Биогаз - перспективы и возможности производства Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 628.336.515

БИОГАЗ - ПЕРСПЕКТИВЫ И ВОЗМОЖНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА Т. В. Щукина

ФГБУ ВПО Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, Российская Федерация, 394006, г. Воронеж, ул. 20 лет Октября, д. 84, [email protected].

Рассматриваются требуемые условия осуществления бесперебойного процесса метанообразо-вания при разложении органического сырья. Для повышения количества и качества получаемого топлива выполнен анализ способов интенсификации сбраживания отходов сельского хозяйства и животноводчества. Обоснованы наиболее перспективные направления дальнейшего развития технологий производства биогаза. Ил. 1. Табл. 3. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: отходы сельского хозяйства и животноводства, производство биогаза. BIOGAS - PROSPECTS AND MANUFACTURE POSSIBILITIES T. V. Shchukina

Voronezh State University of Architecture and Civil Engineering,

84, 20 Let Oktyabrya St., Voronezh, 394006, Russia, [email protected].

Required conditions of continuous process of organic raw materials decomposition are considered. Ways of agriculture waste fermentation were analyzed to raise the quantity and quality of received fuel. The most perspective directions of the further development of biogas "know-how"' are proved. 1 figures. 3 tables. 5 sources. Keywords: agriculture wastes, biogas manufacture.

Обеспечение топливом может быть осуществлено альтернативно при наличии приусадебных или фермерских хозяйств, крупных животноводческих комплексов или предприятий по переработке сельскохозяйственной продукции. Отходы от перечисленных видов производственной деятельности представляют собой достаточно калорийное сырье для получения биогаза. Выделяемый при анаэробном сбраживании органической массы газ может быть направлен как на предприятия, поставляющие сырье, так и на бытовые нужды населения, тем самым частично или полностью снимая проблему энергообеспечения зданий. Такое снабжение топливом позволяет не только покрыть дефицит, но и значительно улучшить экологическую обстановку, так как отходы животноводства и сельского хозяйства в отсутствии организованной переработки постепенно разлагаются в воздушной среде на различные компоненты, загрязняющие окружающую среду. Так, например, в первые месяцы открытого хранения навоза выделятся метан, интенсивность образования которого вызывает парниковый эффект, в 21 раз превышающий последствия от воздействия углекислого газа.

Современные технологии позволяют перерабатывать в биогаз любые виды органического сырья: навоз, птичий помет, зерновая и мелас-ная после спиртовая барда, свекольный, фрук-

товый, ягодный и овощной жом, травяной силос, отходы рыбных и забойных цехов. Качество сырья для проведения анаэробного сбраживания характеризуется влажностью и выходом биогаза с возможно большим содержанием в нем метана. В среднем из тонны навоза крупного рогатого скота получается 50-65 м3 биогаза, имеющего в своем составе 60% метана. Из различных видов энергетических растений выход топлива в зависимости от вида культур может доходить до 150-500 м3 с 70% содержанием метана (табл. 1) [1-3]. Максимальное количество биогаза 1300 м можно получить из 1 т животного жира, при этом в своем составе он будет иметь до 87% метана [1].

Альтернативным и сезонно возобновляемым ресурсом для производства биогаза и удобрений является растениеводство культур, обладающих высоким энергетическим потенциалом. В Европе из 15 тыс. биогазовых станций, половина работает на кукурузном силосе, который является одним из наиболее перспективных видов растительного сырья для переработки. Кукуруза дает хороший урожай с гектара и выход газа с 1 т до 220 м3. Следует отметить, что при выращивании энергетических культур средства не затрачиваются на вносимые удобрения, поскольку реакторы их производят попутно с газом.

Биогазовые установки, перерабатывающие навоз, являются самыми простыми по конструктивному исполнению. Микроорганизмы, участвующие в процессе брожения, попадают в навоз из кишечника животных и их не нужно добавлять к отходам для ускорения процесса разложения, как в случае с некоторыми видами растительного сырья. Также нет необходимости оснащать установку реактором гидролиза, который предусматривается для птичьего помета.

