Биогазовые технологии (стр. 2 )

Таблица 2. Выход биогаза, при анаэробном сбраживании различных видов субстрата

Вид исходного субстрата	Содержание сухого вещества, %	Выход биогаза, м3/т
Навоз крупного рогатого скота	8	22
Свиной навоз	6	25
Птичий помет (твердый)	22	76
Солома: Ячмень Пшеница	86 86	300 280
Силосная масса: трава кукуруза	40 35	200 208
Кукурузная зерностержневая смесь (содержание клетчатки 5%)	65	414
Трава (луговая)	18	95

Получение биогаза возможно в установках разных размеров, но особенно эффективно в агропромышленных комплексах, в которых осуществляется полный экологический цикл.

С целью увеличения выхода биогаза может быть использован коферментационный процесс, при котором в исходные навозные стоки добавляются различные органические отходы. Использование жиросодержащих стоков увеличивает выход биогаза до 800 м3/т, что более чем в 30 раз превышает этот показатель для свиного навоза. Выход биогаза в субстрата увеличивается при добавлении в навоз отходов лигнина и лигнинцелюлозы. Из 1 тонны свежей люцерны получается 440 – 630 м3 биогаза, из 1 тонны травы – 520-640 м3. Применение коферментационной схемы сбраживания требует строительства дополнительного хранилища и приводит к увеличению капитальных затрат.

Количество биогаза, которое может быть получено из различных сельскохозяйственных отходов, остатков и смесей при оптимальных условиях анаэробной переработки зависит от количества субстрата, условий протекания процесса, бактериального состава в реакторе и др. Обычно сбраживается 2-4% исходного продукта. Выход газа составляет 0,2 – 0,4 м3 на 1 кг сбраживаемого сухого материала при нормальных условиях и расходе 50 кг сухой биомассы на 1 м3 воды.

На эффективность работы биогазовой установки большое влияние оказывает предварительная подготовка исходного субстрата. Чем меньше размеры частиц органических компонентов исходного сырья, тем больше их удельная поверхность и соответственно интенсивнее происходят процессы сбраживания. Так, измельчение субстрата до частиц размером менее 1 мм повышает выход биогаза на 20%. Интенсивность метанообразования в значительной мере зависит и от степени однородности исходного субстрата.

Эффективность процесса производства биогаза измеряется в процентах и может быть принята за показатель при оценке поведения установки в процессе работы. Она означает количество полученного органического вещества в отношении к общему содержанию органического вещества во введенном субстрате. Разница с показателем 100% указывает на часть загруженного сырья, не подвергшуюся полному сбраживанию. В простых биогазовых установках процент сбраживания составляет около 50%. Это означает, что половина загружаемого сырья не используется. Обычно показатели для экскрементов составляют 50-60%, а для растительного сырья – приблизительно 80%.

Эффективность образования метана при ферментации определяется либо как степень разрушения органического вещества, измеряемая в процентах разрушенных летучих веществ, либо как скорость образования метана. Выбор метода расчета зависит от характера подготовки отходов и их назначения. Время удержания системы характеризует объем поступающей в реактор и выходящей из него жидкости в течение суток. Так, если в 10-литровый реактор подается 2 л/сутки, то время удержания будет равно 5 дням. При полностью перемешиваемом процессе время удержания обратно пропорционально скорости роста микроорганизмов при условии, что оно достаточно продолжительно, чтобы обеспечить сохранение микробной популяции. Если время удержания меньше минимального, эффективная ферментация прекращается вследствие вымывания микробной популяции. По мере увеличения времени удержания концентрация органического вещества в сырье увеличивается. Уменьшение органического вещества может привести к сокращению количества метана, производимого на 1 л объема реактора.

В ходе исследования влияния времени удержания на ферментацию ила при 350С был обнаружен быстрый рост протеина и ферментирующих углеводы бактерий. Субстраты расщепляются до жирных кислот даже при времени удержания менее одних суток. Однако ферментация жирных кислот не происходит до тех пор, пока время удержания не достигнет 5 суток и более.

