная 53-55ºС)
Таблица 3.4.1
Сравнение режимов анаэробного сбраживания
| Термофильный режим | Мезофильный режим |
| Более высокая скорость сбраживания – меньший объем биореактора – меньшие капитальные затраты (+) | Более низкая скорость сбраживания – больший объем биореактора – большие капитальные затраты (-) |
| Большее количество энергии на поддержание процесса (меньше КПД) (-) | Меньшее количество энергии на поддержку процесса (выше КПД) (+) |
| Более узкий температурный диапазон – сложнее поддержка технологии процесса (-) | Более широкий температурный диапазон – проще поддержка технологии процесса (+) |
| Стерилизация – полностью уничтожается болезнетворная микрофлора и семена сорняков (+) | Стерилизация – не полностью (-) |
Из 1 кг абсолютно сухого вещества (а.с.в.) получается одно и то же количество биогаза независимо от режима работы системы. В высокотемпературном режиме реакция идет с более высокой скоростью, что означает при одной и той же суточной загрузке меньший объем реактора или при одинаковых объемах реактора большую суточную загрузку. Скорость реакции в термофильном режиме выше в 1,6-1,7 раза, чем мезофильном.
Чем выше температура сбраживания, тем уже допустимые пределы ее колебания. При 38ºС допустимые колебания температуры 2,8ºС, а при 53-55ºС – 0,3ºС. Выход за данные пределы температуры не является катастрофой. Система достаточно инерционна, так снижение температуры с 50 до 40ºС в течение 2 суток с последующим повышением на 5ºС приводит к снижению выхода биогаза на 11%, а если указанное снижение температуры происходит в течение 5 суток, то выход газа полностью прекращается.
В процессе сбраживания микроорганизмы полностью адаптируются к заданному температурному режиму. При переводе мезофильного режима к термофильному адаптация заканчивается в течение 10-20 суток благодаря тому, что мезофильное сообщество всегда включает более 10% термофильных микроорганизмов. По этой же причине возможно самопроизвольное развитие мезофильного режима в среде, сформированной в психофильном режиме (при повышении температуры) и затруднен переход из психофильного режима в термофильный.
3.5 . Технологии получения биогаза
Чтобы понять технологию получения биогаза, рассмотрим принцип работы биогазовой установки ZORG™ (Рис. 3.5.1).
Рис. 3.5.1 Схема биогазовой установки
Жидкие биоотходы перекачиваются на биогазовую установку фекальными насосами по бардопроводу или трубопроводу навозоудаления. Канализационная насосная станция (КНС) находится в специальном технологическом помещении. Твердые отходы (например, навоз, помет) доставляются по транспортерной ленте, а с хранилища помета или навоза трактором. Жидкие отходы попадают не прямо в реактор, а в предварительную емкость. В этой емкости происходит гомогенизация массы и подогрев (иногда охлаждение) до необходимой температуры. Обычно объем такой емкости на 2-3 дня. Твердые отходы могут сгружатся в емкость с жидкими отходами и перемешиваться с ними. Либо твердые отходы загружаются в специальный шнековый загрузчик.
Из емкости гомогенизации и загрузчика твердых отходов биомасса (навоз или помет или барда) поступает в реактор (другое название биореактор, метантенк, ферментатор). Реактор (биореактор, метантенк, ферментатор) является газонепроницаемым, полностью герметичным резервуаром из кислотостойкого железобетона. Это конструкция теплоизолируется слоем утеплителя. Толщина утеплителя рассчитывается под конкретные климатические условия. Внутри реактора (метантенка, ферментатора) поддерживается фиксированная для микроорганизмов температура. Температура в реакторе мезофильная (30-41°С). В отдельных случаях применяются реакторы с термофильным режимом (около 55°С). Перемешивание биомассы внутри реактора производится несколькими способами. Способ перемешивания выбирается в зависимости от типа сырья, влажности и других параметров. Перемешивание производится наклонными миксерами, миксерами типа “падл-гигант”, погружными мешалками. Материал всех перемешивающих устройств – нержавеющая сталь. В отдельных случаях перемешивание не механическое, а гидравлическое. Т.е. масса раздается насосами по трубкам в слой, где живут колонии бактерий. Реакторы бывают бывают с деревянным или железобетонным сводом. Срок службы реактора более 25-30 лет.
Подогрев реактора ведется теплой водой. Температура воды на входе в реактор 60°С. Температура воды после реактора около 40°С. Система подогрева – это сеть трубок находящихся внутри стенки реактора, либо на ее внутренней поверхности. Если биогазовая установка комплектуется когенерационной установкой (теплоэлектрогенератором), то вода от охлаждения генератора используется для подогрева реактора. Температура воды после генератора 90°С. Теплая вода с температурой 90°С смешивается с водой 40°С и поступает в реактор с температурой 60 °С. Вода специально подготовленная и рециркуляционная. В зимний период биогазовой установке требуется до 70% вторичного тепла отведенного от теплоэлектрогенератора. В летний – около 10%. Если биогазовая установка работает только на производство газа, тогда теплая вода берется от специально установленного водогрейного котла. Затраты тепловой и электрической энергии на нужды самой установки составляют от 5 до 15% всей энергии, которую дает биогазовая установка.
