3 Что за газ биогаз?

Получение биогаза из органических отходов основано на их свойствах выделять горючий газ в результате так на­зываемого «метанового сбраживания» в анаэробных (без доступа воздуха) условиях. Биогаз, образующийся при метановом сбраживании, представляет собой смесь, состо­ящую из 50—80 % метана, 20—50 % углекислого газа, при­мерно 1 % сероводорода, а также незначительного коли­чества некоторых других газов (азота, кислорода, водоро­да, аммиака, закиси углерода и др.). Напомним, что 1 м2 метана при сгорании выделяет энергию, равную пример­но 20—25 МДж.

В свою очередь, «метановое сбраживание» происходит при разложении органических веществ в результате жизне­деятельности двух основных групп микроорганизмов. Одна группа микроорганизмов, обычно называемая кислотообра­зующими бактериями, или бродильными микроорганизмами, расщепляет сложные органические соединения (клетчатку, белки, жиры и др.) в более простые, при этом в сбраживаемой среде появляются первичные продукты брожения — ле­тучие жирные кислоты, низшие спирты, водород, окисид уг­лерода, уксусная и муравьиная кислоты и др. Эти менее слож­ные органические вещества являются источником питания для второй группы бактерий — метанообразующих, которые превращают органические кислоты в требуемый метан, а так­же углекислый газ и др.

В этом сложном комплексе превращений участвует ве­ликое множество микроорганизмов, по некоторым данным — до тысячи видов, но главные из них все-таки матанообразующие бактерии. Отметим, что они значительно медленнее размножаются и более чувствительны к изменениям окружа­ющей среды, чем кислотообразующие микроорганизмы-бродильщики, поэтому вначале в сбраживаемой среде накапли­ваются летучие кислоты, а первую стадию метанового сбраживания называют кислотной. Потом скорости образования и переработки кислот выравниваются, так что в дальнейшем разложение субстрата и образование газа идут одновременно. И естественно, от условий, которые создаются для жиз­недеятельности метанообразующих бактерий, зависит ин­тенсивность газовыделения.

Как кислотообразующие, так и метанообразующие бак­терии встречаются в природе повсеместно, в частности в экскрементах животных. Считается, что в навозе крупного рогатого скота имеется полный набор микроорганизмов, необходимых для его сбраживания. И подтверждением этому является то, что в рубце и кишечнике жвачных животных пос­тоянно идет процесс метанообразования. Следовательно, нет необходимости применять для получения биогаза чистые культуры метанообразующих бактерий для того, чтобы вызвать процесс брожения. Достаточно лишь обеспечить уже имеющимся в субстрате бактериям подходящие условия для их жизнедеятельности.

Для создания таких условий органические отходы сбраживаются в специальных бродильных камерах (биореакто­рах), где поддерживают строго анаэробную среду, а также соответствующие температурный и кислотный (рН) режимы, давление и др.

А теперь, прежде чем перейти к рассмотрению раз­личных конструкций биогазовых установок, остановимся ко­ротко на основных факторах, влияющих на эффективность работы подобных установок. Знание этих факторов позволит сделать биоустановку по-настоящему рентабельной и не превратит работу по получению столь необходимого газа в бесполезное перелопачивание навоза!

 

3.2. КАК ДОБИТЬСЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОГЕНЕРАТОРА

Для эффективной работы установки, производящей биогаз, кроме строго анаэробной среды, придется соблюдать ряд требований. Во-первых, поддерживать в реакторе опти­мальные температурный и кислотный режимы. Во-вторых, постоянно следить за наличием питательных веществ в сбра­живаемой среде, обеспечивая низкое содержание в данной среде веществ-ингибиторов, то есть веществ, препятствую­щих жизнедеятельности микроорганизмов.

Вообще-то образование метана идет в достаточно ши­роком интервале температур (8—60 °С), при этом при опре­деленных температурах в процессе сбраживания участвуют определенные виды бактерий.

Обычно различают три характерных уровня температур, предпочтительных для отдельных видов бактерий. Психрофильный режим идет при температуре 8—20 °С, мезофильный — при 30—40 °С, термофильный — при 45—60 °С. Более производительны термофильный и мезофильный ре­жимы сбраживания, однако все три режима имеют как свои преимущества, так и недостатки. Режимы с более высокими температурами требуют больших затрат энергии на поддер­жание оптимальной температуры, зато благодаря сокраще­нию продолжительности сбраживания удается значительно сократить объем биореактора и таким образом увеличить производительность биогазовой установки. Однако часто поддержание в биомассе высоких температур на практике связано с большими затратами энергии на обогрев и термо­регуляцию биореакторов, что в свою очередь значительно удорожает процесс получения биогаза. Так, стоимость энер­гии, необходимой для подогрева содержимого бродильной камеры при термофильном сбраживании, настолько велика, что превышает всякие выгоды, связанные с более быстрым, чем в других случаях, сбраживанием. Отсюда следует, что в условиях домашнего хозяйства практическое значение име­ет только мезофильное (30—40 °С) или психрофильное (8— 20 °С) метановое сбраживание. (О способах обеспечения со­ответствующих температурных режимов этих способов сбра­живания будет рассказано ниже).