Существует следующее уравнение для прогнозирования количества производимого метана на основе химического состава сырья отходов:

(1)

Между скоростью загрузки реактора, временем удержания и процентным содержанием органического материала в сырье существует зависимость вида:

Скорость загрузки реактора (%) = Органическое вещество в сырье (%)/Время удержания. (2)

Таким образом, скорость загрузки реактора при данном времени удержания может быть увеличена за счет подачи более концентрированной суспензии органического вещества или при данном процентном содержании органического вещества в отходах путем сокращения времени удержания. При более высоких скоростях загрузки производится больше метана на единицу объема реактора, но меньше на массу сырья, поскольку меньше разрушается летучих веществ. При снижении скорости загрузки реактора процент разрушения летучих веществ увеличивается, но при этом сокращается производство метана на объем реактора. При термофильной обработке отходов животноводства и скоростях загрузки реактора 2,7% достигается высокий выход метана 4,5 л/сутки на 1 л объема реактора при времени удержания порядка 3 суток.

Параметры оптимизации процесса получения биогаза

Кислотообразующие и метанобразующие бактерии встречаются в природе повсеместно, в частности в экскрементах животных. В пищеварительной системе крупного рогатого скота содержится полный набор микроорганизмов, необходимых для сбраживания навоза. Поэтому навоз крупнорогатого скота часто применяют в качестве сырья, загружаемого в новый реактор. Для начала процесса сбраживания достаточно обеспечить следующие условия:

1. Поддержка анаэробных условий в реакторе.

Поддержка оптимальной температуры является одним из важнейших факторов процесса сбраживания. В природных условиях образование биогаза происходит при температурах от 0°С до 97°С, но с учетом оптимизации процесса переработки органических отходов для получения биогаза и биоудобрений выделяют три температурных режима: психрофильный, мезофильный и термофильный температурный режимы.

2. Доступность питательных веществ.

Для роста и жизнедеятельности метановых бактерий необходимо наличие в сырье органических и минеральных питательных веществ. В дополнение к углероду и водороду создание биоудобрений требует достаточного количество азота, серы, фосфора, калия, кальция и магния и некоторого количества микроэлементов - железа, марганца, молибдена, цинка и др.

3. Время сбраживания.

Оптимальное время сбраживания зависит от дозы загрузки реактора и температуры процесса сбраживания. Если время сбраживания выбрано слишком коротким, то при выгрузке шлама бактерии из реактора вымываются быстрее, чем могут размножаться, и процесс ферментации практически останавливается. Слишком продолжительное выдерживание сырья в реакторе не отвечает задачам получения наибольшего количества биогаза и биоудобрений за определенный промежуток времени.

При определении оптимальной продолжительности сбраживания пользуются термином «время оборота реактора». Время оборота реактора – это время, в течение которого свежее сырье, загруженное в реактор, перерабатывается, и его выгружают из реактора.

Для систем с непрерывной загрузкой среднее время сбраживания определяется отношением объема реактора к ежедневному объему загружаемого сырья. На практике время оборота реактора выбирают в зависимости от температуры сбраживания и состава сырья в следующих интервалах:

- психрофильный температурный режим: от 30 до 40 и более суток;

- мезофильный температурный режим: от 10 до 20 суток;

- термофильный температурный режим: от 5 до 10 суток.

Суточная доза загрузки сырья определяется временем оборота реактора и увеличивается (как и выход биогаза) с увеличением температуры в реакторе.

Выбор времени сбраживания зависит также от типа перерабатываемого сырья. Для следующих видов сырья, перерабатываемого в условиях мезофильного температурного режима, время, за которое выделяется наибольшая часть биогаза, равно примерно:

- жидкий навоз КРС:дней;

- жидкий свиной навоз: 9 -12 дней;

- жидкий куриный помет: 10-15 дней;

- навоз, смешанный с растительными отходами: 40-80 дней.

