3. Отримання біогазу шляхом анаеробного зброджування

Біогаз отримують метановим бродінням різних органічних речовин рослинного і тваринного походження в біогазових установках (БГУ).

З 1т (по сухій речовині) органічного бродильного матеріалу утворюється 350-400 мЗ біогазу з теплотворністю 23... 25 МДж/мЗ тобто 1 мЗ біогазу по теплоті еквівалентний 4 кВт·год електроенергії або 1,5 кг кам'яного вугілля.

image135.jpg

Рис. 3.1 – Схема отримання біогазу шляхом анаеробного зброджування

 

В Індії і Китаї використовуються мільйони сімейних БГУ.

Метанове бродіння – бактерійний процес, що протікає в анаеробних умовах при t=30-40°С. Цей процес не вимагає стерильних умов, технологічно нескладний і може бути відтворений в будь-якому господарстві.

Час бродіння 5...10 діб при t=55°С (термофільний режим) або 10...15 діб при t=30-40°С (мезофільний режим), більш тривалий час при t ~ 20°С (психрофільний режим).

Метанове бродіння здійснюється в реакторах-метантенках (рисунок 2.15), виготовлених з металу або залізобетону, об'ємом від 1 до декількох тис. м3. Для збору газу під тиском зазвичай використовують "мокрий" газгольдер.

В Україні роботи з анаеробного зброджування проводилися ще в 50-х роках XX ст. Так, на о. Хортиця в 1959 р. була споруджена біогазова установка, розрахована на переробку гною від 150 корів і 20 свиноматок з поросятами.

Біогаз – це суміш СН4 і СО2, що утворюється в спеціальних пристроях – біогазогенераторах (метантенках), влаштованих і керованих таким чином, щоб забезпечити максимальне виділення метану. Енергія, що отримується при спаленні біогазу, може досягати 60...90% від вихідної, якою володіє сухий початковий матеріал.

Інше і дуже важливе значення процесу – отримання цінного органічного добрива, в якому міститься значно менше хвороботворних організмів, ніж в початковому матеріалі. Проте, зазначимо, що не всі паразити і патогенні мікроорганізми гинуть в процесі анаеробного зброджування.

Отримання біогазу стає економічно виправданим, коли відповідний біогазогенератор працює на переробці існуючого потоку відходів. Прикладами подібних потоків можуть служити стоки каналізаційних систем, свиноферм, скотобоєнь і т.п. Економічність в цьому випадку пов'язана з тим, що немає потреби в попередньому зборі відходів, в організації і управлінні процесом їх подачі. Відомо, скільки і коли поступить відходів, і залишається лише переробити їх в біогаз і добриво.

Отримання біогазу можливе в установках самих різних масштабів. Воно особливо ефективне на агропромислових комплексах, де доцільно домагатися реалізації повного екологічного циклу. У таких комплексах гній піддають анаеробному зброджуванню з подальшою аеробною обробкою у відкритих басейнах. Біогаз використовують для опалення, для освітлення, в ДВЗ транспорту, електрогенераторів і т.д. У басейнах можна вирощувати водорості, що йдуть на корм худобі. Після аеробної ферментації повністю оброблені відходи, до того, як бути використаними у вигляді добрива, можуть подаватися в рибні садки і ставки для розведення водоплавної птиці. Успіх реалізації подібних схем прямо залежить від якості системного опрацювання всього проекту, міри стандартизації конструкцій, регулярності обслуговування тощо.

image136.jpg

 

Приймаючий резервуар (1) з системою опалення (2) та механічного перемішування – мішалки (3). Система подачі субстрату (4) в метантенк (5). Газгольдер (6). Купол (7). Система газовідведення (8) та газоподачі (9) з системою відводу конденсату (10) та сіркоочищення (11). Сепаратор (12). Система автоматики, візуалізації процесів керування (13). Теплопункт (14). Когенератор (15).

Рисунок 3.2 - Схема біогазової установки

 

В Китаї широко розповсюджена БГУ "Габор", яка розміщена під землею. Камера зброджування і газгольдер урівноважені між собою. Процес бродіння протікає стихійно, безконтрольно і без перемішування.

 

Основне рівняння, що описує анаеробне зброджування, має вигляд

 

73.jpg

 

Для целюлози це рівняння приймає вигляд

74.jpg

 

Ці реакції – злегка екзотермічні, в процесі їх протікання виділяється приблизно 1,5 МДж тепла на 1 кг сухої маси зброджуваного матеріалу, тобто приблизно 25 кДж/моль С6Н10O5. Цього, зазвичай, недостатньо для необхідного підвищення температури зброджуваної маси.

ККД конверсії становить 90%. На практиці зброджування рідко ведуть до кінця, оскільки це сильно збільшує тривалість процесу. Зазвичай зброджують приблизно 60% початкових продуктів. Вихід газу складає приблизно від 0,2 до 0,4 м3 на 1 кг зароджуваного сухого матеріалу при нормальних умовах і при витраті 5 кг сухої біомаси на 1 м3 води (5%-й розчин).