Для нормального протекания брожения необходима слабощелочная реакция среды (рН=6,7—7,6). При оптималь­ной (ровной) активности кислотообразующих и метановых бактерий (то есть при установившемся процессе брожения) значение рН поддерживается в желательных пределах «ав­томатически». Однако иногда кислотообразующие бактерии начинают размножаться быстрее, чем метановые, из-за чего концентрация летучих жирных кислот в бродильной камере возрастает и происходит так называемое «закисление», в ре­зультате чего выход биогаза снижается, а кислотность био­массы увеличивается. В этом случае в содержимое биореактора следует добавить горячую воду, известковое молоко, соду. При нарушении баланса между азотом и углеродом его восстанавливают добавлением в биомассу коровьей мочи.

Основой беспрепятственного размножения анаэробных бактерий служит, естественно, наличие питательных веществ в сбраживаемой среде. И почти все питательные вещества, необходимые для роста метановых бактерий, содержат экскременты животных, являющиеся основным сырьем для производства биогаза. Разнообразие видового состава метанообразующих бактерий позволяет использовать практи­чески все виды жидких и твердых органических отходов. Но лучшая органическая масса для получения биогаза — навоз крупного рогатого скота в смеси с растительными остатками (влажность биомассы не менее 85—90%).

Сбраживаемая органическая масса не должна содер­жать веществ (антибиотики, растворители и т. п.), отрица­тельно влияющих на жизнедеятельность микроорганизмов. Не способствуют «работе» микроорганизмов и некоторые не" органические вещества, поэтому нельзя, например, исполь­зовать для разбавления навоза воду, оставшуюся после стир­ки синтетическими моющими средствами.

Для полного разложения органического вещества, как правило, необходимо длительное время. А при этом продол­жительность сбраживания, учитывая присущую данному виду отходов скорость разложения, зависит от требуемой степе­ни разложения органического вещества. Обычно макси­мальный выход биогаза и лучшие по качеству удобрения наб­людаются при разложении органического вещества (навоза) до 30—33 %. Заметим, что при пребывании биомассы в био­реакторе в течении 14—15 дней полнота ее разложения сос­тавляет 25%.

При непрерывном способе сбраживания, когда выгруз­ка определенного объема «отработавшего» в реакторе ор­ганического вещества происходит одновременно с загрузкой такого же объема свежего материала, выделяется наиболь­шее количество биогаза, и при такой организации процесса для малогабаритных биогазовых установок в приусадебных хозяйствах доза ежесуточной загрузки обычно не превышает 4—5 % полезного объема камеры сбраживания.

 

3.3. РАЗНОВИДНОСТИ БИОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК

Установки для производства биогаза из органических отходов обычно подразделяют на четыре основных типа:

* без подвода тепла и без перемешивания сбраживаемой биомассы:

* без подвода тепла, но с перемешиванием сбраживаемой массы;

* с подводом тепла и с перемешиванием биомассы;

* с подводом тепла, с перемешиванием биомассы и со средствами контроля и управления процессом сбраживания.

Понятно, что обязательные компоненты биогазовой установки — сам биореактор и газгольдер для сбора биогаза, ну а устройства для подогрева биомассы, ее перемешива­ния, а также средства контроля — вещи весьма полезные, но можно обойтись и без них.

 

3.4. БИОРЕАКТОР

Биореактор — основа любой биогазовой установки, и к его конструкции предъявляются достаточно жесткие требо­вания. Так, корпус биореактора должен быть достаточно про­чен при абсолютной герметичности его стенок. Обязательны хорошая теплоизоляция стенок и их способность надежно противостоять коррозии. При этом необходимо предусмотреть возможность загрузки и опорожнения реактора, а также доступ к его внутреннему пространству для обслуживания.

Формы реакторов весьма разнообразны. Так, с точки зрения создания наиболее благоприятных условий для пе­ремешивания жидкого субстрата, накапливания газа, отво­да осадков и разрушения образующейся корки целесообраз­но использование резервуара, формой напоминающего яйцо. Крупные реакторы такой формы обычно сооружают из бетона, поэтому для них характерна высокая стоимость изготовления, что существенно ограничивает их применение. Зато подсобные реакторы меньших объемов достаточно нес­ложно выполнить из стеклопластика, то есть из полиэфир­ной смолы, армированной стекловолокном, и обходятся они не так уж и дорого.