4. Кислотно-щелочной баланс.

Метанопродуцирующие бактерии лучше всего приспособлены для существования в нейтральных или слегка щелочных условиях. В процессе метанового брожения второй этап производства биогаза является фазой активного действия кислотных бактерий. В это время уровень рН снижается, то есть среда становится более кислой.

Однако при нормальном ходе процесса жизнедеятельность разных групп бактерий в реакторе проходит одинаково эффективно и кислоты перерабатываются метановыми бактериями. Оптимальное значение pH колеблется в зависимости от сырья от 6,5 да 8,5.

5. Содержание углерода и азота.

Одним из наиболее важных факторов, влияющих на метановое брожение (выделение биогаза), является соотношение углерода и азота в перерабатываемом сырье. Если соотношение C/N чрезмерно велико, то недостаток азота будет служить фактором, ограничивающим процесс метанового брожения. Если же это соотношение слишком мало, то образуется такое большое количество аммиака, что он становится токсичным для бактерий.

Микроорганизмы нуждаются как в азоте, так и в углероде для ассимиляции в их клеточную структуру. Различные эксперименты показали: выход биогаза наибольший при уровне соотношения углерода и азота от 10 до 20, где оптимум колеблется в зависимости от типа сырья. Для достижения высокой продукции биогаза практикуется смешивание сырья для достижения оптимального соотношения C/N.

6. Выбор влажности сырья.

Беспрепятственный обмен веществ в сырье является предпосылкой для высокой активности бактерий. Это возможно только в том случае, когда вязкость сырья допускает свободное движение бактерий и газовых пузырьков между жидкостью и содержащимися в ней твердыми веществами. В отходах сельскохозяйственного производства имеются разные твердые частицы.

Твердые частицы, например, песок, глина и др. обуславливают образование осадка. Более легкие материалы поднимаются на поверхность сырья и образуют корку. Это приводит к уменьшению образования биогаза. Поэтому рекомендуется тщательно измельчать перед загрузкой в реактор растительные остатки - солому: и др., и стремиться к отсутствию твердых веществ в сырье.

7. Регулярное перемешивание.

Для эффективной работы биогазовой установки и поддерживания стабильности процесса сбраживания сырья внутри реактора необходимо периодическое перемешивание. Главными целями перемешивания являются: высвобождение полученного биогаза; перемешивание свежего субстрата и популяции бактерий (прививка); предотвращение формирования корки и осадка; предотвращение участков разной температуры внутри реактора; обеспечение равномерного распределения популяции бактерий; предотвращение формирования пустот и скоплений, уменьшающих эффективную площадь реактора.

При выборе подходящего способа и метода перемешивания нужно учитывать, что процесс сбраживания представляет собой симбиоз между различными штаммами бактерий, то есть бактерии одного вида могут питать другой вид. Когда сообщество разбивается, процесс ферментации будет непродуктивным до того, как образуется новое сообщество бактерий. Поэтому слишком частое или продолжительное и интенсивное перемешивание вредно. Рекомендуется медленно перемешивать сырье через каждые 4 - 6 часов.

8. Ингибиторы процесса.

Сбраживаемая органическая масса не должна содержать веществ (антибиотики, растворители и т. п.), отрицательно влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов, они замедляют, а иногда и прекращают процесс выделения биогаза. Не способствуют «работе» микроорганизмов и некоторые неорганические вещества.

На каждый из различных типов бактерий, участвующих в трех стадиях метанообразования, эти параметры влияют по-разному. Существует также тесная взаимозависимость между параметрами (например, выбор времени сбраживания зависит от температурного режима), поэтому сложно определить точное влияние каждого фактора на количество образующегося биогаза.