Для обеспечения жизнедеятельности и хорошей работы всех микроорганизмов внутри реактора необходимо поддерживать определенные условия. Обязательными факторами, влияющими на успешное разложение сырья, являются:

- анаэробность процесса - активная жизнедеятельность бактерий возможна только при отсутствии кислорода, и в конструкциях реакторов изначально предусмотрено соблюдение этого условия;

- влажность - бактерии могут жить, питаться, размножаться и производить биогаз только во влажной среде;

- температура - оптимальным режимом для всех групп бактерий является диапазон 3550 оС, что может поддерживаться системой автоматического контроля;

- уровень рН - в то время, как гидролизиру-ющие и кислотообразующие бактерии в кислой среде с уровнем рН 4,5-6,3 достигают оптимальной активности, микроорганизмы, вырабатывающие уксусную кислоту и метан, могут жить только при нейтральном или слабощелочном уровне рН - 6,8-8. Если уровень рН превышает оптимальный, то в питательной среде замедляется жизнедеятельность, что снижает выработку биогаза, и потому следует выдерживать уровень рН 7, способствующий интенсивному метанооб-разованию;

- период брожения - количество производимого газа ограничивается массой и условиями переработки сырья. После загрузки ферметато

ра скорость выхода биогаза постоянно растет, достигая на 7-15 сут своего максимума, а затем происходит ее снижение и, наконец, наступает такой момент, когда дальнейшее пребывание субстрата в реакторе становиться нецелесообразным с экономической точки зрения;

- равномерная подача субстрата - продукты обмена веществ каждой группы бактерий выступают питательной средой для последующей группы микроорганизмов, каждая из которых работает со своей скоростью. Поэтому бактерии нельзя перекармливать, так как какая-либо из колоний микроорганизмов просто не сможет успеть произвести необходимую среду обитания для следующей группы. Во избежание этого в каждом конкретном проекте рассчитывается и программируется периодичность подачи сырья;

- подача питательных веществ - следует обеспечивать бактерии всеми необходимыми для жизнедеятельности питательными веществами. Это не предполагает их отдельного дополнительного добавления, так как все необходимое уже содержится в субстрате: витамины, растворимые соединения азота, минеральные вещества, микроэлементы и в очень небольшом количестве тяжелые металлы. Никель, кобальт, молибден, вольфрам и железо необходимы бактериям для образования энзимов;

- размер частичек - размер бактерий составляет 1/1 ООО мм, и поэтому чем мельче частички, тем легче и быстрее бактерии смогут разлагать сырье. При этом период брожения будет сокращаться, а метанообразование - ускоряться. Чтобы способствовать указанным процессам, проводится дополнительное измельчение субстратов перед подачей в реактор;

- перемешивание - необходимо не только для избежания появления плавающей корки и осадка, но и для выведения выработанного газа. Мешалки могут работать периодически и постоянно в щадящем для бактерий режиме.

Получаемый объем биогаза с 1 т исходного сырья

Таблица 1

Наименование сырья Объем получаемого биогаза, м 3/т Содержание метана, в %, в биогазе

Навоз крупного рогатого скота 50-60 60

Свиной навоз 55-65 60

Помет несушек, цыплят и бройлеров

при клеточном содержании 130-140 60

Помет несушек, цыплят и бройлеров с

подстилкой 80 60

Продукты бойни в животноводстве 300 65

Животный жир 1300 87

Силосная кукуруза 220

Ботва свеклы 200 54

Различные виды трав 250

Различные виды энергетических рас-

тений 150-500 70

Таблица 2

Четыре этапа процесса брожения

Этапы I II III IV

Процесс Гидролиз Повы шение кислотности Ацетатогенная стадия Образование метана

Бактерии Аэробные гидролизные бактерии Кислотообразующие бактерии Бактерии образующие уксусную кислоту Метановые бактерии

Выход Моносахариды, аминокислоты и жирные кислоты Органические кислоты, двуокись углерода Уксусная кислота, двуокись углерода, водород Метан, двуокись углерода, водород

- стабильность процесса - микроорганизмы привыкают к определенным условиям, включая рацион. Любые изменения, если они вносятся, должны быть постепенными.

Конечным продуктом биологической обработки отходов являются:

- биогаз, который состоит из не менее 55% метана, не более 45% оксида углерода, не более 2% сероводорода и не более 1% водорода [4];

- органическая масса, как остаток брожения, состоящий из воды, небольшого количества целлюлозы, незначительной массовой части бактерий и питательных органических элементов (азот, фосфор, калий и т. д.).