Для цилиндрического резервуара с конусными верхней и нижней частями, как и для яйцеобразного, характерны не­большое пространство для накопления газа, ограниченный объем плавающей корки, а также хороший отвод шлама. Од­нако в подобных реакторах создаются менее благоприятные условия для перемещения жидкого субстрата. Резервуары большого объема такой формы, используемые в комму­нальных установках для очистки и разложения стоков, как и реакторы в форме яйца, изготовляют из бетона. Однако «ци­линдрические» реакторы несколько дешевле. В индивиду­альных хозяйствах реакторы вышеуказанной формы, но, естественно, меньшей вместимости, делают из стали или из стеклопластика. Кстати, в реакторах из стеклопластика легче достичь лучших условий перемещения субстрата.

 Рисунок 2

 Цилиндрические резервуары относительно просты в изготовлении, что объясняется обширным опытом строитель­ства емкостей для сельскохозяйственных целей (стальные, бетонные, стеклопластиковые цистерны-бункера для сило­са и других кормов). Однако по сравнению с резервуарами предыдущих форм в цилиндрическом резервуаре невозможно организовать достаточно хорошие условия для переме­щения субстрата, при этом приходится считаться с более высокими затратами на удаление осадка и разрушение пла­вающей корки, что связано с увеличением расхода энергии на перемешивание массы.

Рисунок 3

 Двухкамерная биогазовая установка проточного типа 1-насос; 2-приёмная камера; 3-бродильная камера; 4-перемешивающее устройство; 5-нагреватель; 6-камера дображивания; 7-сборник сброженной массы; 8-шнек.

Если резервуар цилиндрической формы разделить по­перечной вертикальной перегородкой на две камеры, то мож­но организовать систему получения биогаза с поочередным использованием камер резервуара. Причем строительство резервуара с перегородкой обойдется дешевле, чем соору­жение двух отдельных резервуаров. Заметим также, что при такой компоновке уменьшается значение теплоизоляции на­ружных стенок резервуара, а в перегородку, выполняемую из достаточно теплопроводного материала, не очень сложно встроить какое-либо нагревательное устройство, что прида­ет установке дополнительные конструктивные выгоды.

Рисунок 4

В простых, большей частью небольших, биогазовых ус­тановках, сооружаемых собственными силами, обычно бро­дильная камера имеет форму параллелепипеда (бассейн или яма с крышкой). Для повышения эффективности такой реак­тор перегораживают вертикальной стенкой, создавая глав­ную бродильную камеру и камеру для окончательного сбраживания и осаждения шлама. Правда, установки подобного типа не позволяют достичь высокой степени разложения суб­страта, так как в них практически невозможно обеспечить ни равномерное перемешивание массы, ни управление загруз­кой рабочего объема камеры, ни соблюдение времени пре­бывания массы в реакторе, что необходимо для получения максимального количества газа. Да и разрушение плаваю­щей корки и осадка связано здесь с большими затратами.

В горизонтально расположенном резервуаре субстрат перемешивается в продольном направлении. Здесь для не­больших установок пригодны цилиндрические реакторы из стали или стеклопластика. Горизонтальные резервуары зна­чительной вместимости имеют форму параллелепипеда, и выполняют их из бетона.

Наклонное расположение таких резервуаров облегчает отекание шлама к выгрузочному отверстию. Такая конструк­ция удобна для размещения простейшего перемешивающего механизма.

Резервуар в виде вырытой в грунте траншеи позволяет обрабатывать большие количества субстрата. В качестве строительного материала для стенок реактора используют, как правило, бетон.

Теперь более подробно рассмотрим устройство неко­торых видов биогазовых установок, уже применяющихся в практике. Сейчас на основе резервуара в форме параллеле­пипеда с перегородкой разработана и надежно действует двухкамерная биогазовая установка проточного типа, где

Рисунок 5

 Траншейная биогазовая установка 1-эластический сборник; 2-плиты из пенопласта; 3-бродильная камера; 4-нагреватель (бойлер).

Рис. 6.

Эластичный биореактор

Все большее распространение получают траншейные биогазовые установки. Возьмем, например, траншейную ус­тановку из ФРГ. Здесь прямо из помещения, где содержат животных, навоз, разведенный водой, идет в биореактор, в котором сбраживается. В установке предусмотрены механи­ческое перемешивание субстрата и грейфер для погрузки сброженного навоза.

В другой траншейной установке (США) свежий жидкий навоз поступает в бродильную камеру сверху, а подогретая вода — снизу. Газосборник установки эластичный, а на по­верхности сбраживаемого субстрата для теплоизоляции рас­положены пенопластовые плиты.

Обратим еще внимание читателей на эластичные реакторы, обычно используемые в странах Юго-Восточной Азии. Подобные реакторы (емкости) делают из плотной прорезинен­ной ткани или из синтетической пленки. Для организации работы таких биореакторов их приходится либо заглублять в грунт, либо помещать внутри достаточно прочного «кругового» ограждения.

Серия "Делаем сами"