Эффективность производства энергии из биогаза

Для промышленного производства требуется разработка комплексной технологии, включающей в себя такие компоненты, как накопитель биомассы; аппарат, в котором происходит сбраживание; газгольдер и систему очистки биогаза.

Качество биогаза и подготовка топливного газа не зависит от используемого исходного сырья и от скорости процесса. В табл. 3 представлено сравнение состава различных видов газа.

По сравнению с традиционными видами топлив и другими альтернативными источниками энергии биогаз сжигается в теоретическом количестве воздуха, благодаря чему обеспечивается высокий тепловой КПД и большая температура горения, биогаз зажигается при любых температурах окружающей среды и обладает высокими противодетанационными свойствами (табл. 4).

Таблица 3. Состав топливного газа

	Биогаз	Газ сточных вод	Газ мусорных свалок	Природный газ
СН4	50-75	65	50	88
СО2	25-50	35	27	-
N2	0-5	-	23	5
Плотность, кг/м3	1,2	1,158	1,274	0,798
Теплотворная способность, кВт∙ч/м3	5,0…7,5	6,5	4,8	10,1
Метановый индекс	124…150	134	136	80-90

Использование биогаза как топлива позволяет получить значительный экологический эффект. Продукты энергетических процессов, связанных с использованием традиционных видов топлива, составляют 80…88% всех видов загрязнения биосферы. Использование биогаза как топлива по сравнению с использованием природного газа экологически более предпочтительно из-за меньшего содержания в продуктах сгорания соединений серы, азота, углекислого газа, золы.

По данным эксплуатации автопарка Швеции автобус, работающий на биогазе, выбрасывает в атмосферу за год по сравнению с традиционными видами топлива на 1,2 т меньше оксидов азота и на 9 т меньше двуокиси углерода. Уменьшение отрицательного воздействия на окружающую среду в результате замены традиционных видов энергоносителей биогазом является лишь одной компонентой экологического эффекта рассматриваемого процесса.

Таблица 4. Основные характеристики биогаза

при содержании СН4%

Характеристика

Значение

Плотность при нормальных условиях, кг/м3 Низшая теплота сгорания, МДж/м3 Высшая теплота сгорания, МДж/м3 Температура воспламенения, 0С Предел воспламеняемости (содержание в воздухе), % Теоретический объем воздуха, необходимый для горения, мв/мб Содержание углекислого газа в сухих продуктах сгорания, % Нормальная скорость распространения пламени, см/с Концентрационные пределы воспламенения, % низший высший

0,95 – 1,40 18,0 – 27,5 20,0 – 31,5 650 – 750 6 – 12 4,8 – 7,6 14,3 – 21,0 16 – 22 6,5 – 10 17 – 31

Поскольку биогаз содержит такие вредные компоненты, как сера, аммиак, иногда кремний, а также их соединения, возможности его использования ограничены. Данные компоненты могут стать причиной износа и коррозии двигателей внутреннего сгорания, поэтому их содержание в газе не должно превышать установленных норм. Кроме того, отработавшие газы нельзя охлаждать до температуры менее 140…150°С, в противном случае, в теплообменниках и в нижней части системы каналов для отработавшего газа будет накапливаться кислотный конденсат.

Существует несколько способов удаления серы из топливного газа. При биологической очистке в зону газа в метантенке подается воздух. В результате окисления бактериями сероводорода отделяются сера и сульфат, которые удаляются с жидкими компонентами. Другой способ – это химическое осаждение. В этом случае в раствор в метантенке добавляется трихлорид железа. Эти методы хорошо зарекомендовали себя в установках очистки сточных вод. Наиболее оптимальные результаты достигаются при очистке газа с использованием активированного угля, причем из газа удаляется не только сера, но и кремний.

Биогаз позволяет значительно уменьшить общее потребление топлива путем применения когенерации (совместного производства электроэнергии и тепла). Сравнительные показатели когенерации и раздельного производства электричества и тепла приведены на рис. 2.