Из-за сложного состава сырья затруднительно представить последовательность процессов кислотогенной стадии их конверсии в виде уравнений химических реакций, но в общем виде разложение основных компонентов субстрата происходит по следующим схемам:

Углеводы + Н20 3 СН + 3 СО, (1)

Жиры + Н20 2 СН4 + СО, (2)

Углеводы + Н20 —>-2 СН4 + СО, + Н28 +Ш3 +С04 (3)

В анаэробных условиях бактерии разлагают органическое сырье, выделяя биогаз как промежуточный продукт их обмена веществ. Процесс брожения можно разделить на 4 этапа [4, 5], в каждом из которых участие принимают разные группы бактерий (табл. 2).

На первом этапе аэробные бактерии перестраивают высокомолекулярные органические субстанции (белок, углеводы, жиры, целлюлозу) с помощью энзимов на низкомолекулярные соединения, такие как моносахариды, аминокислоты, жирные кислоты и воду [5]. Энзимы, выделяемые гидролизными бактериями, расщепляют органические составляющие сырья на малые водорастворимые молекулы. В процессе гидролиза полимеры превращаются в мономеры, т. е. распадаются на отдельные молекулы.

Далее расщеплением занимаются кислотообразующие бактерии. Отдельные молекулы проникают в клетки микроорганизмов, где происходит их дальнейшее преобразование. В этом

процессе частично принимают участие бактерии, употребляющие остатки кислорода и образующие тем самым необходимые для метановых бактерий анаэробные условия.

На этом этапе вырабатываются:

- кислоты: уксусная, муравьиная, масляная, пропионовая, капроновая и молочная;

- спирты и кетоны: метанол, этанол, пропа-нол, бутанол, глицерин и ацетон;

- газы: двуокись углерода, сероводород и аммиак.

Схема конверсии кислотообразующими бактериями моносахара на примере глюкозы может быть представлена следующим образом:

СбН1206 -^СНОН +СН3С00Н +2 С02 +2Н2 (4) С2Н50Н + Н20 -»■ СН3С00Н + 2 Н2 (5)

В ацетатогенной стадии кислотообразующие бактерии создают из органических кислот исходные продукты для получения метана, а именно: уксусную кислоту, двуокись углерода и водород. Для жизнедеятельности указанных бактерий, поглощающих водород, очень важно соблюдение стабильного температурного режима.

Ацетатогенная стадия превращения летучих жирных кислот, аминокислот и спиртов в уксусную кислоту осуществляется двумя видами бактерий. Первая группа, образующая ацетаты с выделением водорода из продуктов предшествующих стадий, называется ацетатогенами, образующими водород по схеме С2Н5С00Н + 2 Н20 СН3С00Н + С02 + 3 Н2 (6)

Вторая, также образующая ацетаты и использующая водород для восстановления диоксида углерода, называется ацетатогенами, использующими водород,

2 С02 +4 Н2-»- СН3С00Н +2 Н20 (7)

На последнем, четвертом этапе образуется метан, двуокись углерода и вода. Эта завершающая фаза конверсии обеспечивает выработку 90% всего метана, 70% из которых происходит в результате расщепления ацетата:

СН3С00Н СН + С02 (8)

Таблица 3

Состав биогаза, получаемого из отходов сельского хозяйства и животноводства

Компонент Формула Содержание в %

Метан СН4 50-75

Двуокись углерода СО2 25-45

Водяной пар Н2О 2 (20 оС) - 7 (40 оС)

Кислород О2 < 2

Азот N2 < 2

Аммиак NH3 < 1

Водород H2 < 1

Сероводород H2S < 1

а остальное количество газа производится за счет восстановления диоксида углерода:

CÜ2 + 4 H2 CH4 +2 H2O (1)

Таким образом, образование уксусной кислоты, то есть третий этап расщепления, является фактором, определяющим скорость получения метана. Данный процесс осуществляется медленно растущими бактериями, являющимися строгими анаэробами, весьма чувствительными к изменениям условий среды, особенно к снижению рН менее 7-7,5 и температуры.