У тропіках зброджування йде без підігрівання при температурі ґрунту в межах 20-30°С, зброджування відповідає псикрофільному процесу тривалістю 14 днів. У країнах з більш холодним кліматом середовище для зброджування потрібно підігрівати, можливо, використовуючи частину отриманого біогазу, до температури приблизно 35°С. Деякі бактерії «працюють» при 55°С. Їх використовують, якщо ставлять метою скоріше розкласти матеріал, а не отримати додаткову кількість біогазу.

Золоте правило забезпечення успішного зброджування – підтримувати постійні умови за температурою і подачею початкових матеріалів. У стабільних умовах можуть бути виведені популяції бактерій, які придатні саме для цих умов.

Найбільш поширений спосіб отримання біогазу – анаеробне (без доступу кисню) зброджування біологічної маси (екскрементів, гною, відходів сільськогосподарського виробництва). Процес протікає за участю різноманітних мікроорганізмів і в певній послідовності.

На першому етапі анаеробного зброджування органічних речовин шляхом біохімічного розщеплення (гідролізу) високомолекулярні з'єднання (вуглеводи, жири, білкові речовини) розкладаються на низькомолекулярні. На другому етапі за участю кислототворних бактерій відбувається подальше розкладання з утворенням органічних кислот і їх солей, а також спиртів, вуглекислого газу (СО2) і водню2), а потім сірководню2S) і аміаку (NН3). На третьому етапі органічні речовини остаточно перетворюються у вуглекислий газ (СО2) і метан (СН4) (метанове бродіння). Надалі із СО2 і Н2 утвориться додаткова кількість метану (СН4) і води2О).

Метанотворні бактерії можуть існувати тільки в анаеробному середовищі, для їх відтворювання потрібен більш тривалий час, ніж для кислототворних бактерій. Швидкість анаеробного зброджування метанотворних бактерій залежить від їх метаболічної активності. На метаболічну активність і репродуктивну здатність мікроорганізмів впливає температура. Найвища активність спостерігається при температурі біля 33°С і 54°С. З підвищенням її приблизно до 54°С умови для утворень біогазу поліпшуються, з пониженням до 15°С мікробіологічна активність майже припиняється. При зміні температури, особливо при її різкому пониженні, метаболічна активність і здібність до відтворювання меншають.

Активність мікробної реакції в значній мірі визначається співвідношенням вуглеводу і азоту. Найбільш сприятливі умови відповідають С/N=10...16.

Склад матеріалу для зброджування залежить від виду тварин, їхнього корму, а також від способу їх утримання.

Передусім, треба враховувати вміст лігніну. Він практично не розкладається мікробами і, отже, не бере участі в процесі газоутворення. З цієї причини вихід газу з екскрементів жуйних тварин (ВРХ), які потребують корми з високим вмістом сирої клітковини, значно менше, ніж з екскрементів курей і свиней.

image256.jpg

 

Рис. 3.3 – Орієнтовний вихід біогазу в залежності від виду та кількості сировини

 

Для зброджування рослинних матеріалів з високим вмістом з'єднань вуглеводу, здібних до розкладання, необхідно додавати багаті азотом речовини, наприклад курячий послід або гній свиней, щоб отримати співвідношення С/N в межах, необхідних для інтенсивного протікання процесу.

 

Особливості технології. На вихід газу впливає конструкція БГУ, завантаження робочого об'єму, тривалість циклу бродіння, інтенсивність перемішування.

Із збільшенням тривалості бродіння зростає вміст СН4 в об'ємі газу, що виділяється, і меншає вміст СО2, що поліпшує якість газу.

Універсальних рекомендацій для вибору оптимального часу перебування маси в реакторі дати не можна.

 

Перспективи

Для розвитку біогазу в Україні вирішальне значення має вплив ряду політичних та технічних факторів. Серед рушійних сил подальшого розвитку виробництва біогазу можна виділити такі:

image258.png

-  необхідність подальших реформ енергетичного ринку під впливом міжнародної ситуації;

-  постійне зростання цін на традиційні енергоносії;

-  можливість підвищити надійність енергопостачання;

-  додаткові можливості для розвитку місцевої економіки, в першу чергу у сільській місцевості (гроші за газ і нафтопродукти ідуть не у країни-експортери, а залишаються у регіонах);

-  зростаючі можливості для експорту біомаси і біопалив;

-  можливість реалізації механізму спільного впровадження в рамках Кіотського протоколу, спрямованого на зниження викидів парникових газів у атмосферу;

-  постійне зростання екологічних вимог;

-   можливість створення нових робочих місць.

 

Біогазова установка своїми руками

image260.jpg

 

image262.jpg

 

 

 

 

Перейти до початку посібника