Рис. 2. Сравнительные характеристики различных способов получения энергии

Исследования, разработки и проекты, реализованные в течение последних 25 лет, привели к существенному усовершенствованию технологии. Уровень распространения когенерации в мире позволяет утверждать, что это наиболее эффективная (из существующих) технология энергообеспечения для огромной части потенциальных потребителей.

Технология когенерации сочетает положительные характеристики, которые недавно считались практически несовместимыми. Наиболее важными следует признать высокую эффективность использования топлива, более чем удовлетворительные экологические параметры, а также автономность систем когенерации. Когенерационная установка состоит из четырех основных частей: первичного двигателя, электрогенератора, системы утилизации тепла и системы контроля и управления. В этом случае качество биогаза соответствует качеству природного газа, а использование окислительного каталитического газонейтрализатора обеспечивает дополнительное снижение уровня эмиссии выхлопных газов.

Преимущества применения биогаза

·  Альтернативное использование компоста, жидкого навоза и другого органического сырья в качестве источника энергии.

·  Высокая экономическая эффективность и короткие сроки окупаемости.

·  Биогаз заменяет традиционное топливо.

·  Высокий общий КПД (электрический и тепловой) - до 92%.

·  Оставшийся сухой осадок от метантенка может быть использован в качестве сельскохозяйственного удобрения.

·  Коррозийный эффект нейтрализуется высоким уровнем РН.

·  Отходы от ферментации не имеют запаха.

·  Способствует снижению влияния факторов, влияющих на возникновение парникового эффекта (выработка энергии с пониженными выбросами СО2).

·  СО2, содержащийся в выхлопных газах, может применяться в теплицах в качестве удобрения.

В процессе анаэробного брожения значительно улучшаются свойства навоза как удобрения. Это происходит за счет минерализации находящегося в навозе азота. При традиционном компостировании навоза потери азота составляют до%. По сравнению с обычным компостированием анаэробная переработка увеличивает содержание в навозе аммонийного азота в 4 раза, от 20 до 40% содержащегося в навозе азота переходит в аммонийную форму. Содержание усваиваемого растениями фосфора удваивается и составляет до 50% от его общего количества в навозе. Эффлюент позволяет повысить урожайность на% по сравнению с использованием обычного навоза. В табл. 5 представлены основные показатели удобрения.

Таблица 5. Основные показатели готовой продукции

№ п/п	Наименование показателя	Норма
1	Внешний вид	Масса темно-серого цвета без специфического запаха
2	Массовая доля влаги в жидком удобрении, %, не более	95
3	Массовая доля золы в сухом остатке, %, не более	70
4	Массовая доля органических веществ в сухом остатке, %, не менее	20
5	Массовая доля азота, мг/100 г
6	Массовая доля калия, мг/100 г в пересчете на К2О
7	Массовая доля фосфора, мг/100 г в пересчете на Р2О5
8	Массовая доля железа, мг/100 г	100-300
9	Массовая доля кальция, мг/100 г
10	Массовая доля магния, мг/100 г	100-400
11	Содержание тяжелых металлов: -  свинец, не более, мг/кг -  кадмий, не более, мг/кг -  медь, не более, мг/кг -  хром, не более, мг/кг -  цинк, не более, мг/кг -  ртуть, не более, мг/кг	6,0 0,5 3,0 6,0 23,0 2,1
12	Водородный показатель, рН	5,5-8,5
13	Патогенные микроорганизмы	отсутствуют
14	Яйца гельминтов	отсутствуют

Удобрение превосходит все известные органические и минеральные удобрения по следующим позициям: экологически чистое; содержит весь комплекс необходимых питательных веществ; восстанавливает структуру почвы, запуская механизм восстановления, и повышает ее плодородие на длительный срок; обладает эффектом пролонгированного действия в течение 2-3 лет; отсутствует патогенная флора и всхожие семена; не токсично, не пожароопасно, не слеживается; срок хранения не ограничен.