В большинстве случаев такие процессы происходят одновременно, т. е. отсутствует раздел по месту и продолжительности протекания, что относит их к технологиям одностадийным. Для сбраживания быстро разлагаемых видов сырья в чистом виде требуется особая двух стадийная технология. Например, птичий помет, спиртовая барда не перерабатываются в биогаз в обычном метантенке. Для переработки такого сырья устанавливается дополнительный реактор гидролиза, который повышает выход метана контролированием уровня кислотности, не позволяющем погибнуть бактериям из-за повышенного содержания кислот или щелочей.

Получаемый при брожении отходов сельского хозяйства и животноводства биогаз в основном состоит из 50-80% метана и 50-20% углекислого газа (табл. 3). По своим характеристикам он близок к природному, и его теплотворная способность составляет 6000-9500 ккал/м3, при средней калорийности природного газа 7900 ккал/м3.

Выбор оборудования для производства биогаза не так уж широк, очевидно, в виду того, что этот бизнес пока находится на этапе становления. Наиболее известные биоустановки поставляются немецкими производителями. К ним относятся следующие фирмы: Schmack, EnviTec Biogas, Biogas Nord, Lipp. Стоимость смонтированной биогазовой станции зависит от ценовой политики производителя и может составлять от 3 до 4 млн. евро за 1 МВт [1]. Украино-швейцарская фирма Zorg, занявшая лидирующую позицию на Российском рынке, предлагает биоустановки за 2,5-2,7 млн. евро [1]. Учитывая высокую стоимость предлагаемого оборудова-

ния, повышается вероятность появления российских производителей биогазовых станций небольшой мощности, что является наиболее перспективным при существующем положении в сельском хозяйстве, где в настоящее время происходит восстановление посевных площадей и поголовья скота.

Узкий круг имеющихся данных по параметрам оборудования, показателям производительности и оптимизации их конструктивного исполнения, гарантирующих безотказную эксплуатацию, сдерживают темпы получения и использования биогаза, что недопустимо при столь перспективном виде энергозамещения. Это обуславливается также и тем, что вырабатываемый и накопленный в хранилищах газ может быть израсходован в режимах пикового потребления для отопления, горячего водоснабжения и для других бытовых нужд. Кроме того, возможен отпуск газа при его избытке в существующие сети газоснабжения.

При получении в биогазовых установках топлива, направляемого непосредственно потребителю или отпускаемого в газораспределительную систему, целесообразно контролировать количество вырабатываемого метана. Определить его концентрацию в получаемой смеси можно воспользовавшись уравнением материального баланса конверсии исходного продукта:

^ (реУ ) = цттйт + еОГёт, (10)

где с - концентрация метана, кг/кг; р - плотность газа, кг/м ; V - объем газа в метантенке, м3; у - скорость разложения субстрата в момент времени т, кг/ч; т - количество продукта, образующегося в результате разложения единицы массы субстрата, кг/кг; СГ - расход газа, удаляемого из метантенка, кг/ч.

Интегрируя уравнение (10) с учетом, что в момент загрузки реактора, т. е. при т = 0, концентрация метана равна нулю, получаем зависимость

c =

ym G

(

Г

Gr \

1 - е

(11)

V у

Выражение (11) показывает, что наибольшее влияние на рост концентрации метана ока-

зывает скорость конверсии и общее количество вырабатываемого газа, которые могут быть увеличены за счет поддержания термофильного режима и высокой активности бактерий.

Рассматривая вопросы бесперебойной альтернативной поставки топлива потребителям, необходимо в первую очередь создавать условия для интенсификации процессов метанового брожения по ряду причин:

- сокращение продолжительности разложения сырья при достижении требуемой степени распада вызовет снижение объемов сооружений и, соответственно, капитальных затрат на их возведение;

- увеличение количества производимого биогаза приведет к более полному возмещению нагрузок и сокращению потребления других видов энергии;

- рост содержания метана в биогазе повысит его теплоту сгорания и эффективность утилизации.

В дальнейшем развитии технологий получения альтернативного газа можно выделить следующие основные направления:

- совершенствование и интенсификация метанообразования с совмещением в одном реакторе всех стадий этого процесса;

- использование ступенчатых схем сбраживания с созданием в каждой ступени различных условий проведения процесса;

- разработка новых технологий, основанных на использовании особенностей микроорганизмов, участвующих в каждой из четырех основных стадий процесса брожения, а также их требований к условиям среды [2, 4].