Среднее время гидравлического отстаивания внутри реактора (в зависимости от субстратов) – 20–40 дней. На протяжении этого времени органические вещества внутри биомассы метаболизируются (преобразовываются) микроорганизмами. Для кукурузного силоса период брожения состваляет 70-160 дней. Период брожения определяет объем реактора.[1]
Всю работу по сбраживанию отходов проделают анаэробные микроорганизмы. В биореактор микроорганизмы вводятся один раз при первом запуске. Дальше никаких добавок микроорганизмов и дополнительных затрат не требуется. Введение микроорганизмов производится одним из трех способов: 1) введение концентрата микроорганизмов; 2) добавление свежего навоза или 3) добавление биомассы с другого действоющего реактора. Обычно используется 2 и 3 способ из-за дешевизны. В навозе микробы присутствуют и попадают в него еще из кишечника животных. Эти микроорганизмы полезны и не приносят вреда человеку или животным. К тому же реактор – это герметичная система. Поэтому реакторы, а точнее их назвать ферментерами, располагаются в непосредственной близости от фермы или производства.
На выходе имеем два продукта: биогаз и биоудобрения (компостированный и жидкий субстрат).
Биогаз сохраняется в емкости для хранения газа – газгольдере. Здесь в газгольдере выравниваются давление и состав газа. Газгольдер ZORG™- это высокопрочная растягивающаяся EPDM мембрана. Материал мембраны стоек к солнечному свету, осадкам и испарениям в реакторе. Срок службы газгольдера 15 лет. Газгольдер герметически накрывает реактор сверху. Над газгольдером накрывается дополнительно тентовое накрытие. В пространство между газгольдером и тентом закачивается воздух для создания давления и теплоизоляции. В отдельных случаях газгольдер представляет собой много-камерный мешок. Такой мешок в зависимости от проектного решения может крепиться сверху бетонного свода ремнями либо в специальной бетонной емкости. Запас объема газгольдеров обычно 0,5-1 день.
Из газгольдера идет непрерывная подача биогаза в газовый или дизель-газовый теплоэлектрогенератор. Здесь уже производится тепло и электричество. 1м3 газа дает 2кВт*ч электрической и 2кВт*ч тепловой энергии. Крупные биогазовые установки имеют аварийные факельные установки на тот случай, если двигатель/двигатели не работают и биогаз надо сжечь. Газовая система может включать в себя вентилятор, конденсатоотводчик, десульфулизатор и т.п.
Всей системой управляет система автоматики. Система контролирует работу насосной станции, мешалок, системы подогрева, газовой автоматики, генератора. Для управления достаточно всего 1 человека 2 часа в день. Этот человек ведет контроль с помощью обыкновенного компьютера. После 2-х недельного обучения на установке может работать человек без особых навыков, т.е. после училища.
Переброженная масса- это биоудобрения, готовые к использованию. Жидкие биоудобрения отделяются от твердых с помощью сепаратора и сохраняются в емкости для хранения биоудобрения. В Германии этот субстрат – аммиачная вода в основном используется как удобрение из-за высокой концентрации аммиака (NH4). Твердые удобрения хранятся на специальном участке. Из емкости хранения жидких удобрений насосами масса перекачивается в бочки-прицепы и вывозится на свои поля или на продажу. Как вариант возможна комплектация биогазовой установки линией фасовки и упаковки биоудобрений в бутылочки по 0,3; 0,5, 1,0 л. Если биоудобрения не представляют никакого интереса для собственника, что вообще странно, и требуется избавится от жидкого субстрата, тогда биогазовая установка комплектуется устройствами с дополнительными степенями очистки.
В случае, когда предприятию требуется не электроэнергия, а газ для заправки автомобилей, биогазовая установка комплектуется системой очистки и метановой заправочной станцией. Система очистки биогаза – устройство по отделению CO2 из биогаза. Например, если требуется техническая углекислота, то по принципу абсорбера- десорбера. Содержание углекислого газа доводится с 40% до 10% ( и даже 1%, если требуется). Такой вариант чрезвычайно может быть интересен, ввиду дороговизны солярки.
Для отдельных видов сырья описанный выше способ требует коррекции. Например, такой способ совершенно недопустим для моносырья как послеспиртовая барда и пивная дробина. В таком случае используется двухстадийная технология с дополнительными реакторами гидролиза. Особеностью процесса является поддержание уровня кислотности в реакторах гидролиза. Технология запатентована компанией ZORG и тщательно охраняется, что делает невозможным другим компаниям, даже если им станет известно ноу-хау, использовать этот метод и устройство.
Установка на себя потребляет всего 10-15% энергии зимой и 3-7% летом. Для работы очень большой установки достаточно 1 человека 2 часа в день.