Это может быть достигнуто как новыми конструктивными разработками, включая дополнительные устройства подогрева отходов и оптимизацию протекания всех основных процессов, так и дополнительно вносимыми активизирую-

щими компонентами и микробами, ускоряющими процесс разложения, но не снижающими впоследствии качество получаемого удобрения. К интенсивным технологиям метанового сбраживания относятся также ступенчатые схемы работы реакторов. Наиболее широко применяются схемы (рис.) двух- и многоступенчатого сбраживания, в основе которых лежит разделение процесса на стадии конверсии с бурным выделением биогаза, предотвращающим расслоение осадка (первая ступень), и затухания процесса разложения отходов (вторая и последующие ступени). Это ведет к уменьшению объема сброженного продукта, поступающего на обезвоживание, и, соответственно, затрат на эту стадию его обработки. Дображивание и расслоение осадка иногда проводят в нескольких последовательно расположенных резервуарах. В приведенной схеме в метантенках в процессе конверсии участвует весь комплекс микроорганизмов, хотя и с разной интенсивностью, которая снижается к последней ступени.

Для решения задач интенсификации разложения сельскохозяйственных отходов следует использовать реакторы из композитных материалов с двойной оболочкой корпуса, позволяющей дополнительно образованное пространство заполнять полученным газом с целью его хранения [2, 3]. Так как накапливаемый газ имеет низкую теплопроводность близкую к параметрам воздушной среды (0,026 Вт/(м оС)), которую по своим свойствам можно отнести к теплоизолирующим материалам, то расположение в емкости хранения газа реактора позволит не только сократить расходы на монтаж системы альтернативного газоснабжения, но и обеспечит поддержание температурного режима в холодный период года без существенных затрат на подогрев сырья.

Рис. Схема двухфазового процесса брожения:

1 - подача отходов жизнедеятельности от животноводческих сооружений; 2 - уплотнитель осадка; 3 - анаэробный реактор первой фазы; 4 - анаэробный реактор второй фазы; 5 - уплотнитель сброженного осадка; 6 - подача осадка на обезвоживание; 7 - иловая вода, направляемая в

очистные сооружения; 8 - биогаз; 9 - насос

Перспективным также является применение эластичных укрытий для верхней части метан-тенков, выполняющих роль расширяющихся газгольдеров.

Определение целесообразных условий применения типового оборудования, создание новых конструктивных разработок с интенсификацией процесса брожения сырья для получения высокой скорости метанообразования позволят

рационально использовать отходы сельского хозяйства и животноводства, одновременно восстанавливая экологическую чистоту этих отраслей. Совершенствование биогазовых установок в приоритетных направлениях их развития в ближайшей перспективе приведет к высоким темпам внедрения альтернативного газоснабжения сооружений, особенно в не газифицированных районах.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК

1. Schmack forscht an biogasmikroben // Sonne Wind and Wärme. 2010. 34. № 18. Р. 25.

2. Полосин И.И, Кузнецова Н.В., Щукина Т.В. Био-газ - топливо сельскохозяйственных комплексов// Ma-terialy VII mezinarodni vedecko - prakticka conference «Aktualni vymozenosti vedy - 2011», 27.06.201105.07.2011. - Dil 19. Technicke vedy: Praha. Publishing House «Education and Science» s.r.o. Str. 40-46.

3. Полосин И.И., Кузнецова Н.В., Щукина Т.В. Био-газ - как способ регулярного снабжения топливом локальных потребителей // Materialy VII Mi^dzynarodowej

naukowi-praktycznej konferencji «Perspektywiczne opra-cowania sq naukq I technikami - 2011», 07-15 listopada 2011 roku. Volume 49. Chemia i chemiczne technologie.: Przemysl. Nauka i studia. Str. 52-57.

4. Шаталов В.И., Свитличная Ю.И. Получение энергии и удобрений из биомассы // Энерготехнологии и ресурсосбережение. 2010. № 2. С. 77-80.

5. Гюнтер Л.И., Гольдфарб Л.Л. Метантенки. М.: Стройиздат, 1991. 128 с.

Поступило в редакцию 30 января 2012 г После переработки 28 марта 2012 г